の応用希土類アルミニウム合金の鋳造は海外で早くから行われていました。中国がこの側面の研究と応用を始めたのは 1960 年代になってからですが、急速に発展しました。機構研究から実用化まで多くの研究が行われ、いくつかの成果が得られています。希土類元素の添加により、アルミニウム合金の機械的特性、鋳造性、電気的特性は大幅に向上しました。新しい材料である希土類元素の豊富な光学的、電気的、磁気的特性も、希土類永久磁石材料、希土類発光材料、希土類水素貯蔵材料などの製造に重要な役割を果たします。
◆◆アルミニウム及びアルミニウム合金におけるレアアースの作用メカニズム◆◆
レアアースは、高い化学活性、低い電位、特殊な電子層配置を持ち、ほぼすべての元素と相互作用することができます。アルミニウムおよびアルミニウム合金で一般的に使用されるレアアースには、La (La) が含まれます。ランタン)、Ce (セリウム)、Y (イットリウム) および Sc (スカンジウム）。これらは、多くの場合、溶融物の精製、構造の改善、粒子の微細化などを可能にする改質剤、核剤、脱気剤とともにアルミニウム液体に添加されます。
01レアアースの精製
アルミニウム合金の溶解および鋳造中に、大量のガスおよび酸化物介在物（主に水素、酸素、窒素）が持ち込まれるため、鋳造品にピンホール、亀裂、介在物およびその他の欠陥が発生します（図1aを参照）。レアアースの浄化効果は主に、溶融アルミニウム中の水素含有量の明らかな減少、ピンホール率と気孔率の減少（図1bを参照）、介在物や有害元素の減少として現れます。主な効果は、アルミニウム合金の強度です。その理由は、レアアースは水素との親和性が高く、水素を大量に吸収して溶解し、気泡を形成せずに安定した化合物を形成するため、アルミニウムの水素含有量と気孔率が大幅に減少するためです。レアアースと窒素は耐火性化合物を形成し、アルミニウム液を精製するという目的を達成するために、ほとんどは製錬プロセスでスラグの形で除去されます。
希土類には、アルミニウムおよびアルミニウム合金中の水素、酸素、硫黄の含有量を減らす効果があることが実践で証明されています。アルミニウム液に0.1%〜0.3%のREを添加すると、有害な不純物の除去、不純物の精製、またはその形態の変化を改善し、粒子を精製して均一に分散させるのに役立ちます。さらに、REと低融点の有害な不純物は、次のような二元化合物を形成します。 RES、REA、REPbは融点が高く、密度が低く、化学的性質が安定しているのが特徴で、スラグを浮上除去してアルミニウム液を精製することができ、残った微粒子はアルミニウムの不均一核となって精製されます。穀物。
図 1 RE および w (RE)=0.3% を含まない 7075 合金の SEM 形態
ａ． ＲＥは添加されない；ｂ．加算w(RE)=0.3%
02レアアースの変成作用
レアアースの修飾は主に粒子と樹枝状結晶の微細化に現れ、粗大な層状T2相の出現を抑制し、初晶中に分布する粗大な塊状相を除去して球状相を形成し、粒界のストリップ化合物とフラグメント化合物が大幅に減少します。 (図2参照)。一般に、希土類原子の半径はアルミニウム原子の半径よりも大きく、その性質は比較的活性です。アルミニウム液中での溶解は、合金相の表面欠陥を埋めるのが非常に簡単で、新しい相と古い相の間の界面の表面張力が低下し、結晶核の成長速度が向上します。同時に、表面を形成することもできます。粒子と溶融液体の間に活性膜を形成し、生成された粒子の成長を防ぎ、合金構造を微細化します（図 2b を参照）。
図2 RE添加量の異なる合金の微細構造
ａ． RE 投与量は 0、b． ＲＥ添加量は０．３％、ｃ． RE添加量は0.7%
希土類元素を添加した後、α(Al)相の粒子は小さくなり始め、これが粒子の微細化に役割を果たしました。希土類元素の含有量が0.3%の場合、α(Al)は小さなバラ状または棒状に変化しますα(Al)の粒径）相が最も小さく、レアアースの含有量がさらに増加するにつれて徐々に増加します。実験により、レアアースの変成には一定の潜伏期間があり、高温で一定期間保持された場合にのみ、レアアースは変成作用において最も大きな役割を果たします。さらに、金属が結晶化すると、アルミニウムとレアアースによって形成される化合物の結晶核の数が大幅に増加し、合金の構造も微細になります。研究では、レアアースが優れた性質を持っていることが示されています。アルミニウム合金の改質効果。
