Tillämpningen avsällsynta jordartsmetalleri gjutning av aluminiumlegering utfördes tidigare utomlands. Även om Kina startade forskning och tillämpning av denna aspekt först på 1960-talet, har den utvecklats snabbt. Mycket arbete har gjorts från mekanismforskning till praktisk tillämpning, och vissa landvinningar har gjorts.Med tillägg av sällsynta jordartsmetaller har de mekaniska egenskaperna, gjutningsegenskaperna och elektriska egenskaperna hos aluminiumlegeringar förbättrats avsevärt.Inom området för nya material, de rika optiska, elektriska och magnetiska egenskaperna hos sällsynta jordartsmetaller spelar också en viktig roll för att göra sällsynta jordartsmetaller permanentmagnetiska material, sällsynta jordartsmetaller ljusemitterande material, sällsynta jordartsmetaller vätelagringsmaterial, etc.
◆ ◆ Verkningsmekanism för sällsynta jordartsmetaller i aluminium och aluminiumlegering ◆ ◆
Sällsynta jordartsmetaller har hög kemisk aktivitet, låg potential och speciellt elektronskiktarrangemang och kan interagera med nästan alla grundämnen. Sällsynta jordartsmetaller som vanligtvis används i aluminium och aluminiumlegeringar inkluderar La (lantan), Ce (cerium), Y (yttrium) och Sc (skandium). De tillsätts ofta i aluminiumvätska med modifieringsmedel, kärnbildningsmedel och avgasningsmedel, som kan rena smältan, förbättra strukturen, förädla spannmålen, etc.
01Rening av sällsynta jordartsmetaller
Eftersom en stor mängd gas- och oxidinneslutningar (främst väte, syre och kväve) kommer in under smältning och gjutning av aluminiumlegering, kommer nålhål, sprickor, inneslutningar och andra defekter att uppstå i gjutningen (se figur 1a), vilket minskar styrkan hos aluminiumlegering. Reningseffekten av sällsynta jordartsmetaller manifesteras huvudsakligen i den uppenbara minskningen av vätehalten i smält aluminium, minskningen av pinhole hastighet och porositet (se figur 1b), och minskningen av inneslutningar och skadliga grundämnen. Huvudorsaken är att sällsynta jordartsmetaller har stor affinitet med väte, som kan absorbera och lösa upp väte i stora mängder och bilda stabila föreningar utan att bilda bubblor, alltså avsevärt minska vätehalten och porositeten i aluminium; Sällsynta jordartsmetaller och kväve bildar eldfasta föreningar, som mestadels avlägsnas i form av slagg vid smältningen process, för att uppnå syftet med att rena aluminiumvätska.
Praxis har visat att sällsynta jordartsmetaller har effekten att minska innehållet av väte, syre och svavel i aluminium och aluminiumlegeringar. Att tillsätta 0,1%~0,3% RE i aluminiumvätska är till hjälp för att bättre ta bort skadliga föroreningar, förfina föroreningar eller ändra deras morfologi, för att förfina och jämnt fördela korn; Dessutom bildar RE och skadliga föroreningar med låg smältpunkt binära föreningar som t.ex. RES, REAs och REPb, som kännetecknas av hög smältpunkt, låg densitet och stabila kemiska egenskaper, och kan flyta upp för att bilda slagg och avlägsnas och på så sätt rena aluminiumvätska;De återstående fina partiklarna blir heterogena kärnor av aluminium för att förädla korn.
Fig. 1 SEM-morfologi för 7075-legering utan RE och w (RE)=0,3 %
a. RE läggs inte till;b. Lägg till w (RE)=0,3 %
02Metamorfos av sällsynta jordartsmetaller
Modifiering av sällsynta jordartsmetaller manifesteras huvudsakligen i raffinering av korn och dendriter, hämmar uppkomsten av grov lamellär T2-fas, eliminerar den grova massiva fasen fördelad i den primära kristallen och bildar sfärisk fas, så att remsan och fragmentföreningarna vid korngränsen reduceras avsevärt. (se figur 2). Generellt sett är radien för sällsynta jordartsmetaller större än för aluminiumatomen, och dess fastigheter är relativt aktiva. Smältning i aluminiumvätska är mycket lätt att fylla ytdefekterna i legeringsfasen, vilket minskar ytspänningen på gränssnittet mellan nya och gamla faser, och förbättrar tillväxthastigheten för kristallkärnan; Samtidigt kan den också bilda en yta aktiv film mellan kornen och den smälta vätskan för att förhindra tillväxten av de genererade kornen och förfina legeringsstrukturen (se figur 2b).
