Primjena odrijetka zemljau lijevanju aluminijske legure provedeno je ranije u inozemstvu.Iako je Kina započela s istraživanjem i primjenom ovog aspekta tek 1960-ih godina, on se ubrzano razvijao.Puno je posla učinjeno od istraživanja mehanizma do praktične primjene i postignuta su neka postignuća. S dodatkom elemenata rijetke zemlje, mehanička svojstva, svojstva lijevanja i električna svojstva aluminijskih legura znatno su poboljšana. Na području novih materijala, bogata optička, električna i magnetska svojstva elemenata rijetke zemlje također igraju važnu ulogu u izradi trajnih magnetskih materijala od rijetke zemlje, materijala koji emitiraju svjetlost od rijetke zemlje, materijala za pohranu vodika od rijetke zemlje itd.
◆ ◆ Mehanizam djelovanja rijetke zemlje u aluminiju i aluminijskim legurama ◆ ◆
Rijetke zemlje imaju visoku kemijsku aktivnost, nizak potencijal i poseban raspored slojeva elektrona, te mogu komunicirati s gotovo svim elementima. Rijetke zemlje koje se obično koriste u aluminiju i aluminijskim legurama uključuju La (lantan), Ce (cerij), Y (itrij) i Sc (skandij).Često se dodaju u aluminijsku tekućinu s modifikatorima, sredstvima za nukleaciju i sredstvima za otplinjavanje, koja mogu pročistiti talinu, poboljšati strukturu, pročistiti zrno itd.
01Pročišćavanje rijetke zemlje
Kako će velika količina plina i oksidnih inkluzija (uglavnom vodika, kisika i dušika) biti unesena tijekom taljenja i lijevanja aluminijske legure, pojavit će se rupe, pukotine, inkluzije i drugi nedostaci u odljevku (vidi sliku 1a), smanjujući čvrstoća aluminijske legure. Učinak pročišćavanja rijetke zemlje uglavnom se očituje u očitom smanjenju sadržaja vodika u rastaljenom aluminiju, smanjenju stope rupica i poroznosti (vidi sliku 1b), te smanjenju inkluzija i štetnih elemenata. Glavni razlog je taj što rijetka zemlja ima veliki afinitet prema vodiku, koji može apsorbirati i otopiti vodik u velikim količinama i formirati stabilne spojeve bez stvaranja mjehurića, čime se značajno smanjuje sadržaj vodika i poroznost aluminija; rijetke zemlje i dušik tvore vatrostalne spojeve, koji su većinom se uklanja u obliku troske u procesu taljenja, kako bi se postigla svrha pročišćavanja aluminijske tekućine.
Praksa je dokazala da rijetke zemlje utječu na smanjenje sadržaja vodika, kisika i sumpora u aluminiju i aluminijskim legurama.Dodavanje 0,1%~0,3% RE u aluminijsku tekućinu pomaže u boljem uklanjanju štetnih nečistoća, pročišćavanju nečistoća ili promjeni njihove morfologije, kako bi se pročistile i ravnomjerno rasporedile zrnca; Osim toga, RE i štetne nečistoće s niskim talištem tvore binarne spojeve kao što su RES, REAs i REPb, koji su karakterizirani visokim talištem, niskom gustoćom i stabilnim kemijskim svojstvima, te se mogu isplivati kako bi se stvorila troska i ukloniti, čime se pročišćava aluminijska tekućina; Preostale fine čestice postaju heterogene jezgre aluminija za pročišćavanje žitarica.
Slika 1 SEM morfologija legure 7075 bez RE i w (RE)=0,3%
a.RE se ne dodaje;b.Dodaj w (RE)=0,3%
02Metamorfizam rijetke zemlje
Modifikacija rijetkih zemalja uglavnom se očituje u pročišćavanju zrna i dendrita, inhibirajući pojavu grube lamelarne T2 faze, eliminirajući grubu masivnu fazu raspoređenu u primarnom kristalu i formirajući sferičnu fazu, tako da su spojevi trake i fragmenata na granici zrna značajno smanjeni. (vidi sliku 2). Općenito, radijus atoma rijetke zemlje je veći od polumjera atoma aluminija, a njegova svojstva su relativno aktivna.Taljenjem u aluminijskoj tekućini vrlo je lako popuniti površinske nedostatke faze legure, što smanjuje površinsku napetost na sučelju između nove i stare faze i poboljšava brzinu rasta kristalne jezgre; u isto vrijeme, također može formirati površinu aktivni film između zrna i rastaljene tekućine kako bi se spriječio rast generiranih zrna i pročistila struktura legure (vidi sliku 2b).
