Taotlusharuldased muldmetallidalumiiniumisulami valamisel viidi varem läbi välismaal.Kuigi Hiina alustas selle aspekti uurimist ja rakendamist alles 1960. aastatel, on see kiiresti arenenud.Tehtud on palju tööd alates mehhanismide uurimisest kuni praktilise rakendamiseni ja saavutatud on mõningaid saavutusi. Haruldaste muldmetallide elementide lisamisega on alumiiniumisulamite mehaanilised omadused, valuomadused ja elektrilised omadused oluliselt paranenud. uued materjalid, haruldaste muldmetallide elementide rikkalikud optilised, elektrilised ja magnetilised omadused mängivad olulist rolli ka haruldaste muldmetallide püsimagnetmaterjalide, haruldaste muldmetallide valgust kiirgavate materjalide, haruldaste muldmetallide vesiniku säilitamise materjalide jne valmistamisel.
◆ ◆ Alumiiniumi ja alumiiniumisulami haruldaste muldmetallide toimemehhanism ◆ ◆
Haruldastel muldmetallidel on kõrge keemiline aktiivsus, madal potentsiaal ja spetsiaalne elektronkihtide paigutus ning need võivad suhelda peaaegu kõigi elementidega. Alumiiniumi ja alumiiniumisulamite puhul tavaliselt kasutatavate haruldaste muldmetallide hulka kuuluvad La (lantaan), Ce (tseerium), Y (ütrium) ja Sc (skandium).Neid lisatakse sageli alumiiniumvedelikku koos modifikaatorite, tuuma tekitavate ainete ja degaseerivate ainetega, mis võivad sulatit puhastada, struktuuri parandada, tera rafineerida jne.
01Haruldaste muldmetallide puhastamine
Kuna alumiiniumisulami sulatamisel ja valamisel tuuakse sisse suur hulk gaasi- ja oksiidisulguseid (peamiselt vesinik, hapnik ja lämmastik), tekivad valus augud, praod, kandmised ja muud defektid (vt joonis 1a), vähendades alumiiniumisulami tugevus.Haruldaste muldmetallide puhastav toime avaldub peamiselt sula alumiiniumi vesinikusisalduse ilmselges vähenemises, aukude kiiruse ja poorsuse vähenemises (vt joonis 1b) ning lisandite ja kahjulike elementide vähenemises. Põhjus on selles, et haruldastel muldmetallidel on suur afiinsus vesinikuga, mis suudab absorbeerida ja lahustada vesinikku suurtes kogustes ning moodustada stabiilseid ühendeid ilma mullid moodustamata, vähendades seega oluliselt alumiiniumi vesinikusisaldust ja poorsust; Haruldased muldmetallid ja lämmastik moodustavad tulekindlaid ühendeid, mis on enamasti eemaldatakse sulatusprotsessis räbu kujul, et saavutada alumiiniumvedeliku puhastamise eesmärk.
Praktika on tõestanud, et haruldased muldmetallid vähendavad vesiniku, hapniku ja väävli sisaldust alumiiniumis ja alumiiniumsulamites.0,1–0,3% RE lisamine alumiiniumvedelikus aitab paremini eemaldada kahjulikke lisandeid, rafineerida lisandeid või muuta nende morfoloogiat, et rafineerida ja ühtlaselt jaotada terad; Lisaks moodustavad RE ja madala sulamistemperatuuriga kahjulikud lisandid kahekomponentseid ühendeid, nagu näiteks RES, REA ja REPb, mida iseloomustavad kõrge sulamistemperatuur, madal tihedus ja stabiilsed keemilised omadused ning mida saab räbu moodustamiseks hõljuda ja eemaldada, puhastades nii alumiiniumvedelikku; Ülejäänud peenosakesed muutuvad rafineerimiseks heterogeenseteks alumiiniumi tuumadeks terad.
