Έχει διεξαχθεί εκτεταμένη έρευνα σχετικά με την προσθήκη σπάνιων γαιών (ΣΓΓ) σε κράματα αλουμινίου των σειρών 7xxx, 5xxx και 2xxx, η οποία παρουσιάζει αξιοσημείωτα αποτελέσματα. Συγκεκριμένα, τα κράματα αλουμινίου της σειράς 7xxx, τα οποία περιέχουν πολλαπλά στοιχεία κράματος, συχνά υφίστανται σοβαρό διαχωρισμό κατά την τήξη και τη χύτευση, οδηγώντας στον σχηματισμό σημαντικών ποσοτήτων ευτηκτικών φάσεων. Αυτό μειώνει την ανθεκτικότητα και την αντοχή στη διάβρωση, επηρεάζοντας τη συνολική απόδοση του κράματος. Η ενσωμάτωση σπάνιων γαιών σε κράματα αλουμινίου υψηλής περιεκτικότητας σε κράματα μπορεί να βελτιώσει τους κόκκους, να καταστείλει τον διαχωρισμό και να καθαρίσει τη μήτρα, βελτιώνοντας έτσι τη μικροδομή και τις συνολικές ιδιότητες.
Πρόσφατα, ένας τύπος υπερπλαστικού ραφιναρίσματος κόκκων έχει τραβήξει την προσοχή. Αυτοί οι ραφιναριστές εκμεταλλεύονται στοιχεία σπάνιων γαιών όπως το La και το Ce για να ενισχύσουν την αποδυνάμωση των ορίων των κόκκων και των υποκόκκων. Αυτό όχι μόνο βελτιώνει τους κόκκους, αλλά προάγει επίσης την ομοιόμορφη διασπορά των ιζημάτων, καταστέλλει την ανακρυστάλλωση και βελτιώνει σημαντικά την ολκιμότητα του κράματος, αυξάνοντας τελικά την παραγωγικότητα στις διεργασίες εξώθησης.
Στα κράματα αλουμινίου της σειράς 7xxx, τα στοιχεία σπάνιων γαιών προστίθενται γενικά με τρεις τρόπους:
1. Μόνο σπάνιες γαίες.
2. Συνδυασμός Zr και στοιχείων σπανίων γαιών.
3. Συνδυασμός Zr, Cr και στοιχείων σπανίων γαιών.
Η συνολική περιεκτικότητα σε στοιχεία σπάνιων γαιών συνήθως ελέγχεται εντός 0,1-0,5% κατά βάρος.
Μηχανισμοί Σπάνιων Γαιών Στοιχείων
Τα στοιχεία σπάνιων γαιών όπως τα La, Ce, Sc, Er, Gd και Y συμβάλλουν στα κράματα αλουμινίου μέσω πολλαπλών μηχανισμών:
Βελτίωση κόκκων: Τα στοιχεία σπάνιων γαιών σχηματίζουν ομοιόμορφα κατανεμημένα ιζήματα που δρουν ως ετερογενείς θέσεις πυρήνωσης, μετατρέποντας τις δενδριτικές δομές σε ισοαξονικούς λεπτούς κόκκους, γεγονός που βελτιώνει την αντοχή και την ολκιμότητα.
Καταστολή του διαχωρισμού: Κατά την τήξη και τη στερεοποίηση, τα στοιχεία σπάνιων γαιών προάγουν μια πιο ομοιόμορφη κατανομή των στοιχείων, μειώνουν τον ευτηκτικό σχηματισμό και αυξάνουν την πυκνότητα της μήτρας.
Καθαρισμός μήτρας: Τα Y, La και Ce μπορούν να αντιδράσουν με ακαθαρσίες στο τήγμα (O, H, N, S) για να σχηματίσουν σταθερές ενώσεις, μειώνοντας την περιεκτικότητα σε αέριο και τα εγκλείσματα, γεγονός που βελτιώνει την ποιότητα του κράματος.
Τροποποίηση της συμπεριφοράς ανακρυστάλλωσης: Ορισμένα στοιχεία σπάνιων γαιών μπορούν να παγιδεύσουν τα όρια των κόκκων και των υποκόκκων, αναστέλλοντας την κίνηση των εξάρσεων και τη μετανάστευση των ορίων των κόκκων. Αυτό καθυστερεί την ανακρυστάλλωση και διατηρεί τις λεπτές δομές των υποκόκκων κατά τη θερμική επεξεργασία, βελτιώνοντας τόσο την αντοχή όσο και την αντοχή στη διάβρωση.
