A aplicação deterra rarana fundição de liga de alumínio foi realizada anteriormente no exterior. Embora a China tenha iniciado a investigação e aplicação deste aspecto apenas na década de 1960, desenvolveu-se rapidamente. Muito trabalho foi feito desde a pesquisa de mecanismos até a aplicação prática, e algumas conquistas foram feitas. Com a adição de elementos de terras raras, as propriedades mecânicas, propriedades de fundição e propriedades elétricas das ligas de alumínio foram bastante melhoradas. novos materiais, as ricas propriedades ópticas, elétricas e magnéticas dos elementos de terras raras também desempenham um papel importante na produção de materiais magnéticos permanentes de terras raras, materiais emissores de luz de terras raras, materiais de armazenamento de hidrogênio de terras raras, etc.
◆ ◆ Mecanismo de ação de terras raras em alumínio e liga de alumínio ◆ ◆
As terras raras têm alta atividade química, baixo potencial e arranjo especial da camada de elétrons, e podem interagir com quase todos os elementos. As terras raras comumente usadas em alumínio e ligas de alumínio incluem La (lantânio), Ce (cério), S (ítrio) e Sc (escândio). Eles são frequentemente adicionados ao líquido de alumínio com modificadores, agentes de nucleação e agentes de desgaseificação, que podem purificar o fundido, melhorar a estrutura, refinar o grão, etc.
01Purificação de terras raras
Como uma grande quantidade de inclusões de gás e óxido (principalmente hidrogênio, oxigênio e nitrogênio) será trazida durante a fusão e fundição da liga de alumínio, furos, rachaduras, inclusões e outros defeitos ocorrerão na fundição (ver Figura 1a), reduzindo a resistência da liga de alumínio. O efeito de purificação das terras raras se manifesta principalmente na redução óbvia do teor de hidrogênio no alumínio fundido, na redução da taxa de furos e na porosidade (ver Figura 1b) e na redução de inclusões e elementos nocivos. A razão é que as terras raras têm uma grande afinidade com o hidrogênio, que pode absorver e dissolver o hidrogênio em grandes quantidades e formar compostos estáveis sem formar bolhas, reduzindo significativamente o teor de hidrogênio e a porosidade do alumínio; terras raras e nitrogênio formam compostos refratários, que são principalmente removido na forma de escória no processo de fundição, de modo a atingir o objetivo de purificar o líquido de alumínio.
A prática provou que as terras raras têm o efeito de reduzir o teor de hidrogênio, oxigênio e enxofre no alumínio e nas ligas de alumínio. Adicionar 0,1% ~ 0,3% RE em alumínio líquido é útil para remover melhor impurezas prejudiciais, refinar impurezas ou alterar sua morfologia, de modo a refinar e distribuir uniformemente os grãos; Além disso, RE e impurezas prejudiciais com baixo ponto de fusão formam compostos binários, como RES, REAs e REPb, que são caracterizados por alto ponto de fusão, baixa densidade e propriedades químicas estáveis, e podem ser flutuados para formar escória e removidos, purificando assim o líquido de alumínio; núcleos heterogêneos de alumínio para refinar grãos.
Fig. 1 Morfologia SEM da liga 7075 sem RE e w (RE) = 0,3%
um. RE não é adicionado;b. Adicione w (RE) = 0,3%
02Metamorfismo de terras raras
A modificação de terras raras se manifesta principalmente no refino de grãos e dendritos, inibindo o aparecimento da fase T2 lamelar grosseira, eliminando a fase maciça grosseira distribuída no cristal primário e formando a fase esférica, de modo que os compostos de tira e fragmento no limite do grão são significativamente reduzidos (ver Figura 2).Geralmente, o raio do átomo de terras raras é maior que o do átomo de alumínio e suas propriedades são relativamente ativas. A fusão em alumínio líquido é muito fácil de preencher os defeitos superficiais da fase da liga, o que reduz a tensão superficial na interface entre as fases novas e antigas e melhora a taxa de crescimento do núcleo do cristal; película ativa entre os grãos e o líquido fundido para evitar o crescimento dos grãos gerados e refinar a estrutura da liga (ver Figura 2b).
