Anvendelsen avsjeldne jordarteri støping av aluminiumslegering ble utført tidligere i utlandet. Selv om Kina startet forskningen og anvendelsen av dette aspektet først på 1960-tallet, har det utviklet seg raskt. Mye arbeid har blitt gjort fra mekanismeforskning til praktisk anvendelse, og noen prestasjoner er oppnådd.Med tillegg av sjeldne jordartselementer har de mekaniske egenskapene, støpeegenskapene og de elektriske egenskapene til aluminiumslegeringer blitt kraftig forbedret. nye materialer, de rike optiske, elektriske og magnetiske egenskapene til sjeldne jordartselementer spiller også en viktig rolle i å lage sjeldne jordarters permanentmagnetiske materialer, sjeldne jordarters lysemitterende materialer, sjeldne jordarters hydrogenlagringsmaterialer, etc.
◆ ◆ Handlingsmekanisme for sjeldne jordarter i aluminium og aluminiumslegering ◆ ◆
Sjeldne jordarter har høy kjemisk aktivitet, lavt potensial og spesiell elektronlagarrangement, og kan samhandle med nesten alle grunnstoffer. Sjeldne jordarter som vanligvis brukes i aluminium og aluminiumslegeringer inkluderer La (lantan), Ce (cerium), Y (yttrium) og Sc (skandium). De tilsettes ofte i aluminiumsvæske med modifiseringsmidler, kjernedannende midler og avgassingsmidler, som kan rense smelten, forbedre strukturen, foredle kornet, etc.
01Rensing av sjeldne jordarter
Ettersom en stor mengde gass- og oksidinneslutninger (hovedsakelig hydrogen, oksygen og nitrogen) vil bli brakt inn under smelting og støping av aluminiumslegering, vil det oppstå nålehull, sprekker, inneslutninger og andre defekter i støpingen (se figur 1a), reduserende styrken til aluminiumslegering. Renseeffekten av sjeldne jordarter manifesteres hovedsakelig i den åpenbare reduksjonen av hydrogeninnholdet i smeltet aluminium, reduksjonen av pinhole hastighet og porøsitet (se figur 1b), og reduksjon av inneslutninger og skadelige elementer. Hovedårsaken er at sjeldne jordarter har stor affinitet med hydrogen, som kan absorbere og løse opp hydrogen i store mengder og danne stabile forbindelser uten å danne bobler, dermed reduserer hydrogeninnholdet og porøsiteten til aluminium betydelig;Sjeldne jordarter og nitrogen danner ildfaste forbindelser, som for det meste fjernes i form av slagg i smeltingen prosess, for å oppnå formålet med å rense aluminiumsvæske.
Praksis har vist at sjeldne jordarter har effekten av å redusere innholdet av hydrogen, oksygen og svovel i aluminium og aluminiumslegeringer. Tilsetning av 0,1%~0,3% RE i aluminiumsvæske er nyttig for å bedre fjerne skadelige urenheter, raffinere urenheter eller endre deres morfologi, for å raffinere og jevnt fordele korn;I tillegg danner RE og skadelige urenheter med lavt smeltepunkt binære forbindelser som f.eks. RES, REAs og REPb, som er preget av høyt smeltepunkt, lav tetthet og stabile kjemiske egenskaper, og kan flytes opp å danne slagg og fjernet, og dermed rense aluminiumvæske;De gjenværende fine partiklene blir heterogene aluminiumkjerner for å raffinere korn.
Fig. 1 SEM-morfologi av 7075-legering uten RE og w (RE)=0,3 %
en. RE er ikke lagt til;b. Legg til w (RE)=0,3 %
02Metamorfose av sjeldne jordarter
Modifikasjon av sjeldne jordartsmetaller manifesteres hovedsakelig i raffinering av korn og dendritter, hemmer utseendet av grov lamellær T2-fase, eliminerer den grove massive fasen fordelt i primærkrystallen og danner sfærisk fase, slik at stripen og fragmentforbindelsene ved korngrensen reduseres betydelig. (se figur 2). Generelt er radiusen til sjeldne jordartsatomer større enn for aluminiumsatomet, og dens eiendommene er relativt aktive. Smelting i aluminiumsvæske er veldig lett å fylle overflatedefektene i legeringsfasen, noe som reduserer overflatespenningen på grensesnittet mellom nye og gamle faser, og forbedrer veksthastigheten til krystallkjernen; Samtidig kan den også danne en overflate aktiv film mellom kornene og den smeltede væsken for å forhindre vekst av de genererte kornene og foredle legeringsstrukturen (se figur 2b).
