Ang aplikasyon ngbihirang lupasa paghahagis ng aluminyo haluang metal ay natupad nang mas maaga sa ibang bansa.Bagama't sinimulan ng Tsina ang pagsasaliksik at aplikasyon ng aspetong ito noong 1960s lamang, mabilis itong umunlad.Maraming trabaho ang ginawa mula sa pagsasaliksik ng mekanismo hanggang sa praktikal na aplikasyon, at ang ilang mga tagumpay ay nagawa. Sa pagdaragdag ng mga elemento ng bihirang lupa, ang mga mekanikal na katangian, mga katangian ng paghahagis at mga katangian ng elektrikal ng mga aluminyo na haluang metal ay lubos na napabuti. Sa larangan ng Ang mga bagong materyales, ang mayamang optical, electrical at magnetic na katangian ng mga rare earth na elemento ay may mahalagang papel din sa paggawa ng rare earth permanent magnetic materials, rare earth light-emitting materials, rare earth hydrogen storage materials, atbp.
◆ ◆ Mekanismo ng pagkilos ng rare earth sa aluminum at aluminum alloy ◆ ◆
Ang Rare earth ay may mataas na aktibidad ng kemikal, mababang potensyal at espesyal na pag-aayos ng layer ng elektron, at maaaring makipag-ugnayan sa halos lahat ng elemento. Ang mga rare earth na karaniwang ginagamit sa aluminum at aluminum alloys ay kinabibilangan ng La (lanthanum), Ce (cerium), Y (yttrium) at Sc (scandium).Ang mga ito ay madalas na idinagdag sa aluminum liquid na may mga modifier, nucleating agent at degassing agent, na maaaring maglinis ng natutunaw, mapabuti ang istraktura, pinuhin ang butil, atbp.
01Paglilinis ng bihirang lupa
Dahil ang malaking halaga ng gas at oxide inclusions (pangunahin ang hydrogen, oxygen at nitrogen) ay dadalhin sa panahon ng pagtunaw at paghahagis ng aluminum alloy, ang mga pinholes, bitak, inklusyon at iba pang mga depekto ay magaganap sa paghahagis (tingnan ang Larawan 1a), na binabawasan ang lakas ng aluminyo haluang metal.Ang epekto ng paglilinis ng bihirang lupa ay higit sa lahat ay ipinapakita sa halatang pagbawas ng nilalaman ng hydrogen sa tinunaw na aluminyo, ang pagbabawas ng pinhole rate at porosity (tingnan ang Figure 1b), at ang pagbawas ng mga inklusyon at nakakapinsalang elemento. ang dahilan ay ang rare earth ay may malaking affinity sa hydrogen, na maaaring sumipsip at matunaw ang hydrogen sa malalaking dami at bumuo ng mga matatag na compound nang hindi bumubuo ng mga bula, kaya makabuluhang binabawasan ang hydrogen content at porosity ng aluminum; Rare earth at nitrogen form refractory compounds, na kung saan ay karamihan ay inalis sa anyo ng slag sa proseso ng smelting, upang makamit ang layunin ng paglilinis ng likidong aluminyo.
Napatunayan ng pagsasanay na ang bihirang lupa ay may epekto ng pagbabawas ng nilalaman ng hydrogen, oxygen at sulfur sa mga aluminyo at aluminyo na haluang metal.Ang pagdaragdag ng 0.1%~0.3% RE sa aluminum liquid ay nakakatulong upang mas mahusay na maalis ang mga mapaminsalang impurities, pinuhin ang mga impurities o baguhin ang kanilang morpolohiya, upang mapadalisay at pantay-pantay na ipamahagi ang mga butil; Bilang karagdagan, ang RE at mga nakakapinsalang impurities na may mababang punto ng pagkatunaw ay bumubuo ng mga binary compound tulad ng RES, REAs, at REPb, na kung saan ay nailalarawan sa pamamagitan ng mataas na punto ng pagkatunaw, mababang densidad, at matatag na mga katangian ng kemikal, at maaaring lumutang pataas upang bumuo ng slag at maalis, kaya naglilinis ng aluminum liquid; butil.
