稀土元素在镁合金中的作用及其应用
稀土元素在镁合金中的作用及其应用()
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张景怀1,2,唐定骧1,张洪杰1,王立民1,王..军1,孟..健1* (1.中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室,吉林长春130022;2.中国科学院研究
生院,北京100039)
摘要:综述了稀土元素在镁合金中的主要作用和效果,从冶金物理化学角度对稀土元素在镁合金中的作用行为进行了初步分析。结合中国科
学院长春应用化学研究所的初步研究成果介绍了含稀土镁合金Mg..Zn..RE,Mg..Al..RE,Mg..RE等系列的性能及其应用,展示了含稀土镁合金的
优良综合性能,特别是高强、高韧、耐热和抗蠕变性能、耐腐蚀性能,稀土镁合金将成为研制高性能镁合金的重要方向。
关键词:镁合金;力学性能;耐热性;稀土
中图分类号:TG146.2;O614.33....文献标识码:A....文章编号: 0258-7076(2008)05-0659-09
....镁合金是工程应用中最轻的金属结构材料,
具有密度低、比强度高、比刚度高、减震性高、易加工、易回收等优点,在航天、军工、电子通讯、交通运输等领域有着巨大的应用市场,特别是在
全球铁、铝、锌等金属资源紧缺大背景下,镁的资源优势、价格优势、产品优势得到充分发挥,镁合金成为一种迅速崛起的工程材料。面临国际镁金
属材料的高速发展,我国作为镁资源生产和出口
大国,对镁合金开展深入研究和应用前期开发工
作意义重大。然而目前普通镁合金强度偏低、耐热耐蚀等性能较差仍然是制约镁合金大规模应用的
瓶颈问题[1~5]。
稀土元素由于具有独特的核外电子结构,作
为一种重要的合金化元素,在冶金、材料领域起着独特的作用,例如净化合金熔体、细化合金组织、提高合金力学性能和耐腐蚀性能等。作为合金化
元素或微合金化元素,稀土已经被广泛应用于钢
铁及有色金属合金中[6]。在镁合金领域,尤其是在耐热镁合金领域,稀土突出的净化、强化性能逐渐被人们认识与把握,稀土被认为是耐热镁合金中
最具使用价值和发展潜力的合金化元素。我国的
镁资源和稀土资源特别丰富,近年来国内科研工
作者利用这两大资源优势,对含稀土镁合金的研
究逐渐系统和深入,同时致力于开发低成本、高性
能的新型稀土镁合金,对镁合金材料及稀土材料
的发展起到极大的推动作用。本文主要综述了稀
土在镁合金中的行为,并结合作者及其研究小
组
在研发稀土镁合金方面的工作介绍
了一系列重要
的含稀土镁合金的性能及其应用。
1..稀土在镁合金中的行为
1.1..稀土在镁合金中的主要作用与效果
1.1.1..熔体净化作用[7,8]....稀土元素在镁合金熔体中具有除氢、除氧、除硫、除铁、除夹杂物的
作用,达到除气精炼、净化熔体的效果。
1.1.
2..熔体保护作用[9]....镁合金在熔炼过程中极易氧化燃烧,目前工业生产镁合金一般采用熔
剂覆盖或气体保护法熔炼,但都存在不少缺点,如
果能够提高镁合金熔体自身的起燃温度则有可能
实现镁合金大气下直接熔炼,这对镁合金的进一
步推广应用意义重大。稀土是镁合金熔体的表面
活性元素,能够在熔体表面形成致密的复合氧化
物膜,有效阻止熔体和大气的接触,大大提高镁合
金熔体起燃温度。
1.1.3..细晶强化作用[10]....稀土元素在固液界面
前沿富集引起成分过冷,过冷区形成新的形核带
而形成细等轴晶,此外稀土的富集使其起到阻碍
....Mg晶粒长大的作用,进一步促进了晶粒的细化。
第32卷..第5期
Vol.32.5 ......................
稀..有..金..属
CHINESE JOURNAL OF RARE METALS ....................2008年10月
Oct.2008
..收稿日期:2007-12-06;修订日期:2008-03-19
基金项目:国家863项目(2006AA03Z520)和中国科学院重大项目资助
作者简介:张景怀(1981-),男,河北人,博士研究生;研究方向:高性能稀土镁合金
*通讯联系人(E..mail:jmeng@https://www.wendangku.net/doc/6110483568.html,)
根据Hall..Petch公式,合金的强度随晶粒尺寸的细化而增加,并且相对体心立方和面心立方晶体而言,晶粒尺寸对密排六方金属强度影响更大,因此镁合金晶粒细化产生的强化效果极为显著。
1.1.4..固溶强化作用....大部分稀土元素在镁中具有较高的固溶度,稀土原子溶入镁基体中,增强原子间的结合力,使基体产生晶格畸变;稀土元素固溶强化的作用主要是减慢原子扩散速率,阻碍
位错运动,从而强化基体,提高合金的强度和高温蠕变性能。
1.1.5..弥散强化作用....稀土与镁或其他合金化元素在合金凝固过程中形成稳定的金属间化合物,
这些含稀土的金属间化合物一般具有高熔点、高
热稳定性等特点,它们呈细小化合物粒子弥散分
布于晶界和晶内,在高温下可以钉扎晶界,抑制晶界滑移,同时阻碍位错运动,强化合金基体。
1.1.6..时效沉淀强化作用....稀土元素在镁中所具有的较高固溶度随温度降低而降低,当处于高
温下的单相固溶体快速冷却时,形成不稳定的过
饱和固溶体,经过长时间的时效,则形成细小
而弥
散的析出沉淀相。析出相与位错之间交互作用,提
高合金的强度。
1.2..
稀土对镁合金性能的提高
1.2.1..提高镁合金力学性能....如前所述,稀土
的添加通过细晶强化、固溶强化、弥散强化及时效
沉淀强化(其中的一种或几种强化机制)提高镁合
金的力学性能,特别是高温力学性能,使得稀土镁
合金成为高温抗蠕变、高温高强镁合金的重要研
发方向。
1.2.2..提高镁合金耐蚀性能....稀土元素能够与镁合金中有害杂质(如铁、镍等)结合,降低它们的
强阴极性作用,并且能够优化合金组织结构,抑制
阴极过程[11],从而提高合金基体的耐蚀性能。此外,稀土的加入使合金表面生成更加致密的腐蚀
产物膜,抑制合金的进一步腐蚀,因此稀土能够有
效地提高镁合金耐腐蚀性能。
1.2.3..提高镁合金摩擦磨损性能[12]....稀土元素与氧、硫等杂质元素有较强的结合力,抑制了这些
杂质元素引起组织疏松的作用;在熔炼过程中,稀
土元素能与水气和镁液中的氢反应,生成稀土氢
化物和稀土氧化物以除去氢气,减少气孔、针孔及
缩松等铸造缺陷,提高了铸件质量,减少了在摩擦
过程中裂纹源的产生;稀土元素还可以净化晶界,
增加晶界强度,使裂纹不易在晶界处产生;在材料
摩擦过程中,磨损表面不可避免会发生温度升高,
在大气环境中,几乎无法避免氧化作用的影响,摩
擦表面的氧化物层对摩擦磨损起着非常重要的作
用。稀土元素在氧化物膜与基体界面发生了偏聚,
提高了氧化物膜的粘着力,细化了膜的组织,有助
于提高膜的耐磨性和抗剥离能力,这样形成的氧
化物膜比较稳定,故增强了稀土镁合金的承载能
力。
1.2.4..提高镁合金疲劳性能[13]....一方面稀土的加入抑制了氧、硫等杂质元素引起的组织疏松作
用,减少了气孔及缩松等铸造缺陷,提高了铸件质
量,从而减少在疲劳过程中裂纹源的产生。另一方
面,稀土添加引起的晶粒细化、第二相强化及固溶
强化增强了镁合金的抗疲劳性能。
1.3..稀土元素在镁合金中的冶金物理化学基础
对于稀土在镁合金中产生的主要作用和效果,
从物理冶金和化学冶金基础方面进行初步分析。(1)稀土(RE)和Mg的晶体结构一致性。大部
分RE在使用温度下的晶体结构与Mg相似,为密
排六方(hcp),因此具有较高的固溶度。某些Mg..