Fig. 2 Mikrostruktur av legeringar med olika RE-tillsats
a. RE-dosering är 0;b. RE-tillsats är 0,3%;c. RE-tillägget är 0,7 %
Efter tillsats av sällsynta jordartsmetallerα började kornen av (Al)-fasen att bli mindre, vilket spelade en roll vid förädling av kornα(Al) omvandlade till en liten ros- eller stavform, när halten av sällsynta jordartsmetaller är 0,3 %αKornstorleken av (Al) ) fasen är den minsta och ökar gradvis med den ytterligare ökningen av innehållet av sällsynta jordartsmetaller. Experiment har visat att det finns en viss inkubationstid för metamorfos av sällsynta jordartsmetaller, och endast när den hålls vid en hög temperatur under en viss tidsperiod kommer sällsynta jordartsmetaller att spela den största rollen i metamorfosen. Dessutom ökar antalet kristallkärnor av föreningarna som bildas av aluminium och sällsynta jordartsmetaller kraftigt när metallen kristalliserar, vilket gör också legeringsstrukturen förfinad. Forskningen visar att sällsynta jordartsmetaller har god modifieringseffekt på aluminiumlegering.
03 Mikrolegeringseffekt av sällsynta jordartsmetaller
Sällsynta jordartsmetaller förekommer huvudsakligen i aluminium och aluminiumlegeringar i tre former: fast lösning i matrisenα(Al); Segregation vid fasgräns, korngräns och dendritgräns; Fast lösning i eller i form av förening. De förstärkande effekterna av sällsynta jordartsmetaller i aluminiumlegeringar inkluderar huvudsakligen kornförfiningsförstärkning, finit lösningsförstärkning och andra fasförstärkning av sällsynta jordartsmetaller.
Förekomsten av sällsynta jordartsmetaller i aluminium och aluminiumlegering är nära relaterad till dess tillsatsmängd. Generellt, när RE-innehållet är mindre än 0,1%, är RE-innehållet huvudsakligen finkornsförstärkning och finit lösningsförstärkning; När RE-halten är 0,25%~0,30% bildar RE och Al ett stort antal sfäriska eller korta stavliknande intermetalliska föreningar , som är fördelade i korn- eller korngränsen, och ett stort antal dislokationer, finkorniga sfäroidiserade strukturer och dispergerade sällsynta jordartsmetaller visas, vilket kommer att ge mikrolegeringseffekter som andra fasförstärkning.
◆ ◆ Effekt av sällsynta jordartsmetaller på egenskaperna hos aluminium och aluminiumlegering ◆◆
01 Effekt av sällsynta jordartsmetaller på omfattande mekaniska egenskaper hos legering
Styrkan, hårdheten, töjningen, brottsegheten, slitstyrkan och andra omfattande mekaniska egenskaper hos legeringen kan förbättras genom att tillsätta lämplig mängd sällsynta jordartsmetaller. 0,3 % RE tillsätts till gjuten aluminium ZL10-serielegeringσbfrån 205,9 MPa till 274 MPa och HB från 80 till 108; Lägga till 0,42 % Sc till 7005 legeringσbökade från 314MPa till 414MPa,σ0,2ökade från 282MPa till 378MPa, plasticiteten ökade från 6,8% till 10,1%, och högtemperaturstabiliteten förbättrades avsevärt; La och Ce kan avsevärt förbättra superplasticiteten hos legeringen. Att lägga till 0,14%~0,64% La till Al-6Mg-0,5Mn-legeringen ökar superplasticiteten från 430% till 800%~1000%; En systematisk studie av Al Si-legering visar att sträckgränsen och den slutliga draghållfastheten för legeringen kan vara mycket förbättras genom att tillsätta en lämplig mängd Sc.Fig. 3 visar SEM-utseendet av dragbrott av Al-Si7-Mg0,8legering, vilket indikerar att det är ett typiskt spröd klyvningsbrott utan RE, medan efter att 0,3 % RE tillsatts uppstår en tydlig gropstruktur i brottet, vilket indikerar att den har god seghet och duktilitet.
