Pengaruh unsur tanah jarang terhadap sifat mekanik paduan magnesium
Magnesium dan paduannya, sebagai bahan struktural logam paling ringan saat ini, memiliki keunggulan seperti kepadatan rendah, kekuatan dan kekakuan spesifik tinggi, redaman tinggi, konduktivitas termal baik, kemampuan mesin sangat baik, ukuran komponen stabil, dan daur ulang mudah. Paduan ini banyak digunakan dalam industri seperti penerbangan, kedirgantaraan, industri otomotif, transportasi, elektronik, komunikasi, dan komputer.
Karena sifat mekanik yang tidak memadai dan ketahanan korosi yang buruk, paduan magnesium terbatas dalam aplikasi luasnya dalam produksi dan kehidupan sehari-hari. Namun, ketika sejumlah kecil tanah jarang ditambahkan, berbagai sifat paduan magnesium dapat ditingkatkan secara signifikan. Elemen tanah jarang terletak di kelompok IIIB tabel periodik. Struktur elektronik terluar atom adalah sama, keduanya memiliki dua elektron, sedangkan struktur elektronik terluar kedua serupa. Jumlah elektron pada orbital 4f di lapisan ketiga hingga terakhir bervariasi dari 0 hingga 14; Sifat kimianya tidak berbeda secara signifikan, dan semuanya sangat aktif. Paduan magnesium dan elemen tanah jarang keduanya memiliki struktur kristal heksagonal yang padat, sehingga elemen tanah jarang memiliki kelarutan padat yang tinggi dalam paduan magnesium. Kecuali Sc, 16 elemen tanah jarang lainnya dapat membentuk fase eutektik dengan Mg, dan sebagian besar elemen tanah jarang memiliki kelarutan padat yang tinggi dalam Mg.
Pengaruh Unsur Tanah Jarang terhadap Pemurnian dan Pemurnian Butir Paduan Mg
Magnesium memiliki sifat kimia yang aktif dan cenderung bereaksi dengan O2 dan H2O untuk membentuk MgO, yang mengakibatkan adanya inklusi oksida dalam paduan magnesium, yang mengurangi kualitas dan kinerja paduan magnesium. Inklusi teroksidasi umumnya terdapat pada matriks atau batas butir coran paduan magnesium, yang menyebabkan retak lelah pada paduan dan mengurangi sifat mekanis dan ketahanan korosi. Penambahan unsur tanah jarang tidak hanya dapat mengurangi jumlah inklusi, tetapi juga memperbaiki ukuran butir dan meningkatkan kinerja paduan.
Bila unsur tanah jarang Ce ditambahkan ke paduan magnesium AM50, Ce berperan dalam memurnikan paduan tersebut, mengurangi pengotor seperti Fe dan Ni. Penambahan Y dapat mengurangi ukuran butiran paduan Mg Zn Zr yang diekstrusi, dan ukuran butiran yang tidak mengandung unsur tersebut dapat berkurang dari 14,2μm menjadi 3,2μm, turun hingga 3% (fraksi massa). Penurunannya mencapai 77%.
1. Pengaruh unsur tanah jarang terhadap sifat mekanik paduan Mg
Sistem Al RE 1,1Mg
Paduan magnesium seri Mg Al saat ini merupakan seri paduan magnesium yang paling beragam dan paling banyak digunakan. Unsur tanah jarang yang ditambahkan ke paduan magnesium seri Mg Al terutama meliputi Ce, Y, Nd, dll. Paduan berbasis Mg Al tanpa unsur tanah jarang terutama meliputi - Dendrit Mg dan senyawa intermetalik yang terdistribusi di antara dendrit - Fase Mg17Al12; Dan ketika unsur tanah jarang ditambahkan ke paduan berbasis Mg-3% Al, - Dendrit Mg menjadi lebih halus, senyawa intermetalik - Fase Mg17Al12 digantikan oleh Al11RE3 dan A12RE.