RE亚稳相为六方相(超点阵结构,D019),易于和
镁基体形成共格..半共格关系,这是含稀土镁合金
通常具有很好的高温蠕变抗力的原因之一。
(2)稀土原子与镁原子的半径之差相似,但又
互不相同,因此
在镁中的固溶度各异。如图1所示,镧系元素的原子半径随原子序数的增加而减
小,这种现象被称为!镧系收缩.。但在Eu
和Yb处
呈现两个峰值,称为!双峰效应.。大部分稀土元素
与镁的原子半径之差在15%以内,所以大部分稀
土元素在镁中具有较高的固溶度(有些高达10%~ 20%,而稀土在钢和铝中的溶解度仅有千分之
几)。稀土元素在镁中的最大固溶度随原子序数的
增加而增长,恰恰在铕和镱处形成两个低谷,我们
称之为!双谷现象.,这种现象与铕和镱原子半径
(分别为2.04#10-10m和1.93#10-10m)远大于
Mg的原子半径(1.62#10-10m)直接关联。
(3)电负性之差越大,越易形成固溶体,反之
形成化合物。Mg的电负性为1.31,稀土的电负性
..6..60..............................稀..有..金..属................................32卷
示于图2。由图2可以看出,稀土元素与镁的电负
性相差越小,稀土元素在镁中的固溶度越大。相
反,原子间电负性相差越大,越易生成金属间化合
物,生成的化合物越稳定。例如,在Mg..Al..RE系
合金中,Mg电负性为1.31,Al电负性为1.61,稀
土元素的电负性在0.97~1.27之间,..Al..RE>
..Mg..RE(..表示电负性差值),因此合金中通常生
成的是Al..RE相。
(4)三价的稀土元素增强合金基体中Mg2+间
的结合力。稀土金属多以三价形式溶于二价镁基
体中,提高了合金基体的电子云密度,增强镁合金
中原子间的结合力,另外稀土原子质量和半径都
比镁原子大,从而能够减慢原子的扩散速率,有助
于提高合金的力学性能,尤其是抗高温蠕变性能。
图1..稀土金属在镁中最大固溶度与稀土原子半径的关系
Fig.1..RE metallic radius(1)and RE solid solubility in Mg(2) versus the RE atomic number
图2..稀土金属电负性与稀土金属在镁中最大固溶度的关系
Fig.2..RE metallic electronegativity(1)and RE solid solubility in Mg(2)versus the RE atomic number
....(5)稀土元素是镁合金的表面活性元素。合金
熔炼时稀土元素在合金液表面聚集,形成MgO,
RE2O3,(Al2O3)等多元复合致密氧化物层,减轻氧化现象,提高合金的起燃温度,有利于合金的熔
铸;合金液凝固过程中,稀土元素在固液前沿富
集,提高成分过冷度,有助于细化合金组织(包括
基体和第二相);适量的稀土可以降低合金液的表
面张力,有助于提高合金的铸造性能。
(6)稀土元素与镁合金中各元素的化学反应。
稀土元素化学活性高,几乎能和所有元素起化学
反应,因此与杂质反应,可以生成熔点高、密度大
的化合物,从而被除去,比如镁合金中
常见的氢、
氧化物夹杂、硫和铁等。
稀土元素除氢的反应过程如下:
H2O(g)+Mg(l)=MgO(s)+2[H]
RE=[RE]
2[RE]+3MgO=RE2O3+3Mg(l)
[RE]+2[H]=REH2
稀土元素除氧
化物夹杂的反应过程如下:
MgO(s)=Mg(l)+1..2O2(g)
RE=[RE]
2[RE]+3..2O2=RE2O3
3MgO+2[RE]=RE2O3+3Mg(l)(以上三式加合)稀土元素除硫反应过程如下:
2[RE]+S2(g)=2RES
4[RE]+3S2(g)=2RE2S3
稀土元素除铁反应过程如下:
[RE]+2[Fe]=REFe2
[RE]+3[Fe]=REFe3
[RE]+[Fe]+[Mg]+[Al]+[Mn].Mg..RE..Fe..Al.. Mn[7]
另一方面,稀土元素与镁或合金化元素生成
熔点高热稳定性好的第二相化合物,这些化合物
在高温下不易长大变形或分解,因而能提高合金
的强度和耐热性能(表1)。
(7)具有良好的时效硬化效果。从图3可以看
出,稀土元素,尤其是重稀土元素(镱除外),在镁
中固溶度随着温度的下降而降低,具备固溶..人工
时效强化的基本条件。
(8)各稀土元素在镁中的作用具有多样性。
5期............................张景怀等..稀土元素在镁合金中的作用及其应用............................66..1
净化合金液方面:轻稀土元素化学活性比重
稀土元素高,因此轻稀土元素的除杂能力一般比
重稀土元素要好。
细化作用:铈最常用,但钇的细化作用也很明
显,对于不同种类的镁合金,各稀土元素的细化效
果不一样。
强化效果:由前面的分析可知,重稀土元素固
溶强化和时效沉淀强化效果一般比轻稀土元素好。
但轻稀土元素更易于富集晶界,形成高熔点金属
间化合物,因此轻稀土元素的晶界强化效果一般
比重稀土元素要好。轻稀土元素和重稀土元素组
合有望发挥出稀土元素的最佳效果。
各稀土元素储量、市场和价格:各稀土元素储
量、市场和价格差异悬殊,因此在选择稀土元素作
为镁合金的合金成分时,应尽量考虑储量大、价格
低、目前缺乏应用市场的稀土元素,比如轻稀土中
表1..镁合金中常见含稀土的析出相及其熔点
Table1..Intermetallics in magnesium alloys and their melting point(M.P.)
Alloys Phases M.P...K Alloys Phases M.P...K
Mg..Al Mg17Al12728Mg..Yb Mg2Yb991
https://www.wendangku.net/doc/6110483568.html, Mg12La913Mg..Y Mg24Y5878
Mg..Ce https://www.wendangku.net/doc/6110483568.html, Al11La31513
Mg..Nd Mg41Nd5833Mg..Al..Ce Al11Ce31508
Mg..Gd Mg5Gd915Mg..Al..Ce Al2Ce1753
Mg..Dy Mg24Dy5883Mg..Al..Nd Al11Nd31508
Mg..Ho Mg24Ho5883Mg..Al..Nd Al2Nd1733
Mg..Er Mg24Er5893Mg..Al..Y Al2Y1758
图3..不同温度下稀土金属在镁中的固溶度
Fig.3..Solid solubility of rare earth metals in magnesium at differ..
ent temperatures
将价值高、市场好的钕,镨分离出去剩
余的铈..镧
混合稀土、除掉贵重稀土(铽,镝,镥等)后剩余的
富Y混合稀土[14],旨在开发出加入稀土元素后合
金成本增加不高于10%、为市场可以接受的新型
镁合金,解决国内外认为稀土元素加入镁合金
后
太贵、用不起的难题。
2..稀土镁合金的研发
国外稀土镁合金的研制可追溯到20世纪20
年代,在初期的镁合金研究中,由于价格昂贵,稀
土镁合金主要应用于军事和航空航天领域,随着
其他金属资源的日益枯竭,稀土和镁生产成本的
降低,尤其是对提高镁合金高温性能的迫切需要,
稀土镁合金的研究已经成为世界研究热点,含稀
土镁合金正在被积极的推广应用到汽车、电子、通
讯等商用领域。目前国外对稀土镁合金研究较多
的是美国、欧洲、日本及俄罗斯,已经开发出AE, WE,EZ,EK,QE等诸多含稀土的镁合金。我国在
20世纪50年代末对稀土元素在镁合金中的应用展开了研究,几十年来研究出不少有应用价值的含
稀土镁合金,在铸造镁合金中开发了ZM2,ZM3,
ZM4,ZM6以及ZM8等系列产品,在变形镁合金中开发了MB8,MB22,MB25以及在MB25基础上用富钇混合稀土代替高品位钇的MB26[7]。
中国科学院长春应用化学研究所近年来对镁..
