稀土在鋁合金鑄造中的運(yùn)用探討

宋肖濱

摘 要：鑄造鋁合金具備剛性好、密度低以及強(qiáng)度高等特征，大量運(yùn)用于民用與軍用產(chǎn)品，特別是在航海、航空以及航天工業(yè)中發(fā)揮著重要作用。近幾年內(nèi)，因?yàn)殇X合金的運(yùn)用日益寬泛，對(duì)于鋁合金有著更高的性能需求。在鑄造鋁合金中加入稀土元素便能夠轉(zhuǎn)變其性能與組織，以達(dá)到凈化金屬液與復(fù)合變質(zhì)等各種要求。

關(guān)鍵詞：稀土；鋁合金；鑄造；運(yùn)用

鋁合金是當(dāng)前運(yùn)用最多的工業(yè)合金之一，因?yàn)殍T造鋁合金具備高強(qiáng)、輕質(zhì)、優(yōu)良的加工性能、耐蝕性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在電子產(chǎn)業(yè)、航天航空以及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域獲得了大量的運(yùn)用，被運(yùn)用于制造形狀各異、薄壁的大中小型零部件。

一、稀土在鋁合金鑄造中運(yùn)用的重要性分析

我們國(guó)家的稀土資源加工、出口以及占有等位于全球首位。我國(guó)在二十世紀(jì)六十年代中期在鑄鐵過(guò)程中運(yùn)用稀土，逐漸拓展到鋼鐵、有色冶金及其它各個(gè)領(lǐng)域，有色領(lǐng)域大都運(yùn)用于鋁合金。稀土在冶金行業(yè)的運(yùn)用分析大都聚集于鋼鐵結(jié)構(gòu)材料層面，以鋁與鋁合金為主導(dǎo)的有色金屬層面，即使獲得了較好的成績(jī)，然而依然有著非常廣闊的發(fā)展空間。相關(guān)研究說(shuō)明，在鋁以及鋁合金當(dāng)中加入合適數(shù)量的稀土元素，能夠加強(qiáng)合金的強(qiáng)度特別是高溫強(qiáng)度，優(yōu)化合金的耐磨性、塑性、鑄造工藝性以及抗腐蝕性等等。現(xiàn)階段，在稀土元素的整體需求當(dāng)中，和金屬相關(guān)的占據(jù)了20%～30%。

稀土在鋼鐵結(jié)構(gòu)材料里面被用作為微合金化元素；但是在鋁合金中，除通過(guò)稀土的優(yōu)良物理冶金性能實(shí)施變質(zhì)、凈化以外，還能夠?qū)⑵溥\(yùn)用作合金化元素，即使稀土的成本高昂，然而其產(chǎn)品的附加值非常之高。稀土鋁合金中往往包含了4.4%～5%的稀土元素，最高能夠達(dá)到13%～16%。在九十年代初期，稀土鋁合金的平均年產(chǎn)量高達(dá)10萬(wàn)噸。

當(dāng)前，鋁合金是排在鋼鐵之后的第二大金屬結(jié)構(gòu)原料，其運(yùn)用日益廣泛，我們國(guó)家同樣同樣已經(jīng)發(fā)展成全球第一大鋁制造國(guó)。所以，全面探討稀土在鋁合金中的工作機(jī)理，更深層次地推動(dòng)稀土在鋁合金中的運(yùn)用，進(jìn)而加強(qiáng)鋁合金的性能與附加值，對(duì)我們國(guó)家的資源充分運(yùn)用，將資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變成經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)有著非常重要的意義。

二、稀土在鋁合金鑄造中的運(yùn)用

（1）精煉作用

在鋁合金中加入合適的稀土元素能夠加強(qiáng)精煉成效。稀土元素能夠優(yōu)化夾雜物的形態(tài)，凈化晶界。運(yùn)用真空吸鑄法分析了Al—RE中間合金對(duì)于A356合金的流動(dòng)性所造成的影響，實(shí)驗(yàn)表明合金熔體里面添加相應(yīng)的稀土元素，可以降低固液相線的溫度差，影響合金的糊狀凝固態(tài)勢(shì)，同時(shí)削弱了合金熔體的外表張力，并且還具備除雜、去氣的精煉效用，其均會(huì)推動(dòng)熔體流動(dòng)性的加強(qiáng)，粘度有所降低，有助于排除氣體與夾雜物。