03 レアアースのマイクロアロイング効果
レアアースはアルミニウムおよびアルミニウム合金中に主に 3 つの形態で存在します: マトリックス α(Al) への固溶; 相境界、粒界およびデンドライト境界での偏析; または化合物の形での固溶。アルミニウム合金には主に結晶粒微細化強化、有限固溶強化、希土類化合物の第二相強化が含まれます。
アルミニウムおよびアルミニウム合金中のレアアースの存在形態は、その添加量と密接な関係がある。一般に、RE含有量が0.1％未満の場合、REの役割は主に細粒強化と有限固溶強化です。RE含有量が0.25％〜0.30％の場合、REとAlは球状または短い棒状の金属間化合物を多数形成します。 、結晶粒または粒界に分布し、多数の転位、微粒球状化組織、分散した希土類化合物が現れ、第二相強化などのマイクロアロイ効果を生じます。
◆ ◆ アルミニウムおよびアルミニウム合金の特性に対するレアアースの影響 ◆◆
01 合金の総合的な機械的特性に対する希土類の影響
適量の希土類を添加することにより、合金の強度、硬度、伸び、破壊靱性、耐摩耗性などの総合的な機械的特性を向上させることができます。鋳造アルミニウムZL10系合金に0.3%のREを添加していますσb205.9 MPa ～ 274 MPa、HB 80 ～ 108、7005 合金に 0.42% Sc を添加σb314MPaから414MPaに増加、σ0.2282MPa から 378MPa に増加し、塑性率は 6.8% から 10.1% に増加し、高温安定性が大幅に向上しました。La と Ce は合金の超塑性を大幅に向上させることができます。 Al-6Mg-0.5Mn合金に0.14%～0.64%のLaを添加すると、超塑性が430%から800%～1000%に増加します。Al Si合金の体系的な研究により、合金の降伏強さと極限引張強さが大幅に向上することが示されています。 Scを適量添加することで改善されました。図3は、Al-Si7-Mgの引張破壊のSEM外観を示しています。0.8これは、RE なしでは典型的な脆性劈開破壊であることを示していますが、0.3% RE を添加すると、破面に明らかなディンプル構造が現れ、良好な靭性と延性を備えていることがわかります。
図3 引張破壊形態
ａ． RE に参加していない;b. 0.3% REを追加
02合金の高温特性に対するレアアースの影響
一定量を加えることで、希土類アルミニウム合金にアルミニウム合金を添加すると、アルミニウム合金の高温耐酸化性を効果的に向上させることができます。鋳造Al Si共晶合金に1％〜1.5％の混合希土類を添加すると、高温強度が33％増加し、高温破断強度（300℃、 1000時間）44％増加し、耐摩耗性と高温安定性が大幅に向上しました。La、Ce、Y、およびミッシュメタルを鋳造Al Cu合金に添加すると、合金の高温特性を改善できます。急冷凝固したAl-8.4％ Fe-3.4％Ce合金は400℃以下で長時間作動でき、アルミニウム合金の作動温度を大幅に向上させます。ScはAl Mg Si合金に添加されてAlを形成します3Sc 粒子は高温でも粗大化しにくく、マトリックスと凝集して粒界をピン留めするため、合金は焼鈍中に未再結晶構造を維持し、合金の高温特性が大幅に向上します。
03 合金の光学特性に対するレアアースの影響
アルミニウム合金に希土類を添加すると、表面酸化膜の構造が変化し、表面がより明るく美しくなります。アルミニウム合金に0.12%〜0.25%のREを添加すると、酸化して着色した6063プロファイルの反射率が最大になります。 92%;Al Mg 鋳造アルミニウム合金に 0.1% ～ 0.3% RE を添加すると、合金は最高の表面仕上げと光沢耐久性を得ることができます。
04 合金の電気特性に対するレアアースの影響
