Uporabaredke zemljevlivanje aluminijevih zlitin je bilo izvedeno prej v tujini.Čeprav je Kitajska začela raziskovati in uporabljati ta vidik šele v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, se je hitro razvil.Veliko dela je bilo opravljenega od raziskav mehanizmov do praktične uporabe in doseženih je bilo nekaj dosežkov. Z dodatkom elementov redkih zemelj so se mehanske lastnosti, lastnosti litja in električne lastnosti aluminijevih zlitin močno izboljšale. Na področju novih materialov, bogate optične, električne in magnetne lastnosti elementov redkih zemelj prav tako igrajo pomembno vlogo pri izdelavi trajnih magnetnih materialov redkih zemelj, materialov, ki oddajajo svetlobo redkih zemelj, materialov za shranjevanje vodika redkih zemelj itd.
◆ ◆ Mehanizem delovanja redkih zemelj v aluminiju in aluminijevih zlitinah ◆ ◆
Redke zemlje imajo visoko kemično aktivnost, nizek potencial in posebno razporeditev plasti elektronov ter lahko medsebojno delujejo s skoraj vsemi elementi. Redke zemlje, ki se običajno uporabljajo v aluminiju in aluminijevih zlitinah, vključujejo La (lantan), Ce (cerij), Y (itrij) in Sc (skandij).Pogosto se dodajajo v aluminijevo tekočino z modifikatorji, sredstvi za nukleacijo in sredstvi za razplinjevanje, ki lahko očistijo talino, izboljšajo strukturo, rafinirajo zrna itd.
01Čiščenje redkih zemelj
Ker bo med taljenjem in ulivanjem aluminijeve zlitine vnesena velika količina plina in oksidnih vključkov (predvsem vodika, kisika in dušika), se bodo v ulitku pojavile luknjice, razpoke, vključki in druge napake (glej sliko 1a), kar bo zmanjšalo trdnost aluminijeve zlitine. Učinek čiščenja redkih zemelj se kaže predvsem v očitnem zmanjšanju vsebnosti vodika v staljenem aluminiju, zmanjšanju stopnje lukenj in poroznosti (glej sliko 1b) ter zmanjšanju vključkov in škodljivih elementov. Glavni razlog je v tem, da ima redka zemlja veliko afiniteto do vodika, ki lahko absorbira in raztopi vodik v velikih količinah ter tvori stabilne spojine brez tvorbe mehurčkov, s čimer se bistveno zmanjša vsebnost vodika in poroznost aluminija; redka zemlja in dušik tvorita ognjevarne spojine, ki so večinoma odstranimo v obliki žlindre v procesu taljenja, da dosežemo namen čiščenja aluminijeve tekočine.
Praksa je dokazala, da redke zemlje vplivajo na zmanjšanje vsebnosti vodika, kisika in žvepla v aluminiju in aluminijevih zlitinah.Dodajanje 0,1 % ~ 0,3 % RE v aluminijevo tekočino je koristno za boljše odstranjevanje škodljivih nečistoč, rafiniranje nečistoč ali spreminjanje njihove morfologije, tako da se rafinirajo in enakomerno porazdelijo zrna; poleg tega RE in škodljive nečistoče z nizkim tališčem tvorijo binarne spojine, kot je npr. RES, REA in REPb, za katere je značilno visoko tališče, nizka gostota in stabilne kemijske lastnosti ter jih je mogoče naplaviti, da nastane žlindra in jih odstraniti, s čimer se očisti aluminijeva tekočina; Preostali drobni delci postanejo heterogena jedra aluminija za rafiniranje zrna.
Slika 1 Morfologija SEM zlitine 7075 brez RE in w (RE)=0,3 %
a.RE ni dodan;b.Dodaj w (RE)=0,3%
02Metamorfizem redkih zemelj
Modifikacija redkih zemelj se v glavnem kaže v rafiniranju zrn in dendritov, zaviranju pojava grobe lamelarne T2 faze, odpravljanju grobe masivne faze, porazdeljene v primarnem kristalu in oblikovanju sferične faze, tako da so spojine trakov in fragmentov na meji zrn znatno zmanjšane (glej sliko 2). Na splošno je polmer atoma redkih zemelj večji od polmera atoma aluminija in njegove lastnosti so relativno aktivne.Taljenje v aluminijevi tekočini je zelo enostavno zapolniti površinske napake faze zlitine, kar zmanjša površinsko napetost na vmesniku med novo in staro fazo ter izboljša hitrost rasti kristalnega jedra; hkrati lahko tvori tudi površino aktivni film med zrni in staljeno tekočino, da se prepreči rast ustvarjenih zrn in izboljša struktura zlitine (glej sliko 2b).
