De invloed van zeldzame aardmetalen op de mechanische eigenschappen van magnesiumlegeringen
Magnesium en zijn legeringen, als de lichtste metalen structurele materialen op dit moment, hebben voordelen zoals lage dichtheid, hoge specifieke sterkte en stijfheid, hoge demping, goede thermische geleidbaarheid, uitstekende bewerkbaarheid, stabiele onderdeelgrootte en eenvoudig recyclen. Ze worden veel gebruikt in industrieën zoals luchtvaart, ruimtevaart, auto-industrie, transport, elektronica, communicatie en computer.
Vanwege onvoldoende mechanische eigenschappen en slechte corrosiebestendigheid zijn magnesiumlegeringen beperkt in hun wijdverbreide toepassing in de productie en het dagelijks leven. Wanneer echter een kleine hoeveelheid zeldzame aarde wordt toegevoegd, kunnen de verschillende eigenschappen van magnesiumlegeringen aanzienlijk worden verbeterd. Zeldzame aarde-elementen bevinden zich in de IIIB-groep van het periodiek systeem. De buitenste elektronische structuur van atomen is hetzelfde, beide met twee elektronen, terwijl de tweede buitenste elektronische structuur vergelijkbaar is. Het aantal elektronen op de 4f-orbitaal in de derde tot laatste laag varieert van 0 tot 14; De chemische eigenschappen verschillen niet significant en ze zijn allemaal erg actief. Magnesiumlegeringen en zeldzame aarde-elementen hebben beide een dichte hexagonale kristalstructuur, dus zeldzame aarde-elementen hebben een hoge vaste oplosbaarheid in magnesiumlegeringen. Behalve Sc kunnen de andere 16 zeldzame aarde-elementen eutectische fasen vormen met Mg, en de meeste zeldzame aarde-elementen hebben een hoge vaste oplosbaarheid in Mg.
Het effect van zeldzame aardelementen op de zuivering en korrelverfijning van magnesiumlegeringen
Magnesium heeft actieve chemische eigenschappen en is geneigd te reageren met O2 en H2O om MgO te vormen, wat resulteert in de aanwezigheid van oxide-insluitsels in magnesiumlegeringen, wat de kwaliteit en prestaties van magnesiumlegeringen vermindert. Geoxideerde insluitsels bevinden zich over het algemeen op de matrix of korrelgrenzen van magnesiumlegeringsgietstukken, wat vermoeidheidsscheuren in de legering veroorzaakt en de mechanische en corrosiebestendigheidseigenschappen vermindert. De toevoeging van zeldzame aardelementen kan niet alleen het aantal insluitsels verminderen, maar ook de korrelgrootte verfijnen en de prestaties van de legering verbeteren.
Wanneer het zeldzame aardelement Ce wordt toegevoegd aan AM50 magnesiumlegering, speelt Ce een rol bij het zuiveren van de legering, waardoor onzuiverheden zoals Fe en Ni worden verminderd. De toevoeging van Y kan de korrelgrootte van geëxtrudeerde Mg Zn Zr-legering verkleinen, en de korrelgrootte die niet bevat kan worden verminderd van 14,2 μm tot 3,2 μm, dalen tot 3% (massafractie). De afname is zo hoog als 77%.
1. De invloed van zeldzame aardmetalen op de mechanische eigenschappen van Mg-legering
1,1Mg Al RE-systeem
Magnesiumlegeringen uit de Mg Al-serie zijn momenteel de meest diverse en meest gebruikte magnesiumlegeringsseries. De zeldzame aardelementen die aan magnesiumlegeringen uit de Mg Al-serie worden toegevoegd, omvatten voornamelijk Ce, Y, Nd, enz. Legeringen op basis van Mg Al zonder zeldzame aardelementen omvatten voornamelijk - Mg-dendrieten en intermetallische verbindingen verdeeld tussen dendrieten - Mg17Al12-fase; En wanneer zeldzame aardelementen worden toegevoegd aan legeringen op basis van Mg-3% Al, worden - Mg-dendrieten fijner, intermetallische verbindingen - Mg17Al12-fase wordt vervangen door Al11RE3 en A12RE.
