Harvinaisten maametallien (REE) lisäämistä 7xxx-, 5xxx- ja 2xxx-sarjan alumiiniseoksiin on tutkittu laajasti, ja tulokset ovat osoittaneet huomattavia vaikutuksia. Erityisesti 7xxx-sarjan alumiiniseokset, jotka sisältävät useita seosaineita, kokevat usein voimakasta seosaineiden erottumista sulamisen ja valun aikana, mikä johtaa merkittävien määrien eutektisten faasien muodostumiseen. Tämä heikentää sitkeyttä ja korroosionkestävyyttä, mikä heikentää seoksen yleistä suorituskykyä. Harvinaisten maametallien lisääminen erittäin seostettuihin alumiiniseoksiin voi hienontaa rakeita, estää erottumista ja puhdistaa matriisia, mikä parantaa mikrorakennetta ja yleisiä ominaisuuksia.
Viime aikoina huomiota on herättänyt eräänlainen superplastinen raejauhin. Nämä jauhimet hyödyntävät harvinaisia maametalleja, kuten lattiaa ja ce:tä, heikentääkseen rae- ja raerajojen välisiä pintoja. Tämä paitsi jauhaa rakeita, myös edistää saostumien tasaista jakautumista, estää uudelleenkiteytymistä ja parantaa merkittävästi seoksen venyvyyttä, mikä lopulta lisää tuottavuutta ekstruusioprosesseissa.
7xxx-sarjan alumiiniseoksissa harvinaisia maametalleja lisätään yleensä kolmella tavalla:
1. Harvinaiset maametallit yksinään;
2. Zr:n ja harvinaisten maametallien yhdistelmä;
3. Zr:n, Cr:n ja harvinaisten maametallien yhdistelmä.
Harvinaisten maametallien kokonaispitoisuutta säädetään yleensä 0,1–0,5 painoprosentin välillä.
Harvinaisten maametallien mekanismit
Harvinaisten maametallien, kuten La, Ce, Sc, Er, Gd ja Y, muodostuminen alumiiniseoksissa tapahtuu useiden mekanismien kautta:
Rakeiden hienostuminen: Harvinaiset maametallit muodostavat tasaisesti jakautuneita saostumia, jotka toimivat heterogeenisinä ydintymiskohtina ja muuttavat dendriittirakenteita tasa-akselisiksi hienorakeisiksi, mikä parantaa lujuutta ja sitkeyttä.
Segregaation estäminen: Sulamisen ja jähmettymisen aikana harvinaiset maametallit edistävät tasaisempaa alkuaineiden jakautumista, vähentävät eutektisen muodostumisen ja lisäävät matriisitiheyttä.
Matriisin puhdistus: Y, La ja Ce voivat reagoida sulan epäpuhtauksien (O, H, N, S) kanssa muodostaen stabiileja yhdisteitä, mikä alentaa kaasupitoisuutta ja sulkeumia ja parantaa seoksen laatua.
Uudelleenkiteytymiskäyttäytymisen muutos: Tietyt harvinaiset maametallit voivat kiinnittää rae- ja aliraerajoja estäen dislokaatioliikettä ja raerajan migraatiota. Tämä viivästyttää uudelleenkiteytymistä ja säilyttää hienot aliraerakenteet lämpökäsittelyn aikana, mikä parantaa sekä lujuutta että korroosionkestävyyttä.
Keskeiset harvinaiset maametallit ja niiden vaikutukset
Skandium (Sc)
Sc:llä on harvinaisten maametallien joukossa pienin atomisäde, ja se on myös siirtymämetalli. Se on erittäin tehokas parantamaan deformoituneiden alumiiniseosten ominaisuuksia.
Alumiiniseoksissa Sc saostuu koherenttina Al₃Sc:nä, mikä nostaa uudelleenkiteytymislämpötilaa ja estää rakeiden karkenemista.
Yhdessä Zr:n kanssa muodostuu korkeassa lämpötilassa stabiileja Al₃(Sc,Zr)-hiukkasia, jotka edistävät tasa-akselisia hienorakeisia muotoja ja estävät dislokaatioliikettä ja raerajan siirtymistä. Tämä parantaa lujuutta, väsymiskestävyyttä ja jännityskorroosionkestävyyttä.
Liiallinen Sc voi johtaa karkeisiin Al₃(Sc,Zr)-hiukkasiin, mikä heikentää uudelleenkiteytymiskykyä, lujuutta ja venyvyyttä.
Erbium (Er)
Er toimii samalla tavalla kuin Sc, mutta on kustannustehokkaampi.
7xxx-sarjan seoksissa sopivat Er-lisäykset hienostavat rakeita, estävät dislokaatioliikettä ja raerajan migraatiota, vähentävät uudelleenkiteytymistä ja parantavat lujuutta.
Kun sitä lisätään yhdessä Zr:n kanssa, muodostuu Al₃(Er,Zr)-hiukkasia, jotka ovat termisesti vakaampia kuin pelkkä Al₃Er, mikä tarjoaa paremman uudelleenkiteytymisen estämisen.
Liiallinen Er voi tuottaa Al₈Cu₄Er-faaseja, mikä heikentää sekä lujuutta että venyvyyttä.
Gadolinium (Gd)
Kohtuulliset Gd-lisäykset hienostavat jyviä, lisäävät lujuutta ja venyvyyttä sekä parantavat Zn:n, Mg:n ja Cu:n liukoisuutta matriisissa.
Tuloksena oleva Al₃(Gd,Zr)-faasi kiinnittää dislokaatioita ja raerajoja estäen uudelleenkiteytymistä. Rakeiden pinnoille muodostuu myös aktiivinen kalvo, joka rajoittaa edelleen rakeiden kasvua.
Liiallinen Gd voi aiheuttaa rakeiden karkenemista ja heikentää mekaanisia ominaisuuksia.
Lantaani (La), cerium (Ce) ja yttrium (Y)
La jauhaa jyviä, vähentää happipitoisuutta ja muodostaa jyvien pinnalle aktiivisen kalvon, joka estää kasvua.
La ja Ce edistävät GP-vyöhykkeen ja η′-faasin saostumista, mikä parantaa matriisin lujuutta ja korroosionkestävyyttä.
Y puhdistaa matriisia, estää tärkeimpien seosaineiden liukenemisen kiinteään liuokseen, edistää ydintymistä ja vähentää potentiaalieroja raerajojen ja sisäosien välillä, mikä parantaa korroosionkestävyyttä.
Liiallinen La:n, Ce:n tai Y:n määrä voi johtaa karkeisiin, lohkomaisiin yhdisteisiin, jotka heikentävät sitkeyttä ja lujuutta.
Tärkeimpien harvinaisten maametallien ominaisuudet ja niiden ominaisuudet alumiinissa
Julkaisun aika: 21. elokuuta 2025
