Aplikasi daripadanadir bumidalam tuangan aloi aluminium telah dijalankan lebih awal di luar negara. Walaupun China memulakan penyelidikan dan aplikasi aspek ini hanya pada tahun 1960-an, ia telah berkembang pesat. Banyak kerja telah dilakukan daripada penyelidikan mekanisme kepada aplikasi praktikal, dan beberapa pencapaian telah dibuat.Dengan penambahan unsur nadir bumi, sifat mekanikal, sifat tuangan dan sifat elektrik aloi aluminium telah bertambah baik.Dalam bidang bahan baharu, sifat optik, elektrik dan magnet yang kaya bagi unsur nadir bumi juga memainkan peranan penting dalam membuat bahan magnet kekal nadir bumi, bahan pemancar cahaya nadir bumi, bahan simpanan hidrogen nadir bumi, dsb.
◆ ◆ Mekanisme tindakan nadir bumi dalam aluminium dan aloi aluminium ◆ ◆
Nadir bumi mempunyai aktiviti kimia yang tinggi, potensi rendah dan susunan lapisan elektron khas, dan boleh berinteraksi dengan hampir semua unsur. Nadir bumi yang biasa digunakan dalam aloi aluminium dan aluminium termasuk La (lanthanum), Ce (cerium), Y (yttrium) dan Sc (skandium). Mereka sering ditambah ke dalam cecair aluminium dengan pengubah suai, agen nukleus dan agen penyahgas, yang boleh membersihkan cair, memperbaiki struktur, menapis bijirin, dll.
01Pembersihan nadir bumi
Memandangkan sejumlah besar kemasukan gas dan oksida (terutamanya hidrogen, oksigen dan nitrogen) akan dibawa masuk semasa peleburan dan tuangan aloi aluminium, lubang jarum, retak, kemasukan dan kecacatan lain akan berlaku dalam tuangan (lihat Rajah 1a), mengurangkan kekuatan aloi aluminium. Kesan penulenan nadir bumi terutamanya ditunjukkan dalam pengurangan kandungan hidrogen yang jelas dalam aluminium cair, pengurangan kadar lubang jarum dan keliangan (lihat Rajah 1b), dan pengurangan kemasukan dan unsur-unsur berbahaya. Sebab utama ialah nadir bumi mempunyai pertalian yang besar dengan hidrogen, yang boleh menyerap dan melarutkan hidrogen dalam kuantiti yang banyak dan membentuk sebatian yang stabil tanpa membentuk buih, sekali gus mengurangkan kandungan hidrogen dengan ketara dan keliangan aluminium;Nadir bumi dan nitrogen membentuk sebatian refraktori, yang kebanyakannya dikeluarkan dalam bentuk sanga dalam proses peleburan, untuk mencapai tujuan cecair aluminium penulenan.
Amalan telah membuktikan bahawa nadir bumi mempunyai kesan mengurangkan kandungan hidrogen, oksigen dan sulfur dalam aloi aluminium dan aluminium. Menambah 0.1%~0.3% RE dalam cecair aluminium berguna untuk membuang kekotoran berbahaya, menapis kekotoran atau mengubah morfologinya dengan lebih baik, supaya dapat menapis dan mengagihkan bijirin secara sekata; Selain itu, RE dan kekotoran berbahaya dengan takat lebur rendah membentuk sebatian binari seperti RES, REA dan REPb, yang dicirikan oleh takat lebur yang tinggi, ketumpatan rendah, dan sifat kimia yang stabil, dan boleh diapungkan sehingga membentuk sanga dan dikeluarkan, sekali gus menulenkan cecair aluminium;Baki zarah halus menjadi nukleus heterogen aluminium untuk menapis bijirin.
