Obsežne raziskave o dodajanju redkozemeljskih elementov (REE) aluminijevim zlitinam serij 7xxx, 5xxx in 2xxx so pokazale opazne učinke. Zlasti aluminijeve zlitine serije 7xxx, ki vsebujejo več legirnih elementov, med taljenjem in ulivanjem pogosto doživljajo močno segregacijo, kar vodi do nastanka znatnih količin evtektičnih faz. To zmanjša žilavost in odpornost proti koroziji, kar ogroža splošno delovanje zlitine. Vključitev redkozemeljskih elementov v visoko legirane aluminijeve zlitine lahko prečisti zrna, prepreči segregacijo in prečisti matrico, s čimer se izboljša mikrostruktura in splošne lastnosti.
V zadnjem času je pozornost pritegnila vrsta superplastičnega rafinerja zrn. Ti rafinerji izkoriščajo redke zemeljske elemente, kot sta La in Ce, za izboljšanje oslabitve meja zrn in podzrn. To ne le prečisti zrna, temveč tudi spodbuja enakomerno disperzijo oborin, zavira rekristalizacijo in znatno izboljša duktilnost zlitine, kar na koncu poveča produktivnost v procesih ekstrudiranja.
V aluminijevih zlitinah serije 7xxx se redkozemeljski elementi običajno dodajajo na tri načine:
1. Samo redkozemeljski elementi;
2. Kombinacija Zr in redkozemeljskih elementov;
3. Kombinacija Zr, Cr in redkozemeljskih elementov.
Skupna vsebnost redkozemeljskih elementov je običajno nadzorovana v območju 0,1–0,5 mas.%.
Mehanizmi redkih zemeljskih elementov
Redkozemeljski elementi, kot so La, Ce, Sc, Er, Gd in Y, prispevajo k aluminijevim zlitinam prek več mehanizmov:
Prečiščevanje zrn: Redkozemeljski elementi tvorijo enakomerno porazdeljene oborine, ki delujejo kot heterogena mesta nukleacije in pretvarjajo dendritične strukture v enakoosna drobna zrna, kar izboljša trdnost in duktilnost.
Zatiranje segregacije: Med taljenjem in strjevanjem redkozemeljski elementi spodbujajo bolj enakomerno porazdelitev elementov, zmanjšujejo nastanek evtektike in povečujejo gostoto matrice.
Čiščenje matrice: Y, La in Ce lahko reagirajo z nečistočami v talini (O, H, N, S) in tvorijo stabilne spojine, kar zmanjša vsebnost plinov in vključkov, kar izboljša kakovost zlitine.
Sprememba obnašanja rekristalizacije: Nekateri redkozemeljski elementi lahko stisnejo meje zrn in podzrn, kar zavira gibanje dislokacij in migracijo meja zrn. To upočasni rekristalizacijo in ohrani fine podzrnate strukture med toplotno obdelavo, kar izboljša tako trdnost kot odpornost proti koroziji.
Ključni redkozemeljski elementi in njihovi učinki
Skandij (Sc)
Sc ima najmanjši atomski polmer med redkozemeljskimi elementi in je tudi prehodna kovina. Zelo učinkovito izboljšuje lastnosti deformiranih aluminijevih zlitin.
V aluminijevih zlitinah se Sc izloča kot koherenten Al₃Sc, kar zviša temperaturo rekristalizacije in zavira grobost zrn.
V kombinaciji z Zr se tvorijo delci Al₃(Sc,Zr), stabilni pri visokih temperaturah, ki spodbujajo enakoosna fina zrna in ovirajo gibanje dislokacij ter migracijo meja zrn. To izboljša trdnost, odpornost proti utrujanju in odpornost proti napetostni koroziji.
Prekomerna količina Sc lahko povzroči nastanek grobih delcev Al₃(Sc,Zr), kar zmanjša sposobnost rekristalizacije, trdnost in duktilnost.
Erbij (Er)
Er deluje podobno kot Sc, vendar je stroškovno učinkovitejši.
V zlitinah serije 7xxx ustrezni dodatki Er prečistijo zrna, zavirajo gibanje dislokacij in migracijo meja zrn, zavirajo rekristalizacijo in povečajo trdnost.
Ko se doda Zr, nastanejo delci Al₃(Er,Zr), ki so termično stabilnejši kot sam Al₃Er, kar zagotavlja boljše zaviranje rekristalizacije.
Prekomerna količina Er lahko povzroči nastanek faz Al₈Cu₄Er, kar zmanjša tako trdnost kot duktilnost.
Gadolinij (Gd)
Zmerni dodatki Gd prečistijo zrna, povečajo trdnost in duktilnost ter izboljšajo topnost Zn, Mg in Cu v matriksu.
Nastala faza Al₃(Gd,Zr) veže dislokacije in meje podzrn, kar zavira rekristalizacijo. Na površinah zrn se tvori tudi aktivni film, ki dodatno omejuje rast zrn.
Prekomerna količina gadolina lahko povzroči grobost zrn in poslabšanje mehanskih lastnosti.
Lantan (La), cerij (Ce) in itrij (Y)
La prečisti zrna, zmanjša vsebnost kisika in na površini zrn tvori aktivni film, ki zavira rast.
La in Ce spodbujata izločanje GP cone in faze η′, kar izboljša trdnost matrice in odpornost proti koroziji.
Y prečisti matrico, preprečuje raztapljanje glavnih legirnih elementov v trdni raztopini, spodbuja nukleacijo in zmanjšuje potencialne razlike med mejami zrn in notranjostjo, kar povečuje odpornost proti koroziji.
Prekomerna vsebnost La, Ce ali Y lahko povzroči nastanek grobih blokovnih spojin, ki zmanjšajo duktilnost in trdnost.
Lastnosti glavnih redkozemeljskih elementov in njihove značilnosti v aluminiju
Čas objave: 21. avg. 2025
