稀土在鑄造鋁合金中的應(yīng)用國外開展的較早，我國雖然從20世紀(jì)60年代才開始這方面的研究和應(yīng)用，但發(fā)展很快，從機(jī)理研究到實(shí)際應(yīng)用都做了大量工作，并取得了一些成果。伴隨稀土元素的加入，鋁合金的力學(xué)性能、鑄造性能、電學(xué)性能等都得到了極大地改善。在新材料領(lǐng)域，稀土元素豐富的光學(xué)、電學(xué)及磁學(xué)特性也發(fā)揮著重要的作用，用來制作稀土永磁材料、稀土發(fā)光材料、稀土貯氫材料等。

一、稀土在鋁及鋁合金中的作用機(jī)理

稀土具有很高的化學(xué)活性、低電位和特殊電子層排布，幾乎能與所有的元素作用。鋁及鋁合金中常用的稀土有La(鑭)、Ce(鈰)、Y(釔)和Sc(鈧)，常以變質(zhì)劑、生核劑和脫氣劑加入鋁液中，起到凈化熔體、改善組織、細(xì)化晶粒等作用。

01.稀土的凈化作用

由于在熔鑄鋁合金時(shí)，會(huì)帶入大量氣體和氧化夾雜(主要是氫、氧和氮)，使鑄件產(chǎn)生針孔、裂紋和夾雜等缺陷(見圖1a)，降低鋁合金的強(qiáng)度。稀土的凈化作用主要表現(xiàn)為明顯減少鋁液中的氫含量，降低針孔率和孔隙度(見圖1b)，減少夾雜物和有害元素等。主要是因?yàn)橄⊥僚c氫有較大的親和力，能大量吸附和溶解氫，并形成穩(wěn)定的化合物，不會(huì)聚集成氣泡，使鋁的含氫量和孔隙率明顯降低；稀土與氮生成難熔化合物，在熔煉過程中大部分以渣的形式排除，從而達(dá)到凈化鋁液的目的。

實(shí)踐證明，稀土具有降低鋁及鋁合金中氫、氧和硫含量的效果，在鋁液中加入0.1%～0.3%的RE，有助于更好地清除有害雜質(zhì)、細(xì)化雜質(zhì)或改變其形貌，使之晶粒細(xì)化并分布均勻；另外，RE與低熔點(diǎn)有害雜質(zhì)形成RES、REAs、REPb等二元化合物，而這些化合物具有熔點(diǎn)高、密度小、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，可以上浮成渣、撈除，從而凈化鋁液；遺留的微細(xì)質(zhì)點(diǎn)成為鋁的異質(zhì)晶核從而細(xì)化晶粒。

02.稀土的變質(zhì)作用

稀土變質(zhì)作用主要表現(xiàn)在細(xì)化晶粒和枝晶，抑制粗片狀T2相出現(xiàn)，消除原晶內(nèi)分布的粗大塊狀相并形成球狀相，使晶界處條狀及碎塊狀化合物明顯減少(見圖2所示)。通常情況下，稀土原子半徑大于鋁原子半徑，性質(zhì)比較活潑，熔于鋁液中極易填補(bǔ)合金相的表面缺陷，使得新舊兩相界面上的表面張力降低，提高了晶核的生長速度；同時(shí)還能在晶粒與熔融液之間形成表面活性膜，阻止生成的晶粒長大，細(xì)化合金組織(見圖2b所示)。

加入稀土元素后α(Al)相晶粒開始變小，起到了一定的細(xì)化晶粒作用，原本粗大樹枝狀的α(Al)相變成了較小的玫瑰狀或者桿狀，當(dāng)稀土含量為0．3%時(shí)α(Al) 相的晶粒***小，隨著稀土量進(jìn)一步增加晶粒又逐漸變大。實(shí)驗(yàn)證明稀土變質(zhì)作用存在一定潛伏期，只有在高溫下保持一定的時(shí)間，稀土才會(huì)發(fā)揮***大的變質(zhì)作用。此外，鋁與稀土形成的化合物在金屬結(jié)晶時(shí)晶核數(shù)大量增加也使得合金組織得到細(xì)化。研究證明稀土對(duì)鋁合金具有良好的變質(zhì)效果。

