השפעת כדור הארץ נדיר על אלומיניום וסגסוגות אלומיניום

היישום שלאדמה נדירהיציקת סגסוגת אלומיניום בוצעה מוקדם יותר בחו"ל. למרות שסין התחילה את המחקר והיישום של היבט זה רק בשנות ה-60, היא התפתחה במהירות. נעשתה עבודה רבה ממחקר מנגנונים ועד ליישום מעשי, והושגו כמה הישגים. בתוספת של יסודות אדמה נדירים, שופרו מאוד התכונות המכניות, תכונות היציקה והתכונות החשמליות של סגסוגות אלומיניום.בתחום חומרים חדשים, התכונות האופטיות, החשמליות והמגנטיות העשירות של יסודות אדמה נדירים ממלאים גם תפקיד חשוב בייצור חומרים מגנטיים קבועים של אדמה נדירה, חומרים פולטי אור של אדמה נדירה, חומרים לאחסון מימן של אדמה נדירה וכו'.

◆ ◆ מנגנון פעולה של אדמה נדירה באלומיניום וסגסוגת אלומיניום ◆ ◆

לאדמה נדירה פעילות כימית גבוהה, פוטנציאל נמוך וסידור שכבות אלקטרונים מיוחד, ויכולות לקיים אינטראקציה עם כמעט כל היסודות. כדורי אדמה נדירים הנפוצים בשימוש באלומיניום ובסגסוגות אלומיניום כוללים את La (לנתנום), Ce (צריום), Y (איטריום) ו- Sc (סקנדיום). לעתים קרובות הם מתווספים לנוזל אלומיניום עם חומרי שינוי, חומרי גרעין וחומרי הסרת גז, שיכולים לטהר את ההמסה, לשפר את המבנה, לעדן את הדגן וכו'.

01טיהור של אדמה נדירה

מכיוון שכמות גדולה של תכלילי גז ותחמוצת (בעיקר מימן, חמצן וחנקן) יוכנסו במהלך ההיתוך והיציקה של סגסוגת אלומיניום, יתרחשו חורים, סדקים, תכלילים ופגמים אחרים ביציקה (ראה איור 1א), והפחתת הכוח של סגסוגת אלומיניום. אפקט הטיהור של אדמה נדירה מתבטא בעיקר בהפחתה ברורה של תכולת המימן באלומיניום מותך, הפחתת חריר קצב ונקבוביות (ראה איור 1ב), והפחתת תכלילים ואלמנטים מזיקים. הסיבה העיקרית היא שלאדמה נדירה יש זיקה גדולה למימן, שיכול לספוג ולהמיס מימן בכמויות גדולות וליצור תרכובות יציבות מבלי ליצור בועות, ובכך הפחתה משמעותית של תכולת המימן והנקבוביות של האלומיניום; אדמה נדירה וחנקן יוצרים תרכובות עקשן, אשר מוסרות לרוב בצורה של סיגים בהתכה תהליך, כדי להשיג את המטרה של טיהור נוזל אלומיניום.

התרגול הוכיח שלאדמה נדירה יש השפעה של הפחתת תכולת המימן, החמצן והגופרית באלומיניום ובסגסוגות אלומיניום. הוספת 0.1%~0.3% RE בנוזל אלומיניום מועילה להסרה טובה יותר של זיהומים מזיקים, עידון זיהומים או שינוי המורפולוגיה שלהם, כדי לעדן ולהפיץ את הגרגירים באופן שווה; בנוסף, RE וזיהומים מזיקים עם נקודת התכה נמוכה יוצרים תרכובות בינאריות כגון RES, REA ו-REPb, המתאפיינים בנקודת התכה גבוהה, בצפיפות נמוכה ובתכונות כימיות יציבות, וניתן להעלותם למעלה כדי ליצור סיגים ולהסיר, ובכך לטהר את נוזל האלומיניום; החלקיקים העדינים הנותרים הופכים לגרעין הטרוגני של אלומיניום לעידון דגנים.

