稀土元素對(duì)鋁合金性能的影響研究

車海亮

（山西呂梁學(xué)院,山西 呂梁 033000）

鋁合金的制造工藝日趨成熟，但在性能方面仍存在著提升空間，可以在其中加入稀土元素，從微觀角度改善鋁合金的性能，對(duì)其形成有效的作用機(jī)制，使鋁合金性能更加的穩(wěn)定。稀土元素與鋁合金具有較強(qiáng)的相融性，能夠快速與鋁合金形成作用，參與鋁合金的組成體系，保障鋁合金能夠順利實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)。

1 稀土對(duì)鋁合金作用機(jī)制分析

稀土元素與鋁合金具有良好的相融性，可以與鋁元素電子軌道進(jìn)行耦合，提高鋁合金的穩(wěn)定性。稀土元素的種類較多，如鑭（La）、鉺（Er）等，加入Al-Si系后可以進(jìn)一步提高合金的耐腐蝕性，使其具有良好的化學(xué)性能。下面將對(duì)稀土元素對(duì)鋁合金作用機(jī)制進(jìn)行分析。

1.1 變質(zhì)作用

稀土元素具有變質(zhì)作用，可以優(yōu)化鋁合金的結(jié)晶狀況，使其內(nèi)部構(gòu)成更加的穩(wěn)定。稀土元素可以對(duì)結(jié)晶狀況進(jìn)行完善，通過(guò)變質(zhì)作用對(duì)結(jié)晶形狀進(jìn)行限制，有助于細(xì)小結(jié)晶的形成。相對(duì)地，對(duì)粗結(jié)晶進(jìn)行限制，降低其形成數(shù)量，進(jìn)而提高鋁合金的穩(wěn)定性。稀土元素不溶于鋁基體且作用于晶界處，這樣便可以形成膜狀結(jié)構(gòu)，對(duì)鋁合金形成全面的覆蓋，對(duì)結(jié)晶產(chǎn)生變質(zhì)作用。具有變質(zhì)作用的稀土元素主要為L(zhǎng)a、Er等，需要合理地進(jìn)行使用，使變質(zhì)作用發(fā)揮效果。

1.2 凈化作用

稀土元素具有凈化作用，可以降低鋁合金中雜質(zhì)的含量，使其具有更高的純度，進(jìn)而保障鋁合金的性能。凈化作用主要體現(xiàn)如下：一方面，可以降低冶煉時(shí)鋁液中H2、O2、N2等氣體的含量，與這些氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成難溶于鋁液的物質(zhì)，使氣體能夠從體系中消除。通過(guò)這種方式，可以防止鋁液中形成氣泡，避免鋁合金成型后產(chǎn)生空隙，提高鋁合金的鑄造質(zhì)量。以稀土元素La為例，與H2反應(yīng)后，可生成LaH2且不溶于鋁液，進(jìn)而將H2與鋁液進(jìn)行分離。另一方面，可以與低熔有害物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，既可以濾除鋁合金中的雜質(zhì)，又能夠提高鋁合金的純度，保障凈化作用充分發(fā)揮效果。

1.3 強(qiáng)化作用

稀土元素具有強(qiáng)化作用，可以對(duì)晶體起到固化作用，提升鋁合金的強(qiáng)度。強(qiáng)化效果主要由稀土元素的含量決定，不同含量起到的強(qiáng)化效果是不同的。具體作用效果如下：若稀土元素含量不足0.1%，則稀土元素分布在晶界處，以促進(jìn)細(xì)晶生成的形式實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化效果。若稀土元素含量不小于0.1%，則會(huì)有晶粒生成，使鋁合金結(jié)構(gòu)形成錯(cuò)位作用，進(jìn)而增強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)度。