二、稀土的微合金化作用

稀土主要以3種形式存在于鋁及鋁合金中：固溶在基體α(Al)中；偏聚在相界、晶界和枝晶界；固溶在化合物中或以化合物形式存在。稀土在鋁合金中的強(qiáng)化作用主要包括細(xì)晶強(qiáng)化、有限固溶強(qiáng)化和稀土化合物的第二相強(qiáng)化等。

稀土在鋁及鋁合金中的存在形式與其加入量有很大關(guān)系，一般當(dāng)RE含量小于0.1%時(shí)，RE的作用主要以細(xì)晶強(qiáng)化和有限固溶強(qiáng)化為主；當(dāng)RE含量為0.25%～0.30%時(shí)，RE與Al等形成大量球狀或短棒狀的金屬間化合物，分布在晶粒內(nèi)或晶界中，并出現(xiàn)大量位錯(cuò)及細(xì)晶粒球化組織和彌散稀土化合物，會(huì)產(chǎn)生第二相強(qiáng)化等微合金化效果。

三、稀土對(duì)鋁及鋁合金性能的影響

01.稀土對(duì)合金綜合力學(xué)性能的影響

適量稀土的加入可以提高合金的強(qiáng)度、硬度、伸長率、斷裂韌性和耐磨性等綜合力學(xué)性能。鑄鋁ZL10系合金中加入0.3%RE，其σ_b由205.9MPa提高274MPa，HB由80提高到108；7005合金中加入0.42%的Sc，其σ_b由314MPa增加到414MPa，σ_0.2由282MPa增加到378MPa，塑性由6.8%增加到10.1%，而且高溫穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)；La和Ce可明顯提高合金的超塑性，Al-6Mg-0.5Mn合金中加入0.14%～0.64% La，其超塑性從430%增加到800%～1000%；對(duì)Al-Sc合金進(jìn)行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)添加適量的Sc可以大幅度提高合金材料的屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度。圖3為Al-Si7-Mg_0.8合金拉伸斷口SEM形貌圖，說明未加入RE時(shí)為典型的脆性解理斷裂，而加入0.3%RE后，斷口中出現(xiàn)了明顯的韌窩狀組織，說明其具有良好的韌性和延展性。

02.稀土對(duì)合金高溫性能的影響

在鋁合金中加入一定量的稀土，可以有效提高鋁合金的耐高溫氧化性能。向鑄造Al-Si系共晶合金中添加1%～1.5%混合稀土，高溫強(qiáng)度提高了33%，高溫持久強(qiáng)度(300℃、1000小時(shí))提高了44%，而且耐磨性和高溫穩(wěn)定性顯著提高；在鑄造Al-Cu系合金中添加La、Ce、Y和混合稀土可以改善合金的高溫性能；快速凝固的Al-8.4%Fe-3.4%Ce合金，可以在400℃以下長時(shí)間工作，大大提高了鋁合金的使用工作溫度；將Sc加入到Al-Mg-Si合金中，形成在高溫下不易粗化與基體共格的Al₃Sc粒子釘扎晶界使得合金在退火過程中保持未再結(jié)晶組織，大幅度提高合金的高溫性能。

四、稀土對(duì)合金光學(xué)性能的影響

將稀土加入鋁合金中可以改變其表面氧化膜的結(jié)構(gòu)，使表面更加光亮美觀。向鋁合金中加入0.12%～0.25%的RE時(shí)，被氧化著色的稀土6063型材的反射率高達(dá)92%；向Al-Mg系鑄造鋁合金中添加0.1%～0.3%的RE時(shí)，可使合金獲得***好的表面光潔度和光澤持久性。

