Aplicarea depământ rarîn turnarea aliajului de aluminiu a fost efectuată mai devreme în străinătate. Deși China a început cercetarea și aplicarea acestui aspect abia în anii 1960, s-a dezvoltat rapid. S-a depus multă muncă de la cercetarea mecanismelor până la aplicarea practică și s-au realizat unele realizări. Cu adăugarea de elemente de pământuri rare, proprietățile mecanice, proprietățile de turnare și proprietățile electrice ale aliajelor de aluminiu au fost mult îmbunătățite. În domeniul noile materiale, proprietățile optice, electrice și magnetice bogate ale elementelor pământurilor rare joacă, de asemenea, un rol important în fabricarea materialelor magnetice permanente din pământuri rare, materialelor care emit lumină, materialelor de stocare a hidrogenului din pământuri rare etc.
◆ ◆ Mecanismul de acțiune al pământurilor rare din aluminiu și aliaj de aluminiu ◆ ◆
Pământul rare are activitate chimică ridicată, potențial scăzut și aranjament special al stratului de electroni și poate interacționa cu aproape toate elementele. Pământurile rare utilizate în mod obișnuit în aluminiu și aliajele de aluminiu includ La (lantan), Ce (ceriu), Y (ytriu) și Sc (scandiu). Ele sunt adesea adăugate în lichidul de aluminiu cu modificatori, agenți de nucleare și agenți de degazare, care pot purifica topitura, îmbunătăți structura, rafina boabele etc.
01Purificarea pământurilor rare
Deoarece o cantitate mare de gaze și incluziuni de oxizi (în principal hidrogen, oxigen și azot) vor fi introduse în timpul topirii și turnării aliajului de aluminiu, în turnare vor apărea găuri, fisuri, incluziuni și alte defecte (vezi Figura 1a), reducând rezistența aliajului de aluminiu. Efectul de purificare a pământurilor rare se manifestă în principal prin reducerea evidentă a conținutului de hidrogen din aluminiul topit, reducerea rata orificiilor și porozitatea (a se vedea figura 1b) și reducerea incluziunilor și a elementelor dăunătoare. Motivul principal este că pământul rar are o mare afinitate cu hidrogenul, care poate absorbi și dizolva hidrogenul în cantități mari și poate forma compuși stabili fără a forma bule, reducând astfel în mod semnificativ conținutul de hidrogen și porozitatea aluminiului; Pământurile rare și azotul formează compuși refractari, care sunt îndepărtați în mare parte sub formă de zgură în proces de topire, astfel încât să se realizeze scopul de purificare a lichidului de aluminiu.
Practica a dovedit că pământurile rare au ca efect reducerea conținutului de hidrogen, oxigen și sulf din aluminiu și aliaje de aluminiu. Adăugarea a 0,1% ~ 0,3% RE în lichidul de aluminiu este utilă pentru a elimina mai bine impuritățile dăunătoare, pentru a rafina impuritățile sau pentru a le schimba morfologia, astfel încât să rafinați și să distribuiți uniform boabele; În plus, RE și impuritățile dăunătoare cu punct de topire scăzut formează compuși binari, cum ar fi RES, REA și REPb, care se caracterizează prin punct de topire ridicat, densitate scăzută și proprietăți chimice stabile și pot fi plutește pentru a forma zgură și îndepărtată, purificând astfel lichidul de aluminiu; particulele fine rămase devin nuclee eterogene de aluminiu pentru a rafina boabele.
Fig. 1 Morfologia SEM a aliajului 7075 fără RE și w (RE)=0,3%
o. RE nu se adaugă;b. Adăugați w (RE)=0,3%
02Metamorfismul pământurilor rare
Modificarea pământurilor rare se manifestă în principal prin rafinarea boabelor și a dendritelor, inhibând apariția fazei lamelare grosiere T2, eliminând faza masivă grosieră distribuită în cristalul primar și formând faza sferică, astfel încât compușii de fâșii și fragment de la limita granulelor sunt reduse semnificativ. (vezi Figura 2). În general, raza atomului de pământ rar este mai mare decât cea a atomului de aluminiu, iar proprietățile sale sunt relativ active. Topirea în lichid de aluminiu este foarte ușor de umplet defectele de suprafață ale fazei de aliaj, ceea ce reduce tensiunea superficială pe interfața dintre fazele noi și cele vechi și îmbunătățește rata de creștere a nucleului de cristal; În același timp, poate forma și o suprafață. film activ între boabe și lichidul topit pentru a preveni creșterea boabelor generate și pentru a rafina structura aliajului (vezi Figura 2b).