Fig. 1 SEM Morphology ng 7075 Alloy na walang RE at w (RE)=0.3%
a.Hindi idinagdag ang RE;b.Magdagdag ng w (RE)=0.3%
02Metamorphism ng rare earth
Ang pagbabago sa bihirang lupa ay pangunahing ipinakikita sa pagpino ng mga butil at dendrite, na pinipigilan ang paglitaw ng magaspang na lamellar T2 phase, inaalis ang magaspang na napakalaking bahagi na ipinamamahagi sa pangunahing kristal at bumubuo ng spherical phase, upang ang mga strip at fragment compound sa hangganan ng butil ay makabuluhang nabawasan (tingnan ang Figure 2). Sa pangkalahatan, ang radius ng rare earth atom ay mas malaki kaysa sa aluminum atom, at ang mga katangian nito ay medyo aktibo.Ang pagkatunaw sa likidong aluminyo ay napakadaling punan ang mga depekto sa ibabaw ng bahagi ng haluang metal, na binabawasan ang pag-igting sa ibabaw sa interface sa pagitan ng bago at lumang mga yugto, at pinapabuti ang rate ng paglago ng crystal nucleus; Kasabay nito, maaari rin itong bumuo ng isang ibabaw aktibong pelikula sa pagitan ng mga butil at ng tinunaw na likido upang maiwasan ang paglaki ng nabuong mga butil at pinuhin ang istraktura ng haluang metal (tingnan ang Larawan 2b).
Fig. 2 Microstructure ng Alloys na may Iba't ibang RE Addition
a.Ang dosis ng RE ay 0;b.Ang pagdaragdag ng RE ay 0.3%;c.Ang karagdagan sa RE ay 0.7%
Pagkatapos magdagdag ng mga rare earth elementsαNagsimulang maging mas maliit ang mga butil ng (Al) phase, na gumanap ng papel sa pagpino ng mga butilα(Al) na nabago sa isang maliit na hugis ng rosas o baras, kapag ang nilalaman ng rare earth ay 0.3%αAng laki ng butil ng (Al ) phase ay ang pinakamaliit, at unti-unting tumataas sa karagdagang pagtaas ng nilalaman ng bihirang lupa. Napatunayan ng mga eksperimento na mayroong isang tiyak na panahon ng pagpapapisa ng itlog para sa metamorphism ng rare earth, at kapag ito ay pinananatili sa isang mataas na temperatura para sa isang tiyak na tagal ng panahon, Ang rare earth ay gaganap ng pinakamalaking papel sa metamorphism. Bilang karagdagan, ang bilang ng mga crystal nuclei ng mga compound na nabuo ng aluminyo at rare earth ay tumataas nang husto kapag ang metal ay nag-crystallize, na ginagawang mas pino din ang istraktura ng haluang metal. Ipinakikita ng pananaliksik na ang rare earth ay may magandang epekto ng pagbabago sa aluminyo haluang metal.
03 Microalloying effect ng rare earth
Ang rare earth ay pangunahing umiiral sa aluminum at aluminum alloys sa tatlong anyo: solid solution sa matrixα(Al);Segregation sa phase boundary, grain boundary at dendrite boundary;Solid solution sa o sa anyo ng compound.Ang mga epekto ng pagpapalakas ng rare earth sa Ang mga aluminyo na haluang metal ay pangunahing kinabibilangan ng pagpapalakas ng pagpipino ng butil, pagpapalakas ng may hangganan na solusyon at ang pangalawang yugto ng pagpapalakas ng mga bihirang compound ng lupa.
Ang pagkakaroon ng anyo ng bihirang lupa sa aluminyo at aluminyo haluang metal ay malapit na nauugnay sa halaga ng karagdagan nito.Sa pangkalahatan, kapag ang RE content ay mas mababa sa 0.1%, ang papel ng RE ay higit sa lahat ay fine grain strengthening at finite solution strengthening; Kapag ang RE content ay 0.25%~0.30%, RE at Al ay bumubuo ng malaking bilang ng spherical o short rod tulad ng intermetallic compounds , na ipinamamahagi sa hangganan ng butil o butil, at maraming dislokasyon, lumilitaw ang mga pinong butil na spheroidized na istruktura at dispersed rare earth compound, na magbubunga ng micro alloying effect tulad ng second phase strengthening.
