Wpływ pierwiastków ziem rzadkich na właściwości mechaniczne stopów magnezu
Magnez i jego stopy, jako najlżejsze obecnie metalowe materiały konstrukcyjne, mają zalety takie jak niska gęstość, wysoka wytrzymałość właściwa i sztywność, wysokie tłumienie, dobra przewodność cieplna, doskonała obrabialność, stabilny rozmiar części i łatwy recykling. Są szeroko stosowane w takich gałęziach przemysłu jak lotnictwo, przemysł kosmiczny, motoryzacyjny, transport, elektronika, komunikacja i komputery.
Ze względu na niewystarczające właściwości mechaniczne i słabą odporność na korozję stopy magnezu są ograniczone w swoim szerokim zastosowaniu w produkcji i życiu codziennym. Jednak po dodaniu niewielkiej ilości pierwiastków ziem rzadkich, różne właściwości stopów magnezu mogą zostać znacznie ulepszone. Pierwiastki ziem rzadkich znajdują się w grupie IIIB układu okresowego. Najbardziej zewnętrzna struktura elektronowa atomów jest taka sama, oba mają dwa elektrony, podczas gdy druga zewnętrzna struktura elektronowa jest podobna. Liczba elektronów na orbitalu 4f w trzeciej od końca warstwie waha się od 0 do 14; Właściwości chemiczne nie różnią się znacząco i wszystkie są bardzo aktywne. Stopy magnezu i pierwiastki ziem rzadkich mają gęstą heksagonalną strukturę krystaliczną, więc pierwiastki ziem rzadkich mają wysoką rozpuszczalność stałą w stopach magnezu. Z wyjątkiem Sc, pozostałych 16 pierwiastków ziem rzadkich może tworzyć fazy eutektyczne z Mg, a większość pierwiastków ziem rzadkich ma wysoką rozpuszczalność stałą w Mg.
Wpływ pierwiastków ziem rzadkich na oczyszczanie i rafinację ziarna stopu magnezu
Magnez ma aktywne właściwości chemiczne i jest podatny na reakcje z O2 i H2O, tworząc MgO, co powoduje obecność wtrąceń tlenkowych w stopach magnezu, co obniża jakość i wydajność stopów magnezu. Utlenione wtrącenia występują zazwyczaj na osnowie lub granicach ziaren odlewów ze stopów magnezu, powodując pęknięcia zmęczeniowe w stopie i zmniejszając właściwości mechaniczne i odporność na korozję. Dodanie pierwiastków ziem rzadkich może nie tylko zmniejszyć liczbę wtrąceń, ale także udoskonalić wielkość ziarna i poprawić wydajność stopu.
Gdy pierwiastek ziem rzadkich Ce jest dodawany do stopu magnezu AM50, Ce odgrywa rolę w oczyszczaniu stopu, redukując zanieczyszczenia, takie jak Fe i Ni. Dodanie Y może zmniejszyć wielkość ziarna wytłaczanego stopu Mg Zn Zr, a wielkość ziarna nie zawiera może zmniejszyć się z 14,2 μm do 3,2 μm, spadając do 3% (ułamek masowy). Spadek jest tak wysoki, jak 77%.
1. Wpływ pierwiastków ziem rzadkich na właściwości mechaniczne stopu magnezu
1,1Mg Al system RE
Stopy magnezu serii Mg Al są obecnie najbardziej zróżnicowaną i szeroko stosowaną serią stopów magnezu. Pierwiastki ziem rzadkich dodawane do stopów magnezu serii Mg Al obejmują głównie Ce, Y, Nd itp. Stopy na bazie Mg Al bez pierwiastków ziem rzadkich obejmują głównie - dendryty Mg i związki międzymetaliczne rozmieszczone między dendrytami - fazę Mg17Al12; A gdy pierwiastki ziem rzadkich są dodawane do stopów na bazie Mg-3% Al, - dendryty Mg stają się drobniejsze, związki międzymetaliczne - faza Mg17Al12 jest zastępowana przez Al11RE3 i A12RE.