Fig. 2 Microstructura aliajelor cu adaos de RE diferit
o. Doza de RE este 0;b. Adăugarea de RE este de 0,3%;c. Adăugarea de RE este de 0,7%
După adăugarea elementelor de pământ rareαBoabele fazei (Al) au început să devină mai mici, ceea ce a jucat un rol în rafinarea boabelorα(Al) transformate într-un trandafir mic sau în formă de tijă, când conținutul de pământ rare este de 0,3%αDimensiunea boabelor de (Al) ) este cea mai mică și crește treptat odată cu creșterea în continuare a conținutului de pământuri rare. Experimentele au dovedit că există o anumită perioadă de incubație pentru metamorfismul pământurilor rare și numai atunci când este menținut la un nivel ridicat. temperatura pentru o anumită perioadă de timp, pământul rar va juca cel mai mare rol în metamorfism. În plus, numărul de nuclee de cristal ale compușilor formați din aluminiu și pământul rar crește foarte mult atunci când metalul se cristalizează, ceea ce face și structura aliajului rafinată. Cercetările arată că pământurile rare au un efect de modificare bun asupra aliajului de aluminiu.
03 Efectul de microaliere al pământurilor rare
Pământul rare există în principal în aluminiu și aliaje de aluminiu în trei forme: soluție solidă în matriceα(Al);Segregare la limita de fază, limita de granule și limita de dendrite;Soluție solidă în sau sub formă de compus. Efectele de întărire ale pământului rare în Aliajele de aluminiu includ în principal consolidarea de rafinare a granulelor, întărirea cu soluție finită și întărirea în a doua fază a compușilor cu pământuri rare.
Forma de existență a pământului rar în aluminiu și aliajul de aluminiu este strâns legată de cantitatea de adăugare a acestuia. În general, când conținutul de RE este mai mic de 0,1%, rolul RE este în principal consolidarea granulelor fine și consolidarea soluției finite; Când conținutul de RE este de 0,25% ~ 0,30%, RE și Al formează un număr mare de tije sferice sau scurte precum compușii intermetalici. , care sunt distribuite în granul sau granița granulelor și un număr mare de dislocații, structuri sferoidizate cu granule fine și compuși dispersați de pământuri rare apar, care va produce efecte de microaliere, cum ar fi întărirea în faza a doua.
◆ ◆ Efectul pământurilor rare asupra proprietăților aluminiului și aliajului de aluminiu ◆◆
01 Efectul pământurilor rare asupra proprietăților mecanice cuprinzătoare ale aliajului
Rezistența, duritatea, alungirea, tenacitatea la rupere, rezistența la uzură și alte proprietăți mecanice cuprinzătoare ale aliajului pot fi îmbunătățite prin adăugarea unei cantități adecvate de pământuri rare.bde la 205,9 MPa la 274 MPa și HB de la 80 la 108; Adăugarea de 0,42% Sc la 7005 aliajba crescut de la 314MPa la 414MPa,σ0,2a crescut de la 282 MPa la 378 MPa, plasticitatea a crescut de la 6,8% la 10,1%, iar stabilitatea la temperatură ridicată a fost îmbunătățită semnificativ; La și Ce pot îmbunătăți semnificativ superplasticitatea aliajului. Adăugarea a 0,14% ~ 0,64% La la aliajul Al-6Mg-0,5Mn crește superplasticitatea de la 430% la 800% ~ 1000%; Un studiu sistematic al aliajului Al Si arată că rezistența de curgere și rezistența finală la tracțiune a aliajului poate fi foarte mare. îmbunătățită prin adăugarea unei cantități adecvate de Sc.Fig. 3 prezintă aspectul SEM al fracturii de tracțiune a Al-Si7-Mg0,8aliaj, ceea ce indică faptul că este o fractură tipică de clivaj fragilă fără RE, în timp ce după ce se adaugă 0,3% RE, apare o structură evidentă a gropiței în fractură, ceea ce indică faptul că are tenacitate și ductilitate bune.