Fig. 2 Mikrostruktur av legeringer med forskjellig RE-tilsetning
en. RE-dosering er 0;b. RE-tilsetning er 0,3 %;c. RE-tillegg er 0,7 %
Etter tilsetning av sjeldne jordartsmetallerα begynte kornene i (Al)-fasen å bli mindre, noe som spilte en rolle i raffinering av kornα(Al) forvandlet til en liten rose- eller stavform, når innholdet av sjeldne jordartsmetaller er 0,3 %αKornstørrelsen til (Al) ) fasen er den minste, og øker gradvis med ytterligere økning av innholdet av sjeldne jordarter. Eksperimenter har vist at det er en viss inkubasjonsperiode for metamorfose av sjeldne jordarter, og kun når den holdes ved høy temperatur i en viss tidsperiode, vil sjeldne jordarter spille den største rollen i metamorfose. I tillegg øker antallet krystallkjerner av forbindelsene dannet av aluminium og sjeldne jordarter kraftig når metallet krystalliserer, som gjør også legeringsstrukturen raffinert. Forskningen viser at sjeldne jordarter har god modifikasjonseffekt på aluminiumslegering.
03 Mikrolegeringseffekt av sjeldne jordarter
Sjeldne jordarter finnes hovedsakelig i aluminium og aluminiumslegeringer i tre former: fast oppløsning i matrisenα(Al); segregering ved fasegrense, korngrense og dendrittgrense; fast oppløsning i eller i form av forbindelse. De styrkende effektene av sjeldne jordarter i aluminiumslegeringer inkluderer hovedsakelig forsterkning av kornforfining, forsterkning av endelig løsning og forsterkning av andre fase av sjeldne jordartsforbindelser.
Eksistensformen for sjeldne jordarter i aluminium og aluminiumslegering er nært knyttet til tilsetningsmengden. Generelt, når RE-innholdet er mindre enn 0,1%, er RE-rollen hovedsakelig finkornforsterkning og endelig løsningsforsterkning; Når RE-innhold er 0,25%~0,30%, danner RE og Al et stort antall sfæriske eller korte stavlignende intermetalliske forbindelser , som er fordelt i korn- eller korngrensen, og et stort antall dislokasjoner, finkornede sfæroidiserte strukturer og spredte sjeldne jordforbindelser vises, noe som vil gi mikrolegeringseffekter som forsterkning av andre fase.
◆ ◆ Effekt av sjeldne jordarter på egenskapene til aluminium og aluminiumslegering ◆◆
01 Effekt av sjeldne jordarter på omfattende mekaniske egenskaper av legering
Styrken, hardheten, forlengelsen, bruddseigheten, slitestyrken og andre omfattende mekaniske egenskaper til legeringen kan forbedres ved å tilsette passende mengde sjeldne jordarter.0,3 % RE tilsettes til støpt aluminium ZL10-serielegeringσbfra 205,9 MPa til 274 MPa, og HB fra 80 til 108; Legge til 0,42 % Sc til 7005 legeringσbøkt fra 314MPa til 414MPa,σ0,2økt fra 282MPa til 378MPa, plastisiteten økte fra 6,8% til 10,1%, og høytemperaturstabiliteten ble betydelig forbedret; La og Ce kan forbedre superplastisiteten til legeringen betydelig. Tilsetning av 0,14%~0,64% La til Al-6Mg-0,5Mn-legering øker superplastisiteten fra 430% til 800%~1000%; En systematisk studie av Al Si-legering viser at flytegrensen og den endelige strekkstyrken til legeringen kan være betydelig forbedret ved å tilsette en passende mengde Sc.Fig. 3 viser SEM-utseendet til strekkbrudd av Al-Si7-Mg0,8legering, som indikerer at det er et typisk sprø spaltbrudd uten RE, mens det etter tilsetning av 0,3 % RE oppstår tydelige fordypningsstrukturer i bruddet, som indikerer at det har god seighet og duktilitet.
