Ứng dụng củađât hiêmviệc đúc hợp kim nhôm đã được thực hiện trước đó ở nước ngoài.Mặc dù Trung Quốc mới bắt đầu nghiên cứu và ứng dụng khía cạnh này từ những năm 1960 nhưng nó đã phát triển nhanh chóng.Rất nhiều công việc đã được thực hiện từ nghiên cứu cơ chế đến ứng dụng thực tế và đã đạt được một số thành tựu. Với việc bổ sung các nguyên tố đất hiếm, tính chất cơ học, tính chất đúc và tính chất điện của hợp kim nhôm đã được cải thiện rất nhiều. Trong lĩnh vực Vật liệu mới, tính chất quang, điện và từ phong phú của các nguyên tố đất hiếm cũng đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo vật liệu từ tính vĩnh cửu đất hiếm, vật liệu phát sáng đất hiếm, vật liệu lưu trữ hydro đất hiếm, v.v.
◆ ◆ Cơ chế tác dụng của đất hiếm trong nhôm và hợp kim nhôm ◆ ◆
Đất hiếm có hoạt tính hóa học cao, thế năng thấp và cách sắp xếp lớp electron đặc biệt, có thể tương tác với hầu hết tất cả các nguyên tố. Đất hiếm thường được sử dụng trong nhôm và hợp kim nhôm bao gồm La (lanthanum), Ce (xeri), Y (yttri) và Sc (Scandi).Chúng thường được thêm vào chất lỏng nhôm với các chất biến tính, chất tạo hạt và chất khử khí, có thể làm sạch sự tan chảy, cải thiện cấu trúc, tinh chế hạt, v.v.
01Tinh chế đất hiếm
Vì một lượng lớn khí và tạp chất oxit (chủ yếu là hydro, oxy và nitơ) sẽ được đưa vào trong quá trình nấu chảy và đúc hợp kim nhôm, nên các lỗ kim, vết nứt, tạp chất và các khuyết tật khác sẽ xảy ra trong quá trình đúc (xem Hình 1a), làm giảm sức mạnh của hợp kim nhôm. Hiệu quả làm sạch của đất hiếm chủ yếu được biểu hiện ở việc giảm rõ rệt hàm lượng hydro trong nhôm nóng chảy, giảm tỷ lệ lỗ kim và độ xốp (xem Hình 1b), đồng thời giảm các tạp chất và các yếu tố có hại. Chính lý do là đất hiếm có ái lực lớn với hydro, có thể hấp thụ và hòa tan hydro với số lượng lớn và tạo thành các hợp chất ổn định mà không tạo thành bong bóng, do đó làm giảm đáng kể hàm lượng hydro và độ xốp của nhôm; Đất hiếm và nitơ tạo thành các hợp chất chịu lửa, đó là phần lớn được loại bỏ dưới dạng xỉ trong quá trình nấu chảy, để đạt được mục đích tinh chế chất lỏng nhôm.
Thực tiễn đã chứng minh đất hiếm có tác dụng làm giảm hàm lượng hydro, oxy và lưu huỳnh trong nhôm và hợp kim nhôm.Thêm 0,1% ~ 0,3% RE vào chất lỏng nhôm sẽ hữu ích để loại bỏ tốt hơn các tạp chất có hại, tinh chế tạp chất hoặc thay đổi hình thái của chúng, để tinh chế và phân bổ đều các hạt; Ngoài ra, RE và các tạp chất có hại có điểm nóng chảy thấp tạo thành các hợp chất nhị phân như RES, REA và REPb, được đặc trưng bởi điểm nóng chảy cao, mật độ thấp và tính chất hóa học ổn định, có thể nổi lên để tạo thành xỉ và loại bỏ, do đó làm sạch chất lỏng nhôm; Các hạt mịn còn lại trở thành hạt nhân nhôm không đồng nhất để tinh chế hạt.
