L'aplicació deterra estranyaen la fosa d'aliatge d'alumini es va dur a terme abans a l'estranger.Tot i que la Xina va començar la investigació i l'aplicació d'aquest aspecte només als anys 60, s'ha desenvolupat ràpidament.S'ha treballat molt des de la investigació de mecanismes fins a l'aplicació pràctica, i s'han aconseguit alguns assoliments. Amb l'addició d'elements de terres rares, s'han millorat molt les propietats mecàniques, les propietats de fosa i les propietats elèctriques dels aliatges d'alumini. En el camp de nous materials, les riques propietats òptiques, elèctriques i magnètiques dels elements de terres rares també tenen un paper important en la fabricació de materials magnètics permanents de terres rares, materials emissors de llum de terres rares, materials d'emmagatzematge d'hidrogen de terres rares, etc.
◆ ◆ Mecanisme d'acció de terres rares en alumini i aliatge d'alumini ◆ ◆
Les terres rares tenen una alta activitat química, un potencial baix i una disposició especial de la capa d'electrons, i poden interactuar amb gairebé tots els elements. Les terres rares que s'utilitzen habitualment en l'alumini i els aliatges d'alumini inclouen La (lantà), Ce (ceri), Y (ittri) i Sc (escandi).Sovint s'afegeixen al líquid d'alumini amb modificadors, agents nucleants i agents desgasificants, que poden purificar la massa fosa, millorar l'estructura, refinar el gra, etc.
01Purificació de terres rares
Com que s'introduiran una gran quantitat d'inclusions de gas i òxid (principalment hidrogen, oxigen i nitrogen) durant la fusió i la fosa d'aliatge d'alumini, es produiran forats, esquerdes, inclusions i altres defectes a la fosa (vegeu la figura 1a), reduint la força de l'aliatge d'alumini. L'efecte de purificació de les terres rares es manifesta principalment en la reducció òbvia del contingut d'hidrogen a l'alumini fos, la reducció de la taxa de forats i la porositat (vegeu la figura 1b) i la reducció d'inclusions i elements nocius. La raó és que les terres rares tenen una gran afinitat amb l'hidrogen, que pot absorbir i dissoldre l'hidrogen en grans quantitats i formar compostos estables sense formar bombolles, reduint així significativament el contingut d'hidrogen i la porositat de l'alumini; Les terres rares i el nitrogen formen compostos refractaris, que són s'elimina principalment en forma d'escòria en el procés de fosa, per tal d'aconseguir el propòsit de purificar el líquid d'alumini.
La pràctica ha demostrat que les terres rares tenen l'efecte de reduir el contingut d'hidrogen, oxigen i sofre en alumini i aliatges d'alumini.L'addició d'un 0,1% ~ 0,3% de RE al líquid d'alumini és útil per eliminar millor les impureses nocives, refinar les impureses o canviar-ne la morfologia, per tal de refinar i distribuir uniformement els grans; A més, RE i les impureses nocives amb baix punt de fusió formen compostos binaris com ara RES, REA i REPb, que es caracteritzen per un alt punt de fusió, baixa densitat i propietats químiques estables, i es poden flotar per formar escòries i eliminar-los, purificant així el líquid d'alumini; les partícules fines restants es converteixen en nuclis heterogenis d'alumini per refinar grans.
Fig. 1 Morfologia SEM de l'aliatge 7075 sense RE i w (RE)=0,3%
a.RE no s'afegeix;b.Afegiu w (RE) = 0,3%
02Metamorfisme de terres rares
La modificació de terres rares es manifesta principalment en el refinament de grans i dendrites, inhibint l'aparició de la fase T2 lamel·lar gruixuda, eliminant la fase massiva gruixuda distribuïda en el cristall primari i formant fase esfèrica, de manera que els compostos de tira i fragments al límit del gra es redueixen significativament. (vegeu la figura 2). En general, el radi de l'àtom de terres rares és més gran que el de l'àtom d'alumini i les seves propietats són relativament actives.La fusió en líquid d'alumini és molt fàcil d'omplir els defectes superficials de la fase d'aliatge, la qual cosa redueix la tensió superficial a la interfície entre les fases noves i antigues i millora la taxa de creixement del nucli de cristall; Al mateix temps, també pot formar una superfície. pel·lícula activa entre els grans i el líquid fos per evitar el creixement dels grans generats i perfeccionar l'estructura de l'aliatge (vegeu la figura 2b).