Slika 2. Mikrostruktura legura s različitim dodatkom RE
a.RE doziranje je 0;b.Dodatak RE je 0,3%; c.Dodatak RE je 0,7%
Nakon dodavanja elemenata rijetke zemlje α, zrna (Al) faze počela su postajati manja, što je imalo ulogu u pročišćavanju zrna α (Al) transformiranih u oblik male ruže ili šipke, kada je sadržaj rijetke zemlje 0,3% α Veličina zrna (Al ) faza je najmanja, te postupno raste s daljnjim povećanjem sadržaja rijetkih zemalja. Eksperimentima je dokazano da postoji određeni period inkubacije za metamorfizam rijetkih zemalja, a tek kada se drži na visokoj temperaturi određeno vrijeme, rijetke zemlje će igrati najveću ulogu u metamorfizmu. Osim toga, broj kristalnih jezgri spojeva koje tvore aluminij i rijetke zemlje uvelike se povećava kada metal kristalizira, što također čini strukturu legure rafiniranom. Istraživanje pokazuje da rijetke zemlje imaju dobre učinak modifikacije aluminijske legure.
03 Učinak mikrolegiranja rijetkih zemalja
Rijetke zemlje uglavnom postoje u aluminiju i aluminijskim legurama u tri oblika: kruta otopina u matriciα(Al); Segregacija na granici faza, granici zrna i granici dendrita; Čvrsta otopina u ili u obliku spoja. Učinci jačanja rijetkih zemalja u aluminijske legure uglavnom uključuju ojačanje usitnjavanjem zrna, ojačanje konačnom otopinom i drugu fazu ojačanja spojeva rijetkih zemalja.
Oblik postojanja rijetke zemlje u aluminiju i aluminijskoj slitini usko je povezan s njegovom količinom dodatka.Općenito, kada je sadržaj RE manji od 0,1%, uloga RE je uglavnom ojačavanje finih zrna i konačno ojačanje otopinom; kada je sadržaj RE 0,25%~0,30%, RE i Al formiraju veliki broj intermetalnih spojeva poput sferičnih ili kratkih šipki , koji su raspoređeni u zrnu ili granici zrna, i pojavljuje se veliki broj dislokacija, fino zrnate sferoidizirane strukture i raspršeni spojevi rijetkih zemalja, koji će proizvesti mikrolegirajuće učinke kao što je ojačanje druge faze.
◆ ◆ Učinak rijetkih zemalja na svojstva aluminija i aluminijskih legura ◆◆
01 Učinak rijetke zemlje na sveobuhvatna mehanička svojstva legure
Čvrstoća, tvrdoća, istezanje, žilavost na lom, otpornost na trošenje i druga sveobuhvatna mehanička svojstva legure mogu se poboljšati dodavanjem odgovarajuće količine rijetke zemlje. 0,3% RE dodaje se slitini serije ZL10 od lijevanog aluminijaσbod 205,9 MPa do 274 MPa, i HB od 80 do 108; Dodavanje 0,42% Sc leguri 7005σbpovećan sa 314MPa na 414MPa,σ0,2povećana s 282MPa na 378MPa, plastičnost je povećana sa 6,8% na 10,1%, a stabilnost na visokim temperaturama značajno je poboljšana; La i Ce mogu značajno poboljšati superplastičnost legure.Dodavanje 0,14%~0,64% La leguri Al-6Mg-0,5Mn povećava superplastičnost sa 430% na 800%~1000%; Sustavno istraživanje legure Al Si pokazuje da granica razvlačenja i krajnja vlačna čvrstoća legure mogu biti znatno poboljšana dodavanjem odgovarajuće količine Sc.Sl.Slika 3 prikazuje SEM izgled vlačnog loma Al-Si7-Mg0.8legure, što ukazuje da se radi o tipičnom krhkom cijepnom lomu bez RE, dok se nakon dodavanja 0,3% RE pojavljuje očita rupičasta struktura u lomu, što ukazuje na dobru žilavost i duktilnost.
