您當前的位置:首頁>科普園地 > 正文

科普 | 稀土對鋁及鋁合金的影響,建議收藏!

發布時間:2021-11-30收藏本文關閉本文

稀土在鑄造鋁合金中的應用國外開展的較早,我國雖然從20世紀60年代才開始這方面的研究和應用,但發展很快,從機理研究到實際應用都做了大量工作,并取得了一些成果。伴隨稀土元素的加入,鋁合金的力學性能、鑄造性能、電學性能等都得到了極大地改善。在新材料領域,稀土元素豐富的光學、電學及磁學特性也發揮著重要的作用,用來制作稀土永磁材料、稀土發光材料、稀土貯氫材料等。


稀土在鋁及鋁合金中的作用機理

稀土具有很高的化學活性、低電位和特殊電子層排布,幾乎能與所有的元素作用。鋁及鋁合金中常用的稀土有La(鑭)、Ce(鈰)、Y(釔)和Sc(鈧),常以變質劑、生核劑和脫氣劑加入鋁液中,起到凈化熔體、改善組織、細化晶粒等作用。

稀土的凈化作用

由于在熔鑄鋁合金時,會帶入大量氣體和氧化夾雜(主要是氫、氧和氮),使鑄件產生針孔、裂紋和夾雜等缺陷(見圖1a),降低鋁合金的強度。稀土的凈化作用主要表現為明顯減少鋁液中的氫含量,降低針孔率和孔隙度(見圖1b),減少夾雜物和有害元素等。主要是因為稀土與氫有較大的親和力,能大量吸附和溶解氫,并形成穩定的化合物,不會聚集成氣泡,使鋁的含氫量和孔隙率明顯降低;稀土與氮生成難熔化合物,在熔煉過程中大部分以渣的形式排除,從而達到凈化鋁液的目的。

 

實踐證明,稀土具有降低鋁及鋁合金中氫、氧和硫含量的效果,在鋁液中加入0.1%~0.3%的RE,有助于更好地清除有害雜質、細化雜質或改變其形貌,使之晶粒細化并分布均勻;另外,RE與低熔點有害雜質形成RES、REAs、REPb等二元化合物,而這些化合物具有熔點高、密度小、化學性質穩定的特點,可以上浮成渣、撈除,從而凈化鋁液;遺留的微細質點成為鋁的異質晶核從而細化晶粒。

 

 

1 未添加RE與添加w(RE)=0.3%的7075合金SEM形貌

a.未添加RE; b.添加w(RE)=0.3%


稀土的變質作用

稀土變質作用主要表現在細化晶粒和枝晶,抑制粗片狀T2相出現,消除原晶內分布的粗大塊狀相并形成球狀相,使晶界處條狀及碎塊狀化合物明顯減少(見圖2所示)。通常情況下,稀土原子半徑大于鋁原子半徑,性質比較活潑,熔于鋁液中極易填補合金相的表面缺陷,使得新舊兩相界面上的表面張力降低,提高了晶核的生長速度;同時還能在晶粒與熔融液之間形成表面活性膜,阻止生成的晶粒長大,細化合金組織(見圖2b所示)。

 

2 不同RE加入量合金顯微組織圖

a.RE加入量為0; b.RE加入量為0.3%; c.RE加入量為0.7%

 

加入稀土元素后α(Al)相晶粒開始變小,起到了一定的細化晶粒作用,原本粗大樹枝狀的α(Al)相變成了較小的玫瑰狀或者桿狀,當稀土含量為0.3%時α(Al) 相的晶粒最小,隨著稀土量進一步增加晶粒又逐漸變大。實驗證明稀土變質作用存在一定潛伏期,只有在高溫下保持一定的時間,稀土才會發揮最大的變質作用。此外,鋁與稀土形成的化合物在金屬結晶時晶核數大量增加也使得合金組織得到細化。研究證明稀土對鋁合金具有良好的變質效果。


稀土的微合金化作用

稀土主要以3種形式存在于鋁及鋁合金中:固溶在基體α(Al)中;偏聚在相界、晶界和枝晶界;固溶在化合物中或以化合物形式存在。稀土在鋁合金中的強化作用主要包括細晶強化、有限固溶強化和稀土化合物的第二相強化等。

稀土在鋁及鋁合金中的存在形式與其加入量有很大關系,一般當RE含量小于0.1%時,RE的作用主要以細晶強化和有限固溶強化為主;當RE含量為0.25%~0.30%時,RE與Al等形成大量球狀或短棒狀的金屬間化合物,分布在晶粒內或晶界中,并出現大量位錯及細晶粒球化組織和彌散稀土化合物,會產生第二相強化等微合金化效果。

 