Fase Al11RE3 pada dasarnya stabil pada suhu 200 derajat. Saat suhu terus meningkat, fase Al11RE3 akan berubah menjadi fase Al2RE. Hal ini juga menunjukkan bahwa stabilitas Al11RE3 bersifat kondisional.
Setelah menambahkan unsur tanah jarang, kekuatan paduan meningkat baik pada suhu kamar maupun 200 derajat, perpanjangan tetap pada tingkat yang relatif tinggi. Peningkatan kekuatan setelah menambahkan unsur tanah jarang mungkin terkait dengan faktor-faktor berikut: pertama, pembentukan sejumlah besar senyawa intermetalik Al11RE3 memainkan peran penting dalam memperkuat batas dendrit; Kedua, penambahan unsur tanah jarang menyempurnakan lengan dendritik dan mendorong peningkatan kekuatan; Terakhir, menambahkan unsur tanah jarang, terutama Y, akan meningkatkan kekuatan matriks Mg melalui penguatan larutan padat.
Sistem 1.2 Mg-Zn-RE
Paduan berbasis Mg Zn banyak digunakan dalam paduan magnesium yang mengalami deformasi dan memiliki kemampuan penguatan penuaan yang baik. Ada banyak jenis unsur tanah jarang yang ditambahkan ke paduan Mg Zn, seperti Y, Er, Gd, Nd, Ce, dll. Setelah menambahkan unsur tanah jarang, sifat mekanis paduan ditingkatkan, karena unsur tanah jarang dapat memperbaiki ukuran butiran dan membentuk fase penguatan dalam paduan, sehingga meningkatkan kekuatan paduan.
Penambahan unsur tanah jarang Ce dan Gd ke dalam paduan cor Mg-3.8Zn-2.2Ca menghasilkan peningkatan kekuatan tarik dari 123,8 MPa menjadi 146,1 dan 130,6 MPa, dan peningkatan perpanjangan dari 2,4% menjadi 3,5% dan 2,9%, masing-masing.
Sekadar mempelajari penambahan unsur tanah jarang pada paduan cor tidak dapat memenuhi persyaratan kekuatan paduan. Semakin banyak peneliti mulai mempelajari efek ganda deformasi dan penambahan unsur tanah jarang pada sifat paduan. Sebuah studi perbandingan paduan Mg{{0}}.0Zn-0.9Y-0.16Zr cor dan ekstrusi mengungkapkan peningkatan signifikan pada sifat mekanis setelah ekstrusi, dengan kekuatan tarik, kekuatan luluh, dan perpanjangan meningkat dari 168105 MPa dan 1,8% menjadi 363317 MPa dan 12%, berturut-turut. Peningkatan sifat mekanis dikaitkan dengan efek penyempurnaan butiran setelah ekstrusi paduan. Sifat mekanis paduan Mg-6Zn-1Mn-0.5Ce setelah ekstrusi juga telah ditingkatkan, dengan kekuatan luluh meningkat dari 209 MPa menjadi 232 MPa, kekuatan tarik pada dasarnya tidak berubah, dan perpanjangan meningkat dari 11,5% menjadi 14,7%. Dibandingkan dengan paduan M-12Zn-1.5Er yang dicetak, sifat mekanis paduan yang diekstrusi telah ditingkatkan secara signifikan.
Sistem RE 1,3 Mg Li
Paduan Mg Li merupakan seri paduan magnesium yang paling ringan. Setelah menambahkan unsur tanah jarang, sifat mekanis paduan Mg Li ditingkatkan melalui penguatan larutan padat dan pembentukan senyawa intermetalik kecil dan terdispersi. Ada banyak jenis unsur tanah jarang yang ditambahkan ke paduan Mg Li, seperti Y, Ce, Nd, dll.
