L'applicazione diterre rarenella fusione della lega di alluminio è stata effettuata in precedenza all'estero. Sebbene la Cina abbia iniziato la ricerca e l’applicazione di questo aspetto solo negli anni ’60, esso si è sviluppato rapidamente. È stato svolto molto lavoro, dalla ricerca sui meccanismi all'applicazione pratica, e sono stati raggiunti alcuni risultati. Con l'aggiunta di elementi di terre rare, le proprietà meccaniche, le proprietà di fusione e le proprietà elettriche delle leghe di alluminio sono state notevolmente migliorate. Nel campo della nuovi materiali, le ricche proprietà ottiche, elettriche e magnetiche degli elementi delle terre rare svolgono anche un ruolo importante nella produzione di materiali magnetici permanenti delle terre rare, materiali che emettono luce delle terre rare, materiali di stoccaggio dell'idrogeno delle terre rare, ecc.
◆ ◆ Meccanismo d'azione delle terre rare in alluminio e leghe di alluminio ◆ ◆
Le terre rare hanno un'elevata attività chimica, un basso potenziale e una speciale disposizione degli strati di elettroni e possono interagire con quasi tutti gli elementi. Le terre rare comunemente utilizzate nell'alluminio e nelle leghe di alluminio includono La (lantanio), Ce (cerio), Y (ittrio) e Sc (scandio). Vengono spesso aggiunti all'alluminio liquido con modificatori, agenti nucleanti e agenti degasanti, che possono purificare la fusione, migliorare la struttura, affinare la grana, ecc.
01Purificazione delle terre rare
Poiché una grande quantità di inclusioni di gas e ossidi (principalmente idrogeno, ossigeno e azoto) verrà introdotta durante la fusione e la fusione della lega di alluminio, nella fusione si verificheranno fori di spillo, crepe, inclusioni e altri difetti (vedere Figura 1a), riducendo la resistenza della lega di alluminio. L'effetto di purificazione delle terre rare si manifesta principalmente nell'evidente riduzione del contenuto di idrogeno nell'alluminio fuso, nella riduzione della velocità dei fori stenopeici e della porosità (vedere Figura 1b) e nella riduzione delle inclusioni e degli elementi dannosi. I principali il motivo è che le terre rare hanno una grande affinità con l'idrogeno, che può assorbire e dissolvere l'idrogeno in grandi quantità e formare composti stabili senza formare bolle, riducendo così significativamente il contenuto di idrogeno e la porosità dell'alluminio; le terre rare e l'azoto formano composti refrattari, che sono per lo più rimosso sotto forma di scorie nel processo di fusione, in modo da raggiungere lo scopo di purificare il liquido dell'alluminio.
La pratica ha dimostrato che le terre rare hanno l'effetto di ridurre il contenuto di idrogeno, ossigeno e zolfo nell'alluminio e nelle leghe di alluminio. L'aggiunta di 0,1% ~ 0,3% RE nel liquido di alluminio è utile per rimuovere meglio le impurità nocive, affinare le impurità o modificarne la morfologia, in modo da raffinare e distribuire uniformemente i grani; Inoltre, RE e impurità nocive con basso punto di fusione formano composti binari come RES, REA e REPb, che sono caratterizzati da un elevato punto di fusione, bassa densità e proprietà chimiche stabili e possono essere fatti galleggiare fino a formare scorie e rimossi, purificando così il liquido di alluminio; le rimanenti particelle fini diventano nuclei eterogenei di alluminio da raffinare cereali.
Fig. 1 Morfologia al SEM della lega 7075 senza RE e w (RE)=0,3%
UN. RE non è aggiunto;b. Aggiungi w (RE)=0,3%
02Metamorfismo delle terre rare
La modificazione delle terre rare si manifesta principalmente nella raffinazione di grani e dendriti, inibendo la comparsa della fase T2 lamellare grossolana, eliminando la fase massiva grossolana distribuita nel cristallo primario e formando una fase sferica, in modo che i composti di strisce e frammenti al confine del grano siano significativamente ridotti (vedi Figura 2). Generalmente, il raggio dell'atomo di terre rare è maggiore di quello dell'atomo di alluminio e le sue proprietà sono relativamente attive. La fusione in alluminio liquido è molto semplice per riempire i difetti superficiali della fase di lega, il che riduce la tensione superficiale sull'interfaccia tra le fasi nuove e vecchie e migliora il tasso di crescita del nucleo cristallino; allo stesso tempo, può anche formare una superficie film attivo tra i grani e il liquido fuso per prevenire la crescita dei grani generati e affinare la struttura della lega (vedere Figura 2b).