高純度アルミニウムへのREの添加は合金の導電性に有害ですが、工業用純アルミニウムやAl Mg Si導電性合金に適切なREを添加することで導電性をある程度改善できます。実験結果はアルミニウムの導電性を示しています。 0.2％のREを添加することにより、2％〜3％改善することができます。Al Zr合金に少量のイットリウムに富んだ希土類を添加すると、合金の導電率が向上し、国内のほとんどの線材工場で採用されています。微量希土類を添加します。高純度アルミニウムを使用してAl RE箔コンデンサを製造します。 25kV製品に使用すると、静電容量指数が2倍、単位体積あたりの容量が5倍になり、重量が47％減り、コンデンサ体積が大幅に減ります。
05合金の耐食性に対するレアアースの影響
一部の使用環境、特に塩化物イオンの存在下では、合金は腐食、隙間腐食、応力腐食、腐食疲労に対して脆弱になります。アルミニウム合金の耐食性を向上させるために、多くの研究が行われてきました。アルミニウム合金に適切な量のレアアースを添加すると、耐食性が効果的に向上することがわかりました。アルミニウムに異なる量の混合レアアース（0.1%〜0.5%）を添加して作成したサンプルを、塩水と人工海水に連続して3回浸漬しました。年。結果は、アルミニウムに少量の希土類を添加するとアルミニウムの耐食性が向上し、塩水および人工海水における耐食性がアルミニウムよりそれぞれ24%および32%高いことを示しています。化学蒸気法を使用し、添加することにより、耐食性が向上します。希土類多成分浸透剤（La、Ceなど）を使用すると、2024合金の表面に希土類化成皮膜の層が形成され、アルミニウム合金の表面電極電位が均一になりやすくなり、耐電圧性が向上します。粒界腐食と応力腐食;高Mgアルミニウム合金にLaを添加すると、合金の耐海洋腐食能力が大幅に向上します;アルミニウム合金に1.5％〜2.5％のNdを添加すると、アルミニウム合金の高温性能、気密性、耐食性が向上します航空宇宙材料として広く使用されている合金。
◆◆希土類アルミニウム合金の作製技術◆◆
レアアースは主にアルミニウム合金やその他の合金に微量元素の形で添加されます。レアアースは化学活性が高く、融点が高く、高温で酸化しやすく燃焼しやすい。このため、希土類アルミニウム合金の調製と応用には一定の困難が生じています。長期にわたる実験研究において、人々は希土類アルミニウム合金の調製方法を研究し続けています。現在、希土類アルミニウム合金を調製するための主な製造方法は、混合法、溶融塩電解法、アルミノサーミック還元法です。
01 混合方法
混合溶解法は、高温のアルミニウム液に希土類または混合希土類金属を添加し、母合金または応用合金を作り、計算された許容値に従って母合金と残りのアルミニウムを一緒に溶解し、十分に撹拌して精製します。 。
02 電解
溶融塩電解法は、工業用アルミニウム電解槽に希土類酸化物または希土類塩を加え、酸化アルミニウムで電解して希土類アルミニウム合金を製造する方法です。溶融塩電解法は中国で比較的早く発展しました。一般に、液体陰極法と電解共析法の2つの方法があります。現在、希土類化合物を工業用アルミニウム電解槽に直接添加し、塩化物溶湯を共析法により電気分解して希土類アルミニウム合金を製造することが開発されている。
03 アルミノサーミック還元法
アルミニウムには強い還元能力があり、アルミニウムは希土類とさまざまな金属間化合物を形成できるため、アルミニウムは希土類アルミニウム合金を製造するための還元剤として使用できます。主な化学反応は次の式に示されています。
RE2O3+ 6Al→2REAl2+アル2O3
その中で、レアアース酸化物またはレアアースリッチスラグはレアアース原料として使用できます。還元剤は工業用純アルミニウムまたはシリコンアルミニウムです。還元温度は1400℃〜1600℃です。初期段階では、それが行われました。加熱剤やフラックスの存在下では還元温度が高く、還元温度が高いと多くの問題が発生します。近年、研究者らは新しいアルミノサーミック還元法を開発しました。より低い温度（780℃）では、フッ化ナトリウムと塩化ナトリウムの系でアルミノテルミック還元反応が完了し、元の高温によって引き起こされる問題が回避されます。