Fig. 3 Dragbrottsmorfologi
a. Ej ansluten till RE;b. Lägg till 0,3 % RE
02Effekt av sällsynta jordartsmetaller på högtemperaturegenskaper hos legeringar
Lägga till en viss mängdsällsynta jordartsmetalleri aluminiumlegering kan effektivt förbättra högtemperaturoxidationsbeständigheten hos aluminiumlegering. Att lägga till 1%~1,5% blandade sällsynta jordartsmetaller till den gjutna Al Si eutektiska legeringen ökar högtemperaturhållfastheten med 33%, högtemperaturbrotthållfastheten (300 ℃, 1000 timmar) med 44 %, och slitstyrkan och stabiliteten vid hög temperatur förbättras avsevärt; Lägger till La, Ce, Y och mischmetall till gjutna Al Cu-legeringar kan förbättra legeringarnas högtemperaturegenskaper; Den snabbt stelnade Al-8,4% Fe-3,4% Ce-legeringen kan arbeta under lång tid under 400 ℃, vilket avsevärt förbättrar arbetstemperaturen för aluminiumlegering; Sc tillsätts till Al Mg Si-legeringen för att bilda Al3Sc-partiklar som inte är lätta att förgrova vid hög temperatur och hänger samman med matrisen för att nåla korngränsen, så att legeringen bibehåller en okristalliserad struktur under glödgningen och avsevärt förbättrar legeringens högtemperaturegenskaper.
03 Effekten av sällsynta jordartsmetaller på optiska egenskaper hos legeringar
Att lägga till sällsynta jordartsmetaller i aluminiumlegering kan ändra strukturen på dess ytoxidfilm, vilket gör ytan ljusare och vackrare. När 0,12%~0,25% RE tillsätts till aluminiumlegeringen är reflektionsförmågan hos den oxiderade och färgade 6063-profilen upp till 92%; När 0,1%~0,3% RE tillsätts till Al Mg gjuten aluminiumlegering, kan legeringen få bästa ytfinish och glans hållbarhet.
04 Effekten av sällsynta jordartsmetaller på legeringars elektriska egenskaper
Att tillsätta RE till högrent aluminium är skadligt för legeringens ledningsförmåga, men ledningsförmågan kan förbättras i viss utsträckning genom att tillsätta lämplig RE till industriella ren aluminium och Al Mg Si ledande legeringar. De experimentella resultaten visar att ledningsförmågan hos aluminium kan förbättras med 2%~3% genom att lägga till 0,2% RE. Att lägga till en liten mängd yttriumrika sällsynta jordartsmetaller i Al Zr-legering kan förbättras ledningsförmågan hos legeringen, som har antagits av de flesta inhemska trådfabriker; Lägg till spår av sällsynta jordartsmetaller till högrent aluminium för att göra Al RE-foliekondensator. Vid användning i 25kV-produkter fördubblas kapacitansindexet, kapaciteten per volymenhet ökas med 5 gånger, vikten minskas med 47% och kondensatorvolymen minskas avsevärt.
05Effekten av sällsynta jordartsmetaller på legeringens korrosionsbeständighet
I vissa servicemiljöer, särskilt i närvaro av kloridjoner, är legeringar känsliga för korrosion, spaltkorrosion, spänningskorrosion och korrosionsutmattning. För att förbättra korrosionsbeständigheten hos aluminiumlegeringar har många studier utförts. Det har visat sig att tillsats av lämplig mängd sällsynta jordartsmetaller till aluminiumlegeringar effektivt kan förbättra deras korrosionsbeständighet. Proverna som gjordes genom att tillsätta olika mängder blandade sällsynta jordartsmetaller (0,1%~0,5%) till aluminium blötlades i saltlake och konstgjort havsvatten i tre på varandra följande år. Resultaten visar att tillsats av en liten mängd sällsynta jordartsmetaller till aluminium kan förbättra korrosionsbeständigheten hos aluminium, och korrosionsbeständigheten i saltlake och artificiellt havsvatten är 24 % respektive 32 % högre än för aluminium; sällsynta jordartsmetaller flerkomponent penetrant (La, Ce, etc.), ett lager av sällsynta jordartsmetaller omvandlingsfilm kan bildas på ytan av 2024 legering, vilket gör att ytelektrodpotentialen hos aluminiumlegering tenderar att vara likformig och förbättrar motståndet mot intergranulär korrosion och spänningskorrosion; Att lägga till La till en aluminiumlegering med hög Mg kan avsevärt förbättra legeringens anti-marin korrosionsförmåga; Lägga till 1,5%~2,5% Nd till aluminiumlegeringar kan förbättra högtemperaturprestandan, lufttätheten och korrosionsbeständigheten hos legeringarna, som ofta används som flyg- och rymdmaterial.