Fig. 3 Strekkbruddmorfologi
en. Ikke sluttet RE;b. Legg til 0,3 % RE
02Effekt av sjeldne jordarter på høytemperaturegenskaper til legeringer
Legge til en viss mengdesjeldne jordartertil aluminiumslegering kan effektivt forbedre høytemperaturoksidasjonsmotstanden til aluminiumslegering. Ved å legge til 1%~1,5% blandet sjeldne jordarter til den støpte Al Si eutektiske legeringen øker høytemperaturstyrken med 33%, høytemperaturbruddstyrken (300 ℃, 1000 timer) med 44 %, og slitestyrken og høytemperaturstabiliteten er betydelig forbedret; Legger til La, Ce, Y og mischmetal til støping Al Cu-legeringer kan forbedre høytemperaturegenskapene til legeringene; Den raskt størknede Al-8,4% Fe-3,4% Ce-legeringen kan fungere i lang tid under 400 ℃, og forbedre arbeidstemperaturen til aluminiumslegering betydelig; Sc tilsettes til Al Mg Si-legeringen for å danne Al3Sc-partikler som ikke er lette å grovere ved høy temperatur og koherer med matrisen for å feste korngrensen, slik at legeringen opprettholder en ukrystallisert struktur under gløding, og forbedrer høytemperaturegenskapene til legeringen betydelig.
03 Effekten av sjeldne jordarter på optiske egenskaper til legeringer
Å legge til sjeldne jordarter i aluminiumslegeringen kan endre strukturen til overflateoksidfilmen, noe som gjør overflaten mer lys og vakker. 92%;Når 0,1%~0,3% RE tilsettes til Al Mg støpt aluminiumslegering, kan legeringen oppnå den beste overflatefinishen og glans holdbarhet.
04 Effekten av sjeldne jordarter på elektriske egenskaper til legeringer
Tilsetning av RE til høyrent aluminium er skadelig for ledningsevnen til legeringen, men ledningsevnen kan forbedres til en viss grad ved å tilsette passende RE til industrielle rent aluminium og Al Mg Si ledende legeringer. De eksperimentelle resultatene viser at ledningsevnen til aluminium kan forbedres med 2%~3% ved å tilsette 0,2% RE. Tilsetning av en liten mengde yttriumrik sjeldne jordarter i Al Zr-legering kan forbedres ledningsevnen til legeringen, som har blitt tatt i bruk av de fleste innenlandske trådfabrikker; Legg til spor av sjeldne jordarter til høyrent aluminium for å lage Al RE-foliekondensator. Når den brukes i 25kV-produkter, dobles kapasitansindeksen, kapasiteten per volumenhet økes med 5 ganger, vekten reduseres med 47%, og kondensatorvolumet reduseres betydelig.
05Effekten av sjeldne jordarter på legeringens korrosjonsbestandighet
I enkelte servicemiljøer, spesielt i nærvær av kloridioner, er legeringer sårbare for korrosjon, sprekker, spenningskorrosjon og korrosjonsutmatting. For å forbedre korrosjonsbestandigheten til aluminiumslegeringer er det utført mange studier. Det er funnet at tilsetning av passende mengde sjeldne jordarter til aluminiumlegeringer effektivt kan forbedre korrosjonsmotstanden deres. Prøvene laget ved å tilsette forskjellige mengder blandede sjeldne jordarter (0,1%~0,5%) til aluminium ble bløtlagt i saltlake og kunstig sjøvann i tre påfølgende år. Resultatene viser at tilsetning av en liten mengde sjeldne jordarter til aluminium kan forbedre korrosjonsmotstanden til aluminium, og korrosjonsmotstanden i saltlake og kunstig sjøvann er henholdsvis 24 % og 32 % høyere enn for aluminium; Ved å bruke kjemisk dampmetode og tilsetning sjeldne jordarts-multikomponent-penetrant (La, Ce, etc.), kan et lag med sjeldne jordarts-konverteringsfilm dannes på overflaten av 2024-legering, noe som gjør at overflateelektrodepotensialet til aluminiumslegering har en tendens til å være jevnt, og forbedrer motstanden mot intergranulær korrosjon og spenningskorrosjon; Tilsetning av La til høy-Mg aluminiumslegering kan forbedre legeringens anti-marin korrosjonsevne betydelig; Legge til 1,5%~2,5% Nd til aluminiumslegeringer kan forbedre høytemperaturytelsen, lufttettheten og korrosjonsbestandigheten til legeringene, som er mye brukt som romfartsmaterialer.
