稀土金属在铸造铝合金中的应用
学院机电工程学院
班级2014级材料成型及控制技术 学号2014045051105 姓名徐磊 成绩
2016年11月10日
稀土金属在铸造铝合金中的应用
摘要：介绍了稀土在铭合金铸造中的作用,以及它对铝合金组织性能的影响。认为应用
稀土变质和精炼工艺为创造环保型铸造业提供了一种极好的选择,而且是提高我国应用及开发稀土新材料技,实现稀土资源优势向技术优势转化的根本出路。关键词:铭合金;稀土元素;组织性能
1稀土在铸造铝合金中的作用
稀土元素的原子半径大于常见金属Al,Mg等,因此稀土元素在这些金属中的固溶度极低,几乎不能形成固溶体;由于稀土元素具有很高的化学活性,稀土元素在化学反应中异常活泼,极易与气体(如氧)、非金属(如硫)及金属作用,生成相应稳定的化合物;这些新形成的化合物多数是溶点高、密度小、化学性质稳定的材料,稀土元素在金属中的作用大体可归纳为如下几个方面: ,
.1精炼作用
稀土元素易与氧、氢、氮等气体生成REZO3,REH,REH3,在250一300℃时RE与N作用生成难熔的REN,特别是稀土有较强的去氢作用,添加稀土的铝合金氢的含量明显降低,这主要是由于稀土与氢有较大的亲合力,能大量吸附和溶解氢,稀土与氢的化合物熔点较高,并且弥散分布于铝液中,这部分以化合物形成的氢不会聚集形成气泡,故可降低铝的含氢量和针孔率t’礼4/3〔RE〕+2〔O〕针2/3REZO:(固)[RE」十【H]叶REH(固)此外,稀土与硫、磷、锑、砷等元素也及易化合,形成RES,RE3S4,RESS7,REP,RESb,REAs等化合物,反应生成的稀土化合物,熔点高、比重轻,上浮成渣,而它们的微小的质点则成为铝结 晶过程的异质晶核 .
1.2变质作用稀土元素原子半径为0.174一0.204mm,比铝原子半径0.143mm大,它易填补铝合金相的表面缺陷,阻碍晶粒长大,具有晶细化粒作,使枝晶网络更为清晰,从而改善合金的热塑性.稀土化合物微小的固态质点提供了异质晶核或在结晶界面上偏聚阻碍晶胞的长大,为钢液结晶细化提供了较好的热力条件.此外,铝与稀土形成化合物在金属液中可作为晶核,提高金属形核率.试验表明2lJ,稀土对铝合金具有良好的变质效果.在铝合金(ZLI01)中加人0.1%混合稀土时,共晶硅呈不规则颗粒状和少许短棒状加人量在0.1%一0.6%之间,共晶硅颗粒不断细化,继续增大加人量时,共晶硅仍然细小,但凝固组织中出现稀土元素偏析现象 .