稀土中间合金、系列稀土镁合金进行了深入研究。
目前,已开发出下沉阴极[15]、液固组合阴极[16]以及共电沉积[17](在氯化物熔体和氧化物..氟化物熔体)电解工艺,制备出几乎所有单一稀土金属与镁
组成的中间合金;采用提取贵重稀土元素后剩余
的混合稀土为原料制备出富铈、富钇和铈镧与镁
组成的新型低成本镁..稀土中间合金。利用研制出
的镁..稀土中间合金,开发出一系列适合不同使用
温度的挤压变形、高压铸造、重力铸造的应用镁合
金。
2.1..Mg..6Zn..1Ymm(MB26)室温高强变形镁合金
以富钇(Ymm,钇含量大于75%)代替纯钇研
制的MB26,不仅价格明显便宜,而且材料性能也
优于含纯钇的镁合金,这与富钇稀土中含有的多
种稀土元素(如Ho,Er等)的交互作用有关,尤其
Er对改善合金延展性作用很大。该合金抗拉强度
..6..62..............................稀..有..金..属................................32卷
可达350~370MPa,延伸率在14%~18%,高强高
韧使合金在很多领域受到青睐,已经成功应用于
卫星和飞机的某些部件,另外该合金正准备大量
用于自行车零部件。
2.2..Mg..9Al..1Zn..RE(AZ91..RE)压铸镁合金
如图4所示,添加富钇稀土(Ymm)使AZ91的
初生Mg相和Mg17Al12相都得到明显细化,组织的
细化以及稀土元素的固溶强化能够提高合金强度
和耐热
性能。从表2可以看出加入不同稀土元素以后合金室温和150%的抗拉强度,屈服强度,伸长
率均有提高。由图5可以看出,加入富钇稀土
(0..5%(质量分数)以上)以后合金在150%..50MPa
条件下最小蠕变速率降低了20多倍。从目前的研
究结果看,RE
的加入可以提升AZ91的断裂强度、
塑性和高温蠕变性能,其使用温度可以提高到150
%。稀土元素改良后的AZ91合金已经成功应用于
压铸锡柴发动机汽缸罩盖,红旗轿车发动机罩盖,
电动自行车轮毂等,目前,压铸AZ91合金是应用
最为广泛的镁合金,加入稀土元素提高它的综合
性能,可以扩大其应用范围。
2.3..Mg..Al..RE系列耐热压铸镁合金[18]
Mg..Al系耐热镁合金是适合汽车动力系统使用
最具性能和成本优势的镁合金。通过向Mg..Al系合
金中添加稀土或碱土金属元素,可以大大提高镁
合金高温强度和抗蠕变性能。图6为Mg..4Al..4La..
0.4Mn,Mg..4Al..4Ce..0.4Mn,https://www.wendangku.net/doc/6110483568.html,..0.4Mn (https://www.wendangku.net/doc/6110483568.html,代表铈镧混合稀土)和Mg..4Al..4RE..0.4Mn
表2..压铸Mg..9Al..1Zn..RE镁合金室温和高温力学性能
Table2..Tensile properties of Mg..9Al..1Zn..RE die..cast alloys at room temperature(RT)and high temperature
Alloys
!b..MPa!0.2..MPa...%
RT423K RT423K RT423K
AZ91220150145105313
AZ91..0.3Ymm267155156120925
AZ91..0.5Ymm2681551611251027
AZ91..0.8Ymm2711531601321130
图4..压铸AZ91合金和AZ91..0.8Ymm合金的显微组织
Fig.4..Microstructures of AZ91and AZ91..0.8Ymm die..cast alloys:optical micrographs of(a)AZ91and(b)AZ91..0.8Ymm, and SEM im..
ages of(c)AZ91and(d)AZ91..0.8Ymm
图5..Ymm对压铸AZ91合金蠕变性能的影响
Fig.5..Creep properties of AZ91-xYmm die..cast alloys:(a)creep curves at150%..50MPa;(b)second creep rates
5期............................张景怀等..稀土元素在镁合金中的作用及其应用............................66..3
17种稀土元素名称及用途
17种稀土元素名称及用途 镧(La) "镧"这个元素是1839年被命名的，当时有个叫"莫桑德"的瑞典人发现铈土中含有其它元素，他借用希腊语中"隐藏"一词把这种元素取名为"镧"。镧的应用非常广泛，如应用于压电材料、电热材料、热电材料、磁阻材料、发光材料（兰粉）、贮氢材料、光学玻璃、激光材料、各种合金材料等。她也应用到制备许多有机化工产品的催化剂中，光转换农用薄膜也用到镧，在国外，科学家把镧对作物的作用赋与"超级钙"的美称。 铈（Ce）"铈"这个元素是由德国人克劳普罗斯，瑞典人乌斯伯齐力、希生格尔于1803年发现并命名的，以纪念1801年发现的小行星--谷神星。 铈的广泛应用: （1）铈作为玻璃添加剂，能吸收紫外线与红外线，现已被大量应用于汽车玻璃。不仅能防紫外线，还可降低车内温度，从而节约空调用电。从1997年起，日本汽车玻璃全加入氧化铈，1996年用于汽车玻璃的氧化铈至少有2000吨，美国约1000多吨. （2）目前正将铈应用到汽车尾气净化催化剂中，可有效防止大量汽车废气排到空气中。美国在这方面的消费量占稀土总消费量的三分之一强。 （3）硫化铈可以取代铅、镉等对环境和人类有害的金属应用到颜料中，可对塑料着色，也可用于涂料、油墨和纸张等行业。目前领先的是法国罗纳普朗克公司。 （4）Ce:LiSAF激光系统是美国研制出来的固体激光器，通过监测色氨酸浓度可用于探查生物武器，还可用于医学。铈应用领域非常广泛，几乎所有的稀土应用领域中都含有铈。如抛光粉、储氢材料、热电材料、铈钨电极、陶瓷电容器、压电陶瓷、铈碳化硅磨料、燃料电池原料、汽油催化剂、某些永磁材料、各种合金钢及有色金属等。 镨(Pr) 大约160年前，瑞典人莫桑德从镧中发现了一种新的元素，但它不是单一元素，莫桑德发现这种元素的性质与镧非常相似，便将其定名为"镨钕"。"镨钕"希腊语为"双生子"之意。大约又过了40多年，也就是发明汽灯纱罩的1885年，奥地利人韦尔斯巴赫成功地从"镨钕"中分离出了两个元素，一个取名为"钕"，另一个则命名为"镨"。这种"双生子"被分隔开了，镨元素也有了自己施展才华的广阔天地。镨是用量较大的稀土元素，其用于玻璃、陶瓷和磁性材料中。 镨的广泛应用: （1）镨被广泛应用于建筑陶瓷和日用陶瓷中，其与陶瓷釉混合制成色釉，也可单独作釉下颜料，制成的颜料呈淡黄色，色调纯正、淡雅。
稀土的性质及用途
立志当早，存高远 稀土的性质及用途 稀土元素系典型的金属元素，其金属活泼性仅次于碱金属和碱土金属。稀土元素的电子层结构和核结构决定了稀土元素及其化合物的性质，而稀土的许多独特性质，又决定着它们的应用。有关稀土的结构与性质的关系示于下表。经历了60 多年的开发，因提取工艺复杂，产品价格昂贵，发展速度缓慢，消费量也不大。20 世纪50 年代以后，稀土分离技术得到了迅速的发展，近代的离子交换法、溶剂萃取法取代了经典的分级结晶、分步沉淀法，并在工业生产中获得各种较纯的单一稀土产品，从而为稀土的应用奠定了基础。近十年，稀土广泛用于冶金、石油化工、玻璃陶瓷、新材料领域。 在冶金工业方面：稀土金属或氧化物、硅化物加入钢中，能起到精练、脱硫、中和低熔点有害质的作用，并可以改善钢的加工性能；稀土铁合金、稀土硅镁合金作为球化剂生产稀土球墨铸铁，由于这种球墨铸铁特别适用于生产有特殊要求的复杂球铁件，被广泛用于汽车、拖拉机，柴油机等机械制造业；稀土金属添加至镁、铝、铜、锌、镍等有色合金中，可以改善合金的物理化学性能，并提高合金室温及高温机械性能。 在石油化工方面：用稀土制成的分子筛催化剂，具有活性高、选择性好，抗重金属中毒能力强的优点，因而取代了硅酸铝催化剂用于石油催化裂化过程；在合成氨生产过程中，用少量的硝酸稀土为助催化剂，其处理气特比镍铝催化剂大1.5 倍；在合成顺丁橡胶和异戊橡胶过程中，采用环烷酸稀土－三异丁基铝型催化剂，所获得的产品性能优良，具有设备挂胶少，运转稳定，后处理工序短等优点；复合稀土氧化物还可以用作内燃机尾气净化催化剂，环烷酸铈还可用作油漆催干剂等。 在玻璃陶瓷方面：稀土氧化物或经过加工处理的稀土精矿，可作为抛光粉广
