Aplikáciavzácna zemv odlievaní hliníkovej zliatiny bola vykonaná skôr v zahraničí.Hoci Čína začala s výskumom a aplikáciou tohto aspektu až v 60. rokoch 20. storočia, rýchlo sa rozvíjala.Od výskumu mechanizmov až po praktickú aplikáciu sa urobilo veľa práce a dosiahli sa určité úspechy. Pridaním prvkov vzácnych zemín sa výrazne zlepšili mechanické vlastnosti, vlastnosti odlievania a elektrické vlastnosti hliníkových zliatin. nové materiály, bohaté optické, elektrické a magnetické vlastnosti prvkov vzácnych zemín tiež zohrávajú dôležitú úlohu pri výrobe permanentných magnetických materiálov vzácnych zemín, materiálov vyžarujúcich svetlo vzácnych zemín, materiálov na skladovanie vodíka vzácnych zemín atď.
◆ ◆ Akčný mechanizmus vzácnych zemín v hliníku a hliníkovej zliatine ◆ ◆
Vzácne zeminy majú vysokú chemickú aktivitu, nízky potenciál a špeciálne usporiadanie elektrónových vrstiev a môžu interagovať s takmer všetkými prvkami. Medzi vzácne zeminy bežne používané v hliníku a hliníkových zliatinách patrí La (lantánu), Ce (céru), Y (ytrium) a Sc (skandium).Často sa pridávajú do hliníkovej kvapaliny s modifikátormi, nukleačnými činidlami a odplyňovacími činidlami, ktoré dokážu vyčistiť taveninu, zlepšiť štruktúru, zjemniť zrno atď.
01Čistenie vzácnych zemín
Keďže počas tavenia a odlievania hliníkovej zliatiny bude privádzané veľké množstvo plynových a oxidových inklúzií (hlavne vodíka, kyslíka a dusíka), v odliatku sa vyskytnú dierky, trhliny, inklúzie a iné defekty (pozri obrázok 1a), čím sa zníži pevnosť hliníkovej zliatiny.Čistiaci účinok vzácnych zemín sa prejavuje najmä v zjavnom znížení obsahu vodíka v roztavenom hliníku, znížení počtu dier a pórovitosti (pozri obrázok 1b) a znížení inklúzií a škodlivých prvkov. Dôvodom je, že vzácne zeminy majú veľkú afinitu k vodíku, ktorý dokáže absorbovať a rozpúšťať vodík vo veľkých množstvách a vytvárať stabilné zlúčeniny bez vytvárania bublín, čím sa výrazne znižuje obsah vodíka a pórovitosť hliníka;Vzácne zeminy a dusík tvoria žiaruvzdorné zlúčeniny, ktoré sú väčšinou sa odstraňuje vo forme trosky v procese tavenia, aby sa dosiahol účel čistenia hliníkovej kvapaliny.
Prax dokázala, že vzácne zeminy majú vplyv na zníženie obsahu vodíka, kyslíka a síry v hliníku a hliníkových zliatinách.Pridanie 0,1 % ~ 0,3 % RE do hliníkovej kvapaliny je užitočné na lepšie odstránenie škodlivých nečistôt, zjemnenie nečistôt alebo zmenu ich morfológie, aby sa zrná zjemnili a rovnomerne rozložili; Okrem toho RE a škodlivé nečistoty s nízkou teplotou topenia tvoria binárne zlúčeniny, ako napr. RES, REA a REPb, ktoré sa vyznačujú vysokým bodom topenia, nízkou hustotou a stabilnými chemickými vlastnosťami a môžu byť vyplavené, aby vytvorili trosku a odstrániť, čím sa čistí hliníková kvapalina; Zostávajúce jemné častice sa stávajú heterogénnymi jadrami hliníka na rafináciu zrná.
