De toepassing vanzeldzame aardebij het gieten van aluminiumlegeringen werd eerder in het buitenland uitgevoerd.Hoewel China pas in de jaren zestig met het onderzoek en de toepassing van dit aspect begon, heeft het zich snel ontwikkeld.Er is veel werk verricht, van mechanismeonderzoek tot praktische toepassing, en er zijn enkele successen geboekt. Door de toevoeging van zeldzame aardelementen zijn de mechanische eigenschappen, gieteigenschappen en elektrische eigenschappen van aluminiumlegeringen aanzienlijk verbeterd. nieuwe materialen, de rijke optische, elektrische en magnetische eigenschappen van zeldzame aardelementen spelen ook een belangrijke rol bij het maken van zeldzame aardse permanente magnetische materialen, zeldzame aardse lichtgevende materialen, zeldzame aardwaterstofopslagmaterialen, enz.
◆ ◆ Actiemechanisme van zeldzame aardmetalen in aluminium en aluminiumlegering ◆ ◆
Zeldzame aardmetalen hebben een hoge chemische activiteit, een laag potentieel en een speciale opstelling van de elektronenlagen, en kunnen interageren met bijna alle elementen. Zeldzame aardmetalen die vaak worden gebruikt in aluminium en aluminiumlegeringen zijn onder meer La (lanthaan), Ce (cerium), Y (yttrium) en Sc (scandium).Ze worden vaak toegevoegd aan aluminiumvloeistof met modificatoren, kiemvormende middelen en ontgassers, die de smelt kunnen zuiveren, de structuur kunnen verbeteren, de korrel kunnen verfijnen, enz.
01Zuivering van zeldzame aarde
Omdat tijdens het smelten en gieten van een aluminiumlegering een grote hoeveelheid gas- en oxide-insluitsels (voornamelijk waterstof, zuurstof en stikstof) wordt binnengebracht, zullen er gaatjes, scheuren, insluitsels en andere defecten in het gietstuk optreden (zie figuur 1a), waardoor de de sterkte van een aluminiumlegering. Het zuiverende effect van zeldzame aarde komt voornamelijk tot uiting in de duidelijke vermindering van het waterstofgehalte in gesmolten aluminium, de vermindering van de pinhole-snelheid en porositeit (zie figuur 1b) en de vermindering van insluitsels en schadelijke elementen. De belangrijkste De reden hiervoor is dat zeldzame aarde een grote affiniteit heeft met waterstof, dat waterstof in grote hoeveelheden kan absorberen en oplossen en stabiele verbindingen kan vormen zonder belletjes te vormen, waardoor het waterstofgehalte en de porositeit van aluminium aanzienlijk worden verminderd; Zeldzame aarde en stikstof vormen vuurvaste verbindingen, die meestal verwijderd in de vorm van slakken tijdens het smeltproces, om het doel van het zuiveren van aluminiumvloeistof te bereiken.
De praktijk heeft uitgewezen dat zeldzame aardmetalen het gehalte aan waterstof, zuurstof en zwavel in aluminium en aluminiumlegeringen verlagen.Het toevoegen van 0,1% ~ 0,3% RE aan aluminiumvloeistof is nuttig om schadelijke onzuiverheden beter te verwijderen, onzuiverheden te verfijnen of hun morfologie te veranderen, om korrels te verfijnen en gelijkmatig te verdelen; bovendien vormen RE en schadelijke onzuiverheden met een laag smeltpunt binaire verbindingen zoals RES, REA's en REPb, die worden gekenmerkt door een hoog smeltpunt, lage dichtheid en stabiele chemische eigenschappen, en kunnen worden opgedreven om slakken te vormen en verwijderd, waardoor aluminiumvloeistof wordt gezuiverd; de resterende fijne deeltjes worden heterogene kernen van aluminium om te verfijnen granen.