Fig. 2 Microstruttura di leghe con diversa aggiunta di RE
UN. Il dosaggio RE è 0;b. L'aggiunta RE è dello 0,3%;c. L'aggiunta RE è dello 0,7%
Dopo l'aggiunta di elementi di terre rareαI grani della fase (Al) hanno iniziato a diventare più piccoli, il che ha avuto un ruolo nella raffinazione dei graniα(Al) trasformato in una piccola forma a rosa o bastoncino, quando il contenuto di terre rare è dello 0,3%αLa dimensione dei grani di (Al ) è la fase più piccola e aumenta gradualmente con l'ulteriore aumento del contenuto di terre rare. Gli esperimenti hanno dimostrato che esiste un certo periodo di incubazione per il metamorfismo delle terre rare e solo quando vengono mantenute ad alta temperatura per un certo periodo di tempo, le terre rare svolgeranno il ruolo più importante nel metamorfismo. Inoltre, il numero di nuclei cristallini dei composti formati da alluminio e terre rare aumenta notevolmente quando il metallo cristallizza, il che rende raffinata anche la struttura della lega. La ricerca mostra che le terre rare hanno buone effetto di modifica sulla lega di alluminio.
03 Effetto microlegante delle terre rare
Le terre rare esistono principalmente nell'alluminio e nelle leghe di alluminio in tre forme: soluzione solida nella matriceα (Al); Segregazione al confine di fase, confine del grano e confine del dendrite; Soluzione solida in o sotto forma di composto. Gli effetti rinforzanti delle terre rare in le leghe di alluminio comprendono principalmente il rafforzamento dell'affinamento del grano, il rafforzamento della soluzione finita e il rafforzamento della seconda fase dei composti delle terre rare.
La forma di esistenza delle terre rare nell'alluminio e nelle leghe di alluminio è strettamente correlata alla sua quantità aggiunta. Generalmente, quando il contenuto di RE è inferiore allo 0,1%, il ruolo di RE è principalmente il rafforzamento della grana fine e il rafforzamento della soluzione finita; Quando il contenuto di RE è dello 0,25% ~ 0,30%, RE e Al formano un gran numero di composti intermetallici sferici o ad asta corta. , che sono distribuiti nel grano o nel bordo del grano, e compaiono un gran numero di dislocazioni, strutture sferoidizzate a grana fine e composti di terre rare dispersi, che produrranno effetti di microlega come il rafforzamento della seconda fase.
◆ ◆ Effetto delle terre rare sulle proprietà dell'alluminio e delle leghe di alluminio ◆◆
01 Effetto delle terre rare sulle proprietà meccaniche complete della lega
La resistenza, la durezza, l'allungamento, la resistenza alla frattura, la resistenza all'usura e altre proprietà meccaniche complete della lega possono essere migliorate aggiungendo una quantità adeguata di terre rare. Lo 0,3% di RE viene aggiunto alla lega di alluminio fuso della serie ZL10σbda 205,9 MPa a 274 MPa e HB da 80 a 108; Aggiunta dello 0,42% di Sc alla lega 7005σbaumentato da 314MPa a 414MPa,σ0,2aumentato da 282 MPa a 378 MPa, la plasticità è aumentata dal 6,8% al 10,1% e la stabilità alle alte temperature è stata significativamente migliorata; La e Ce possono migliorare significativamente la superplasticità della lega. L'aggiunta di 0,14%~0,64% La alla lega Al-6Mg-0,5Mn aumenta la superplasticità dal 430% all'800%~1000%; Uno studio sistematico della lega Al-Si mostra che il carico di snervamento e il carico di rottura della lega possono essere notevolmente migliorato aggiungendo una quantità adeguata di Sc.Fig. 3 mostra l'aspetto al SEM della frattura da trazione di Al-Si7-Mg0,8lega, il che indica che si tratta di una tipica frattura di scissione fragile senza RE, mentre dopo l'aggiunta dello 0,3% di RE, nella frattura appare un'evidente struttura a fossette, che indica che ha una buona tenacità e duttilità.