Obr. 1 SEM morfológia zliatiny 7075 bez RE a w (RE) = 0,3 %
a.RE sa nepridáva;b.Pridať w (RE)=0,3 %
02Metamorfóza vzácnych zemín
Modifikácia vzácnych zemín sa prejavuje najmä pri rafinácii zŕn a dendritov, inhibícii výskytu hrubej lamelárnej fázy T2, eliminácii hrubej masívnej fázy distribuovanej v primárnom kryštáli a vytváraní sférickej fázy, takže zlúčeniny pásika a fragmentov na hranici zŕn sú výrazne znížené (pozri obrázok 2). Vo všeobecnosti je polomer atómu vzácnych zemín väčší ako polomer atómu hliníka a jeho vlastnosti sú relatívne aktívne.Tavenie v hliníkovej kvapaline je veľmi jednoduché na vyplnenie povrchových defektov zliatinovej fázy, čo znižuje povrchové napätie na rozhraní medzi novou a starou fázou a zlepšuje rýchlosť rastu kryštálového jadra; Zároveň môže tvoriť povrch aktívny film medzi zrnami a roztavenou kvapalinou, aby sa zabránilo rastu vytvorených zŕn a zjemnila sa štruktúra zliatiny (pozri obrázok 2b).
Obr. 2 Mikroštruktúra zliatin s rôznou prísadou RE
a.RE dávkovanie je 0;b.RE pridanie je 0,3 %; c.Prídavok RE je 0,7 %
Po pridaní prvkov vzácnych zemínαZrná (Al) fázy sa začali zmenšovať, čo zohralo úlohu pri rafinácii zŕnα(Al) premenených do tvaru malej ružice alebo tyčinky, keď je obsah vzácnych zemín 0,3 %αVeľkosť zŕn (Al ) fáza je najmenšia a postupne sa zvyšuje s ďalším zvyšovaním obsahu vzácnych zemín. Experimenty preukázali, že pre metamorfózu vzácnych zemín existuje určitá inkubačná doba, a to iba vtedy, keď sa určitý čas udržiava pri vysokej teplote, vzácne zeminy budú hrať najväčšiu úlohu v metamorfóze. Okrem toho sa počet kryštálových jadier zlúčenín tvorených hliníkom a vzácnymi zeminami výrazne zvyšuje, keď kov kryštalizuje, čo tiež robí štruktúru zliatiny rafinovanejšou. Výskum ukazuje, že vzácne zeminy majú dobré modifikačný účinok na hliníkovú zliatinu.
03 Účinok mikrolegovania vzácnych zemín
Vzácne zeminy sa vyskytujú hlavne v hliníku a hliníkových zliatinách v troch formách: pevný roztok v matriciα(Al);Segregácia na fázovej hranici, na hranici zŕn a hranici dendritu;Pevný roztok vo forme zlúčeniny alebo vo forme zlúčeniny.Posilňujúce účinky vzácnych zemín v zliatiny hliníka zahŕňajú najmä spevnenie zrnitosti, spevnenie konečným roztokom a druhú fázu spevnenia zlúčenín vzácnych zemín.
Existenčná forma vzácnych zemín v hliníku a hliníkovej zliatine úzko súvisí s množstvom jej pridania.Vo všeobecnosti, keď je obsah RE menší ako 0,1 %, úlohou RE je hlavne spevnenie jemného zrna a spevnenie konečného roztoku; Keď je obsah RE 0,25 % ~ 0,30 %, RE a Al tvoria veľké množstvo guľovitých alebo krátkych tyčiniek podobných intermetalickým zlúčeninám. , ktoré sú distribuované v zrnách alebo na hranici zŕn, a objavuje sa veľké množstvo dislokácií, jemnozrnných sféroidizovaných štruktúr a rozptýlených zlúčenín vzácnych zemín, čo spôsobí mikrolegovacie efekty, ako je spevnenie druhej fázy.