◆◆希土類アルミニウム合金の応用進展◆◆
01 電力産業における希土類アルミニウム合金の応用
希土類アルミニウム合金は、優れた導電性、大電流容量、高強度、耐摩耗性、容易な加工、長寿命という利点により、ケーブル、架空送電線、ワイヤーコア、スライドワイヤーおよび細線の製造に使用できます。 Al Si 合金系に少量の RE を添加すると、導電性が向上します。これは、アルミニウム合金中のシリコンは含有量の高い不純物元素であり、電気的特性に大きな影響を与えるためです。適切な量の希土類元素を添加すると、合金中のシリコンの既存の形態と分布が改善され、アルミニウムの電気的特性が効果的に改善されます。少量のイットリウムまたはイットリウムを多く含む混合希土類を耐熱アルミニウム合金線に添加します。良好な高温性能を維持するだけでなく、導電性も向上させることができます。レアアースは、アルミニウム合金系の引張強度、耐熱性、耐食性を向上させることができます。希土類アルミニウム合金で作られたケーブルと導体は、ケーブルタワーのスパンを長くし、ケーブルの耐用年数を延ばすことができます。
02建設業界における希土類アルミニウム合金の応用
6063 アルミニウム合金は建設業界で最も広く使用されています。 0.15%~0.25%の希土類を添加すると、鋳放し組織と加工組織が大幅に改善され、押出性能、熱処理効果、機械的特性、耐食性、表面処理性能、色調が改善されます。主に6063アルミニウム合金に分布するα-Alは、相境界、粒界、樹枝状結晶間を中和し、化合物中に溶解または化合物の形で存在して樹枝状組織や結晶粒を微細化し、未溶解共晶のサイズやサイズを向上させます。ディンプル領域内のディンプルの直径が大幅に小さくなり、分布が均一になり、密度が増加するため、合金のさまざまな特性が程度の差はありますが改善されます。例えば、プロファイルの強度は20％以上増加し、伸びは50％増加し、腐食速度は2倍以上減少します。酸化皮膜の厚さは5％〜8％増加し、そのため、RE-6063合金の建築用プロファイルが広く使用されています。
03希土類アルミニウム合金の日用品への応用
日用アルミニウム製品の純アルミニウムおよびAl Mg系アルミニウム合金に微量レアアースを添加することにより、機械的性質、深絞り性、耐食性が大幅に向上します。 アルミ鍋、アルミ鍋、アルミ板、アルミ弁当箱などの日用品、 Al Mg RE 合金で作られたアルミニウム家具サポート、アルミニウム自転車、家電部品は 2 倍以上の耐食性、10% ～ 15% の軽量化、10% ～ 20% の歩留まりの向上、10% ～ 15% の生産コストの削減、現在、レアアースアルミニウム合金は日用品として広く使用されており、製品数も大幅に増加し、国内外の市場でよく売れています。 。
04 希土類アルミニウム合金の他の用途への応用
最も広く使用されている Al Si シリーズ鋳造合金に数千分の 1 のレアアースを添加すると、合金の機械加工性能を大幅に向上させることができます。多くのブランドの製品が、航空機、船舶、自動車、ディーゼル エンジン、オートバイ、装甲車両 (ピストン、ギアボックス、シリンダー、計器類、その他の部品) に使用されています。研究と応用では、Sc が最も効果的な元素であることがわかっています。アルミニウム合金の構造と特性を最適化します。アルミニウムに対する強力な分散強化、結晶粒微細化強化、溶体化強化およびマイクロアロイ強化効果があり、合金の強度、硬度、可塑性、靱性、耐食性、耐熱性などを向上させることができます。Sc Al系合金は、さまざまな分野で使用されています。 NASAが開発したC557Al Mg Zr Sc系スカンジウムアルミニウム合金は、航空宇宙、船舶、高速鉄道、軽自動車などのハイテク産業に使用されており、高い強度と高温・低温安定性を備え、航空機の胴体や航空機に応用されています。構造部品;ロシアが開発した0146Al Cu Li Sc合金は、宇宙船の極低温燃料タンクに適用されています。
Wang Hui、Yang An、Yun Qi 著『レアアース』第 33 巻第 1 号より
投稿日時: 2023 年 7 月 5 日