응용 프로그램희토류알루미늄 합금 주조는 해외에서 더 일찍 수행되었습니다. 중국은 1960년대에야 이 측면에 대한 연구와 응용을 시작했지만 급속도로 발전했습니다. 메커니즘 연구부터 실용화까지 많은 연구가 진행되어 일부 성과가 이루어졌습니다. 희토류 원소를 첨가하여 알루미늄 합금의 기계적 특성, 주조 특성 및 전기적 특성이 크게 향상되었습니다. 신소재, 희토류 원소의 풍부한 광학적, 전기적, 자기적 특성은 희토류 영구 자성 재료, 희토류 발광 재료, 희토류 수소 저장 재료 등을 만드는 데 중요한 역할을 합니다.
◆ ◆ 알루미늄 및 알루미늄 합금의 희토류 작용 메커니즘 ◆ ◆
희토류는 화학적 활성이 높고 전위가 낮으며 특수한 전자층 배열을 가지며 거의 모든 원소와 상호 작용할 수 있습니다. 알루미늄 및 알루미늄 합금에 일반적으로 사용되는 희토류에는 La(란탄), Ce(세륨), Y(이트륨) 및 Sc(스칸듐). 그들은 종종 수정제, 핵제 및 탈기제와 함께 알루미늄 액체에 첨가되어 용융물을 정화하고 구조를 개선하며 입자를 미세화할 수 있습니다.
01희토류 정화
알루미늄 합금의 용융 및 주조 과정에서 다량의 가스 및 산화물 개재물(주로 수소, 산소 및 질소)이 유입되므로 주조 시 핀홀, 균열, 개재물 및 기타 결함이 발생합니다(그림 1a 참조). 알루미늄 합금의 강도. 희토류의 정화 효과는 주로 용융 알루미늄의 수소 함량의 명백한 감소, 핀홀 비율 및 다공성 감소(그림 1b 참조), 함유물 및 유해 물질의 감소에서 나타납니다. 원소. 주된 이유는 희토류가 수소와 큰 친화력을 갖고 있어 대량의 수소를 흡수 및 용해하고 기포를 형성하지 않고 안정한 화합물을 형성할 수 있어 알루미늄의 수소 함량과 다공성을 크게 감소시키기 때문입니다. 희토류와 질소는 내화물을 형성합니다. 알루미늄 액체 정화 목적을 달성하기 위해 제련 과정에서 슬래그 형태로 대부분 제거되는 화합물.
실습에 따르면 희토류는 알루미늄 및 알루미늄 합금의 수소, 산소 및 황 함량을 줄이는 효과가 있음이 입증되었습니다. 알루미늄 액체에 0.1%~0.3% RE를 추가하면 유해한 불순물을 더 잘 제거하고 불순물을 정제하거나 형태를 변경하여 곡물을 정제하고 고르게 분포시키는 데 도움이 됩니다. 또한 RE와 저융점 유해 불순물은 다음과 같은 이원 화합물을 형성합니다. 고융점, 저밀도, 안정된 화학적 성질을 특징으로 하는 RES, REA, REPb는 부상하여 슬래그를 형성하고 제거하여 알루미늄액을 정제하며, 남은 미세입자는 불균일하게 된다. 알갱이를 미세하게 만드는 알루미늄 핵.
그림 1. RE가 없고 w(RE)=0.3%인 7075 합금의 SEM 형태
에이. RE가 추가되지 않습니다.b. w(RE)=0.3% 추가
02희토류의 변성작용
희토류 개질은 주로 결정립과 수상돌기의 정제에서 나타나며, 조대한 라멜라 T2상의 출현을 억제하고, 1차 결정에 분포하는 조악한 괴상의 상을 제거하고 구형상을 형성하여 결정립계의 스트립 및 조각 화합물이 현저히 감소됩니다. (그림 2 참조). 일반적으로 희토류 원자의 반경은 알루미늄 원자의 반경보다 크고 그 특성은 상대적으로 활성입니다. 알루미늄 액체에 녹이면 합금상의 표면 결함을 메우기가 매우 쉬워 새로운 상과 기존 상 사이의 경계면의 표면 장력을 감소시키고 결정핵의 성장 속도를 향상시킵니다. 동시에 표면을 형성할 수도 있습니다. 결정립과 용융액 사이에 활성막을 형성하여 생성된 결정립의 성장을 방지하고 합금 구조를 미세화합니다(그림 2b 참조).