Joonis 1 7075 sulami SEM morfoloogia ilma RE ja w (RE) = 0,3%
a.RE ei ole lisatud;b.Lisa w (RE)=0,3%
02Haruldaste muldmetallide metamorfism
Haruldaste muldmetallide modifikatsioon avaldub peamiselt terade ja dendriitide rafineerimises, jämeda lamellaarse T2 faasi väljanägemise pärssimises, primaarses kristallis jaotunud massiivse jämeda faasi elimineerimises ja sfäärilise faasi moodustamises, nii et ribade ja fragmentide ühendid terade piiril vähenevad oluliselt. (vt joonis 2). Üldjuhul on haruldaste muldmetallide aatomi raadius suurem kui alumiiniumi aatomi raadius ja selle omadused on suhteliselt aktiivsed.Alumiiniumvedelikus sulamisel on sulamifaasi pinnadefektide täitmine väga lihtne, mis vähendab uute ja vanade faaside liidese pindpinevust ning parandab kristalli tuuma kasvukiirust; Samal ajal võib see moodustada ka pinna aktiivkile terade ja sulavedeliku vahel, et vältida tekkivate terade kasvu ja täpsustada sulami struktuuri (vt joonis 2b).
Joonis 2 Erineva RE lisandiga sulamite mikrostruktuur
a.RE annus on 0;b.RE lisamine on 0,3%;c.RE lisamine on 0,7%
Pärast haruldaste muldmetallide α lisamist hakkasid (Al) faasi terad muutuma väiksemaks, mis mängis rolli terade α(Al) rafineerimisel, mis muudeti väikeseks roosiks või vardakujuliseks, kui haruldaste muldmetallide sisaldus on 0,3% α (Al) tera suurus ) faas on väikseim ja suureneb järk-järgult koos haruldaste muldmetallide sisalduse edasise suurenemisega. Katsed on tõestanud, et haruldaste muldmetallide metamorfoosil on teatud inkubatsiooniperiood ja ainult siis, kui seda hoitakse teatud aja kõrgel temperatuuril, haruldased muldmetallid mängivad metamorfismis suurimat rolli.Lisaks suureneb metalli kristalliseerumisel oluliselt alumiiniumist ja haruldastest muldmetallidest moodustatud ühendite kristallide tuumade arv, mis muudab ka sulami struktuuri. modifikatsiooniefekt alumiiniumisulamil.
03 Haruldaste muldmetallide mikrolegeeriv toime
Haruldased muldmetallid esinevad peamiselt alumiiniumis ja alumiiniumsulamites kolmel kujul: tahke lahus maatriksis α (Al); Segregatsioon faasipiiril, terade piiril ja dendriidi piiril; tahke lahus ühendis või selle kujul. Haruldaste muldmetallide tugevdav toime alumiiniumisulamid hõlmavad peamiselt teravilja rafineerimise tugevdamist, lõpliku lahusega tugevdamist ja haruldaste muldmetallide ühendite teise faasi tugevdamist.
Haruldaste muldmetallide olemasolu alumiiniumis ja alumiiniumsulamis on tihedalt seotud selle lisamise kogusega.Üldiselt, kui RE sisaldus on alla 0,1%, on RE roll peamiselt peeneteraline tugevdamine ja lõpliku lahuse tugevdamine; Kui RE sisaldus on 0,25% ~ 0,30%, moodustavad RE ja Al suure hulga sfäärilisi või lühikesi vardaid nagu intermetallilised ühendid. , mis on jaotunud tera või tera piiril, ning ilmneb suur hulk dislokatsioone, peeneteralisi sferoidiseeritud struktuure ja dispergeeritud haruldaste muldmetallide ühendeid, mis tekitavad mikrolegeerivaid efekte, nagu teise faasi tugevnemine.