04.稀土對(duì)合金電學(xué)性能的影響

向高純鋁中添加稀土對(duì)合金導(dǎo)電性是有害的，但是在工業(yè)純鋁和Al-Mg-Si 導(dǎo)電合金中添加適量的RE，電導(dǎo)率卻可以得到一定程度的提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在鋁中添加0.2%的RE，可使導(dǎo)電率提高2%～3%。在Al-Zr合金中加入少量富釔稀土，可提高合金導(dǎo)電率，該合金已為國內(nèi)大多數(shù)電線廠采用；向高純鋁中添加微量稀土，制成Al-RE箔電容器，用于25kV產(chǎn)品中，電容指標(biāo)提高1倍，單位體積容量提高5倍，重量減輕47%，電容器體積顯著減小。

05.稀土對(duì)合金耐腐蝕性能的影響

在一些使用環(huán)境中尤其是存在氯離子時(shí)，合金極易遭受腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞等破壞。為了提高鋁合金的耐腐蝕性能，人們進(jìn)行了許多研究，研究中發(fā)現(xiàn)向鋁合金中添加適量的稀土可以有效的提高其耐腐蝕性能。向鋁中添加不同量(0.1%～0.5%)混合稀土制得的試樣，在含鹽水和人造海水中連續(xù)3年浸泡試驗(yàn)結(jié)果表明，鋁中加入少量稀土可以提高鋁的耐腐蝕性，在含鹽水和人造海水中耐腐蝕性比鋁分別高24%和32%；采用化學(xué)氣相法，加入稀土多組元滲劑( La、Ce等)，能在2024合金表面形成一層稀土轉(zhuǎn)化膜，使鋁合金的表面電極電位趨于均勻，提高抗晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能；將La加入到高M(jìn)g鋁合金中，能顯著提高合金的抗海洋腐蝕能力；在鋁合金中添加1.5%～2.5%Nd，可提高合金的高溫性能、氣密性和耐腐蝕性，廣泛用作航空航天材料。

五、稀土鋁合金的制備技術(shù)

稀土在鋁合金及其它合金中多以微量元素形式加入，稀土化學(xué)活性很高、熔點(diǎn)高、高溫下易氧化燒損等，這給稀土鋁合金的制備和應(yīng)用研究造成了一定的困難。在長期的試驗(yàn)研究中，人們不斷探索稀土鋁合金的制備方法。目前制備稀土鋁合金的生產(chǎn)方法主要有混熔法、熔鹽電解法和鋁熱還原法。

01.混熔法

混熔法是將稀土或混合稀土金屬按比例加到高溫鋁液中，制得中間合金或應(yīng)用合金，將中間合金和按計(jì)算余量剩下的鋁再一起熔煉、充分?jǐn)嚢?、精煉?/span>

02.熔電解法

熔鹽電解法是在電解鋁時(shí)，向工業(yè)鋁電解槽中加入稀土氧化物或稀土鹽類，同氧化鋁一起電解，以制取稀土鋁合金。熔鹽電解法在我國發(fā)展比較快，一般可以有兩種途徑即液態(tài)陰極法和電解共析法，目前已經(jīng)發(fā)展到了可以直接把稀土化合物加入工業(yè)鋁電解槽里，用共析法電解氯化物熔體生產(chǎn)出稀土鋁合金。

03.鋁熱還原法

由于金屬鋁具有很強(qiáng)的還原能力，鋁又可以與稀土形成多種金屬間化合物，因此可以采用鋁作還原劑來制備稀土鋁合金。其主要化學(xué)反應(yīng)如下式表示:

RE₂O₃ + 6Al→2REAl₂ + Al₂O₃

其中，稀土原料可用稀土氧化物或稀土富渣；還原劑可采用工業(yè)用純鋁或硅鋁等；還原溫度1400℃～1600℃。早期是在有助熱劑和助熔劑存在的條件下進(jìn)行的，而且還原溫度較高都會(huì)產(chǎn)生很多問題；近年來，研究人員研究出一種新的鋁熱還原法，在較低溫度(780℃)，在氟化鈉、氯化鈉體系中完成的鋁熱還原反應(yīng)，避免了原來高溫產(chǎn)生的問題。