◆ ◆ Beredningsteknik för sällsynta jordartsmetaller aluminiumlegering ◆ ◆
Sällsynta jordartsmetaller tillsätts mest i form av spårämnen i aluminiumlegeringar och andra legeringar. Sällsynta jordartsmetaller har hög kemisk aktivitet, hög smältpunkt och är lätt att oxideras och brännas vid höga temperaturer. Detta har orsakat vissa svårigheter vid beredning och applicering av aluminiumlegeringar av sällsynta jordartsmetaller. I den långsiktiga experimentella forskningen fortsätter människor att utforska beredningsmetoderna för aluminiumlegeringar av sällsynta jordartsmetaller. För närvarande är de viktigaste produktionsmetoderna för att framställa aluminiumlegeringar av sällsynta jordartsmetaller. är blandningsmetod, smält saltelektrolysmetod och aluminiumtermisk reduktionsmetod.
01 Blandningsmetod
Blandad smältmetod är att tillsätta sällsynta jordartsmetaller eller blandade sällsynta jordartsmetaller till högtemperaturaluminiumvätska i proportion för att göra masterlegering eller appliceringslegering, och sedan smälta masterlegeringen och det återstående aluminiumet enligt den beräknade mängden tillsammans, rör om och förfina fullständigt .
02 Elektrolys
Den smälta saltelektrolysmetoden är att tillsätta sällsynt jordartsmetalloxid eller sällsynt jordartsmetallsalt i den industriella aluminiumelektrolyscellen och elektrolysera med aluminiumoxid för att producera sällsynta jordartsmetaller. Elektrolysmetoden för smält salt har utvecklats relativt snabbt i Kina. Generellt finns det två sätt, nämligen vätskekatodmetoden och elektrolytisk eutektoidmetod. För närvarande har det utvecklats att sällsynta jordartsmetallföreningar kan tillsättas direkt till industriella aluminiumelektrolytiska celler, och sällsynta jordartsmetaller aluminiumlegeringar kan framställas genom elektrolys av kloridsmältor med eutektoidmetod.
03 Aluminiumtermisk reduktionsmetod
Eftersom aluminium har en stark reduktionsförmåga och aluminium kan bilda en mängd olika intermetalliska föreningar med sällsynta jordartsmetaller, kan aluminium användas som ett reduktionsmedel för att framställa aluminiumlegeringar av sällsynta jordartsmetaller. De viktigaste kemiska reaktionerna visas i följande formel:
RE2O3+ 6Al→2REAl2+ Al2O3
Bland dem kan sällsynt jordartsmetalloxid eller slagg rik på sällsynta jordartsmetaller användas som råmaterial för sällsynta jordartsmetaller; Reduktionsmedlet kan vara industriellt rent aluminium eller kiselaluminium; Reduktionstemperaturen är 1400 ℃ ~ 1600 ℃. I det tidiga skedet bar det ut under förutsättning att det finns värmemedel och flussmedel, och hög reduktionstemperatur skulle orsaka många problem;Under de senaste åren har forskare utvecklat en ny aluminiumtermisk reduktionsmetod. Vid en lägre temperatur (780 ℃) fullbordas den aluminiumtermiska reduktionsreaktionen i systemet med natriumfluorid och natriumklorid, vilket undviker problemen som orsakas av den ursprungliga höga temperaturen.
◆ ◆ Tillämpning av sällsynta jordartsmetaller aluminiumlegering ◆ ◆
01 Tillämpning av sällsynta jordartsmetallegering i kraftindustrin
På grund av fördelarna med god ledningsförmåga, stor strömkapacitet, hög hållfasthet, slitstyrka, enkel bearbetning och lång livslängd, kan sällsynta jordartsmetallegering användas för att tillverka kablar, luftledningar, trådkärnor, glidtrådar och tunna trådar för speciella ändamål. Att lägga till en liten mängd RE i Al Si-legeringssystemet kan förbättra konduktiviteten, vilket beror på att kislet i aluminiumlegeringen är ett föroreningselement med högt innehåll, vilket har större inverkan på de elektriska egenskaperna. Att lägga till en lämplig mängd sällsynta jordartsmetaller kan förbättra den befintliga morfologin och fördelningen av kisel i legeringen, vilket effektivt kan förbättra de elektriska egenskaperna hos aluminium; Lägga till en liten mängd yttrium eller yttriumrik blandad sällsynt jordartsmetall i den värmebeständiga aluminiumlegeringstråden kan inte bara upprätthålla goda högtemperaturprestanda utan också förbättra konduktiviteten; Sällsynta jordartsmetaller kan förbättra draghållfastheten, värmebeständigheten och korrosionsbeständigheten hos aluminiumlegeringssystemet. Kablar och ledare gjorda av sällsynta jordartsmetaller kan öka kabeltornets spännvidd och förlänga kablarnas livslängd.