Rajah 1 SEM Morfologi 7075 Aloi tanpa RE dan w (RE)=0.3%
a. RE tidak ditambah;b. Tambah w (RE)=0.3%
02Metamorfisme nadir bumi
Pengubahsuaian nadir bumi terutamanya ditunjukkan dalam penapisan bijirin dan dendrit, menghalang penampilan fasa lamelar T2 kasar, menghapuskan fasa masif kasar yang diedarkan dalam kristal primer dan membentuk fasa sfera, supaya jalur dan sebatian serpihan di sempadan butiran berkurangan dengan ketara. (lihat Rajah 2). Secara amnya, jejari atom nadir bumi adalah lebih besar daripada atom aluminium, dan sifatnya agak aktif. Lebur dalam cecair aluminium adalah sangat mudah untuk mengisi kecacatan permukaan fasa aloi, yang mengurangkan ketegangan permukaan pada antara muka antara fasa baru dan lama, dan meningkatkan kadar pertumbuhan nukleus kristal; Pada masa yang sama, ia juga boleh membentuk permukaan filem aktif antara butiran dan cecair cair untuk menghalang pertumbuhan butiran yang dihasilkan dan menapis struktur aloi (lihat Rajah 2b).
Rajah 2 Struktur Mikro Aloi dengan Penambahan RE yang Berbeza
a. Dos RE ialah 0;b. Penambahan RE ialah 0.3%;c. Tambahan RE ialah 0.7%
Selepas menambah unsur nadir bumiαBiji-bijian fasa (Al) mula menjadi lebih kecil, yang memainkan peranan dalam menapis butiranα(Al) berubah menjadi bentuk mawar atau batang kecil, apabila kandungan nadir bumi ialah 0.3%αSaiz butiran (Al ) fasa adalah yang terkecil, dan meningkat secara beransur-ansur dengan peningkatan kandungan nadir bumi. Eksperimen telah membuktikan bahawa terdapat tempoh pengeraman tertentu untuk metamorfisme nadir bumi, dan hanya apabila ia disimpan pada suhu tinggi untuk tempoh masa tertentu, nadir bumi akan memainkan peranan terbesar dalam metamorfisme. Di samping itu, bilangan nukleus kristal sebatian yang dibentuk oleh aluminium dan nadir bumi meningkat dengan banyak apabila logam mengkristal, yang juga menjadikan struktur aloi halus.Penyelidikan menunjukkan bahawa nadir bumi mempunyai kesan pengubahsuaian yang baik pada aloi aluminium.
03 Kesan pengaloian mikro nadir bumi
Nadir bumi terutamanya wujud dalam aloi aluminium dan aluminium dalam tiga bentuk: larutan pepejal dalam matriksα(Al); Pengasingan pada sempadan fasa, sempadan butiran dan sempadan dendrit; Larutan pepejal dalam atau dalam bentuk sebatian. Kesan pengukuhan nadir bumi dalam aloi aluminium terutamanya termasuk pengukuhan penapisan bijirin, pengukuhan penyelesaian terhingga dan pengukuhan fasa kedua sebatian nadir bumi.
Bentuk kewujudan nadir bumi dalam aluminium dan aloi aluminium berkait rapat dengan jumlah penambahannya. Secara amnya, apabila kandungan RE adalah kurang daripada 0.1%, peranan RE terutamanya pengukuhan butiran halus dan pengukuhan penyelesaian terhingga; Apabila kandungan RE ialah 0.25%~0.30%, RE dan Al membentuk sejumlah besar rod sfera atau pendek seperti sebatian antara logam. , yang diedarkan dalam sempadan bijian atau bijian, dan sejumlah besar kehelan, struktur sferoid bijirin halus dan nadir bumi yang tersebar sebatian muncul, yang akan menghasilkan kesan pengaloian mikro seperti pengukuhan fasa kedua.
