Piemērošanaretzemju zemealumīnija sakausējuma liešanā agrāk tika veikta ārzemēs.Lai gan Ķīna šī aspekta izpēti un pielietojumu sāka tikai pagājušā gadsimta 60. gados, tas ir strauji attīstījies.Ir paveikts liels darbs, sākot no mehānismu izpētes līdz praktiskajam pielietojumam, un ir gūti daži sasniegumi.Pievienojot retzemju elementus, ir ievērojami uzlabojušās alumīnija sakausējumu mehāniskās īpašības, liešanas īpašības un elektriskās īpašības. jauni materiāli, retzemju elementu bagātīgajām optiskajām, elektriskajām un magnētiskajām īpašībām arī ir liela nozīme retzemju pastāvīgo magnētisko materiālu, retzemju gaismu izstarojošo materiālu, retzemju ūdeņraža uzglabāšanas materiālu u.c.
◆ ◆ Alumīnijā un alumīnija sakausējumā esošo retzemju metālu darbības mehānisms ◆ ◆
Retzemju metāliem ir augsta ķīmiskā aktivitāte, zems potenciāls un īpašs elektronu slāņa izvietojums, un tās var mijiedarboties ar gandrīz visiem elementiem. Alumīnijā un alumīnija sakausējumos parasti izmanto retzemju metālu, piemēram, La (lantāns), Ce (cērijs), Y (itrijs) un Sc (skandijs).Tos bieži pievieno alumīnija šķidrumam ar modifikatoriem, nukleācijas līdzekļiem un degazēšanas līdzekļiem, kas var attīrīt kausējumu, uzlabot struktūru, rafinēt graudus utt.
01Retzemju attīrīšana
Tā kā alumīnija sakausējuma kausēšanas un liešanas laikā tiks ievests liels daudzums gāzu un oksīdu ieslēgumu (galvenokārt ūdeņraža, skābekļa un slāpekļa), lējumā radīsies caurumi, plaisas, ieslēgumi un citi defekti (sk. 1.a attēlu), samazinot alumīnija sakausējuma stiprība.Retzemju attīrīšanas efekts galvenokārt izpaužas kā acīmredzama ūdeņraža satura samazināšanās kausētā alumīnijā, caurumu ātruma un porainības samazināšanās (sk. 1.b attēlu), kā arī ieslēgumu un kaitīgo elementu samazināšanās. iemesls ir tas, ka retzemju metāliem ir liela afinitāte ar ūdeņradi, kas var absorbēt un izšķīdināt ūdeņradi lielos daudzumos un veidot stabilus savienojumus, neveidojot burbuļus, tādējādi būtiski samazinot alumīnija ūdeņraža saturu un porainību; retzemju un slāpeklis veido ugunsizturīgus savienojumus, kas ir kausēšanas procesā lielākoties tiek izņemti izdedžu veidā, lai sasniegtu alumīnija šķidruma attīrīšanas mērķi.
Prakse ir pierādījusi, ka retzemju metāli samazina ūdeņraža, skābekļa un sēra saturu alumīnijā un alumīnija sakausējumos.0,1% ~ 0,3% RE pievienošana alumīnija šķidrumam palīdz labāk noņemt kaitīgos piemaisījumus, precizēt piemaisījumus vai mainīt to morfoloģiju, lai rafinētu un vienmērīgi sadalītu graudus; Turklāt RE un kaitīgie piemaisījumi ar zemu kušanas temperatūru veido binārus savienojumus, piemēram, RES, REA un REPb, kam raksturīga augsta kušanas temperatūra, zems blīvums un stabilas ķīmiskās īpašības, un tās var uzpeldēt, veidojot izdedžus un noņemtas, tādējādi attīrot alumīnija šķidrumu; Atlikušās smalkās daļiņas kļūst par neviendabīgiem alumīnija kodoliem, lai tos attīrītu. graudi.