Faza Al11RE3 jest zasadniczo stabilna w temperaturze 200 stopni. W miarę wzrostu temperatury faza Al11RE3 przekształci się w fazę Al2RE. To również wskazuje, że stabilność Al11RE3 jest warunkowa.
Po dodaniu pierwiastków ziem rzadkich, wytrzymałość stopu wzrasta zarówno w temperaturze pokojowej, jak i 200 stopni, wydłużenie pozostaje na stosunkowo wysokim poziomie. Wzrost wytrzymałości po dodaniu pierwiastków ziem rzadkich może być związany z następującymi czynnikami: po pierwsze, utworzenie dużej ilości związku międzymetalicznego Al11RE3 odgrywa znaczącą rolę we wzmacnianiu granic dendrytów; Po drugie, dodanie pierwiastków ziem rzadkich udoskonaliło ramiona dendrytyczne i wsparło poprawę wytrzymałości; Na koniec, dodanie pierwiastków ziem rzadkich, zwłaszcza Y, zwiększy wytrzymałość matrycy Mg poprzez wzmocnienie roztworem stałym.
1.2 Układ Mg-Zn-RE
Stopy na bazie MgZn są szeroko stosowane w odkształcanych stopach magnezu i mają dobrą zdolność do wzmacniania starzeniowego. Do stopów MgZn dodawanych jest wiele rodzajów pierwiastków ziem rzadkich, takich jak Y, Er, Gd, Nd, Ce itp. Po dodaniu pierwiastków ziem rzadkich właściwości mechaniczne stopu ulegają poprawie, ponieważ pierwiastki ziem rzadkich mogą udoskonalić wielkość ziarna i utworzyć fazy wzmacniające w stopie, poprawiając wytrzymałość stopu.
Dodanie do stopu odlewniczego Mg-3.8Zn-2.2Ca pierwiastków ziem rzadkich Ce i Gd spowodowało wzrost wytrzymałości na rozciąganie ze 123,8 MPa do 146,1 i 130,6 MPa oraz wzrost wydłużenia odpowiednio z 2,4% do 3,5% i 2,9%.
Samo badanie dodawania pierwiastków ziem rzadkich do stopów odlewanych nie może spełnić wymagań wytrzymałościowych stopów. Coraz więcej badaczy zaczyna badać podwójne efekty odkształcenia i dodania pierwiastków ziem rzadkich na właściwości stopów. Porównawcze badanie odlewanych i wytłaczanych stopów Mg{{0}}.0Zn-0.9Y-0.16Zr wykazało znaczną poprawę właściwości mechanicznych po wytłaczaniu, przy czym wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności i wydłużenie wzrosły z 168105 MPa i 1,8% do 363317 MPa i 12%, odpowiednio. Poprawa właściwości mechanicznych jest przypisywana wpływowi rafinacji ziarna po wytłaczaniu stopu. Właściwości mechaniczne stopu Mg-6Zn-1Mn-0.5Ce po wytłaczaniu uległy również poprawie, przy czym granica plastyczności wzrosła z 209 MPa do 232 MPa, wytrzymałość na rozciąganie pozostała zasadniczo niezmieniona, a wydłużenie wzrosło z 11,5% do 14,7%. W porównaniu z odlewanym stopem M-12Zn-1.5Er właściwości mechaniczne wytłaczanego stopu uległy znacznej poprawie.
System 1,3 Mg Li RE
Stop Mg Li jest najlżejszą serią stopów magnezu. Po dodaniu pierwiastków ziem rzadkich właściwości mechaniczne stopu Mg Li są ulepszone poprzez wzmocnienie roztworem stałym i tworzenie małych i rozproszonych związków międzymetalicznych. Do stopów Mg Li dodawanych jest wiele rodzajów pierwiastków ziem rzadkich, takich jak Y, Ce, Nd itp.
