Omfattende forskning har blitt utført på tilsetning av sjeldne jordartsmetaller (REE) til aluminiumslegeringer i 7xxx-, 5xxx- og 2xxx-serien, noe som har vist bemerkelsesverdige effekter. Spesielt aluminiumslegeringer i 7xxx-serien, som inneholder flere legeringselementer, opplever ofte alvorlig segregering under smelting og støping, noe som fører til dannelse av betydelige mengder eutektiske faser. Dette reduserer seighet og korrosjonsmotstand, noe som går utover legeringens generelle ytelse. Innlemmelsen av sjeldne jordartsmetaller i høylegerte aluminiumslegeringer kan raffinere korn, undertrykke segregering og rense matrisen, og dermed forbedre mikrostrukturen og de generelle egenskapene.
Nylig har en type superplastisk kornraffinør fått oppmerksomhet. Disse raffinørene utnytter sjeldne jordartsmetaller som La og Ce for å forsterke svekkelsen av korn- og underkornsgrenser. Dette raffinerer ikke bare korn, men fremmer også en jevn spredning av utfellinger, undertrykker omkrystallisering og forbedrer legeringens duktilitet betydelig, noe som til slutt øker produktiviteten i ekstruderingsprosesser.
I aluminiumslegeringer i 7xxx-serien tilsettes sjeldne jordartsmetaller vanligvis på tre måter:
1. Kun sjeldne jordartsmetaller;
2. Kombinasjon av Zr og sjeldne jordartsmetaller;
3. Kombinasjon av Zr, Cr og sjeldne jordartsmetaller.
Det totale innholdet av sjeldne jordartsmetaller kontrolleres vanligvis innenfor 0,1–0,5 vekt%.
Mekanismer for sjeldne jordartsmetaller
Sjeldne jordartsmetaller som La, Ce, Sc, Er, Gd og Y bidrar til aluminiumslegeringer gjennom flere mekanismer:
Kornforfining: Sjeldne jordartsmetaller danner jevnt fordelte utfellinger som fungerer som heterogene kimdannelsessteder, og omdanner dendrittiske strukturer til likevektsede fine korn, noe som forbedrer styrke og duktilitet.
Undertrykkelse av segregering: Under smelting og størkning fremmer sjeldne jordartsmetaller en mer jevn elementfordeling, reduserer eutektisk dannelse og øker matrikstettheten.
Matriksrensing: Y, La og Ce kan reagere med urenheter i smelten (O, H, N, S) for å danne stabile forbindelser, noe som reduserer gassinnholdet og inneslutningene, noe som forbedrer legeringskvaliteten.
Modifisering av omkrystalliseringsatferd: Enkelte sjeldne jordartsmetaller kan feste korn- og underkornsgrenser, noe som hemmer dislokasjonsbevegelse og korngrensemigrasjon. Dette forsinker omkrystallisering og bevarer fine underkornstrukturer under termisk prosessering, noe som forbedrer både styrke og korrosjonsmotstand.
Viktige sjeldne jordelementer og deres effekter
Scandium (Sc)
Sc har den minste atomradiusen blant sjeldne jordartsmetaller og er også et overgangsmetall. Det er svært effektivt for å forbedre egenskapene til deformerte aluminiumlegeringer.
I aluminiumslegeringer utfelles Sc som koherent Al₃Sc, noe som øker omkrystalliseringstemperaturen og undertrykker kornforgroving.
Når det kombineres med Zr, dannes det høytemperaturstabile Al₃(Sc,Zr)-partikler, som fremmer likeaksede fine korn og hindrer dislokasjonsbevegelse og korngrensemigrasjon. Dette forbedrer styrke, utmattingsmotstand og spenningskorrosjonsytelse.
For mye Sc kan føre til grove Al₃(Sc,Zr)-partikler, noe som reduserer omkrystalliseringsevnen, styrken og duktiliteten.
Erbium (Er)
Er fungerer på samme måte som Sc, men er mer kostnadseffektivt.
I legeringer i 7xxx-serien forfiner passende Er-tilsetninger korn, hemmer dislokasjonsbevegelse og korngrensemigrasjon, undertrykker omkrystallisering og forbedrer styrken.
Når det tilsettes sammen med Zr, dannes Al₃(Er,Zr)-partikler, som er mer termisk stabile enn Al₃Er alene, noe som gir bedre rekrystalliseringsundertrykkelse.
For mye Er kan produsere Al₈Cu₄Er-faser, noe som reduserer både styrke og duktilitet.
Gadolinium (Gd)
Moderate Gd-tilsetninger raffinerer korn, øker styrke og duktilitet, og forbedrer løseligheten av Zn, Mg og Cu i matrisen.
Den resulterende Al₃(Gd,Zr)-fasen fester dislokasjoner og underkornsgrenser, noe som undertrykker omkrystallisering. En aktiv film dannes også på kornoverflater, noe som ytterligere begrenser kornveksten.
For høy Gd kan føre til at kornene blir grovere og at de mekaniske egenskapene forringes.
Lantan (La), cerium (Ce) og yttrium (Y)
La raffinerer korn, reduserer oksygeninnholdet og danner en aktiv film på kornoverflater for å hemme vekst.
La og Ce fremmer GP-sone- og η′-faseutfelling, noe som forbedrer matriksstyrken og korrosjonsmotstanden.
Y renser matrisen, hindrer oppløsningen av viktige legeringselementer i den faste løsningen, fremmer kimdannelse og reduserer potensielle forskjeller mellom korngrenser og indre lag, noe som forbedrer korrosjonsmotstanden.
For mye La, Ce eller Y kan føre til grove, blokkformede forbindelser, som reduserer duktilitet og styrke.
Egenskaper til viktige sjeldne jordartsmetaller og deres egenskaper i aluminium
Publisert: 21. august 2025