1. att. SEM morfoloģija 7075 sakausējumam bez RE un w (RE)=0,3%
a.RE nav pievienots;b.Pievienot w (RE)=0,3%
02Retzemju metamorfisms
Retzemju modifikācijas galvenokārt izpaužas graudu un dendrītu attīrīšanā, rupjās lamelārās T2 fāzes rašanās kavēšanā, primārajā kristālā sadalītās rupjās masīvās fāzes likvidēšanā un sfēriskās fāzes veidošanā, tādējādi ievērojami samazinās sloksnes un fragmentu savienojumi uz graudu robežas. (sk. 2. attēlu). Parasti retzemju atoma rādiuss ir lielāks nekā alumīnija atomam, un tā īpašības ir relatīvi aktīvas.Kausējot alumīnija šķidrumā, ir ļoti viegli aizpildīt sakausējuma fāzes virsmas defektus, kas samazina virsmas spraigumu uz saskarnes starp jaunajām un vecajām fāzēm un uzlabo kristāla kodola augšanas ātrumu; tajā pašā laikā tas var arī veidot virsmu. aktīvā plēve starp graudiem un izkusušo šķidrumu, lai novērstu radīto graudu augšanu un uzlabotu sakausējuma struktūru (sk. 2.b attēlu).
2. att. Sakausējumu ar dažādu RE piedevu mikrostruktūra
a.RE deva ir 0;b.RE pievienošana ir 0,3%;c.RE pievienošana ir 0,7%
Pēc retzemju elementu pievienošanasα (Al) fāzes graudi sāka kļūt mazāki, kas spēlēja lomu graudu attīrīšanāα (Al), kas pārveidojas mazā rozes vai stieņa formā, kad retzemju saturs ir 0,3%α (Al graudu izmērs) ) fāze ir mazākā un pakāpeniski palielinās līdz ar retzemju satura tālāku pieaugumu. Eksperimenti ir pierādījuši, ka retzemju metamorfismam ir noteikts inkubācijas periods, un tikai tad, ja to noteiktu laiku tur augstā temperatūrā, retzemju metamorfismā būs vislielākā loma.Turklāt alumīnija un retzemju savienojumu veidoto kristālu kodolu skaits ievērojami palielinās, kad metāls kristalizējas, kas arī padara sakausējuma struktūru rafinētu.Pētījumi liecina, ka retzemju zeme ir laba modifikācijas ietekme uz alumīnija sakausējumu.
03 Retzemju mikrosakausēšanas efekts
Retzemju metāls galvenokārt eksistē alumīnijā un alumīnija sakausējumos trīs veidos: ciets šķīdums matricāα (Al); Segregācija pie fāzes robežas, graudu robežas un dendrīta robežas; Ciets šķīdums savienojumā vai tā veidā. Retzemju stiprinošais efekts alumīnija sakausējumi galvenokārt ietver graudu rafinēšanas stiprināšanu, galīgo šķīdumu stiprināšanu un retzemju savienojumu stiprināšanu otrajā fāzē.
Alumīnijā un alumīnija sakausējumos retzemju metālu esamība ir cieši saistīta ar tā pievienošanas daudzumu.Parasti, ja RE saturs ir mazāks par 0,1%, RE loma galvenokārt ir smalku graudu stiprināšana un galīga šķīduma stiprināšana; Ja RE saturs ir 0,25% ~ 0,30%, RE un Al veido lielu skaitu sfērisku vai īsu stieņu, piemēram, intermetālisku savienojumu. , kas ir sadalīti graudu vai graudu robežās, un parādās liels skaits dislokāciju, smalkgraudainas sferoidizētas struktūras un izkliedēti retzemju savienojumi, kas radīs mikro sakausējumus, piemēram, otrās fāzes nostiprināšanos.