Fig. 2 Microestrutura de Ligas com Diferentes Adições de RE
um. A dosagem de RE é 0;b. A adição de RE é de 0,3%;c. A adição de RE é de 0,7%
Após a adição de elementos de terras rarasαOs grãos da fase (Al) começaram a ficar menores, o que desempenhou um papel no refino dos grãosα(Al) transformados em uma pequena rosa ou bastão, quando o conteúdo de terras raras é de 0,3%αO tamanho do grão de (Al ) a fase é a menor e aumenta gradualmente com o aumento adicional do conteúdo de terras raras. Experimentos provaram que existe um certo período de incubação para o metamorfismo de terras raras, e somente quando ele é mantido em alta temperatura por um determinado período de tempo, terras raras desempenharão o maior papel no metamorfismo. Além disso, o número de núcleos cristalinos dos compostos formados por alumínio e terras raras aumenta muito quando o metal cristaliza, o que também torna a estrutura da liga refinada. efeito de modificação na liga de alumínio.
03 Efeito microligante de terras raras
As terras raras existem principalmente em alumínio e ligas de alumínio em três formas: solução sólida na matrizα(Al);Segregação no limite de fase, limite de grão e limite dendrito;Solução sólida em ou na forma de composto.Os efeitos de fortalecimento das terras raras em as ligas de alumínio incluem principalmente o reforço de refinamento de grãos, o reforço de soluções finitas e o reforço de segunda fase de compostos de terras raras.
A forma de existência de terras raras em alumínio e ligas de alumínio está intimamente relacionada à sua quantidade de adição. Geralmente, quando o conteúdo de RE é inferior a 0,1%, o papel do RE é principalmente o fortalecimento de grãos finos e o fortalecimento de soluções finitas; Quando o conteúdo de RE é de 0,25% ~ 0,30%, RE e Al formam um grande número de compostos intermetálicos esféricos ou curtos , que são distribuídos no grão ou limite do grão, e aparece um grande número de discordâncias, estruturas esferoidizadas de grãos finos e compostos de terras raras dispersos, que produzirão efeitos de microligas, como o fortalecimento da segunda fase.
◆ ◆ Efeito das terras raras nas propriedades do alumínio e ligas de alumínio ◆◆
01 Efeito das terras raras nas propriedades mecânicas abrangentes da liga
A resistência, dureza, alongamento, tenacidade à fratura, resistência ao desgaste e outras propriedades mecânicas abrangentes da liga podem ser melhoradas com a adição de uma quantidade apropriada de terras raras. 0,3% RE é adicionado à liga de alumínio fundido da série ZL10σbde 205,9 MPa a 274 MPa e HB de 80 a 108;Adição de 0,42% Sc à liga 7005σbaumentou de 314MPa para 414MPa,σ0,2aumentou de 282MPa para 378MPa, a plasticidade aumentou de 6,8% para 10,1% e a estabilidade em altas temperaturas foi significativamente melhorada; La e Ce podem melhorar significativamente a superplasticidade da liga. Adicionar 0,14% ~ 0,64% La à liga Al-6Mg-0,5Mn aumenta a superplasticidade de 430% para 800% ~ 1000%; Um estudo sistemático da liga Al Si mostra que a resistência ao escoamento e a resistência à tração final da liga podem ser muito melhorado pela adição de uma quantidade apropriada de Sc.Fig. 3 mostra a aparência SEM da fratura por tração de Al-Si7-Mg0,8liga, o que indica que é uma fratura típica de clivagem frágil sem RE, enquanto após a adição de 0,3% de RE, aparece uma estrutura ondulada óbvia na fratura, o que indica que ela tem boa tenacidade e ductilidade.
