희토류 원소가 마그네슘 합금의 기계적 성질에 미치는 영향
마그네슘과 그 합금은 현재 가장 가벼운 금속 구조 재료로서 낮은 밀도, 높은 비강도 및 강성, 높은 감쇠, 우수한 열전도도, 뛰어난 가공성, 안정적인 부품 크기, 쉬운 재활용과 같은 장점이 있습니다. 항공, 항공우주, 자동차 산업, 운송, 전자, 통신 및 컴퓨터와 같은 산업에서 널리 사용됩니다.
불충분한 기계적 성질과 낮은 내식성으로 인해 마그네슘 합금은 생산 및 일상 생활에서 광범위한 적용이 제한됩니다. 그러나 소량의 희토류 원소를 첨가하면 마그네슘 합금의 다양한 특성을 크게 개선할 수 있습니다. 희토류 원소는 주기율표의 IIIB 그룹에 있습니다. 원자의 가장 바깥 전자 구조는 동일하며 둘 다 두 개의 전자를 가지고 있는 반면 두 번째 바깥 전자 구조는 비슷합니다. 세 번째에서 마지막 층의 4f 궤도의 전자 수는 0에서 14까지 다양합니다. 화학적 성질은 크게 다르지 않으며 모두 매우 활성적입니다. 마그네슘 합금과 희토류 원소는 모두 조밀한 육각형 결정 구조를 가지고 있으므로 희토류 원소는 마그네슘 합금에서 높은 고체 용해도를 갖습니다. Sc를 제외한 다른 16가지 희토류 원소는 Mg와 공융 상을 형성할 수 있으며 대부분의 희토류 원소는 Mg에서 높은 고체 용해도를 갖습니다.
희토류 원소가 Mg 합금의 정제 및 입자 미세화에 미치는 영향
마그네슘은 활성 화학적 특성을 가지고 있으며, O2 및 H2O와 반응하여 MgO를 형성하기 쉽고, 이로 인해 마그네슘 합금에 산화물 내포물이 존재하여 마그네슘 합금의 품질과 성능이 저하됩니다. 산화된 내포물은 일반적으로 마그네슘 합금 주조물의 매트릭스 또는 결정립계에 존재하여 합금에 피로 균열을 일으키고 기계적 및 내식성 특성을 감소시킵니다. 희토류 원소를 첨가하면 내포물의 수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 결정립 크기를 미세화하고 합금의 성능을 향상시킬 수도 있습니다.
희토류 원소 Ce를 AM50 마그네슘 합금에 첨가하면 Ce는 합금을 정제하는 역할을 하여 Fe 및 Ni와 같은 불순물을 감소시킵니다. Y를 첨가하면 압출 Mg Zn Zr 합금의 입자 크기를 줄일 수 있으며 입자 크기는 14.2μm에서 3.2μm로 감소하여 3%(질량 분율)로 떨어질 수 있습니다. 감소율은 최대 77%입니다.
1. 희토류 원소가 Mg 합금의 기계적 성질에 미치는 영향
1.1Mg Al RE 시스템
Mg Al 계열 마그네슘 합금은 현재 가장 다양하고 널리 사용되는 마그네슘 합금 계열입니다. Mg Al 계열 마그네슘 합금에 첨가된 희토류 원소는 주로 Ce, Y, Nd 등이 있습니다. 희토류 원소가 없는 Mg Al 기반 합금은 주로 다음을 포함합니다. - Mg 수지가정과 수지가정 사이에 분포된 금속간 화합물 - Mg17Al12 상; 그리고 희토류 원소가 Mg-3% Al 기반 합금에 첨가되면 - Mg 수지가 더 미세해지고, 금속간 화합물 - Mg17Al12 상이 Al11RE3 및 A12RE로 대체됩니다.
Al11RE3상은 기본적으로 200도에서 안정적입니다. 온도가 계속 상승함에 따라 Al11RE3상은 Al2RE상으로 변환됩니다. 이는 또한 Al11RE3의 안정성이 조건부임을 나타냅니다.
희토류 원소를 첨가한 후 합금의 강도는 실온이나 200도에서 모두 증가하고 신장률은 비교적 높은 수준을 유지합니다. 희토류 원소를 첨가한 후 강도가 증가하는 것은 다음과 같은 요인과 관련이 있을 수 있습니다. 첫째, 많은 양의 금속간 화합물 Al11RE3가 형성되어 수지상 경계를 강화하는 데 중요한 역할을 합니다. 둘째, 희토류 원소를 첨가하면 수지상 암이 미세화되어 강도가 향상됩니다. 마지막으로 희토류 원소, 특히 Y를 첨가하면 고용 강화를 통해 Mg 매트릭스의 강도가 향상됩니다.
1.2 Mg-Zn-RE 시스템
Mg Zn 기반 합금은 변형 마그네슘 합금에 널리 사용되고 있으며, 우수한 시효 강화 능력을 가지고 있습니다. Mg Zn 합금에는 Y, Er, Gd, Nd, Ce 등과 같은 많은 유형의 희토류 원소가 첨가됩니다. 희토류 원소를 첨가한 후 합금의 기계적 특성이 향상되는데, 희토류 원소가 입자 크기를 미세화하고 합금에서 강화 상을 형성하여 합금의 강도를 향상시킬 수 있기 때문입니다.
주조된 Mg-3.8Zn-2.2Ca 합금에 희토류 원소 Ce 및 Gd를 첨가한 결과 인장 강도가 123.8MPa에서 146.1MPa, 130.6MPa로 증가하고 신장률은 각각 2.4%에서 3.5%, 2.9%로 증가했습니다.