◆ ◆ Retzemju ietekme uz alumīnija un alumīnija sakausējuma īpašībām ◆◆
01 Retzemju ietekme uz sakausējuma visaptverošajām mehāniskajām īpašībām
Sakausējuma stiprību, cietību, pagarinājumu, izturību pret lūzumiem, nodilumizturību un citas visaptverošas mehāniskās īpašības var uzlabot, pievienojot atbilstošu retzemju daudzumu.Lietam alumīnija ZL10 sērijas sakausējumam pievieno 0,3% RE.bno 205,9 MPa līdz 274 MPa un HB no 80 līdz 108; 0,42% Sc pievienošana 7005 sakausējumamσbpalielinājās no 314MPa līdz 414MPa,σ0.2palielinājās no 282MPa līdz 378MPa, plastiskums palielinājās no 6,8% līdz 10,1%, un stabilitāte augstā temperatūrā tika ievērojami uzlabota; La un Ce var ievērojami uzlabot sakausējuma superplastiskumu.0,14% ~ 0,64% La pievienošana Al-6Mg-0,5Mn sakausējumam palielina superplastiskumu no 430% līdz 800% ~ 1000%; Al Si sakausējuma sistemātiska izpēte parāda, ka sakausējuma tecēšanas robeža un galīgā stiepes izturība var būt ļoti liela. uzlabota, pievienojot atbilstošu daudzumu Sc.Att.3 parāda Al-Si7-Mg stiepes lūzuma SEM izskatu0.8sakausējums, kas norāda, ka tas ir tipisks trausls šķelšanās lūzums bez RE, savukārt pēc 0,3% RE pievienošanas lūzumā parādās acīmredzama bedrīšu struktūra, kas liecina, ka tam ir laba stingrība un elastība.
3. att. Stiepes lūzuma morfoloģija
a.Nav pievienojies RE;b.Pievienojiet 0,3% RE
02Retzemju ietekme uz sakausējumu augstas temperatūras īpašībām
Pievienojot noteiktu daudzumuretzemju zemeAlumīnija sakausējumā var efektīvi uzlabot alumīnija sakausējuma izturību pret oksidēšanu augstā temperatūrā. 1% ~ 1,5% jauktas retzemju pievienošana lietajam Al Si eitektiskajam sakausējumam palielina izturību augstā temperatūrā par 33%, plīsuma izturību augstā temperatūrā (300 ℃, 1000 stundas) par 44%, un ievērojami uzlabojas nodilumizturība un stabilitāte augstā temperatūrā; La, Ce, Y un mischmetāla pievienošana lietajiem Al Cu sakausējumiem var uzlabot sakausējumu īpašības augstā temperatūrā; ātri sacietē Al-8,4%. Fe-3,4% Ce sakausējums var darboties ilgu laiku zem 400 ℃, ievērojami uzlabojot alumīnija sakausējuma darba temperatūru; Sc tiek pievienots Al Mg Si sakausējumam, veidojot Al3Sc daļiņas, kuras nav viegli rupināt augstā temperatūrā un saskan ar matricu, lai piestiprinātu graudu robežu, lai sakausējums atkausēšanas laikā saglabātu nepārkristalizētu struktūru un ievērojami uzlabotu sakausējuma īpašības augstā temperatūrā.
03 Retzemju ietekme uz sakausējumu optiskajām īpašībām
Retzemju pievienošana alumīnija sakausējumam var mainīt tās virsmas oksīda plēves struktūru, padarot virsmu gaišāku un skaistāku.Kad alumīnija sakausējumam pievieno 0,12% ~ 0,25% RE, oksidētā un krāsainā 6063 profila atstarošanas spēja ir līdz pat 92%;Kad Al Mg lietajam alumīnija sakausējumam pievieno 0,1% ~ 0,3% RE, sakausējums var iegūt vislabāko virsmas apdari un spīduma noturību.
04 Retzemju ietekme uz sakausējumu elektriskajām īpašībām
RE pievienošana augstas tīrības pakāpes alumīnijam ir kaitīga sakausējuma vadītspējai, taču vadītspēju var zināmā mērā uzlabot, pievienojot atbilstošu RE industriālajam tīram alumīnijam un Al Mg Si vadošajiem sakausējumiem. Eksperimenta rezultāti liecina, ka alumīnija vadītspēja var uzlabot par 2% ~ 3%, pievienojot 0,2% RE. Neliela daudzuma retzemju ar itriju bagātu retzemju pievienošana Al Zr sakausējumam var uzlabot sakausējuma vadītspēju, ko ir pieņēmusi lielākā daļa vietējo stiepļu rūpnīcu; Pievienojiet retzemju metālu pēdas. augstas tīrības pakāpes alumīnijam, lai izgatavotu Al RE folijas kondensatoru.Lietojot 25kV produktos, kapacitātes indekss tiek dubultots, tilpuma vienības jauda tiek palielināta 5 reizes, svars tiek samazināts par 47%, un kondensatora tilpums ir ievērojami samazināts.
