含钪铝合金的现状与开发前景

帐篷支架, 笔记本电脑和手机的外壳 , 甚至枪械的枪 身也成为美国等扩展应用开发的领域。 1 3 我国对钪的利用状况 我国拥有丰富的钪资源, 近年来在资源开发与 钪的提取方面都取得了突破性进展。日趋成熟的工 艺 , 已将我国钪的产能提升到数百公斤的规模, 位居 世界前列。同时我国又是世界产铝大国 , 积累了多 年生产稀土铝的丰富经验, 可供借鉴。实际上通过 含钪铝合金的应用开发 , 不仅可以解决钪的应用问 题 , 帮助摆脱我国目前钪工业的困难 , 而且对于我国 国民经济和军事科学技术的发展也有巨大的作用和 意义。目前 , 中南大学及东北大学等单位已开展了 一些基础工作, 并取得了一定进展, 有待进一步做深 入的研究。 此外, 我国还拥有全球最大的自行车销售市场。 尤其是研发此类新材料是以轻量化、 节能降耗、 有益 环保、 有益提高人民的生活质量为主要目标。因此 以发展自行车民用为突破口 , 只要把握时机, 发挥资 源和市场优势, 钪铝合金的产品开发和应用开发必 将在较短时间内收到效果。
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发展含钪铝合金的主要障碍与解决途径
钪在地 壳 中 的含 量 并 不 少 , 但 其 过 于 分散。
2 1 发展含钪铝合金的主要障碍 另外 , 由于对钪的应用较少 , 也使得对其资 源的调 查工作 相对 较 为落 后。目 前 我国 提 钪 的主 要 资 源 , 是酸法生 产钛白 的废液 和氧化 钛氯 化的烟 尘 以及炼钨 废渣 [ 7] 。经 估算 , 即 使上 述资 源全部 加 以利用, 每年也 只能生产 不足 10 t 氧化 钪。 显然 这样的资源量很难支撑钪的大规模 应用。但随着 钪的应用 领域的 扩展以 及对 钪需求 的扩大 , 相 信 会有新的可供提钪资源被发现和利 用。例 如我国 铝土矿中氧化钪含量约为 40~ 200 ppm, 每年资源 开采总量 达近千 吨 [ 8] , 而 且主 要富 集于 氧化铝 生 产过程中产生的废 渣 赤泥中 , 历年 累计量十 分可 观 , 一旦这一资源得以成功利 用, 将使我国 钪资源 紧缺状况发生根本改变。 铝钪合金应用的另一巨大障碍是钪的价格过于 昂贵。据文献报道 : 90 年代初期 , 国际市场氧化钪 ( 99 99% ) 价格最高时为每千克 1 8 万美元, 金属钪 ( 99 99% ) 价格更是高达每千克 7 5 万美元。虽然 其价 格 在 近 年 已 大 幅 下 跌, 国 内 3N 级 氧 化 钪 ( 99 9% ) 己降至每千克万元以下 , 金属钪价格为每 千克 5~ 10 万元, 铝钪合金 ( 含 Sc2% ) 每千克 800 元人民币。但这个价格依然很高, 使钪的应用市场 开发十分缓慢。据国内用户反应, 只有将铝钪合金 2006 年 第 12 期热加工工艺技术ຫໍສະໝຸດ 装备含钪铝合金的现状与开发前景
黄玉凤, 党惊知
( 中北大学 材料科学与工程 学院 , 山西 太原 030051 )
摘 要: 对国内外 Al Sc 合金的发展历史和现状进行了概括。讨论了发展钪及铝钪合金中存在的一 些问题, 并总结了一些解决方法。 简要阐述了钪对铝的很好弥散强化作用 , 是铝合金强有力的晶粒细化剂 和有效的再结晶抑制剂 。钪在铝及铝合金中同时具有稀土金属和过渡族金属类金属的有益作用 , 但其效 果却比这 2 类金属明显得多 , 铝钪合金的开发有望逐步扩大应用。 关键词: 钪 ; 铝钪合金; 晶粒细化; 再结晶 ; 发展前景 中图分类号: T G249 2 文献标识码: A 近年来, 我国汽车、 机电产品的快速发展, 拉动 了对铝的迫切需求。 2002 年我国铝的消费 量上升 到 538 2 万吨( 人均消费 4 1 kg) , 而 2005 年铝的年 产量可 望高达 500 万 吨, 成 为举 足轻重 的铝生 产 大国。 为适应交通工具轻量化和家用电器、 电子产品 轻薄短小的要求 , 满足日益拓展的市场需求, 用户对 质量轻、 价格低、 易加工的铝合金 , 在提高强度方面 提出了更高的要求。 通常所 用 的高 强 度、 高韧 性 铝 合金 如 7475, 7050, 7175 等牌号的铝合金的 拉伸强度 和屈服强 度皆在 400~ 600 M Pa 的范围内波动 , 强度最高的 仅为 570~ 630 M Pa, 一般很难逾越 650 M Pa 的门 坎。