Fig. 2 Microestructura d'aliatges amb addició de RE diferent
a.La dosi de RE és de 0; b.L'addició de RE és del 0,3%;c.L'addició de RE és del 0,7%
Després d'afegir elements de terres raresαEls grans de la fase (Al) van començar a fer-se més petits, la qual cosa va tenir un paper en el refinament dels gransα(Al) transformats en una petita rosa o forma de vareta, quan el contingut de terres rares és del 0,3%αLa mida del gra de (Al) ) és la fase més petita i augmenta gradualment amb l'augment del contingut de terres rares. Els experiments han demostrat que hi ha un cert període d'incubació per al metamorfisme de les terres rares, i només quan es manté a una temperatura elevada durant un cert període de temps, les terres rares jugaran el paper més important en el metamorfisme. A més, el nombre de nuclis de cristall dels compostos formats per alumini i terres rares augmenta molt quan el metall cristal·litza, la qual cosa també fa que l'estructura de l'aliatge es perfecciona. La investigació mostra que les terres rares tenen una bona qualitat. efecte de modificació sobre l'aliatge d'alumini.
03 Efecte de microaliatge de terres rares
Les terres rares existeixen principalment en alumini i aliatges d'alumini en tres formes: solució sòlida a la matriu α (Al); segregació al límit de fase, límit de gra i límit de dendrita; solució sòlida en o en forma de compost. Els efectes de reforç de les terres rares en Els aliatges d'alumini inclouen principalment l'enfortiment del refinament del gra, l'enfortiment de la solució finita i l'enfortiment de la segona fase de compostos de terres rares.
La forma d'existència de terres rares en alumini i aliatge d'alumini està estretament relacionada amb la seva quantitat d'addició.En general, quan el contingut de RE és inferior al 0,1%, el paper de RE és principalment l'enfortiment del gra fi i l'enfortiment de la solució finita; quan el contingut de RE és del 0,25% ~ 0,30%, RE i Al formen un gran nombre de varetes esfèriques o curtes com els compostos intermetàl·lics. , que es distribueixen al límit del gra o del gra, i apareixen un gran nombre de dislocacions, estructures esferoïditzades de gra fi i compostos dispersos de terres rares, que produiran efectes de microaliatge com ara l'enfortiment de la segona fase.
◆ ◆ Efecte de les terres rares sobre les propietats de l'alumini i l'aliatge d'alumini ◆◆
01 Efecte de les terres rares sobre les propietats mecàniques completes de l'aliatge
La força, la duresa, l'allargament, la tenacitat a la fractura, la resistència al desgast i altres propietats mecàniques completes de l'aliatge es poden millorar afegint una quantitat adequada de terres rares. S'afegeix un 0,3% de RE a l'aliatge de la sèrie ZL10 d'alumini fos.bde 205,9 MPa a 274 MPa i HB de 80 a 108; afegint 0,42% Sc a 7005 aliatgeσbaugmentat de 314MPa a 414MPa,σ0,2va augmentar de 282MPa a 378MPa, la plasticitat va augmentar del 6,8% al 10,1% i l'estabilitat a alta temperatura es va millorar significativament; La i Ce poden millorar significativament la superplasticitat de l'aliatge.L'addició d'un 0,14% ~ 0,64% La a l'aliatge Al-6Mg-0,5Mn augmenta la superplasticitat del 430% al 800% ~ 1000%; Un estudi sistemàtic de l'aliatge Al Si mostra que la resistència a la fluència i la resistència a la tracció final de l'aliatge poden ser molt importants. millorat afegint una quantitat adequada de Sc.Fig.La figura 3 mostra l'aspecte SEM de la fractura per tracció d'Al-Si7-Mg0,8aliatge, que indica que es tracta d'una fractura d'escissió trencadissa típica sense RE, mentre que després d'afegir un 0,3% de RE, apareix una estructura òbvia a la fractura, la qual cosa indica que té una bona duresa i ductilitat.