05Retzemju ietekme uz sakausējuma izturību pret koroziju
Dažās ekspluatācijas vidēs, īpaši hlorīda jonu klātbūtnē, sakausējumi ir neaizsargāti pret koroziju, spraugas koroziju, sprieguma koroziju un korozijas nogurumu. Lai uzlabotu alumīnija sakausējumu izturību pret koroziju, ir veikti daudzi pētījumi.Konstatēts, ka atbilstoša daudzuma retzemju pievienošana alumīnija sakausējumiem var efektīvi uzlabot to izturību pret koroziju. Paraugi, kas izgatavoti, pievienojot alumīnijam dažādu daudzumu jauktu retzemju metālu (0,1% ~ 0,5%), trīs reizes pēc kārtas tika mērcēti sālījumā un mākslīgā jūras ūdenī. gadiem.Rezultāti liecina, ka, pievienojot alumīnijam nelielu daudzumu retzemju metālu, var uzlabot alumīnija izturību pret koroziju, un korozijas izturība sālījumā un mākslīgajā jūras ūdenī ir attiecīgi par 24% un 32% augstāka nekā alumīnijam; izmantojot ķīmisko tvaiku metodi un pievienojot retzemju daudzkomponentu penetrants (La, Ce uc), uz 2024 sakausējuma virsmas var izveidot retzemju konversijas plēves slāni, padarot alumīnija sakausējuma virsmas elektrodu potenciālu vienmērīgu un uzlabojot izturību pret starpgranulu korozija un sprieguma korozija; La pievienošana alumīnija sakausējumam ar augstu Mg saturu var ievērojami uzlabot sakausējuma pretkorozijas spēju; 1,5% ~ 2,5% Nd pievienošana alumīnija sakausējumiem var uzlabot augstas temperatūras veiktspēju, gaisa necaurlaidību un izturību pret koroziju. sakausējumi, kurus plaši izmanto kā kosmosa materiālus.
◆ ◆ Retzemju alumīnija sakausējuma sagatavošanas tehnoloģija ◆ ◆
Alumīnija sakausējumos un citos sakausējumos retzemju metālu mikroelementu veidā galvenokārt pievieno.Retzemju zemēm ir augsta ķīmiskā aktivitāte, augsta kušanas temperatūra, un tās viegli oksidējas un sadedzina augstā temperatūrā.Tas ir radījis zināmas grūtības retzemju alumīnija sakausējumu sagatavošanā un pielietošanā.Ilgtermiņa eksperimentālajos pētījumos cilvēki turpina pētīt retzemju alumīnija sakausējumu sagatavošanas metodes.Šobrīd galvenās retzemju alumīnija sakausējumu sagatavošanas metodes. ir sajaukšanas metode, kausēta sāls elektrolīzes metode un aluminotermiskās reducēšanas metode.
01 Sajaukšanas metode
Jauktā kausēšanas metode ir retzemju vai jauktu retzemju metālu pievienošana augstas temperatūras alumīnija šķidrumam proporcionāli galvenajam sakausējumam vai lietojuma sakausējumam, un pēc tam izkausē galveno sakausējumu un atlikušo alumīniju atbilstoši aprēķinātajai pielaidei, pilnībā samaisa un attīra. .
