Полная версия

Главная arrow Строительство arrow Металлургия редкоземельных металлов

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Металлургия чугуна, сталей и сплавов

РЗМ широко применяются в качестве металлургических сплавов и лигатур. Эта сфера их использования является одной из самых емких в структуре потребления и оказывает существенное влияние на общее потребление редкоземельных металлов как в виде их концентратов, так и в виде индивидуальных соединений и сплавов. Самым старым из таких сплавов является мишметалл — сплав, состоящий только из редкоземельных металлов, причем отдельные редкоземельные элементы присутствуют в той же пропорции, в которых встречаются в природном сырье — бастнезите или монаците. Мишметалл (в среднем, около 50 % церия, 30 % лантана, 15 % неодима и 5 % празеодима) — это форма, в которой редкоземельные металлы вводятся в ту или иную металлургическую систему для использования в самых разнообразных процессах.

Добавки РЗЭ применяются в производстве чугуна, стали и сплавов цветных металлов. Вводя редкоземельные элементы в чугун, можно повысить его качество и модифицировать структуру, поскольку РЗМ очищают металл от примесей, препятствующих зарождению и росту сферического графита. Так, например, редкие земли сыграли ведущую роль в бурном развитии производства высокопрочного чугуна, имеющего свойства близкие к свойствам мягкой низкоуглеродистой стали и по существу являющегося ковким чугуном, более дешевым в сравнении со сталью материалом. Добавки церия из расчета 0,02 % обеспечивают гетерогенную структуру получаемого чугуна, который имеет хорошие механические и литейные свойства и используется в строительной отрасли. Такой чугун во многих случаях можно использовать вместо стали, в частности, при изготовлении коленчатых валов. Более того, данный вид чугуна на 20—25 % дешевле стальных отливок и в 3—4 раза дешевле стальных поковок. Стойкость против истирания у чугунных шеек валов оказалась выше, чем у стальных. В США производятся специальные сорта «иттриевого мишметалла», поскольку технология получения иттриевого чугуна не требует специального литейного оборудования. Механические свойства такого чугуна оказались достаточно высокими. Добавки 0,1 % иттрия повышают предел прочности чугуна при растяжении до 38 кг/мм2, а 0,25 % этого модификатора дают возможность получить чугун с прочностью 55—60 кг/мм2. Удлинение таких чугунов составляет 1,5—2,5 %. Термической обработкой этот параметр можно повысить до 22 %. Иттриевый чугун имеет повышенную износостойкость — в четыре раза выше, чем серый чу-

гун [2]. В Советском Союзе при модифицировании чугуна сплавом магния с мишметаллом (марки ФЦМ-5) получали высокопрочный чугун с шаровидными частицами углерода, по механическим свойствам приближающийся к легированным сталям, но с значительно меньшей стоимостью. Введение лигатуры марки ФЦМ-5 обеспечивает стабильные и высокие механические свойства чугунов: предел прочности на растяжение достигает 80 кгс/мм2, относительное удлинение — до 6 %. В середине 1970-х годов из такого чугуна производили коленчатые валы для автомобилей Волга, Чайка, трактора Владимирец и тракторного дизеля СМД-17.

Начиная с конца 1960—1970-х годов редкоземельные элементы в виде мишметалла добавляют в сталь различных сортов. Эта добавка работает как раскислитель, дегазатор и десульфуратор сталей. Мишметалл, добавленный в расплавленную сталь, содержащую кислород, другие растворенные газы и вредные примеси, такие как сера, фосфор, мышьяк, вступает во взаимодействие с этими примесями, а образовавшиеся соединения выводятся в виде шлака [3]. Добавки редких земель также снижают усталостную прочность, уменьшают деформации в результате долговременных нагрузок и улучшают ряд других механических свойств сталей.