Slika 3 Vlačna morfologija loma
a.Nije se pridružio RE;b.Dodajte 0,3% RE
02Učinak rijetkih zemalja na visokotemperaturna svojstva legura
Dodavanje određene količinerijetka zemljau aluminijsku leguru može učinkovito poboljšati otpornost aluminijske legure na oksidaciju pri visokim temperaturama. Dodavanje 1%~1,5% miješane rijetke zemlje u lijevanu Al Si eutektičku leguru povećava čvrstoću pri visokim temperaturama za 33%, otpornost na kidanje pri visokim temperaturama (300 ℃, 1000 sati) za 44%, a otpornost na habanje i stabilnost na visokim temperaturama značajno su poboljšani; Dodavanje La, Ce, Y i mischmetala u lijevane Al Cu legure može poboljšati svojstva legura na visokim temperaturama; Brzo skrutnuti Al-8,4% Fe-3,4% Ce legura može raditi dugo vremena ispod 400 ℃, uvelike poboljšavajući radnu temperaturu aluminijske legure; Sc se dodaje Al Mg Si leguri kako bi se formirao Al3Sc čestice koje nije lako ogrubliti na visokoj temperaturi i povezuju se s matricom kako bi pričvrstile granicu zrna, tako da legura održava nerekristaliziranu strukturu tijekom žarenja i uvelike poboljšava svojstva legure pri visokim temperaturama.
03 Učinak rijetkih zemalja na optička svojstva legura
Dodavanje rijetke zemlje u aluminijsku leguru može promijeniti strukturu njezinog površinskog oksidnog filma, čineći površinu svjetlijom i ljepšom. Kada se aluminijskoj leguri doda 0,12%~0,25% RE, reflektivnost oksidiranog i obojenog 6063 profila je do 92%; Kada se 0,1% ~ 0,3% RE doda Al Mg lijevanoj aluminijskoj slitini, legura može postići najbolju površinsku obradu i postojanost sjaja.
04 Učinak rijetkih zemalja na električna svojstva legura
Dodavanje RE aluminiju visoke čistoće štetno je za vodljivost legure, ali vodljivost se može poboljšati do određene mjere dodavanjem odgovarajućeg RE industrijskom čistom aluminiju i vodljivim legurama Al Mg Si. Eksperimentalni rezultati pokazuju da vodljivost aluminija može se poboljšati za 2%~3% dodavanjem 0,2% RE. Dodavanje male količine rijetke zemlje bogate itrijem u Al Zr leguru može poboljšati vodljivost legure, što je usvojila većina domaćih tvornica žice; Dodajte tragove rijetke zemlje na aluminij visoke čistoće za izradu Al RE folijskog kondenzatora.Kada se koristi u proizvodima od 25 kV, indeks kapaciteta se udvostručuje, kapacitet po jedinici volumena povećava se 5 puta, težina se smanjuje za 47%, a volumen kondenzatora značajno se smanjuje.
05Učinak rijetke zemlje na korozijsku otpornost legure
U nekim radnim okruženjima, posebno u prisutnosti kloridnih iona, legure su osjetljive na koroziju, koroziju u pukotinama, naponsku koroziju i zamor od korozije. Kako bi se poboljšala otpornost aluminijskih legura na koroziju, provedena su mnoga istraživanja.Utvrđeno je da dodavanje odgovarajuće količine rijetkih zemalja aluminijskim legurama može učinkovito poboljšati njihovu otpornost na koroziju. Uzorci napravljeni dodavanjem različitih količina miješanih rijetkih zemalja (0,1%~0,5%) aluminiju natopljeni su u slanoj vodi i umjetnoj morskoj vodi tri uzastopna godine.Rezultati pokazuju da dodavanje male količine rijetkih zemalja aluminiju može poboljšati otpornost aluminija na koroziju, a otpornost na koroziju u salamuri i umjetnoj morskoj vodi je 24% odnosno 32% veća od one kod aluminija; Korištenje metode kemijske pare i dodavanje višekomponentni penetrant za rijetke zemlje (La, Ce, itd.), sloj filma za konverziju rijetkih zemalja može se formirati na površini legure 2024, čime potencijal površinske elektrode aluminijske legure ima tendenciju da bude ujednačen i poboljšava otpornost na interkristalna korozija i korozija naprezanja; Dodavanje La leguri aluminija s visokim sadržajem Mg može značajno poboljšati sposobnost legure protiv morske korozije; Dodavanje 1,5%~2,5% Nd aluminijskim legurama može poboljšati performanse pri visokim temperaturama, nepropusnost zraka i otpornost na koroziju legure, koje se široko koriste kao materijali za zrakoplovstvo.