同时,稀土的变质作用具有长效及重熔稳定性的特点,比用钠(Na)、铭(Sr)作为变
质剂具有明显的优点.稀土的变质作用只受共晶硅变化的影响,张卫文等I3]在研究中发现过共晶Al一si合金在采用稀土变质时出现不完全共晶组织,同时进一步对产生机理进行探索,指出为使合金的组织均匀化,应使初晶分布均匀,必须尽量抑制共晶Si成为领先相,由此可采取加大冷却速度,搅拌熔体等措施.王经涛等[4J指出:在Al一Mg和Al一Li合金中加人微量稀土能细化枝晶,减小枝晶距离,但稀土对铝合金枝晶的细化效果与铝合金中原有合金元素的种类和数量直接相关.廖恒成等sl]研究了混合稀土对s渡质过共晶Al一Si合金组织的影响指出:0.041%S;变质的Al一11.6%Si合金中加人稀土可使枝晶a的主干长度减小,二次枝晶间距增大,同时稀土在一定程度上削弱了Sr的变质效果;由于稀土金属的净化、调质作用,对有色金属都能起到细化晶粒,提高再结晶温度,从而对铸造合金能显著地改善工艺性能,对变型合金能显著地提高加工性能;对镍、钻基的耐热合金能提高抗氧化和抗高温腐蚀的能力,对超硬合金可以改善韧性和耐磨性.这些性能的改善,都显著地提高了生产企业及使用单位的经济效益,并能为国家减少这些宝贵资源的消耗.1.3对机械性能的影响在工业纯铝中加人稀土可以降低电阻并可提高延伸率,但不能提高抗拉强度,这是由于稀土在纯铝中溶解度很小,所以稀土对纯铝强度作用小.若在铝合金中加人稀土,机械性能将有较大改善如表1所示leJ.孟繁琴171指出:复合变质处理Al一21%一23%si合金时,氏,占可分别提高11%一38%,18%一53%.铁在铝合金中是有害杂质,万分之几的铁也可形成Al+FeA13的共晶硅,大多数含铁相的结晶组织都十分粗大,直接影响合金的机械性能,而且降低铝合金的流动性,增加组织不均匀性,添加稀土可使晶粒细化,改善铁相的存在形态,使机械性能与铸造性能都有所改善.由于稀土与铝合金形成弥散分布的高熔点的稀土化合物8l],它与基体之间结合牢固,这就消除了分布在晶界的微量杂质的有害作用,稀土与杂质形成化合物,在晶界析出,改变了原来的固溶存在方式,使夹杂物量降低.同时又起到强化稳定晶界的作用,延缓了合金元素在高温下的扩散速度,提高了合金的耐热性.稀土加入合金中使氢氧和夹杂物量降低,又细化了晶粒和枝晶网络,稀土与非金属元素作用产生高溶点的化合物弥散于基体中,稀土与金属元素生成高溶点的金属间化合物,即消除粗大块状组织,又稳定晶界,这些都起到了提高材料强度的作用.稀土的引人提高了含稀土合金材料的耐腐蚀性和抗高温氧化性能.稀土元素的加人在铸造、锻造、焊接、热处理及表面涂层技术中也作了一些研究,许多都取得了好的效应,但稀土元素在这些热工艺过程中及制件中所起的作用机理有待进一步开发研究。 表1加稀土与未加稀土的铝合金的性能比较 合金材料导热系数J/cms.OC 线膨胀系数。·10一今K
18.3~18.9 弹性模量 E/MPa
高温强度(so00e) 口、/初巧
Al一24SIRE1.721107~147
Al一24511.59518.7~20.18692684~98 尺寸(体积) 稳定性/% 0.005~0.01 0.01~0.02
2稀土在有色金属中的应用
2.1稀土在铝合金中的应用19一’“】l)稀土在铝电线、电缆中的应用目前我国的稀土铝导线主要有高强度稀土铝合金电缆,成份为Al一Mg一Si一RE,用于高压输电线路,它的抗拉强度达到26kg/mm,,弧垂性能和弯曲性能好,使用寿命长.高导电铝电线,成份为Al一RE,稀土的加人量为0.15%一0.3%.在较高温度下(<150℃)使用的高导电稀土铝导线其成份为Al一zr一RE,其载流量为 第2期樊刚,程钢:稀土金属在铸造铝合金中的应用巧竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺竺纯铝线的1.6一2.0倍,用作大电流导线.2)6063稀土铝合金及应用这是一种最常用的变形合金,多用于工业和民用建筑,在该合金熔炼过程中加人0.20%一0.25%的稀土金属,抗拉强度提高24%,挤压速度提高0.5倍,成材率提高3%,并改善了表面质量,增加了耐蚀性和着色性.