איור 1 מורפולוגיה SEM של סגסוגת 7075 ללא RE ו-w (RE)=0.3%

א. RE אינו נוסף; ב. הוסף w (RE)=0.3%

02מטמורפיזם של אדמה נדירה

שינוי אדמה נדירה מתבטא בעיקר בזיקוק גרגרים ודנדריטים, עיכוב הופעת שלב למלרי T2 גס, ביטול הפאזה המסיבית הגסה המופצת בגביש הראשוני ויצירת השלב הכדורי, כך שתרכובות הרצועה והשבר בגבול הגרגיר מופחתות באופן משמעותי. (ראה איור 2). באופן כללי, הרדיוס של אטום אדמה נדירה גדול מזה של אטום אלומיניום, והרדיוס שלו הנכסים פעילים יחסית. התכה בנוזל אלומיניום קלה מאוד למילוי פגמי פני השטח של פאזת הסגסוגת, מה שמפחית את מתח הפנים בממשק בין שלבים חדשים לישנים, ומשפר את קצב הגדילה של גרעין גביש; במקביל, זה יכול גם ליצור משטח סרט פעיל בין הגרגרים לנוזל המותך כדי למנוע את צמיחת הגרגרים שנוצרו ולחדד את מבנה הסגסוגת (ראה איור 2ב).

איור 2 מבנה מיקרו של סגסוגות עם תוספת RE שונה

א. מינון RE הוא 0;ב. תוספת RE היא 0.3%; ג. תוספת RE היא 0.7%

לאחר הוספת יסודות אדמה נדירהαהגרגרים של שלב (Al) החלו להצטמצם, מה שמילא תפקיד בזיקוק גרגיריםα(Al) שהשתנו לצורת ורד או מוט קטן, כאשר התוכן של אדמה נדירה היא 0.3%αגודל הגרגיר של (Al) ) שלב הוא הקטן ביותר, ועולה בהדרגה עם עלייה נוספת של תכולת אדמה נדירה. ניסויים הוכיחו כי ישנה תקופת דגירה מסוימת למטמורפיזם של אדמה נדירה, ורק כאשר הוא נשמר בטמפרטורה גבוהה לפרק זמן מסוים, אדמה נדירה תמלא את התפקיד הגדול ביותר במטמורפיזם. בנוסף, מספר גרעיני הגביש של התרכובות שנוצרו על ידי אלומיניום ואדמה נדירה גדל מאוד כאשר המתכת מתגבשת, אשר גם הופך את מבנה הסגסוגת למעודן. המחקר מראה שלאדמה נדירה יש השפעה טובה על סגסוגת אלומיניום.

03 אפקט סגסוגת מיקרו של אדמה נדירה

אדמה נדירה קיימת בעיקר באלומיניום וסגסוגות אלומיניום בשלוש צורות: תמיסה מוצקה במטריקסα(Al); הפרדה בגבול הפאזה, גבול גרגר וגבול דנדריט; תמיסה מוצקה בתרכובת או בצורת תרכובת. ההשפעות המחזקות של אדמה נדירה ב סגסוגות אלומיניום כוללות בעיקר חיזוק חידוד גרגרים, חיזוק תמיסות סופיות וחיזוק השלב השני של תרכובות אדמה נדירות.

צורת הקיום של אדמה נדירה באלומיניום ובסגסוגת אלומיניום קשורה קשר הדוק לכמות התוספת שלו. בדרך כלל, כאשר תכולת RE נמוך מ-0.1%, תפקידו של RE הוא בעיקר חיזוק גרגירים עדינים וחיזוק תמיסות סופיות; כאשר תכולת RE הוא 0.25%~0.30%, RE ו-Al יוצרים מספר רב של מוטות כדוריים או קצרים כמו תרכובות בין-מתכתיות. , המופצים בגבול התבואה או התבואה, ומספר רב של נקעים, מבנים כדוריים דגנים ותרכובות אדמה נדירות מפוזרות להופיע, אשר יפיקו אפקטים מיקרו סגסוגת כגון חיזוק השלב השני.