Fig. 3 Morfologia della frattura da trazione
UN. Non iscritto a RE;b. Aggiungere lo 0,3% RE
02Effetto delle terre rare sulle proprietà delle leghe ad alta temperatura
Aggiungendo una certa quantità diterre rarenella lega di alluminio può migliorare efficacemente la resistenza all'ossidazione ad alta temperatura della lega di alluminio. L'aggiunta dell'1% ~ 1,5% di terre rare miste alla lega eutettica Al Si fusa aumenta la resistenza alle alte temperature del 33%, la resistenza alla rottura alle alte temperature (300 ℃, 1000 ore) del 44%, e la resistenza all'usura e la stabilità alle alte temperature sono significativamente migliorate; L'aggiunta di La, Ce, Y e mischmetal alle leghe Al Cu fuse può migliorare le proprietà alle alte temperature delle leghe; L'Al-8,4% rapidamente solidificato La lega Fe-3,4% Ce può funzionare a lungo al di sotto di 400 ℃, migliorando notevolmente la temperatura di lavoro della lega di alluminio; Sc viene aggiunto alla lega Al Mg Si per formare Al3Particelle Sc che non sono facili da ingrossare ad alta temperatura e coedono con la matrice per fissare il confine del grano, in modo che la lega mantenga una struttura non ricristallizzata durante la ricottura e migliori notevolmente le proprietà ad alta temperatura della lega.
03 Effetto delle terre rare sulle proprietà ottiche delle leghe
L'aggiunta di terre rare alla lega di alluminio può modificare la struttura della pellicola di ossido superficiale, rendendo la superficie più luminosa e bella. Quando si aggiunge 0,12% ~ 0,25% RE alla lega di alluminio, la riflettività del profilo 6063 ossidato e colorato arriva a 92%; Quando si aggiunge 0,1%~0,3% RE alla lega di alluminio pressofuso Al Mg, la lega può ottenere la migliore finitura superficiale e durata della brillantezza.
04 Effetto delle terre rare sulle proprietà elettriche delle leghe
L'aggiunta di RE all'alluminio di elevata purezza è dannosa per la conduttività della lega, ma la conduttività può essere migliorata in una certa misura aggiungendo RE appropriata all'alluminio puro industriale e alle leghe conduttive Al Mg Si. I risultati sperimentali mostrano che la conduttività dell'alluminio può essere migliorato del 2%~3% aggiungendo lo 0,2% di RE. L'aggiunta di una piccola quantità di terre rare ricche di ittrio nella lega Al Zr può migliorare la conduttività della lega, che è stata adottata dalla maggior parte delle fabbriche di fili domestici; aggiungere tracce di terre rare all'alluminio di elevata purezza per realizzare un condensatore a lamina Al RE. Se utilizzato in prodotti da 25 kV, l'indice di capacità viene raddoppiato, la capacità per unità di volume aumenta di 5 volte, il peso viene ridotto del 47% e il volume del condensatore viene notevolmente ridotto.
05Effetto delle terre rare sulla resistenza alla corrosione della lega
In alcuni ambienti di servizio, soprattutto in presenza di ioni cloruro, le leghe sono vulnerabili alla corrosione, alla corrosione interstiziale, alla tensocorrosione e alla corrosione per fatica. Per migliorare la resistenza alla corrosione delle leghe di alluminio, sono stati condotti numerosi studi. Si è scoperto che l'aggiunta di una quantità adeguata di terre rare alle leghe di alluminio può effettivamente migliorare la loro resistenza alla corrosione. I campioni realizzati aggiungendo diverse quantità di terre rare miste (0,1% ~ 0,5%) all'alluminio sono stati immersi in salamoia e acqua di mare artificiale per tre volte consecutive anni. I risultati mostrano che l'aggiunta di una piccola quantità di terre rare all'alluminio può migliorare la resistenza alla corrosione dell'alluminio, e la resistenza alla corrosione in salamoia e acqua di mare artificiale è rispettivamente superiore del 24% e del 32% rispetto a quella dell'alluminio; Utilizzando il metodo del vapore chimico e aggiungendo penetrante multicomponente di terre rare (La, Ce, ecc.), sulla superficie della lega 2024 può formarsi uno strato di pellicola di conversione di terre rare, rendendo il potenziale dell'elettrodo superficiale della lega di alluminio tendente ad essere uniforme e migliorando la resistenza a corrosione intergranulare e tensocorrosione; l'aggiunta di La alla lega di alluminio ad alto contenuto di Mg può migliorare significativamente la capacità anticorrosione marina della lega; l'aggiunta di 1,5% ~ 2,5% di Nd alle leghe di alluminio può migliorare le prestazioni alle alte temperature, la tenuta all'aria e la resistenza alla corrosione del leghe, che sono ampiamente utilizzate come materiali aerospaziali.