當(dāng)前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的一種包含稀土元素的鋁合金熔劑，此熔劑經(jīng)過(guò)產(chǎn)生的化學(xué)與物理，不但能夠使得A356合金熔體在720C時(shí)的含氫量從高于0.30ml/100g（Al）降低至低于0.10ml/100g（Al），有著較為明顯的除氣功效，同時(shí)使得A356合金的室溫抗拉強(qiáng)度加強(qiáng)7.27%，延伸率加強(qiáng)85.58%。然而，數(shù)量過(guò)多的稀土元素同樣會(huì)導(dǎo)致富RE相的聚集，轉(zhuǎn)變?yōu)閵A雜物，進(jìn)而削弱合金熔體的流動(dòng)性。

（2）變質(zhì)作用

稀土元素的原子半徑在0.174～0.204mm范圍內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了鋁原子半徑。其極易填補(bǔ)鋁合金相外表所存在的缺陷，影響晶粒生長(zhǎng)。具備細(xì)化晶粒的效益，推動(dòng)枝晶網(wǎng)絡(luò)更加清楚，進(jìn)而加強(qiáng)合金的熱塑性。除此之外，稀土和鋁所產(chǎn)生的化合物在金屬液中能夠用作晶核，加強(qiáng)金屬形核率。試驗(yàn)證明，稀土對(duì)于鋁合金有著非常好的變質(zhì)作用。在鋁合金當(dāng)中添加0.1%混合稀土的時(shí)候，共晶硅呈現(xiàn)為少許短棒狀以及不規(guī)則顆粒狀。添加數(shù)量在0.1%～0.6%時(shí)，共晶硅顆粒逐漸細(xì)化，持續(xù)增加添加量的時(shí)候，共晶硅依然非常的細(xì)小，然而在凝固組織當(dāng)中發(fā)生了稀土元素偏析的狀況。

并且，稀土的變質(zhì)作用具備長(zhǎng)效以及重熔平穩(wěn)性的特征，與Sr、Na等用作變質(zhì)劑對(duì)比有著較為顯著的優(yōu)勢(shì)。稀土的變質(zhì)作用僅會(huì)受到共晶硅改變所產(chǎn)生的影響，相關(guān)研究說(shuō)明共晶Al-Si合金在運(yùn)用稀土變質(zhì)的時(shí)候形成不完全共晶組織，并且對(duì)其形成原理實(shí)施深入探討得知，若想促使合金的組織均勻化，便需保持初晶均勻分布，需要盡可能地抑制共晶Si變成領(lǐng)先相。因此能夠運(yùn)用攪拌熔體、提升冷卻速率等相關(guān)措施。

（3）細(xì)化作用

有一定目的性的限制雙柱狀晶以及柱狀晶的發(fā)展，推動(dòng)細(xì)小等軸晶的產(chǎn)生，此種工藝便被稱(chēng)之為晶粒細(xì)化處理。因?yàn)榫Я＋@得細(xì)化，在較大程度上了加強(qiáng)了合金的性能，并且還會(huì)減少針孔、縮松以及熱裂等缺陷。細(xì)化處理最為常見(jiàn)的方式便是抑制形核，以及往熔體當(dāng)中加入晶粒細(xì)化劑的外來(lái)形核質(zhì)點(diǎn)?，F(xiàn)階段，最為實(shí)用、高效的形式便是添加細(xì)化劑。在鑄造鋁合金中運(yùn)用最多的晶粒細(xì)化劑主要有以下三種：三元Al—Ti—B合金、二元Al—Ti合金以及二元Al—B合金等。中間合金添加至鋁合金熔體當(dāng)中便會(huì)產(chǎn)生溶解，釋放出金屬間化合物相，轉(zhuǎn)變成外來(lái)形核核心。

在鋁合金中添加稀土元素，不但能夠細(xì)化晶粒，同樣能夠顯著細(xì)化枝晶組織，其最好功效對(duì)應(yīng)于不一樣的稀土含量。然而，其細(xì)化功效卻不及B、Ti等元素。稀土添加的臨界值和合金的澆鑄、熔煉條件存在著極為密切的關(guān)聯(lián)。唯有在相應(yīng)的制造工藝環(huán)境下，適量的稀土才能夠發(fā)揮出最好的細(xì)化作用。

綜上所述，稀土運(yùn)用于鋁合金鑄造過(guò)程，能夠發(fā)揮出凈化熔體、細(xì)化組織、加強(qiáng)高溫力學(xué)性能、減少夾雜物與氣體含量等多個(gè)層面的積極作用。更為關(guān)鍵的是，稀土對(duì)于鋁熔體的添加處理環(huán)節(jié)對(duì)于環(huán)境并不會(huì)產(chǎn)生任何形式的污染。我們國(guó)家有著豐富的稀土資源，加速推動(dòng)稀土在鋁合金中的運(yùn)用，全面發(fā)揮出我國(guó)所具備的資源優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展。

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（作者單位：龍口市叢林鋁材有限公司）