六、稀土鋁合金的應(yīng)用進(jìn)展

01.稀土鋁合金在電力行業(yè)中的應(yīng)用

由于稀土鋁合金具有導(dǎo)電性好、載流量大、強(qiáng)度高、耐磨損、易加工、壽命長等優(yōu)點(diǎn)可用于制造電纜線、架空輸電線、線芯、滑接線和特殊用途的細(xì)導(dǎo)線。在Al－Si合金系中加入微量的RE可以提高導(dǎo)電性，這是因?yàn)殇X合金中硅是含量較高的雜質(zhì)元素對(duì)電性能的影響較大，而添加適量的稀土可以改善硅在合金中的存在形態(tài)和分布情況，能夠有效改善鋁的電性能；在耐熱鋁合金導(dǎo)線中加入少量的釔或富釔混合稀土后，不僅保持良好的高溫性能還可以提高導(dǎo)電率；稀土可以提高鋁合金系的拉伸強(qiáng)度、耐熱性和耐腐蝕性，采用稀土鋁合金的電纜、導(dǎo)線可以加大架設(shè)電纜線鐵塔的跨距，并延長電纜的使用壽命。

02.稀土鋁合金在建筑行業(yè)中的應(yīng)用

在建筑行業(yè)應(yīng)用***廣泛的是6063鋁合金，加入0.15%～0.25%的稀土，可以明顯改善鑄態(tài)組織和加工組織，可以提高擠壓性能、熱處理效果、力學(xué)性能、耐蝕性能、表面處理性能和色調(diào)。研究發(fā)現(xiàn)，在6063鋁合金中稀土主要分布在α－Al中和相界、晶界以及枝晶間，它們固溶在化合物中或以化合物的形式存在，細(xì)化枝晶組織和晶粒，使未溶共晶尺寸和韌窩區(qū)中的韌窩尺寸顯著變小，分布均勻，密度增加，使合金的各項(xiàng)性能得到不同程度的改善，如型材強(qiáng)度提高20%以上，延伸率提高50%，腐蝕速率降低一倍以上，氧化膜厚度增加5%～8%，著色性能提高3%左右。因此RE－6063合金建筑型材獲得廣泛應(yīng)用。

03.稀土鋁合金在日用制品中的應(yīng)用

在日用鋁制品用純鋁和Al-Mg系等鋁合金中添加微量稀土，能明顯提高力學(xué)性能、深沖性和耐蝕性。采用Al-Mg-RE合金制造的鋁壺、鋁鍋、鋁盤、鋁飯盒、鋁家具支架、鋁自行車和家電零部件等生活日用品，與未加稀土的鋁合金制品相比，耐腐蝕性提高2倍多，重量減輕10%～15%，成品率增加10%～20%，生產(chǎn)成本降低10%～15%，且具有更好的深沖和深加工性能。目前，稀土鋁合金日用品獲得了廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)品大幅增加，暢銷國內(nèi)外市場。

04.稀土鋁合金在其它方面的應(yīng)用

在用量***多的鋁硅系鑄造合金中，加上千分之幾的稀土，就能明顯改善合金的機(jī)械加工性能，已有多種牌號(hào)的產(chǎn)品用于飛機(jī)、船舶、汽車、柴油機(jī)、摩托車和裝甲車(活塞、齒輪箱、汽缸和儀器儀表等器部件)等方面。在研究和應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，Sc是優(yōu)化鋁合金組織性能的***有效元素，對(duì)鋁有很強(qiáng)的彌散強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和微合金強(qiáng)化作用，可以提高合金的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、抗蝕性、耐熱性等。Sc-Al系合金已應(yīng)用于航天航空、艦船、高速列車、輕型汽車等高新技術(shù)工業(yè)。美國航天局開發(fā)的C557Al-Mg-Zr-Sc系鈧鋁合金具有高強(qiáng)度和高溫與低溫穩(wěn)定性已應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身與飛機(jī)結(jié)構(gòu)件；俄羅斯研究開發(fā)的0146Al-Cu-Li-Sc系合金已應(yīng)用于航天器低溫燃料貯箱。

來源 ：材易通

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