Hình 1 Hình thái SEM của Hợp kim 7075 không có RE và w (RE)=0,3%
Một.RE không được thêm vào;b.Thêm w (RE)=0,3%
02Sự biến chất của đất hiếm
Sự biến đổi đất hiếm chủ yếu biểu hiện ở việc tinh chế các hạt và đuôi gai, ức chế sự xuất hiện của pha T2 dạng tấm thô, loại bỏ pha khối thô phân bố trong tinh thể sơ cấp và hình thành pha hình cầu, do đó các hợp chất dải và mảnh ở ranh giới hạt giảm đi đáng kể. (xem Hình 2). Nói chung, bán kính của nguyên tử đất hiếm lớn hơn bán kính của nguyên tử nhôm và tính chất của nó tương đối tích cực.Nóng chảy trong chất lỏng nhôm rất dễ lấp đầy các khuyết tật bề mặt của pha hợp kim, làm giảm sức căng bề mặt trên giao diện giữa pha mới và cũ, đồng thời cải thiện tốc độ phát triển của hạt nhân tinh thể; Đồng thời, nó cũng có thể tạo thành bề mặt màng hoạt động giữa các hạt và chất lỏng nóng chảy để ngăn chặn sự phát triển của các hạt được tạo ra và tinh chỉnh cấu trúc hợp kim (xem Hình 2b).
Hình 2 Cấu trúc vi mô của hợp kim có bổ sung RE khác nhau
Một.Liều RE là 0;b.RE bổ sung là 0,3%;c.RE bổ sung là 0,7%
Sau khi thêm các nguyên tố đất hiếmαCác hạt của pha (Al) bắt đầu trở nên nhỏ hơn, đóng vai trò tinh chế các hạtα(Al) chuyển thành hình hoa hồng nhỏ hoặc hình que, khi hàm lượng đất hiếm là 0,3%αKích thước hạt của (Al ) pha là nhỏ nhất và tăng dần khi hàm lượng đất hiếm tăng thêm. Các thí nghiệm đã chứng minh rằng có một thời gian ủ bệnh nhất định đối với sự biến chất của đất hiếm và chỉ khi nó được giữ ở nhiệt độ cao trong một khoảng thời gian nhất định, đất hiếm sẽ đóng vai trò lớn nhất trong quá trình biến chất. Ngoài ra, số lượng hạt nhân tinh thể của các hợp chất được hình thành bởi nhôm và đất hiếm tăng lên rất nhiều khi kim loại kết tinh, điều này cũng làm cho cấu trúc hợp kim được tinh chế. Nghiên cứu cho thấy đất hiếm có tác dụng tốt hiệu ứng biến đổi trên hợp kim nhôm.
03 Hiệu ứng vi hợp kim của đất hiếm
Đất hiếm chủ yếu tồn tại trong nhôm và hợp kim nhôm ở ba dạng: dung dịch rắn trong ma trậnα(Al); phân ly ở ranh giới pha, ranh giới hạt và ranh giới dendrite; dung dịch rắn ở dạng hợp chất. Tác dụng tăng cường của đất hiếm trong hợp kim nhôm chủ yếu bao gồm tăng cường sàng lọc hạt, tăng cường dung dịch hữu hạn và tăng cường giai đoạn thứ hai của các hợp chất đất hiếm.
Dạng tồn tại của đất hiếm trong nhôm và hợp kim nhôm có liên quan chặt chẽ đến lượng bổ sung của nó.Nói chung, khi hàm lượng RE nhỏ hơn 0,1%, vai trò của RE chủ yếu là tăng cường hạt mịn và tăng cường dung dịch hữu hạn; Khi hàm lượng RE là 0,25% ~ 0,30%, RE và Al tạo thành một số lượng lớn hình cầu hoặc thanh ngắn giống như các hợp chất liên kim loại , được phân bố trong ranh giới hạt hoặc hạt, và xuất hiện một số lượng lớn các sai lệch, cấu trúc hình cầu hạt mịn và các hợp chất đất hiếm phân tán, sẽ tạo ra các hiệu ứng hợp kim vi mô như tăng cường pha thứ hai.