◆ ◆ Vplyv vzácnych zemín na vlastnosti hliníka a zliatin hliníka ◆◆
01 Vplyv vzácnych zemín na komplexné mechanické vlastnosti zliatiny
Pevnosť, tvrdosť, predĺženie, lomová húževnatosť, odolnosť proti opotrebovaniu a ďalšie komplexné mechanické vlastnosti zliatiny možno zlepšiť pridaním vhodného množstva vzácnych zemín. 0,3 % RE sa pridáva do zliatiny hliníka série ZL10σbod 205,9 MPa do 274 MPa a HB od 80 do 108; Pridanie 0,42 % Sc do zliatiny 7005σbzvýšená z 314 MPa na 414 MPa,σ0,2zvýšená z 282 MPa na 378 MPa, plasticita sa zvýšila zo 6,8 % na 10,1 % a výrazne sa zvýšila stabilita pri vysokej teplote; La a Ce môžu výrazne zlepšiť superplasticitu zliatiny.Pridanie 0,14%~0,64% La k zliatine Al-6Mg-0,5Mn zvyšuje superplasticitu zo 430% na 800%~1000%; Systematická štúdia zliatiny Al Si ukazuje, že medza klzu a medza pevnosti v ťahu zliatiny môžu byť značne zlepšené pridaním vhodného množstva Sc. Obr.3 ukazuje SEM vzhľad ťahového lomu Al-Si7-Mg0,8zliatiny, čo naznačuje, že ide o typický krehký štiepny lom bez RE, pričom po pridaní 0,3 % RE sa v lome objaví zjavná jamková štruktúra, čo naznačuje, že má dobrú húževnatosť a ťažnosť.
Obr. 3 Morfológia lomu v ťahu
a.nevstúpil do RE;b.Pridajte 0,3 % RE
02Vplyv vzácnych zemín na vysokoteplotné vlastnosti zliatin
Pridanie určitého množstvavzácna zemdo hliníkovej zliatiny môže účinne zlepšiť odolnosť hliníkovej zliatiny proti oxidácii pri vysokej teplote. Pridanie 1 % ~ 1,5 % zmiešanej vzácnej zeminy do liatej eutektickej zliatiny Al Si zvyšuje pevnosť pri vysokej teplote o 33 %, pevnosť pri roztrhnutí pri vysokej teplote (300 ℃, 1 000 hodín) o 44 % a výrazne sa zlepšila odolnosť proti opotrebeniu a stabilita pri vysokej teplote; Pridanie La, Ce, Y a zmiešaného kovu do odlievaných zliatin Al Cu môže zlepšiť vlastnosti zliatin pri vysokých teplotách; Rýchlo stuhnutý Al-8,4 % Zliatina Fe-3,4% Ce môže pracovať dlhú dobu pod 400 ℃, čo výrazne zlepšuje pracovnú teplotu hliníkovej zliatiny; Sc sa pridáva do zliatiny Al Mg Si za vzniku Al3Častice Sc, ktoré nie je ľahké zdrsniť pri vysokej teplote a súdržné s matricou, aby prilepili hranicu zŕn, takže zliatina si počas žíhania zachováva nekryštalizovanú štruktúru a výrazne zlepšuje vlastnosti zliatiny pri vysokej teplote.
03 Vplyv vzácnych zemín na optické vlastnosti zliatin
Pridanie vzácnych zemín do hliníkovej zliatiny môže zmeniť štruktúru jej povrchového oxidového filmu, čím sa povrch stane žiarivejším a krajším. Keď sa do hliníkovej zliatiny pridá 0,12 % ~ 0,25 % RE, odrazivosť oxidovaného a farebného profilu 6063 je až 92 %; Keď sa k hliníkovej zliatine Al Mg pridá 0,1 % ~ 0,3 % RE, zliatina môže získať najlepšiu povrchovú úpravu a trvácnosť lesku.