◆ ◆ Kesan nadir bumi pada sifat aluminium dan aloi aluminium ◆◆
01 Kesan nadir bumi pada sifat mekanikal menyeluruh aloi
Kekuatan, kekerasan, pemanjangan, keliatan patah, rintangan haus dan sifat mekanikal komprehensif aloi yang lain boleh dipertingkatkan dengan menambah jumlah nadir bumi yang sesuai. 0.3% RE ditambah kepada aloi siri ZL10 aluminium tuangan.bdaripada 205.9 MPa kepada 274 MPa, dan HB daripada 80 kepada 108; Menambah 0.42% Sc kepada 7005 aloiσbmeningkat daripada 314MPa kepada 414MPa,σ0.2meningkat daripada 282MPa kepada 378MPa, keplastikan meningkat daripada 6.8% kepada 10.1%, dan kestabilan suhu tinggi dipertingkatkan dengan ketara; La dan Ce boleh meningkatkan superplastisitas aloi dengan ketara. Menambah 0.14%~0.64% La kepada aloi Al-6Mg-0.5Mn meningkatkan superplastisitas daripada 430% kepada 800%~1000%;Kajian sistematik aloi Al Si menunjukkan bahawa kekuatan hasil dan kekuatan tegangan muktamad aloi boleh menjadi sangat tinggi. ditambah baik dengan menambah jumlah Sc.Fig. 3 menunjukkan rupa SEM bagi patah tegangan Al-Si7-Mg0.8aloi, yang menunjukkan bahawa ia adalah patah belahan rapuh biasa tanpa RE, manakala selepas 0.3% RE ditambah, struktur lesung pipit yang jelas kelihatan dalam patah, yang menunjukkan bahawa ia mempunyai keliatan dan kemuluran yang baik.
Rajah 3 Morfologi Patah Tegangan
a. Tidak menyertai RE;b. Tambah 0.3% RE
02Kesan Nadir Bumi pada Sifat Suhu Tinggi Aloi
Menambah jumlah tertentunadir bumike dalam aloi aluminium dengan berkesan boleh meningkatkan rintangan pengoksidaan suhu tinggi aloi aluminium.Menambahkan 1%~1.5% campuran nadir bumi kepada aloi eutektik Al Si tuang meningkatkan kekuatan suhu tinggi sebanyak 33%, kekuatan pecah suhu tinggi (300 ℃, 1000 jam) sebanyak 44%, dan rintangan haus dan kestabilan suhu tinggi bertambah baik dengan ketara; Menambah La, Ce, Y dan mischmetal ke dalam aloi Al Cu boleh bertambah baik sifat suhu tinggi aloi; Aloi Al-8.4% Fe-3.4% Ce yang dipadatkan dengan cepat boleh bekerja untuk masa yang lama di bawah 400 ℃, meningkatkan suhu kerja aloi aluminium dengan ketara; Sc ditambah kepada aloi Al Mg Si untuk membentuk Al3Zarah sc yang tidak mudah dikasar pada suhu tinggi dan bersatu dengan matriks untuk menyematkan sempadan butiran, supaya aloi mengekalkan struktur tidak penghabluran semasa penyepuhlindapan, dan meningkatkan sifat suhu tinggi aloi.
03 Kesan Nadir Bumi pada Sifat Optik Aloi
Menambah nadir bumi ke dalam aloi aluminium boleh mengubah struktur filem oksida permukaannya, menjadikan permukaannya lebih cerah dan cantik. Apabila 0.12%~0.25% RE ditambah kepada aloi aluminium, pemantulan profil 6063 teroksida dan berwarna adalah sehingga 92%;Apabila 0.1%~0.3% RE ditambah kepada aloi aluminium tuang Al Mg, aloi itu boleh memperoleh kemasan permukaan terbaik dan ketahanan berkilat.