02Användning av sällsynta jordartsmetaller i byggnadsindustrin
6063 aluminiumlegering är den mest använda inom byggbranschen. Att lägga till 0,15% ~ 0,25% sällsynta jordartsmetaller kan avsevärt förbättra den gjutna strukturen och bearbetningsstrukturen och kan förbättra extruderingsprestanda, värmebehandlingseffekt, mekaniska egenskaper, korrosionsbeständighet, ytbehandlingsprestanda och färgton. Det har visat sig att sällsynta jordartsmetaller är huvudsakligen fördelad i 6063 aluminiumlegeringα-Al neutraliserar fasgränsen, korngränsen och interdendritiska, och de är lösta i föreningar eller existerar i form av föreningar för att förfina dendritstrukturen och kornen, så att storleken på det olösta eutektiken och storleken på fördjupningen i fördjupningsområdet blir betydligt mindre, fördelningen är enhetlig och densiteten ökar, så att de olika egenskaperna av legeringen förbättras i varierande grad. Till exempel ökas profilens hållfasthet med mer än 20%, töjningen ökas med 50% och korrosionshastigheten minskas med mer än två gånger, tjockleken på oxidfilmen ökar med 5% ~ 8%, och färgegenskaperna ökar med cirka 3%. Därför används RE-6063-legerade byggnadsprofiler i stor utsträckning.
03Applicering av aluminiumlegering av sällsynta jordartsmetaller i dagliga produkter
Att lägga till spår av sällsynta jordartsmetaller till rena aluminium- och Al Mg-serier aluminiumlegeringar för dagligt bruk aluminiumprodukter kan avsevärt förbättra de mekaniska egenskaperna, djupdragningsegenskaperna och korrosionsbeständigheten. möbelstöd i aluminium, aluminiumcyklar och hushållsapparater tillverkade av Al Mg RE-legering har mer än dubbelt så mycket korrosionsbeständighet, 10%~15% viktminskning, 10%~20% avkastningsökning, 10%~15% produktionskostnadsreduktion, och bättre prestanda för djupdragning och djupbearbetning jämfört med aluminiumlegeringsprodukter utan sällsynta jordartsmetaller. För närvarande är den dagliga nödvändigheter av sällsynta jordartsmetaller aluminiumlegering har använts i stor utsträckning, och produkterna har ökat avsevärt och säljs bra på den inhemska och utländska marknaden.
04 Användning av sällsynta jordartsmetaller aluminiumlegering i andra aspekter
Att lägga till några tusendelar av sällsynta jordartsmetaller i den mest använda Al Si-seriens gjutlegering kan avsevärt förbättra legeringens bearbetningsprestanda. Många märken av produkter har använts i flygplan, fartyg, bilar, dieselmotorer, motorcyklar och pansarfordon (kolv, växellåda, cylinder, instrumentering och andra delar). Vid forskning och tillämpning har det visat sig att Sc är det mest effektiva elementet för att optimera strukturen och egenskaperna hos aluminiumlegeringar. Den har stark dispersionsstärkande, kornförfiningsförstärkande, lösningsförstärkande och mikrolegeringsförstärkande effekter på aluminium, och kan förbättra hållfastheten, hårdheten, plasticiteten, segheten, korrosionsbeständigheten, värmebeständigheten etc. hos legeringar.Sc Al-seriens legeringar har använts i högteknologiska industrier som flyg, fartyg, höghastighetståg, lätta fordon, etc.C557Al Mg Zr Sc-serien skandiumaluminiumlegering utvecklad av NASA har hög hållfasthet och hög temperatur och låg temperaturstabilitet och har applicerats på flygplanskroppar och flygplanskonstruktionsdelar; 0146Al Cu Li Sc-legeringen som utvecklats av Ryssland har applicerats på rymdfarkostens kryogena bränsletank.
Från volym 33, nummer 1 av Rare Earth av Wang Hui, Yang An och Yun Qi
Posttid: 2023-05-05