◆ ◆ Epekto ng rare earth sa mga katangian ng aluminum at aluminum alloy ◆◆
01 Epekto ng bihirang lupa sa komprehensibong mekanikal na katangian ng haluang metal
Ang lakas, katigasan, pagpahaba, katigasan ng bali, resistensya ng pagsusuot at iba pang komprehensibong mekanikal na katangian ng haluang metal ay maaaring mapabuti sa pamamagitan ng pagdaragdag ng naaangkop na dami ng rare earth. Ang 0.3% RE ay idinagdag sa cast aluminum ZL10 series alloyσbmula 205.9 MPa hanggang 274 MPa, at HB mula 80 hanggang 108; Pagdaragdag ng 0.42% Sc sa 7005 alloyσbnadagdagan mula 314MPa hanggang 414MPa,σ0.2nadagdagan mula 282MPa hanggang 378MPa, ang plasticity ay tumaas mula 6.8% hanggang 10.1%, at ang mataas na temperatura na katatagan ay makabuluhang pinahusay; La at Ce ay maaaring makabuluhang mapabuti ang superplasticity ng haluang metal.Ang pagdaragdag ng 0.14%~0.64% La sa Al-6Mg-0.5Mn na haluang metal ay nagpapataas ng superplasticity mula 430% hanggang 800%~1000%;Ang isang sistematikong pag-aaral ng Al Si alloy ay nagpapakita na ang yield strength at ultimate tensile strength ng alloy ay maaaring maging lubos. napabuti sa pamamagitan ng pagdaragdag ng naaangkop na halaga ng Sc.Fig.Ipinapakita ng 3 ang hitsura ng SEM ng tensile fracture ng Al-Si7-Mg0.8haluang metal, na nagpapahiwatig na ito ay isang tipikal na brittle cleavage fracture na walang RE, habang pagkatapos ng 0.3% RE ay idinagdag, lumilitaw ang halatang dimple structure sa fracture, na nagpapahiwatig na ito ay may magandang tibay at ductility.
Fig. 3 Morpolohiya ng Tensile Fracture
a.Hindi sumali sa RE;b.Magdagdag ng 0.3% RE
02Epekto ng Rare Earth sa High Temperature Properties ng Alloys
Pagdaragdag ng isang tiyak na halaga ngbihirang lupasa aluminyo haluang metal ay maaaring epektibong mapabuti ang mataas na temperatura oksihenasyon paglaban ng aluminyo haluang metal. Ang pagdaragdag ng 1% ~ 1.5% halo-halong bihirang lupa sa cast Al Si eutectic haluang metal ay nagpapataas ng mataas na temperatura ng lakas ng 33%, ang mataas na temperatura rupture lakas (300 ℃, 1000 oras) ng 44%, at ang paglaban sa pagsusuot at katatagan ng mataas na temperatura ay makabuluhang napabuti; Ang pagdaragdag ng La, Ce, Y at mischmetal sa cast ng Al Cu alloys ay maaaring mapabuti ang mataas na temperatura na mga katangian ng mga haluang metal; Ang mabilis na solidified na Al-8.4% Ang Fe-3.4% Ce alloy ay maaaring gumana nang mahabang panahon sa ibaba 400 ℃, na lubos na nagpapabuti sa working temperature ng aluminum alloy; Ang Sc ay idinagdag sa Al Mg Si alloy upang mabuo ang Al3Ang mga particle ng sc na hindi madaling mag-coarsen sa mataas na temperatura at magkakaugnay sa matrix upang i-pin ang hangganan ng butil, upang ang haluang metal ay mapanatili ang isang hindi recrystallized na istraktura sa panahon ng pagsusubo, at lubos na nagpapabuti sa mga katangian ng mataas na temperatura ng haluang metal.
03 Epekto ng Rare Earth sa Optical Properties ng Alloys
Ang pagdaragdag ng bihirang lupa sa aluminyo na haluang metal ay maaaring magbago sa istraktura ng ibabaw ng oxide film nito, na ginagawang mas maliwanag at maganda ang ibabaw. Kapag ang 0.12%~0.25% RE ay idinagdag sa aluminyo na haluang metal, ang reflectivity ng oxidized at may kulay na 6063 na profile ay hanggang sa 92%;Kapag ang 0.1%~0.3% RE ay idinagdag sa Al Mg cast aluminum alloy, ang haluang metal ay maaaring makakuha ng pinakamahusay na surface finish at gloss durability.