◆ ◆ Tecnologia di preparazione della lega di alluminio delle terre rare ◆ ◆
Le terre rare vengono aggiunte principalmente sotto forma di oligoelementi nelle leghe di alluminio e altre leghe. Le terre rare hanno un'elevata attività chimica, un alto punto di fusione e sono facili da ossidare e bruciare ad alte temperature. Ciò ha causato alcune difficoltà nella preparazione e nell'applicazione delle leghe di alluminio delle terre rare. Nella ricerca sperimentale a lungo termine, le persone continuano a esplorare i metodi di preparazione delle leghe di alluminio delle terre rare. Allo stato attuale, i principali metodi di produzione per la preparazione delle leghe di alluminio delle terre rare sono il metodo di miscelazione, il metodo dell'elettrolisi del sale fuso e il metodo della riduzione alluminotermica.
01 Metodo di miscelazione
Il metodo di fusione misto consiste nell'aggiungere terre rare o metalli misti di terre rare nel liquido di alluminio ad alta temperatura in proporzione per creare la lega madre o la lega di applicazione, quindi fondere insieme la lega madre e l'alluminio rimanente in base alla tolleranza calcolata, mescolare e affinare completamente .
02 Elettrolisi
Il metodo dell'elettrolisi del sale fuso consiste nell'aggiungere ossido di terre rare o sale di terre rare nella cella elettrolitica dell'alluminio industriale ed elettrolizzare con ossido di alluminio per produrre una lega di alluminio delle terre rare. Il metodo dell'elettrolisi del sale fuso si è sviluppato relativamente rapidamente in Cina. Generalmente, ci sono due modi, vale a dire il metodo del catodo liquido e il metodo dell'eutettoide elettrolitico. Allo stato attuale, è stato sviluppato che i composti delle terre rare possono essere aggiunti direttamente alle celle elettrolitiche dell'alluminio industriale e le leghe di alluminio delle terre rare possono essere prodotte mediante elettrolisi delle fusioni di cloruro mediante il metodo eutettoide.
03 Metodo di riduzione alluminotermica
Poiché l'alluminio ha una forte capacità riducente e può formare una varietà di composti intermetallici con terre rare, l'alluminio può essere utilizzato come agente riducente per preparare leghe di alluminio di terre rare. Le principali reazioni chimiche sono mostrate nella seguente formula:
RE2O3+ 6Al→2REAl2+Al2O3
Tra questi, l'ossido di terre rare o le scorie ricche di terre rare possono essere utilizzati come materie prime di terre rare; L'agente riducente può essere alluminio puro industriale o alluminio silicio; La temperatura di riduzione è 1400 ℃ ~ 1600 ℃. Nella fase iniziale, veniva trasportato fuori a condizione dell'esistenza dell'agente riscaldante e del flusso, e l'elevata temperatura di riduzione causerebbe molti problemi; Negli ultimi anni, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo di riduzione alluminotermica. A una temperatura inferiore (780 ℃), la reazione di riduzione alluminotermica viene completata nel sistema di fluoruro di sodio e cloruro di sodio, evitando i problemi causati dall'alta temperatura originale.
◆ ◆ Progresso nell'applicazione della lega di alluminio delle terre rare ◆ ◆
01 Applicazione della lega di alluminio delle terre rare nell'industria energetica
Grazie ai vantaggi di buona conduttività, grande capacità di trasporto di corrente, elevata robustezza, resistenza all'usura, facilità di lavorazione e lunga durata, la lega di alluminio delle terre rare può essere utilizzata per produrre cavi, linee di trasmissione aeree, nuclei di filo, fili scorrevoli e fili sottili per scopi speciali. L'aggiunta di una piccola quantità di RE nel sistema di leghe Al Si può migliorare la conduttività, poiché il silicio nella lega di alluminio è un elemento impuro con un contenuto elevato, che ha un impatto maggiore sulle proprietà elettriche. L'aggiunta di una quantità adeguata di terre rare può migliorare la morfologia esistente e la distribuzione del silicio nella lega, che può migliorare efficacemente le proprietà elettriche dell'alluminio; l'aggiunta di una piccola quantità di ittrio o di terre rare miste ricche di ittrio nel filo in lega di alluminio resistente al calore può non solo mantenere buone prestazioni ad alta temperatura ma anche migliorare la conduttività; la terra rara può migliorare la resistenza alla trazione, la resistenza al calore e la resistenza alla corrosione del sistema in lega di alluminio. Cavi e conduttori realizzati in lega di alluminio delle terre rare possono aumentare la portata della torre dei cavi e prolungare la durata dei cavi.