◆ ◆ השפעת אדמה נדירה על המאפיינים של אלומיניום וסגסוגת אלומיניום ◆◆

01 השפעת אדמה נדירה על תכונות מכניות מקיפות של סגסוגת

ניתן לשפר את החוזק, הקשיות, ההתארכות, קשיחות השבר, עמידות הבלאי ותכונות מכניות מקיפות אחרות של הסגסוגת על ידי הוספת כמות מתאימה של אדמה נדירה. 0.3% RE מתווסף לסגסוגת אלומיניום יצוק מסדרת ZL10σ_bמ-205.9 MPa ל-274 MPa, ו-HB מ-80 ל-108; הוספת 0.42% Sc לסגסוגת 7005σ_bגדל מ-314MPa ל-414MPa,σ_0.2גדל מ-282MPa ל-378MPa, הפלסטיות עלתה מ-6.8% ל-10.1%, ויציבות הטמפרטורה הגבוהה הוגברה באופן משמעותי; La ו-Ce יכולים לשפר באופן משמעותי את ה-סופרפלסטיות של הסגסוגת. הוספת 0.14%~0.64% La לסגסוגת Al-6Mg-0.5Mn מגדילה את העל-פלסטיות מ-430% ל-800%~1000%; מחקר שיטתי של סגסוגת Al Si מראה כי חוזק התפוקה וחוזק המתיחה הסופי של הסגסוגת יכולים להיות מאוד השתפר על ידי הוספת כמות מתאימה של Sc.Fig. 3 מציג את הופעת ה-SEM של שבר מתיחה של Al-Si7-Mg_0.8סגסוגת, המעידה על שבר מחשוף שביר אופייני ללא RE, בעוד שלאחר הוספת 0.3% RE, מופיע בשבר מבנה גומה ברור, המעיד על קשיחות וגמישות טובים.

איור 3 מורפולוגיה של שבר מתיחה

א. לא הצטרף ל-RE;ב. הוסף 0.3% RE

02השפעת כדור הארץ נדיר על תכונות הטמפרטורה הגבוהה של סגסוגות

הוספת כמות מסוימת שלאדמה נדירהלתוך סגסוגת אלומיניום יכולה לשפר ביעילות את עמידות החמצון בטמפרטורה גבוהה של סגסוגת אלומיניום. הוספת 1%~1.5% אדמה נדירה מעורבת לסגסוגת האאוטקטית Al Si מגבירה את חוזק הטמפרטורה הגבוהה ב-33%, את חוזק הקרע בטמפרטורה גבוהה (300 ℃, 1000 שעות) ב-44%, ועמידות הבלאי ויציבות הטמפרטורה הגבוהה השתפרו משמעותית; הוספת La, Ce, Y ו-mischmetal ליציקת סגסוגות Al Cu יכולות לשפר את תכונות הטמפרטורה הגבוהה של הסגסוגות; סגסוגת Al-8.4% Fe-3.4% Ce המתמצקת במהירות יכולה לעבוד לאורך זמן מתחת ל-400 ℃, ומשפרת מאוד את טמפרטורת העבודה של סגסוגת אלומיניום; Sc מתווסף לסגסוגת Al Mg Si כדי ליצור Al₃חלקיקי Sc שלא קל לגסם בטמפרטורה גבוהה ומתלכדים עם המטריצה ​​כדי להצמיד את גבול התבואה, כך שהסגסוגת שומרת על מבנה לא מגובש מחדש במהלך החישול, ומשפרת מאוד את תכונות הטמפרטורה הגבוהה של הסגסוגת.

03 השפעת כדור הארץ נדיר על מאפיינים אופטיים של סגסוגות

הוספת אדמה נדירה לסגסוגת האלומיניום יכולה לשנות את המבנה של סרט תחמוצת פני השטח שלו, מה שהופך את פני השטח לבהירים ויפים יותר. כאשר 0.12%~0.25% RE מתווספים לסגסוגת האלומיניום, הרפלקטיביות של פרופיל 6063 המחומצן והצבעוני היא עד 92%; כאשר מוסיפים 0.1%~0.3% RE לסגסוגת אלומיניום יצוק Al Mg, הסגסוגת יכולה להשיג את גימור פני השטח הטוב ביותר ועמידות מבריק.

04 השפעת כדור הארץ נדיר על מאפיינים חשמליים של סגסוגות

הוספת RE לאלומיניום בטוהר גבוה מזיקה למוליכות הסגסוגת, אך ניתן לשפר את המוליכות במידה מסוימת על ידי הוספת RE מתאים לאלומיניום טהור תעשייתי וסגסוגות מוליכות Al Mg Si. תוצאות הניסוי מראות כי המוליכות של אלומיניום ניתן לשפר ב-2%~3% על ידי הוספת 0.2% RE. הוספת כמות קטנה של אדמה נדירה עשירה באיטריום לתוך סגסוגת Al Zr יכולה לשפר המוליכות של הסגסוגת, שאומצה על ידי רוב מפעלי החוטים המקומיים; הוסף עקבות של אדמה נדירה לאלומיניום בטוהר גבוה כדי ליצור קבלים לרדיד Al RE. בשימוש במוצרי 25kV, מדד הקיבול מוכפל, הקיבולת ליחידת נפח גדלה פי 5, המשקל מופחת ב-47% ונפח הקבלים מופחת משמעותית.