Fig. 3 Morfologia da Fratura por Tração
um. Não aderiu ao RE;b. Adicionar 0,3% RE
02Efeito das terras raras nas propriedades de ligas de alta temperatura
Adicionando uma certa quantidade deterra raraem liga de alumínio pode efetivamente melhorar a resistência à oxidação em alta temperatura da liga de alumínio. Adicionar 1% ~ 1,5% de terras raras mistas à liga eutética Al Si fundida aumenta a resistência a altas temperaturas em 33%, a resistência à ruptura em altas temperaturas (300 ℃, 1000 horas) em 44%, e a resistência ao desgaste e a estabilidade em altas temperaturas são significativamente melhoradas; Adicionar La, Ce, Y e mischmetal para fundir ligas de Al Cu pode melhorar as propriedades de alta temperatura de as ligas;A liga Al-8,4% Fe-3,4% Ce rapidamente solidificada pode funcionar por um longo tempo abaixo de 400 ℃, melhorando muito a temperatura de trabalho da liga de alumínio;Sc é adicionado à liga Al Mg Si para formar Al3Partículas Sc que não são fáceis de engrossar em alta temperatura e aderem à matriz para fixar o limite do grão, de modo que a liga mantém uma estrutura não cristalizada durante o recozimento e melhora muito as propriedades de alta temperatura da liga.
03 Efeito das terras raras nas propriedades ópticas das ligas
Adicionar terras raras à liga de alumínio pode alterar a estrutura de seu filme de óxido de superfície, tornando a superfície mais brilhante e bonita. Quando 0,12% ~ 0,25% RE é adicionado à liga de alumínio, a refletividade do perfil 6063 oxidado e colorido é de até 92%;Quando 0,1% ~ 0,3% RE é adicionado à liga de alumínio fundido Al Mg, a liga pode obter o melhor acabamento superficial e durabilidade de brilho.
04 Efeito das terras raras nas propriedades elétricas das ligas
Adicionar RE ao alumínio de alta pureza é prejudicial à condutividade da liga, mas a condutividade pode ser melhorada até certo ponto adicionando RE apropriado ao alumínio puro industrial e ligas condutoras de Al Mg Si. pode ser melhorado em 2% ~ 3% adicionando 0,2% RE. Adicionar uma pequena quantidade de terras raras ricas em ítrio à liga Al Zr pode melhorar a condutividade da liga, que foi adotada pela maioria das fábricas de fios domésticos; terras raras em alumínio de alta pureza para fazer capacitor de folha Al RE. Quando usado em produtos de 25kV, o índice de capacitância é duplicado, a capacidade por unidade de volume é aumentada em 5 vezes, o peso é reduzido em 47% e o volume do capacitor é significativamente reduzido.
05Efeito das terras raras na resistência à corrosão da liga
Em alguns ambientes de serviço, especialmente na presença de íons cloreto, as ligas são vulneráveis à corrosão, corrosão em frestas, corrosão sob tensão e fadiga por corrosão. Muitos estudos foram realizados para melhorar a resistência à corrosão das ligas de alumínio. Verifica-se que a adição de uma quantidade adequada de terras raras às ligas de alumínio pode efetivamente melhorar sua resistência à corrosão. As amostras feitas pela adição de diferentes quantidades de terras raras misturadas (0,1% ~ 0,5%) ao alumínio foram embebidas em salmoura e água do mar artificial por três dias consecutivos. anos. Os resultados mostram que a adição de uma pequena quantidade de terras raras ao alumínio pode melhorar a resistência à corrosão do alumínio, e a resistência à corrosão em salmoura e água do mar artificial é 24% e 32% maior que a do alumínio, respectivamente;Usando o método de vapor químico e adicionando penetrante multicomponente de terras raras (La, Ce, etc.), uma camada de filme de conversão de terras raras pode ser formada na superfície da liga 2024, fazendo com que o potencial do eletrodo de superfície da liga de alumínio tenda a ser uniforme e melhorando a resistência a intergranular corrosão e corrosão sob tensão; Adicionar La à liga de alumínio com alto teor de Mg pode melhorar significativamente a capacidade anti-corrosão marinha da liga; Adicionar 1,5% ~ 2,5% Nd às ligas de alumínio pode melhorar o desempenho em alta temperatura, a estanqueidade ao ar e a resistência à corrosão das ligas , que são amplamente utilizados como materiais aeroespaciais.
