稀土在車用鋁合金中的作用最新研究進(jìn)展

馮艷飛，孫 巍，楊 路，張 宇，吳 楠

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

近年來(lái)，隨著我國(guó)汽車行業(yè)的不斷迅速發(fā)展，汽車輕量化發(fā)展及應(yīng)用得到了越來(lái)越多的廣泛關(guān)注。鋁合金的密度僅有鋼鐵的1/3，是汽車輕量化的首先材料[1]。在我國(guó)，越來(lái)越多的高強(qiáng)度、高韌性、高耐應(yīng)力腐蝕、高耐熱性等優(yōu)良性能的鋁合金不斷被開發(fā)出來(lái)，并廣泛應(yīng)用于民用工業(yè)、航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)等領(lǐng)域[2]。為了滿足工業(yè)對(duì)鋁合金更高性能的要求，在鋁合金中添加微量稀土被證明是有效的途徑之一[3]。稀土是新材料的寶庫(kù)，是21世紀(jì)的戰(zhàn)略資源，備受國(guó)內(nèi)外科學(xué)界、技術(shù)界的重點(diǎn)關(guān)注[4-5]。而我國(guó)擁有豐厚的鋁礦和稀土礦資源，在Al-Re合金研究與開發(fā)方面具有一定資源優(yōu)勢(shì)。本文綜述了稀土在鋁合金中的重要作用機(jī)理以及稀土鋁合金及車用鋁合金的最新研究現(xiàn)狀，并結(jié)合應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，展望了稀土在今后車用鋁合金發(fā)展趨勢(shì)。

1 稀土在鋁及鋁合金中的作用

1.1 稀土的變質(zhì)作用

在鋁及鋁合金中加入適量的稀土元素，用以改變合金的結(jié)晶條件，使其組織和性能得到明顯改善[6]。絕大部分稀土(除稀土元素Er和Y)對(duì)鑄造的鋁合金均有變質(zhì)作用，但變質(zhì)作用有強(qiáng)弱差異。在鋁及鋁合金中添加微量的稀土元素，可有效地改善鑄錠內(nèi)晶粒內(nèi)偏析、縮松和夾雜物等缺陷，并且能夠減小鋁合金的枝晶及枝晶臂間距，提高形核率，細(xì)化鑄態(tài)晶粒，使鋁合金綜合性能得到顯著提高。張啟明等[7]研究了不同稀土元素對(duì)Al-Si合金的變質(zhì)能力，如表1所示。發(fā)現(xiàn)稀土元素中Eu變質(zhì)能力最強(qiáng)，其次是La，而混合稀土和Pr、Ce、Nd具有中等變質(zhì)能力，其他稀土變質(zhì)較弱，而稀土元素Er和Y無(wú)變質(zhì)作用，還驗(yàn)證了稀土元素可以成為一種長(zhǎng)效可遺傳的變質(zhì)劑。

表1 稀土元素對(duì)Al-Si共晶合金的變質(zhì)作用

1.2 稀土的凈化作用

稀土元素有較強(qiáng)的除氣、除雜作用。稀土元素加入量低于0.3ω%時(shí)，除氣效果最明顯。這是因?yàn)橄⊥猎鼐哂休^高的化學(xué)活性和親和力，在鋁合金熔鑄過(guò)程中，容易與H、O、Fe、S等雜質(zhì)元素發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)，生成難溶、穩(wěn)定的高熔點(diǎn)化合物，起到除渣作用[8]。而熔體剩余的夾雜物重新組成球化化合物，可凈化晶界，從而顯著提高鋁合金塑性加工性能。有研究認(rèn)為稀土去氫效果為Y>La>單一稀土[9]。另外，γ-AlO3是鋁合金中主要的氧化夾雜。稀土去除夾雜作用主要體現(xiàn)在去除鋁合金基體及晶界中各類化合物，且改變這些化合物的組成、相貌、分布及數(shù)量，能重新組合稀土化合物，進(jìn)而起到球化和凈化晶界的作用，提高鋁合金力學(xué)性能。

1.3 稀土的微合金化作用

稀土的微合金化作用是指稀土在鋁合金的強(qiáng)化作用，包括有限固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和稀土化合物的第二相強(qiáng)化。在鋁合金添加適量的稀土元素，稀土元素會(huì)固溶于基體α(Al)中，偏聚在相界、晶界和枝晶界，或以化合物等形式存在。當(dāng)添加稀土元素含量小于0.1ω%時(shí)，以固溶和偏聚兩種形式存在鋁合金中。當(dāng)添加稀土元素大于1ω%時(shí)，在鋁合金中以稀土化合物形式占主導(dǎo)作用。稀土還可以促使鋁合金第二相的球化和細(xì)化，且彌散分布在鋁基體中，起到彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用。稀土元素在鋁中的固溶度變化特點(diǎn)，可以評(píng)定稀土元素是否通過(guò)失效硬化或固溶強(qiáng)化來(lái)提高鋁合金的強(qiáng)度[10]，見表2所示。