02 Elektrolīze
Izkausētā sāls elektrolīzes metode ir retzemju oksīda vai retzemju sāls pievienošana rūpnieciskajā alumīnija elektrolītiskajā šūnā un elektrolīze ar alumīnija oksīdu, lai iegūtu retzemju alumīnija sakausējumu. Izkausētā sāls elektrolīzes metode Ķīnā ir attīstījusies salīdzinoši ātri.Parasti ir divi veidi, proti, šķidrā katoda metode un elektrolītiskā eitektoīda metode.Pašlaik ir izstrādāts, ka retzemju savienojumus var tieši pievienot rūpnieciskajiem alumīnija elektrolītiskajiem elementiem, un retzemju alumīnija sakausējumus var ražot ar hlorīda kausējumu elektrolīzi ar eitektoīda metodi.
03 Aluminotermiskā reducēšanas metode
Tā kā alumīnijam ir spēcīga reducēšanas spēja un alumīnijs var veidot dažādus intermetāliskus savienojumus ar retzemju zemi, alumīniju var izmantot kā reducētāju retzemju alumīnija sakausējumu pagatavošanai. Galvenās ķīmiskās reakcijas ir parādītas šādā formulā:
RE2O3+ 6Al→2REal2+ Al2O3
Tostarp retzemju oksīdu vai retzemju izdedžus var izmantot kā retzemju izejvielas; Reducētājs var būt rūpnieciski tīrs alumīnijs vai silīcija alumīnijs; Redukcijas temperatūra ir 1400 ℃ ~ 1600 ℃. Agrīnā stadijā tas tika pārvadāts. ārā ar nosacījumu, ka pastāv sildītājs un plūsma, un augsta samazināšanas temperatūra radītu daudzas problēmas; Pēdējos gados pētnieki ir izstrādājuši jaunu aluminotermiskās samazināšanas metodi.Zemākā temperatūrā (780 ℃) aluminotermiskā reducēšanas reakcija tiek pabeigta nātrija fluorīda un nātrija hlorīda sistēmā, kas ļauj izvairīties no problēmām, ko rada sākotnējā augstā temperatūra.
◆ ◆ Retzemju alumīnija sakausējuma pielietošanas gaita ◆ ◆
01 Retzemju alumīnija sakausējuma pielietojums enerģētikā
Pateicoties labas vadītspējas, lielas strāvas nestspējas, augstas stiprības, nodilumizturības, vieglas apstrādes un ilga kalpošanas laika priekšrocībām, retzemju alumīnija sakausējumu var izmantot kabeļu, gaisvadu elektropārvades līniju, stiepļu serdeņu, bīdāmo vadu un plānu vadu ražošanai. īpašiem nolūkiem.Neliela RE daudzuma pievienošana Al Si sakausējuma sistēmai var uzlabot vadītspēju, jo alumīnija sakausējumā esošais silīcijs ir piemaisījumu elements ar augstu saturu, kam ir lielāka ietekme uz elektriskām īpašībām.Atbilstoša retzemju daudzuma pievienošana var uzlabot esošo silīcija morfoloģiju un sadalījumu sakausējumā, kas var efektīvi uzlabot alumīnija elektriskās īpašības; Karstumizturīgajam alumīnija sakausējuma stieplei pievienojot nelielu daudzumu itrija vai ar itriju bagātu jauktu retzemju metālu. var ne tikai uzturēt labu veiktspēju augstā temperatūrā, bet arī uzlabot vadītspēju; retzemju var uzlabot alumīnija sakausējuma sistēmas stiepes izturību, karstumizturību un izturību pret koroziju.Kabeļi un vadītāji, kas izgatavoti no retzemju alumīnija sakausējuma, var palielināt kabeļu torņa laidumu un pagarināt kabeļu kalpošanas laiku.