◆ ◆ Ảnh hưởng của đất hiếm đến tính chất của nhôm và hợp kim nhôm ◆◆
01 Ảnh hưởng của đất hiếm đến tính chất cơ học toàn diện của hợp kim
Độ bền, độ cứng, độ giãn dài, độ bền gãy, khả năng chống mài mòn và các tính chất cơ học toàn diện khác của hợp kim có thể được cải thiện bằng cách thêm lượng đất hiếm thích hợp.0,3% RE được thêm vào hợp kim nhôm đúc dòng ZL10σbtừ 205,9 MPa đến 274 MPa và HB từ 80 đến 108; Thêm 0,42% Sc vào hợp kim 7005σbtăng từ 314MPa lên 414MPa,σ0,2tăng từ 282MPa lên 378MPa, độ dẻo tăng từ 6,8% lên 10,1% và độ ổn định ở nhiệt độ cao được tăng cường đáng kể; La và Ce có thể cải thiện đáng kể độ siêu dẻo của hợp kim.Thêm 0,14% ~ 0,64% La vào hợp kim Al-6Mg-0,5Mn làm tăng độ siêu dẻo từ 430% lên 800% ~ 1000%; Một nghiên cứu có hệ thống về hợp kim Al Si cho thấy cường độ năng suất và độ bền kéo cuối cùng của hợp kim có thể tăng lên rất nhiều được cải thiện bằng cách thêm một lượng Sc.Fig thích hợp.Hình 3 cho thấy hình dạng SEM của vết đứt gãy do kéo của Al-Si7-Mg0,8hợp kim, cho thấy đây là vết nứt phân cắt giòn điển hình không có RE, trong khi sau khi thêm 0,3% RE, cấu trúc lúm đồng tiền rõ ràng xuất hiện trong vết nứt, điều này cho thấy nó có độ dẻo dai và độ dẻo tốt.
Hình 3 Hình thái đứt gãy kéo
Một.Chưa tham gia RE;b.Thêm 0,3% RE
02Ảnh hưởng của đất hiếm đến tính chất nhiệt độ cao của hợp kim
Bổ sung một lượng nhất địnhđât hiêmthành hợp kim nhôm có thể cải thiện hiệu quả khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao của hợp kim nhôm. Thêm 1% ~ 1,5% đất hiếm hỗn hợp vào hợp kim eutectic Al Si đúc làm tăng độ bền nhiệt độ cao lên 33%, độ bền đứt ở nhiệt độ cao (300oC, 1000 giờ) tăng 44%, đồng thời khả năng chống mài mòn và độ ổn định ở nhiệt độ cao được cải thiện đáng kể; Thêm La, Ce, Y và mischmetal vào đúc hợp kim Al Cu có thể cải thiện tính chất nhiệt độ cao của hợp kim; Al-8,4% đông đặc nhanh chóng Hợp kim Fe-3,4% Ce có thể hoạt động trong thời gian dài dưới 400oC, cải thiện đáng kể nhiệt độ làm việc của hợp kim nhôm; Sc được thêm vào hợp kim Al Mg Si để tạo thành Al3Các hạt Sc không dễ bị thô ở nhiệt độ cao và kết hợp với ma trận để ghim ranh giới hạt, để hợp kim duy trì cấu trúc không kết tinh trong quá trình ủ và cải thiện đáng kể các đặc tính nhiệt độ cao của hợp kim.
03 Ảnh hưởng của đất hiếm đến tính chất quang học của hợp kim
Thêm đất hiếm vào hợp kim nhôm có thể thay đổi cấu trúc của màng oxit bề mặt của nó, làm cho bề mặt sáng và đẹp hơn. Khi thêm 0,12% ~ 0,25% RE vào hợp kim nhôm, độ phản xạ của cấu hình 6063 bị oxy hóa và tạo màu lên tới 92%; Khi thêm 0,1% ~ 0,3% RE vào hợp kim nhôm đúc Al Mg, hợp kim có thể đạt được bề mặt hoàn thiện tốt nhất và độ bền bóng.