04 Epekto ng Rare Earth sa Electrical Properties ng Alloys
Ang pagdaragdag ng RE sa high-purity aluminum ay nakakapinsala sa conductivity ng alloy, ngunit ang conductivity ay maaaring mapabuti sa isang tiyak na lawak sa pamamagitan ng pagdaragdag ng naaangkop na RE sa industrial pure aluminum at Al Mg Si conductive alloys. Ipinapakita ng mga eksperimentong resulta na ang conductivity ng aluminum maaaring mapabuti ng 2%~3% sa pamamagitan ng pagdaragdag ng 0.2% RE. Ang pagdaragdag ng maliit na halaga ng yttrium rich rare earth sa Al Zr alloy ay maaaring mapabuti ang conductivity ng alloy, na pinagtibay ng karamihan sa mga domestic wire factory; Magdagdag ng trace rare earth sa high-purity na aluminyo upang gawing Al RE foil capacitor.Kapag ginamit sa 25kV na mga produkto, ang capacitance index ay nadoble, ang kapasidad bawat unit volume ay nadagdagan ng 5 beses, ang timbang ay nabawasan ng 47%, at ang capacitor volume ay makabuluhang nabawasan.
05Epekto ng Rare Earth sa Corrosion Resistance ng Alloy
Sa ilang mga kapaligiran ng serbisyo, lalo na sa pagkakaroon ng mga chloride ions, ang mga haluang metal ay mahina sa kaagnasan, kaagnasan ng siwang, kaagnasan ng stress at pagkapagod ng kaagnasan. Upang mapabuti ang resistensya ng kaagnasan ng mga aluminyo na haluang metal, maraming pag-aaral ang isinagawa.Napag-alaman na ang pagdaragdag ng naaangkop na dami ng bihirang lupa sa mga aluminyo na haluang metal ay maaaring epektibong mapabuti ang kanilang resistensya sa kaagnasan. Ang mga sample na ginawa sa pamamagitan ng pagdaragdag ng iba't ibang dami ng halo-halong rare earth (0.1%~0.5%) sa aluminyo ay ibinabad sa brine at artipisyal na tubig-dagat nang tatlong magkakasunod taon.Ipinapakita ng mga resulta na ang pagdaragdag ng isang maliit na halaga ng mga bihirang lupa sa aluminyo ay maaaring mapabuti ang resistensya ng kaagnasan ng aluminyo, at ang resistensya ng kaagnasan sa brine at artipisyal na tubig-dagat ay 24% at 32% na mas mataas kaysa sa aluminyo, ayon sa pagkakabanggit; Paggamit ng chemical vapor method at pagdaragdag rare earth multi-component penetrant (La, Ce, atbp.), Ang isang layer ng rare earth conversion film ay maaaring mabuo sa ibabaw ng 2024 alloy, na ginagawang ang surface electrode potential ng aluminum alloy ay may posibilidad na maging pare-pareho, at pagpapabuti ng paglaban sa intergranular corrosion at stress corrosion; Ang pagdaragdag ng La sa mataas na Mg aluminum alloy ay maaaring makabuluhang mapabuti ang anti marine corrosion na kakayahan ng haluang metal; Ang pagdaragdag ng 1.5%~2.5% Nd sa aluminum alloys ay maaaring mapabuti ang mataas na temperatura na pagganap, air tightness at corrosion resistance ng mga haluang metal, na malawakang ginagamit bilang mga materyales sa aerospace.
◆ ◆ Teknolohiya sa paghahanda ng rare earth aluminum alloy ◆ ◆
Ang bihirang lupa ay kadalasang idinagdag sa anyo ng mga elemento ng bakas sa mga aluminyo na haluang metal at iba pang mga haluang metal.Ang rare earth ay may mataas na aktibidad ng kemikal, mataas na punto ng pagkatunaw, at madaling ma-oxidize at masunog sa mataas na temperatura.Nagdulot ito ng ilang partikular na kahirapan sa paghahanda at paggamit ng mga rare earth aluminum alloys. ay paraan ng paghahalo, molten salt electrolysis method at aluminothermic reduction method.