그림 2 RE 첨가가 다른 합금의 미세구조
에이. RE 투여량은 0;b입니다. RE 첨가는 0.3%입니다.c. RE 첨가는 0.7%
희토류 원소를 첨가한 후 α(Al) 상의 입자가 작아지기 시작하여 입자를 정제하는 역할을 했습니다α(Al)는 희토류 함량이 0.3%일 때 α(Al)의 입자 크기가 작은 장미 또는 막대 모양으로 변했습니다. ) 단계는 가장 작으며, 희토류 함량이 더욱 증가함에 따라 점차 증가합니다. 실험을 통해 희토류 변성에는 일정한 잠복기가 있다는 것이 입증되었으며, 일정 기간 동안 고온에서 유지되어야만, 희토류는 변성 작용에서 가장 큰 역할을 할 것입니다. 또한 금속이 결정화되면 알루미늄과 희토류로 구성된 화합물의 결정핵 수가 크게 증가하여 합금 구조가 미세해집니다. 연구에 따르면 희토류는 좋은 것으로 나타났습니다. 알루미늄 합금에 대한 수정 효과.
03 희토류의 미세합금 효과
희토류는 주로 매트릭스 α(Al)의 고용체, 상 경계, 결정립 경계 및 수상돌기 경계에서의 분리, 화합물 내 또는 화합물 형태의 고용체 등 세 가지 형태로 알루미늄 및 알루미늄 합금에 존재합니다. 희토류의 강화 효과 알루미늄 합금에는 주로 결정립 미세화 강화, 유한 용액 강화 및 희토류 화합물의 2단계 강화가 포함됩니다.
알루미늄 및 알루미늄합금에 있어서 희토류의 존재형태는 첨가량과 밀접한 관계가 있다. 일반적으로 RE 함량이 0.1% 미만인 경우 RE의 역할은 주로 미세 입자 강화 및 유한 용액 강화이며, RE 함량이 0.25%~0.30%인 경우 RE와 Al은 금속간 화합물과 같은 구형 또는 짧은 막대 모양의 다수를 형성합니다. , 이는 결정립 또는 결정립 경계에 분포하며 많은 수의 전위, 미세 결정립 구형화 구조 및 분산된 희토류 화합물이 나타나 2차 상 강화와 같은 미세 합금 효과를 생성합니다.
◆ ◆ 희토류가 알루미늄 및 알루미늄 합금의 특성에 미치는 영향 ◆◆
01 희토류가 합금의 종합적인 기계적 성질에 미치는 영향
적절한 양의 희토류를 첨가하면 합금의 강도, 경도, 연신율, 파괴 인성, 내마모성 및 기타 포괄적인 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다. 주조 알루미늄 ZL10 시리즈 합금σ에 0.3% RE를 첨가합니다.b205.9MPa에서 274MPa까지, HB는 80에서 108까지, 7005 합금σ에 Sc 0.42% 추가b314MPa에서 414MPa로 증가,σ0.2282MPa에서 378MPa로 증가하고 소성은 6.8%에서 10.1%로 증가했으며 고온 안정성은 크게 향상되었습니다. La와 Ce는 합금의 초가소성을 크게 향상시킬 수 있습니다. Al-6Mg-0.5Mn 합금에 0.14%~0.64% La를 첨가하면 초가소성이 430%에서 800%~1000%로 증가합니다. Al Si 합금에 대한 체계적인 연구에 따르면 합금의 항복 강도와 최대 인장 강도가 크게 향상될 수 있습니다. Sc.Fig를 적당량 첨가하여 개선되었습니다. 도 3은 Al-Si7-Mg의 인장 파괴의 SEM 모습을 나타낸다.0.8이는 RE가 없는 전형적인 취성 벽개 파괴임을 나타내며, 0.3% RE를 첨가한 후에는 파괴에 명백한 딤플 구조가 나타나 인성과 연성이 양호함을 나타냅니다.