Fig. 3 Morfologia fracturii de tracțiune
o. Neafiliat RE;b. Adăugați 0,3% RE
02Efectul pământului rar asupra proprietăților la temperaturi ridicate ale aliajelor
Adăugând o anumită cantitate depământ rarîn aliaj de aluminiu poate îmbunătăți în mod eficient rezistența la oxidare la temperatură înaltă a aliajului de aluminiu. Adăugarea de 1% ~ 1,5% amestec de pământuri rare la aliajul eutectic Al Si turnat crește rezistența la temperatură ridicată cu 33%, rezistența la rupere la temperatură ridicată (300 ℃, 1000 de ore) cu 44%, iar rezistența la uzură și stabilitatea la temperaturi ridicate sunt îmbunătățite semnificativ; Adăugând La, Ce, Y și aliajele mischmetal pentru turnare Al Cu pot îmbunătăți proprietățile la temperatură înaltă ale aliajelor; Aliajul Al-8,4% Fe-3,4% Ce solidificat rapid poate funcționa mult timp sub 400 ℃, îmbunătățind considerabil temperatura de lucru a aliajului de aluminiu; Sc se adaugă la aliajul Al Mg Si pentru a forma Al3Particule Sc care nu sunt ușor de aspru la temperatură ridicată și coerează cu matricea pentru a fixa limita granulelor, astfel încât aliajul să mențină o structură nerecristalizată în timpul recoacerii și să îmbunătățească foarte mult proprietățile de temperatură ridicată ale aliajului.
03 Efectul pământului rar asupra proprietăților optice ale aliajelor
Adăugarea de pământuri rare în aliajul de aluminiu poate schimba structura peliculei sale de oxid de suprafață, făcând suprafața mai strălucitoare și mai frumoasă. Când se adaugă 0,12% ~ 0,25% RE la aliajul de aluminiu, reflectivitatea profilului 6063 oxidat și colorat este de până la 92%; Când se adaugă 0,1% ~ 0,3% RE la aliajul de aluminiu turnat Al Mg, aliajul poate obține cel mai bun finisaj de suprafață și durabilitate a luciului.
04 Efectul pământurilor rare asupra proprietăților electrice ale aliajelor
Adăugarea de RE la aluminiu de înaltă puritate este dăunătoare conductivității aliajului, dar conductivitatea poate fi îmbunătățită într-o anumită măsură prin adăugarea de RE adecvată la aliajele conductoare industriale de aluminiu pur și Al Mg Si. Rezultatele experimentale arată că conductivitatea aluminiului poate fi îmbunătățit cu 2% ~ 3% prin adăugarea a 0,2% RE. Adăugarea unei cantități mici de pământ rar bogat în ytriu în aliajul de Al Zr poate îmbunătăți conductivitatea aliaj, care a fost adoptat de majoritatea fabricilor interne de sârmă; Adăugați urme de pământ rar la aluminiu de înaltă puritate pentru a face condensatorul din folie Al RE. Când este utilizat în produse de 25 kV, indicele de capacitate este dublat, capacitatea pe unitate de volum este crescută de 5 ori, greutatea este redusă cu 47% și volumul condensatorului este redus semnificativ.
05Efectul pământurilor rare asupra rezistenței la coroziune a aliajului
În unele medii de serviciu, în special în prezența ionilor de clorură, aliajele sunt vulnerabile la coroziune, coroziune în fisuri, coroziune sub tensiune și oboseală la coroziune. Pentru a îmbunătăți rezistența la coroziune a aliajelor de aluminiu, au fost efectuate multe studii. S-a constatat că adăugarea unei cantități adecvate de pământuri rare la aliajele de aluminiu le poate îmbunătăți în mod eficient rezistența la coroziune. Probele obținute prin adăugarea de cantități diferite de pământuri rare amestecate (0,1% ~ 0,5%) la aluminiu au fost înmuiate în saramură și apă de mare artificială timp de trei consecutive. ani. Rezultatele arată că adăugarea unei cantități mici de pământuri rare la aluminiu poate îmbunătăți rezistența la coroziune a aluminiului, iar rezistența la coroziune în saramură și apa de mare artificială este cu 24% și, respectiv, 32% mai mare decât cea a aluminiului; Folosind metoda vaporilor chimici și adăugarea penetrant multicomponent de pământuri rare (La, Ce etc.), pe suprafața aliajului 2024 se poate forma un strat de film de conversie de pământuri rare, făcând suprafața Potențialul electrod al aliajului de aluminiu tinde să fie uniform și îmbunătățirea rezistenței la coroziune intergranulară și coroziune prin stres; Adăugarea de La la aliajul de aluminiu cu Mg ridicat poate îmbunătăți semnificativ capacitatea anti-coroziune marina a aliajului; Adăugarea de 1,5% ~ 2,5% Nd la aliajele de aluminiu poate îmbunătăți performanța la temperatură ridicată, etanșeitatea la aer și rezistența la coroziune a aliajelor, care sunt utilizate pe scară largă ca materiale aerospațiale.