◆ ◆ Forberedelsesteknologi av sjeldne jordarters aluminiumslegering ◆ ◆
Sjeldne jordarter tilsettes for det meste i form av sporstoffer i aluminiumslegeringer og andre legeringer. Sjeldne jordarter har høy kjemisk aktivitet, høyt smeltepunkt, og er lett å oksidere og brenne ved høye temperaturer. Dette har forårsaket visse vanskeligheter ved fremstilling og påføring av sjeldne jordarter aluminiumslegeringer.I den langsiktige eksperimentelle forskningen fortsetter folk å utforske forberedelsesmetodene for sjeldne jordarter aluminiumslegeringer.For tiden er de viktigste produksjonsmetodene for fremstilling av sjeldne jordarter aluminiumslegeringer er blandemetode, smeltet saltelektrolysemetode og aluminotermisk reduksjonsmetode.
01 Blandemetode
Blandet smeltemetode er å tilsette sjeldne jordarter eller blandede sjeldne jordmetaller i høytemperatur-aluminiumvæske i forhold til å lage masterlegering eller brukslegering, og deretter smelte masterlegeringen og det gjenværende aluminiumet i henhold til den beregnede kvoten sammen, rør fullstendig og foredle .
02 Elektrolyse
Den smeltede saltelektrolysemetoden er å tilsette sjeldne jordartsmetalloksider eller sjeldne jordartsmetaller i den industrielle aluminiumelektrolysecellen og elektrolysere med aluminiumoksid for å produsere sjeldne jordartsmetaller. Elektrolysemetoden for smeltet salt har utviklet seg relativt raskt i Kina. Generelt er det to måter, nemlig flytende katodemetode og elektrolytisk eutektoidmetode. For tiden er det utviklet at sjeldne jordartsforbindelser kan tilsettes direkte til industrielle aluminiumelektrolyseceller, og sjeldne jordarters aluminiumslegeringer kan produseres ved elektrolyse av kloridsmelter ved eutektoid metode.
03 Aluminiumtermisk reduksjonsmetode
Fordi aluminium har en sterk reduksjonsevne, og aluminium kan danne en rekke intermetalliske forbindelser med sjeldne jordarter, kan aluminium brukes som et reduksjonsmiddel for å fremstille aluminiumlegeringer av sjeldne jordarter. De viktigste kjemiske reaksjonene er vist i følgende formel:
RE2O3+ 6Al→2REAl2+ Al2O3
Blant dem kan sjeldne jordarter oksid eller sjeldne jordarter rik slagg brukes som sjeldne jordarter råvarer; Reduksjonsmidlet kan være industriell rent aluminium eller silisium aluminium; Reduksjonstemperaturen er 1400 ℃ ~ 1600 ℃. I det tidlige stadiet ble det båret ut under forutsetning av eksistensen av varmemiddel og fluss, og høy reduksjonstemperatur ville forårsake mange problemer;I de siste årene har forskere utviklet en ny aluminotermisk reduksjonsmetode. Ved en lavere temperatur (780 ℃) fullføres den aluminotermiske reduksjonsreaksjonen i systemet med natriumfluorid og natriumklorid, noe som unngår problemene forårsaket av den opprinnelige høye temperaturen.
◆ ◆ Søknad fremgang av sjeldne jordarters aluminiumslegering ◆ ◆
01 Anvendelse av sjeldne jordartsmetaller i kraftindustrien
På grunn av fordelene med god ledningsevne, stor strømbærende kapasitet, høy styrke, slitestyrke, enkel prosessering og lang levetid, kan sjeldne jordarter aluminiumslegeringer brukes til å produsere kabler, luftoverføringslinjer, ledningskjerner, glidetråder og tynne ledninger for spesielle formål. Tilsetning av en liten mengde RE i Al Si-legeringssystemet kan forbedre ledningsevnen, noe som er fordi silisiumet i aluminiumslegeringen er et urenhetselement med høyt innhold, noe som har større innvirkning på de elektriske egenskapene. Tilsetning av en passende mengde sjeldne jordarter kan forbedre den eksisterende morfologien og distribusjonen av silisium i legeringen, noe som effektivt kan forbedre de elektriske egenskapene til aluminium; Tilsetning av en liten mengde yttrium eller yttriumrik blandet sjeldne jordarter i den varmebestandige aluminiumslegeringstråden kan ikke bare opprettholde god ytelse ved høy temperatur, men også forbedre ledningsevnen; Sjeldne jordarter kan forbedre strekkstyrken, varmebestandigheten og korrosjonsmotstanden til aluminiumslegeringssystemet. Kabler og ledere laget av sjeldne jordarters aluminiumslegering kan øke spennvidden til kabeltårnet og forlenge levetiden til kabler.