01 Paraan ng paghahalo
Ang pinaghalong paraan ng pagtunaw ay ang pagdaragdag ng rare earth o mixed rare earth metal sa mataas na temperatura na aluminum liquid sa proporsyon upang makagawa ng master alloy o application alloy, at pagkatapos ay matunaw ang master alloy at ang natitirang aluminyo ayon sa kinakalkula na allowance nang magkasama, ganap na pukawin at pinuhin .
02 Electrolysis
Ang molten salt electrolysis method ay ang pagdaragdag ng rare earth oxide o rare earth salt sa industrial aluminum electrolytic cell at electrolyze gamit ang aluminum oxide upang makabuo ng rare earth aluminum alloy. Ang molten salt electrolysis method ay medyo mabilis na binuo sa China.Sa pangkalahatan, mayroong dalawang paraan, ibig sabihin, paraan ng likidong katod at pamamaraang electrolytic eutectoid.Sa kasalukuyan, ito ay binuo na ang mga bihirang lupa compound ay maaaring direktang idagdag sa pang-industriya na aluminyo electrolytic cell, at bihirang lupa aluminyo alloys ay maaaring gawin sa pamamagitan ng electrolysis ng klorido natutunaw sa pamamagitan ng eutectoid paraan.
03 Paraan ng pagbabawas ng aluminothermic
Dahil ang aluminyo ay may malakas na kakayahan sa pagbabawas, at ang aluminyo ay maaaring bumuo ng iba't ibang intermetallic compound na may rare earth, ang aluminyo ay maaaring gamitin bilang isang reducing agent upang maghanda ng rare earth aluminum alloys. Ang mga pangunahing kemikal na reaksyon ay ipinapakita sa sumusunod na formula:
RE2O3+ 6Al→2REAl2+ Al2O3
Kabilang sa mga ito, ang rare earth oxide o rare earth rich slag ay maaaring gamitin bilang rare earth raw na materyales; Ang reducing agent ay maaaring industriyal na purong aluminyo o silikon na aluminyo; Ang pagbabawas ng temperatura ay 1400 ℃~1600 ℃. Sa maagang yugto, ito ay dinala sa ilalim ng kondisyon ng pagkakaroon ng heating agent at flux, at ang mataas na pagbabawas ng temperatura ay magdudulot ng maraming problema; Sa mga nagdaang taon, ang mga mananaliksik ay nakabuo ng isang bagong paraan ng pagbabawas ng aluminothermic.Sa isang mas mababang temperatura (780 ℃), ang aluminothermic reduction reaction ay nakumpleto sa sistema ng sodium fluoride at sodium chloride, na iniiwasan ang mga problema na dulot ng orihinal na mataas na temperatura.
◆ ◆ Progreso ng aplikasyon ng rare earth aluminum alloy ◆ ◆
01 Application ng rare earth aluminum alloy sa power industry
Dahil sa mga bentahe ng mahusay na kondaktibiti, malaking kasalukuyang kapasidad ng pagdadala, mataas na lakas, paglaban sa pagsusuot, madaling pagproseso at mahabang buhay ng serbisyo, ang rare earth aluminum alloy ay maaaring gamitin sa paggawa ng mga cable, overhead transmission lines, wire cores, slide wires at thin wires para sa mga espesyal na layunin. Ang pagdaragdag ng isang maliit na halaga ng RE sa Al Si alloy system ay maaaring mapabuti ang kondaktibiti, na dahil ang silikon sa aluminyo haluang metal ay isang elemento ng karumihan na may mataas na nilalaman, na may mas malaking epekto sa mga electrical properties.Ang pagdaragdag ng naaangkop na dami ng rare earth ay maaaring mapabuti ang umiiral na morpolohiya at pamamahagi ng silicon sa haluang metal, na maaaring epektibong mapabuti ang mga electrical properties ng aluminum; hindi lamang maaaring mapanatili ang mahusay na pagganap ng mataas na temperatura ngunit mapabuti din ang kondaktibiti; Maaaring mapabuti ng Rare earth ang lakas ng makunat, paglaban sa init at paglaban sa kaagnasan ng sistema ng aluminyo na haluang metal.Ang mga cable at conductor na gawa sa rare earth aluminum alloy ay maaaring tumaas ang span ng cable tower at pahabain ang buhay ng serbisyo ng mga cable.