稀土镁合金的研究现状及应用
稀土镁合金的研究现状及应用 杨素媛,张丽娟,张堡垒 (北京理工大学材料科学与工程学院,北京 100081) 摘 要:镁合金具有质轻、高比强度、高比刚度等优异性能。但其强度不高,高温性能较差,为了改善其性能,在熔炼过程中加入稀土制成具有高强、耐热、耐蚀等性能的稀土镁合金,大大增加了材料的抗拉强度、延展性及抗蠕变性能,从而使镁合金在航空航天、汽车工业及电子通讯行业得到了广泛应用。总结了稀土对镁合金的净化和阻燃作用,分析了稀土元素对合金组织和性能的影响,综述了稀土耐热镁合金、稀土高强镁合金、稀土阻燃镁合金的研究现状,并简述了稀土镁合金的应用及发展前景。 关键词:稀土镁合金;组织;力学性能;应用 中图分类号:TG146 2 文献标识码:A 文章编号:1004 0277(2008)04 0081 06 镁及镁合金是目前最轻的结构金属材料,具有高的比强度和比刚度,很好的抗磁性,高的电负性和导热性,良好的消震性和切削加工性能。但是镁合金的强度不高,特别是高温性能较差,大大限制了其应用。所以提高镁合金的室温强度和高温强度是镁合金研究中要解决的首要问题[1,2]。 大部分稀土元素与镁的原子尺寸半径相差在 15%范围内,在镁中有较大固溶度,具有良好的固溶强化、沉淀强化作用;可以有效地改善合金组织和微观结构、提高合金室温及高温力学性能、增强合金耐蚀性和耐热性等;稀土元素原子扩散能力差,对提高镁合金再结晶温度和减缓再结晶过程有显著作用;稀土元素还有很好的时效强化作用,可以析出非常稳定的弥散相粒子,从而能大幅度提高镁合金的高温强度和蠕变抗力。因此在镁合金领域开发出一系列含稀土的镁合金,使它们具有高强、耐热、耐蚀等性能,将有效地拓展镁合金的应用领域。 1 稀土在镁合金中的作用 1 1 稀土对镁合金熔体的净化作用 稀土对镁合金熔体有很好的净化作用,具有除氢净化及除氧化夹杂物的作用。 在熔炼过程中,由于镁的化学性质非常活泼,易与水气发生反应使镁合金具有较强的析氢倾向。在镁合金液有较大的溶解度的氢,会导致铸件产生气孔、针孔及缩松等铸造缺陷。在镁合金熔炼过程中加入稀土,稀土元素与水气和镁液中的氢反应,生成高熔点的稀土氢化物和稀土氧化物,比重较轻的稀土氢化物和稀土氧化物上浮成固体渣,从而达到除氢的目的[3]。 镁与氧结合形成稳定的MgO,是镁合金中形成氧化夹杂物的主要原因。夹杂物使合金的力学性能和耐蚀性能降低,且易使合金产生疲劳裂纹等[4]。由于稀土元素与氧的亲和力更大,因此在镁溶液中加入稀土元素,稀土将优先与氧结合而生成稀土氧化物,从而达到去除氧化物夹杂的作用。 1 2 稀土的阻燃作用 由于镁与氧极易发生反应,因此镁合金在熔炼和浇注过程中易氧化燃烧。镁与氧反应生成的表面MgO膜,致密度系数 Mg<1,疏松多孔,不能有效阻止氧穿透该氧化膜;且MgO的导热系数小,不利于热量的扩散,会加剧镁的氧化和燃烧。稀土元素加入镁合金后,与氧发生反应或与MgO中氧发生置换反应生成稀土氧化物RE2O3,该稀土氧化物的致密度系数 >1,能够有效阻止氧穿透氧化膜与镁发生反应。 第29卷第4期2008年8月 稀 土 Chinese Rare Earths Vol 29,No 4 August2008 收稿日期:2008 02 22 作者简介:杨素媛(1966 ),女,内蒙古锡林浩特人,硕士,教授,研究方向:金属材料。
稀土材料的应用简介
稀土矿的应用简介 一、稀土矿的简介 1、稀土的发现史 从1794年发现元素钇，到1945年在铀的裂变物质中获得钷，前后经过151年的时间，人们才将元素周期表中第三副族的钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥17个性质相近的元素全部找到，把它们列为一个家族，取名稀土元素。我国稀土品种全，17种元素除钷尚未发现天然矿物，其余16种稀土元素均已发现矿物、矿石。2、资源储量分布 我国稀土矿产主要集中在内蒙古白云鄂博铁-铌、稀土矿区，其稀土储量占全国稀土总储量的90%以上，是我国轻稀土主要生产基地。即轻稀土主要分布在北方地区，重稀土则主要分布在南方地区，尤其是在南岭地区分布可观的离子吸附型中稀土、重稀土矿，易采、易提取，已成为我国重要的中、重稀土生产基地。此外，在南方地区还有风化壳型和海滨沉积型砂矿，有的富含磷钇矿(重稀土矿物原料)；在赣南一些脉钨矿床(如西华山、荡坪等)伴生磷钇矿、硅铍钇矿、钇萤石、氟碳钙钇矿、褐钇铌矿等重稀土矿物，在钨矿选冶过程中可综合回收，综合利用。 二、稀土的用途 稀土（RE）常被冠以“工业味精”的美誉。稀土元素因其具有独特的电子结构而表现出特殊的光、电、磁学等物理化学性质。无论是稀土金属还是其化合物都有良好的应用价值。1、传统领域中的稀土材料 （1）稀土在农轻工中的应用 稀土元素作为微量元素用于农业有2个优点：一是作为植物的生长、生理调节剂；二是稀土属低毒、非致癌物质，合理使用对人畜无害、环境无污染。如添加稀土元素的硝酸盐化合物作为微量元素化肥施用于农作物可起到生物化学酶或辅助酶的生物功效，具有增产效果。 纺织业中:铈组元素（Eu以前的镧系元素）的氯化物或醋酸盐可提高纺织品的耐水性，并使织物具有防腐、防蛀、防酸等性能。某些稀土化合物还可以作为皮革的着色剂或媒染剂，La、Ce、Nd的一些化合物可用作油漆的干燥剂，增强油漆的耐腐蚀性。 (2)稀土在冶炼工业中的应用 稀土元素对O、S和某些非金属具有强亲和力，利用这一特点，将稀土用于炼钢中能净化钢液，能起到脱S和脱O的作用，其原理是加入钢中的稀土能结合钢中可能生成的MnS、Al2O3和硅铝酸夹杂物中的O和S形成化合物。 钢的脱硫:在钢中添加混合稀土金属的目的之一是控制硫夹杂物的含量和形状。炼钢通常要添加锰，锰与硫结合形成硫化物夹杂物，这种夹杂物在轧钢时会变形。而添加混合稀土金属则能产生稀土的硫化物、硫氧化物，它们在轧钢时形状保持不变，使钢的性能得到改善。 稀土球墨铸铁:混合稀土金属以稀土硅铁合金或硅镁钛合金的形式加入铁不中促进石墨的球化，从而提高铸铁的可锻强度。产品称球墨铸铁。 打火石:混合稀土金属制造打火石，这是75%的混合稀土金属和25%的铁制成的一种合金。 有色金属合金中：稀土金属有色金属合金中也获得广泛应用。例如有一种稀土镁合金（含有Mg、Zn、Zr、La、Ce）可用于制造喷气式发动机的传动装置，直升飞机的变速箱，飞机的着陆轮和座舱罩。在镁合金中添加稀土金属优点是可提高其高温抗蠕变性，改善铸造性能和室温可焊性。有一种铝锆钇合金用作电线，其特点是输出功率高、耐热、耐振动和耐腐蚀。（3）稀土在炼油业中的应用 目前，世界上90%的炼油裂化装置都使用含稀土的催化剂，其中稀土分子筛型石油裂化
稀土的分类及其用途
稀土的分类及其用途 2009年09月28日 09点34分06秒 【概述】 稀土就是化学元素周期表中镧系元素——镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素——钪(Sc)和钇(Y)共17种元素，称为稀土元素(RareEarth)。简称稀土(RE或R)。 韩国并不是主要的稀土使用国，目前我国出口的稀土数量达到每年5万吨(合法出口)，主要的应用大国为日本，欧洲和北美。与此同时稀土在我国的应用也在积极开展，目前占到7万吨。我国每年稀土实际的矿产的实际投入量大约为15万吨，这个数字近年来没有明显变化。尽管如此，稀土的数量仍然不能满足目前全球在汽车，电子等行业用量的要求。特别是稀土在抛光，催化，磁性材料方面的增长也是非常突出。然而稀土的应用也存在着参差不齐的问题，一些元素，例如：Sm，Gd，Ho，Er等就没有得到充分的应用而大量荒弃，非常可惜。 【稀土的分类】 1)轻稀土(又称铈组)：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆。 2)重稀土(又称钇组)：铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。 