04 Ảnh hưởng của đất hiếm đến tính chất điện của hợp kim
Việc thêm RE vào nhôm có độ tinh khiết cao có hại cho độ dẫn điện của hợp kim, nhưng độ dẫn điện có thể được cải thiện ở một mức độ nhất định bằng cách thêm RE thích hợp vào nhôm nguyên chất công nghiệp và hợp kim dẫn điện Al Mg Si. Kết quả thí nghiệm cho thấy độ dẫn điện của nhôm có thể được cải thiện 2% ~ 3% bằng cách thêm 0,2% RE. Thêm một lượng nhỏ đất hiếm giàu yttrium vào hợp kim Al Zr có thể cải thiện độ dẫn điện của hợp kim, được hầu hết các nhà máy sản xuất dây trong nước áp dụng; Thêm dấu vết đất hiếm đến nhôm có độ tinh khiết cao để làm tụ điện lá Al RE.Khi sử dụng trong các sản phẩm 25kV, chỉ số điện dung tăng gấp đôi, công suất trên một đơn vị thể tích tăng gấp 5 lần, trọng lượng giảm 47% và thể tích tụ điện giảm đáng kể.
05Ảnh hưởng của đất hiếm đến khả năng chống ăn mòn của hợp kim
Trong một số môi trường sử dụng, đặc biệt là khi có sự hiện diện của ion clorua, hợp kim dễ bị ăn mòn, ăn mòn kẽ hở, ăn mòn ứng suất và mỏi do ăn mòn. Để cải thiện khả năng chống ăn mòn của hợp kim nhôm, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện.Người ta nhận thấy rằng việc thêm lượng đất hiếm thích hợp vào hợp kim nhôm có thể cải thiện hiệu quả khả năng chống ăn mòn của chúng. Các mẫu được tạo ra bằng cách thêm các lượng đất hiếm hỗn hợp khác nhau (0,1% ~ 0,5%) vào nhôm được ngâm trong nước muối và nước biển nhân tạo trong ba lần liên tiếp năm.Kết quả cho thấy rằng việc thêm một lượng nhỏ đất hiếm vào nhôm có thể cải thiện khả năng chống ăn mòn của nhôm và khả năng chống ăn mòn trong nước muối và nước biển nhân tạo lần lượt cao hơn 24% và 32% so với nhôm; Sử dụng phương pháp hơi hóa học và thêm chất thẩm thấu đa thành phần đất hiếm (La, Ce, v.v.), một lớp màng chuyển đổi đất hiếm có thể được hình thành trên bề mặt hợp kim 2024, làm cho thế điện cực bề mặt của hợp kim nhôm có xu hướng đồng đều và cải thiện khả năng chống lại ăn mòn giữa các hạt và ăn mòn ứng suất; Thêm La vào hợp kim nhôm có Mg cao có thể cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn biển của hợp kim; Thêm 1,5% ~ 2,5% Nd vào hợp kim nhôm có thể cải thiện hiệu suất nhiệt độ cao, độ kín khí và khả năng chống ăn mòn của hợp kim được sử dụng rộng rãi làm vật liệu hàng không vũ trụ.
◆ ◆ Công nghệ chế tạo hợp kim nhôm đất hiếm ◆ ◆
Đất hiếm chủ yếu được thêm vào dưới dạng nguyên tố vi lượng trong hợp kim nhôm và các hợp kim khác.Đất hiếm có hoạt tính hóa học cao, nhiệt độ nóng chảy cao, dễ bị oxy hóa và đốt cháy ở nhiệt độ cao.Điều này đã gây ra những khó khăn nhất định trong việc điều chế và ứng dụng hợp kim nhôm đất hiếm. Trong nghiên cứu thực nghiệm lâu dài, người ta tiếp tục tìm hiểu các phương pháp điều chế hợp kim nhôm đất hiếm. Hiện nay, các phương pháp sản xuất chính để điều chế hợp kim nhôm đất hiếm là phương pháp trộn, phương pháp điện phân muối nóng chảy và phương pháp khử nhiệt nhôm.
01 Phương pháp trộn
Phương pháp nấu chảy hỗn hợp là thêm đất hiếm hoặc kim loại đất hiếm hỗn hợp vào chất lỏng nhôm nhiệt độ cao theo tỷ lệ để tạo thành hợp kim chính hoặc hợp kim ứng dụng, sau đó nấu chảy hợp kim chủ và nhôm còn lại theo mức cho phép tính toán với nhau, khuấy đều và tinh chế .