Fig. 3 Morfologia de la fractura per tracció
a.No adherit a RE;b.Afegiu 0,3% RE
02Efecte de les terres rares sobre les propietats d'alta temperatura dels aliatges
Afegint una certa quantitat deterra estranyaen aliatge d'alumini pot millorar eficaçment la resistència a l'oxidació a alta temperatura de l'aliatge d'alumini. L'addició d'un 1% ~ 1,5% de terres rares barrejades a l'aliatge eutèctic Al Si de fosa augmenta la resistència a alta temperatura en un 33%, la resistència a la ruptura a alta temperatura (300 ℃, 1000 hores) en un 44%, i la resistència al desgast i l'estabilitat a alta temperatura es milloren significativament; L'addició de La, Ce, Y i mischmetal als aliatges d'Al Cu pot millorar les propietats d'alta temperatura dels aliatges; L'Al-8,4% solidificat ràpidament L'aliatge Fe-3,4% Ce pot funcionar durant molt de temps per sota dels 400 ℃, millorant molt la temperatura de treball de l'aliatge d'alumini; Sc s'afegeix a l'aliatge Al Mg Si per formar Al3Partícules Sc que no són fàcils d'engruixir a alta temperatura i coheren amb la matriu per fixar el límit del gra, de manera que l'aliatge manté una estructura no recristal·litzada durant el recuit i millora molt les propietats d'alta temperatura de l'aliatge.
03 Efecte de les terres rares sobre les propietats òptiques dels aliatges
L'addició de terres rares a l'aliatge d'alumini pot canviar l'estructura de la seva pel·lícula d'òxid superficial, fent que la superfície sigui més brillant i bella. Quan s'afegeix un 0,12% ~ 0,25% de RE a l'aliatge d'alumini, la reflectivitat del perfil 6063 oxidat i acolorit és de fins a 92%; Quan s'afegeix un 0,1% ~ 0,3% de RE a l'aliatge d'alumini fos d'Al Mg, l'aliatge pot obtenir el millor acabat superficial i durabilitat de brillantor.
04 Efecte de les terres rares sobre les propietats elèctriques dels aliatges
L'addició de RE a l'alumini d'alta puresa és perjudicial per a la conductivitat de l'aliatge, però la conductivitat es pot millorar fins a cert punt afegint RE adequat a aliatges conductors d'alumini pur industrial i Al Mg Si. Els resultats experimentals mostren que la conductivitat de l'alumini es pot millorar en un 2% ~ 3% afegint un 0,2% de RE. Afegir una petita quantitat de terres rares riques en itri a l'aliatge Al Zr pot millorar la conductivitat de l'aliatge, que ha estat adoptat per la majoria de les fàbriques de filferro domèstic; Afegeix traça de terres rares a alumini d'alta puresa per fer un condensador de làmina Al RE.Quan s'utilitza en productes de 25 kV, l'índex de capacitat es duplica, la capacitat per unitat de volum augmenta 5 vegades, el pes es redueix un 47% i el volum del condensador es redueix significativament.
05Efecte de les terres rares sobre la resistència a la corrosió de l'aliatge
En alguns entorns de servei, especialment en presència d'ions de clorur, els aliatges són vulnerables a la corrosió, corrosió per esquerdes, corrosió per estrès i fatiga per corrosió. Per millorar la resistència a la corrosió dels aliatges d'alumini, s'han realitzat molts estudis.S'ha trobat que afegir una quantitat adequada de terres rares als aliatges d'alumini pot millorar eficaçment la seva resistència a la corrosió. Les mostres fetes afegint diferents quantitats de terres rares barrejades (0,1% ~ 0,5%) a l'alumini es van remullar en salmorra i aigua de mar artificial durant tres consecutius. anys.Els resultats mostren que afegir una petita quantitat de terres rares a l'alumini pot millorar la resistència a la corrosió de l'alumini, i la resistència a la corrosió en salmorra i aigua de mar artificial és un 24% i un 32% més alta que la de l'alumini, respectivament; utilitzant el mètode de vapor químic i afegint-hi Penetrant multicomponent de terres rares (La, Ce, etc.), es pot formar una capa de pel·lícula de conversió de terres rares a la superfície de l'aliatge 2024, fent que el potencial de l'elèctrode superficial de l'aliatge d'alumini tendeixi a ser uniforme i millorant la resistència a corrosió intergranular i corrosió per estrès; afegir La a un aliatge d'alumini d'alt Mg pot millorar significativament la capacitat anticorrosiva marina de l'aliatge; afegir 1,5% ~ 2,5% de Nd als aliatges d'alumini pot millorar el rendiment a alta temperatura, l'estanqueïtat a l'aire i la resistència a la corrosió del aliatges, que s'utilitzen àmpliament com a materials aeroespacials.