铈组与钇组之别，是因为矿物经分离得到的稀土混合物中，常以铈或钇比例多的而得名。 稀土金属(rareearthmetals)又称稀土元素，是元素周期表ⅢB族中钪、钇、镧系17种元素的总称，常用R或RE 表示。它们的名称和化学符号是钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)。它们的原子序数是21(Sc)、39(Y)、57(La)到71(Lu)。 【17种稀土元素名称的由来及用途】 稀土一词是历史遗留下来的名称。稀土元素是从18世纪末叶开始陆续发现，当时人们常把不溶于水的固体氧化物称为土。稀土一般是以氧化物状态分离出来的，又很稀少，因而得名为稀土。通常把镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕称为轻稀土或铈组稀土；把钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥钇称为重稀土或钇组稀土。也有的根据稀土元素物理化学性质的相似性和差异性，除钪之外(有的将钪划归稀散元素)，划分成三组，即轻稀土组为镧、铈、镨、钕、钷；中稀土组为钐、铕、钆、铽、镝；重稀土组为钬、铒、铥、镱、镥、钇。 这些稀土元素的发现，从1794年芬兰人加多林(J.Gadolin)分离出钇到1947年美国人马林斯基(J.A.Marinsky)等制得钷，历时150多年。其中大部分稀土元素是欧洲的一些矿物学家、化学家、冶金学家等发现制取的。钷是美国人马林斯基、格兰德宁(L.E.Glendenin)和科列尔(C.D.Coryell)用离子交换分离，在铀裂变产物的稀土元素中获得的。过去认为自然界中不存在钷，直到1965年，芬兰一家磷酸盐工厂在处理磷灰石时发现了痕量的钷。 镧(La)"镧"这个元素是1839年被命名的，当时有个叫"莫桑德"的瑞典人发现铈土中含有其它元素，他借用希腊语中"隐藏"一词把这种元素取名为"镧"。
稀土镁合金的研究现状
稀土镁合金的研究现状 摘要：镁合金是目前最轻的结构金属材料，稀土的加入对改善其组织和提高耐腐蚀性，特别是高温性能具有重要作用。本文介绍了稀土镁合金的研究现状以及压铸和快速成型稀土镁合金。 关键词：稀土镁合金；压铸；快速成型 Abstract :Magnesium alloys are the most light structure metal materials ,the rare earth to improve their organization and improve corrosion resistance, especially high temperature performance has an important role,Study situation of Rare-earth Magnesium Alloys were introduced in the paper and pressure casting and rapid prototyping the rare earth magnesium alloys were introduced. Key words: Rare-earth Magnesium Alloys; Pressure Casting; Rapid Prototyping 镁合金是最轻的工程结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高、导热导电性好、
阻尼减震性能高、电磁屏蔽性好、良好的铸造性能、易于加工成型、废料容易回收等一系列优点，因此，目前被广泛应用于汽车、电子、航空航天等诸多领域，具有极为广阔的应用前景。稀土元素由于具有独特的核外电子排布，表现出独特的性质，对0、S和其他非金属元素有较强的亲和力，在冶金过程中可以净化合金熔体、改善合金组织、提高合金室温力学性能、增强合金耐腐蚀性能等。近年来，根据对材料的性能要求而研制开发了一系列含稀土的高强、耐热、抗蠕变、阻燃等镁合金，稀土作为主要的合金元素或微合金化元素在镁合金研究领域发挥愈来愈重要的作用[1]。 1稀土在镁中的性质 1.1 稀土镁合金与氢和氧的相互作用 由于镁与氧极易发生反应，因此镁合金在熔炼和浇注过程中易氧化燃烧。镁与氧反应生成的表面MgO膜，致密度系数αMg<1，疏松多孔，不能有效阻止氧穿透该氧化膜；且MgO的导热系数小，不利于热量的扩散，会加剧镁的氧化和燃烧。稀土元素加入镁合金后，与氧发生反应或与MgO中氧发生置换反应生成稀土氧化物RE203，该稀土氧化物的致密度系数a>1，能够有效阻止氧穿透氧化膜与镁发生反应。 在镁合金中，已知Mg-Be，Mg-Ca，Mg-Ce-La合金系的氧化速度都比纯镁小，稀土对改善镁合金熔体的氧化性质有益。 氢在镁中有较大的溶解度，比其在铝中高1～2个数量级，在液态镁中，随温度升高，压力增大，氢的溶解度也增大。氢的主要来源是潮湿的气氛，在熔炼过程中与空气中的水反应： Mg(l)+H2O(g) →MgO(s)+2[H] 氢和镁不形成化合物，在镁中呈间隙式固溶体存在，含氢量过高会使镁合金出现显微气孔。稀土对除去镁合金中的氢有明显作用。在加入稀土后，稀土与氢反应生成REH2相； [RE]+2[H] →REH2 同时，稀土与MgO发生反应： 2 [RE]+3MgO →RE2O3+ 3Mg 此反应有较强的驱动力，因此可生成稀土氢化物和氧化物而达到合金溶液除氢的效果。特别对于含锆的镁合金，由于[H]与Zr生成稳定的化合物ZrH2，使锆在镁合金中溶
稀土永磁材料概述
稀土永磁材料概述 从广义上讲，所有能被磁场磁化、在实际应用中主要利用材料所具有的磁特性的一类材料成为磁性材料。它包括硬磁材料、软磁材料、半硬磁材料、磁致伸缩材料、磁光材料、磁泡材料和磁制冷材料等，其中用量最大的是硬磁材料和软磁材料。硬磁材料和软磁材料的主要区别是硬磁材料的各向异性场高、矫顽力高、磁滞回线面积大、技术磁化到饱和需要的磁场大。由于软磁材料的矫顽力低，技术磁化到饱和并去掉外磁场后，它很容易退磁，而硬磁材料由于矫顽力较高，经技术磁化到饱和并去掉磁场后，它仍然长期保持很强的磁性，因此硬磁材料又称为永磁材料或恒磁材料。古代，人们利用矿石中的天然磁铁矿打磨成所需要的形状，用来指南或吸引铁质器件，指南针是中国古代四大发明之一，对人类文明和社会进步做出过重要贡献。近代，磁性材料的研究和应用始于工业革命之后,并在短时间内得到迅速发展.现今,对磁性材料的研究和应用无论在广度或者深度上都是以前无可比拟的,各类高性能磁性材料，尤其是稀土永磁材料的开发和应用对现代工业和高新技术产业的发展起着巨大的推动作用。 永磁材料性能要求 永磁材料的主要性能是由以下几个参数决定的 1.2.1最大磁能积：最大磁能积是退磁曲线上磁感应强度和磁场强度乘积的最大值。这个值越大，说明单位体积内存储的磁能越大，材料的性能越好。 1.2.2饱和磁化强度：是永磁材料极为重要的参数。永磁材料的饱和磁化强度越高，它标志着材料的最大磁能积和剩磁可能达到的上限值越高。 1.2.3矫顽力：铁磁体磁化到饱和后，使它的磁化强度或磁感应强度降低到零所需要的反向外磁场称为矫顽力。它表征材料抵抗退磁作用的本领。 1.2.4剩磁：铁磁体磁化到饱和并去掉外磁场后，在磁化方向保留的剩余磁化强度或剩余磁感应强度称为剩磁。 1.2.5居里温度：强铁磁体由铁磁性和亚铁磁性转变为顺磁性的临界温度称为居里温度或居里点。居里温度高标志着永磁材料的使用温度也高。
各种稀土元素的应用领域
各种稀土元素的应用领域 镧(La)：镧的应用非常广泛，如应用于压电材料、电热材料、热电材料、磁阻材料、发光材料（兰粉）、贮氢材料、光学玻璃、激光材料、各种合金材料等。她也应用到制备许多有机化工产品的催化剂中，光转换农用薄膜也用到镧，在国外，科学家把镧对作物的作用赋与"超级钙"的美称。 铈（Ce）：1，铈作为玻璃添加剂，能吸收紫外线与红外线，现已被大量应用于汽车玻璃。不仅能防紫外线，还可降低车内温度，从而节约空调用电。从1997年起，日本汽车玻璃全加入氧化铈，1996年用于汽车玻璃的氧化铈至少有2000吨，美国约1000多吨。2，目前正将铈应用到汽车尾气净化催化剂中，可有效防止大量汽车废气排到空气中美国在这方面的消费量占稀土总消费量的三分之一强。3，硫化铈可以取代铅、镉等对环境和人类有害的金属应用到颜料中，可对塑料着色，也可用于涂料、油墨和纸张等行业。目前领先的是法国罗纳普朗克公司。4，Ce:LiSAF激光系统是美国研制出来的固体激光器，通过监测色氨酸浓度可用于探查生物武器，还可用于医学。铈应用领域非常广泛，几乎所有的稀土应用领域中都含有铈。如抛光粉、储氢材料、热电材料、铈钨电极、陶瓷电容器、压电陶瓷、铈碳化硅磨料、燃料电池原料、汽油催化剂、某些永磁材料、各种合金钢及有色金属等。 镨(Pr)：1，镨被广泛应用于建筑陶瓷和日用陶瓷中，其与陶瓷釉