Slika 2 Mikrostruktura zlitin z različnimi dodatki RE
a.Odmerek RE je 0;b.dodatek RE je 0,3 %;c.Dodatek RE je 0,7 %
Po dodajanju redkih zemeljskih elementov α so zrna (Al) faze začela postajati manjša, kar je imelo vlogo pri rafiniranju zrn α (Al), preoblikovana v obliko majhne vrtnice ali palice, ko je vsebnost redkih zemelj 0,3 % α Velikost zrn (Al ) faza je najmanjša in postopoma narašča z nadaljnjim povečevanjem vsebnosti redkih zemelj. Eksperimenti so dokazali, da obstaja določena inkubacijska doba za metamorfizem redkih zemelj in šele, ko se nekaj časa hrani pri visoki temperaturi, redka zemlja bo igrala največjo vlogo pri metamorfizmu. Poleg tega se število kristalnih jeder spojin, ki jih tvorita aluminij in redka zemlja, močno poveča, ko kovina kristalizira, zaradi česar je tudi struktura zlitine rafinirana. Raziskava kaže, da ima redka zemlja dobro učinek modifikacije aluminijeve zlitine.
03 Mikrolegirni učinek redkih zemelj
Redke zemlje v glavnem obstajajo v aluminiju in aluminijevih zlitinah v treh oblikah: trdna raztopina v matriksu α(Al); segregacija na fazni meji, meji zrn in meji dendrita; trdna raztopina v ali v obliki spojine. Okrepitveni učinki redkih zemelj v aluminijeve zlitine vključujejo predvsem krepitev rafiniranja zrn, krepitev končne raztopine in drugo fazo krepitve spojin redkih zemelj.
Oblika obstoja redkih zemelj v aluminiju in aluminijevih zlitinah je tesno povezana z njihovo dodano količino.Na splošno, ko je vsebnost RE manjša od 0,1 %, je vloga RE v glavnem krepitev finih zrn in krepitev končne raztopine; Ko je vsebnost RE 0,25 % ~ 0,30 %, RE in Al tvorita veliko število sferičnih ali kratkih paličastih intermetalnih spojin. , ki so porazdeljene v zrnu ali meji zrn, in pojavi se veliko število dislokacij, drobnozrnatih sferoidiziranih struktur in razpršenih spojin redkih zemelj, kar bo povzročilo učinke mikro legiranja, kot je ojačitev druge faze.
◆ ◆ Vpliv redkih zemelj na lastnosti aluminija in aluminijevih zlitin ◆◆
01 Vpliv redkih zemelj na celovite mehanske lastnosti zlitine
Trdnost, trdoto, raztezek, lomno žilavost, odpornost proti obrabi in druge obsežne mehanske lastnosti zlitine je mogoče izboljšati z dodajanjem ustrezne količine redkih zemelj. 0,3 % RE se doda zlitini serije ZL10 iz litega aluminijaσbod 205,9 MPa do 274 MPa in HB od 80 do 108; dodajanje 0,42 % Sc zlitini 7005σbpovečal s 314MPa na 414MPa,σ0,2povečal z 282 MPa na 378 MPa, plastičnost se je povečala s 6,8 % na 10,1 %, visokotemperaturna stabilnost pa je bila znatno povečana; La in Ce lahko znatno izboljšata superplastičnost zlitine.Dodajanje 0,14 % ~ 0,64 % La zlitini Al-6Mg-0,5 Mn poveča superplastičnost s 430 % na 800 % ~ 1000 %; Sistematična študija zlitine Al Si kaže, da sta lahko meja tečenja in končna natezna trdnost zlitine zelo izboljšano z dodajanjem ustrezne količine Sc.Fig.Slika 3 prikazuje SEM videz nateznega loma Al-Si7-Mg0,8zlitine, kar nakazuje, da gre za tipičen krhki odkolni lom brez RE, medtem ko se po dodajanju 0,3 % RE pojavi v lomu očitna jamičasta struktura, kar kaže na dobro žilavost in duktilnost.