◆ ◆ Tecnologia de preparació d'aliatge d'alumini de terres rares ◆ ◆
Les terres rares s'afegeixen principalment en forma d'oligoelements en aliatges d'alumini i altres aliatges.Les terres rares tenen una alta activitat química, un alt punt de fusió i són fàcils d'oxidar i cremar a altes temperatures.Això ha causat certes dificultats en la preparació i aplicació d'aliatges d'alumini de terres rares. En la investigació experimental a llarg termini, la gent continua explorant els mètodes de preparació d'aliatges d'alumini de terres rares. Actualment, els principals mètodes de producció per preparar aliatges d'alumini de terres rares són el mètode de barreja, el mètode d'electròlisi de sal fosa i el mètode de reducció aluminotèrmica.
01 Mètode de mescla
El mètode de fusió mixta consisteix a afegir terres rares o metalls de terres rares barrejats al líquid d'alumini d'alta temperatura en proporció per fer un aliatge principal o un aliatge d'aplicació, i després fondre l'aliatge principal i l'alumini restant d'acord amb la dotació calculada junts, remenar i refinar completament. .
02 Electròlisi
El mètode d'electròlisi de sal fosa és afegir òxid de terres rares o sal de terres rares a la cel·la electrolítica d'alumini industrial i electrolitzar amb òxid d'alumini per produir un aliatge d'alumini de terres rares. El mètode d'electròlisi de sal fosa s'ha desenvolupat relativament ràpid a la Xina.En general, hi ha dues maneres, a saber, el mètode del càtode líquid i el mètode eutectoide electrolític.Actualment, s'ha desenvolupat que els compostos de terres rares es poden afegir directament a les cèl·lules electrolítiques d'alumini industrials i es poden produir aliatges d'alumini de terres rares mitjançant l'electròlisi de les foses de clorur mitjançant el mètode eutectoide.
03 Mètode de reducció aluminotèrmica
Com que l'alumini té una forta capacitat de reducció i l'alumini pot formar una varietat de compostos intermetàl·lics amb terres rares, l'alumini es pot utilitzar com a agent reductor per preparar aliatges d'alumini de terres rares. Les reaccions químiques principals es mostren a la fórmula següent:
RE2O3+ 6Al→2REAl2+ Al2O3
Entre ells, l'òxid de terres rares o l'escòria rica en terres rares es poden utilitzar com a matèries primeres de terres rares; L'agent reductor pot ser alumini pur industrial o alumini de silici; La temperatura de reducció és de 1400 ℃ ~ 1600 ℃. A la primera etapa, es va dur a terme. sota la condició de l'existència d'agent de calefacció i flux, i una alta temperatura de reducció causaria molts problemes; en els darrers anys, els investigadors han desenvolupat un nou mètode de reducció aluminotèrmica.A una temperatura més baixa (780 ℃), la reacció de reducció aluminotèrmica es completa en el sistema de fluorur de sodi i clorur de sodi, la qual cosa evita els problemes causats per l'alta temperatura original.
◆ ◆ Progrés d'aplicació d'aliatge d'alumini de terres rares ◆ ◆
01 Aplicació d'aliatge d'alumini de terres rares a la indústria elèctrica
A causa dels avantatges d'una bona conductivitat, gran capacitat de transport de corrent, alta resistència, resistència al desgast, processament fàcil i llarga vida útil, l'aliatge d'alumini de terres rares es pot utilitzar per fabricar cables, línies de transmissió aèries, nuclis de filferro, cables lliscants i fils prims per a Propòsits especials. L'addició d'una petita quantitat de RE al sistema d'aliatge Al Si pot millorar la conductivitat, degut a que el silici de l'aliatge d'alumini és un element d'impureses amb un alt contingut, que té un major impacte en les propietats elèctriques.L'addició d'una quantitat adequada de terres rares pot millorar la morfologia existent i la distribució del silici a l'aliatge, la qual cosa pot millorar eficaçment les propietats elèctriques de l'alumini; afegir una petita quantitat de terres rares mixtes rica en itri o ittri al cable d'aliatge d'alumini resistent a la calor. No només pot mantenir un bon rendiment a alta temperatura, sinó també millorar la conductivitat; Les terres rares poden millorar la resistència a la tracció, la resistència a la calor i la resistència a la corrosió del sistema d'aliatge d'alumini.Els cables i conductors d'aliatge d'alumini de terres rares poden augmentar la durada de la torre de cables i allargar la vida útil dels cables.