그림 3 인장파괴 형태
에이. RE에 가입하지 않았습니다.b. 0.3% RE 추가
02합금의 고온 특성에 대한 희토류의 영향
일정량을 추가하면희토류알루미늄 합금에 알루미늄 합금의 고온 내산화성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 주조 Al Si 공융 합금에 1%~1.5% 혼합 희토류를 첨가하면 고온 강도가 33% 증가하고 고온 파열 강도(300℃, 1000시간) 44% 증가하고 내마모성과 고온 안정성이 크게 향상되었습니다. 주조 Al Cu 합금에 La, Ce, Y 및 미쉬메탈을 첨가하면 고온 특성이 향상될 수 있습니다. 합금; 빠르게 응고된 Al-8.4% Fe-3.4% Ce 합금은 400℃ 이하에서 오랫동안 작동할 수 있어 알루미늄 합금의 작동 온도를 크게 향상시킵니다. Sc는 Al Mg Si 합금에 첨가되어 Al을 형성합니다.3고온에서 조대화되기 쉽지 않은 Sc 입자는 매트릭스와 응집하여 결정립 경계를 고정하므로 어닐링 중에 합금이 재결정되지 않은 구조를 유지하고 합금의 고온 특성을 크게 향상시킵니다.
03 희토류가 합금의 광학적 특성에 미치는 영향
알루미늄 합금에 희토류를 첨가하면 표면 산화막의 구조가 바뀌어 표면이 더욱 밝고 아름답게 됩니다. 알루미늄 합금에 0.12%~0.25% RE를 첨가하면 산화되고 착색된 6063 프로파일의 반사율은 92%;Al Mg 주조 알루미늄 합금에 0.1%~0.3% RE를 첨가하면 합금의 표면 조도와 광택 내구성이 가장 우수합니다.
04 희토류가 합금의 전기적 특성에 미치는 영향
고순도 알루미늄에 RE를 첨가하는 것은 합금의 전도성에 해롭지만, 공업용 순수 알루미늄 및 Al Mg Si 전도성 합금에 적절한 RE를 첨가함으로써 전도성을 어느 정도 향상시킬 수 있습니다. 실험 결과에 따르면 알루미늄의 전도성은 0.2% RE를 첨가하면 2%~3% 향상될 수 있습니다. Al Zr 합금에 소량의 이트륨이 풍부한 희토류를 첨가하면 합금의 전도성을 향상시킬 수 있으며 이는 대부분의 국내 와이어 공장에서 채택하고 있습니다. 미량 희토류를 추가합니다 에게 Al RE 포일 커패시터를 만드는 고순도 알루미늄. 25kV 제품에 사용하면 용량지수는 2배, 단위체적당 용량은 5배, 무게는 47% 감소하고, 커패시터 부피는 대폭 줄어든다.
05희토류가 합금의 내식성에 미치는 영향
일부 사용 환경, 특히 염화물 이온이 있는 경우 합금은 부식, 틈새 부식, 응력 부식 및 부식 피로에 취약합니다. 알루미늄 합금의 내식성을 향상시키기 위해 많은 연구가 수행되었습니다. 알루미늄 합금에 희토류를 적당량 첨가하면 내식성을 효과적으로 향상시킬 수 있음이 밝혀졌습니다. 알루미늄에 다양한 양의 혼합 희토류(0.1%~0.5%)를 첨가하여 만든 샘플을 소금물과 인공 해수에 3회 연속 침지시켰습니다. 연령. 그 결과, 알루미늄에 희토류를 소량 첨가하면 알루미늄의 내식성이 향상될 수 있으며, 염수 및 인공해수에서의 내식성은 알루미늄에 비해 각각 24%, 32% 더 높은 것으로 나타났다. 희토류 다성분 침투제(La, Ce 등), 희토류 변환막층이 2024 합금 표면에 형성되어 알루미늄 합금의 표면 전극 전위가 균일해지는 경향이 있으며, 내오염성을 향상시킵니다. 입계 부식 및 응력 부식; 고 Mg 알루미늄 합금에 La를 첨가하면 합금의 해양 부식 방지 능력이 크게 향상될 수 있습니다. 알루미늄 합금에 1.5%~2.5% Nd를 첨가하면 고온 성능, 기밀성 및 내식성이 향상됩니다. 항공우주재료로 널리 사용되는 합금.
