Влиянието на редкоземните елементи върху механичните свойства на магнезиевите сплави
Магнезият и неговите сплави, като най-леките метални конструкционни материали в момента, имат предимства като ниска плътност, висока специфична якост и твърдост, високо затихване, добра топлопроводимост, отлична обработваемост, стабилен размер на детайлите и лесно рециклиране. Те се използват широко в индустрии като авиацията, космонавтиката, автомобилната индустрия, транспорта, електрониката, комуникациите и компютрите.
Поради недостатъчни механични свойства и лоша устойчивост на корозия, магнезиевите сплави са ограничени в широкото им приложение в производството и ежедневието. Въпреки това, когато се добави малко количество редкоземни елементи, различните свойства на магнезиевите сплави могат да бъдат значително подобрени. Редкоземните елементи се намират в група IIIB на периодичната таблица. Най-външната електронна структура на атомите е една и съща, и двата имат по два електрона, докато втората външна електронна структура е подобна. Броят на електроните на 4f орбитала в третия до последния слой варира от 0 до 14; Химическите свойства не се различават значително и всички те са много активни. Магнезиевите сплави и редкоземните елементи имат плътна шестоъгълна кристална структура, така че редкоземните елементи имат висока твърда разтворимост в магнезиевите сплави. С изключение на Sc, останалите 16 редкоземни елемента могат да образуват евтектични фази с Mg, а повечето редкоземни елементи имат висока твърда разтворимост в Mg.
Ефектът на редкоземните елементи върху пречистването и рафинирането на зърното на магнезиева сплав
Магнезият има активни химични свойства и е склонен да реагира с O2 и H2O, за да образува MgO, което води до наличието на оксидни включвания в магнезиевите сплави, което намалява качеството и ефективността на магнезиевите сплави. Оксидирани включвания обикновено съществуват върху матрицата или границите на зърната на отливките от магнезиева сплав, причинявайки пукнатини от умора в сплавта и намалявайки свойствата на механична устойчивост и устойчивост на корозия. Добавянето на редкоземни елементи може не само да намали броя на включванията, но и да прецизира размера на зърното и да подобри работата на сплавта.
Когато редкоземният елемент Ce се добави към магнезиева сплав AM50, Ce играе роля в пречистването на сплавта, намалявайки примесите като Fe и Ni. Добавянето на Y може да намали размера на зърното на екструдирана сплав Mg Zn Zr, а размерът на зърното, което не съдържа, може да намалее от 14,2 μm до 3,2 μm, спад до 3% (масова фракция). Спадът достига 77%.
1. Влиянието на редкоземните елементи върху механичните свойства на Mg сплавта
1.1Mg Al RE система
Магнезиевите сплави от серията Mg Al в момента са най-разнообразните и широко използвани серии магнезиеви сплави. Редкоземните елементи, добавени към магнезиевите сплави от серията Mg Al, включват главно Ce, Y, Nd и др. Сплавите на основата на Mg Al без редкоземни елементи включват главно - Mg дендрити и интерметални съединения, разпределени между дендритите - Mg17Al12 фаза; И когато редкоземни елементи се добавят към Mg-3% Al базирани сплави, - Mg дендритите стават по-фини, интерметалните съединения - Mg17Al12 фазата се заменя с Al11RE3 и A12RE.
Фазата Al11RE3 е основно стабилна при 200 градуса. Тъй като температурата продължава да се повишава, фазата Al11RE3 ще се трансформира във фаза Al2RE. Това също показва, че стабилността на Al11RE3 е условна.
След добавяне на редкоземни елементи, якостта на сплавта се увеличава както при стайна температура, така и при 200 градуса, като удължението остава на относително високо ниво. Увеличаването на якостта след добавяне на редкоземни елементи може да бъде свързано със следните фактори: първо, образуването на голямо количество интерметално съединение Al11RE3 играе значителна роля в укрепването на дендритните граници; Второ, добавянето на редкоземни елементи усъвършенства дендритните рамена и насърчава подобряването на здравината; И накрая, добавянето на редкоземни елементи, особено Y, ще подобри здравината на Mg матрицата чрез укрепване на твърдия разтвор.
1.2 Система Mg-Zn-RE
Сплавите на основата на Mg Zn се използват широко в деформирани магнезиеви сплави и имат добра способност за укрепване при стареене. Има много видове редкоземни елементи, добавени към Mg Zn сплави, като Y, Er, Gd, Nd, Ce и др. След добавяне на редкоземни елементи, механичните свойства на сплавта се подобряват, тъй като редкоземните елементи могат да усъвършенстват размера на зърното и формата на укрепващите фази в сплавта, подобрявайки здравината на сплавта.
Добавянето на редкоземни елементи Ce и Gd към отлятата сплав Mg-3.8Zn-2.2Ca доведе до увеличаване на якостта на опън от 123,8 MPa до 146,1 и 130,6 MPa и увеличение на удължението от 2,4% съответно до 3,5% и 2,9%.