表2 稀土元素在基體鋁中的平衡和擴(kuò)散固溶度

2 稀土鋁合金最新研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)稀土在鋁合金中的應(yīng)用研究發(fā)展迅速，研究與應(yīng)用較廣的稀土鋁合金有純Al、Al-Mg-Si鋁合金、Al-Si鋁合金和Al-Zn-Mg-(Cu)鋁合金等。王正軍等[11]研究發(fā)現(xiàn)稀土可以改變純Al中雜質(zhì)Fe的存在形態(tài)，進(jìn)而提高了純鋁的力學(xué)性能。在Al-Mg-Si合金中添加微量稀土元素變質(zhì)處理金屬熔體，可以促進(jìn)Mg2Si相形核，增加形核數(shù)目，抑制晶粒長(zhǎng)大，從而細(xì)化晶粒改善顆粒分布狀態(tài)[12]。李赤楓等[13]在Al-Mg-Si合金添加稀土元素，Mg2Si增強(qiáng)相形態(tài)為細(xì)小的短棒狀，且數(shù)目明顯增多。王寧等[14]研究了添加Sr在鋁合金中，發(fā)現(xiàn)隨著Sr含量的增加，變質(zhì)保溫延長(zhǎng)，組織明顯均勻細(xì)化。Al-Zn-Mg-(Cu)合金中添加稀土元素可以優(yōu)化合金元素，降低合金雜質(zhì)，改善抗腐蝕性等性能。趙鴻金等[15-16]將La添加7055鋁合金中組織均勻細(xì)化。ZHANG H.等[17]研究發(fā)現(xiàn)適量的Er明顯改善Al-Zn-Mg-(Cu)鋁合金耐蝕性和斷裂性能。

3 稀土在車用鋁合金研究現(xiàn)狀

汽車輕量化是現(xiàn)代汽車發(fā)展的必然趨勢(shì)，鋁合金是成為汽車輕量化發(fā)展的主要材料。目前車用鋁合金量較大，其中壓鑄鋁合金件用量占整體的80%以上，可用于各種車用發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、車輪、殼體類零件、底盤類零件。擠壓和壓延鋁合金件各占整體的10%左右，而變形鋁合金主要用于汽車板材、面板、電池包、車身框架、座駕、門梁、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、保險(xiǎn)杠、車廂板、車身骨架、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋、覆蓋件外板、前縱梁、防撞梁等骨架或零部件。按元素可分為2xxx系的Al-Mg-Cu(如2A01、2A16、2024)、5xxx系的Al-Mg(如5083、8754)、6xxx系A(chǔ)l-Mg-Si(如6061、AA6111)以及7xxx系的Al-Zn-Mg-Cu(如7075)等合金。而通過(guò)熱處理強(qiáng)化的2xxx、6xxx和7xxx系鋁合金，是當(dāng)前車用鋁合金的一個(gè)新亮點(diǎn)。

然而，目前車用鋁合金應(yīng)用較多是6xxx系鋁合金，這是因?yàn)樵撓盗泻辖鹁哂谐叩某尚托?，且耐蝕性強(qiáng)、強(qiáng)度高、耐高溫性能好等優(yōu)點(diǎn)。而7xxx系鋁合金雖具有更高的硬度和強(qiáng)度，但其疲勞強(qiáng)度低于6xxx系鋁合金，目前還有待深入研究[18]。

鋁合金汽車板材是目前鋁合金研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)之一，隨著在轎車的應(yīng)用比重不斷上升，尤其是熱處理后的6xxx系鋁合金板材，能夠很好地滿足汽車對(duì)殼體的要求[19]。目前，AudiA8的車身鈑金件，采用6xxx系鋁合金，其合金的純度和工藝穩(wěn)定性要求非常高。據(jù)報(bào)道，最新開發(fā)出的6005A合金，其性能也較為理想[20]。2016年底，忠旺集團(tuán)參與設(shè)計(jì)制造奇瑞新能源純電動(dòng)車小螞蟻eQ1，首次實(shí)現(xiàn)全鋁車身化車型。2018年還與前途汽車攜手打造國(guó)內(nèi)首款全鋁純電動(dòng)跑車前途K50。此外，車用鋁合金特別重視6xxx系鋁合金“口”、“日”、“目”、“田”、“品”等形狀的薄壁和中空擠壓型材。高性能的汽車用鋁板和增強(qiáng)緩沖的鋁擠壓型材，已在汽車上廣泛應(yīng)用[21-22]。

4 稀土元素在鋁中特性

在多數(shù)鋁合金中，稀土元素對(duì)合金的力學(xué)性能影響具有相似性，見圖1，稀土元素可以明顯提高鋁合金力學(xué)性能，但存在一個(gè)最佳的成分范圍，一般認(rèn)為鋁合金中稀土添加量在0.1%～0.4%為宜[23]。

表3為稀土元素的性質(zhì)及其在鋁中的特性，從表中可以看出，Al-Er和Al-Sc合金的共晶溫度比較高，與純鋁的熔點(diǎn)僅差5 ℃，而Sc共晶點(diǎn)成分最低，Sc原子半徑相對(duì)最小。

圖1 稀土含量對(duì)鋁合金力學(xué)性能的影響

表3 主要稀土元素的性質(zhì)及其在鋁中的特性

5 展望與建議

稀土元素在車用鋁合金中應(yīng)用前景廣大，今后稀土鋁合金開發(fā)與應(yīng)用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1)科學(xué)控制稀土元素的添加量及添加方式。稀土的過(guò)度加入會(huì)造成鋁材報(bào)廢，添加方式不妥會(huì)造成鋁材燒損和偏析。

2)稀土元素添加過(guò)程中，不應(yīng)該預(yù)脫氧、脫硫。應(yīng)該待鋁合金熔體脫氧、脫硫之后，再加入稀土，才能有效地控制夾雜物的形態(tài)及大小。

3)稀土鋁合金在擠壓變形過(guò)程中應(yīng)結(jié)合傳統(tǒng)擠壓工藝，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以防止擠壓變形產(chǎn)生缺陷，還需深入研究擠壓工藝對(duì)稀土車用鋁合金性能的影響。

4)避免在鋁合金中稀土與其他微合金元素發(fā)生沖突，影響合金的綜合性能。

5)目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于富鋁稀土相的特性、形式及演變規(guī)律還需進(jìn)一步研究。

6)需結(jié)合傳統(tǒng)熱處理工藝，開發(fā)新的稀土鋁合金熱處理工藝，以滿足更高車用鋁合金性能的要求。