稀土摻雜對(duì)鋁合金組織性能的影響

刁丹丹

信陽師范學(xué)院物理電子工程學(xué)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(zhì)、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(jī)制，進(jìn)一步推進(jìn)稀土在鋁合金中的應(yīng)用，從而提高鋁合金的性能和產(chǎn)品附加值，對(duì)于我國的資源綜合利用，將資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)具有重要意義。

1 稀土元素及其應(yīng)用意義

稀土的英文是Rare Earth，意即“稀少的土”。根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)對(duì)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(shù)從57～71的15個(gè)鑭系元素，再加上與其電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)相近的鈧(21)和釔(39)，共計(jì)17個(gè)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(duì)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(yè)的發(fā)展，稀土應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，需求數(shù)量不斷增加。稀土將在未來世界的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，顯示出十分重要的作用。

2 稀土對(duì)鋁合金組織性能的影響

2.1 變質(zhì)作用

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

2.1.1 晶粒細(xì)化作用

晶粒細(xì)化是提高材料強(qiáng)度和硬度的重要手段之一，是改善鋁材質(zhì)量的重要途徑。物質(zhì)內(nèi)部的空隙小了，它們之間的結(jié)合力就會(huì)增大，整體的硬度就大大增強(qiáng)。細(xì)化晶粒提高金屬的強(qiáng)度和硬度，就是利用這個(gè)道理。金屬的塑性變形主要是晶體內(nèi)部的位錯(cuò)的滑移，晶粒的晶界區(qū)有阻止滑移變形的性能，細(xì)化晶?？梢詼p少晶粒內(nèi)部的缺陷的相對(duì)量，并且增加晶界，使變形抗力增加，從而提高強(qiáng)度和硬度，同時(shí)塑性下降。

隨著鋁材的廣泛應(yīng)用，尤其是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)在后續(xù)深加工工藝中的組織提出了嚴(yán)格的要求，而控制其組織和性能的關(guān)鍵之一是熔鑄出細(xì)小均勻的鑄態(tài)晶粒組織。要獲得這種組織，必須通過不同的手段細(xì)化晶粒，即結(jié)晶組織的微處理問題，包括液態(tài)時(shí)加入各種細(xì)化劑或借助外來能量(如機(jī)械振動(dòng)、電磁攪拌等)使α-Al基體細(xì)化。在工業(yè)生產(chǎn)條件下，只有添加細(xì)化劑的處理是最簡便而又有效的方法。

鋁合金晶粒細(xì)化最有效，最實(shí)用的方法是添加含B、Ti等元素的中間合金細(xì)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(xì)化作用逐漸引起人們的重視。文獻(xiàn)指出，Al-Ti-B中間合金中配入適量的RE，可有效地抑制細(xì)化衰退現(xiàn)象，此外，稀土本身也能夠細(xì)化晶粒，RE與鋁及鋁中的Fe、Si等可形成高熔點(diǎn)的細(xì)小化合物，這些化合物能起到非自發(fā)形核的作用，使晶粒得到細(xì)化。

2.1.2 對(duì)共晶體變質(zhì)作用

近年來，關(guān)于稀土對(duì)鋁硅合金變質(zhì)作用的研究和應(yīng)用的報(bào)道不斷增多，充分肯定了稀土元素對(duì)共晶硅的良好變質(zhì)作用。李道韞等采用A1-RE中間合金對(duì)鋁硅共晶合金進(jìn)行變質(zhì)處理，結(jié)果表明，微量可使鋁硅共晶合金獲得完全變質(zhì)組織，RE變質(zhì)具有比鈉鹽變質(zhì)更好的長效性及重熔性，變質(zhì)后，高溫保持4h，重熔兩次時(shí)，變質(zhì)作用基本不衰退。

2.1.3 改善富鐵雜質(zhì)相作用

文獻(xiàn)指出，對(duì)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(lián)合處理的方法，可以將含鐵1.10%～1.30%的ZL16合金的力學(xué)性能提高到原合金不含鐵時(shí)的水平，說明Mn-RE聯(lián)合處理對(duì)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(xiàn)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(diǎn)較高，不會(huì)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(dāng)強(qiáng)，可以生成RES、RE2S3、RE2O2S等硫化物。稀土極易與硫、磷、銻、砷等低熔點(diǎn)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(diǎn)高、比重輕的特點(diǎn)，當(dāng)它們的熔點(diǎn)高于金屬冶煉溫度時(shí)，會(huì)上浮一部分成渣，其微小的質(zhì)點(diǎn)便成為鋁結(jié)晶過程的異質(zhì)晶核，而留在固態(tài)金屬內(nèi)的部分則能降低其危害性。這些化合物沿枝晶向整個(gè)晶體內(nèi)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(shù)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(shí)，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(xué)上講，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)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(yīng)用中的缺陷

加入稀土元素時(shí)應(yīng)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(fā)生沖突而降低合金的性能等現(xiàn)象。稀土變質(zhì)效果受冷卻速度影響甚大，冷卻速度快，變質(zhì)效果好，當(dāng)冷卻速度低于臨界變質(zhì)速率時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)變質(zhì)不足的問題。

4 結(jié)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(shí)也是鋁合金使用大國。把稀土作用于鋁合金晶粒細(xì)化過程中不僅能提高鋁合金的性能，節(jié)約材料，還可以充分利用我國的稀土資源，提高經(jīng)濟(jì)效益。相信不久的將來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，稀土在鋁合金中的應(yīng)用研究進(jìn)一步深入和技術(shù)水平的不斷提高，稀土在鋁合金中的使用會(huì)更加廣泛。

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