混合制成色釉，也可单独作釉下颜料，制成的颜料呈淡黄色，色调纯正、淡雅。2，用于制造永磁体。选用廉价的镨钕金属代替纯钕金属制造永磁材料，其抗氧性能和机械性能明显提高，可加工成各种形状的磁体。广泛应用于各类电子器件和马达上。3，用于石油催化裂化。以镨钕富集物的形式加入Y型沸石分子筛中制备石油裂化催化剂，可提高催化剂的活性、选择性和稳定性。我国70年代开始投入工业使用，用量不断增大。4，镨还可用于磨料抛光。另外，镨在光纤领域的用途也越来越广。 钕(Nd)：钕元素的到来活跃了稀土领域，在稀土领域中扮演着重要角色，并且左右着稀土市场。金属钕的最大用户是钕铁硼永磁材料。钕铁硼永磁体的问世，为稀土高科技领域注入了新的生机与活力。钕铁硼磁体磁能积高，被称作当代"永磁之王"，以其优异的性能广泛用于电子、机械等行业。阿尔法磁谱仪的研制成功，标志着我国钕铁硼磁体的各项磁性能已跨入世界一流水平。钕还应用于有色金属材料。在镁或铝合金中添加1.5～2.5%钕，可提高合金的高温性能、气密性和耐腐蚀性，广泛用作航空航天材料。另外，掺钕的钇铝石榴石产生短波激光束，在工业上广泛用于厚度在10mm以下薄型材料的焊接和切削。在医疗上，掺钕钇铝石榴石激光器代替手术刀用于摘除手术或消毒创伤口。钕也用于玻璃和陶瓷材料的着色以及橡胶制品的添加剂。随着科学技术的发展，稀土科技领域的拓展和延伸，钕元素将会有更广阔的利用空间。
稀土在农业上的应用
稀土元素 稀土元素的发现 稀土一词是历史遗留下来的名称。稀土元素（Rare Earth Element） 是从18世纪末叶开始陆续发现，当时人们常把不溶于水的固体氧化物称为土。稀土一般是以氧化物状态分离出来的，又很稀少，因而得名为稀土(Rare Earth，简称RE或R)。 这些稀土元素的发现，从1794年芬兰人加多林(J。Gadolin)分离出钇到1947年美国人马林斯基(J。A。Marinsky)等制得钷，历时150多年。其中大部分稀土元素是欧洲的一些矿物学家、化学家、冶金学家等发现制取的。钷是美国人马林斯基、格兰德宁(L。E。Glendenin)和科列尔(C。D。Coryell)用离子交换分离，在铀裂变产物的稀土元素中获得的。过去认为自然界中不存在钷，直到1965年，芬兰一家磷酸盐工厂在处理磷灰石时发现了痕量的钷。 稀土元素组成 稀土就是化学元素周期表中镧系元素——镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素——钪(Sc)和钇(Y)共17种元素，称为稀土元素。通常把镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕称为轻稀土元素（铈组稀土），钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇称为重稀土元素（钇组稀土）。 也有的根据稀土元素物理化学性质的相似性和差异性，除钪之外(有的将钪划归稀散元素)，划分成三组，即轻稀土组为镧、铈、镨、钕、钷；中稀土组为钐、铕、钆、铽、镝；重稀土组为钬、铒、铥、镱、镥、钇。 周期系ⅢB族中原子序数为21、39和57～71的17种化学元素的统称。其中原子序数为57～71的15种化学元素又统称为镧系元素。 稀土元素的特性 稀土元素是周期表中IIIB族钪、钇和镧系元素之总称。其中钷是人造放射性元素。他们都是很活泼的金属，性质极为相似，常见化合价+3，其水合离子大多有颜色，易形成稳定的配化合物。溶剂萃取和离子交换是目前分离稀土的较好方法。镧、铈、镨、钕等轻稀土金属，由于熔点较低，在电解过程可呈熔融状态在阴极上析出，故一般均采用电解法制取。可用氯化物和氟化物两种盐系，前者以稀土氯化物为原料加入电解槽，后者则以氧化物的形式加入。 稀土矿物
高性能稀土镁合金及其研究进展
高性能稀土镁合金及其研究进展 镁合金作为一种轻质的绿色工程材料具有很大的应用前景，被称为21世纪的“绿色工程材料”。然而，大部分镁合金的力学性能（尤其高温力学性能）较差，使其应用受到限制。因此，如何改善其力学性能成为亟待解决的问题。添加合金化元素是常用来改善镁合金力学性能的手段之一，尤其是添加稀土元素。稀土元素对镁合金具有“净化”“细化”“强化”“合金化”的四重作用。Mg-RE系合金因其优异的高温拉伸性能、抗蠕变性能及良好的塑性成形能力而备受青睐，被认为是最具有应用前景的高温高强合金体系。因此，本文主要综述近年来国内外在高性能稀土镁合金方面的研究进展，重点介绍制备高性能镁合金的制备方法、加工技术、热处理工艺、强韧化机制及目前研究中存在的问题与不足。 1.Mg-RE系合金 Mg-RE系合金是目前镁合金中最重要的高强耐热镁合金体系，尤其是含有重稀土元素（Gd、Y、Dy、Ho、Er等）的镁合金。Mg-RE系二元合金的时效硬化特性、强度与稀土添加量成正比关系，如在 Mg-Gd二元合金体系中Gd的质量百分含量若低于10%则合金的时效析出偏低或者无析出，直接导致合金的强度及耐热性能降低。为了降低稀土的添加量且不影响时效硬化特性效果，在Mg-RE二元合金的基础上添加其它合金化元素开发出了三元、四元等稀土镁合金。目前，稀土镁合金主要包括在Mg-Gd体系上形成的Mg-Gd-Y、Mg-Gd-Er、Mg-Gd-Ho、Mg-Gd-Dy等系列合金，在Mg-Y体系上形成的Mg-Y-Gd、Mg-Y-Nd、Mg-Y-Sc-Mn 等系列合金，为了细化晶粒稀土镁合金中常常加入Zr元素。 除了早期的WE54、WE43合金，Mordike等通过添加Sc及Mn等元素，开发了抗蠕变性能优于WE43合金的Mg-4Y-1Sc-1Mn(wt.%)合金；He等用普通铸造+挤压+峰值时效的方法制备了高强耐热Mg-10Gd-2Y-0.5Zr(wt.%)合金，其室温下的屈服强度、抗拉强度、延伸率分别可高达331 MPa、397 MPa、1%。最近，Li等通过轧制+时效的方法制备了Mg-14Gd-0.5Zr 合金，其屈服强度、延伸率分别可高达445 MPa、2%。Mg-RE系合金是目前最适合、最有前途的可应用在航空航天或汽车上的镁合金材料，多数单位都将此系列合金的目标性能提高到550Mpa-600Mpa，稳定使用温度在200 o C。晶粒细化、形变强化、沉淀强化是目前稀土镁合金采用的强化手段。目前的研究主要集中在沉淀强化方面。Mg-RE系合金主要的时效析出强 化相为β′′ (DO 19)、β′(cbco)，其中，β′′相的化学成分为Mg 3 RE， β′相的化学成分为Mg15RE3。 β′相与基体具有半共格关系，匹配较好，大量、致密、规则析出的β′相，可有效阻止位错运动，被认为是合金强度提高的主要原因之一。 目前的研究仍有不足，主要表现在以下几个方面：（1）合金中含有大量的稀土，导致合金成本偏高；（2）合金的塑性加工性能偏差，有必要寻找改善合金塑性的新方法、新理论；（3）合金的塑性变形机制研究较少，需大研究稀土溶质原子、晶粒尺寸、晶界类型、织构等对滑移系机制的影响规律。 2.Mg-RE-Zn系合金 Mg-RE-Zn合金是现在研究的一个热点，一方面因为Kawamura于2001年用快速凝固粉/
浅谈稀土的应用现状与前景