02 Điện phân
Phương pháp điện phân muối nóng chảy là thêm oxit đất hiếm hoặc muối đất hiếm vào pin điện phân nhôm công nghiệp và điện phân bằng oxit nhôm để tạo ra hợp kim nhôm đất hiếm. Phương pháp điện phân muối nóng chảy đã phát triển tương đối nhanh ở Trung Quốc.Nói chung, có hai cách, đó là phương pháp catốt lỏng và phương pháp eutectoid điện phân.Hiện nay, người ta đã phát triển rằng các hợp chất đất hiếm có thể được thêm trực tiếp vào các tế bào điện phân nhôm công nghiệp và các hợp kim nhôm đất hiếm có thể được sản xuất bằng phương pháp điện phân clorua nóng chảy bằng phương pháp eutectoid.
03 Phương pháp khử nhiệt nhôm
Do nhôm có khả năng khử mạnh và nhôm có thể tạo thành nhiều loại hợp chất liên kim loại với đất hiếm nên nhôm có thể được dùng làm chất khử để điều chế hợp kim nhôm đất hiếm. Các phản ứng hóa học chính được thể hiện trong công thức sau:
RE2O3+ 6Al→2REAl2+ Al2O3
Trong số đó, oxit đất hiếm hoặc xỉ giàu đất hiếm có thể được sử dụng làm nguyên liệu thô đất hiếm; Chất khử có thể là nhôm nguyên chất công nghiệp hoặc nhôm silicon; Nhiệt độ khử là 1400oC ~ 1600oC. Ở giai đoạn đầu, nó được mang theo ra ngoài trong điều kiện tồn tại chất làm nóng và chất trợ dung, đồng thời nhiệt độ giảm cao sẽ gây ra nhiều vấn đề; Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp khử nhiệt nhôm mới.Ở nhiệt độ thấp hơn (780oC), phản ứng khử nhiệt nhôm được hoàn thành trong hệ thống natri florua và natri clorua, giúp tránh được các vấn đề do nhiệt độ cao ban đầu gây ra.
◆ ◆ Tiến độ ứng dụng hợp kim nhôm đất hiếm ◆ ◆
01 Ứng dụng hợp kim nhôm đất hiếm trong ngành điện
Do ưu điểm dẫn điện tốt, khả năng mang dòng lớn, độ bền cao, chống mài mòn, dễ gia công và tuổi thọ cao nên hợp kim nhôm đất hiếm có thể được sử dụng để sản xuất cáp, đường dây truyền tải trên không, lõi dây, dây trượt và dây mỏng cho các ngành công nghiệp. mục đích đặc biệt. Thêm một lượng nhỏ RE vào hệ thống hợp kim Al Si có thể cải thiện độ dẫn điện, nguyên nhân là do silicon trong hợp kim nhôm là nguyên tố tạp chất có hàm lượng cao, có tác động lớn hơn đến tính chất điện.Thêm một lượng đất hiếm thích hợp có thể cải thiện hình thái hiện có và phân bố silicon trong hợp kim, có thể cải thiện hiệu quả các tính chất điện của nhôm; Thêm một lượng nhỏ đất hiếm hỗn hợp giàu yttrium hoặc yttrium vào dây hợp kim nhôm chịu nhiệt không chỉ có thể duy trì hiệu suất nhiệt độ cao tốt mà còn cải thiện độ dẫn điện; Đất hiếm có thể cải thiện độ bền kéo, khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn của hệ thống hợp kim nhôm.Cáp và dây dẫn làm bằng hợp kim nhôm đất hiếm có thể tăng nhịp của tháp cáp và kéo dài tuổi thọ của cáp.