De Al11RE3-fase is in principe stabiel bij 200 graden. Naarmate de temperatuur blijft stijgen, zal de Al11RE3-fase transformeren in de Al2RE-fase. Dit geeft ook aan dat de stabiliteit van Al11RE3 voorwaardelijk is.
Na het toevoegen van zeldzame aardelementen neemt de sterkte van de legering toe bij zowel kamertemperatuur als 200 graden, de rek blijft op een relatief hoog niveau. De toename in sterkte na het toevoegen van zeldzame aardelementen kan verband houden met de volgende factoren: ten eerste speelt de vorming van een grote hoeveelheid intermetallische verbinding Al11RE3 een belangrijke rol bij het versterken van de dendrietgrenzen; ten tweede verfijnde de toevoeging van zeldzame aardelementen de dendritische armen en bevorderde de verbetering van de sterkte; ten slotte zal het toevoegen van zeldzame aardelementen, met name Y, de sterkte van de Mg-matrix verbeteren door middel van versterking van de vaste oplossing.
1.2 Mg-Zn-RE-systeem
Legeringen op basis van Mg Zn worden veel gebruikt in vervormde magnesiumlegeringen en hebben een goed verouderingsversterkend vermogen. Er worden veel soorten zeldzame aarde-elementen toegevoegd aan Mg Zn-legeringen, zoals Y, Er, Gd, Nd, Ce, enz. Na het toevoegen van zeldzame aarde-elementen worden de mechanische eigenschappen van de legering verbeterd, omdat zeldzame aarde-elementen de korrelgrootte kunnen verfijnen en versterkingsfasen in de legering kunnen vormen, waardoor de sterkte van de legering wordt verbeterd.
Door de zeldzame aardelementen Ce en Gd toe te voegen aan de gegoten Mg-3.8Zn-2.2Ca-legering werd de treksterkte verhoogd van 123,8 MPa naar respectievelijk 146,1 en 130,6 MPa, en de rek verhoogd van 2,4% naar 3,5% en 2,9%.
Alleen het bestuderen van de toevoeging van zeldzame aardelementen aan gegoten legeringen kan niet voldoen aan de sterktevereisten van legeringen. Steeds meer onderzoekers beginnen de dubbele effecten van vervorming en toevoeging van zeldzame aardelementen op legeringseigenschappen te bestuderen. Een vergelijkende studie van gegoten en geëxtrudeerde Mg{{0}}.0Zn-0.9Y-0.16Zr-legeringen toonde een significante verbetering in mechanische eigenschappen na extrusie, waarbij de treksterkte, vloeigrens en rek toenamen van 168105 MPa en 1,8% tot 363317 MPa en 12%, respectievelijk. De verbetering van mechanische eigenschappen wordt toegeschreven aan het effect van korrelverfijning na legeringsextrusie. De mechanische eigenschappen van Mg-6Zn-1Mn-0.5Ce-legering na extrusie zijn ook verbeterd, met een toegenomen vloeigrens van 209 MPa tot 232 MPa, de treksterkte bleef in principe onveranderd en de rek nam toe van 11,5% tot 14,7%. Vergeleken met de gegoten M-12Zn-1.5Er-legering zijn de mechanische eigenschappen van de geëxtrudeerde legering aanzienlijk verbeterd.
1,3 Mg Li RE-systeem
Mg Li-legering is de lichtste serie magnesiumlegeringen. Na het toevoegen van zeldzame aardelementen worden de mechanische eigenschappen van Mg Li-legering verbeterd door middel van versterking van de vaste oplossing en de vorming van kleine en verspreide intermetallische verbindingen. Er worden veel soorten zeldzame aardelementen toegevoegd aan Mg Li-legeringen, zoals Y, Ce, Nd, etc.