05השפעת כדור הארץ נדיר על עמידות הסגסוגת בפני קורוזיה

בסביבות שירות מסוימות, במיוחד בנוכחות יוני כלוריד, סגסוגות פגיעות לקורוזיה, קורוזיה של חריצים, קורוזיה מתח ועייפות קורוזיה. על מנת לשפר את העמידות בפני קורוזיה של סגסוגות אלומיניום, בוצעו מחקרים רבים. נמצא כי הוספת כמות מתאימה של אדמה נדירה לסגסוגות אלומיניום יכולה לשפר ביעילות את עמידותן בפני קורוזיה. הדגימות שנעשו על ידי הוספת כמויות שונות של אדמה נדירה מעורבת (0.1%~0.5%) לאלומיניום הושרו במלח ובמי ים מלאכותיים במשך שלוש רצופות שנים. התוצאות מראות שהוספת כמות קטנה של כדורי אדמה נדירים לאלומיניום יכולה לשפר את העמידות בפני קורוזיה של אלומיניום, ועמידות הקורוזיה במלח ובמי ים מלאכותיים גבוהה ב-24% וב-32% מזו של אלומיניום, בהתאמה; שימוש בשיטת אדים כימיים והוספת חודר רב-רכיבים של אדמה נדירה (La, Ce וכו'), ניתן ליצור שכבה של סרט המרת אדמה נדירה על פני השטח של סגסוגת 2024, מה שגורם לפוטנציאל האלקטרודה של סגסוגת האלומיניום להיות אחיד, ומשפר את העמידות בפני קורוזיה בין-גרגירית וקורוזיה מתח; הוספת La לסגסוגת אלומיניום גבוהה Mg יכולה לשפר משמעותית את יכולת הקורוזיה האנטי ימית של הסגסוגת; הוספת 1.5%~2.5% Nd לסגסוגות אלומיניום יכולות לשפר את הביצועים בטמפרטורה גבוהה, את אטימות האוויר ועמידות בפני קורוזיה של הסגסוגות, הנמצאות בשימוש נרחב בתור חומרים תעופה וחלל.

◆ ◆ טכנולוגיית הכנה של סגסוגת אלומיניום אדמה נדירה ◆ ◆

אדמה נדירה מתווספת בעיקר בצורת יסודות קורט בסגסוגות אלומיניום וסגסוגות אחרות. לאדמה נדירה פעילות כימית גבוהה, נקודת התכה גבוהה וקל לחמצן ולשריפה בטמפרטורות גבוהות. זה גרם לקשיים מסוימים בהכנה ויישום של סגסוגות אלומיניום של אדמה נדירה. במחקר הניסיוני ארוך הטווח, אנשים ממשיכים לחקור את שיטות ההכנה של סגסוגות אלומיניום אדמה נדירה. נכון לעכשיו, שיטות הייצור העיקריות להכנת סגסוגות אלומיניום אדמה נדירה הם שיטת ערבוב, שיטת אלקטרוליזה של מלח מותך ושיטת הפחתת אלומינותרמית.

01 שיטת ערבוב

שיטת התכה מעורבת היא להוסיף אדמה נדירה או מתכת אדמה נדירה מעורבת לנוזל אלומיניום בטמפרטורה גבוהה בפרופורציה כדי ליצור סגסוגת אב או סגסוגת יישום, ולאחר מכן להמיס את סגסוגת האב ואת האלומיניום הנותר לפי הקצבה המחושבת יחד, לערבב ולעדן במלואו .