稀土對鋁及鋁合金性能的影響

稀土對合金綜合力學性能的影響

適量稀土的加入可以提高合金的強度、硬度、伸長率、斷裂韌性和耐磨性等綜合力學性能。鑄鋁ZL10系合金中加入0.3%RE,其σb由205.9MPa提高274MPa,HB由80提高到108;7005合金中加入0.42%的Sc,其σb由314MPa增加到414MPa,σ0.2由282MPa增加到378MPa,塑性由6.8%增加到10.1%,而且高溫穩定性顯著增強;La和Ce可明顯提高合金的超塑性,Al-6Mg-0.5Mn合金中加入0.14%~0.64% La,其超塑性從430%增加到800%~1000%;對Al-Sc合金進行系統研究,發現添加適量的Sc可以大幅度提高合金材料的屈服強度和極限拉伸強度。圖3為Al-Si7-Mg0.8合金拉伸斷口SEM形貌圖,說明未加入RE時為典型的脆性解理斷裂,而加入0.3%RE后,斷口中出現了明顯的韌窩狀組織,說明其具有良好的韌性和延展性。

 

3 拉伸斷口形貌

a.未加入RE; b.加入0.3%RE

 

02稀土對合金高溫性能的影響

在鋁合金中加入一定量的稀土,可以有效提高鋁合金的耐高溫氧化性能。向鑄造Al-Si系共晶合金中添加1%~1.5%混合稀土,高溫強度提高了33%,高溫持久強度(300℃、1000小時)提高了44%,而且耐磨性和高溫穩定性顯著提高;在鑄造Al-Cu系合金中添加La、Ce、Y和混合稀土可以改善合金的高溫性能;快速凝固的Al-8.4%Fe-3.4%Ce合金,可以在400℃以下長時間工作,大大提高了鋁合金的使用工作溫度;將Sc加入到Al-Mg-Si合金中,形成在高溫下不易粗化與基體共格的Al3Sc粒子釘扎晶界使得合金在退火過程中保持未再結晶組織,大幅度提高合金的高溫性能。
03稀土對合金光學性能的影響

 將稀土加入鋁合金中可以改變其表面氧化膜的結構,使表面更加光亮美觀。向鋁合金中加入0.12%~0.25%的RE時,被氧化著色的稀土6063型材的反射率高達92%;向Al-Mg系鑄造鋁合金中添加0.1%~0.3%的RE時,可使合金獲得最好的表面光潔度和光澤持久性。

04稀土對合金電學性能的影響

向高純鋁中添加稀土對合金導電性是有害的,但是在工業純鋁和Al-Mg-Si 導電合金中添加適量的RE,電導率卻可以得到一定程度的提高。實驗結果表明,在鋁中添加0.2%的RE,可使導電率提高2%~3%。在Al-Zr合金中加入少量富釔稀土,可提高合金導電率,該合金已為國內大多數電線廠采用;向高純鋁中添加微量稀土,制成Al-RE箔電容器,用于25kV產品中,電容指標提高1倍,單位體積容量提高5倍,重量減輕47%,電容器體積顯著減小。
05稀土對合金耐腐蝕性能的影響

在一些使用環境中尤其是存在氯離子時,合金極易遭受腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕和腐蝕疲勞等破壞。為了提高鋁合金的耐腐蝕性能,人們進行了許多研究,研究中發現向鋁合金中添加適量的稀土可以有效的提高其耐腐蝕性能。向鋁中添加不同量(0.1%~0.5%)混合稀土制得的試樣,在含鹽水和人造海水中連續3年浸泡試驗結果表明,鋁中加入少量稀土可以提高鋁的耐腐蝕性,在含鹽水和人造海水中耐腐蝕性比鋁分別高24%和32%;采用化學氣相法,加入稀土多組元滲劑( La、Ce等),能在2024合金表面形成一層稀土轉化膜,使鋁合金的表面電極電位趨于均勻,提高抗晶間腐蝕和應力腐蝕性能;將La加入到高Mg鋁合金中,能顯著提高合金的抗海洋腐蝕能力;在鋁合金中添加1.5%~2.5%Nd,可提高合金的高溫性能、氣密性和耐腐蝕性,廣泛用作航空航天材料。

 稀土鋁合金的制備技術

稀土在鋁合金及其它合金中多以微量元素形式加入,稀土化學活性很高、熔點高、高溫下易氧化燒損等,這給稀土鋁合金的制備和應用研究造成了一定的困難。在長期的試驗研究中,人們不斷探索稀土鋁合金的制備方法。目前制備稀土鋁合金的生產方法主要有混熔法、熔鹽電解法和鋁熱還原法。

 01混熔法

混熔法

是將稀土或混合稀土金屬按比例加到高溫鋁液中,制得中間合金或應用合金,將中間合金和按計算余量剩下的鋁再一起熔煉、充分攪拌、精煉。
02熔電解法

 熔鹽電解法是在電解鋁時,向工業鋁電解槽中加入稀土氧化物或稀土鹽類,同氧化鋁一起電解,以制取稀土鋁合金。熔鹽電解法在我國發展比較快,一般可以有兩種途徑即液態陰極法和電解共析法,目前已經發展到了可以直接把稀土化合物加入工業鋁電解槽里,用共析法電解氯化物熔體生產出稀土鋁合金。
03鋁熱還原法