因此 , 他们在进一步减轻、 减薄 铝合金零部件 的重量和厚度时 , 无法在强度上满足客户的要求。 钪为 3d 元素 , 与外层被 4f 电子围绕的稀土元 素有明显的性能差别 , 其晶格常数、 密度及某些物 理、 力学性 能更接 近于 铝、 钇 和钛 , 是 铝合金 理想 的合金化 元素。就铝合 金而 言, 钪对 铝有着 很好 的弥散强化 作用 , 是铝合 金强 有力的 晶粒细 化剂 和有效的再结晶抑制剂。钪在铝及 铝合金中同时 具有稀土金 属和过 渡族金 属类金 属的有 益作 用 , 但其效 果却 比这 2 类金 属明 显得 多 微合金 化添 加元素。据 报导
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国内外研究铝钪合金的历史和现状
钪可提高铝合金强度, 早在 20 世纪 60 年代末
前苏联就已经发现稀土元素中最轻的成员钪( Sc) 能 使铝的晶粒细化并显著提高铝合金的强度。此后他 们在对纯金属钪、 钪的金属间化合物质及相关相图 进行充分研究的基础上研发出多种含钪铝合金, 并 在米格 29 型战斗机及导弹的导向尾翼上首先获得 应用。1989 年后, 俄罗斯、 乌克兰生产的金属钪及 相关技术流向西方 , 钪铝合金的优异性能才得到美、 欧等国的青睐, 对他的研发才逐步扩大到全球范围。 1 1 俄罗斯对钪的利用状况 俄罗斯对钪及含钪合 金的研究 , 始于 20 世纪 60 年代 。当时美苏 2 国进行核军备竞赛, 计划经 济体制下的苏联, 大量生产铀, 并对其副产物钪也进 行了军事开发研究 , 工作一直到现在。就钪铝合金 而言, 俄罗斯一直处于领先位置 , 对钪铝合金应用方 面呈现了如下几个特点 : 研究力量强。俄罗斯科 学和技术部、 军转民的中央科研所、 全俄化学工艺研 究所、 全俄航空材料研究所等一大批科研力量长期 从事参与钪铝合金的研制开发工作 ; 成果显著。 俄罗斯已形成从钪的化合物、 中间合金到金属钪的 完整工业体系, 已建成生产规模上吨的钪铝合金厂; ! 钪铝合金实现了商品化。俄罗斯开发的 4 大系 列钪铝合金已投放市场, 这 4 大系列为: 1) 热处理 非强化可焊 A l M g Sc 系合金; 2) 热处理强化高强 度可焊 Al Zn M g Sc; 3) 热处理强化中强和高强可 焊 Al L i Sc 系合金; 4) 热处理 强化高强 度 Al Z n M g Cu Sc 系航空合金。共计有 17 个牌号的 Al Sc 合金 。 ∀ 技术领先。俄罗斯的 1420 系列铝锂钪
合金中的 1421, 1423 合金, 是铝锂钪合金第 2 代产 品中优于美国 2090 、 英国 8090、 法国 2091 等铝锂合 2006 年 第 12 期 # 41 #
∃新技术新工艺% # 热加工工艺技术与装备
金的产品。在航空工业中 , 已广泛用作米格- 26、 米 格- 29、 图 - 204 客机、 雅克 - 36 直升机的 结构材 料, 还以挤压异形材的形式用于安东诺夫运输机作 机身纵梁。 1 2 西方国家对钪的利用状况 最近这方面的工作又 向前跨出了一大 步。美 国航 天局 兰利 ( L angley ) 研发 中 心开 发的 牌 号为 C557 的钪铝合金利用钪与锆的协 同强化效应 , 不 但提高了强 度和热 稳定性 , 同 时还使 该合金 可在 液氢的温度 下工作 , 拓宽 了此 种含钪 和锆的 铝镁 合金在航空结构及航天结构的应用范围。 2002 年 乌克兰材料科学问题研究所与美国赖特 帕特森空 军基地的空军研 发实验室 合作 , 通过添加 0 49% ( 质量 分数 ) 钪 对 Al Zn M g Cu 进行 了改 性研 究 , 认为合金成分和热处理条件是提 升合金性能的决 定性因素 , 在 T 6 热处理条件下 , 高锌浓度 ( 10% ~ 12% ) 同时含 3% ( 质量分数 ) 镁和 1% ~ 2% ( 质量 分数 ) 铜 的 Al Zn M g Cu 合金 内形 成细 而均 匀的 显微组织 , 晶粒大小为 15~ 25 m 。 钪铝合金是可供航空航天工程选用的基碳性结 构材 料。