02Application ng rare earth aluminum alloy sa construction industry
6063 aluminyo haluang metal ay ang pinaka-tinatanggap na ginagamit sa industriya ng konstruksiyon.Ang pagdaragdag ng 0.15%~0.25% rare earth ay maaaring makabuluhang mapabuti ang as cast structure at processing structure, at maaaring mapabuti ang extrusion performance, heat treatment effect, mechanical properties, corrosion resistance, surface treatment performance at color tone.Napag-alaman na ang rare earth ay pangunahing ipinamamahagi sa 6063 aluminyo haluang metalα-Al neutralisahin ang hangganan ng bahagi, hangganan ng butil at interdendritic, at sila ay natutunaw sa mga compound o umiiral sa anyo ng mga compound upang pinuhin ang istraktura ng dendrite at mga butil, upang ang laki ng hindi natunaw na eutectic at ang laki ng dimple sa dimple area ay nagiging makabuluhang mas maliit, ang pamamahagi ay pare-pareho, at ang density ay tumataas, upang ang iba't ibang mga katangian ng haluang metal ay napabuti sa iba't ibang antas.Halimbawa, ang lakas ng profile ay nadagdagan ng higit sa 20%, ang pagpahaba ay nadagdagan ng 50%, at ang corrosion rate ay nabawasan ng higit sa dalawang beses, Ang kapal ng oxide film ay tumataas ng 5% ~ 8%, at ang katangian ng pangkulay ay tumataas ng humigit-kumulang 3%.Samakatuwid, ang RE-6063 alloy building profiles ay malawakang ginagamit.
03Paglalapat ng rare earth aluminum alloy sa mga pang-araw-araw na produkto
Ang pagdaragdag ng trace rare earth sa purong aluminyo at Al Mg series na aluminyo na haluang metal para sa pang-araw-araw na paggamit ng mga produktong aluminyo ay maaaring makabuluhang mapabuti ang mga mekanikal na katangian, malalim na pagguhit ng ari-arian at paglaban sa kaagnasan. Ang mga suporta sa kasangkapan sa aluminyo, mga bisikleta ng aluminyo, at mga bahagi ng kasangkapan sa bahay na gawa sa Al Mg RE alloy ay may higit sa dalawang beses ang paglaban sa kaagnasan, 10%~15% pagbabawas ng timbang, 10%~20% pagtaas ng ani, 10%~15% pagbabawas ng gastos sa produksyon, at mas mahusay na deep drawing at deep processing performance kumpara sa mga produktong aluminum alloy na walang rare earth. .
04 Application ng rare earth aluminum alloy sa iba pang aspeto
Ang pagdaragdag ng ilang ikasanlibo ng rare earth sa pinakamalawak na ginagamit na Al Si series casting alloy ay maaaring makabuluhang mapabuti ang machining performance ng alloy.Maraming tatak ng mga produkto ang ginamit sa sasakyang panghimpapawid, barko, sasakyan, diesel engine, motorsiklo at armored vehicle (piston, gearbox, cylinder, instrumentation at iba pang bahagi).Sa pananaliksik at aplikasyon, napag-alaman na ang Sc ang pinakaepektibong elemento i-optimize ang istraktura at mga katangian ng mga aluminyo na haluang metal.Mayroon itong malakas na pagpapalakas ng dispersion, pagpapalakas ng grain refinement, pagpapalakas ng solusyon at mga epekto ng pagpapalakas ng microalloy sa aluminyo, at maaaring mapabuti ang lakas, tigas, plasticity, tigas, paglaban sa kaagnasan, paglaban sa init, atbp. ng mga haluang metal. Ang mga haluang metal ng Sc Al ay ginamit sa high-tech na industriya tulad ng aerospace, barko, high-speed na tren, magaan na sasakyan, atbp.C557Al Mg Zr Sc series scandium aluminum alloy na binuo ng NASA ay may mataas na lakas at mataas na temperatura at mababang temperatura na katatagan at inilapat sa fuselage ng sasakyang panghimpapawid at sasakyang panghimpapawid structural parts;Ang 0146Al Cu Li Sc alloy na binuo ng Russia ay inilapat sa cryogenic fuel tank ng spacecraft.
Mula sa Volume 33, Isyu 1 ng Rare Earth nina Wang Hui, Yang An at Yun Qi
Oras ng post: Hul-05-2023