由于金屬鋁具有很強的還原能力,鋁又可以與稀土形成多種金屬間化合物,因此可以采用鋁作還原劑來制備稀土鋁合金。其主要化學反應如下式表示:

RE2O3 + 6Al→2REAl2 + Al2O3

其中,稀土原料可用稀土氧化物或稀土富渣;還原劑可采用工業用純鋁或硅鋁等;還原溫度1400℃~1600℃。早期是在有助熱劑和助熔劑存在的條件下進行的,而且還原溫度較高都會產生很多問題;近年來,研究人員研究出一種新的鋁熱還原法,在較低溫度(780℃),在氟化鈉、氯化鈉體系中完成的鋁熱還原反應,避免了原來高溫產生的問題。

稀土鋁合金的應用進展

01稀土鋁合金在電力行業中的應用

由于稀土鋁合金具有導電性好、載流量大、強度高、耐磨損、易加工、壽命長等優點可用于制造電纜線、架空輸電線、線芯、滑接線和特殊用途的細導線。在Al-Si合金系中加入微量的RE可以提高導電性,這是因為鋁合金中硅是含量較高的雜質元素對電性能的影響較大,而添加適量的稀土可以改善硅在合金中的存在形態和分布情況,能夠有效改善鋁的電性能;在耐熱鋁合金導線中加入少量的釔或富釔混合稀土后,不僅保持良好的高溫性能還可以提高導電率;稀土可以提高鋁合金系的拉伸強度、耐熱性和耐腐蝕性,采用稀土鋁合金的電纜、導線可以加大架設電纜線鐵塔的跨距,并延長電纜的使用壽命。
02稀土鋁合金在建筑行業中的應用

在建筑行業應用最廣泛的是6063鋁合金,加入0.15%~0.25%的稀土,可以明顯改善鑄態組織和加工組織,可以提高擠壓性能、熱處理效果、力學性能、耐蝕性能、表面處理性能和色調。研究發現,在6063鋁合金中稀土主要分布在α-Al中和相界、晶界以及枝晶間,它們固溶在化合物中或以化合物的形式存在,細化枝晶組織和晶粒,使未溶共晶尺寸和韌窩區中的韌窩尺寸顯著變小,分布均勻,密度增加,使合金的各項性能得到不同程度的改善,如型材強度提高20%以上,延伸率提高50%,腐蝕速率降低一倍以上,氧化膜厚度增加5%~8%,著色性能提高3%左右。因此RE-6063合金建筑型材獲得廣泛應用。
03稀土鋁合金在日用制品中的應用

在日用鋁制品用純鋁和Al-Mg系等鋁合金中添加微量稀土,能明顯提高力學性能、深沖性和耐蝕性。采用Al-Mg-RE合金制造的鋁壺、鋁鍋、鋁盤、鋁飯盒、鋁家具支架、鋁自行車和家電零部件等生活日用品,與未加稀土的鋁合金制品相比,耐腐蝕性提高2倍多,重量減輕10%~15%,成品率增加10%~20%,生產成本降低10%~15%,且具有更好的深沖和深加工性能。目前,稀土鋁合金日用品獲得了廣泛的應用,產品大幅增加,暢銷國內外市場。
04稀土鋁合金在其它方面的應用

在用量最多的鋁硅系鑄造合金中,加上千分之幾的稀土,就能明顯改善合金的機械加工性能,已有多種牌號的產品用于飛機、船舶、汽車、柴油機、摩托車和裝甲車(活塞、齒輪箱、汽缸和儀器儀表等器部件)等方面。在研究和應用中發現,Sc是優化鋁合金組織性能的最有效元素,對鋁有很強的彌散強化、細晶強化、固溶強化和微合金強化作用,可以提高合金的強度、硬度、塑性、韌性、抗蝕性、耐熱性等。Sc-Al系合金已應用于航天航空、艦船、高速列車、輕型汽車等高新技術工業。美國航天局開發的C557Al-Mg-Zr-Sc系鈧鋁合金具有高強度和高溫與低溫穩定性已應用于飛機機身與飛機結構件;俄羅斯研究開發的0146Al-Cu-Li-Sc系合金已應用于航天器低溫燃料貯箱。

 

免責聲明 

本文內容來源于“材易通”,版權歸原作者所有,轉載目的在于傳遞更多信息,并不代表本公眾號贊同其觀點和對其真實性負責。如涉及作品內容、版權和其它問題,請來電或致函告之,我們將及時給予處理!

 

(資料來源:材易通)

国产精品亚洲а∨天堂2021