Slika 3 Morfologija nateznega zloma
a.Ni pridružen RE;b.Dodajte 0,3% RE
02Vpliv redkih zemelj na visokotemperaturne lastnosti zlitin
Dodajanje določene količineredke zemljev aluminijevo zlitino lahko učinkovito izboljša visokotemperaturno oksidacijsko odpornost aluminijeve zlitine. Dodajanje 1%~1,5% mešanice redkih zemelj v ulito evtektično zlitino Al Si poveča visokotemperaturno trdnost za 33%, visokotemperaturno pretrgalno trdnost (300 ℃, 1000 ur) za 44 %, odpornost proti obrabi in stabilnost pri visokih temperaturah pa sta znatno izboljšani; Dodajanje La, Ce, Y in mešane kovine zlitinam Al Cu lahko izboljša visokotemperaturne lastnosti zlitin; Hitro strjeni Al-8,4 % Fe-3,4% Ce zlitina lahko deluje dolgo časa pod 400 ℃, kar močno izboljša delovno temperaturo aluminijeve zlitine; Sc je dodan zlitini Al Mg Si, da nastane Al3Delci Sc, ki jih pri visoki temperaturi ni enostavno zgrobiti in se povežejo z matriko, da zaskočijo mejo zrn, tako da zlitina med žarjenjem ohrani nerekristalizirano strukturo in močno izboljša lastnosti zlitine pri visokih temperaturah.
03 Vpliv redkih zemelj na optične lastnosti zlitin
Dodajanje redkih zemelj v aluminijevo zlitino lahko spremeni strukturo njenega površinskega oksidnega filma, zaradi česar je površina svetlejša in lepša. Ko aluminijevi zlitini dodamo 0,12 % ~ 0,25 % RE, je odbojnost oksidiranega in obarvanega profila 6063 do 92 %; Ko zlitini iz litega aluminija Al Mg dodamo 0,1 % ~ 0,3 % RE, lahko zlitina doseže najboljšo površinsko obdelavo in obstojnost sijaja.
04 Vpliv redkih zemelj na električne lastnosti zlitin
Dodajanje RE aluminiju visoke čistosti je škodljivo za prevodnost zlitine, vendar je mogoče prevodnost do določene mere izboljšati z dodajanjem ustreznega RE industrijskemu čistemu aluminiju in prevodnim zlitinam Al Mg Si. Eksperimentalni rezultati kažejo, da je prevodnost aluminija se lahko izboljša za 2% ~ 3% z dodatkom 0,2% RE. Dodajanje majhne količine redke zemlje, bogate z itrijem, v zlitino Al Zr lahko izboljša prevodnost zlitine, ki jo je sprejela večina domačih tovarn žice; dodajte sled redke zemlje na aluminij visoke čistosti za izdelavo kondenzatorja iz folije Al RE.Pri uporabi v izdelkih 25 kV se indeks kapacitivnosti podvoji, zmogljivost na enoto prostornine se poveča za 5-krat, teža se zmanjša za 47%, prostornina kondenzatorja pa se znatno zmanjša.
05Vpliv redkih zemelj na korozijsko odpornost zlitine
V nekaterih delovnih okoljih, zlasti v prisotnosti kloridnih ionov, so zlitine občutljive na korozijo, špranjsko korozijo, napetostno korozijo in korozijsko utrujenost. Da bi izboljšali korozijsko odpornost aluminijevih zlitin, so bile izvedene številne študije.Ugotovljeno je bilo, da lahko dodajanje ustrezne količine redkih zemelj aluminijevim zlitinam učinkovito izboljša njihovo odpornost proti koroziji. Vzorci, narejeni z dodajanjem različnih količin mešanih redkih zemelj (0,1 % ~ 0,5 %) aluminiju, so bili trikrat zapored namočeni v slanici in umetni morski vodi. leta.Rezultati kažejo, da lahko dodajanje majhne količine redkih zemelj aluminiju izboljša odpornost aluminija proti koroziji, odpornost proti koroziji v slanici in umetni morski vodi pa je za 24 % oziroma 32 % višja kot pri aluminiju; z uporabo metode kemičnih hlapov in dodajanjem večkomponentni penetrant redkih zemelj (La, Ce itd.), se na površini zlitine 2024 lahko oblikuje plast filma za pretvorbo redkih zemelj, zaradi česar je potencial površinske elektrode aluminijeve zlitine ponavadi enakomeren in izboljša odpornost proti interkristalna korozija in napetostna korozija; Dodajanje La aluminijevi zlitini z visoko vsebnostjo Mg lahko znatno izboljša protipomorsko korozijsko sposobnost zlitine; Dodajanje 1,5 % ~ 2,5 % Nd aluminijevim zlitinam lahko izboljša visokotemperaturno delovanje, zrakotesnost in odpornost proti koroziji zlitine, ki se pogosto uporabljajo kot vesoljski materiali.