Fig. 1 SEM-morfologie van 7075-legering zonder RE en w (RE)=0,3%
A.RE wordt niet toegevoegd;b.W toevoegen (RE)=0,3%
02Metamorfose van zeldzame aarde
Modificatie van zeldzame aardmetalen komt vooral tot uiting in het raffineren van korrels en dendrieten, waardoor het verschijnen van de grove lamellaire T2-fase wordt geremd, de grove massieve fase wordt geëlimineerd die in het primaire kristal is verdeeld en de bolvormige fase wordt gevormd, zodat de strip- en fragmentverbindingen op de korrelgrens aanzienlijk worden verminderd (zie figuur 2). Over het algemeen is de straal van een zeldzaam aardatoom groter dan die van een aluminiumatoom, en zijn de eigenschappen ervan relatief actief.Het smelten van aluminiumvloeistof is heel eenvoudig om de oppervlaktedefecten van de legeringsfase op te vullen, waardoor de oppervlaktespanning op het grensvlak tussen nieuwe en oude fasen wordt verminderd en de groeisnelheid van de kristalkern wordt verbeterd. Tegelijkertijd kan het ook een oppervlak vormen actieve film tussen de korrels en de gesmolten vloeistof om de groei van de gegenereerde korrels te voorkomen en de legeringsstructuur te verfijnen (zie figuur 2b).
Fig. 2 Microstructuur van legeringen met verschillende RE-toevoeging
A.RE-dosering is 0;b.RE-toevoeging is 0,3%;c.RE-toevoeging is 0,7%
Na het toevoegen van zeldzame aardelementenαDe korrels van de (Al)-fase begonnen kleiner te worden, wat een rol speelde bij het raffineren van korrelsα(Al) veranderde in een kleine roos- of staafvorm, wanneer het gehalte aan zeldzame aardmetalen 0,3% bedraagtαDe korrelgrootte van (Al ) fase is de kleinste en neemt geleidelijk toe naarmate het gehalte aan zeldzame aardmetalen verder toeneemt. Experimenten hebben aangetoond dat er een bepaalde incubatieperiode is voor het metamorfisme van zeldzame aardmetalen, en alleen wanneer het gedurende een bepaalde tijd op een hoge temperatuur wordt gehouden. zeldzame aarde zal de grootste rol spelen bij het metamorfisme. Bovendien neemt het aantal kristalkernen van de verbindingen gevormd door aluminium en zeldzame aarde sterk toe wanneer het metaal kristalliseert, waardoor ook de legeringsstructuur verfijnd wordt. Uit het onderzoek blijkt dat zeldzame aarde goede eigenschappen heeft. wijzigingseffect op aluminiumlegering.
03 Microlegeringseffect van zeldzame aarde
Zeldzame aarde komt voornamelijk voor in aluminium en aluminiumlegeringen in drie vormen: vaste oplossing in de matrixα(Al); segregatie op fasegrens, korrelgrens en dendrietgrens; vaste oplossing in of in de vorm van verbinding. De versterkende effecten van zeldzame aardmetalen in Aluminiumlegeringen omvatten voornamelijk versterking van de korrelverfijning, versterking van de eindige oplossing en de versterking van de tweede fase van zeldzame aardverbindingen.
De bestaansvorm van zeldzame aardmetalen in aluminium en aluminiumlegeringen hangt nauw samen met de toegevoegde hoeveelheid.Over het algemeen, wanneer het RE-gehalte minder dan 0,1% bedraagt, is de rol van RE voornamelijk het versterken van fijne korrels en het versterken van eindige oplossingen; wanneer het RE-gehalte 0,25% ~ 0,30% is, vormen RE en Al een groot aantal bolvormige of korte staafachtige intermetaalverbindingen , die zijn verdeeld in de korrel- of korrelgrens, en er verschijnen een groot aantal dislocaties, fijnkorrelige sferoïdale structuren en verspreide zeldzame aardverbindingen, die micro-legeringseffecten zullen veroorzaken, zoals versterking van de tweede fase.