◆ ◆ Tehnologia de preparare a aliajului de aluminiu cu pământuri rare ◆ ◆
Pământul rare este adăugat în mare parte sub formă de oligoelemente în aliaje de aluminiu și alte aliaje. Pământul rar are activitate chimică ridicată, punct de topire ridicat și este ușor de oxidat și ars la temperaturi ridicate. Acest lucru a cauzat anumite dificultăți în pregătirea și aplicarea aliajelor de aluminiu cu pământuri rare. În cercetările experimentale pe termen lung, oamenii continuă să exploreze metodele de preparare a aliajelor de aluminiu cu pământuri rare. În prezent, principalele metode de producție pentru prepararea aliajelor de aluminiu cu pământuri rare. sunt metoda de amestecare, metoda de electroliză cu sare topită și metoda de reducere aluminotermă.
01 Metoda de amestecare
Metoda de topire mixtă este de a adăuga pământuri rare sau metale de pământuri rare amestecate în lichid de aluminiu la temperatură înaltă proporțional pentru a face aliajul principal sau aliajul de aplicare, apoi topiți aliajul principal și aluminiul rămas în conformitate cu alocația calculată împreună, amestecați complet și rafinați. .
02 Electroliză
Metoda de electroliză a sării topite este de a adăuga oxid de pământuri rare sau sare de pământuri rare în celula electrolitică industrială din aluminiu și electroliza cu oxid de aluminiu pentru a produce aliaj de aluminiu de pământuri rare. Metoda de electroliză a sării topite s-a dezvoltat relativ rapid în China. În general, există două moduri, și anume, metoda cu catod lichid și metoda eutectoid electrolitic. În prezent, s-a dezvoltat că compușii cu pământuri rare pot fi adăugați direct la celulele electrolitice industriale din aluminiu, iar aliajele de aluminiu cu pământuri rare pot fi produse prin electroliza topiturii de clorură prin metoda eutectoidă.
03 Metoda de reducere aluminotermă
Deoarece aluminiul are o capacitate puternică de reducere, iar aluminiul poate forma o varietate de compuși intermetalici cu pământuri rare, aluminiul poate fi utilizat ca agent reducător pentru a prepara aliaje de aluminiu cu pământuri rare. Principalele reacții chimice sunt prezentate în următoarea formulă:
RE2O3+ 6Al→2REAl2+ Al2O3
Printre acestea, oxidul de pământuri rare sau zgura bogată în pământuri rare pot fi utilizate ca materii prime cu pământuri rare; Agentul de reducere poate fi aluminiu pur industrial sau aluminiu siliciu; Temperatura de reducere este de 1400 ℃ ~ 1600 ℃. În stadiul incipient, a fost efectuat. sub condiția existenței agentului de încălzire și a fluxului, iar temperatura de reducere ridicată ar cauza multe probleme; În ultimii ani, cercetătorii au dezvoltat un nou aluminotermic metoda de reducere. La o temperatură mai scăzută (780 ℃), reacția de reducere aluminotermă este finalizată în sistemul de fluorură de sodiu și clorură de sodiu, ceea ce evită problemele cauzate de temperatura ridicată inițială.
◆ ◆ Progresul aplicării aliajului de aluminiu cu pământuri rare ◆ ◆
01 Aplicarea aliajului de aluminiu cu pământuri rare în industria energetică
Datorită avantajelor unei bune conductivitati, capacității mari de transport de curent, rezistență ridicată, rezistență la uzură, prelucrare ușoară și durată lungă de viață, aliajul de aluminiu cu pământuri rare poate fi utilizat pentru fabricarea cablurilor, liniilor aeriene de transmisie, miezurilor de sârmă, fire de glisare și fire subțiri pt. scopuri speciale. Adăugarea unei cantități mici de RE în sistemul de aliaje Al Si poate îmbunătăți conductivitatea, ceea ce se datorează faptului că siliciul din aliajul de aluminiu este un element de impurități cu un conținut ridicat, care are un impact mai mare asupra proprietăților electrice. Adăugarea unei cantități adecvate de pământuri rare poate îmbunătăți morfologia și distribuția existentă a siliciului în aliaj, ceea ce poate îmbunătăți în mod eficient proprietățile electrice ale aluminiului; Adăugarea unei cantități mici de pământuri rare amestecate bogate în ytriu sau itriu în firul din aliaj de aluminiu rezistent la căldură. nu numai că poate menține o performanță bună la temperatură ridicată, ci și să îmbunătățească conductivitatea; Pământul rare poate îmbunătăți rezistența la tracțiune, rezistența la căldură și rezistența la coroziune a sistemului de aliaj de aluminiu. Cablurile și conductorii din aliaj de aluminiu cu pământuri rare pot crește durata turnului de cabluri și pot prelungi durata de viață a cablurilor.