Легирование редкоземельными металлами повышает качество нержавеющих и быстрорежущих сталей, кремнистых сталей для электротехники и жаропрочных сталей. Улучшаются как их механические свойства, так и коррозионная стойкость, и жаропрочность.

Одним из драйверов роста использования РЗМ также является производство жаропрочных сплавов на основе никеля, кобальта и железа (суперсплавов), предназначенных для работы в экстремальных температурно-силовых режимах при одновременном воздействии агрессивной среды [1]. Суперсплавы представляют собой класс жаропрочных сплавов, используемых в газовых турбинах, электрических генераторах, реакционных сосудах и других изделиях, в которых обращаются активные окислительные среды при высоких температурах. Некоторые редкоземельные металлы добавляются в суперсплавы для повышения их стойкости к окислению на воздухе. Например, иттрий является важным компонентом в сплавах Me—Сг—А1—Y (где Me — Fe, Ni, Со), способствуя образованию стойкой окалины на их поверхности. Лантан и церий также играют аналогичную роль в некоторых никель-кобальтовых и никелевых сплавах, при этом церий добавляется в микроколичествах — от 100 до 300 ppm. Лантан в концентрации 200—400 ppm добавляется в сплавы на основе никеля и кобальта для производства компонентов газовых турбин. Например, лантан повышает рабочую температуру никелевого суперсплава Hastelloy-K от 950 °С до примерно 1100 °С из-за образования прочно связанного с основой оксидного слоя на поверхности деталей. Вызывающий такой же эффект мишметалл, в небольших количествах (0,03—0,05 %) добавляется в сплавы, имеющие высокое электрическое сопротивление, такие как нихром, используемый для производства нагревательных элементов. Срок службы нагревателей при этом увеличивается с 1000 до 10 тыс. ч. Кроме этого, редкоземельные металлы добавляются в следующие группы прецизионных сплавов:

  • — магнитно-мягкие, обладающие высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой в слабых полях;
  • — магнитно-твердые сплавы с заданным сочетанием параметров предельной петли гистерезиса или петли гистерезиса, соответствующей полю максимальной проницаемости;
  • — сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения;
  • — сплавы, обладающие высокими упругими свойствами в сочетании с другими специальными характеристиками (повышенной коррозионной устойчивостью, повышенной прочностью, низкой магнитной проницаемостью, заданными значениями модуля нормальной упругости и температурным коэффициентом модуля упругости);
  • — сплавы с высоким электрическим сопротивлением, обладающие необходимым сочетанием электрических и других свойств;
  • — термобиметаллы, представляющие материал, состоящий из двух или более слоев металлов или сплавов с различными температурными коэффициентами линейного расширения, разность которых обеспечивает его упругую деформацию при изменении температуры.

Другой значительной сферой использования редких земель являются магниевые сплавы [4—6]. Показано, что сплавы, содержащие около 3 % мишметалла и 1 % Zr, имеют усиленное сопротивление ползучести по сравнению с обычными магниевыми сплавами. Значительно более высокая прочность в широком температурном интервале была показана и использованием сплава, полученного с добавкой дидима (Рг—Nd) вместо медной лигатуры. Для получения нового поколения магниевых сплавов используют индивидуальные редкоземельные элементы — данные материалы применяются при изготовлении авиационных двигателей, космических ракет и и оболочек искусственных спутников Земли. Сплавы Mg—А1—Zn—Nd и Mg—Y—Nd—Zr имеют отличную коррозионную стойкость в солевых растворах. Добавки лантана, церия, неодима и празеодима позволили в три с лишним раза поднять температуру размягчения магниевых сплавов и одновременно повысили их коррозионную стойкость. Сплавы магния с неодимом упрочняются как по растворному типу, так и интерметаллической фазой Mg2Nd, что способствует сохранению механических свойств при повышенной температуре. Сплавы с неодимом имеют хорошие технологические и литейные

свойства, дают плотные отливки с однородными свойствами в тонких и толстых сечениях. Основные отечественные сплавы магния с РЗМ — это сплав, содержащий 1,9—2,6 % неодима (марка МЛ09); сплав с 2,2—2,8 % неодима (марка МЛ 10); сплав, содержащий 2,5— 4,0 % РЗМ (маркаМЛП); сплав с 0,6—1,2 % лантана (марки МЛ15) и сплав, содержащий 1,8—2,3 % неодима и 1,4—2,2 % иттрия.