◆ ◆ Haruldaste muldmetallide mõju alumiiniumi ja alumiiniumisulami omadustele ◆◆
01 Haruldaste muldmetallide mõju sulami terviklikele mehaanilistele omadustele
Sulami tugevust, kõvadust, pikenemist, purunemiskindlust, kulumiskindlust ja muid kõikehõlmavaid mehaanilisi omadusi saab parandada sobiva koguse haruldaste muldmetallide lisamisega. Valaluumiiniumist ZL10 seeria sulamile lisatakse 0,3% REb205,9 MPa kuni 274 MPa ja HB 80 kuni 108; 0,42% Sc lisamine 7005 sulamileσbtõusis 314MPa-lt 414MPa,σ-le0.2tõusis 282 MPa-lt 378 MPa-le, plastilisus suurenes 6,8% -lt 10,1% -ni ja stabiilsus kõrgel temperatuuril paranes märkimisväärselt; La ja Ce võivad oluliselt parandada sulami superplastilisust.0,14% ~ 0,64% La lisamine Al-6Mg-0,5Mn sulamile suurendab superplastisust 430% -lt 800% ~ 1000% -ni; Al Si sulami süstemaatiline uurimine näitab, et sulami voolavuspiir ja maksimaalne tõmbetugevus võivad olla väga suured parandatakse sobiva koguse Sc.Joonis fig.3 on näidatud Al-Si7-Mg tõmbemurru SEM-ilmus0.8sulam, mis näitab, et tegemist on tüüpilise rabeda lõhustamismurruga ilma RE-ta, samas kui pärast 0,3% RE lisamist ilmneb murrul ilmne lohku struktuur, mis näitab, et sellel on hea sitkus ja elastsus.
Joonis 3 Tõmbemurdude morfoloogia
a.Pole RE-ga liitunud;b.Lisage 0,3% RE
02Haruldaste muldmetallide mõju sulamite kõrgtemperatuursetele omadustele
Teatud koguse lisamineharuldased muldmetallidAlumiiniumisulamisse lisamine võib tõhusalt parandada alumiiniumisulami kõrge temperatuuri oksüdatsioonikindlust. 1–1,5% segatud haruldaste muldmetallide lisamine valatud Al Si eutektilisele sulamile suurendab tugevust kõrgel temperatuuril 33%, rebenemistugevust kõrgel temperatuuril (300 ℃, 1000 tundi) 44% võrra ning kulumiskindlus ja kõrge temperatuuri stabiilsus on oluliselt paranenud; La, Ce, Y ja segametalli lisamine valatud Al Cu sulamitele võib parandada sulamite omadusi kõrgel temperatuuril; Kiiresti tahkunud Al-8,4%. Fe-3,4% Ce sulam võib töötada pikka aega temperatuuril alla 400 ℃, parandades oluliselt alumiiniumisulami töötemperatuuri; Al Mg Si sulamile lisatakse Sc, et moodustada Al3Sc-osakesed, mida ei ole kõrgel temperatuuril lihtne jämedamaks muuta ja mis ühtivad maatriksiga, et kinnitada tera piiri, nii et sulam säilitab lõõmutamise ajal ümberkristallimata struktuuri ja parandab oluliselt sulami omadusi kõrgel temperatuuril.
03 Haruldaste muldmetallide mõju sulamite optilistele omadustele
Haruldaste muldmetallide lisamine alumiiniumisulamisse võib muuta selle pinna oksiidkile struktuuri, muutes pinna heledamaks ja ilusamaks. Kui alumiiniumisulamile lisatakse 0,12% ~ 0,25% RE, on oksüdeeritud ja värvilise 6063 profiili peegeldusvõime kuni 92%; Kui Al Mg valatud alumiiniumisulamile lisatakse 0,1% ~ 0,3% RE, võib sulam saavutada parima pinnaviimistluse ja läikekindluse.