◆ ◆ Effect van zeldzame aardmetalen op de eigenschappen van aluminium en aluminiumlegeringen ◆◆
01 Effect van zeldzame aarde op uitgebreide mechanische eigenschappen van legering
De sterkte, hardheid, rek, breuktaaiheid, slijtvastheid en andere uitgebreide mechanische eigenschappen van de legering kunnen worden verbeterd door de juiste hoeveelheid zeldzame aarde toe te voegen. 0,3% RE wordt toegevoegd aan de gegoten aluminium ZL10-serie legeringbvan 205,9 MPa tot 274 MPa, en HB van 80 tot 108; toevoeging van 0,42% Sc aan 7005-legeringenbverhoogd van 314 MPa naar 414 MPa,σ0,2steeg van 282 MPa naar 378 MPa, de plasticiteit nam toe van 6,8% naar 10,1% en de stabiliteit bij hoge temperaturen werd aanzienlijk verbeterd; La en Ce kunnen de superplasticiteit van de legering aanzienlijk verbeteren.Het toevoegen van 0,14% ~ 0,64% La aan de Al-6Mg-0,5Mn-legering verhoogt de superplasticiteit van 430% naar 800% ~ 1000%; een systematische studie van de Al Si-legering laat zien dat de vloeigrens en de uiteindelijke treksterkte van de legering aanzienlijk kunnen zijn verbeterd door het toevoegen van een geschikte hoeveelheid Sc.Fig.3 toont het SEM-uiterlijk van trekbreuk van Al-Si7-Mg0,8legering, wat aangeeft dat het een typische brosse splitsingsbreuk is zonder RE, terwijl nadat 0,3% RE is toegevoegd, er een duidelijke kuiltjesstructuur in de breuk verschijnt, wat aangeeft dat deze een goede taaiheid en ductiliteit heeft.
Fig. 3 Trekbreukmorfologie
A.Niet aangesloten bij RE;b.Voeg 0,3% RE toe
02Effect van zeldzame aarde op eigenschappen van legeringen bij hoge temperaturen
Een bepaalde hoeveelheid toevoegenzeldzame aardein aluminiumlegering kan de oxidatieweerstand bij hoge temperaturen van aluminiumlegering effectief verbeteren. Het toevoegen van 1% ~ 1,5% gemengde zeldzame aarde aan de gegoten Al Si eutectische legering verhoogt de hoge temperatuursterkte met 33%, de hoge temperatuur breuksterkte (300 ℃, 1000 uur) met 44%, en de slijtvastheid en stabiliteit bij hoge temperaturen zijn aanzienlijk verbeterd; Het toevoegen van La, Ce, Y en mischmetal om Al Cu-legeringen te gieten kan de hoge-temperatuureigenschappen van de legeringen verbeteren; Het snel gestolde Al-8,4% Fe-3,4% Ce-legering kan lange tijd onder 400 ℃ werken, waardoor de werktemperatuur van de aluminiumlegering aanzienlijk wordt verbeterd; Sc wordt aan de Al Mg Si-legering toegevoegd om Al te vormen3Sc-deeltjes die niet gemakkelijk grof te maken zijn bij hoge temperaturen en die samenhangen met de matrix om de korrelgrens vast te leggen, zodat de legering tijdens het uitgloeien een niet-gekristalliseerde structuur behoudt en de hoge temperatuureigenschappen van de legering aanzienlijk verbeteren.
03 Effect van zeldzame aarde op optische eigenschappen van legeringen
Het toevoegen van zeldzame aarde aan een aluminiumlegering kan de structuur van de oxidefilm op het oppervlak veranderen, waardoor het oppervlak helderder en mooier wordt. Wanneer 0,12% ~ 0,25% RE aan de aluminiumlegering wordt toegevoegd, is de reflectiviteit van het geoxideerde en gekleurde 6063-profiel maximaal 92%; Wanneer 0,1% ~ 0,3% RE wordt toegevoegd aan de Al Mg gegoten aluminiumlegering, kan de legering de beste oppervlakteafwerking en glansduurzaamheid verkrijgen.