Het toevoegen van zeldzame aardelementen aan een Mg-5Li-3Al-2Zn-legering resulteert in de vorming van Al2RE- of Al3RE-fasen en een afname van AlLi-fasen. Met de toevoeging van zeldzame aardelementen neemt de treksterkte van de legering toe met de toename van de toegevoegde hoeveelheid. Wanneer de toegevoegde hoeveelheid echter 1,5% (massafractie) overschrijdt, verzwakt de treksterkte. De trend van rekverandering is dezelfde als die van de treksterkte. Wanneer de toegevoegde hoeveelheid 1,5% (massafractie) is, heeft Mg-5Li-3Al-2Zn-1.5RE de optimale treksterkte en rek, die respectievelijk 206,5 MPa en 14,4% zijn.
Nd kan ook de treksterkte en rek van legeringen verbeteren. Wanneer het Nd-gehalte 2,0% (massafractie) is, bereikt de treksterkte van Mg-8Li-3Al-legering een piek van 185,95 MPa, en wanneer het Nd-gehalte 1,6% (massafractie) is, bereikt de rek een piek van 16,3%. De verbetering van de mechanische eigenschappen wordt toegeschreven aan de vermindering van de Nd-toevoeging. De grootte van de fase en de verdeling van de nieuwe fase Al2Nd bij de fasegrens beperken de slip. BinJiang et al. onderzochten de effecten van Ce en Y op de eigenschappen van Mg-8Li-2Zn-legering. Onderzoek heeft uitgewezen dat het toevoegen van 0.5% (massafractie) Ce en Y aan Mg-8Li-2Zn-legering de sterkte kan verbeteren, en onder dezelfde omstandigheden is het effect van Y significanter dan dat van Ce. De toevoeging van 0.5% (massafractie) Y verhoogde tegelijkertijd de rek van Mg-8Li-2Zn-legering, terwijl Ce de rek verminderde.
1.4 Overige
Voor Mg-4Y-4Sm-0.5Zr-legering verzwakken de treksterkte en vloeigrens lichtjes met de toename van de extrusietemperatuur; daarentegen, met de toename van de extrusietemperatuur na veroudering, nemen de treksterkte en vloeigrens toe. Wanneer de legering 16 uur bij 200 graden wordt verouderd, heeft de legering die bij 400 graden wordt geëxtrudeerd de optimale mechanische eigenschappen, met een treksterkte van 400 MPa, een vloeigrens van meer dan 300 MPa en een rek van 7%. Na 14 cycli van extrusiecompressie namen de vloeigrens, treksterkte en rek van Mg-10Gd-2Y-0.5Zr-legering toe met respectievelijk 20%, 8,2% en 150%.
Het toevoegen van het zeldzame aarde-element Ce aan de M-3Sn-2Ca-legering kan de mechanische eigenschappen van de legering aanzienlijk verbeteren wanneer het Ce-gehalte 1,5% (massafractie) of meer bereikt. Wanneer het Ce-gehalte 2% (massafractie) is, is de toename in treksterkte, vloeigrens en rek bij kamertemperatuur respectievelijk 24,4%, 28,6% en 73,7%. De toename bij 150 graden is respectievelijk 22,4%, 28,8% en 56%.
Zeldzame aarde-element Y kan ook de sterkte van legeringen verbeteren. Wanneer de toegevoegde hoeveelheid 1,5% (massafractie) is, zijn de mechanische eigenschappen van de legering optimaal, met treksterkte, vloeigrens en rek bij kamertemperatuur van respectievelijk 150, 137 MPa en 3,2%, met toenames van 18,1%, 22,3% en 68,4%. De overeenkomstige toenames bij 150 graden zijn respectievelijk 19,8%, 24% en 54,9%. In het onderzoek van ChengWeili werd ook ontdekt dat Ce de mechanische eigenschappen van Mg-5Sn-4Zn kan verbeteren.
HNRE produceert alle hierboven genoemde zeldzame aarde magnesiumlegeringen, waarvan sommige behoorlijk populair zijn zoals Mg-Gd, Mg-Nd, Mg-Zr, Mg-Ce, Mg-Y, Mg-Er masterlegeringen. Alle componenten en verhoudingen kunnen worden aangepast aan de vereisten van de klant.