04 Kesan Nadir Bumi pada Sifat Elektrik Aloi
Menambah RE kepada aluminium ketulenan tinggi adalah berbahaya kepada kekonduksian aloi, tetapi kekonduksian boleh dipertingkatkan pada tahap tertentu dengan menambahkan RE yang sesuai kepada aluminium tulen industri dan aloi konduktif Al Mg Si. Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa kekonduksian aluminium boleh dipertingkatkan sebanyak 2%~3% dengan menambahkan 0.2% RE. Menambah sejumlah kecil nadir bumi kaya yttrium ke dalam aloi Al Zr boleh meningkatkan kekonduksian aloi, yang telah diterima pakai oleh kebanyakan kilang wayar domestik; Tambah jejak nadir bumi kepada aluminium ketulenan tinggi untuk membuat kapasitor foil Al RE. Apabila digunakan dalam produk 25kV, indeks kemuatan digandakan, kapasiti per unit volum meningkat sebanyak 5 kali, berat dikurangkan sebanyak 47%, dan volum kapasitor berkurangan dengan ketara.
05Kesan Nadir Bumi terhadap Rintangan Kakisan Aloi
Dalam sesetengah persekitaran perkhidmatan, terutamanya dengan kehadiran ion klorida, aloi terdedah kepada kakisan, kakisan celah, kakisan tegasan dan kelesuan kakisan. Bagi meningkatkan rintangan kakisan aloi aluminium, banyak kajian telah dijalankan. Didapati bahawa menambah jumlah nadir bumi yang sesuai kepada aloi aluminium boleh meningkatkan ketahanan kakisannya dengan berkesan. Sampel yang dibuat dengan menambah jumlah nadir bumi campuran yang berbeza (0.1%~0.5%) kepada aluminium telah direndam dalam air garam dan air laut buatan selama tiga kali berturut-turut tahun. Keputusan menunjukkan bahawa menambah sejumlah kecil nadir bumi kepada aluminium boleh meningkatkan rintangan kakisan aluminium, dan rintangan kakisan dalam air garam dan air laut buatan masing-masing adalah 24% dan 32% lebih tinggi daripada aluminium; Menggunakan kaedah wap kimia dan menambah penembus pelbagai komponen nadir bumi (La, Ce, dll.), lapisan filem penukaran nadir bumi boleh dibentuk pada permukaan aloi 2024, menjadikan potensi elektrod permukaan aloi aluminium cenderung seragam, dan meningkatkan ketahanan terhadap kakisan antara butiran dan kakisan tegasan; Menambahkan La kepada aloi aluminium Mg tinggi dengan ketara boleh meningkatkan keupayaan anti kakisan marin aloi; Menambah 1.5%~2.5% Nd kepada aloi aluminium boleh meningkatkan prestasi suhu tinggi, sesak udara dan rintangan kakisan aloi, yang digunakan secara meluas sebagai bahan aeroangkasa.
◆ ◆ Teknologi penyediaan aloi aluminium nadir bumi ◆ ◆
Nadir bumi kebanyakannya ditambah dalam bentuk unsur surih dalam aloi aluminium dan aloi lain. Nadir bumi mempunyai aktiviti kimia yang tinggi, takat lebur yang tinggi, dan mudah dioksidakan dan dibakar pada suhu tinggi. Ini telah menyebabkan kesukaran tertentu dalam penyediaan dan penggunaan aloi aluminium nadir bumi.Dalam penyelidikan eksperimen jangka panjang, orang ramai terus meneroka kaedah penyediaan aloi aluminium nadir bumi.Pada masa ini, kaedah pengeluaran utama untuk menyediakan aloi aluminium nadir bumi adalah kaedah pencampuran, kaedah elektrolisis garam cair dan kaedah pengurangan aluminotermik.
01 Kaedah pencampuran
Kaedah lebur campuran adalah untuk menambah nadir bumi atau logam nadir bumi campuran ke dalam cecair aluminium suhu tinggi secara berkadaran untuk membuat aloi induk atau aloi aplikasi, dan kemudian mencairkan aloi induk dan baki aluminium mengikut elaun yang dikira bersama-sama, kacau sepenuhnya dan haluskan. .