04 Vplyv vzácnych zemín na elektrické vlastnosti zliatin
Pridanie RE do vysoko čistého hliníka je škodlivé pre vodivosť zliatiny, ale vodivosť možno do určitej miery zlepšiť pridaním vhodného RE k priemyselne čistému hliníku a vodivým zliatinám Al Mg Si. Experimentálne výsledky ukazujú, že vodivosť hliníka možno zlepšiť o 2 % ~ 3 % pridaním 0,2 % RE. Pridanie malého množstva vzácnych zemín bohatých na ytrium do zliatiny Al Zr môže zlepšiť vodivosť zliatiny, ktorú prijala väčšina domácich drôtární;Pridajte stopy vzácnych zemín na vysoko čistý hliník na výrobu fóliového kondenzátora Al RE.Pri použití v 25kV produktoch sa kapacitný index zdvojnásobí, kapacita na jednotku objemu sa zvýši 5-krát, hmotnosť sa zníži o 47% a objem kondenzátora sa výrazne zníži.
05Vplyv vzácnych zemín na odolnosť zliatiny proti korózii
V niektorých prevádzkových prostrediach, najmä v prítomnosti chloridových iónov, sú zliatiny náchylné na koróziu, štrbinovú koróziu, koróziu pod napätím a koróznu únavu. Na zlepšenie odolnosti hliníkových zliatin proti korózii bolo vykonaných mnoho štúdií.Zistilo sa, že pridanie vhodného množstva vzácnych zemín do hliníkových zliatin môže účinne zlepšiť ich odolnosť proti korózii. Vzorky vyrobené pridaním rôznych množstiev zmiešaných vzácnych zemín (0,1 % ~ 0,5 %) do hliníka boli tri po sebe namočené v soľanke a umelej morskej vode. rokov.Výsledky ukazujú, že pridanie malého množstva vzácnych zemín do hliníka môže zlepšiť odolnosť hliníka proti korózii a odolnosť proti korózii v slanom náleve a umelej morskej vode je o 24 % a 32 % vyššia ako u hliníka; Použitie metódy chemickej pary a pridávania viaczložkový penetračný prostriedok vzácnych zemín (La, Ce atď.), Na povrchu zliatiny 2024 sa môže vytvoriť vrstva konverzného filmu vzácnych zemín, vďaka čomu má potenciál povrchovej elektródy hliníkovej zliatiny tendenciu byť rovnomerný a zlepšuje sa odolnosť voči medzikryštalická korózia a korózia pod napätím; Pridanie La do hliníkovej zliatiny s vysokým obsahom Mg môže výrazne zlepšiť antimorskú koróznu schopnosť zliatiny; Pridanie 1,5 % ~ 2,5 % Nd do hliníkových zliatin môže zlepšiť výkon pri vysokej teplote, vzduchotesnosť a odolnosť proti korózii. zliatiny, ktoré sú široko používané ako letecké materiály.
◆ ◆ Technológia prípravy hliníkovej zliatiny vzácnych zemín ◆ ◆
Vzácne zeminy sa väčšinou vo forme stopových prvkov pridávajú do hliníkových zliatin a iných zliatin.Vzácna zemina má vysokú chemickú aktivitu, vysoký bod topenia a ľahko sa oxiduje a spaľuje pri vysokých teplotách.To spôsobilo určité ťažkosti pri príprave a aplikácii zliatin hliníka vzácnych zemín. V rámci dlhodobého experimentálneho výskumu ľudia naďalej skúmajú spôsoby prípravy zliatin hliníka vzácnych zemín. V súčasnosti sú hlavné výrobné metódy na prípravu zliatin hliníka vzácnych zemín sú metóda miešania, metóda elektrolýzy roztavenej soli a metóda aluminotermickej redukcie.
01 Spôsob miešania
Metóda zmiešaného tavenia je pridanie vzácnych zemín alebo zmiešaných kovov vzácnych zemín do vysokoteplotnej hliníkovej kvapaliny v pomere, aby sa vyrobila predzliatina alebo aplikačná zliatina, a potom sa predzliatina a zvyšný hliník spoločne roztavia podľa vypočítaného prídavku, úplne sa premieša a zjemní. .