04 Effect van zeldzame aarde op de elektrische eigenschappen van legeringen
Het toevoegen van RE aan zeer zuiver aluminium is schadelijk voor de geleidbaarheid van de legering, maar de geleidbaarheid kan tot op zekere hoogte worden verbeterd door geschikte RE toe te voegen aan industrieel zuiver aluminium en Al Mg Si geleidende legeringen. De experimentele resultaten laten zien dat de geleidbaarheid van aluminium kan met 2% ~ 3% worden verbeterd door 0,2% RE toe te voegen. Het toevoegen van een kleine hoeveelheid yttriumrijke zeldzame aarde aan de Al Zr-legering kan de geleidbaarheid van de legering verbeteren, die door de meeste binnenlandse draadfabrieken is overgenomen; Voeg sporen van zeldzame aarde toe tot zeer zuiver aluminium om Al RE-foliecondensator te maken.Bij gebruik in 25kV-producten wordt de capaciteitsindex verdubbeld, wordt de capaciteit per volume-eenheid vijf keer verhoogd, wordt het gewicht met 47% verminderd en wordt het condensatorvolume aanzienlijk verminderd.
05Effect van zeldzame aarde op de corrosieweerstand van legering
In sommige gebruiksomgevingen, vooral in de aanwezigheid van chloride-ionen, zijn legeringen kwetsbaar voor corrosie, spleetcorrosie, spanningscorrosie en corrosiemoeheid. Om de corrosieweerstand van aluminiumlegeringen te verbeteren, zijn er veel onderzoeken uitgevoerd.Het is gebleken dat het toevoegen van de juiste hoeveelheid zeldzame aardmetalen aan aluminiumlegeringen hun corrosieweerstand effectief kan verbeteren. De monsters die werden gemaakt door verschillende hoeveelheden gemengde zeldzame aardmetalen (0,1% ~ 0,5%) aan aluminium toe te voegen, werden gedurende drie opeenvolgende jaren in pekel en kunstmatig zeewater gedrenkt. jaren.De resultaten tonen aan dat het toevoegen van een kleine hoeveelheid zeldzame aardmetalen aan aluminium de corrosieweerstand van aluminium kan verbeteren, en dat de corrosieweerstand in pekel en kunstmatig zeewater respectievelijk 24% en 32% hoger is dan die van aluminium; met behulp van de chemische dampmethode en het toevoegen penetrant met meerdere componenten (La, Ce, enz.), kan een laag zeldzame aarde-conversiefilm worden gevormd op het oppervlak van een 2024-legering, waardoor de oppervlakte-elektrodepotentiaal van een aluminiumlegering de neiging heeft uniform te zijn en de weerstand tegen intergranulaire corrosie en spanningscorrosie; Het toevoegen van La aan aluminiumlegeringen met een hoog Mg-gehalte kan het anti-zeecorrosievermogen van de legering aanzienlijk verbeteren; Het toevoegen van 1,5% ~ 2,5% Nd aan aluminiumlegeringen kan de prestaties bij hoge temperaturen, de luchtdichtheid en de corrosieweerstand van de legering verbeteren legeringen, die op grote schaal worden gebruikt als materialen voor de ruimtevaart.
◆ ◆ Voorbereidingstechnologie van zeldzame aardaluminiumlegering ◆ ◆
Zeldzame aarde wordt meestal toegevoegd in de vorm van sporenelementen in aluminiumlegeringen en andere legeringen.Zeldzame aarde heeft een hoge chemische activiteit, een hoog smeltpunt en kan gemakkelijk worden geoxideerd en verbrand bij hoge temperaturen.Dit heeft bepaalde problemen veroorzaakt bij de bereiding en toepassing van zeldzame aardaluminiumlegeringen. In experimenteel onderzoek op lange termijn blijven mensen de bereidingsmethoden van zeldzame aardaluminiumlegeringen onderzoeken. Momenteel zijn de belangrijkste productiemethoden voor het bereiden van zeldzame aardaluminiumlegeringen zijn de mengmethode, de gesmolten-zoutelektrolysemethode en de aluminotherme reductiemethode.
01 Mengmethode
Gemengde smeltmethode is het toevoegen van zeldzame aardmetalen of gemengd zeldzaam aardmetaal aan aluminiumvloeistof op hoge temperatuur in verhouding om een hoofdlegering of toepassingslegering te maken, en vervolgens de hoofdlegering en het resterende aluminium samen te smelten volgens de berekende hoeveelheid, volledig te roeren en te verfijnen .