Βασικά στοιχεία σπάνιων γαιών και οι επιπτώσεις τους
Σκάνδιο (Sc)
Το Sc έχει τη μικρότερη ατομική ακτίνα μεταξύ των σπάνιων γαιών και είναι επίσης ένα μεταβατικό μέταλλο. Είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικό στην ενίσχυση των ιδιοτήτων των παραμορφωμένων κραμάτων αλουμινίου.
Στα κράματα αλουμινίου, το Sc καθιζάνει ως συνεκτικό Al₃Sc, αυξάνοντας τη θερμοκρασία ανακρυστάλλωσης και καταστέλλοντας την χονδροποίηση των κόκκων.
Όταν συνδυάζεται με Zr, σχηματίζονται σωματίδια Al₃(Sc,Zr) σταθερά σε υψηλές θερμοκρασίες, προάγοντας την ισοαξονική δημιουργία λεπτών κόκκων και εμποδίζοντας την κίνηση των εξάρσεων και τη μετανάστευση των ορίων των κόκκων. Αυτό βελτιώνει την αντοχή, την αντοχή στην κόπωση και την απόδοση σε καταπονήσεις-διάβρωση.
Η υπερβολική ποσότητα Sc μπορεί να οδηγήσει σε χονδροειδή σωματίδια Al₃(Sc,Zr), μειώνοντας την ικανότητα ανακρυστάλλωσης, την αντοχή και την ολκιμότητα.
Έρβιο (Er)
Το Er δρα παρόμοια με το Sc αλλά είναι πιο οικονομικό.
Στα κράματα της σειράς 7xxx, οι κατάλληλες προσθήκες Er βελτιώνουν τους κόκκους, αναστέλλουν την κίνηση των εξάρσεων και τη μετανάστευση των ορίων των κόκκων, καταστέλλουν την ανακρυστάλλωση και ενισχύουν την αντοχή.
Όταν προστίθενται ταυτόχρονα με Zr, σχηματίζονται σωματίδια Al₃(Er,Zr), τα οποία είναι θερμικά πιο σταθερά από το Al₃Er μόνο του, παρέχοντας καλύτερη καταστολή της ανακρυστάλλωσης.
Η υπερβολική περιεκτικότητα σε Er μπορεί να παράγει φάσεις Al₈Cu₄Er, μειώνοντας τόσο την αντοχή όσο και την ολκιμότητα.
Γαδολίνιο (Gd)
Οι μέτριες προσθήκες Gd βελτιώνουν τους κόκκους, αυξάνουν την αντοχή και την ολκιμότητα και ενισχύουν τη διαλυτότητα των Zn, Mg και Cu στη μήτρα.
Η προκύπτουσα φάση Al₃(Gd,Zr) καρφιτσώνει τις εξαρθρώσεις και τα όρια των υποκόκκων, καταστέλλοντας την ανακρυστάλλωση. Μια ενεργή μεμβράνη σχηματίζεται επίσης στις επιφάνειες των κόκκων, περιορίζοντας περαιτέρω την ανάπτυξη των κόκκων.
Η υπερβολική περιεκτικότητα σε Gd μπορεί να προκαλέσει χονδροποίηση των κόκκων και να επιδεινώσει τις μηχανικές τους ιδιότητες.
Λανθάνιο (La), Δημήτριο (Ce) και Ύττριο (Y)
Το La βελτιώνει τους κόκκους, μειώνει την περιεκτικότητα σε οξυγόνο και σχηματίζει μια ενεργή μεμβράνη στις επιφάνειες των κόκκων για να αναστέλλει την ανάπτυξη.
Τα La και Ce προάγουν την καθίζηση στη ζώνη GP και στη φάση η', βελτιώνοντας την αντοχή της μήτρας και την αντοχή στη διάβρωση.
Το Υ καθαρίζει τη μήτρα, εμποδίζει τη διάλυση των κύριων στοιχείων κράματος στο στερεό διάλυμα, προάγει τον σχηματισμό πυρήνων και μειώνει τις διαφορές δυναμικού μεταξύ των ορίων των κόκκων και των εσωτερικών χώρων, ενισχύοντας την αντοχή στη διάβρωση.
Η υπερβολική περιεκτικότητα σε La, Ce ή Y μπορεί να οδηγήσει σε χονδροειδείς τεμαχισμένες ενώσεις, οι οποίες μειώνουν την ολκιμότητα και την αντοχή.
Ιδιότητες των κυριότερων σπάνιων γαιών και τα χαρακτηριστικά τους στο αλουμίνιο
Ώρα δημοσίευσης: 21 Αυγούστου 2025