04 Haruldaste muldmetallide mõju sulamite elektrilistele omadustele
RE lisamine kõrge puhtusastmega alumiiniumile kahjustab sulami juhtivust, kuid juhtivust saab teatud määral parandada, lisades sobivat RE tööstuslikule puhtale alumiiniumile ja Al Mg Si juhtivatele sulamitele. Katsetulemused näitavad, et alumiiniumi juhtivus saab parandada 2% ~ 3% võrra, lisades 0,2% RE. Väikese koguse ütriumirikka haruldaste muldmetallide lisamine Al Zr sulamile võib parandada sulami juhtivust, mis on kasutusele võetud enamikus kodumaistes traadivabrikutes; lisada haruldaste muldmetallide jälgi. kõrge puhtusastmega alumiiniumile, et valmistada Al RE fooliumkondensaatorit.25kV toodetes kasutamisel kahekordistub mahtuvusindeks, ruumalaühiku maht suureneb 5 korda, kaal väheneb 47% ja kondensaatori maht väheneb oluliselt.
05Haruldaste muldmetallide mõju sulami korrosioonikindlusele
Mõnes teeninduskeskkonnas, eriti kloriidioonide juuresolekul, on sulamid tundlikud korrosiooni, pragukorrosiooni, pingekorrosiooni ja korrosiooniväsimuse suhtes. Alumiiniumisulamite korrosioonikindluse parandamiseks on läbi viidud palju uuringuid.On leitud, et sobiva koguse haruldaste muldmetallide lisamine alumiiniumisulamitele võib tõhusalt parandada nende korrosioonikindlust. Proove, mis tehti erinevas koguses segatud haruldaste muldmetallide (0,1–0,5%) lisamisel alumiiniumile, leotati kolm korda järjest soolvees ja tehismerevees. aastat.Tulemused näitavad, et väikese koguse haruldaste muldmetallide lisamine alumiiniumile võib parandada alumiiniumi korrosioonikindlust ning soolvees ja tehismerevees on korrosioonikindlus vastavalt 24% ja 32% kõrgem kui alumiiniumil; kasutades keemilise auru meetodit ja lisades haruldaste muldmetallide mitmekomponendiline penetrant (La, Ce jne), võib 2024 sulami pinnale moodustada haruldaste muldmetallide konversioonikile kihi, mis muudab alumiiniumsulami pinnaelektroodi potentsiaali ühtlaseks ja parandab vastupidavust teradevaheline korrosioon ja pingekorrosioon; La lisamine suure magneesiumisisaldusega alumiiniumisulamitele võib oluliselt parandada sulami merekorrosioonivastast võimet; 1,5–2,5% Nd lisamine alumiiniumisulamitele võib parandada kõrgtemperatuuri jõudlust, õhutihedust ja korrosioonikindlust. sulamid, mida kasutatakse laialdaselt kosmosematerjalina.
◆ ◆ Haruldaste muldmetallide alumiiniumisulami valmistamise tehnoloogia ◆ ◆
Haruldased muldmetallid lisatakse enamasti mikroelementidena alumiiniumisulamitesse ja muudesse sulamitesse.Haruldastel muldmetallidel on kõrge keemiline aktiivsus, kõrge sulamistemperatuur ning seda on lihtne oksüdeeruda ja kõrgel temperatuuril põletada.See on põhjustanud teatavaid raskusi haruldaste muldmetallide alumiiniumisulamite valmistamisel ja kasutamisel.Pikaajalistes eksperimentaalsetes uuringutes jätkatakse haruldaste muldmetallide alumiiniumisulamite valmistamismeetodite uurimist.Praegu on haruldaste muldmetallide alumiiniumisulamite valmistamise peamised tootmismeetodid. on segamismeetod, sulasoola elektrolüüsi meetod ja aluminotermiline redutseerimismeetod.
01 Segamismeetod
Segasulatusmeetod on haruldaste muldmetallide või segatud haruldaste muldmetallide lisamine kõrgtemperatuursele alumiiniumvedelikule proportsionaalselt põhisulami või rakendussulami valmistamiseks ning seejärel põhisulami ja ülejäänud alumiiniumi sulatamine vastavalt arvutatud kogusele kokku, segamine ja rafineerimine. .