近年来, 由 于钪的供应渠道畅通 , 钪价下 跌, 兼之钪在铝合金中 的用量极少 , 因此在保 证强 度、 塑性、 可焊性、 耐蚀性明显提高的前提下, 钪铝合 金已实现民用商品化。故而 1996 年美国阿什赫斯 特( Ashust) 工艺公司通过 与乌克兰合作率先 开发 出用于运动器械如曲棍球球杆手柄、 棒球棒和垒球 棒用的高强度轻质钪铝合金。这种钪铝合金球棒质 轻、 刚度高 , 在美国球具市场上颇受欢迎。 1 只球棒 300 美元 , 高的附加值已吸引耐克公司开始 涉足钪 铝球棒市场。此外, 阿什赫斯特公司还开发含 Sc 铝 合金的应用范围 , 而且更能充分发挥合金的潜在优 势, 为这一新型高性能铝合金在我国高科技领域中 的应用开辟新途径。 还有能改善焊接强度、 使抗疲劳强度提高 3 倍 , 并减少热开裂的钪铝合金焊丝。钪铝焊丝的加盟 , 使近年强度已上升到 650 M Pa 以上 , 塑性与可焊性 具佳的钪铝金, 更适合制造轻量化的自行车, 成为理 想的高强材料。美国伊斯顿( Easto n) 自行车产品集 团是用钪铝合金降低自行车架、 前叉用管材管径厚 度及轮圈重量的先行者, 已开发出的高级跑车 , 其车 架使用钪铝合金重量仅有 1 kg 。台湾穗高 工业公 司步美国之后尘 , 也开发了钪铝车架等自行车部件 , 并于 2003 年初接收了欧洲市场 5 万台的订单。每 台自行车单价高达 8 000 人民币, 初步实现了自行 车产业向高附加值转型。此外 , 在一些要求质量轻、 强度高的民品应用中也大有文章可做, 如野外露营 # 42 #
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。因此 , 目
前钪成为国际材料界倍受重视的 一种新型铝合金 , 研究 含钪铝 合金 最早、 最深入的国家是前苏联和现在的俄 罗斯, 他 们在含钪铝 合金的 研究方 面开展 了大量 的工 作 , 并获得了成功应用。除此 之外 , 美
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、 日、 德和加
拿大等国也 开展了 不少含 钪铝合 金的研 究工 作 , 取得了很 大的成 绩。在 我国 , 含 钪铝 合金的 研究 起步较晚 , 但近些年已开展了一些基础研 究, 取得 了一定的进展。
∃新技术新工艺% # 热加工工艺技术与装备
的价格降到每千克 400 元左右 , 才有可能推广应用。 除俄罗斯外的其他国家虽对其进行了大量研究 , 却 鲜有将其列入牌号者 , 便是很好的例证。可见只有 尽快研究相对经济的提钪方法 , 才能加快推动钪的 实际应用。 2 2 可能的解决途径 如前所述, 要使钪的大规模应用得以实施 , 必须 解决资源与价格 2 大难题。其可能的解决途径有以 下几条: 1) 新的含钪原料的发现和利用 这包括钪富集度较高的矿物或资源量更大的含 钪原料的成功利用, 如前面所说的铝土矿或赤泥等。 2) 不对钪进行高度提纯而直接利用 钪在铝合金中应用, 其含量仅 0 3% 左右, 只要 其氧化物中钪与铁、 硅等有害杂质的比达到 50 甚至 30, 就可使带入 合金 的有害 杂质控 制在 0 01% 以 下, 这已经可以满足合金应用的需要了。因此 , 只要 得到纯度在 90% 以上的氧化物 , 就可以满足生产合 金的需要。 3) 直接电解含钪的铝基合金 文献表明, 现有金属钪的生产方法 , 主要有中间 合金法、 熔盐电解法和钙热还原法。 此外 , 除了钪资源稀散和价格昂贵的外在因素 外, A l Sc 合金本身研究也存在着 一定的问题。我 国 Sc 资源丰富, 是氧化钪初级产品的主要输出国 , 但 Al Sc 中间合金制备技术落后 , 生产成本高 , 严重 制约了 Al Sc 的发展。目前国内外的 Al Sc 中间合 金制取方法有 3 种: 对掺法, 熔盐电解法和金属热还 原法 。20 世纪 90 年代东北大学采用氧化钪 铝热 直接还原法成 功的制备了 Al Sc 合金[ 10] 。中 南大 学采用氯化钪铝 镁热还原法制备钪中间合金也取 得了一定的进展。但是这些方法都存在着一定的不 足, 尚需进一步提高 。通过中间合金的研制与开 发, 可以把使我国氧化钪初级产品资源优势变为资 源深加工 技术优势。