02 Elektrolyse
De gesmolten zoutelektrolysemethode is het toevoegen van zeldzaam aardoxide of zeldzaam aardzout aan de industriële aluminium elektrolytische cel en elektrolyse met aluminiumoxide om een zeldzame aardaluminiumlegering te produceren. De gesmolten zoutelektrolysemethode heeft zich relatief snel ontwikkeld in China.Over het algemeen zijn er twee manieren, namelijk de vloeibare kathodemethode en de elektrolytische eutectoïdemethode.Momenteel is ontwikkeld dat zeldzame aardverbindingen rechtstreeks kunnen worden toegevoegd aan industriële elektrolytische aluminiumcellen, en dat zeldzame aardaluminiumlegeringen kunnen worden geproduceerd door elektrolyse van chloridesmelten met behulp van de eutectoïdemethode.
03 Aluminothermische reductiemethode
Omdat aluminium een sterk reductievermogen heeft en aluminium een verscheidenheid aan intermetaalverbindingen met zeldzame aardmetalen kan vormen, kan aluminium worden gebruikt als reductiemiddel om aluminiumlegeringen van zeldzame aardmetalen te bereiden. De belangrijkste chemische reacties worden weergegeven in de volgende formule:
RE2O3+ 6Al →2REAl2+Al2O3
Onder hen kunnen zeldzame aardoxide of zeldzame aardrijke slakken worden gebruikt als zeldzame aardgrondstoffen; het reductiemiddel kan industrieel zuiver aluminium of siliciumaluminium zijn; de reductietemperatuur is 1400 ℃ ~ 1600 ℃. In het vroege stadium werd het gedragen onder de voorwaarde van het bestaan van een verwarmingsmiddel en flux, en een hoge reductietemperatuur zou veel problemen veroorzaken; de afgelopen jaren hebben onderzoekers een nieuwe aluminothermische reductiemethode ontwikkeld.Bij een lagere temperatuur (780 ℃) wordt de aluminotherme reductiereactie voltooid in het systeem van natriumfluoride en natriumchloride, waardoor de problemen worden vermeden die worden veroorzaakt door de oorspronkelijke hoge temperatuur.
◆ ◆ Vooruitgang in de toepassing van zeldzame aardaluminiumlegeringen ◆ ◆
01 Toepassing van zeldzame aardaluminiumlegeringen in de energiesector
Vanwege de voordelen van goede geleidbaarheid, grote stroomdraagcapaciteit, hoge sterkte, slijtvastheid, gemakkelijke verwerking en lange levensduur, kan een zeldzame aardaluminiumlegering worden gebruikt voor de vervaardiging van kabels, bovengrondse transmissielijnen, draadkernen, glijdraden en dunne draden voor speciale doeleinden. Het toevoegen van een kleine hoeveelheid RE aan het Al Si-legeringssysteem kan de geleidbaarheid verbeteren, wat komt omdat het silicium in de aluminiumlegering een onzuiverheidselement is met een hoog gehalte, wat een grotere impact heeft op de elektrische eigenschappen.Het toevoegen van een geschikte hoeveelheid zeldzame aarde kan de bestaande morfologie en verdeling van silicium in de legering verbeteren, wat de elektrische eigenschappen van aluminium effectief kan verbeteren; het toevoegen van een kleine hoeveelheid yttrium of yttriumrijke gemengde zeldzame aarde aan de hittebestendige draad van aluminiumlegering kan niet alleen goede prestaties bij hoge temperaturen behouden, maar ook de geleidbaarheid verbeteren; Zeldzame aarde kan de treksterkte, hittebestendigheid en corrosieweerstand van een aluminiumlegeringssysteem verbeteren.Kabels en geleiders gemaakt van een zeldzame aardaluminiumlegering kunnen de overspanning van de kabeltoren vergroten en de levensduur van kabels verlengen.