Простото изучаване на добавянето на редкоземни елементи към лети сплави не може да отговори на изискванията за якост на сплавите. Все повече и повече изследователи започват да изучават двойните ефекти от деформацията и добавянето на редкоземни елементи върху свойствата на сплавта. Сравнително изследване на отлети и екструдирани сплави Mg{{0}}.0Zn-0.9Y-0.16Zr разкрива значително подобрение на механичните свойства след екструдиране, с якост на опън, граница на провлачване , а удължението се увеличава от 168105 MPa и 1,8% до 363317 MPa и 12%, съответно. Подобряването на механичните свойства се дължи на ефекта от рафинирането на зърното след екструдиране на сплавта. Механичните свойства на сплавта Mg-6Zn-1Mn-0.5Ce след екструдиране също са подобрени, като границата на провлачване е увеличена от 209 MPa на 232 MPa, якостта на опън остава основно непроменена и удължението се увеличава от 11,5% на 14,7%. В сравнение с лятата сплав M-12Zn-1.5Er, механичните свойства на екструдираната сплав са значително подобрени.
1.3 Mg Li RE система
Mg Li сплавта е най-леката серия от магнезиеви сплави. След добавяне на редкоземни елементи, механичните свойства на Mg Li сплавта се подобряват чрез укрепване на твърдия разтвор и образуването на малки и диспергирани интерметални съединения. Има много видове редкоземни елементи, добавени към Mg Li сплави, като Y, Ce, Nd и др.
Добавянето на редкоземни елементи към сплав Mg-5Li-3Al-2Zn води до образуването на фази Al2RE или Al3RE и намаляване на фазите AlLi. С добавянето на редкоземни елементи, якостта на опън на сплавта се увеличава с увеличаване на добавеното количество. Въпреки това, когато добавеното количество надвишава 1,5% (масова част), якостта на опън отслабва. Тенденцията на промяна на удължението е същата като тази на якостта на опън. Когато добавеното количество е 1,5% (масова част), Mg-5Li-3Al-2Zn-1.5RE има оптималната якост на опън и удължение, които са 206,5 MPa и съответно 14,4%.
Nd може също да подобри якостта на опън и удължението на сплавите. Когато съдържанието на Nd е 2.0% (масова част), якостта на опън на сплавта Mg-8Li-3Al достига пик от 185,95MPa, а когато съдържанието на Nd е 1,6 % (масова част), удължението достига пик от 16,3%. Подобряването на механичните свойства се дължи на намаляването на добавянето на Nd. Размерът на фазата и разпределението на новата фаза Al2Nd на границата на фазата ограничава приплъзването. BinJiang и др. изследва ефектите на Ce и Y върху свойствата на Mg-8Li-2Zn сплав. Изследванията са установили, че добавянето на 0.5% (масова част) Ce и Y към Mg-8Li-2Zn сплав може да подобри здравината и при същите условия ефектът на Y е по-значим от този на Ce. Добавянето на 0.5% (масова част) Y едновременно увеличава удължението на Mg-8Li-2Zn сплав, докато Ce намалява удължението.
1.4 Други
За Mg-4Y-4Sm-0.5Zr сплав якостта на опън и границата на провлачване леко отслабват с повишаване на температурата на екструзия; Напротив, с повишаване на температурата на екструдиране след стареене, якостта на опън и границата на провлачване се увеличават. Когато сплавта отлежава при 200 градуса за 16 часа, екструдираната при 400 градуса сплав има оптимални механични свойства, с якост на опън от 400 MPa, граница на провлачване над 300 MPa и удължение от 7%. След 14 цикъла на компресия чрез екструдиране границата на провлачване, якостта на опън и удължението на сплавта Mg-10Gd-2Y-0.5Zr се увеличиха с 20%, 8,2% и 150%, съответно.
Добавянето на редкоземен елемент Ce към сплав M-3Sn-2Ca може значително да подобри механичните свойства на сплавта, когато съдържанието на Ce достигне 1,5% (масова част) или повече. Когато съдържанието на Ce е 2% (масова част), увеличението на якостта на опън, границата на провлачване и удължението при стайна температура е съответно 24,4%, 28,6% и 73,7%. Увеличението при 150 градуса е съответно 22,4%, 28,8% и 56%.
Редкоземният елемент Y може също да подобри здравината на сплавите. Когато добавеното количество е 1,5% (масова част), механичните свойства на сплавта са оптимални, с якост на опън, граница на провлачване и удължение при стайна температура съответно 150, 137MPa и 3,2%, с увеличения от 18,1%, 22,3 % и 68,4 %. Съответните увеличения при 150 градуса са съответно 19,8%, 24% и 54,9%. В изследването на ChengWeili беше установено също, че Ce може да подобри механичните свойства на Mg-5Sn-4Zn.
HNRE произвежда всички гореспоменати магнезиеви редкоземни сплави, някои от които са доста популярни като основни сплави Mg-Gd, Mg-Nd, Mg-Zr, Mg-Ce, Mg-Y, Mg-Er. Всички компоненти и съотношения могат да бъдат персонализирани според изискванията на клиента.