02 Elektrolýza
Metódou elektrolýzy roztavenej soli je pridanie oxidu vzácnych zemín alebo soli vzácnych zemín do priemyselného elektrolytického článku hliníka a elektrolýza s oxidom hlinitým na výrobu zliatiny hliníka vzácnych zemín. Metóda elektrolýzy roztavenej soli sa v Číne vyvinula pomerne rýchlo.Vo všeobecnosti existujú dva spôsoby, a to metóda s kvapalnou katódou a metóda elektrolytického eutektoidu.V súčasnosti bolo vyvinuté, že zlúčeniny vzácnych zemín možno priamo pridávať do priemyselných hliníkových elektrolytických článkov a hliníkové zliatiny vzácnych zemín možno vyrábať elektrolýzou chloridových tavenín eutektoidnou metódou.
03 Aluminotermická redukčná metóda
Pretože hliník má silnú redukčnú schopnosť a hliník môže vytvárať rôzne intermetalické zlúčeniny so vzácnymi zeminami, hliník sa môže použiť ako redukčné činidlo na prípravu zliatin hliníka vzácnych zemín. Hlavné chemické reakcie sú znázornené v nasledujúcom vzorci:
RE2O3+ 6Al→2REAl2+ Al2O3
Medzi nimi sa ako suroviny vzácnych zemín môžu použiť oxidy vzácnych zemín alebo troska bohatá na vzácne zeminy;Redukčným činidlom môže byť priemyselne čistý hliník alebo kremíkový hliník;Redukčná teplota je 1400 ℃ ~ 1600 ℃. V počiatočnom štádiu bola vykonaná za podmienky existencie vykurovacieho činidla a taviva a vysokej redukčnej teploty by spôsobili veľa problémov;V posledných rokoch výskumníci vyvinuli novú aluminotermickú redukčnú metódu.Pri nižšej teplote (780 ℃) je aluminotermická redukčná reakcia dokončená v systéme fluoridu sodného a chloridu sodného, čo zabraňuje problémom spôsobeným pôvodnou vysokou teplotou.
◆ ◆ Postup aplikácie hliníkovej zliatiny vzácnych zemín ◆ ◆
01 Aplikácia zliatiny hliníka vzácnych zemín v energetike
Vďaka výhodám dobrej vodivosti, veľkej prúdovej zaťažiteľnosti, vysokej pevnosti, odolnosti proti opotrebeniu, ľahkému spracovaniu a dlhej životnosti možno hliníkovú zliatinu vzácnych zemín použiť na výrobu káblov, nadzemných prenosových vedení, drôtených jadier, posuvných drôtov a tenkých drôtov pre špeciálne účely. Pridanie malého množstva RE do systému zliatiny Al Si môže zlepšiť vodivosť, pretože kremík v hliníkovej zliatine je prímesový prvok s vysokým obsahom, ktorý má väčší vplyv na elektrické vlastnosti.Pridanie vhodného množstva vzácnych zemín môže zlepšiť existujúcu morfológiu a distribúciu kremíka v zliatine, čo môže účinne zlepšiť elektrické vlastnosti hliníka; Pridanie malého množstva zmiešaných vzácnych zemín bohatých na ytrium do drôtu z žiaruvzdornej hliníkovej zliatiny môže nielen udržiavať dobrý výkon pri vysokej teplote, ale tiež zlepšiť vodivosť; Vzácne zeminy môžu zlepšiť pevnosť v ťahu, tepelnú odolnosť a odolnosť proti korózii systému hliníkových zliatin.Káble a vodiče vyrobené z hliníkovej zliatiny vzácnych zemín môžu zvýšiť rozpätie káblovej veže a predĺžiť životnosť káblov.