Dodanie pierwiastków ziem rzadkich do stopu Mg-5Li-3Al-2Zn powoduje powstanie faz Al2RE lub Al3RE i zmniejszenie faz AlLi. Wraz z dodaniem pierwiastków ziem rzadkich wytrzymałość na rozciąganie stopu wzrasta wraz ze wzrostem ilości dodatku. Jednak gdy ilość dodatku przekracza 1,5% (ułamek masowy), wytrzymałość na rozciąganie słabnie. Trend zmiany wydłużenia jest taki sam jak trend wytrzymałości na rozciąganie. Gdy ilość dodatku wynosi 1,5% (ułamek masowy), Mg-5Li-3Al-2Zn-1.5RE ma optymalną wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie, które wynoszą odpowiednio 206,5 MPa i 14,4%.
Nd może również poprawić wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie stopów. Gdy zawartość Nd wynosi 2,0% (ułamek masowy), wytrzymałość na rozciąganie stopu Mg-8Li-3Al osiąga szczyt 185,95 MPa, a gdy zawartość Nd wynosi 1,6% (ułamek masowy), wydłużenie osiąga szczyt 16,3%. Poprawę właściwości mechanicznych przypisuje się zmniejszeniu dodatku Nd. Rozmiar fazy i rozkład nowej fazy Al2Nd na granicy faz ograniczają poślizg. BinJiang i in. zbadali wpływ Ce i Y na właściwości stopu Mg-8Li-2Zn. Badania wykazały, że dodanie 0.5% (ułamek masowy) Ce i Y do stopu Mg-8Li-2Zn może poprawić wytrzymałość, a w tych samych warunkach wpływ Y jest bardziej znaczący niż Ce. Dodanie 0.5% (ułamek masowy) Y jednocześnie zwiększyło wydłużenie stopu Mg-8Li-2Zn, podczas gdy Ce zmniejszyło wydłużenie.
1.4 Inne
W przypadku stopu Mg-4Y-4Sm-0.5Zr wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności nieznacznie słabną wraz ze wzrostem temperatury wytłaczania; wręcz przeciwnie, wraz ze wzrostem temperatury wytłaczania po starzeniu, wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności wzrastają. Gdy stop jest starzony w temperaturze 200 stopni przez 16 godzin, stop wytłaczany w temperaturze 400 stopni ma optymalne właściwości mechaniczne, z wytrzymałością na rozciąganie 400 MPa, granicą plastyczności przekraczającą 300 MPa i wydłużeniem 7%. Po 14 cyklach ściskania przez wytłaczanie granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie stopu Mg-10Gd-2Y-0.5Zr wzrosły odpowiednio o 20%, 8,2% i 150%.
Dodanie pierwiastka ziem rzadkich Ce do stopu M-3Sn-2Ca może znacznie poprawić właściwości mechaniczne stopu, gdy zawartość Ce osiągnie 1,5% (ułamek masowy) lub więcej. Gdy zawartość Ce wynosi 2% (ułamek masowy), wzrost wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności i wydłużenia w temperaturze pokojowej wynosi odpowiednio 24,4%, 28,6% i 73,7%. Wzrost w temperaturze 150 stopni wynosi odpowiednio 22,4%, 28,8% i 56%.
Pierwiastek ziem rzadkich Y może również poprawić wytrzymałość stopów. Gdy ilość dodatku wynosi 1,5% (ułamek masowy), właściwości mechaniczne stopu są optymalne, z wytrzymałością na rozciąganie, granicą plastyczności i wydłużeniem w temperaturze pokojowej wynoszącymi odpowiednio 150, 137 MPa i 3,2%, ze wzrostem o 18,1%, 22,3% i 68,4%. Odpowiednie wzrosty przy 150 stopniach wynoszą odpowiednio 19,8%, 24% i 54,9%. W badaniach ChengWeili stwierdzono również, że Ce może poprawić właściwości mechaniczne Mg-5Sn-4Zn.
HNRE produkuje wszystkie wyżej wymienione stopy magnezu ziem rzadkich, z których niektóre są dość popularne, takie jak stopy główne Mg-Gd, Mg-Nd, Mg-Zr, Mg-Ce, Mg-Y, Mg-Er. Wszystkie komponenty i proporcje można dostosować do wymagań klienta.