02Toepassing van zeldzame aardaluminiumlegeringen in de bouwsector
6063 aluminiumlegering wordt het meest gebruikt in de bouwsector.Het toevoegen van 0,15% ~ 0,25% zeldzame aarde kan de gegoten structuur en verwerkingsstructuur aanzienlijk verbeteren, en kan de extrusieprestaties, het warmtebehandelingseffect, de mechanische eigenschappen, de corrosieweerstand, de oppervlaktebehandelingsprestaties en de kleurtoon verbeteren. Het is gebleken dat zeldzame aarde voornamelijk verdeeld in 6063 aluminiumlegering α-Al neutraliseert de fasegrens, korrelgrens en interdendritisch, en ze worden opgelost in verbindingen of bestaan in de vorm van verbindingen om de dendrietstructuur en korrels te verfijnen, zodat de grootte van het onopgeloste eutectische materiaal en de grootte van het kuiltje in het kuiltjegebied wordt aanzienlijk kleiner, de verdeling is uniform en de dichtheid neemt toe, zodat de verschillende eigenschappen van de legering in verschillende mate worden verbeterd.De sterkte van het profiel wordt bijvoorbeeld met meer dan 20% verhoogd, de verlenging met 50% en de corrosiesnelheid wordt met meer dan tweemaal verminderd. De dikte van de oxidefilm neemt toe met 5% ~ 8%, en de kleureigenschap neemt met ongeveer 3% toe. Daarom worden bouwprofielen van RE-6063-legeringen veel gebruikt.
03Toepassing van zeldzame aardaluminiumlegeringen in dagelijkse producten
Het toevoegen van sporen van zeldzame aardmetalen aan puur aluminium en aluminiumlegeringen uit de Al Mg-serie voor dagelijks gebruik van aluminiumproducten kan de mechanische eigenschappen, dieptrekeigenschappen en corrosieweerstand aanzienlijk verbeteren. De dagelijkse benodigdheden zoals aluminium potten, aluminium pannen, aluminium platen, aluminium lunchboxen, aluminium meubelsteunen, aluminium fietsen en onderdelen voor huishoudelijke apparaten gemaakt van Al Mg RE-legering hebben meer dan tweemaal de corrosieweerstand, 10% ~ 15% gewichtsvermindering, 10% ~ 20% opbrengstverhoging, 10% ~ 15% verlaging van de productiekosten, en betere dieptrek- en diepe verwerkingsprestaties in vergelijking met producten van aluminiumlegeringen zonder zeldzame aarde. Momenteel worden de dagelijkse benodigdheden van een zeldzame aardaluminiumlegering op grote schaal gebruikt en zijn de producten aanzienlijk toegenomen en worden ze goed verkocht op de binnenlandse en buitenlandse markten .
04 Toepassing van zeldzame aardaluminiumlegeringen in andere aspecten
Het toevoegen van een paar duizendsten zeldzame aardmetalen aan de meest gebruikte gietlegering uit de Al Si-serie kan de bewerkingsprestaties van de legering aanzienlijk verbeteren.Veel productmerken zijn gebruikt in vliegtuigen, schepen, auto's, dieselmotoren, motorfietsen en gepantserde voertuigen (zuiger, versnellingsbak, cilinder, instrumentatie en andere onderdelen). Uit onderzoek en toepassing is gebleken dat Sc het meest effectieve element is om optimaliseren de structuur en eigenschappen van aluminiumlegeringen.Het heeft een sterke dispersieversterking, versterking van de korrelverfijning, oplossingsversterking en versterking van microlegeringen op aluminium, en kan de sterkte, hardheid, plasticiteit, taaiheid, corrosieweerstand, hittebestendigheid enz. van legeringen verbeteren. Legeringen uit de Sc Al-serie zijn gebruikt in hightech industrieën zoals lucht- en ruimtevaart, schepen, hogesnelheidstreinen, lichte voertuigen, enz. C557Al Mg Zr Sc-serie scandiumaluminiumlegering ontwikkeld door NASA heeft hoge sterkte en hoge temperatuur- en lage temperatuurstabiliteit en is toegepast op vliegtuigromp en vliegtuigen structurele onderdelen; de door Rusland ontwikkelde 0146Al Cu Li Sc-legering is toegepast op de cryogene brandstoftank van ruimtevaartuigen.
Uit deel 33, nummer 1 van Rare Earth door Wang Hui, Yang An en Yun Qi
Posttijd: 05-jul-2023