稀土掺杂对铝合金组织性能的影响

刁丹丹

信阳师范学院物理电子工程学院，河南 信阳 464000

0 引言

稀土元素是自然界中的一组具有特殊性质、特殊作用的金属元素，在铝合金中加入微量稀土元素，可以显著改善铝合金的组织与性能。深入研究稀土在铝合金中的作用机制，进一步推进稀土在铝合金中的应用，从而提高铝合金的性能和产品附加值，对于我国的资源综合利用，将资源优势转化为经济优势具有重要意义。

1 稀土元素及其应用意义

稀土的英文是Rare Earth，意即“稀少的土”。根据国际纯粹与应用化学联合会对稀土元素的定义，稀土类元素是门捷列夫元素周期表第三副族中原子序数从57～71的15个镧系元素，再加上与其电子结构和化学性质相近的钪(21)和钇(39)，共计17个元素共称为稀土元素(Rare Earth)，简称稀土(RE或R)，为此有人称之为“稀土十七姐妹”。对人们来说，稀土元素较为陌生，人类开始大量使用稀土只是近二三十年的事，特别是近10年，随着工业的发展，稀土应用范围逐渐扩大，需求数量不断增加。稀土将在未来世界的经济发展中，显示出十分重要的作用。

2 稀土对铝合金组织性能的影响

2.1 变质作用

变质处理是指在金属及合金中加入少量或微量的变质剂，用以改变合金的结晶条件，使其组织和性能得到改善的过程，变质剂又称晶粒细化剂。根据最新观点，铝合金变质处理大致可分三类：第一类是晶粒细化处理，主要用来细化α（Al）晶粒；第二类是共晶体变质，主要用于铝硅共晶合金；第三类是改善杂质相组织或消除易熔杂质相，如改变粗大富铁相等。

2.1.1 晶粒细化作用

晶粒细化是提高材料强度和硬度的重要手段之一，是改善铝材质量的重要途径。物质内部的空隙小了，它们之间的结合力就会增大，整体的硬度就大大增强。细化晶粒提高金属的强度和硬度，就是利用这个道理。金属的塑性变形主要是晶体内部的位错的滑移，晶粒的晶界区有阻止滑移变形的性能，细化晶粒可以减少晶粒内部的缺陷的相对量，并且增加晶界，使变形抗力增加，从而提高强度和硬度，同时塑性下降。

随着铝材的广泛应用，尤其是在高新技术领域的应用，对在后续深加工工艺中的组织提出了严格的要求，而控制其组织和性能的关键之一是熔铸出细小均匀的铸态晶粒组织。要获得这种组织，必须通过不同的手段细化晶粒，即结晶组织的微处理问题，包括液态时加入各种细化剂或借助外来能量(如机械振动、电磁搅拌等)使α-Al基体细化。在工业生产条件下，只有添加细化剂的处理是最简便而又有效的方法。

铝合金晶粒细化最有效，最实用的方法是添加含B、Ti等元素的中间合金细化剂，除最常用的A1-Ti-B中间合金外，目前稀土元素的晶粒细化作用逐渐引起人们的重视。文献指出，Al-Ti-B中间合金中配入适量的RE，可有效地抑制细化衰退现象，此外，稀土本身也能够细化晶粒，RE与铝及铝中的Fe、Si等可形成高熔点的细小化合物，这些化合物能起到非自发形核的作用，使晶粒得到细化。

2.1.2 对共晶体变质作用

近年来，关于稀土对铝硅合金变质作用的研究和应用的报道不断增多，充分肯定了稀土元素对共晶硅的良好变质作用。李道韫等采用A1-RE中间合金对铝硅共晶合金进行变质处理，结果表明，微量可使铝硅共晶合金获得完全变质组织，RE变质具有比钠盐变质更好的长效性及重熔性，变质后，高温保持4h，重熔两次时，变质作用基本不衰退。

2.1.3 改善富铁杂质相作用

文献指出，对含有较高铁的铝硅合金采用单一加猛的办法不能完全消除铁的危害，采用0.6%Mn和0.4%～0.5%RE联合处理的方法，可以将含铁1.10%～1.30%的ZL16合金的力学性能提高到原合金不含铁时的水平，说明Mn-RE联合处理对消除铁的危害作用最有效。

2.2 净化及降低孔隙率作用

稀土的净化作用表现为明显减少铝液中的含氢量，降低铸件针孔率和孔隙度，减少铝液中的夹杂物，降低铝液中的有害元素等。

2.2.1 稀土的除气作用

稀土与氢有较大的亲和力，能大量吸附和溶解氢，稀土与氢生成的化合物熔点较高，不会聚集形成气泡，使铝的含氢量和针孔率明显降低。稀土与氮生成难溶化合物，在熔炼过程中，大部分以渣的形式排除。

2.2.2 稀土的除渣作用

稀土的脱硫能力也相当强，可以生成RES、RE2S3、RE2O2S等硫化物。稀土极易与硫、磷、锑、砷等低熔点金属元素化合，生成REP、RESn、REAs等化合物。这些稀土化合物都具有熔点高、比重轻的特点，当它们的熔点高于金属冶炼温度时，会上浮一部分成渣，其微小的质点便成为铝结晶过程的异质晶核，而留在固态金属内的部分则能降低其危害性。这些化合物沿枝晶向整个晶体内均匀分布，消除了枝晶组织。研究表明：稀土处理后合金夹杂物的数量可明显降低，其尺寸也有所下降。而且稀土加入量在0.25%左右时，夹杂量下降幅度最大。

2.2.3 稀土的除氧化夹杂作用

铝合金铸造件中主要的氧化夹杂是γ-Al2O3，从热力学上讲，在标准状态下，稀土元素均能将γ-Al2O3中的Al还原出来，使γ-Al2O3夹杂物明显降低。

3 稀土在铝及铝合金应用中的缺陷

加入稀土元素时应该注意掌握其加入量，防止因其不均匀分布而引起的大而脆的稀土金属化合物生成和因其与某些合金元素发生冲突而降低合金的性能等现象。稀土变质效果受冷却速度影响甚大，冷却速度快，变质效果好，当冷却速度低于临界变质速率时，则会出现变质不足的问题。

4 结论

稀土元素在铝及铝合金中具有很多积极作用，我国是稀土大国，同时也是铝合金使用大国。把稀土作用于铝合金晶粒细化过程中不仅能提高铝合金的性能，节约材料，还可以充分利用我国的稀土资源，提高经济效益。相信不久的将来，随着我国国民经济的迅猛发展，稀土在铝合金中的应用研究进一步深入和技术水平的不断提高，稀土在铝合金中的使用会更加广泛。

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