Penambahan unsur tanah jarang pada paduan Mg-5Li-3Al-2Zn menghasilkan pembentukan fase Al2RE atau Al3RE dan penurunan fase AlLi. Dengan penambahan unsur tanah jarang, kekuatan tarik paduan meningkat seiring dengan peningkatan jumlah penambahan. Namun, ketika jumlah penambahan melebihi 1,5% (fraksi massa), kekuatan tarik melemah. Tren perubahan perpanjangan sama dengan tren kekuatan tarik. Ketika jumlah penambahan 1,5% (fraksi massa), Mg-5Li-3Al-2Zn-1.5RE memiliki kekuatan tarik dan perpanjangan optimal, yaitu masing-masing 206,5 MPa dan 14,4%.
Nd juga dapat meningkatkan kekuatan tarik dan perpanjangan paduan. Ketika kandungan Nd adalah 2,1% (fraksi massa), kekuatan tarik paduan Mg2Li3Al mencapai puncak 185,95MPa, dan ketika kandungan Nd adalah 1,6% (fraksi massa), perpanjangan mencapai puncak 16,3%. Peningkatan sifat mekanis dikaitkan dengan pengurangan penambahan Nd. Ukuran fase dan distribusi fase baru Al2Nd pada batas fase membatasi slip. BinJiang dkk. menyelidiki efek Ce dan Y pada sifat paduan Mg11Li12Zn. Penelitian telah menemukan bahwa menambahkan 13,5% (fraksi massa) Ce dan Y ke paduan Mg15Li16Zn dapat meningkatkan kekuatan, dan dalam kondisi yang sama, efek Y lebih signifikan daripada Ce. Penambahan 0.5% (fraksi massa) Y secara simultan meningkatkan perpanjangan paduan Mg-8Li-2Zn, sedangkan Ce mengurangi perpanjangan.
1.4 Lainnya
Untuk paduan Mg-4Y-4Sm-0.5Zr, kekuatan tarik dan kekuatan luluh sedikit melemah dengan peningkatan suhu ekstrusi; Sebaliknya, dengan peningkatan suhu ekstrusi setelah penuaan, kekuatan tarik dan kekuatan luluh meningkat. Ketika paduan tersebut menua pada suhu 200 derajat selama 16 jam, paduan yang diekstrusi pada suhu 400 derajat memiliki sifat mekanis yang optimal, dengan kekuatan tarik 400 MPa, kekuatan luluh melebihi 300 MPa, dan perpanjangan 7%. Setelah 14 siklus kompresi ekstrusi, kekuatan luluh, kekuatan tarik, dan perpanjangan paduan Mg-10Gd-2Y-0.5Zr meningkat masing-masing sebesar 20%, 8,2%, dan 150%.
Penambahan unsur tanah jarang Ce ke paduan M-3Sn-2Ca dapat meningkatkan sifat mekanis paduan secara signifikan ketika kandungan Ce mencapai 1,5% (fraksi massa) atau lebih. Ketika kandungan Ce 2% (fraksi massa), peningkatan kekuatan tarik, kekuatan luluh, dan perpanjangan pada suhu ruangan masing-masing adalah 24,4%, 28,6%, dan 73,7%. Peningkatan pada suhu 150 derajat masing-masing adalah 22,4%, 28,8%, dan 56%.
Unsur tanah jarang Y juga dapat meningkatkan kekuatan paduan. Ketika jumlah penambahan adalah 1,5% (fraksi massa), sifat mekanis paduan tersebut optimal, dengan kekuatan tarik, kekuatan luluh, dan perpanjangan pada suhu ruangan masing-masing sebesar 150, 137MPa dan 3,2%, dengan peningkatan sebesar 18,1%, 22,3%, dan 68,4%. Peningkatan yang sesuai pada suhu 150 derajat masing-masing adalah 19,8%, 24%, dan 54,9%. Dalam penelitian ChengWeili, ditemukan juga bahwa Ce dapat meningkatkan sifat mekanis Mg-5Sn-4Zn.
HNRE memproduksi semua paduan magnesium tanah jarang yang disebutkan di atas, beberapa di antaranya cukup populer seperti paduan induk Mg-Gd, Mg-Nd, Mg-Zr, Mg-Ce, Mg-Y, Mg-Er. Semua komponen dan rasio dapat disesuaikan menurut kebutuhan pelanggan.