稀土在鑄造鋁合金中的應用國外開展的較早，我國雖然從20世紀60年代才開始這方面的研究和應用，但發(fā)展很快，從機理研究到實際應用都做了大量工作，并取得了一些成果。伴隨稀土元素的加入，鋁合金的力學性能、鑄造性能、電學性能等都得到了極大地改善。在新材料領域，稀土元素豐富的光學、電學及磁學特性也發(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理

稀土具有很高的化學活性、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)，常以變質劑、生核劑和脫氣劑加入鋁液中，起到凈化熔體、改善組織、細化晶粒等作用。

01.稀土的凈化作用

由于在熔鑄鋁合金時，會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。主要是因為稀土與氫有較大的親和力，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，從而達到凈化鋁液的目的。

實踐證明，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、細化雜質或改變其形貌，使之晶粒細化并分布均勻；另外，RE與低熔點有害雜質形成RES、REAs、REPb等二元化合物，而這些化合物具有熔點高、密度小、化學性質穩(wěn)定的特點，可以上浮成渣、撈除，從而凈化鋁液；遺留的微細質點成為鋁的異質晶核從而細化晶粒。

02.稀土的變質作用

稀土變質作用主要表現(xiàn)在細化晶粒和枝晶，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，性質比較活潑，熔于鋁液中極易填補合金相的表面缺陷，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，當稀土含量為0．3%時α(Al) 相的晶粒***小，隨著稀土量進一步增加晶粒又逐漸變大。實驗證明稀土變質作用存在一定潛伏期，只有在高溫下保持一定的時間，稀土才會發(fā)揮***大的變質作用。此外，鋁與稀土形成的化合物在金屬結晶時晶核數(shù)大量增加也使得合金組織得到細化。研究證明稀土對鋁合金具有良好的變質效果。

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化作用主要包括細晶強化、有限固溶強化和稀土化合物的第二相強化等。

稀土在鋁及鋁合金中的存在形式與其加入量有很大關系，一般當RE含量小于0.1%時，RE的作用主要以細晶強化和有限固溶強化為主；當RE含量為0.25%～0.30%時，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)大量位錯及細晶粒球化組織和彌散稀土化合物，會產(chǎn)生第二相強化等微合金化效果。

三、稀土對鋁及鋁合金性能的影響

01.稀土對合金綜合力學性能的影響

適量稀土的加入可以提高合金的強度、硬度、伸長率、斷裂韌性和耐磨性等綜合力學性能。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；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Al-Sc合金進行系統(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度和極限拉伸強度。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，高溫強度提高了33%，高溫持久強度(300℃、1000小時)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晶組織，大幅度提高合金的高溫性能。

四、稀土對合金光學性能的影響

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

04.稀土對合金電學性能的影響

向高純鋁中添加稀土對合金導電性是有害的，但是在工業(yè)純鋁和Al-Mg-Si 導電合金中添加適量的RE，電導率卻可以得到一定程度的提高。實驗結果表明，在鋁中添加0.2%的RE，可使導電率提高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，合金極易遭受腐蝕、縫隙腐蝕、應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年浸泡試驗結果表明，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力腐蝕性能；將La加入到高Mg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

稀土在鋁合金及其它合金中多以微量元素形式加入，稀土化學活性很高、熔點高、高溫下易氧化燒損等，這給稀土鋁合金的制備和應用研究造成了一定的困難。在長期的試驗研究中，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，制得中間合金或應用合金，將中間合金和按計算余量剩下的鋁再一起熔煉、充分攪拌、精煉。

02.熔電解法

熔鹽電解法是在電解鋁時，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。其主要化學反應如下式表示:

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行的，而且還原溫度較高都會產(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，避免了原來高溫產(chǎn)生的問題。

六、稀土鋁合金的應用進展

01.稀土鋁合金在電力行業(yè)中的應用

由于稀土鋁合金具有導電性好、載流量大、強度高、耐磨損、易加工、壽命長等優(yōu)點可用于制造電纜線、架空輸電線、線芯、滑接線和特殊用途的細導線。在Al－Si合金系中加入微量的RE可以提高導電性，這是因為鋁合金中硅是含量較高的雜質元素對電性能的影響較大，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電率；稀土可以提高鋁合金系的拉伸強度、耐熱性和耐腐蝕性，采用稀土鋁合金的電纜、導線可以加大架設電纜線鐵塔的跨距，并延長電纜的使用壽命。

02.稀土鋁合金在建筑行業(yè)中的應用

在建筑行業(yè)應用***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、力學性能、耐蝕性能、表面處理性能和色調。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，使合金的各項性能得到不同程度的改善，如型材強度提高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用。

03.稀土鋁合金在日用制品中的應用

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械加工性能，已有多種牌號的產(chǎn)品用于飛機、船舶、汽車、柴油機、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。在研究和應用中發(fā)現(xiàn)，Sc是優(yōu)化鋁合金組織性能的***有效元素，對鋁有很強的彌散強化、細晶強化、固溶強化和微合金強化作用，可以提高合金的強度、硬度、塑性、韌性、抗蝕性、耐熱性等。Sc-Al系合金已應用于航天航空、艦船、高速列車、輕型汽車等高新技術工業(yè)。美國航天局開發(fā)的C557Al-Mg-Zr-Sc系鈧鋁合金具有高強度和高溫與低溫穩(wěn)定性已應用于飛機機身與飛機結構件；俄羅斯研究開發(fā)的0146Al-Cu-Li-Sc系合金已應用于航天器低溫燃料貯箱。

來源 ：材易通

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