◆ ◆ Tehnologija pripreme aluminijske legure rijetke zemlje ◆ ◆
Rijetke zemlje uglavnom se dodaju u obliku elemenata u tragovima u aluminijskim i drugim legurama.Rijetke zemlje imaju visoku kemijsku aktivnost, visoko talište i lako se oksidiraju i spaljuju na visokim temperaturama.To je uzrokovalo određene poteškoće u pripremi i primjeni aluminijskih legura rijetkih zemalja. U dugotrajnom eksperimentalnom istraživanju ljudi nastavljaju istraživati metode pripreme aluminijskih legura rijetkih zemalja. Trenutačno su glavne proizvodne metode za pripremu aluminijskih legura rijetkih zemalja su metoda miješanja, metoda elektrolize rastaljene soli i metoda aluminotermne redukcije.
01 Metoda miješanja
Metoda mješovitog taljenja je dodavanje rijetke zemlje ili miješanog metala rijetke zemlje u visokotemperaturnu aluminijsku tekućinu u omjeru kako bi se napravila glavna legura ili legura za primjenu, a zatim zajedno topiti glavnu leguru i preostali aluminij u skladu s izračunatim dodatkom, potpuno promiješati i pročistiti .
02 Elektroliza
Metoda elektrolize rastaljene soli je dodavanje oksida rijetke zemlje ili soli rijetke zemlje u industrijsku aluminijsku elektrolitičku ćeliju i elektroliza s aluminijevim oksidom za proizvodnju aluminijske legure rijetke zemlje. Metoda elektrolize rastaljene soli relativno se brzo razvila u Kini.Općenito, postoje dva načina, naime, metoda tekuće katode i elektrolitička eutektoidna metoda.Trenutno je razvijeno da se spojevi rijetkih zemalja mogu izravno dodati industrijskim aluminijskim elektrolitičkim ćelijama, a aluminijske legure rijetkih zemalja mogu se proizvesti elektrolizom kloridnih talina eutektoidnom metodom.
03 Metoda aluminotermne redukcije
Budući da aluminij ima snažnu sposobnost redukcije, a aluminij može tvoriti različite intermetalne spojeve s rijetkim zemljama, aluminij se može koristiti kao redukcijsko sredstvo za pripremu aluminijskih legura rijetkih zemalja. Glavne kemijske reakcije prikazane su u sljedećoj formuli:
RE2O3+ 6Al→2REAl2+ Al2O3
Među njima, oksidi rijetkih zemalja ili troska bogata rijetkim zemljama mogu se koristiti kao sirovine rijetkih zemalja; redukcijsko sredstvo može biti industrijski čisti aluminij ili silikonski aluminij; temperatura redukcije je 1400 ℃ ~ 1600 ℃. U ranoj fazi, to se nosilo van pod uvjetom postojanja sredstva za zagrijavanje i fluksa, a visoka redukcijska temperatura uzrokovala bi mnoge probleme; Posljednjih godina istraživači su razvili novu aluminotermičku metodu redukcije.Na nižoj temperaturi (780 ℃) dovršava se aluminotermna reakcija redukcije u sustavu natrijevog fluorida i natrijevog klorida, čime se izbjegavaju problemi uzrokovani izvornom visokom temperaturom.
◆ ◆ Napredak primjene aluminijske legure rijetke zemlje ◆ ◆
01 Primjena aluminijske legure rijetkih zemalja u elektroenergetici
Zbog prednosti dobre vodljivosti, velike nosivosti struje, visoke čvrstoće, otpornosti na habanje, jednostavne obrade i dugog vijeka trajanja, aluminijska legura rijetke zemlje može se koristiti za proizvodnju kabela, nadzemnih dalekovoda, žičanih jezgri, kliznih žica i tankih žica za posebne namjene. Dodavanje male količine RE u sustavu Al Si legure može poboljšati vodljivost, a to je zato što je silicij u aluminijskoj leguri element nečistoće s visokim sadržajem, koji ima veći utjecaj na električna svojstva.Dodavanje odgovarajuće količine rijetke zemlje može poboljšati postojeću morfologiju i distribuciju silicija u leguri, što može učinkovito poboljšati električna svojstva aluminija; dodavanje male količine itrija ili itrijem bogate miješane rijetke zemlje u žicu od aluminijske legure otporne na toplinu ne samo da može održavati dobre performanse pri visokim temperaturama, već i poboljšati vodljivost; rijetke zemlje mogu poboljšati vlačnu čvrstoću, otpornost na toplinu i otpornost na koroziju sustava aluminijskih legura.Kabeli i vodiči izrađeni od aluminijske legure rijetke zemlje mogu povećati raspon kabelskog tornja i produžiti životni vijek kabela.
