Vpliv elementov redkih zemelj na mehanske lastnosti magnezijevih zlitin
Magnezij in njegove zlitine kot trenutno najlažji kovinski strukturni materiali imajo prednosti, kot so nizka gostota, visoka specifična trdnost in togost, visoko dušenje, dobra toplotna prevodnost, odlična obdelovalnost, stabilna velikost delov in enostavno recikliranje. Široko se uporabljajo v panogah, kot so letalstvo, vesoljska industrija, avtomobilska industrija, transport, elektronika, komunikacije in računalništvo.
Zaradi nezadostnih mehanskih lastnosti in slabe odpornosti proti koroziji je uporaba magnezijevih zlitin v proizvodnji in vsakdanjem življenju omejena. Če pa dodamo majhno količino redke zemlje, lahko različne lastnosti magnezijevih zlitin močno izboljšamo. Elementi redkih zemelj se nahajajo v skupini IIIB periodnega sistema. Najbolj oddaljena elektronska struktura atomov je enaka, oba imata dva elektrona, medtem ko je druga zunanja elektronska struktura podobna. Število elektronov na orbitali 4f v predzadnji plasti se spreminja od 0 do 14; Kemijske lastnosti se bistveno ne razlikujejo in vsi so zelo aktivni. Magnezijeve zlitine in redki zemeljski elementi imajo gosto šesterokotno kristalno strukturo, zato imajo redki zemeljski elementi visoko topnost v trdnem stanju v magnezijevih zlitinah. Razen Sc lahko ostalih 16 redkozemeljskih elementov tvori evtektične faze z Mg, večina redkozemeljskih elementov pa ima visoko trdno topnost v Mg.
Vpliv elementov redkih zemelj na čiščenje in rafiniranje zrn magnezijeve zlitine
Magnezij ima aktivne kemične lastnosti in je nagnjen k reakciji z O2 in H2O, da tvori MgO, kar ima za posledico prisotnost oksidnih vključkov v magnezijevih zlitinah, kar zmanjšuje kakovost in učinkovitost magnezijevih zlitin. Oksidirani vključki na splošno obstajajo na matrici ali mejah zrn ulitkov iz magnezijeve zlitine, kar povzroča utrujenostne razpoke v zlitini in zmanjšuje lastnosti mehanske odpornosti in odpornosti proti koroziji. Dodatek redkih zemeljskih elementov lahko ne samo zmanjša število vključkov, ampak tudi izboljša velikost zrn in izboljša učinkovitost zlitine.
Ko magnezijevi zlitini AM50 dodamo redkozemeljski element Ce, Ce igra vlogo pri čiščenju zlitine in zmanjšanju nečistoč, kot sta Fe in Ni. Dodatek Y lahko zmanjša velikost zrn ekstrudirane zlitine Mg Zn Zr, velikost zrn, ki ne vsebuje, pa se lahko zmanjša s 14,2 μm na 3,2 μm, padec na 3 % (masni delež). Zmanjšanje je kar 77-odstotno.
1. Vpliv elementov redkih zemelj na mehanske lastnosti zlitine Mg
1.1Mg Al RE sistem
Magnezijeve zlitine serije Mg Al so trenutno najbolj raznolike in široko uporabljene serije magnezijevih zlitin. Elementi redkih zemelj, dodani magnezijevim zlitinam serije Mg Al, vključujejo predvsem Ce, Y, Nd itd. Zlitine na osnovi Mg Al brez elementov redkih zemelj vključujejo predvsem - dendrite Mg in intermetalne spojine, porazdeljene med dendriti - fazo Mg17Al12; In ko zlitinam na osnovi Mg-3% Al dodamo redke zemeljske elemente, - Mg dendriti postanejo finejši, intermetalne spojine - se faza Mg17Al12 nadomesti z Al11RE3 in A12RE.
Faza Al11RE3 je v bistvu stabilna pri 200 stopinjah. Ko temperatura še naprej narašča, se bo faza Al11RE3 spremenila v fazo Al2RE. To tudi kaže, da je stabilnost Al11RE3 pogojna.
Po dodajanju redkih zemeljskih elementov se trdnost zlitine poveča pri sobni temperaturi ali 200 stopinjah, raztezek pa ostane na relativno visoki ravni. Povečanje trdnosti po dodajanju elementov redkih zemelj je lahko povezano z naslednjimi dejavniki: prvič, tvorba velike količine intermetalne spojine Al11RE3 igra pomembno vlogo pri krepitvi meja dendritov; Drugič, dodajanje redkih zemeljskih elementov je izboljšalo dendritične roke in spodbudilo izboljšanje moči; Nazadnje bo dodajanje elementov redkih zemelj, zlasti Y, povečalo trdnost matrike Mg s krepitvijo trdne raztopine.
1.2 Sistem Mg-Zn-RE
Zlitine na osnovi Mg Zn se pogosto uporabljajo v deformiranih magnezijevih zlitinah in imajo dobro sposobnost utrjevanja s staranjem. Zlitinam Mg Zn je dodanih veliko vrst elementov redkih zemelj, kot so Y, Er, Gd, Nd, Ce itd. Po dodajanju elementov redkih zemelj se izboljšajo mehanske lastnosti zlitine, saj lahko elementi redkih zemelj izboljšajo velikost zrn in faze krepitve oblike v zlitini, izboljšanje trdnosti zlitine.
Dodajanje redkih zemeljskih elementov Ce in Gd uliti zlitini Mg-3.8Zn-2.2Ca je povzročilo povečanje natezne trdnosti s 123,8 MPa na 146,1 in 130,6 MPa ter povečanje raztezka z 2,4 % na 3,5 % oziroma 2,9 %.