02Applicazione della lega di alluminio delle terre rare nel settore edile
La lega di alluminio 6063 è la più utilizzata nel settore delle costruzioni. L'aggiunta dello 0,15%~0,25% di terre rare può migliorare significativamente la struttura grezza e la struttura di lavorazione e può migliorare le prestazioni di estrusione, l'effetto del trattamento termico, le proprietà meccaniche, la resistenza alla corrosione, le prestazioni del trattamento superficiale e la tonalità del colore. Si è scoperto che la terra rara è distribuito principalmente nella lega di alluminio 6063, l'α-Al neutralizza il confine di fase, il confine di grano e l'interdendritico e sono disciolti in composti o esistono sotto forma di composti per affinare la struttura e i grani del dendrite, in modo che la dimensione dell'eutettico non disciolto e la dimensione della fossetta nell'area della fossetta diventano significativamente più piccole, la distribuzione è uniforme e la densità aumenta, in modo che le varie proprietà della lega vengano migliorate a vari livelli. Ad esempio, la resistenza del profilo è aumentata di oltre il 20%, l'allungamento è aumentato del 50% e il tasso di corrosione è ridotto di oltre il doppio, lo spessore della pellicola di ossido aumenta del 5%~8% e la proprietà colorante aumenta di circa il 3%. Pertanto, i profili edili in lega RE-6063 sono ampiamente utilizzati.
03Applicazione della lega di alluminio delle terre rare nei prodotti di uso quotidiano
L'aggiunta di tracce di terre rare all'alluminio puro e alle leghe di alluminio della serie Al Mg per i prodotti in alluminio di uso quotidiano può migliorare significativamente le proprietà meccaniche, le proprietà di imbutitura profonda e la resistenza alla corrosione. Le necessità quotidiane come pentole in alluminio, padelle in alluminio, piatti in alluminio, contenitori per il pranzo in alluminio, i supporti per mobili in alluminio, le biciclette in alluminio e le parti di elettrodomestici in lega Al Mg RE hanno più del doppio della resistenza alla corrosione, riduzione del peso del 10%~15%, aumento della resa del 10%~20%, riduzione dei costi di produzione del 10%~15%, e migliori prestazioni di imbutitura profonda e lavorazione profonda rispetto ai prodotti in lega di alluminio senza terre rare. Allo stato attuale, le necessità quotidiane della lega di alluminio di terre rare sono state ampiamente utilizzate e i prodotti sono aumentati in modo significativo e sono venduti bene nei mercati nazionali ed esteri .
04 Applicazione della lega di alluminio delle terre rare in altri aspetti
L'aggiunta di pochi millesimi di terre rare nella lega di colata della serie Al Si più utilizzata può migliorare significativamente le prestazioni di lavorazione della lega. Molte marche di prodotti sono state utilizzate in aerei, navi, automobili, motori diesel, motocicli e veicoli blindati (pistone, cambio, cilindro, strumentazione e altre parti). Nella ricerca e nell'applicazione, si è riscontrato che Sc è l'elemento più efficace per ottimizzare la struttura e le proprietà delle leghe di alluminio. Ha un forte rafforzamento della dispersione, rafforzamento dell'affinamento del grano, rafforzamento della soluzione e effetti di rafforzamento delle microleghe sull'alluminio e può migliorare la resistenza, la durezza, la plasticità, la tenacità, la resistenza alla corrosione, la resistenza al calore, ecc. delle leghe. Le leghe della serie SC Al sono state utilizzate in industrie high-tech come aerospaziale, navi, treni ad alta velocità, veicoli leggeri, ecc. La lega di alluminio allo scandio serie C557Al Mg Zr Sc sviluppata dalla NASA ha un'elevata resistenza e stabilità alle alte e alle basse temperature ed è stata applicata alla fusoliera e agli aerei degli aerei parti strutturali; La lega 0146Al Cu Li Sc sviluppata dalla Russia è stata applicata al serbatoio del carburante criogenico dei veicoli spaziali.
Dal volume 33, numero 1 di Rare Earth di Wang Hui, Yang An e Yun Qi
Orario di pubblicazione: 05-lug-2023