稀土對鋁基材料銻合金化腐蝕行為的影響

何杰軍，吳魯淑

（1．百色學(xué)院物理與電信工程系，廣西 百色533000；2．廣西大學(xué)材料科學(xué)與工程院，廣西 南寧530004）

稀土對鋁基材料銻合金化腐蝕行為的影響

何杰軍1，吳魯淑2

（1．百色學(xué)院物理與電信工程系，廣西 百色533000；2．廣西大學(xué)材料科學(xué)與工程院，廣西 南寧530004）

利用X射線衍射分析、掃描電鏡表面形貌分析、能譜分析等方法，分析了銻對鋁基材料的合金化腐蝕行為以及少量稀土添加劑對Al-Sb合金化腐蝕行為的影響。

稀土；X射線衍射；銻腐蝕

銻作為合金添加劑用于鋁合金中不僅在科學(xué)研究中受到關(guān)注，在工業(yè)上也得到了實(shí)際應(yīng)用［1］。在工業(yè)實(shí)踐中，銻常常被以Al-Sb中間合金的形式加入鋁合金特別是Al-Si合金中，原因是人們發(fā)現(xiàn)銻能夠在很高的冷卻速度下細(xì)化粗大的針狀共晶組織，使其變?yōu)楸容^細(xì)的纖維組織，得到較好的鑄造性能。此外，AlSb合金還是很好的半導(dǎo)體材料［2～3］。

廣西是全國舉足輕重的有色基地，除銦儲(chǔ)量居世界第一，錫儲(chǔ)量居全國之首外，銻的儲(chǔ)量也是全國第一。而今，廣西已形成年產(chǎn)近15萬t銻的生產(chǎn)規(guī)模。但由于礦料——脆硫鉛銻精礦是世界獨(dú)一無二的復(fù)雜金屬硫化礦，主金屬鉛銻的分離自20世紀(jì)60年代以來一直是眾多冶金工作者久攻不破的難題。這一難題嚴(yán)重限制了廣西銻業(yè)的發(fā)展。長期以來只能用該礦生產(chǎn)高鉛銻合金，價(jià)格與精銻差數(shù)千元／t，經(jīng)濟(jì)損失巨大。近年來雖可用除鉛劑從鉛銻合金中將鉛脫除而生產(chǎn)出二號(hào)銻，但除鉛成本近千元／t，且限制了礦物資源的綜合利用。20世紀(jì)80年代中期，昆明理工大學(xué)在鉛錫真空蒸餾的基礎(chǔ)上，研發(fā)了鉛銻真空蒸餾工藝設(shè)備，采用該技術(shù)可產(chǎn)出2號(hào)銻甚至于1號(hào)銻。該技術(shù)20世紀(jì)90年代中期于南丹龍泉礦冶廠進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化研究，實(shí)踐證明工藝路程暢通，指標(biāo)極優(yōu)。但致命問題是銻金屬嚴(yán)重腐蝕以鋼鐵為主的爐缸、爐殼，全新的爐子作業(yè)數(shù)小時(shí)便被擊穿，這一嚴(yán)峻問題一直阻礙著該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。直至今天，廣西的脆硫鉛銻礦的冶煉還是以火法冶煉進(jìn)行成分分離，該技術(shù)工序繁雜，中間產(chǎn)物多，能耗高，返料量大，若能真正實(shí)現(xiàn)真空蒸餾分離鉛銻，則將大大減少生產(chǎn)工序，提高生產(chǎn)效率，降低成本。

近幾十年來鋁合金由于在建筑業(yè)、電力工業(yè)、制造業(yè)、包裝業(yè)、航天工業(yè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用受到了越來越多的材料科學(xué)工作者的關(guān)注。鋁合金具有質(zhì)輕、耐腐蝕、易加工、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，因而其發(fā)展速度非常快，在全世界的產(chǎn)量已成為除鋼鐵之外的第二大金屬材料，其應(yīng)用領(lǐng)域甚至比鋼鐵材料還廣泛。雖然純鋁本身的熔點(diǎn)并不高，但是鋁和其它金屬的一些中間化合物熔點(diǎn)非常高，如FeAl、TiAl等，都是現(xiàn)在研究比較熱門的潛在的高溫結(jié)構(gòu)材料［4～5］。

稀土由于其優(yōu)異的性能備受人們關(guān)注。一方面，稀土與其它金屬構(gòu)成的化合物往往具有許多優(yōu)異性能，在功能材料領(lǐng)域中，已經(jīng)出現(xiàn)了具有優(yōu)良特性的稀土永磁、儲(chǔ)氫、高溫超導(dǎo)等新型材料；另一方面，稀土對改善材料的性能具有非常明顯的效果，因而在現(xiàn)代材料科學(xué)研究中經(jīng)常被當(dāng)作一種優(yōu)良的添加劑。研究表明，稀土對提高材料的強(qiáng)度、改善材料抗腐蝕性能以及其它物理性能等方面具有非常明顯的作用［6～7］。 因此，本文首先研究Sb對鋁基材料的腐蝕行為，進(jìn)而探討稀土添加劑對鋁基材料銻腐蝕行為的影響，希望能夠?yàn)閷ふ乙环N抗銻腐蝕的合金材料提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)所用材料為高純銻（99．99%wt．%）和高純鋁（99．99%）。稀土材料選用高純鏑（99．99%）。首先將適量金屬鋁塊與銻塊裝入Al2O3坩堝中，將坩堝置于石英管中密閉抽成真空，在管式電阻爐中對抽成真空的坩堝加熱至900℃，保溫1h后隨爐冷卻。取部分合金試樣進(jìn)行XRD物相分析，再將余下的部分合金與適量的Dy在高真空非自耗電弧爐中熔煉，合金試樣在600℃保溫2 d，用液氮進(jìn)行淬火處理。將淬火處理后的樣品放入研缽中研磨成粒度合適的粉末，采用RigakuD／Max2500型X射線粉末衍射儀（XRD）進(jìn)行相分析，部分樣品用掃描電鏡進(jìn)行表面形貌觀察并用附帶的能譜儀進(jìn)行微區(qū)成分分析。

