稀土摻雜對鋁合金組織性能的影響

刁丹丹

信陽師范學院物理電子工程學院，河南 信陽 464000

0 引言

稀土元素是自然界中的一組具有特殊性質、特殊作用的金屬元素，在鋁合金中加入微量稀土元素，可以顯著改善鋁合金的組織與性能。深入研究稀土在鋁合金中的作用機制，進一步推進稀土在鋁合金中的應用，從而提高鋁合金的性能和產品附加值，對于我國的資源綜合利用，將資源優勢轉化為經濟優勢具有重要意義。

1 稀土元素及其應用意義

稀土的英文是Rare Earth，意即“稀少的土”。根據國際純粹與應用化學聯合會對稀土元素的定義，稀土類元素是門捷列夫元素周期表第三副族中原子序數從57～71的15個鑭系元素，再加上與其電子結構和化學性質相近的鈧(21)和釔(39)，共計17個元素共稱為稀土元素(Rare Earth)，簡稱稀土(RE或R)，為此有人稱之為“稀土十七姐妹”。對人們來說，稀土元素較為陌生，人類開始大量使用稀土只是近二三十年的事，特別是近10年，隨著工業的發展，稀土應用范圍逐漸擴大，需求數量不斷增加。稀土將在未來世界的經濟發展中，顯示出十分重要的作用。

2 稀土對鋁合金組織性能的影響

2.1 變質作用

變質處理是指在金屬及合金中加入少量或微量的變質劑，用以改變合金的結晶條件，使其組織和性能得到改善的過程，變質劑又稱晶粒細化劑。根據最新觀點，鋁合金變質處理大致可分三類：第一類是晶粒細化處理，主要用來細化α（Al）晶粒；第二類是共晶體變質，主要用于鋁硅共晶合金；第三類是改善雜質相組織或消除易熔雜質相，如改變粗大富鐵相等。

2.1.1 晶粒細化作用

晶粒細化是提高材料強度和硬度的重要手段之一，是改善鋁材質量的重要途徑。物質內部的空隙小了，它們之間的結合力就會增大，整體的硬度就大大增強。細化晶粒提高金屬的強度和硬度，就是利用這個道理。金屬的塑性變形主要是晶體內部的位錯的滑移，晶粒的晶界區有阻止滑移變形的性能，細化晶粒可以減少晶粒內部的缺陷的相對量，并且增加晶界，使變形抗力增加，從而提高強度和硬度，同時塑性下降。

隨著鋁材的廣泛應用，尤其是在高新技術領域的應用，對在后續深加工工藝中的組織提出了嚴格的要求，而控制其組織和性能的關鍵之一是熔鑄出細小均勻的鑄態晶粒組織。要獲得這種組織，必須通過不同的手段細化晶粒，即結晶組織的微處理問題，包括液態時加入各種細化劑或借助外來能量(如機械振動、電磁攪拌等)使α-Al基體細化。在工業生產條件下，只有添加細化劑的處理是最簡便而又有效的方法。

鋁合金晶粒細化最有效，最實用的方法是添加含B、Ti等元素的中間合金細化劑，除最常用的A1-Ti-B中間合金外，目前稀土元素的晶粒細化作用逐漸引起人們的重視。文獻指出，Al-Ti-B中間合金中配入適量的RE，可有效地抑制細化衰退現象，此外，稀土本身也能夠細化晶粒，RE與鋁及鋁中的Fe、Si等可形成高熔點的細小化合物，這些化合物能起到非自發形核的作用，使晶粒得到細化。

2.1.2 對共晶體變質作用

近年來，關于稀土對鋁硅合金變質作用的研究和應用的報道不斷增多，充分肯定了稀土元素對共晶硅的良好變質作用。李道韞等采用A1-RE中間合金對鋁硅共晶合金進行變質處理，結果表明，微量可使鋁硅共晶合金獲得完全變質組織，RE變質具有比鈉鹽變質更好的長效性及重熔性，變質后，高溫保持4h，重熔兩次時，變質作用基本不衰退。

2.1.3 改善富鐵雜質相作用

文獻指出，對含有較高鐵的鋁硅合金采用單一加猛的辦法不能完全消除鐵的危害，采用0.6%Mn和0.4%～0.5%RE聯合處理的方法，可以將含鐵1.10%～1.30%的ZL16合金的力學性能提高到原合金不含鐵時的水平，說明Mn-RE聯合處理對消除鐵的危害作用最有效。

2.2 凈化及降低孔隙率作用

稀土的凈化作用表現為明顯減少鋁液中的含氫量，降低鑄件針孔率和孔隙度，減少鋁液中的夾雜物，降低鋁液中的有害元素等。

2.2.1 稀土的除氣作用

稀土與氫有較大的親和力，能大量吸附和溶解氫，稀土與氫生成的化合物熔點較高，不會聚集形成氣泡，使鋁的含氫量和針孔率明顯降低。稀土與氮生成難溶化合物，在熔煉過程中，大部分以渣的形式排除。

2.2.2 稀土的除渣作用

稀土的脫硫能力也相當強，可以生成RES、RE2S3、RE2O2S等硫化物。稀土極易與硫、磷、銻、砷等低熔點金屬元素化合，生成REP、RESn、REAs等化合物。這些稀土化合物都具有熔點高、比重輕的特點，當它們的熔點高于金屬冶煉溫度時，會上浮一部分成渣，其微小的質點便成為鋁結晶過程的異質晶核，而留在固態金屬內的部分則能降低其危害性。這些化合物沿枝晶向整個晶體內均勻分布，消除了枝晶組織。研究表明：稀土處理后合金夾雜物的數量可明顯降低，其尺寸也有所下降。而且稀土加入量在0.25%左右時，夾雜量下降幅度最大。

2.2.3 稀土的除氧化夾雜作用

鋁合金鑄造件中主要的氧化夾雜是γ-Al2O3，從熱力學上講，在標準狀態下，稀土元素均能將γ-Al2O3中的Al還原出來，使γ-Al2O3夾雜物明顯降低。

3 稀土在鋁及鋁合金應用中的缺陷

加入稀土元素時應該注意掌握其加入量，防止因其不均勻分布而引起的大而脆的稀土金屬化合物生成和因其與某些合金元素發生沖突而降低合金的性能等現象。稀土變質效果受冷卻速度影響甚大，冷卻速度快，變質效果好，當冷卻速度低于臨界變質速率時，則會出現變質不足的問題。

4 結論

稀土元素在鋁及鋁合金中具有很多積極作用，我國是稀土大國，同時也是鋁合金使用大國。把稀土作用于鋁合金晶粒細化過程中不僅能提高鋁合金的性能，節約材料，還可以充分利用我國的稀土資源，提高經濟效益。相信不久的將來，隨著我國國民經濟的迅猛發展，稀土在鋁合金中的應用研究進一步深入和技術水平的不斷提高，稀土在鋁合金中的使用會更加廣泛。

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