◆ ◆ Tehnologija priprave aluminijeve zlitine redkih zemelj ◆ ◆
Redke zemlje se večinoma dodajajo v obliki elementov v sledovih v aluminijevih zlitinah in drugih zlitinah.Redke zemlje imajo visoko kemično aktivnost, visoko tališče in jih je enostavno oksidirati in sežgati pri visokih temperaturah.To je povzročilo določene težave pri pripravi in uporabi aluminijevih zlitin redkih zemelj. V dolgoročnih eksperimentalnih raziskavah ljudje še naprej raziskujejo metode priprave aluminijevih zlitin redkih zemelj. Trenutno so glavne proizvodne metode za pripravo aluminijevih zlitin redkih zemelj so metoda mešanja, metoda elektrolize staljene soli in metoda aluminotermične redukcije.
01 Metoda mešanja
Metoda mešanega taljenja je dodajanje redkih zemelj ali mešanih redkih zemeljskih kovin v visokotemperaturno aluminijevo tekočino v sorazmerju, da dobimo glavno zlitino ali zlitino za nanašanje, nato pa skupaj stopimo glavno zlitino in preostali aluminij v skladu z izračunanim dodatkom, popolnoma premešamo in prečistimo .
02 elektroliza
Metoda elektrolize staljene soli je dodajanje oksida redkih zemelj ali soli redkih zemelj v industrijsko aluminijevo elektrolitsko celico in elektroliza z aluminijevim oksidom za proizvodnjo aluminijeve zlitine redkih zemelj. Metoda elektrolize staljene soli se je na Kitajskem relativno hitro razvila.Na splošno obstajata dva načina, in sicer metoda s tekočo katodo in elektrolitska evtektoidna metoda.Trenutno je bilo razvito, da se lahko spojine redkih zemelj neposredno dodajajo industrijskim aluminijevim elektrolitskim celicam, zlitine redke zemlje pa se lahko proizvajajo z elektrolizo kloridnih talin z evtektoidno metodo.
03 Metoda aluminotermične redukcije
Ker ima aluminij močno redukcijsko sposobnost in lahko aluminij tvori različne intermetalne spojine z redko zemljo, se lahko aluminij uporablja kot redukcijsko sredstvo za pripravo aluminijevih zlitin redkih zemelj. Glavne kemijske reakcije so prikazane v naslednji formuli:
RE2O3+ 6Al→2REAl2+ Al2O3
Med njimi se lahko kot redke zemeljske surovine uporablja oksid redke zemlje ali žlindra, bogata z redko zemljo; redukcijsko sredstvo je lahko industrijski čisti aluminij ali silicijev aluminij; temperatura redukcije je 1400 ℃ ~ 1600 ℃. V zgodnji fazi je bila izvedena ven pod pogojem obstoja grelnega sredstva in fluksa, visoka redukcijska temperatura pa bi povzročila veliko težav; V zadnjih letih so raziskovalci razvili novo aluminotermično redukcijsko metodo.Pri nižji temperaturi (780 ℃) se aluminotermična reakcija redukcije zaključi v sistemu natrijevega fluorida in natrijevega klorida, s čimer se izognemo težavam, ki jih povzroča prvotna visoka temperatura.
◆ ◆ Napredek uporabe aluminijeve zlitine redkih zemelj ◆ ◆
01 Uporaba aluminijeve zlitine redkih zemelj v energetiki
Zaradi prednosti dobre prevodnosti, velike tokovne nosilnosti, visoke trdnosti, odpornosti proti obrabi, enostavne obdelave in dolge življenjske dobe se lahko aluminijeva zlitina redkih zemelj uporablja za izdelavo kablov, nadzemnih daljnovodov, žičnih jeder, drsnih žic in tankih žic za posebne namene. Dodajanje majhne količine RE v sistem zlitine Al Si lahko izboljša prevodnost, ker je silicij v aluminijevi zlitini element nečistoče z visoko vsebnostjo, ki ima večji vpliv na električne lastnosti.Dodajanje ustrezne količine redkih zemelj lahko izboljša obstoječo morfologijo in porazdelitev silicija v zlitini, kar lahko učinkovito izboljša električne lastnosti aluminija; dodajanje majhne količine itrija ali z itrijem bogate mešane redke zemlje v žico iz toplotno odporne aluminijeve zlitine ne more samo vzdrževati dobre visokotemperaturne zmogljivosti, temveč tudi izboljšati prevodnost; redke zemlje lahko izboljšajo natezno trdnost, toplotno odpornost in odpornost proti koroziji sistema aluminijeve zlitine.Kabli in vodniki iz aluminijeve zlitine redkih zemelj lahko povečajo razpon kabelskega stolpa in podaljšajo življenjsko dobo kablov.