2 稀土元素對(duì)鋁合金性能影響分析

2.1 Ce對(duì)鋁合金性能的影響

在鋁合金中稀土元素有助于細(xì)化晶粒的形成，對(duì)其硬度、強(qiáng)度等性能進(jìn)行完善。鋁合金晶粒結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度具有較大影響，通過(guò)晶粒的細(xì)化作用，可以提高鋁合金的抗變形能力，使其晶體結(jié)構(gòu)更加的穩(wěn)定。通過(guò)細(xì)小晶體可以降低晶界滑移現(xiàn)象發(fā)生，提高晶界結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使晶體具有良好的性能。Ce可作為晶粒細(xì)化劑使用，能夠?qū)w的形狀進(jìn)行調(diào)整，促進(jìn)細(xì)小晶體的形成。Ce與Al具有晶體相似性，兩者可以進(jìn)行反應(yīng)生成Al2Ce，可以起到增強(qiáng)鋁合金強(qiáng)度的作用。在品格常數(shù)方面，Al2Ce與Al具有較高的相似性，說(shuō)明Ce對(duì)鋁合金具有良好的結(jié)晶效果，形成的晶核不會(huì)對(duì)原有晶體造成影響，并且對(duì)合金結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行提升。在晶體結(jié)構(gòu)受力方面，Al2Ce具有在鋁合金中具有良好的分布特點(diǎn)，能夠形成錯(cuò)落有致的結(jié)構(gòu)，使晶界之間具有較高的抗滑阻力，防止晶界出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。通過(guò)抗滑作用，可以降低晶粒的生長(zhǎng)，使鋁合金能夠保持細(xì)小晶體狀態(tài)，進(jìn)而保障鋁合金的強(qiáng)度。而且，少量的Ce可以增強(qiáng)Al-Ce的屈服強(qiáng)度，能夠形成穩(wěn)定的鍵間結(jié)構(gòu)，可以防止Al2Ce解析，提高鋁合金的抗拉能力，使其具有良好的延展效果。

2.2 Er對(duì)鋁合金性能的影響

稀土元素Er對(duì)鋁合金具有強(qiáng)化作用，能夠降低鋁合金的晶粒粒徑，提高鋁合金的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在Al-Si體系中加入Er后，可以形成良好的共格關(guān)系，形成化合物Al3Er，有助于α-Al枝晶結(jié)構(gòu)的形成，使鋁合金性能得以提高。Er的含量對(duì)鋁合金枝晶的形成具有一定的影響，通常情況下，當(dāng)Er的含量在0.6%時(shí)，能夠有效地促進(jìn)枝晶的形成，同時(shí)，將晶體距離控制在較小范圍內(nèi)。通過(guò)這種方式，可以對(duì)晶?？讖竭M(jìn)行限制，使其呈現(xiàn)為細(xì)小晶體狀態(tài)，可以明顯提高鋁合金的硬度。若鋁合金晶體含有樹(shù)突狀結(jié)構(gòu)，可以加入Er來(lái)降低晶體的大小，抑制樹(shù)突狀結(jié)構(gòu)的生成，保障細(xì)化晶粒能夠順利地形成。Al3Er形成的結(jié)構(gòu)為立方晶系，且具有較高的熔點(diǎn)，有助于鋁合金強(qiáng)度的提升。需要注意的是，在鋁合金中Er的含量并不是越高越好，若Er含量超過(guò)0.6%，鋁合金將會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，對(duì)晶體的穩(wěn)定性造成影響，甚至導(dǎo)致晶體間容易出現(xiàn)斷裂，引起鋁合金的抗拉強(qiáng)度下降，因而需要將Er含量限制在0.6%以內(nèi)，保證Er具有良好的性能。

2.3 La對(duì)鋁合金性能的影響

稀土元素La具有較低的熔點(diǎn)，可以改善鋁合金的凝固狀況，使其具有良好的微觀組織結(jié)構(gòu)。在Al-Si合金體系加入La后，可以提高合金的可塑性，使其更加易于成型，使鋁合金加工過(guò)程更加的順利。在La作用下，可以縮短α-Al枝晶間距，使晶體結(jié)構(gòu)更加的穩(wěn)定。通過(guò)加入La可以促進(jìn)共晶硅粒子的形成，能夠有效地抑制晶體錯(cuò)位現(xiàn)象，使晶體呈現(xiàn)規(guī)則的排布，使晶體結(jié)構(gòu)能夠得到細(xì)化。稀土元素La是促進(jìn)晶核形成的關(guān)鍵，對(duì)晶體的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，保障晶體的細(xì)化程度。La與Al反應(yīng)能夠形成Al4La，主要發(fā)生在合金成型過(guò)程中，通過(guò)熔點(diǎn)的抑制作用，防止合金成型過(guò)程中發(fā)生斷裂，提高鋁合金制造的成功率。在La的用量方面，將其控制在0.2%較為適宜，可以對(duì)晶體起到良好的細(xì)化作用，提高鋁合金的力學(xué)性能。