02Ứng dụng hợp kim nhôm đất hiếm trong ngành xây dựng
Hợp kim nhôm 6063 được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành xây dựng.Thêm 0,15% ~ 0,25% đất hiếm có thể cải thiện đáng kể cấu trúc đúc và cấu trúc xử lý, đồng thời có thể cải thiện hiệu suất ép đùn, hiệu quả xử lý nhiệt, tính chất cơ học, khả năng chống ăn mòn, hiệu suất xử lý bề mặt và tông màu. Người ta thấy rằng đất hiếm là phân bố chủ yếu trong hợp kim nhôm 6063α-Al trung hòa ranh giới pha, ranh giới hạt và liên nhánh, chúng hòa tan thành các hợp chất hoặc tồn tại dưới dạng hợp chất để tinh luyện cấu trúc dendrite và các hạt, sao cho kích thước của eutectic không hòa tan và kích thước Các vết lõm ở khu vực vết lõm trở nên nhỏ hơn đáng kể, sự phân bố đồng đều và mật độ tăng lên, do đó các tính chất khác nhau của hợp kim được cải thiện ở các mức độ khác nhau.Ví dụ: độ bền của cấu hình tăng hơn 20%, độ giãn dài tăng 50% và tốc độ ăn mòn giảm hơn hai lần, Độ dày của màng oxit tăng 5% ~ 8% và đặc tính tạo màu tăng khoảng 3%. Do đó, cấu hình xây dựng bằng hợp kim RE-6063 được sử dụng rộng rãi.
03Ứng dụng hợp kim nhôm đất hiếm trong sản phẩm hàng ngày
Thêm vết đất hiếm vào nhôm nguyên chất và hợp kim nhôm dòng Al Mg cho các sản phẩm nhôm sử dụng hàng ngày có thể cải thiện đáng kể các tính chất cơ học, đặc tính kéo sâu và khả năng chống ăn mòn. Các nhu yếu phẩm hàng ngày như nồi nhôm, chảo nhôm, đĩa nhôm, hộp cơm trưa bằng nhôm, Giá đỡ đồ nội thất bằng nhôm, xe đạp bằng nhôm và các bộ phận thiết bị gia dụng làm bằng hợp kim Al Mg RE có khả năng chống ăn mòn cao hơn gấp đôi, giảm trọng lượng 10% ~ 15%, tăng năng suất 10% ~ 20%, giảm chi phí sản xuất 10% ~ 15%, và hiệu suất xử lý sâu và vẽ sâu tốt hơn so với các sản phẩm hợp kim nhôm không có đất hiếm. Hiện nay, nhu cầu thiết yếu hàng ngày về hợp kim nhôm đất hiếm đã được sử dụng rộng rãi, sản phẩm đã tăng lên đáng kể và được bán rất chạy ở thị trường trong và ngoài nước .
04 Ứng dụng hợp kim nhôm đất hiếm ở các khía cạnh khác
Việc thêm vài phần nghìn đất hiếm vào hợp kim đúc dòng Al Si được sử dụng rộng rãi nhất có thể cải thiện đáng kể hiệu suất gia công của hợp kim.Nhiều thương hiệu sản phẩm đã được sử dụng trong máy bay, tàu thủy, ô tô, động cơ diesel, xe máy và xe bọc thép (piston, hộp số, xi lanh, thiết bị đo đạc và các bộ phận khác). Trong nghiên cứu và ứng dụng, người ta thấy rằng Sc là yếu tố hiệu quả nhất để tối ưu hóa cấu trúc và tính chất của hợp kim nhôm.Nó có khả năng tăng cường độ phân tán mạnh, tăng cường sàng lọc hạt, tăng cường dung dịch và tăng cường hợp kim vi mô trên nhôm, đồng thời có thể cải thiện độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ bền, khả năng chống ăn mòn, khả năng chịu nhiệt, v.v. của hợp kim. Hợp kim dòng Sc Al đã được sử dụng trong các ngành công nghiệp công nghệ cao như hàng không vũ trụ, tàu thủy, tàu cao tốc, xe hạng nhẹ, v.v. Hợp kim nhôm scandium dòng C557Al Mg Zr Sc do NASA phát triển có độ bền cao, nhiệt độ cao và ổn định nhiệt độ thấp và đã được ứng dụng cho thân máy bay và máy bay các bộ phận kết cấu; Hợp kim 0146Al Cu Li Sc do Nga phát triển đã được ứng dụng vào thùng nhiên liệu đông lạnh của tàu vũ trụ.
Từ Tập 33, Số 1 của Đất hiếm của Wang Hui, Yang An và Yun Qi
Thời gian đăng: Jul-05-2023