02Aplicarea aliajului de aluminiu cu pământuri rare în industria construcțiilor
Aliajul de aluminiu 6063 este cel mai utilizat în industria construcțiilor. Adăugarea de 0,15% ~ 0,25% pământ rar poate îmbunătăți semnificativ structura turnată și structura de procesare și poate îmbunătăți performanța de extrudare, efectul tratamentului termic, proprietățile mecanice, rezistența la coroziune, performanța la tratarea suprafeței și tonul de culoare. Se constată că pământul rare este distribuite în principal în aliajul de aluminiu 6063α-Al neutralizează limita de fază, limita granulelor și interdendritice și sunt dizolvate în compuși sau există în forma de compuși pentru a rafina structura și boabele dendritei, astfel încât dimensiunea eutecticului nedizolvat și dimensiunea gropiței din zona gropiței devin semnificativ mai mici, distribuția este uniformă, iar densitatea crește, astfel încât diferitele proprietăți ale aliajul sunt îmbunătățite în diferite grade. De exemplu, rezistența profilului este crescută cu mai mult de 20%, alungirea este crescută cu 50% și rata de coroziune este redusă de mai mult de două ori, grosimea peliculei de oxid crește cu 5% ~ 8% și proprietatea de colorare crește cu aproximativ 3%. Prin urmare, profilele de construcție din aliaj RE-6063 sunt utilizate pe scară largă.
03Aplicarea aliajului de aluminiu cu pământuri rare în produsele de zi cu zi
Adăugarea de urme de pământ rar la aluminiu pur și aliaje de aluminiu din seria Al Mg pentru produsele din aluminiu de uz zilnic poate îmbunătăți în mod semnificativ proprietățile mecanice, proprietățile de ambutisare adâncă și rezistența la coroziune. Suporturile de mobilier din aluminiu, bicicletele din aluminiu și piesele de electrocasnice din aliaj Al Mg RE au mai mult de două ori mai mult decât rezistență la coroziune, 10% ~ 15% reducere a greutății, 10% ~ 20% creștere a randamentului, 10% ~ 15% reducere a costurilor de producție și o performanță mai bună de ambutisare și procesare profundă în comparație cu produsele din aliaj de aluminiu fără pământuri rare. În prezent, zilnic necesitățile aliajului de aluminiu cu pământuri rare au fost utilizate pe scară largă, iar produsele au crescut semnificativ și sunt vândute bine pe piețele interne și externe.
04 Aplicarea aliajului de aluminiu cu pământuri rare în alte aspecte
Adăugarea de câteva miimi de pământ rar în cel mai utilizat aliaj de turnare din seria Al Si poate îmbunătăți semnificativ performanța de prelucrare a aliajului. Multe mărci de produse au fost utilizate în avioane, nave, automobile, motoare diesel, motociclete și vehicule blindate (piston, cutie de viteze, cilindru, instrumente și alte piese). În cercetare și aplicare, se constată că Sc este cel mai eficient element pentru optimizarea structurii și proprietăților aliajelor de aluminiu. Are efecte puternice de consolidare a dispersiei, consolidare a rafinamentului cerealelor, întărire a soluției și efecte de întărire a microaliajului asupra aluminiului și poate îmbunătăți rezistența, duritatea, plasticitatea, tenacitatea, rezistența la coroziune, rezistența la căldură etc. ale aliajelor. Aliajele din seria Sc Al au fost utilizate în industrii de înaltă tehnologie, cum ar fi aerospațiale, nave, trenuri de mare viteză, vehicule ușoare etc.C557Al Mg Zr Sc series Aliajul de aluminiu cu scandiu dezvoltat de NASA are rezistență ridicată și stabilitate la temperatură ridicată și la temperatură scăzută și a fost aplicat pe fuselajul aeronavei și pe piesele structurale ale aeronavei; Aliajul 0146Al Cu Li Sc dezvoltat de Rusia a fost aplicat rezervorului de combustibil criogenic al navelor spațiale.
Din volumul 33, numărul 1 din Rare Earth de Wang Hui, Yang An și Yun Qi
Ora postării: Iul-05-2023