2.4 Y對(duì)鋁合金性能的影響

稀土元素Y可以提高鋁合金的性能，使鋁合金具有良好的結(jié)構(gòu)特性。Y元素與Al元素的結(jié)合形式眾多，可以形成化合物AlY、AlY3、Al2Y3等。不同的Al-Y結(jié)合方式需要的結(jié)合能不同，通常情況下，結(jié)合能越大，Al-Y化合物的性質(zhì)也就越穩(wěn)定。AlY、AlY3、Al2Y3對(duì)應(yīng)的結(jié)合能分別為-545ev、-788ev、-640ev，由此可見(jiàn)，AlY3的結(jié)合能最大，具有穩(wěn)定的鍵間結(jié)構(gòu)。從熱力學(xué)角度分析，在鋁合金中AlY3最有可能形成，并且可以提高鋁合金的穩(wěn)定性。因此，以AlY3構(gòu)成鋁合金結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定的性能，需要對(duì)結(jié)合能進(jìn)行控制，促進(jìn)AlY3的形成，使鋁合金的穩(wěn)定性得以保障。此外，Y會(huì)對(duì)鋁合金晶粒細(xì)化程度造成影響，以6201鋁合金為例，加入Y元素后，晶粒直徑由197μm降低至66μm，晶體減少約2/3，因此，稀土元素Y具有良好的晶體細(xì)化效果。Y還會(huì)影響鋁合金的力學(xué)性質(zhì)，通過(guò)拉伸試驗(yàn)可以看出，加入Y的鋁合金具有良好的斷口形態(tài)，使晶界具有排布更加的緊密，進(jìn)而提高鋁合金的力學(xué)性能。

2.5 Yb對(duì)鋁合金性能的影響

稀土元素Yb對(duì)鋁合金性能具有一定的影響，能夠?qū)ζ浣M織結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善，具體影響內(nèi)容如下：（1）當(dāng)Yb含量為0.2%時(shí)，可以使晶界具有穩(wěn)定的狀態(tài)，避免晶界出現(xiàn)非連續(xù)分布的現(xiàn)象。同時(shí)，可以增加鋁合金的抗腐蝕能力，使其對(duì)外界環(huán)境具有良好的適應(yīng)性。（2）可以提高鋁合金的抗拉強(qiáng)度。以2519A鋁合金為例，可以將抗拉強(qiáng)度由483.4MPa提升至509.3MPa，抗拉強(qiáng)度提高了5.4%，在一定程度上提高了鋁合金的力學(xué)性質(zhì)。（3）不同含量對(duì)抗腐蝕性影響不同。當(dāng)Yb含量由0.2%增加至0.4%時(shí)，抗腐蝕能力反而出現(xiàn)下降現(xiàn)象，說(shuō)明需要對(duì)Yb的含量進(jìn)行限制，以此來(lái)保障鋁合金的抗腐蝕性性能。（4）Yb與H具有較強(qiáng)的結(jié)合能力，能夠減少鋁液中H2的含量，防止鋁合金中出現(xiàn)氣泡，使鋁合金具有良好的密度和硬度。

2.6 Sm對(duì)鋁合金性能的影響

稀土元素Sm對(duì)鋁合金具有變質(zhì)作用，能夠影響鋁合金的組織結(jié)構(gòu)，使鋁合金具有良好的晶體間距。在Al-Si合金體系中，Sm對(duì)共晶硅相具有一定的影響，可以使其呈現(xiàn)棒狀結(jié)構(gòu)，使晶體結(jié)構(gòu)能夠得到細(xì)化，進(jìn)而對(duì)晶體大小進(jìn)行調(diào)整，提高鋁合金結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。Sm元素可對(duì)晶體間距進(jìn)行控制，使間距由51μm下降至15μm，下降幅度為70.6%，使晶體能夠緊密地接觸，進(jìn)而保障鋁合金的密度。在晶體大小方面，由直徑90μm下降至40μm，下降幅度為55.6%，可以將晶體大小縮短至一半以上。由此可見(jiàn)，Sm元素可以作為變質(zhì)劑進(jìn)行使用，且對(duì)晶體大小、間距等具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)作用，可以促進(jìn)鋁合金發(fā)生變質(zhì)作用，提高晶體調(diào)節(jié)的效率，保障晶體具有良好的細(xì)化效果。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，稀土元素可以提高鋁合金的性能，從微觀角度對(duì)鋁合金形成進(jìn)行完善，保障鋁合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。鋁合金用途較為廣泛，需要以穩(wěn)定的性能作為基礎(chǔ)，使鋁合金制造工藝能夠得到提升。為此，需要積極投入新型鋁合金的研究，使鋁合金應(yīng)用范圍更加的廣泛。