◆ ◆ 희토류 알루미늄 합금 제조기술 ◆ ◆
희토류는 대부분 알루미늄 합금 및 기타 합금에 미량원소 형태로 첨가됩니다. 희토류는 화학적 활성이 높고 녹는점이 높으며 고온에서 산화 및 연소되기 쉽습니다. 이로 인해 희토류 알루미늄 합금을 준비하고 응용하는 데 어려움이 생겼습니다. 장기적인 실험 연구에서 사람들은 희토류 알루미늄 합금의 준비 방법을 계속해서 탐구하고 있습니다. 현재 희토류 알루미늄 합금을 준비하는 주요 생산 방법은 다음과 같습니다. 혼합법, 용융염 전기분해법, 알루미노열 환원법이 있다.
01 혼합방법
혼합 용해 방법은 희토류 또는 혼합 희토류 금속을 고온 알루미늄 액체에 비율에 맞게 첨가하여 모합금 또는 응용 합금을 만든 다음 계산된 허용량에 따라 모합금과 나머지 알루미늄을 함께 녹여 완전히 저어 정제하는 것입니다. .
02 전기 분해
용융염 전기분해 방법은 공업용 알루미늄 전해조에 희토류 산화물 또는 희토류 염을 첨가하고 산화알루미늄으로 전기분해하여 희토류 알루미늄 합금을 생산하는 것입니다. 용융염 전기분해 방법은 중국에서 비교적 빠르게 발전했습니다. 일반적으로 액체음극법과 전해공석법의 두 가지 방식이 있다. 현재, 희토류 화합물을 공업용 알루미늄 전해조에 직접 첨가할 수 있고, 공석법에 의해 염화물 용융물을 전기분해하여 희토류 알루미늄 합금을 생산할 수 있는 방법이 개발되었습니다.
03 알루미노열 환원법
알루미늄은 환원 능력이 강하고 희토류와 함께 다양한 금속간 화합물을 형성할 수 있기 때문에 알루미늄을 환원제로 사용하여 희토류 알루미늄 합금을 제조할 수 있습니다. 주요 화학 반응은 다음 식에 표시됩니다.
RE2O3+ 6Al→2REAl2+ 알2O3
그 중 희토류 산화물 또는 희토류가 풍부한 슬래그를 희토류 원료로 사용할 수 있습니다. 환원제는 공업용 순수 알루미늄 또는 실리콘 알루미늄일 수 있으며 환원 온도는 1400℃~1600℃입니다. 초기 단계에서는 운반되었습니다. 가열제와 플럭스가 존재하고 환원 온도가 높은 조건에서 많은 문제가 발생할 수 있습니다. 최근 몇 년 동안 연구자들은 새로운 알루미늄열 환원 방법을 개발했습니다. 더 낮은 온도(780℃)에서는 불화나트륨과 염화나트륨 시스템에서 알루미노열 환원 반응이 완료되어 원래의 고온으로 인해 발생하는 문제를 피할 수 있습니다.
◆ ◆ 희토류 알루미늄 합금 적용 진행 ◆ ◆
01 전력 산업에 희토류 알루미늄 합금 적용
우수한 전도성, 큰 전류 운반 용량, 고강도, 내마모성, 가공 용이성 및 긴 수명 등의 장점으로 인해 희토류 알루미늄 합금은 케이블, 가공 송전선, 와이어 코어, 슬라이드 와이어 및 얇은 와이어를 제조하는 데 사용할 수 있습니다. 특수 목적. Al Si 합금 시스템에 소량의 RE를 첨가하면 전도성이 향상될 수 있습니다. 이는 알루미늄 합금의 실리콘이 함량이 높은 불순물 원소이기 때문에 전기 특성에 더 큰 영향을 미치기 때문입니다. 적절한 양의 희토류를 첨가하면 합금 내 실리콘의 기존 형태와 분포를 개선할 수 있어 알루미늄의 전기적 특성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 내열성 알루미늄 합금 와이어에 소량의 이트륨 또는 이트륨이 풍부한 혼합 희토류를 추가합니다. 우수한 고온 성능을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 전도성도 향상시킬 수 있습니다. 희토류는 알루미늄 합금 시스템의 인장 강도, 내열성 및 내식성을 향상시킬 수 있습니다. 희토류 알루미늄 합금으로 만들어진 케이블과 도체는 케이블 타워의 범위를 늘리고 케이블의 수명을 연장할 수 있습니다.