◆ ◆ Tecnologia de preparação de liga de alumínio de terras raras ◆ ◆
As terras raras são adicionadas principalmente na forma de oligoelementos em ligas de alumínio e outras ligas. A terra rara possui alta atividade química, alto ponto de fusão e é fácil de ser oxidada e queimada em altas temperaturas. Isso causou certas dificuldades na preparação e aplicação de ligas de alumínio de terras raras.Na pesquisa experimental de longo prazo, as pessoas continuam a explorar os métodos de preparação de ligas de alumínio de terras raras.Atualmente, os principais métodos de produção para a preparação de ligas de alumínio de terras raras são método de mistura, método de eletrólise de sal fundido e método de redução aluminotérmica.
01 Método de mistura
O método de fusão mista consiste em adicionar terras raras ou metais de terras raras misturados ao líquido de alumínio de alta temperatura em proporção para fazer a liga mestre ou liga de aplicação e, em seguida, derreter a liga mestre e o alumínio restante de acordo com a tolerância calculada juntos, agitar totalmente e refinar .
02 Eletrólise
O método de eletrólise de sal fundido consiste em adicionar óxido de terras raras ou sal de terras raras à célula eletrolítica de alumínio industrial e eletrólise com óxido de alumínio para produzir liga de alumínio de terras raras. O método de eletrólise de sal fundido se desenvolveu relativamente rápido na China. Geralmente, existem duas maneiras, a saber, método de cátodo líquido e método eutetóide eletrolítico. Atualmente, foi desenvolvido que compostos de terras raras podem ser adicionados diretamente às células eletrolíticas de alumínio industrial, e ligas de alumínio de terras raras podem ser produzidas por eletrólise de cloretos fundidos pelo método eutetóide.
03 Método de redução aluminotérmica
Como o alumínio tem uma forte capacidade de redução e pode formar uma variedade de compostos intermetálicos com terras raras, o alumínio pode ser usado como agente redutor para preparar ligas de alumínio de terras raras.As principais reações químicas são mostradas na seguinte fórmula:
RE2O3+6Al→2REAl2+Al2O3
Entre eles, óxido de terras raras ou escória rica em terras raras podem ser usados como matérias-primas de terras raras; O agente redutor pode ser alumínio puro industrial ou alumínio silício; sob a condição de existência de agente de aquecimento e fluxo, e alta temperatura de redução causaria muitos problemas; Nos últimos anos, os pesquisadores desenvolveram um novo método de redução aluminotérmica. A uma temperatura mais baixa (780 ℃), a reação de redução aluminotérmica é completada no sistema de fluoreto de sódio e cloreto de sódio, o que evita os problemas causados pela alta temperatura original.
◆ ◆ Progresso da aplicação de liga de alumínio de terras raras ◆ ◆
01 Aplicação de liga de alumínio de terras raras na indústria de energia
Devido às vantagens de boa condutividade, grande capacidade de transporte de corrente, alta resistência, resistência ao desgaste, fácil processamento e longa vida útil, a liga de alumínio de terras raras pode ser usada para fabricar cabos, linhas de transmissão aéreas, núcleos de fios, fios deslizantes e fios finos para fins especiais.Adicionar uma pequena quantidade de RE no sistema de liga de Al Si pode melhorar a condutividade, porque o silício na liga de alumínio é um elemento de impureza com alto teor, que tem maior impacto nas propriedades elétricas. Adicionar uma quantidade apropriada de terras raras pode melhorar a morfologia existente e a distribuição de silício na liga, o que pode efetivamente melhorar as propriedades elétricas do alumínio; adicionar uma pequena quantidade de ítrio ou terras raras misturadas ricas em ítrio no fio de liga de alumínio resistente ao calor pode não apenas manter um bom desempenho em alta temperatura, mas também melhorar a condutividade; terras raras podem melhorar a resistência à tração, resistência ao calor e resistência à corrosão do sistema de liga de alumínio. Cabos e condutores feitos de liga de alumínio de terras raras podem aumentar a extensão da torre de cabos e prolongar a vida útil dos cabos.