02 Elektrolisis
Kaedah elektrolisis garam lebur adalah untuk menambah oksida nadir bumi atau garam nadir bumi ke dalam sel elektrolitik aluminium industri dan elektrolisis dengan aluminium oksida untuk menghasilkan aloi aluminium nadir bumi. Kaedah elektrolisis garam lebur telah berkembang agak pantas di China. Secara amnya, terdapat dua cara iaitu kaedah katod cecair dan kaedah eutektoid elektrolitik. Pada masa ini, telah dibangunkan bahawa sebatian nadir bumi boleh ditambah terus kepada sel elektrolitik aluminium industri, dan aloi aluminium nadir bumi boleh dihasilkan melalui elektrolisis cair klorida dengan kaedah eutectoid.
03 Kaedah pengurangan aluminotermik
Oleh kerana aluminium mempunyai keupayaan pengurangan yang kuat, dan aluminium boleh membentuk pelbagai sebatian antara logam dengan nadir bumi, aluminium boleh digunakan sebagai agen penurunan untuk menyediakan aloi aluminium nadir bumi. Tindak balas kimia utama ditunjukkan dalam formula berikut:
RE2O3+ 6Al→2REAl2+ Al2O3
Antaranya, nadir bumi oksida atau sanga kaya nadir bumi boleh digunakan sebagai bahan mentah nadir bumi; Agen pengurangan boleh menjadi aluminium tulen industri atau aluminium silikon; Suhu pengurangan ialah 1400 ℃ ~ 1600 ℃. Pada peringkat awal, ia dibawa keluar di bawah keadaan kewujudan ejen pemanasan dan fluks, dan suhu pengurangan yang tinggi akan menyebabkan banyak masalah; Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penyelidik telah membangunkan kaedah pengurangan aluminotermik baru. Pada suhu yang lebih rendah (780 ℃), tindak balas pengurangan aluminotermik diselesaikan dalam sistem natrium fluorida dan natrium klorida, yang mengelakkan masalah yang disebabkan oleh suhu tinggi asal.
◆ ◆ Kemajuan penggunaan aloi aluminium nadir bumi ◆ ◆
01 Penggunaan aloi aluminium nadir bumi dalam industri kuasa
Disebabkan kelebihan kekonduksian yang baik, kapasiti membawa arus yang besar, kekuatan tinggi, rintangan haus, pemprosesan mudah dan hayat perkhidmatan yang panjang, aloi aluminium nadir bumi boleh digunakan untuk mengeluarkan kabel, talian penghantaran atas, teras wayar, wayar slaid dan wayar nipis untuk tujuan khas.Menambah sejumlah kecil RE dalam sistem aloi Al Si boleh meningkatkan kekonduksian, kerana silikon dalam aloi aluminium adalah unsur kekotoran dengan kandungan yang tinggi, yang mempunyai kesan yang lebih besar terhadap sifat elektrik. Menambah jumlah nadir bumi yang sesuai boleh meningkatkan morfologi sedia ada dan pengedaran silikon dalam aloi, yang boleh meningkatkan sifat elektrik aluminium dengan berkesan; Menambah sejumlah kecil nadir bumi campuran kaya yttrium atau yttrium ke dalam dawai aloi aluminium tahan haba bukan sahaja dapat mengekalkan prestasi suhu tinggi yang baik tetapi juga meningkatkan kekonduksian; Nadir bumi boleh meningkatkan kekuatan tegangan, rintangan haba dan rintangan kakisan sistem aloi aluminium. Kabel dan konduktor yang diperbuat daripada aloi aluminium nadir bumi boleh meningkatkan jangka masa menara kabel dan memanjangkan hayat perkhidmatan kabel.