02 Elektrolüüs
Sulasoola elektrolüüsimeetodiks on haruldaste muldmetallide oksiidi või haruldaste muldmetallide soola lisamine tööstusliku alumiiniumi elektrolüütilise raku sisse ja alumiiniumoksiidiga elektrolüüsimine, et saada haruldaste muldmetallide alumiiniumsulam. Sulasoola elektrolüüsi meetod on Hiinas suhteliselt kiiresti arenenud.Üldiselt on kaks võimalust, nimelt vedelkatoodi meetod ja elektrolüütiline eutektoidmeetod.Praeguseks on välja töötatud, et haruldasi muldmetallide ühendeid saab lisada otse tööstuslikesse alumiiniumi elektrolüütilistesse elementidesse ja haruldaste muldmetallide alumiiniumisulameid saab toota kloriidsulamite elektrolüüsil eutektoidmeetodil.
03 Aluminotermiline redutseerimismeetod
Kuna alumiiniumil on tugev redutseerimisvõime ja alumiinium võib moodustada haruldaste muldmetallidega mitmesuguseid intermetallilisi ühendeid, saab alumiiniumi kasutada redutseeriva ainena haruldaste muldmetallide alumiiniumisulamite valmistamisel. Peamised keemilised reaktsioonid on näidatud järgmises valemis:
RE2O3+ 6Al→2REAl2+ Al2O3
Nende hulgas võib haruldaste muldmetallide toorainena kasutada haruldaste muldmetallide oksiidi või haruldaste muldmetallide rikast räbu; Redutseerija võib olla tööstuslik puhas alumiinium või räni alumiinium; Redutseerimistemperatuur on 1400 ℃ ~ 1600 ℃. Algstaadiumis kanti seda. välja tingimusel, et on olemas kuumutusagens ja räbustik ning kõrge redutseerimistemperatuur põhjustaks palju probleeme; Viimastel aastatel on teadlased välja töötanud uue aluminotermilise redutseerimise meetodi.Madalamal temperatuuril (780 ℃) lõpeb aluminotermiline redutseerimisreaktsioon naatriumfluoriidi ja naatriumkloriidi süsteemis, mis väldib esialgsest kõrgest temperatuurist tingitud probleeme.
◆ ◆ Haruldaste muldmetallide alumiiniumisulami kasutamise edenemine ◆ ◆
01 Haruldaste muldmetallide alumiiniumisulamite kasutamine energeetikas
Hea juhtivuse, suure voolukandevõime, suure tugevuse, kulumiskindluse, hõlpsa töötlemise ja pika kasutusea eeliste tõttu saab haruldaste muldmetallide alumiiniumisulamit kasutada kaablite, õhuliinide, juhtmesüdamike, liugjuhtmete ja õhukeste juhtmete valmistamiseks. eriotstarbelised. Väikese koguse RE lisamine Al Si sulamisüsteemi võib parandada juhtivust, mis tuleneb sellest, et alumiiniumisulamis sisalduv räni on suure sisaldusega lisandite element, millel on suurem mõju elektrilistele omadustele.Sobiva koguse haruldaste muldmetallide lisamine võib parandada sulamis oleva räni morfoloogiat ja jaotumist, mis võib tõhusalt parandada alumiiniumi elektrilisi omadusi; väikese koguse ütriumi või ütriumirikka segatud haruldaste muldmetallide lisamine kuumakindlasse alumiiniumsulamist traati ei suuda mitte ainult säilitada head jõudlust kõrgel temperatuuril, vaid ka parandada juhtivust; Haruldased muldmetallid võivad parandada alumiiniumisulamisüsteemi tõmbetugevust, kuumakindlust ja korrosioonikindlust.Haruldasest muldmetallist alumiiniumsulamist valmistatud kaablid ja juhtmed võivad suurendada kaablitorni pikkust ja pikendada kaablite kasutusiga.