02Aplicação de liga de alumínio de terras raras na indústria da construção
A liga de alumínio 6063 é a mais utilizada na indústria da construção. Adicionar 0,15% ~ 0,25% de terras raras pode melhorar significativamente a estrutura fundida e a estrutura de processamento, e pode melhorar o desempenho de extrusão, efeito de tratamento térmico, propriedades mecânicas, resistência à corrosão, desempenho de tratamento de superfície e tom de cor. distribuído principalmente na liga de alumínio 6063 α-Al neutraliza o limite de fase, limite de grão e interdendrítico, e são dissolvidos em compostos ou existem na forma de compostos para refinar a estrutura dendrítica e os grãos, de modo que o tamanho do eutético não dissolvido e o tamanho da covinha na área da covinha tornam-se significativamente menores, a distribuição é uniforme e a densidade aumenta, de modo que as várias propriedades da liga são melhoradas em vários graus. Por exemplo, a resistência do perfil é aumentada em mais de 20%, o alongamento é aumentado em 50% e a taxa de corrosão é reduzida em mais de duas vezes. A espessura do filme de óxido aumenta em 5% ~ 8%, e a propriedade de coloração aumenta em cerca de 3%. Portanto, os perfis de construção em liga RE-6063 são amplamente utilizados.
03Aplicação de liga de alumínio de terras raras em produtos diários
Adicionar traços de terras raras ao alumínio puro e ligas de alumínio da série Al Mg para produtos de alumínio de uso diário pode melhorar significativamente as propriedades mecânicas, propriedade de estampagem profunda e resistência à corrosão. suportes de móveis de alumínio, bicicletas de alumínio e peças de eletrodomésticos feitas de liga Al Mg RE têm mais que o dobro da resistência à corrosão, redução de peso de 10% a 15%, aumento de rendimento de 10% a 20%, custo de produção de 10% a 15% redução e melhor desempenho de estampagem profunda e processamento profundo em comparação com produtos de liga de alumínio sem terras raras. Atualmente, as necessidades diárias de liga de alumínio de terras raras têm sido amplamente utilizadas e os produtos aumentaram significativamente e são vendidos bem no mercado interno e mercados estrangeiros.
04 Aplicação de liga de alumínio de terras raras em outros aspectos
Adicionar alguns milésimos de terras raras na liga de fundição da série Al Si mais amplamente utilizada pode melhorar significativamente o desempenho de usinagem da liga. Muitas marcas de produtos têm sido utilizadas em aeronaves, navios, automóveis, motores diesel, motocicletas e veículos blindados (pistão, caixa de câmbio, cilindro, instrumentação e outras peças). Em pesquisa e aplicação, verifica-se que Sc é o elemento mais eficaz para otimizar a estrutura e as propriedades das ligas de alumínio. Possui forte fortalecimento de dispersão, fortalecimento de refinamento de grãos, fortalecimento de solução e efeitos de fortalecimento de microligas no alumínio, e pode melhorar a resistência, dureza, plasticidade, tenacidade, resistência à corrosão, resistência ao calor, etc. indústrias de alta tecnologia, como aeroespacial, navios, trens de alta velocidade, veículos leves, etc. A liga de alumínio escândio da série C557Al Mg Zr Sc desenvolvida pela NASA tem alta resistência e estabilidade em altas temperaturas e baixas temperaturas e foi aplicada em aeronaves peças estruturais de fuselagem e aeronaves; A liga 0146Al Cu Li Sc desenvolvida pela Rússia foi aplicada ao tanque de combustível criogênico de naves espaciais.
Do Volume 33, Edição 1 de Rare Earth por Wang Hui, Yang An e Yun Qi
Horário da postagem: 05/07/2023