02Aplicació d'aliatge d'alumini de terres rares a la indústria de la construcció
L'aliatge d'alumini 6063 és el més utilitzat en la indústria de la construcció.L'addició de 0,15% ~ 0,25% de terres rares pot millorar significativament l'estructura de fosa i l'estructura de processament, i pot millorar el rendiment de l'extrusió, l'efecte del tractament tèrmic, les propietats mecàniques, la resistència a la corrosió, el rendiment del tractament superficial i el to de color. Es troba que les terres rares són distribuït principalment en l'aliatge d'alumini 6063α-Al neutralitza el límit de fase, el límit del gra i els interdendrítics, i es dissolen en compostos o existeixen en forma de compostos per refinar l'estructura i els grans de la dendrita, de manera que la mida de l'eutèctic no dissolt i la mida del clot a la zona del clot es fan significativament més petits, la distribució és uniforme i la densitat augmenta, de manera que les diferents propietats de l'aliatge es milloren en diferents graus.Per exemple, la resistència del perfil augmenta en més d'un 20%, l'allargament augmenta un 50% i la taxa de corrosió es redueix més del doble, el gruix de la pel·lícula d'òxid augmenta un 5% ~ 8% i la propietat de coloració augmenta aproximadament un 3%. Per tant, els perfils de construcció d'aliatge RE-6063 s'utilitzen àmpliament.
03Aplicació d'aliatge d'alumini de terres rares en productes diaris
L'addició de traces de terres rares als aliatges d'alumini pur i de la sèrie Al Mg per als productes d'alumini d'ús diari pot millorar significativament les propietats mecàniques, la propietat d'embotit i la resistència a la corrosió. Les necessitats diàries com ara olles d'alumini, paelles d'alumini, plaques d'alumini, carmanyoles d'alumini, Els suports per a mobles d'alumini, les bicicletes d'alumini i les peces d'electrodomèstics fetes d'aliatge Al Mg RE tenen més del doble de resistència a la corrosió, reducció de pes del 10% ~ 15%, augment del rendiment del 10% ~ 20%, reducció de costos de producció del 10% ~ 15%, i millor embutició profunda i rendiment de processament profund en comparació amb els productes d'aliatge d'alumini sense terres rares. Actualment, les necessitats diàries d'aliatge d'alumini de terres rares s'han utilitzat àmpliament, i els productes han augmentat significativament i es venen bé als mercats nacionals i estrangers. .
04 Aplicació d'aliatge d'alumini de terres rares en altres aspectes
L'addició d'unes quantes mil·lèsimes de terres rares a l'aliatge de fosa de la sèrie Al Si més utilitzat pot millorar significativament el rendiment de mecanitzat de l'aliatge.S'han utilitzat moltes marques de productes en avions, vaixells, automòbils, motors dièsel, motocicletes i vehicles blindats (pistó, caixa de canvis, cilindre, instrumentació i altres peces). En investigació i aplicació, es troba que Sc és l'element més eficaç per optimitzar l'estructura i les propietats dels aliatges d'alumini.Té un fort enfortiment de la dispersió, l'enfortiment del refinament del gra, l'enfortiment de la solució i els efectes d'enfortiment de microaliatges sobre l'alumini, i pot millorar la força, duresa, plasticitat, duresa, resistència a la corrosió, resistència a la calor, etc. dels aliatges. Els aliatges de la sèrie Sc Al s'han utilitzat en indústries d'alta tecnologia com ara aeroespacial, vaixells, trens d'alta velocitat, vehicles lleugers, etc. L'aliatge d'alumini escandi de la sèrie C557Al Mg Zr Sc desenvolupat per la NASA té una alta resistència i estabilitat a alta temperatura i baixa temperatura i s'ha aplicat al fuselatge d'avions i avions peces estructurals; L'aliatge 0146Al Cu Li Sc desenvolupat per Rússia s'ha aplicat al dipòsit de combustible criogènic de les naus espacials.
Del volum 33, número 1 de Rare Earth de Wang Hui, Yang An i Yun Qi
Hora de publicació: 05-jul-2023