浅谈稀土的应用现状与前景 12化本 120900017 贺惠苹 摘要：21世纪的发展使稀土工业面临着新的挑战。为了适应时代的脉搏，探索新的产品和用途，必须对各种形式的稀土产物的特性和可能产生的附加值进行广泛、深入的研究。我国有丰富的稀土资源，约占世界己探明储量的80%以上。我国是世界稀土资源大国，我国稀土资源的特点是储量大、类型多、品种全、质量好、开采成本低。除Pm外的16个稀土元素，在我国从南到北分布齐全。北方以包头矿为主，生产轻稀土;南方以江西、四川、湖南、广东等省为主，生产中、重稀土。目前已形成了良好的生产布局，产量稳居世界首位。因此，开发推广稀土应用对充分利用我国富有的稀土资源、推动稀土产业的发展，具有重要的社会意义。 关键字：稀土资源应用前景 引言：稀土在国民经济发展中发挥着愈来愈重要的作用，其作用并不在于其自身的价格，而在于它在其他领域的应用能产生其自身价值数十倍甚至上万倍的经济效益和社会效益。近年来稀土应用领域越来越广泛，新的应用不断出现。以我国为例，稀土应用已遍及国民经济的13个领域40多个行业，经济效益十分显著。另一方面，稀土在高新技术领域的应用前景十分广阔，是高新技术发展的战略材料。稀土元素因其特有的4f层电子结构，而具有很好的光、电、磁性质，成为光、电、磁等新型功能材料的核心。它还可以与其他元素组合成性能优异的功能材料，在新材料发展中起重要作用。稀土材料在高新技术领域中具有十分重要的战略地位，人们都在大力加强稀土新材料的研究和开发，竞争十分激烈。[1] 一稀土在钢铁冶金领域的应用 稀土元素由于其特殊的原子结构和活性，作为微量添加剂用于钢、铸铁、钦、铝、镍、钨、钥等材料中，能产生消除杂质、细化晶粒和改善组成的神奇功效，从而改进合金的机械、物理和加工性能，提高合金的热稳定性和耐腐蚀性。例如，稀土作为添加剂，可以净化钢液，改变钢中夹杂物的形态和分布，细化晶粒，改善钢的组织和性能.稀土在钢铁冶金中的应用是中国稀土的最大消费领域。特别是在铸铁中的应用很普遍，一直占最大的比例。稀土在钢中的用量占的比例相应小一些。稀土在铸铁中的作用主要是作为球化剂、蠕化剂和孕育剂使用;稀土处理的合金铸铁件亦有发展。稀土铸铁主要应用于冶金行业的轧辊、钢锭模，以及汽车和拖拉机行业的曲轴、汽缸体、变速箱、履带，机械行业的各种齿轮、凸轮轴、各种机座，建筑行业的各种口径的输水管线和暖气片等。目前存在的问题是，稀土铸铁的用量还不多，推广面应进一步扩大。在钢中的作用主要是脱硫、脱氧、细化晶粒、去除杂质等作用，从而改善钢的各项力学性能。[2] 二稀土在有色冶金中的应用 稀土金属具有很高的化学活性和较大的原子半径，因此，将其用于有色金属及合金中，一般都可以产生良好的效果，如细化晶粒、防止偏析、去气、除杂、净化和改善金相组织等作用，从而在一定程度上改善合金的力学性能、物理性能、
稀土元素及用途
稀土就是化学元素周期表中镧系元素——镧（La）、铈（Ce）、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素——钪（Sc）和钇（Y）共17种元素，称为稀土元素（Rare Earth）。简称稀土（RE或R）。稀土的分类】 1）轻稀土（又称铈组）：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆。 2）重稀土（又称钇组）：铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。 铈组与钇组之别，是因为矿物经分离得到的稀土混合物中，常以铈或钇比例多的而得名。 稀土金属(rare earth metals)又称稀土元素，是元素周期表ⅢB族中钪、钇、镧系17种元素的总称，常用R或RE表示。它们的名称和化学符号是钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)。它们的原子序数是21(Sc)、39(Y)、57(La)到71(Lu)。 【名称由来】 17种稀土元素名称的由来及用途 镧(La) "镧"这个元素是1839年被命名的，当时有个叫"莫桑德"的瑞典人发现铈土中含有其它元素，他借用希腊语中"隐藏"一词把这种元素取名为"镧"。镧的应用非常广泛，如应用于压电材料、电热材料、热电材料、磁阻材料、发光材料（兰粉）、贮氢材料、光学玻璃、激光材料、各种合金材料等。她也应用到制备许多有机化工产品的催化剂中，光转换农用薄膜也用到镧，在国外，科学家把镧对作物的作用赋与"超级钙"的美称。 铈（Ce） "铈"这个元素是由德国人克劳普罗斯，瑞典人乌斯伯齐力、希生格尔于1803年发现并命名的，以纪念1801年发现的小行星--谷神星。 铈的广泛应用: （1）铈作为玻璃添加剂，能吸收紫外线与红外线，现已被大量应用于汽车玻璃。不仅能防紫外线，还可降低车内温度，从而节约空调用电。从1997年起，日本汽车玻璃全加入氧化铈，1996年用于汽车玻璃的氧化铈至少有2000吨，美国约1000多吨.
稀土永磁材料与应用
稀土永磁材料与应用 一、稀土永磁材料 稀土永磁材料是将钐、钕混合稀土金属与过渡金属（如钴、铁等）组成的合金，用粉末冶金方法压型烧结，经磁场充磁后制得的一种磁性材料。 稀土永磁分钐钴（SmCo）永磁体和钕铁硼（NdFeB）系永磁体，其中SmCo磁体的磁能积在15～30MGOe之间，NdFeB系永磁体的磁能积在27～50MGOe之间，被称为“永磁王”，是目前磁性最高的永磁材料。钐钴永磁体，尽管其磁性能优异，但含有储量稀少的稀土金属钐和稀缺、昂贵的战略金属钴，因此，它的发展受到了很大限制。我国稀土永磁行业的发展始于60年代末，当时的主导产品是钐-钴永磁，目前钐-钴永磁体世界销售量为630吨，我国为90.5吨（包括SmCo磁粉），主要用于军工技术。 随着计算机、通讯等产业的发展，稀土永磁特别是NdFeB永磁产业得到了飞速发展。 稀土永磁材料是现在已知的综合性能最高的一种永磁材料，它比十九世纪使用的磁钢的磁性能高100多倍，比铁氧体、铝镍钴性能优越得多，比昂贵的铂钴合金的磁性能还高一倍。由于稀土永磁材料的使用，不仅促进了永磁器件向小型化发展，提高了产品的性能，而且促使某些特殊器件的产生，所以稀土永磁材料一出现，立即引起各国的极大重视，发展极为迅速。我国研制生产的各种稀土永磁材料的性能已接
近或达到国际先进水平。 现在稀土永磁材料已成为电子技术通讯中的重要材料，用在人造卫星，雷达等方面的行波管、环行器中以及微型电机、微型录音机、航空仪器、电子手表、地震仪和其它一些电子仪器上。目前稀土永磁应用已渗透到汽车、家用电器、电子仪表、核磁共振成像仪、音响设备、微特电机、移动电话等方面。在医疗方面，运用稀土永磁材料进行“磁穴疗法”，使得疗效大为提高，从而促进了“磁穴疗法”的迅速推广。在应用稀土的各个领域中，稀土永磁材料是发展速度最快的一个。它不仅给稀土产业的发展带来巨大的推动力，也对许多相关产业产生相当深远的影响。 二、稀土永磁材料分类 1．稀土钴永磁材料，包括稀土钴（1-5型）永磁材料SmCo5和稀土钴（2-17型）永磁材料Sm2Co17两大类。 2．稀土钕永磁材料，NdFeB永磁材料。 3．稀土铁氮（RE-Fe-N系）或稀土铁碳（RE-Fe-C系）永磁材料。 三、稀土永磁材料制备工艺分类 1．粉末冶金烧结工艺制备的烧结磁体； 2．还原扩散制粉或氢碎处理粉末及粉末冶金烧结工艺制备的烧结磁体； 3．快速凝固制粉或氢碎制粉（HDDR），粉末模压粘结工艺制备的粘结磁体； 4．快速凝固制粉或氢碎（HDDR）粉末的注射工艺制备的注射磁
稀土元素的应用
稀土元素的应用 一、镧元素的应用现状及存在问题 镧的应用非常广泛～应用于各种合金材料、贮氢材料、热电材料、磁阻材料、发光材料、屏蔽涂料、光学玻璃等。它也应用到制备许多有机化工产品的催化剂中。在农业上～有科学家把镧对农作物的作用赋与“超级钙”的美称。 1、传统应用 ,1,钢铁改质剂 金属镧加入钢中可脱硫和脱氧～可细化晶粒～形成微合金并改变夹杂物的形态及分布～提高抗氢脆和抗腐蚀能力,加入到铁中可净化铁水～改变石墨形态～防止杂质元素破坏球化作用。由于钢铁在各个领域应用广泛～金属镧在钢、铸铁等高性能产品发展过程中均扮演着重要的色。 ,2,还原剂 金属镧与氧在高温下发生还原反应～利用蒸气压差可真空蒸馏分离提纯制备金属钐、金属铥等高蒸气压金属～该工艺简单～污染少。 ,3,石油炼制催化剂 为了从原油中获得更多的汽油、柴油等轻质油, 必须在石油精炼加工中对重质油采用催化裂化处理, 就必需使用石油裂化催化剂, 稀土分子筛裂化催化剂比不含稀土的催化剂催化活性和热稳定性均有明显提高, 可使轻质油收率提高4%, 使催化剂寿命延长2倍, 炼油成本降低20%, 并使裂化装置生产能力提高30%-50%。 ,4,功能陶瓷 镧在功能陶瓷材料中具有特别好的应用前景,如在钛酸钡(BaTiO)电容器陶瓷中加入氧化镧,可明显提高电容器的3