2 結(jié)果與討論

2．1 鋁和銻的相互作用

文獻(xiàn)［8］報(bào)道，在Al-Sb二元系中存在中間化合物AlSb，通過對實(shí)驗(yàn)得到的合金進(jìn)行物相分析，表明部分鋁塊已與所加的金屬銻發(fā)生反應(yīng)生成金屬間化合物AlSb，XRD圖譜如圖1。所發(fā)生的反應(yīng)如下：

Al＋Sb＝AlSb

根據(jù)文獻(xiàn)［9］，AlSb的熔點(diǎn)為（1058±10）℃，而脆硫鉛銻礦的真空蒸餾一般在1000℃左右，與Fe相比，F(xiàn)e與Sb結(jié)合主要生成FeSb2和FeSb兩個(gè)中間化合物，而前者僅在738℃以下穩(wěn)定存在，后者熔點(diǎn)為1019℃，低于AlSb。

圖1 鋁銻合金的XRD圖譜

2．2 稀土添加劑與鋁、銻的相互作用

實(shí)驗(yàn)分析表明，在Al-Sb合金中添加稀土Dy之后，部分Sb與Dy發(fā)生作用，生成化合物DySb，XRD圖譜如圖2，反應(yīng)如下：

Dy＋Sb＝DySb

DySb有αDySb和βDySb兩種晶型，前者在1890℃以下穩(wěn)定存在，后者于1890~2170℃之間穩(wěn)定存在，熔點(diǎn)為2170℃。SEM分析結(jié)果如圖3。微區(qū)能譜分析表明，灰色相為鋁，黑色相為DySb，白色相為銻。

圖2 稀土-鋁-銻合金的XRD圖譜

圖3 稀土-鋁-銻合金SEM圖片

3 結(jié)論

在工業(yè)上，銻腐蝕真空蒸餾爐基體，本質(zhì)上是銻與真空蒸餾爐爐體材料發(fā)生相互作用而使?fàn)t體材料的相關(guān)性能受到破壞，本文通過對Al-Sb、少量稀土-Al-Sb的合金化機(jī)理研究表明，Sb通過與Al的合金化消耗鋁基體，生成熔點(diǎn)相對較高的中間合金，而少量稀土添加劑則與Sb結(jié)合生成中間化合物，減緩鋁基體的消耗與腐蝕。

［1］Y．Wang，Z．H．Zhang，S．H．Zheng and X．F．Bian，J．Alloys Compd．370（2004），159-163．

［2］ 溫才，李方華，鄒進(jìn)，等．AlSb／GaAs（001）失配位錯(cuò)的高分辨率電子顯微學(xué)研究［J］．物理學(xué)報(bào)，2010，20（3）：1928-1937．

［3］ 宋慧瑾，賀劍雄，武莉莉，等．AlSb多晶薄膜材料的性能研究［J］．無機(jī)材料學(xué)報(bào)，2009，24（3）：517-520．

［4］ 馮旭東，袁慶龍，曹晶晶，等﹒TiAl基合金研究進(jìn)展［J］．航天制造技術(shù)，2009，（3）：35-38．

［5］ 彭小敏，夏長青，王志輝，等﹒TiAl基合金高溫氧化及防護(hù)的研究進(jìn)展［J］．中國有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20（6）：1116-1130．

［6］J．T Staley，J．liu，W．T．Jr Hunt，Adv Mater and Proc．152（1997）17．

［7］R．Lundi，J．R．Wilson，Adv Mater and Proc．A31（2000）607．

［8］T．B．Massalski（Ed．），Binary Alloy Phase Diagrams，ASM，Metals Park，OH，1990．

［9］ 戴永年，楊斌，馬文會(huì)，等．有色金屬真空冶金進(jìn)展［J］．真空，2004，41（3）：5-8．

Effect of Rare Earths on Antimony-Corrosion to Aluminum Alloys

HE Jie-jun1，WU Lu-shu2
（1．Department of Physics and Communication Engineering，Baise University，Baise 533000，China；2．College of Materials Science and Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

Behavior of antimony-corrosion to aluminum alloys and the effect of rare earths on antimonycorrosion to aluminum alloys was researched by X-ray powder diffraction，scanning electron microscopy and energy dispersive spectrometer．

rare earths；X-ray diffraction；antimony-corrosion

TG 17

A

1671-9905（2011）05-0004-02

廣西教育廳科研項(xiàng)目（No．200911MS226），廣州大學(xué)-百色學(xué)院合作科學(xué)研究項(xiàng)目（GBK2010007）

何杰軍（1982-），男，貴州納雍人，百色學(xué)院教師，主要從事合金相圖、相結(jié)構(gòu)方面的研究，Email：hejiejungz＠126．com

2011-01-20