02Primjena aluminijske legure rijetkih zemalja u građevinarstvu
6063 aluminijska legura najčešće se koristi u građevinskoj industriji.Dodavanje 0,15% ~ 0,25% rijetke zemlje može značajno poboljšati strukturu odljeva i strukturu obrade, te može poboljšati izvedbu ekstruzije, učinak toplinske obrade, mehanička svojstva, otpornost na koroziju, izvedbu obrade površine i ton boje. Utvrđeno je da je rijetka zemlja uglavnom se distribuiraju u 6063 aluminijskoj leguriα-Al neutralizira faznu granicu, granicu zrna i međudendritske, a otopljeni su u spojevima ili postoje u obliku spojeva za pročišćavanje strukture dendrita i zrnaca, tako da veličina neotopljenog eutektika i veličina udubljenja u području udubljenja postaju znatno manji, raspodjela je ujednačena, a gustoća se povećava, tako da su različita svojstva legure poboljšana u različitim stupnjevima.Na primjer, čvrstoća profila se povećava za više od 20%, produljenje se povećava za 50%, a stopa korozije se smanjuje više od dva puta, debljina oksidnog filma se povećava za 5%~8%, i svojstvo bojenja povećava se za oko 3%. Stoga se građevinski profili od legura RE-6063 široko koriste.
03Primjena aluminijske legure rijetke zemlje u svakodnevnim proizvodima
Dodavanje tragova rijetke zemlje čistom aluminiju i aluminijskim legurama serije Al Mg za svakodnevnu upotrebu aluminijskih proizvoda može značajno poboljšati mehanička svojstva, svojstvo dubokog izvlačenja i otpornost na koroziju. Dnevne potrepštine kao što su aluminijski lonci, aluminijske tave, aluminijski tanjuri, aluminijske kutije za ručak, aluminijski nosači namještaja, aluminijski bicikli i dijelovi kućanskih aparata izrađeni od Al Mg RE legure imaju više nego dvostruko veću otpornost na koroziju, 10%~15% smanjenje težine, 10%~20% povećanje prinosa, 10%~15% smanjenje troškova proizvodnje, i bolju izvedbu dubokog izvlačenja i duboke obrade u usporedbi s proizvodima od aluminijskih legura bez rijetke zemlje. Trenutačno su dnevne potrebe aluminijske legure rijetke zemlje naširoko korištene, a proizvodi su se značajno povećali i dobro se prodaju na domaćem i stranim tržištima .
04 Primjena aluminijske legure rijetke zemlje u drugim aspektima
Dodavanje nekoliko tisućinki rijetke zemlje u najčešće korištenu leguru serije Al Si može značajno poboljšati performanse obrade legure.Mnoge marke proizvoda korištene su u zrakoplovima, brodovima, automobilima, dizelskim motorima, motociklima i oklopnim vozilima (klip, mjenjač, cilindar, instrumentacija i drugi dijelovi). U istraživanju i primjeni utvrđeno je da je Sc najučinkovitiji element za optimizirati strukturu i svojstva aluminijskih legura.Ima snažan učinak disperzijskog ojačanja, usitnjavanja zrna, ojačanja otopine i mikrolegure na aluminiju te može poboljšati čvrstoću, tvrdoću, plastičnost, žilavost, otpornost na koroziju, otpornost na toplinu itd. legura. Sc Al serije legura korištene su u visokotehnološke industrije kao što su zrakoplovstvo, brodovi, brzi vlakovi, laka vozila itd. C557Al Mg Zr Sc serija skandij legura aluminija koju je razvila NASA ima veliku čvrstoću i stabilnost na visokim i niskim temperaturama i primijenjena je na trup zrakoplova i zrakoplove strukturni dijelovi; 0146Al Cu Li Sc legura koju je razvila Rusija primijenjena je na kriogeni spremnik goriva svemirskih letjelica.
Iz 33. sveska, 1. izdanja knjige Rare Earth autora Wang Hui, Yang An i Yun Qi
Vrijeme objave: 5. srpnja 2023