Die Zugabe von Seltenen Erden (REEs) zu Aluminiumlegierungen der Serien 7xxx, 5xxx und 2xxx wurde intensiv erforscht und zeigte bemerkenswerte Effekte. Insbesondere bei Aluminiumlegierungen der Serie 7xxx, die mehrere Legierungselemente enthalten, kommt es beim Schmelzen und Gießen häufig zu starker Entmischung, was zur Bildung erheblicher Mengen eutektischer Phasen führt. Dies verringert die Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit und beeinträchtigt die Gesamtleistung der Legierung. Die Einarbeitung von Seltenen Erden in hochlegierte Aluminiumlegierungen kann die Körner verfeinern, die Entmischung unterdrücken und die Matrix reinigen, wodurch die Mikrostruktur und die Gesamteigenschaften verbessert werden.
In jüngster Zeit hat ein Typ superplastischer Kornverfeinerer an Bedeutung gewonnen. Diese Verfeinerer nutzen Seltenerdelemente wie La und Ce, um die Schwächung von Korn- und Subkorngrenzen zu verstärken. Dies verfeinert nicht nur die Körner, sondern fördert auch eine gleichmäßige Verteilung der Ausscheidungen, unterdrückt die Rekristallisation und verbessert die Duktilität der Legierung deutlich, was letztlich die Produktivität bei Extrusionsprozessen steigert.
In Aluminiumlegierungen der Serie 7xxx werden Seltenerdelemente im Allgemeinen auf drei Arten hinzugefügt:
1.Nur Seltenerdelemente;
2. Kombination aus Zr und Seltenerdelementen;
3. Kombination aus Zr, Cr und Seltenerdelementen.
Der Gesamtgehalt an Seltenerdelementen wird normalerweise auf 0,1–0,5 Gew.-% begrenzt.
Mechanismen von Seltenerdelementen
Seltene Erden wie La, Ce, Sc, Er, Gd und Y tragen über mehrere Mechanismen zu Aluminiumlegierungen bei:
Kornverfeinerung: Seltenerdelemente bilden gleichmäßig verteilte Niederschläge, die als heterogene Keimbildungsstellen wirken und dendritische Strukturen in gleichachsige Feinkörner umwandeln, was die Festigkeit und Duktilität verbessert.
Unterdrückung der Entmischung: Während des Schmelzens und Erstarrens fördern Seltenerdelemente eine gleichmäßigere Elementverteilung, reduzieren die Eutektikumbildung und erhöhen die Matrixdichte.
Matrixreinigung: Y, La und Ce können mit Verunreinigungen in der Schmelze (O, H, N, S) reagieren und stabile Verbindungen bilden, wodurch der Gasgehalt und die Einschlüsse verringert werden und die Legierungsqualität verbessert wird.
Modifikation des Rekristallisationsverhaltens: Bestimmte Seltenerdelemente können Korn- und Subkorngrenzen fixieren und so Versetzungsbewegungen und Korngrenzenwanderungen verhindern. Dies verzögert die Rekristallisation und erhält feine Subkornstrukturen während der thermischen Verarbeitung, was sowohl die Festigkeit als auch die Korrosionsbeständigkeit verbessert.
Wichtige Seltenerdelemente und ihre Auswirkungen
Scandium (Sc)
Sc hat den kleinsten Atomradius unter den Seltenerdelementen und ist auch ein Übergangsmetall. Es ist äußerst wirksam bei der Verbesserung der Eigenschaften verformter Aluminiumlegierungen.
In Aluminiumlegierungen scheidet sich Sc als kohärentes Al₃Sc ab, wodurch die Rekristallisationstemperatur erhöht und die Kornvergröberung unterdrückt wird.
In Kombination mit Zr bilden sich hochtemperaturstabile Al₃(Sc,Zr)-Partikel, die gleichachsige Feinkörner fördern und Versetzungsbewegungen sowie Korngrenzenwanderungen verhindern. Dies verbessert die Festigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit.
Zu viel Sc kann zu groben Al₃(Sc,Zr)-Partikeln führen, wodurch die Rekristallisationsfähigkeit, Festigkeit und Duktilität verringert werden.
Erbium (Er)
Er wirkt ähnlich wie Sc, ist aber kostengünstiger.
In Legierungen der 7xxx-Serie verfeinern geeignete Er-Zusätze die Körner, verhindern Versetzungsbewegungen und Korngrenzenwanderungen, unterdrücken die Rekristallisation und erhöhen die Festigkeit.
Bei gleichzeitiger Zugabe von Zr bilden sich Al₃(Er,Zr)-Partikel, die thermisch stabiler sind als Al₃Er allein und eine bessere Unterdrückung der Rekristallisation ermöglichen.
Zu viel Er kann Al₈Cu₄Er-Phasen erzeugen, wodurch sowohl die Festigkeit als auch die Duktilität verringert werden.
Gadolinium (Gd)
Mäßige Gd-Zusätze verfeinern die Körner, erhöhen die Festigkeit und Duktilität und verbessern die Löslichkeit von Zn, Mg und Cu in der Matrix.
Die resultierende Al₃(Gd,Zr)-Phase fixiert Versetzungen und Subkorngrenzen und unterdrückt so die Rekristallisation. Auf den Kornoberflächen bildet sich außerdem ein aktiver Film, der das Kornwachstum weiter begrenzt.
Zu viel Gd kann zu einer Kornvergröberung führen und die mechanischen Eigenschaften verschlechtern.
Lanthan (La), Cer (Ce) und Yttrium (Y)
La verfeinert die Körner, reduziert den Sauerstoffgehalt und bildet einen aktiven Film auf den Kornoberflächen, um das Wachstum zu hemmen.
La und Ce fördern die Ausscheidung der GP-Zone und der η′-Phase und verbessern so die Matrixfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit.
Y reinigt die Matrix, verhindert die Auflösung wichtiger Legierungselemente in der festen Lösung, fördert die Keimbildung und verringert Potenzialunterschiede zwischen Korngrenzen und Korninnerem, wodurch die Korrosionsbeständigkeit verbessert wird.
Zu viel La, Ce oder Y kann zu groben, blockartigen Verbindungen führen, die die Duktilität und Festigkeit verringern.
Eigenschaften der wichtigsten Seltenerdelemente und ihre Merkmale in Aluminium
Veröffentlichungszeit: 21. August 2025
