Rozsiahly výskum sa uskutočnil pridávaním prvkov vzácnych zemín (REE) do hliníkových zliatin série 7xxx, 5xxx a 2xxx, pričom sa preukázali významné účinky. Najmä hliníkové zliatiny série 7xxx, ktoré obsahujú viacero legujúcich prvkov, často počas tavenia a odlievania dochádza k silnej segregácii, čo vedie k tvorbe značného množstva eutektických fáz. To znižuje húževnatosť a odolnosť proti korózii, čím sa zhoršuje celkový výkon zliatiny. Pridanie prvkov vzácnych zemín do vysoko legovaných hliníkových zliatin môže zjemniť zrná, potlačiť segregáciu a vyčistiť matricu, čím sa zlepší mikroštruktúra a celkové vlastnosti.
V poslednej dobe si pozornosť získal typ superplastického zjemňovača zŕn. Tieto zjemňovače využívajú prvky vzácnych zemín, ako sú La a Ce, na zlepšenie oslabenia hraníc zŕn a subzŕn. To nielen zjemňuje zrná, ale tiež podporuje rovnomerné rozptýlenie precipitátov, potláča rekryštalizáciu a výrazne zlepšuje ťažnosť zliatiny, čo v konečnom dôsledku zvyšuje produktivitu v procesoch extrúzie.
V hliníkových zliatinách série 7xxx sa prvky vzácnych zemín zvyčajne pridávajú tromi spôsobmi:
1. Samotné prvky vzácnych zemín;
2. Kombinácia Zr a prvkov vzácnych zemín;
3. Kombinácia Zr, Cr a prvkov vzácnych zemín.
Celkový obsah prvkov vzácnych zemín sa zvyčajne reguluje v rozmedzí 0,1 – 0,5 hmotnostných %.
Mechanizmy prvkov vzácnych zemín
Prvky vzácnych zemín, ako sú La, Ce, Sc, Er, Gd a Y, prispievajú k hliníkovým zliatinám prostredníctvom viacerých mechanizmov:
Zjemňovanie zŕn: Prvky vzácnych zemín tvoria rovnomerne rozložené zrazeniny, ktoré pôsobia ako heterogénne nukleačné miesta a premieňajú dendritické štruktúry na rovnoosé jemné zrná, čo zlepšuje pevnosť a ťažnosť.
Potlačenie segregácie: Počas topenia a tuhnutia prvky vzácnych zemín podporujú rovnomernejšie rozloženie prvkov, znižujú tvorbu eutektík a zvyšujú hustotu matrice.
Čistenie matrice: Y, La a Ce môžu reagovať s nečistotami v tavenine (O, H, N, S) za vzniku stabilných zlúčenín, čím sa znižuje obsah plynu a inklúzií, čo zlepšuje kvalitu zliatiny.
Modifikácia správania sa pri rekryštalizácii: Niektoré prvky vzácnych zemín môžu zovretie hraníc zŕn a subzŕn, čím sa inhibuje pohyb dislokácií a migrácia hraníc zŕn. To oneskoruje rekryštalizáciu a zachováva jemné subzrnné štruktúry počas tepelného spracovania, čím sa zlepšuje pevnosť aj odolnosť proti korózii.
Kľúčové prvky vzácnych zemín a ich účinky
Skandium (Sc)
Sc má najmenší atómový polomer spomedzi prvkov vzácnych zemín a je tiež prechodným kovom. Je vysoko účinný pri zlepšovaní vlastností deformovaných hliníkových zliatin.
V hliníkových zliatinách sa Sc vyzráža ako koherentný Al₃Sc, čím sa zvyšuje teplota rekryštalizácie a potláča sa zhrubnutie zŕn.
V kombinácii so Zr sa tvoria častice Al₃(Sc,Zr) stabilné pri vysokých teplotách, ktoré podporujú tvorbu rovnoosých jemných zŕn a bránia pohybu dislokácií a migrácii hraníc zŕn. To zlepšuje pevnosť, odolnosť voči únave a odolnosť voči korózii pod napätím.
Nadmerné množstvo Sc môže viesť k hrubým časticiam Al₃(Sc,Zr), čo znižuje schopnosť rekryštalizácie, pevnosť a ťažnosť.
Erbium (Er)
Er pôsobí podobne ako Sc, ale je nákladovo efektívnejší.
V zliatinách série 7xxx vhodné prísady Er zjemňujú zrná, inhibujú pohyb dislokácií a migráciu hraníc zŕn, potláčajú rekryštalizáciu a zvyšujú pevnosť.
Pri spoločnom pridaní so Zr sa tvoria častice Al₃(Er,Zr), ktoré sú tepelne stabilnejšie ako samotný Al₃Er, čo lepšie potláča rekryštalizáciu.
Nadmerné množstvo Er môže viesť k vzniku fáz Al₈Cu₄Er, čo znižuje pevnosť aj ťažnosť.
Gadolínium (Gd)
Mierne pridanie Gd zjemňuje zrná, zvyšuje pevnosť a ťažnosť a zlepšuje rozpustnosť Zn, Mg a Cu v matrici.
Výsledná fáza Al₃(Gd,Zr) viaže dislokácie a hranice subzŕn, čím potláča rekryštalizáciu. Na povrchu zŕn sa tiež tvorí aktívny film, ktorý ďalej obmedzuje ich rast.
Nadmerné množstvo Gd môže spôsobiť zhrubnutie zŕn a zhoršenie mechanických vlastností.
Lantan (La), cér (Ce) a ytrium (Y)
La zjemňuje zrná, znižuje obsah kyslíka a vytvára na povrchu zŕn aktívny film, ktorý bráni rastu.
La a Ce podporujú precipitáciu GP zóny a fázy η′, čím sa zlepšuje pevnosť matrice a odolnosť proti korózii.
Y čistí matricu, bráni rozpúšťaniu hlavných legujúcich prvkov v tuhom roztoku, podporuje nukleáciu a znižuje potenciálne rozdiely medzi hranicami zŕn a vnútrom zŕn, čím zvyšuje odolnosť proti korózii.
Nadmerné množstvo La, Ce alebo Y môže viesť k hrubým blokovým zlúčeninám, ktoré znižujú ťažnosť a pevnosť.
Vlastnosti hlavných prvkov vzácnych zemín a ich charakteristiky v hliníku
Čas uverejnenia: 21. augusta 2025