02 הַפרָדָה חַשְׁמָלִית

שיטת האלקטרוליזה של מלח מותך היא הוספת תחמוצת אדמה נדירה או מלח אדמה נדיר לתוך התא האלקטרוליטי האלומיניום התעשייתי וביצוע אלקטרוליזה עם תחמוצת אלומיניום לייצור סגסוגת אלומיניום של אדמה נדירה. שיטת האלקטרוליזה של מלח מותך התפתחה מהר יחסית בסין. באופן כללי, ישנן שתי דרכים, כלומר, שיטת קתודה נוזלית ושיטת eutectoid אלקטרוליטית. נכון להיום, פותח כי ניתן להוסיף ישירות תרכובות של אדמה נדירה לתאי אלקטרוליטי אלומיניום תעשייתיים, וניתן לייצר סגסוגות אלומיניום של אדמה נדירה על ידי אלקטרוליזה של נמס כלוריד בשיטת אוטקטואיד.

03 שיטת הפחתה אלומינותרמית

מכיוון שלאלומיניום יש יכולת הפחתה חזקה, ואלומיניום יכול ליצור מגוון של תרכובות בין-מתכתיות עם אדמה נדירה, אלומיניום יכול לשמש כחומר צמצום להכנת סגסוגות אלומיניום אדמה נדירה. התגובות הכימיות העיקריות מוצגות בנוסחה הבאה:

RE₂O₃+ 6Al→2REAl₂+ אל₂O₃

ביניהם, תחמוצת אדמה נדירה או סיגים עשירים באדמה נדירה יכולים לשמש כחומרי גלם של אדמה נדירה; חומר ההפחתה יכול להיות אלומיניום טהור תעשייתי או אלומיניום סיליקון; טמפרטורת ההפחתה היא 1400 ℃ ~ 1600 ℃. בשלב מוקדם, זה בוצע בתנאי קיום של חומר חימום ושטף, וטמפרטורת הפחתה גבוהה תגרום לבעיות רבות; בשנים האחרונות, חוקרים פיתחו מכשיר חדש שיטת הפחתת אלומינותרמית. בטמפרטורה נמוכה יותר (780 ℃), תגובת ההפחתה האלונותרמית מסתיימת במערכת של נתרן פלואוריד ונתרן כלורי, מה שמונע את הבעיות הנגרמות מהטמפרטורה הגבוהה המקורית.

◆ ◆ התקדמות היישום של סגסוגת אלומיניום אדמה נדירה ◆ ◆

01 יישום של סגסוגת אלומיניום אדמה נדירה בתעשיית החשמל

בשל היתרונות של מוליכות טובה, יכולת נשיאת זרם גדולה, חוזק גבוה, עמידות בפני שחיקה, עיבוד קל וחיי שירות ארוכים, ניתן להשתמש בסגסוגת אלומיניום של אדמה נדירה לייצור כבלים, קווי תמסורת עיליים, ליבות תיל, חוטי החלקה וחוטים דקים עבור מטרות מיוחדות.הוספת כמות קטנה של RE במערכת סגסוגת Al Si יכולה לשפר את המוליכות, וזאת מכיוון שהסיליקון בסגסוגת האלומיניום הוא אלמנט טומאה עם תכולה גבוהה, אשר משפיעה יותר על המאפיינים החשמליים. הוספת כמות מתאימה של אדמה נדירה יכולה לשפר את המורפולוגיה וההפצה הקיימים של הסיליקון בסגסוגת, מה שיכול לשפר ביעילות את התכונות החשמליות של האלומיניום; הוספת כמות קטנה של אדמה נדירה עשירה באיטריום או באיטריום לתוך חוט סגסוגת אלומיניום עמיד בחום יכול לא רק לשמור על ביצועים טובים בטמפרטורה גבוהה אלא גם לשפר את המוליכות; אדמה נדירה יכולה לשפר את חוזק המתיחה, עמידות החום ועמידות בפני קורוזיה של מערכת סגסוגת אלומיניום. כבלים ומוליכים העשויים מסגסוגת אלומיניום של אדמה נדירה יכולים להגדיל את תוחלת מגדל הכבלים ולהאריך את חיי השירות של הכבלים.