단순히 주조 합금에 희토류 원소를 첨가하는 것만으로는 합금의 강도 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 점점 더 많은 연구자들이 합금 특성에 대한 변형과 희토류 원소 첨가의 이중 효과를 연구하기 시작했습니다. 주조 및 압출 Mg{{0}}.0Zn-0.9Y-0.16Zr 합금에 대한 비교 연구에서는 압출 후 기계적 특성이 상당히 향상되었으며 인장 강도, 항복 강도 및 신장률이 각각 168105 MPa 및 1.8%에서 363317 MPa 및 12%로 증가했습니다. 기계적 특성의 향상은 합금 압출 후 결정립 미세화 효과에 기인합니다. 압출 후 Mg-6Zn-1Mn-0.5Ce 합금의 기계적 성질도 개선되어 항복 강도가 209MPa에서 232MPa로 증가하고 인장 강도는 기본적으로 변하지 않았으며 신장률은 11.5%에서 14.7%로 증가했습니다. 주조 M-12Zn-1.5Er 합금과 비교할 때 압출 합금의 기계적 성질이 상당히 개선되었습니다.
1.3 Mg Li RE 시스템
Mg Li 합금은 가장 가벼운 마그네슘 합금 시리즈입니다. 희토류 원소를 첨가한 후, Mg Li 합금의 기계적 성질은 고용체 강화와 작고 분산된 금속간 화합물의 형성을 통해 개선됩니다. Mg Li 합금에는 Y, Ce, Nd 등 많은 유형의 희토류 원소가 첨가됩니다.
Mg-5Li-3Al-2Zn 합금에 희토류 원소를 첨가하면 Al2RE 또는 Al3RE 상이 형성되고 AlLi 상이 감소합니다. 희토류 원소를 첨가하면 첨가량이 증가함에 따라 합금의 인장 강도가 증가합니다. 그러나 첨가량이 1.5%(질량 분율)를 초과하면 인장 강도가 약해집니다. 신장률 변화 추세는 인장 강도와 동일합니다. 첨가량이 1.5%(질량 분율)일 때 Mg-5Li-3Al-2Zn-1.5RE는 각각 206.5 MPa 및 14.4%의 최적의 인장 강도와 신장률을 갖습니다.
Nd는 또한 합금의 인장 강도와 신장을 개선할 수 있습니다. Nd 함량이 2.0%(질량 분율)일 때 Mg-8Li-3Al 합금의 인장 강도는 185.95MPa의 피크에 도달하고 Nd 함량이 1.6%(질량 분율)일 때 신장은 16.3%의 피크에 도달합니다. 기계적 성질의 향상은 Nd 첨가 감소에 기인합니다. 상의 크기와 상 경계에서 새로운 상인 Al2Nd의 분포는 슬립을 제한합니다. BinJiang 등은 Ce와 Y가 Mg-8Li-2Zn 합금의 성질에 미치는 영향을 조사했습니다. 연구에 따르면 Mg-8Li-2Zn 합금에 0.5% (질량 분율) Ce와 Y를 첨가하면 강도가 향상될 수 있으며, 동일한 조건에서 Y의 효과는 Ce보다 더 크다는 것이 밝혀졌습니다. 0.5% (질량 분율) Y를 첨가하면 Mg-8Li-2Zn 합금의 신장이 동시에 증가하는 반면 Ce는 신장을 감소시켰습니다.
1.4 기타
Mg-4Y-4Sm-0.5Zr 합금의 경우, 인장 강도와 항복 강도는 압출 온도 증가에 따라 약간 약화됩니다. 반면, 시효 후 압출 온도가 증가함에 따라 인장 강도와 항복 강도가 증가합니다. 합금을 200도에서 16시간 시효할 때, 400도에서 압출된 합금은 인장 강도가 400 MPa, 항복 강도가 300 MPa를 초과하고 신장률이 7%로 최적의 기계적 특성을 갖습니다. 14회 압출 압축 후, Mg-10Gd-2Y-0.5Zr 합금의 항복 강도, 인장 강도 및 신장률은 각각 20%, 8.2% 및 150% 증가했습니다.
M-3Sn-2Ca 합금에 희토류 원소 Ce를 첨가하면 Ce 함량이 1.5%(질량 분율) 이상일 때 합금의 기계적 성질을 크게 향상시킬 수 있습니다. Ce 함량이 2%(질량 분율)일 때 실온에서 인장 강도, 항복 강도 및 신장률이 각각 24.4%, 28.6% 및 73.7% 증가합니다. 150도에서 증가는 각각 22.4%, 28.8% 및 56%입니다.
희토류 원소 Y는 또한 합금의 강도를 향상시킬 수 있습니다. 첨가량이 1.5%(질량 분율)일 때 합금의 기계적 성질은 최적이며, 실온에서 인장 강도, 항복 강도 및 신장은 각각 150, 137MPa 및 3.2%이며, 증가율은 각각 18.1%, 22.3% 및 68.4%입니다. 150도에서 상응하는 증가율은 각각 19.8%, 24% 및 54.9%입니다. ChengWeili의 연구에서 Ce가 Mg-5Sn-4Zn의 기계적 성질을 향상시킬 수 있다는 것도 밝혀졌습니다.
HNRE는 위에 언급된 모든 마그네슘 희토류 합금을 생산하는데, 그 중 일부는 Mg-Gd, Mg-Nd, Mg-Zr, Mg-Ce, Mg-Y, Mg-Er 모합금과 같이 꽤 인기가 있습니다. 모든 구성 요소와 비율은 고객 요구 사항에 따라 맞춤화할 수 있습니다.