02Haruldaste muldmetallide alumiiniumisulamite kasutamine ehitustööstuses
6063 alumiiniumsulam on ehitustööstuses kõige laialdasemalt kasutatav.0,15–0,25% haruldaste muldmetallide lisamine võib märkimisväärselt parandada valatud muldmetallide struktuuri ja töötlemisstruktuuri ning parandada ekstrusiooni jõudlust, kuumtöötlusefekti, mehaanilisi omadusi, korrosioonikindlust, pinnatöötlust ja värvitooni. On leitud, et haruldased muldmetallid on peamiselt jaotunud 6063 alumiiniumsulamis α-Al neutraliseerib faasipiiri, terade piiri ja interdendriitide ning need lahustuvad ühendites või eksisteerivad ühendite kujul, et täpsustada dendriidi struktuuri ja terasid, nii et lahustumata eutektika suurus ja suurus süvendi piirkonnas olevad lohud muutuvad oluliselt väiksemaks, jaotus on ühtlane ja tihedus suureneb, nii et sulami erinevad omadused paranevad erineval määral.Näiteks suurendatakse profiili tugevust rohkem kui 20%, venivus suureneb 50% ja korrosioonikiirus väheneb rohkem kui kaks korda, oksiidkile paksus suureneb 5% ~ 8% ja värviomadus suureneb umbes 3%.Seetõttu kasutatakse RE-6063 sulamist ehitusprofiile laialdaselt.
03Haruldaste muldmetallide alumiiniumisulami kasutamine igapäevastes toodetes
Haruldaste muldmetallide lisamine puhtale alumiiniumile ja Al Mg-seeria alumiiniumisulamitele igapäevaseks kasutamiseks mõeldud alumiiniumtoodetele võib oluliselt parandada mehaanilisi omadusi, sügavtõmbumisomadusi ja korrosioonikindlust. Igapäevased vajadused, nagu alumiiniumpotid, alumiiniumpannid, alumiiniumtaldrikud, alumiiniumist lõunakarbid, Al Mg RE sulamist valmistatud alumiiniumist mööblitugede, alumiiniumrataste ja kodumasinate osade korrosioonikindlus on üle kahe korra suurem, kaalulangus on 10–15%, saagis suureneb 10–20%, tootmiskulud vähenevad 10–15%, ning parem sügavtõmbe- ja sügavtöötlemisomadus võrreldes haruldaste muldmetallideta alumiiniumisulamist toodetega. Praegu on haruldaste muldmetallide alumiiniumisulami igapäevaseid vajadusi laialdaselt kasutatud ning tooted on märkimisväärselt suurenenud ning neid müüakse hästi kodu- ja välisturgudel .
04 Haruldaste muldmetallide alumiiniumisulamite kasutamine muudes aspektides
Mõne tuhandiku haruldaste muldmetallide lisamine kõige laialdasemalt kasutatavasse Al Si seeria valusulamisse võib oluliselt parandada sulami töötlemist.Paljude kaubamärkide tooteid on kasutatud õhusõidukites, laevades, autodes, diiselmootorites, mootorratastes ja soomukites (kolb, käigukast, silinder, mõõteriistad ja muud osad). Uuringute ja rakenduste käigus on leitud, et Sc on kõige tõhusam element optimeerida alumiiniumisulamite struktuuri ja omadusi.Sellel on tugev dispersioonitugevdamine, tera rafineerimise tugevdamine, lahust tugevdav ja mikrosulamit tugevdav toime alumiiniumile ning see võib parandada sulamite tugevust, kõvadust, plastilisust, sitkust, korrosioonikindlust, kuumakindlust jne. Sc Al-seeria sulameid on kasutatud kõrgtehnoloogiline tööstus, nagu lennundus, laevad, kiirrongid, kergsõidukid jne. NASA välja töötatud C557Al Mg Zr Sc seeria skandiumalumiiniumisulamil on kõrge tugevus ning kõrge temperatuuri ja madala temperatuuri stabiilsus ning seda on kasutatud õhusõidukite kere ja õhusõidukite puhul konstruktsiooniosad;Venemaa välja töötatud sulam 0146Al Cu Li Sc on rakendatud kosmoselaevade krüogeense kütusepaagi jaoks.
33. köitest, Wang Hui, Yang Ani ja Yun Qi haruldaste muldmetallide 1. number
Postitusaeg: juuli-05-2023