Алюминиевые сплавы нашли широкое применение в электротехнической отрасли. Было обнаружено, что небольшие количества иттрия (100 ppm) в сочетании с цирконием, добавляемые в алюминиевые сплавы, приводят к увеличению (до 50 %) электропроводности [7]. Добавление мишметалла к алюминиевым сплавам, используемым для высоковольтных линий электропередачи, приводит к повышению прочности на растяжение, термостойкости, вибростойкости, и т. п. Редкоземельные элементы вводят и в состав легких сплавов. Известен, например, жаропрочный сплав алюминия с 11 % мишметалла. Сплав, состоящий из алюминия, железа и церия, разработан для замены дорогостоящих титановых компонентов. Церий обеспечивает необходимую коррозионную стойкость при повышенных температурах. Значительные улучшения прочностных свойств сплавов А1—Mg и А1—Li были получены в результате добавления скандия.

Благодаря таким свойствам как высокая прочность на растяжение, хорошая пластичность в дополнение к низкой плотности, алюминиевые сплавы с добавкой редких земель применяются в авиационной отрасли. История создания в нашей стране производства широкого спектра алюминиевых сплавов, легированных РЗМ, начиная от пионерских работ ИМЕТ АН СССР, ВИМС и ВИАМ и до настоящего времени, подробно рассмотрена в обзоре [8]. Обзор охватывает рентгеноконтрастные, проводниковые, высокопрочные быстрозакристаллизованные сплавы, сплавы системы алюминий — магний — скандий, алюминиево-литиевые и высокопрочные сплавы со скандием. Общие закономерности взаимодействия алюминия с РЗМ, установленные в работах советских ученых, позволили предложить ряд новых материалов и областей их эффективного практического применения.

Новой перспективной областью применения скандия, а возможно и РЗМ, является технология ЗО-печати. Интерес к скандию в этой сфере связан с его способностью модифицировать свойства алюминиевых сплавов и порошков так, что их можно спекать и сплавлять. Использование ЗО-печати уже в недалеком будущем расширит возможности применения данных материалов в промышленности и в быту.

Редкие земли используются и для легирования титановых сплавов [9]. Микролегирование различных титановых сплавов РЗМ приводит к повышению прочности, снижению внутренних напряжений и стойкости к окислению. Быстрозатвердевающие титановые сплавы с добавками редкоземельных элементов, таких как иттрий, неодим, эрбий, или церий в количестве от 1 % до 2 % показали улучшение на порядки величины предела текучести при высокой температуре и других механических свойств. Наиболее используемыми при этом редкими землями стали эрбий и иттрий.

Для сплавов на основе меди добавка мишметалла или иттрия усиливает стойкость к окислению, не влияя на электропроводность. Например, сопротивление окислению при 600 °С почти удвоилось при внесении в сплав 0,1 % иттрия. Редкие земли нашли также широкое применение в производстве дисперсноупрочненных сплавов [1].

Упорядоченные сплавы с дальним порядком, такие как (Fe, Co)3V, (Fe, Ni)3V и (Fe, Co, Ni)3V применяются в высокотемпературных системах. Добавка церия (в количестве 0,1 %) совместно с титаном удваивает способность таких сплавов к пластической деформации, существенно снижает характеристики ползучести. Кроме того, смеси, содержащие Zr, Се и Y-оксиды с контролируемой морфологией частиц используют для создания плазменных покрытий, защищающих основу от высокотемпературного разрушения [1].

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>