02Anvendelse av sjeldne jordarter aluminiumslegeringer i byggebransjen
6063 aluminiumslegering er den mest brukte i byggebransjen. Å legge til 0,15% ~ 0,25% sjeldne jordarter kan forbedre støpt struktur og prosessstruktur betydelig, og kan forbedre ekstruderingsytelsen, varmebehandlingseffekten, mekaniske egenskaper, korrosjonsmotstand, overflatebehandlingsytelse og fargetone. Det er funnet at sjeldne jordarter er hovedsakelig distribuert i 6063 aluminiumlegeringα-Al nøytraliserer fasegrensen, korngrensen og interdendrittisk, og de er oppløst i forbindelser eller eksisterer i form av forbindelser for å foredle dendritstrukturen og kornene, slik at størrelsen på det uoppløste eutektiske og størrelsen på fordypningen i fordypningsområdet blir betydelig mindre, fordelingen er jevn, og tettheten øker, slik at de ulike egenskapene av legeringen forbedres i varierende grad. For eksempel økes profilens styrke med mer enn 20%, forlengelsen økes med 50%, og korrosjonshastigheten reduseres med mer enn to ganger, tykkelsen på oksidfilmen øker med 5% ~ 8%, og fargeegenskapen øker med ca. 3%. Derfor er RE-6063 legeringsprofiler mye brukt.
03Påføring av sjeldne jordartsmetaller i daglige produkter
Å legge til spor av sjeldne jordarter til rene aluminium og Al Mg-seriens aluminiumslegeringer for daglig bruk aluminiumprodukter kan forbedre de mekaniske egenskapene, dyptrekkegenskapene og korrosjonsmotstanden betydelig. Daglige nødvendigheter som aluminiumsgryter, aluminiumspanner, aluminiumsplater, aluminiumsmatbokser, møbelstøtter i aluminium, sykler i aluminium og deler til husholdningsapparater laget av Al Mg RE-legering har mer enn det dobbelte korrosjonsbestandighet, 10%~15% vektreduksjon, 10%~20% utbyttesøkning, 10%~15% produksjonskostnadsreduksjon, og bedre ytelse for dyptrekking og dypbehandling sammenlignet med aluminiumslegeringsprodukter uten sjeldne jordarter. For tiden er den daglige nødvendigheter av sjeldne jordarter aluminiumslegering har blitt mye brukt, og produktene har økt betydelig, og selges godt i innenlandske og utenlandske markeder.
04 Anvendelse av sjeldne jordarter aluminiumslegering i andre aspekter
Å legge til noen få tusendeler av sjeldne jordarter i den mest brukte Al Si-serien støpelegering kan forbedre bearbeidingsytelsen til legeringen betydelig. Mange merker av produkter har blitt brukt i fly, skip, biler, dieselmotorer, motorsykler og pansrede kjøretøy (stempel, girkasse, sylinder, instrumentering og andre deler). I forskning og anvendelse er det funnet at Sc er det mest effektive elementet for å optimalisere strukturen og egenskapene til aluminiumslegeringer. Den har sterk dispersjonsforsterkning, kornforfiningsstyrking, løsningsforsterkende og mikrolegeringsforsterkende effekter på aluminium, og kan forbedre styrken, hardheten, plastisiteten, seigheten, korrosjonsbestandigheten, varmebestandigheten osv. til legeringer.Sc Al-seriens legeringer har blitt brukt i høyteknologiske industrier som romfart, skip, høyhastighetstog, lette kjøretøy, etc.C557Al Mg Zr Sc-serien scandium-aluminiumslegering utviklet av NASA har høy styrke og høy temperatur- og lavtemperaturstabilitet og har blitt brukt på flykropper og flystrukturdeler; 0146Al Cu Li Sc-legeringen utviklet av Russland har blitt brukt på den kryogene drivstofftanken til romfartøy.
Fra bind 33, utgave 1 av Rare Earth av Wang Hui, Yang An og Yun Qi
Innleggstid: Jul-05-2023