02Uporaba aluminijeve zlitine redkih zemelj v gradbeništvu
Aluminijeva zlitina 6063 je najbolj razširjena v gradbeništvu.Dodajanje 0,15 % ~ 0,25 % redke zemlje lahko znatno izboljša strukturo ulitka in predelovalno strukturo ter lahko izboljša učinkovitost iztiskanja, učinek toplotne obdelave, mehanske lastnosti, odpornost proti koroziji, učinkovitost površinske obdelave in barvni ton. Ugotovljeno je, da je redka zemlja v glavnem porazdeljen v 6063 aluminijevi zlitiniα-Al nevtralizira fazno mejo, mejo zrn in interdendrit, in so raztopljeni v spojinah ali obstajajo v obliki spojin za izboljšanje strukture dendritov in zrn, tako da velikost neraztopljenega evtektika in velikost vdolbinice v območju jamice postanejo znatno manjše, porazdelitev je enakomerna in gostota se poveča, tako da se različne lastnosti zlitine izboljšajo v različnih stopnjah.Na primer, trdnost profila se poveča za več kot 20 %, raztezek se poveča za 50 % in stopnja korozije se zmanjša za več kot dvakrat, debelina oksidnega filma se poveča za 5 % ~ 8 % in barvna lastnost se poveča za približno 3 %. Zato se gradbeni profili iz zlitine RE-6063 široko uporabljajo.
03Uporaba aluminijeve zlitine redkih zemelj v dnevnih izdelkih
Dodajanje redkih zemelj v sledovih čistemu aluminiju in aluminijevim zlitinam serije Al Mg za vsakodnevno uporabo izdelkov iz aluminija lahko bistveno izboljša mehanske lastnosti, lastnost globokega vlečenja in odpornost proti koroziji. Dnevne potrebščine, kot so aluminijasti lonci, aluminijaste ponve, aluminijasti krožniki, aluminijaste škatle za kosilo, aluminijasti nosilci pohištva, aluminijasta kolesa in deli gospodinjskih aparatov iz zlitine Al Mg RE imajo več kot dvakratno odpornost proti koroziji, 10%~15% zmanjšanje teže, 10%~20% povečanje donosa, 10%~15% zmanjšanje proizvodnih stroškov, ter boljšo zmogljivost globokega vlečenja in globoke obdelave v primerjavi z izdelki iz aluminijevih zlitin brez redkih zemelj. Trenutno so dnevne potrebe aluminijeve zlitine redkih zemelj široko uporabljene, izdelki pa so se znatno povečali in se dobro prodajajo na domačem in tujih trgih. .
04 Uporaba aluminijeve zlitine redkih zemelj v drugih vidikih
Dodajanje nekaj tisočink redke zemlje v najpogosteje uporabljeno zlitino serije Al Si lahko znatno izboljša zmogljivost obdelave zlitine.Številne blagovne znamke izdelkov so bile uporabljene v letalih, ladjah, avtomobilih, dizelskih motorjih, motornih kolesih in oklepnih vozilih (bat, menjalnik, cilinder, instrumenti in drugi deli). Pri raziskavah in uporabi je bilo ugotovljeno, da je Sc najučinkovitejši element za optimizirati strukturo in lastnosti aluminijevih zlitin.Ima močno disperzijsko krepitev, krepitev zrnatosti, krepitev raztopine in krepitev mikrozlitin na aluminij ter lahko izboljša trdnost, trdoto, plastičnost, žilavost, odpornost proti koroziji, toplotno odpornost itd. zlitin. Zlitine serije Sc Al so bile uporabljene v visokotehnološke industrije, kot so vesoljska industrija, ladje, hitri vlaki, lahka vozila itd. C557Al Mg Zr Sc serija skandijevih aluminijevih zlitin, ki jih je razvila NASA, ima visoko trdnost ter stabilnost pri visokih in nizkih temperaturah in je bila uporabljena za trup in letala strukturni deli; Zlitina 0146Al Cu Li Sc, ki jo je razvila Rusija, je bila uporabljena za kriogeni rezervoar za gorivo vesoljskih plovil.
Iz 33. zvezka, 1. številka Redke zemlje Wang Hui, Yang An in Yun Qi
Čas objave: 5. julij 2023