02Aplikácia zliatiny hliníka vzácnych zemín v stavebníctve
Zliatina hliníka 6063 je najpoužívanejšia v stavebníctve.Pridanie 0,15% ~ 0,25% vzácnych zemín môže výrazne zlepšiť štruktúru odlievania a štruktúru spracovania a môže zlepšiť výkon vytláčania, účinok tepelného spracovania, mechanické vlastnosti, odolnosť proti korózii, výkon povrchovej úpravy a farebný tón. Zistilo sa, že vzácne zeminy sú distribuovaný hlavne v hliníkovej zliatine 6063α-Al neutralizuje fázovú hranicu, hranicu zŕn a interdendritické a sú rozpustené v zlúčeninách alebo existujú vo forme zlúčenín na zjemnenie štruktúry dendritov a zŕn, takže veľkosť nerozpusteného eutektika a veľkosť Počet jamiek v oblasti jamiek sa výrazne zmenšil, rozloženie je rovnomerné a hustota sa zvyšuje, takže rôzne vlastnosti zliatiny sa v rôznej miere zlepšujú.Napríklad pevnosť profilu sa zvýši o viac ako 20 %, predĺženie sa zvýši o 50 % a rýchlosť korózie sa zníži viac ako dvakrát, hrúbka oxidového filmu sa zvýši o 5 % ~ 8 % a vlastnosti zafarbenia sa zvýšia asi o 3 %. Preto sú stavebné profily zo zliatiny RE-6063 široko používané.
03Aplikácia hliníkovej zliatiny vzácnych zemín v každodenných výrobkoch
Pridanie stopových prvkov vzácnych zemín do čistého hliníka a hliníkových zliatin série Al Mg na každodenné použitie hliníkových produktov môže výrazne zlepšiť mechanické vlastnosti, vlastnosti hlbokého ťahania a odolnosť proti korózii. Denné potreby, ako sú hliníkové hrnce, hliníkové panvice, hliníkové taniere, hliníkové krabičky na obed, hliníkové podpery nábytku, hliníkové bicykle a časti domácich spotrebičov vyrobené zo zliatiny Al Mg RE majú viac ako dvojnásobnú odolnosť proti korózii, 10%~15% zníženie hmotnosti, 10%~20% zvýšenie výnosu, 10%~15% zníženie výrobných nákladov, a lepší výkon pri hlbokom ťahaní a hlbokom spracovaní v porovnaní s výrobkami z hliníkovej zliatiny bez vzácnych zemín. V súčasnosti sa bežne používajú hliníkové zliatiny vzácnych zemín každodennej potreby a výrobky sa výrazne zvýšili a dobre sa predávajú na domácom a zahraničnom trhu .
04 Aplikácia hliníkovej zliatiny vzácnych zemín v iných aspektoch
Pridanie niekoľkých tisícin vzácnych zemín do najpoužívanejšej zliatiny série Al Si na odlievanie môže výrazne zlepšiť výkon pri obrábaní zliatiny.Mnoho značiek produktov sa používa v lietadlách, lodiach, automobiloch, dieselových motoroch, motocykloch a obrnených vozidlách (piesty, prevodovky, valec, prístrojové vybavenie a iné diely). Pri výskume a aplikácii sa zistilo, že Sc je najúčinnejším prvkom na optimalizovať štruktúru a vlastnosti hliníkových zliatin.Má silné disperzné spevnenie, spevnenie zrnitosti, spevnenie roztoku a spevnenie mikrozliatiny na hliník a môže zlepšiť pevnosť, tvrdosť, plasticitu, húževnatosť, odolnosť proti korózii, tepelnú odolnosť atď. zliatin. Zliatiny série Sc Al sa používajú v high-tech odvetvia, ako je letecký priemysel, lode, vysokorýchlostné vlaky, ľahké vozidlá atď. Skandiová hliníková zliatina série C557Al Mg Zr Sc vyvinutá NASA má vysokú pevnosť a stabilitu pri vysokých teplotách a nízkych teplotách a bola aplikovaná na trupy lietadiel a lietadiel konštrukčné diely;Zliatina 0146Al Cu Li Sc vyvinutá Ruskom bola aplikovaná na kryogénnu palivovú nádrž kozmickej lode.
Zo zväzku 33, číslo 1 vzácnej Zeme od Wang Hui, Yang An a Yun Qi
Čas odoslania: júl-05-2023