Preprosto preučevanje dodajanja redkih zemeljskih elementov litim zlitinam ne more izpolniti zahtev glede trdnosti zlitin. Vse več raziskovalcev začenja preučevati dvojne učinke deformacije in dodajanja elementov redkih zemelj na lastnosti zlitin. Primerjalna študija litih in ekstrudiranih zlitin Mg{{0}}.0Zn-0.9Y-0.16Zr je pokazala znatno izboljšanje mehanskih lastnosti po ekstruziji, z natezno trdnostjo, mejo tečenja , raztezek pa se je povečal s 168105 MPa oziroma 1,8 % na 363317 MPa oziroma 12 %. Izboljšanje mehanskih lastnosti se pripisuje učinku rafiniranja zrn po ekstruziji zlitine. Izboljšane so bile tudi mehanske lastnosti zlitine Mg-6Zn-1Mn-0.5Ce po iztiskanju, pri čemer se je meja tečenja povečala z 209 MPa na 232 MPa, natezna trdnost je ostala v bistvu nespremenjena in raztezek se je povečal z 11,5 % na 14,7 %. V primerjavi z ulito zlitino M-12Zn-1.5Er so se mehanske lastnosti ekstrudirane zlitine znatno izboljšale.
1,3 Mg Li RE sistem
Mg Li zlitina je najlažja serija magnezijevih zlitin. Po dodajanju redkih zemeljskih elementov se mehanske lastnosti zlitine Mg Li izboljšajo s krepitvijo trdne raztopine in tvorbo majhnih in razpršenih intermetalnih spojin. Zlitinam Mg Li je dodanih veliko vrst elementov redkih zemelj, kot so Y, Ce, Nd itd.
Dodajanje elementov redkih zemelj zlitini Mg-5Li-3Al-2Zn povzroči nastanek faz Al2RE ali Al3RE in zmanjšanje faz AlLi. Z dodatkom elementov redkih zemelj se natezna trdnost zlitine povečuje z večanjem količine dodatka. Ko pa količina dodatka preseže 1,5 % (masni delež), natezna trdnost oslabi. Trend spreminjanja raztezka je enak kot pri natezni trdnosti. Ko je količina dodatka 1,5 % (masni delež), ima Mg-5Li-3Al-2Zn-1.5RE optimalno natezno trdnost in raztezek, ki znašata 206,5 MPa in 14,4 %.
Nd lahko tudi izboljša natezno trdnost in raztezek zlitin. Ko je vsebnost Nd 2.0% (masni delež), doseže natezna trdnost zlitine Mg-8Li-3Al najvišjo vrednost 185,95 MPa, ko je vsebnost Nd 1,6 % (masni delež), raztezek doseže vrh 16,3 %. Izboljšanje mehanskih lastnosti je pripisano zmanjšanju dodajanja Nd. Velikost faze in porazdelitev nove faze Al2Nd na fazni meji omejujeta zdrs. BinJiang et al. raziskoval vpliv Ce in Y na lastnosti zlitine Mg-8Li-2Zn. Raziskave so pokazale, da lahko dodajanje 0,5 % (masnega deleža) Ce in Y zlitini Mg-8Li-2Zn izboljša trdnost, pod enakimi pogoji pa je učinek Y pomembnejši od Ce. Dodatek 0.5 % (masni delež) Y je hkrati povečal raztezek zlitine Mg-8Li-2Zn, medtem ko je Ce zmanjšal raztezek.
1.4 Drugo
Pri zlitini Mg-4Y-4Sm-0.5Zr natezna trdnost in meja tečenja rahlo oslabita s povišanjem temperature ekstrudiranja; Nasprotno, s povišanjem temperature ekstrudiranja po staranju se povečata natezna trdnost in meja tečenja. Ko se zlitina stara pri 200 stopinjah 16 ur, ima zlitina, ekstrudirana pri 400 stopinjah, optimalne mehanske lastnosti, z natezno trdnostjo 400 MPa, mejo tečenja, ki presega 300 MPa, in raztezek 7%. Po 14 ciklih ekstruzijskega stiskanja so se meja tečenja, natezna trdnost in raztezek zlitine Mg-10Gd-2Y-0.5Zr povečali za 20 %, 8,2 % in 150 %. oz.
Dodajanje redkozemeljskega elementa Ce zlitini M-3Sn-2Ca lahko znatno izboljša mehanske lastnosti zlitine, ko vsebnost Ce doseže 1,5 % (masni delež) ali več. Ko je vsebnost Ce 2 % (masni delež), je povečanje natezne trdnosti, meje tečenja in raztezka pri sobni temperaturi 24,4 %, 28,6 % oziroma 73,7 %. Povečanje pri 150 stopinjah je 22,4 %, 28,8 % oziroma 56 %.
Redki zemeljski element Y lahko tudi izboljša trdnost zlitin. Ko je količina dodatka 1,5 % (masni delež), so mehanske lastnosti zlitine optimalne, z natezno trdnostjo, mejo tečenja in raztezkom pri sobni temperaturi 150, 137 MPa oziroma 3,2 %, s povečanji za 18,1 %, 22,3 %. % in 68,4 %. Ustrezna povečanja pri 150 stopinjah so 19,8 %, 24 % oziroma 54,9 %. V raziskavi ChengWeilija je bilo tudi ugotovljeno, da lahko Ce izboljša mehanske lastnosti Mg-5Sn-4Zn.
HNRE proizvaja vse zgoraj omenjene magnezijeve zlitine redkih zemelj, od katerih so nekatere zelo priljubljene, kot so glavne zlitine Mg-Gd, Mg-Nd, Mg-Zr, Mg-Ce, Mg-Y, Mg-Er. Vse komponente in razmerja je mogoče prilagoditi glede na zahteve kupca.