02Retzemju alumīnija sakausējuma pielietojums būvniecības nozarē
6063 alumīnija sakausējums ir visplašāk izmantotais būvniecības nozarē.0,15% ~ 0,25% retzemju pievienošana var ievērojami uzlabot liešanas struktūru un apstrādes struktūru, kā arī uzlabot ekstrūzijas veiktspēju, termiskās apstrādes efektu, mehāniskās īpašības, izturību pret koroziju, virsmas apstrādes veiktspēju un krāsu toni. galvenokārt sadalīts 6063 alumīnija sakausējumā α-Al neitralizē fāzes robežu, graudu robežu un starpdendrītu, un tie tiek izšķīdināti savienojumos vai pastāv savienojumu veidā, lai uzlabotu dendrīta struktūru un graudus, tādējādi nodrošinot neizšķīdušās eitektikas izmēru un izmēru bedrītes bedrītes zonā kļūst ievērojami mazākas, sadalījums ir vienmērīgs un blīvums palielinās, tādējādi dažādās sakausējuma īpašības tiek uzlabotas dažādās pakāpēs.Piemēram, profila izturība tiek palielināta par vairāk nekā 20%, pagarinājums tiek palielināts par 50%, un korozijas ātrums tiek samazināts vairāk nekā divas reizes, oksīda plēves biezums palielinās par 5% ~ 8% un krāsojuma īpašība palielinās par aptuveni 3%.Tāpēc plaši tiek izmantoti RE-6063 sakausējuma būvprofili.
03Retzemju alumīnija sakausējuma izmantošana ikdienas produktos
Pievienojot retzemju pēdas tīram alumīnijam un Al Mg sērijas alumīnija sakausējumiem ikdienas lietošanai alumīnija izstrādājumiem, var ievērojami uzlabot mehāniskās īpašības, dziļi vilkšanas īpašību un izturību pret koroziju. Ikdienas nepieciešamība, piemēram, alumīnija katli, alumīnija pannas, alumīnija šķīvji, alumīnija pusdienu kastes, alumīnija mēbeļu balstiem, alumīnija velosipēdiem un sadzīves tehnikas detaļām, kas izgatavotas no Al Mg RE sakausējuma, ir vairāk nekā divas reizes lielāka izturība pret koroziju, svara samazinājums par 10% ~ 15%, ražas pieaugums par 10% ~ 20%, ražošanas izmaksu samazinājums par 10% ~ 15%, un labākas dziļās vilkšanas un dziļās apstrādes veiktspējas salīdzinājumā ar alumīnija sakausējuma izstrādājumiem bez retzemju metāliem. Pašlaik retzemju alumīnija sakausējuma ikdienas nepieciešamība ir plaši izmantota, un produkti ir ievērojami palielinājušies, un tiek labi pārdoti vietējā un ārvalstu tirgos. .
04 Retzemju alumīnija sakausējuma pielietojums citos aspektos
Dažu tūkstošdaļu retzemju pievienošana visplašāk izmantotajam Al Si sērijas liešanas sakausējumam var ievērojami uzlabot sakausējuma apstrādes veiktspēju.Daudzu zīmolu produkti ir izmantoti lidmašīnās, kuģos, automašīnās, dīzeļdzinējos, motociklos un bruņumašīnās (virzuļos, pārnesumkārbās, cilindros, instrumentos un citās daļās). Izpētē un lietošanā ir konstatēts, ka Sc ir visefektīvākais elements optimizēt alumīnija sakausējumu struktūru un īpašības.Tam ir spēcīga dispersijas stiprināšana, graudu rafinēšanas stiprināšana, šķīduma stiprināšanas un mikrosakausējumu stiprināšanas ietekme uz alumīniju, un tā var uzlabot sakausējumu izturību, cietību, plastiskumu, stingrību, izturību pret koroziju, karstumizturību utt. Sc Al sērijas sakausējumi ir izmantoti augsto tehnoloģiju nozarēs, piemēram, kosmosa, kuģu, ātrgaitas vilcienu, vieglo transportlīdzekļu utt. NASA izstrādātajam C557Al Mg Zr Sc sērijas skandija alumīnija sakausējumam ir augsta izturība un augsta temperatūra un zemas temperatūras stabilitāte, un tas ir izmantots lidmašīnu fizelāžām un lidmašīnām strukturālās daļas; Krievijas izstrādātais sakausējums 0146Al Cu Li Sc ir izmantots kosmosa kuģu kriogēnās degvielas tvertnei.
No 33. sējuma, Wang Hui, Yang An un Yun Qi retzemju 1. izdevums
Izlikšanas laiks: 05.07.2023