稳定性和使用寿命,加入1%氧化镧,可延长使用寿命400-500倍。镧作为固体电解质可用于固体氧化物燃料电池。他们都具有良好的抗断裂韧性、热稳定性和抗循环疲劳性。把镧作为主成分加入锆钛酸铅制备(Pb, La)(Zr,Ti)O, 即电光陶3 瓷, 可用于强核辐射护目镜、光通讯调制器、全息记录等。 2、应用于新型材料 ,1, 光学玻璃 光学玻璃中应用镧既是经典用途～也是目前主要应用领域之一。镧系光学玻璃具有高折射率和低色散的优良光学特性～可简化光学仪器镜头、消除球差、色差和像质畸变～扩大视场角～提高鉴辨率和成像质量～已广泛用于航空摄像机、高档相机、高档望远镜、高倍显微镜、变焦镜头、广角镜头和潜望镜头等方面～已成为光学精密仪器和设备不可缺少的镜头材料。 ,2,储氢材料 La-Ni系列合金储氢能力好～不易粉化。每公斤可贮存 氢约160升～可使高压贮氢钢瓶体积缩小到1/4。利用其可以“呼吸”氢气的特性～可以把纯度为99.999%的氢气提纯到99.99999%～也可用作有机合成的加氢或脱氢反应的催化剂。利用其吸氢放热、呼氢吸热的本领可以把热量从低温向高温传送。目前这种贮氢材料的最大用途是用于稀土镍氢电池的负极材料。电池容量高～寿命长～可反复充放电500次以上～属于环保型绿色电池。稀土镍氢电池目前已广泛用于手提电脑、便携式办公设备和电动工具等方面。最有发展前景的是用于汽车、摩托车的动力电池。 ,3,磁致冷材料 磁致冷是指以磁性材料为介质的一种全新的制冷技术～其中La-Fe系化合物具有优良的磁致冷效应～是目前最有希望实现实用化的室温磁致冷材料～但其二元合
轻合金技术新进展
轻合金技术新进展 铝、镁、钛等金属的密度小，分别为2.7g/cm3、1.7g/cm3、和4.5g/cm3、，因此，这几种金属通常被称为轻金属，其相应的铝合金、镁合金、钛合金则称为轻合金[1,2]。铝合金具有比重小、导热性好、易于成形、价格低廉等优点，已广泛应用于航空航天、交通运输、轻工建材等部门，是轻合金中应用最广、用量最多的合金[3~5]。镁合金具有比重小，比强度、比刚度高，阻尼性、切削加工性、导热性好，电磁屏蔽能力强，尺寸稳定，资源丰富，易回收，无污染等优点，因此，在汽车工业、通信电子工业和航空航天工业等领域正得到日益广泛的应用，近年来全世界镁合金产量的年增长率高达20％，显示出了极为广泛的应用前景[1,15]。钛合金比重小、耐蚀性好、耐热性高、比刚度和比强度高，是航天航空、石油化工、生物医学等领域的理想材料；同时，钛的无磁性、钛铌合金的超导性、钛铁合金的储氢能力等特性，使得钛合金在尖端科学和高技术方面发挥着重要作用[1,32]。 本文简要综述目前国内外在轻合金方面的研究开发、应用现状及最新进展，分析了我国在轻合金材料发展及其应用方面存在的问题，提出了今后一段时间我国在轻合金材料研究、开发与应用方面的对策。 －、铝合金 1.铝合金的发展 铝合金是一种较年轻的金属材料，在20世纪初才开始工业应用。第二次世界大战期间，铝材主要用于制造军用飞机。战后，由于军事工业对铝材的需求量骤减，铝工业界便着手开发民用铝合金，使其应用范围由航空工业扩展到建筑业、容器包装业、交通运输业、电力和电子工业、机械制造业和石油化工等国民经济各部门，应用到人们的日常生活当中。现在，铝材的用量之多，范围之广，仅次于钢铁，成为第二大金属材料。铝材应用的迅速发展是世界铝工业界不断开发新的铝合金材料的结果[3~5]。表1列出了铝合金的特性及主要应用领域[2]。 铝合金的发展可追溯到1906年时效强化现象在柏林被Alfred Wilm偶然发现，硬铝 Duralumin、随之研制成功并用于飞机结构件上[7]。在此基础上随后开发出的Al-Cu-Mg系合金，如2014和2024，其抗拉强度为350~480MPa'，至今仍在使用。第二次世界大战期间，由于军用航空材料的需要，抗拉强度超过500ＭＰ'的Al-Zn_Mg_Cu.合金发展起来，其中最
稀土镁合金的研究进展及应用
稀土镁合金的研究现状及应用 张晓 （中北大学材料科学与工程学院，山西太原030051） 摘要：镁合金具有许多优异的性能，如高比强度、高比刚度等。但它强度不高，高温抗蠕变性能差。稀土的加入对改善其组织和提高耐腐蚀性，特别是高温性能具有重要作用。本文介绍了国内外稀土镁合金的研究现状，并展望了稀土镁合金的应用前景。 关键词：镁合金；稀土；现状 Study Situation And Application Of Rare-earth Magnesium Alloys Zhang Xiao (North University Of China School Of Material Science And Engineering, Taiyuan Shanxi 030051) Abstract: Magnesium Alloy has many inherent advantages of Magnesium Alloy, such as high specific strength，high specific stiffness and so on. But it is not high strength and high temperature creep resistance is poor.the rare earth to improve their organization and improve corrosion resistance, especially high temperature performance has an important role,Study situation of Rare-earth Magnesium Alloys were introduced at home and abroad in the paper and the prospect of application in Rare-earth alloys Magnesium Alloy was looked. Key words: Magnesium Alloy; Rare-earth; situation
稀土元素的应用
一、镧元素的应用现状及存在问题 镧的应用非常广泛，应用于各种合金材料、贮氢材料、热电材料、磁阻材料、发光材料、屏蔽涂料、光学玻璃等。它也应用到制备许多有机化工产品的催化剂中。在农业上，有科学家把镧对农作物的作用赋与“超级钙”的美称。 1、传统应用 （1）钢铁改质剂 金属镧加入钢中可脱硫和脱氧，可细化晶粒，形成微合金并改变夹杂物的形态及分布，提高抗氢脆和抗腐蚀能力；加入到铁中可净化铁水，改变石墨形态，防止杂质元素破坏球化作用。由于钢铁在各个领域应用广泛，金属镧在钢、铸铁等高性能产品发展过程中均扮演着重要的色。 （2）还原剂 金属镧与氧在高温下发生还原反应，利用蒸气压差可真空蒸馏分离提纯制备金属钐、金属铥等高蒸气压金属，该工艺简单，污染少。 （3）石油炼制催化剂 为了从原油中获得更多的汽油、柴油等轻质油, 必须在石油精炼加工中对重质油采用催化裂化处理, 就必需使用石油裂化催化剂, 稀土分子筛裂化催化剂比不含稀土的催化剂催化活性和热稳定性均有明显提高, 可使轻质油收率
提高4%, 使催化剂寿命延长2倍, 炼油成本降低20%, 并使裂化装置生产能力提高30%-50%。 （4）功能陶瓷 镧在功能陶瓷材料中具有特别好的应用前景；如在钛酸钡(BaTiO3)电容器陶瓷中加入氧化镧,可明显提高电容器的 稳定性和使用寿命,加入1%氧化镧,可延长使用寿命400-500倍。镧作为固体电解质可用于固体氧化物燃料电池。他们都具有良好的抗断裂韧性、热稳定性和抗循环疲劳性。把镧作为主成分加入锆钛酸铅制备(Pb, La)(Zr,Ti)O3, 即电光陶瓷, 可用于强核辐射护目镜、光通讯调制器、全息记录等。 2、应用于新型材料 （1）光学玻璃 光学玻璃中应用镧既是经典用途，也是目前主要应用领域之一。镧系光学玻璃具有高折射率和低色散的优良光学特性，可简化光学仪器镜头、消除球差、色差和像质畸变，扩大视场角，提高鉴辨率和成像质量，已广泛用于航空摄像机、高档相机、高档望远镜、高倍显微镜、变焦镜头、广角镜头和潜望镜头等方面，已成为光学精密仪器和设备不可缺少的镜头材料。 （2）储氢材料 La-Ni系列合金储氢能力好，不易粉化。每公斤可贮存