另外还有添加稀土的Al一Si一M(M=Cu,Mg,Mn)合金用于制造汽缸缸体和活塞.3)稀土锌铝热镀合金为防止钢材腐蚀,通常用Zn一Al热镀合金(Galfan)比镀锌具有更好的加工成形性和耐腐蚀性,但锌耗较高,耐蚀性也有待改善.近年Zn一Al一Mg一RE热镀合金开发成功并投人生产.这种稀土热镀合金的流动性、耐蚀性、镀层的形成性能都优于锌和Zn一Al合金.4)稀土铝合金我国研制的含稀土耐热铸造铝合金HZL206,与国外含镍的合金比较,具有优越的高温和常温力学性能,并已达到国外同类合金的先进水平.现已用于直升机和歼击机工作温度达300℃的耐压阀门,取代了钢和钦合金.减轻了结构重量,已投人批量生产.稀土铝硅过共晶ZLll7合金在200一300℃下的拉伸强度超过德国活塞合金KS280和KS282,耐磨性能比常用活塞合金ZL108提高4一5倍,线膨胀系数小,尺寸稳定性好,已用于航空附件KY一5,KY一7空压机和航模发动机活塞.稀土元素加人铝合金中,明显改善显微组织和机械性能.2.2稀土在其它有色金属中的应用l)稀土铜耐磨合金一般轴瓦材
料用锡青铜(即巴氏合金),但价格较贵.稀土耐磨铅青铜合金(RPH)的使用寿命是巴氏合金的1.5倍,而吨成本比后者又降低了5000一6000元.目前已在纺织机械中使用.2)稀土硬质合金硬质合金用于金属切削、钻头、模具等方面,其硬度大、强度高,但抗弯性差、易打损.稀土添加剂同粘结剂与硬质相WC,TIC一起球磨钦,制备硬质合金原料粉,再经压型烧结工艺过程生产的硬质合金,抗弯强度提高约巧%,硬度提高0.SRHA,使用寿命提高一倍以上.3)稀土镁合金汇,01稀土镁合金比强度高,对减轻飞机重量,提高战术性能具有广泛的应用前景.中国航空工业总公司研制的稀土镁合金包括铸造镁合金及变形镁合金约有10个牌号,很多牌号已用于生产,质量稳定.稀土元素在镁合金中溶解度大,因而有明显的热处理强化作用.在铸造和变型镁合金中加人金属钦、忆显著地提高强度和工艺性能.目前已工业生产的铸造镁合金有ZMZ,ZM4,ZM6;变型稀土镁合金有BM6,BM25.另外稀土镁合金在医学工程上的应用也在研究中,目前该材料正在做医学生物实验,有望用稀土镁合金作为人工骨接材料代替现用金属夹具,减少病人第二次取出夹具的手术,这又将开辟稀土镁合金一个新的广阔的应用天地. 3稀土在有色金属中的应用前景
由于稀土金属的原子半径大,极易失掉最外层2个:电子和次层的5d一个电子或4厂的一个电子,而成三价离子.因此稀土金属在化学反应中异常活泼,极易与其它物质反应.又由于稀土元素具有电子未完全充满4f层的特性,而引导出各种磁、电和光的特性效应以及其它特殊性能.稀土元素的这些有吸引力的性能及广阔的潜在用途,引起了材料科学家的极大重视及广泛的研究.稀土在有色金属及合金中应用开发潜力大,但开发的深度和广度不够.目前稀土在有色金属及其合金中应用研究表明,对加人稀土元素有明显效果的有铝、铜、镁、钦、钥、镍、钻、担、妮及铂族金属等,稀土金属在这些有色金属及合金中的添加量通常不少于0.5%,但产生的效果极为显著.目前除稀土在铝导线和少部分铝合金上的应用开发达到工业化规模外,在其它有色金属及合金中的应用,还未达到工业规模.我国生产的稀土铝电缆年产约30万t,稀土在有色金属中的用量呈逐年递增的趋势. 昆明理工大学学报第27卷
稀土元素独特的物理化学性质,决定了它们具有极为广泛的用途.稀土元素具有独特的4厂电子结构,大的原子磁距,很强的自旋轨道藕合等特性,与其它元素形成稀土配合物时,配位数可在3一12之间变化,并且稀土化合物的晶体结构也是多样化的.在新材料领域,稀土元素丰富的光学、电学及磁学特性得到了广泛应用.在高技术领域,稀土新材料发挥着重要的作用.稀土新材料主要包括稀土永磁材料、稀土发光材料、稀土贮氢材料、稀土催化剂材料、稀土陶瓷材料及其它稀土新材料如稀土超磁致伸缩材料、巨磁阻材料、磁致冷材料、光致冷材料、磁光存
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