02יישום של סגסוגת אלומיניום אדמה נדירה בתעשיית הבנייה

סגסוגת אלומיניום 6063 היא הנפוצה ביותר בתעשיית הבנייה. הוספת 0.15%~0.25% אדמה נדירה יכולה לשפר באופן משמעותי את מבנה היצוק ואת מבנה העיבוד, ויכולה לשפר את ביצועי האקסטרוזיה, אפקט טיפול בחום, תכונות מכניות, עמידות בפני קורוזיה, ביצועי טיפול פני השטח וגוון צבע. נמצא כי אדמה נדירה היא מופץ בעיקר בסגסוגת אלומיניום 6063α-Al מנטרל את גבול הפאזה, גבול התבואה והאינטרדנדריטי, והם מומסים בתרכובות או קיימות בצורת תרכובות לעידון מבנה הדנדריט והגרגרים, כך שגודל האוקטיקה הבלתי מומסת וגודל הגומה באזור הגומה יצטמצמו משמעותית, הפיזור אחיד והצפיפות גדלה, כך שהתכונות השונות. של הסגסוגת משופרים בדרגות שונות. לדוגמה, חוזק הפרופיל גדל ביותר מ-20%, ההתארכות גדלה ב-50%, וקצב הקורוזיה מופחת ביותר מפי שניים, עובי סרט התחמוצת גדל ב-5%~8%, וכן תכונת הצביעה גדלה בכ-3%. לכן, נעשה שימוש נרחב בפרופילי בניין מסגסוגת RE-6063.

03יישום של סגסוגת אלומיניום אדמה נדירה במוצרים יומיומיים

הוספת עקבות אדמה נדירה לסגסוגות אלומיניום מסדרת אלומיניום טהור וסגסוגות אלומיניום מסדרת Al Mg לשימוש יומיומי של מוצרי אלומיניום יכולה לשפר באופן משמעותי את המאפיינים המכניים, תכונות המשיכה העמוקות ועמידות בפני קורוזיה. הצרכים היומיומיים כגון סירי אלומיניום, מחבתות אלומיניום, צלחות אלומיניום, קופסאות אוכל מאלומיניום, תומכים לרהיטי אלומיניום, אופניים מאלומיניום וחלקי מכשיר ביתי העשויים מסגסוגת Al Mg RE יש יותר מפי שניים עמידות בפני קורוזיה, הפחתת משקל של 10%~15%, עליית תפוקה של 10%~20%, הפחתת עלויות ייצור של 10%~15% וביצועי ציור עמוק ועיבוד עמוק טובים יותר בהשוואה למוצרי סגסוגת אלומיניום ללא אדמה נדירה. הצרכים של סגסוגת אלומיניום אדמה נדירה היו בשימוש נרחב, והמוצרים גדלו באופן משמעותי, ונמכרים היטב בשווקים המקומיים והזרים.

04 יישום של סגסוגת אלומיניום אדמה נדירה בהיבטים אחרים

הוספת כמה אלפיות של אדמה נדירה בסגסוגת היציקה של סדרת Al Si הנפוצה ביותר יכולה לשפר משמעותית את ביצועי העיבוד של הסגסוגת. מותגים רבים של מוצרים שימשו במטוסים, ספינות, מכוניות, מנועי דיזל, אופנועים וכלי רכב משוריינים (בוכנה, תיבת הילוכים, צילינדר, מכשור וחלקים אחרים). במחקר וביישום, נמצא כי Sc הוא המרכיב היעיל ביותר לייעל את המבנה והמאפיינים של סגסוגות אלומיניום. יש לו חיזוק פיזור חזק, חיזוק חידוד גרגרים, חיזוק תמיסה וחיזוק מיקרו-סגסוגת השפעות על אלומיניום, והוא יכול לשפר את החוזק, הקשיות, הפלסטיות, הקשיחות, העמידות בפני קורוזיה, עמידות בחום וכו' של סגסוגות. סגסוגות מסדרת Sc Al שימשו ב תעשיות היי-טק כגון תעופה וחלל, ספינות, רכבות מהירות, כלי רכב קלים וכו'.C557Al Mg Zr סגסוגת אלומיניום סקנדיום מסדרת Sc שפותחה על ידי נאס"א היא בעלת חוזק גבוה וטמפרטורה גבוהה ויציבות טמפרטורה נמוכה והיא יושמה על גוף המטוס וחלקי המבנה של מטוסים; סגסוגת 0146Al Cu Li Sc שפותחה על ידי רוסיה יושמה על מיכל הדלק הקריוגני של חלליות.

מתוך כרך 33, גיליון 1 של כדור הארץ נדיר מאת Wang Hui, Yang An ו- Yun Qi