02Penggunaan aloi aluminium nadir bumi dalam industri pembinaan
Aloi aluminium 6063 adalah yang paling banyak digunakan dalam industri pembinaan. Menambah 0.15%~0.25% nadir bumi boleh meningkatkan dengan ketara struktur tuangan dan struktur pemprosesan, dan boleh meningkatkan prestasi penyemperitan, kesan rawatan haba, sifat mekanikal, rintangan kakisan, prestasi rawatan permukaan dan ton warna. Didapati bahawa nadir bumi adalah terutamanya diedarkan dalam aloi aluminium 6063α-Al meneutralkan sempadan fasa, sempadan butiran dan interdendritik, dan ia dibubarkan dalam sebatian atau wujud dalam bentuk sebatian untuk menapis struktur dendrit dan butiran, supaya saiz eutektik yang tidak larut dan saiz lesung di kawasan lesung menjadi lebih kecil, taburan seragam, dan ketumpatan meningkat, supaya pelbagai sifat aloi adalah dipertingkatkan kepada pelbagai peringkat. Sebagai contoh, kekuatan profil meningkat lebih daripada 20%, pemanjangan meningkat sebanyak 50%, dan kadar kakisan dikurangkan lebih daripada dua kali ganda, Ketebalan filem oksida meningkat sebanyak 5% ~ 8%, dan sifat pewarna meningkat kira-kira 3%.Oleh itu, profil bangunan aloi RE-6063 digunakan secara meluas.
03Penggunaan aloi aluminium nadir bumi dalam produk harian
Menambah surih nadir bumi kepada aluminium tulen dan aloi aluminium siri Al Mg untuk kegunaan harian produk aluminium dengan ketara boleh meningkatkan sifat mekanikal, sifat lukisan dalam dan rintangan kakisan. Keperluan harian seperti periuk aluminium, kuali aluminium, plat aluminium, kotak makan tengah hari aluminium, sokongan perabot aluminium, basikal aluminium, dan bahagian perkakas rumah yang diperbuat daripada aloi Al Mg RE mempunyai lebih daripada dua kali rintangan kakisan, pengurangan berat 10%~15%, 10%~20% peningkatan hasil, 10%~15% pengurangan kos pengeluaran, dan lukisan dalam yang lebih baik dan prestasi pemprosesan mendalam berbanding dengan produk aloi aluminium tanpa nadir bumi. Pada masa ini, keperluan harian aloi aluminium nadir bumi telah digunakan secara meluas, dan produk telah meningkat dengan ketara, dan dijual dengan baik di pasaran domestik dan asing.
04 Penggunaan aloi aluminium nadir bumi dalam aspek lain
Menambah beberapa perseribu nadir bumi dalam aloi tuangan siri Al Si yang paling banyak digunakan boleh meningkatkan prestasi pemesinan aloi dengan ketara. Banyak jenama produk telah digunakan dalam pesawat, kapal, kereta, enjin diesel, motosikal dan kenderaan berperisai (omboh, kotak gear, silinder, instrumentasi dan bahagian lain).Dalam penyelidikan dan aplikasi, didapati bahawa Sc adalah elemen yang paling berkesan untuk mengoptimumkan struktur dan sifat aloi aluminium. Ia mempunyai pengukuhan serakan yang kuat, pengukuhan penghalusan bijirin, pengukuhan larutan dan kesan pengukuhan mikroaloi pada aluminium, dan boleh meningkatkan kekuatan, kekerasan, keplastikan, keliatan, rintangan kakisan, rintangan haba, dll. aloi. Aloi siri Sc Al telah digunakan dalam industri berteknologi tinggi seperti aeroangkasa, kapal, kereta api berkelajuan tinggi, kenderaan ringan, dll.C557Al Mg Zr Sc siri aloi aluminium skandium yang dibangunkan oleh NASA mempunyai kekuatan dan suhu tinggi dan kestabilan suhu rendah dan telah digunakan pada fiuslaj pesawat dan bahagian struktur pesawat; Aloi 0146Al Cu Li Sc yang dibangunkan oleh Rusia telah digunakan pada tangki bahan api kriogenik kapal angkasa.
Daripada Jilid 33, Isu 1 Rare Earth oleh Wang Hui, Yang An dan Yun Qi
Masa siaran: Jul-05-2023