02희토류 알루미늄 합금을 건설 산업에 적용
6063 알루미늄 합금은 건설 산업에서 가장 널리 사용됩니다. 희토류를 0.15%~0.25% 첨가하면 주조조직 및 가공구조를 크게 개선할 수 있으며, 압출성형, 열처리 효과, 기계적 성질, 내식성, 표면처리 성능 및 색조를 향상시킬 수 있습니다. 희토류는 주로 6063 알루미늄 합금에 분포하는 α-Al은 상경계, 결정립계 및 수지상돌기를 중화시키며 화합물에 용해되거나 화합물의 형태로 존재하여 수지상정 구조 및 결정립을 미세화하여 용해되지 않은 공융 물질과 딤플 영역의 딤플 크기가 현저히 작아지고 분포가 균일하며 밀도가 증가하여 합금의 다양한 특성이 다양한 정도로 향상됩니다. 예를 들어, 프로파일의 강도는 20% 이상 증가하고, 연신율은 50% 증가하며, 부식률은 2배 이상 감소하고, 산화막의 두께는 5%~8% 증가하며, 착색 특성은 약 3% 증가합니다. 따라서 RE-6063 합금 건물 프로파일이 널리 사용됩니다.
03희토류 알루미늄 합금을 생활용품에 적용
일상적으로 사용되는 알루미늄 제품에 사용되는 순수 알루미늄 및 Al Mg 계열 알루미늄 합금에 미량 희토류를 첨가하면 기계적 특성, 딥 드로잉 특성 및 내식성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 알루미늄 냄비, 알루미늄 팬, 알루미늄 판, 알루미늄 도시락, 알루미늄 도시락, Al Mg RE 합금으로 제작된 알루미늄 가구 지지대, 알루미늄 자전거, 가전 부품은 내식성이 2배 이상 향상되고, 중량은 10%~15% 감소하고, 수율은 10%~20% 증가하며, 생산 원가는 10%~15% 향상됩니다. 희토류가 없는 알루미늄 합금 제품에 비해 감소, 더 나은 딥 드로잉 및 딥 가공 성능. 현재 희토류 알루미늄 합금의 일용품이 널리 사용되고 제품이 크게 증가하여 국내 및 국내에서 잘 판매됩니다. 해외 시장.
04 희토류 알루미늄 합금을 다른 측면에 적용
가장 널리 사용되는 Al Si 시리즈 주조 합금에 수천분의 1의 희토류를 추가하면 합금의 가공 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 많은 브랜드의 제품이 항공기, 선박, 자동차, 디젤 엔진, 오토바이 및 장갑차(피스톤, 기어박스, 실린더, 계측기 및 기타 부품)에 사용되었습니다. 연구 및 응용 분야에서 Sc가 가장 효과적인 요소인 것으로 밝혀졌습니다. 알루미늄 합금의 구조와 특성을 최적화합니다. 알루미늄에 대한 강력한 분산 강화, 결정립 미세화 강화, 용액 강화 및 미세 합금 강화 효과가 있으며 합금의 강도, 경도, 가소성, 인성, 내식성, 내열성 등을 향상시킬 수 있습니다.Sc Al 시리즈 합금은 NASA가 개발한 C557Al Mg Zr Sc 시리즈 스칸듐 알루미늄 합금은 항공우주, 선박, 고속열차, 경자동차 등과 같은 첨단 산업에 사용되며 고강도, 고온 및 저온 안정성을 갖추고 있습니다. 항공기 동체 및 항공기 구조 부품에 적용; 러시아가 개발한 0146Al Cu Li Sc 합금은 우주선의 극저온 연료 탱크에 적용되었습니다.
Wang Hui, Yang An 및 Yun Qi의 희토류 33권 1호에서
게시 시간: 2023년 7월 5일