稀土元素在铝合金中的作用和应用

1、 在铝合金中加入微量 稀土元素，可以显着改善 铝合金的金相组织，细化晶粒，去除 铝合金中气体和有害杂质，减少 铝合金的裂纹源，从而提高 铝合金的强度，改善加 工性能，还能改善 铝合金的耐热性、可塑性及可锻性，提高硬度、增加强度和韧性。 稀土元素的加入使得 稀土铝合金成为一种性能优良、用途广泛的新型材料，目前稀 土铝合金的产量已近全国 铝产量的1/4。 稀土元素在铝合金中的作用 稀土元素非常活泼，极易与气体（如氢）、非金属?（如硫）及金属作用，生成相应的稳 定化合物。稀土元素的原子半径大于常见的金属如铅、镁等，在这些金属中的固溶 度极低，几乎不能形成固溶体。一般认为，稀土元素加入到铝合金中可起到

2、微合金 化的作用；此外，它与氢等气体和许多非金属有较强的亲和力，能生成熔点高的化 合物，故它有一定的除氢、精炼、净化 作用；同时，稀土元素化学活性极强，它可 以在长大的晶粒界面上选择性地吸附，阻碍晶粒的生长，结果导致晶粒细化，有变 质的作用。以下就这3方面的作用详细介绍。 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或孕育剂。稀土元素的原 子半径为0.174?0.204mm大于铝原子半径（0.143mm）。稀土元素比较活泼，它熔 于铝液中，极易填补合金相的表面缺陷，从而降低新旧两相界面上的表面张力

3、，使 得晶核生长的速度增大，同时还在晶粒与合金液之间形成表面活性膜，阻止生成的 晶粒长大，使合金的组织细化。此外，铝与稀土形成的化合物在金属液结晶时作为 稀土对铝 外来的结晶晶核，因晶核数的大量增加而使合金的组织细化。研究表明: 合金具有良好的变质效果。 例如，合金化的7005铝合金铸锭本身就呈十分细小的组 织。同时值得一提的是，稀土的变质作用具有长效及重熔稳定性的特点， 比用钠(Na)、 锶(Sr)等变质剂具有明显优点。稀土的变质作用只受共晶硅变化的影响。 2. 精炼、净化作用 稀土元素的脱氧能力比强脱氧剂 Al、MgTi等强，微量稀土就能使O脱到v lppm(即 10-4 %) o稀土的脱

4、硫能力也相当强，可以生成RES或RE2S3生成物主要取决于 稀土与硫的活度或溶解度。 稀土元素在金属液中还可以与氧和硫同时发生反应生成 RE2O2SS硫化物。稀土元素还能与P、Sn、As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，当它们的熔点高于 金属冶炼温度时，能上浮一部分成渣，它们微小的质点则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。稀土对氢的的吸附力特别大，能 大量吸附和溶解氢，稀土与氢的化合物熔点较高，并且弥散分布于铝液中，以化合 物形成的氢不会聚集形成气泡，大大降低铝的含氢量和针孔率。 3. 合金化作

5、用 稀土在铝合金中的强化 作用主要有细晶强化、有限固溶强化和 稀土化合物的第二相 强化等。当稀土加入量不同时，稀土在铝合金中主要以三种形式存在：固熔在基体 a (Al)中；偏聚在相界、晶界和枝晶界；固熔在化合物中或以化合物形式存在。当 稀土含量较低时(低于0.1 %)，稀土主要以前两种形式分布。第一种形式起到了有 限固溶强化的 作用，第二种形式增加了变形阻力，促进位错增殖，使强度提高。加 入稀土后合金的铸态组织中合金晶粒明显减少，二次枝晶间距有可能细化，稀土与 Al、Mg Si等元素形成的金属间化合物呈球状和短棒状分布在晶界或界内，组织中 有大量位错分布。当 稀土含量大于0.3 % ，后一种存

6、在形式幵始占主导地位。这 时，稀土与合金中的其他元素幵始形成许多含 稀土元素的新相，同时使第二相的形 状、尺寸发生变化，可能使得第二相从长条状等形状转变成短棒状粒子出现，粒子 的尺寸也变得比较细小，且呈弥散分布。大部分含|稀土元素的第二相都出现了粒子 化、球化和细化的特征，这种变化在一定程度上都强化了铝合金。 铝合金加入稀土元素后性能的变化 随着稀土元素加入量的增加， 铝合金的强度、塑性均有所提高。这主要得益于稀土 元素对合金组织的改善以及弥散的 稀土化合物强烈的沉淀强化效应等。添加 稀土元 素可以导致合金断裂过程中裂纹萌生位置与扩展途径发生改变，有利于合金的韧化。 同时铝合金中随稀土含量的增

7、加，抗拉强度、硬度提高，而延伸率略有下降。由此 可见，伴随稀土的加入，合金的机械性能大有改善。 稀土元素的加入也可以改善 铝合金的铸造性能。这是因为铁是 铝合金中非常有害的 杂质，万分之几的Fe就能形成AI+FeAI3的共晶硅，大多数含铁相的结晶组织都十 分粗大，直接影响合金的机械性能，降低合金的流动性，增加组织不均匀性，添加 稀土，则可以改变铁相的存在形态，提高 铝合金的铸造性能。 在同一温度下，稀土铝合金的电阻率比普通 铝合金小得多，说明掺入微量 稀土元素 后铝合金的导电性能大大提高。这是因为 稀土元素作为表面活性元素加到合金中， 使合金的铸态组织得以细化， 减小了对传导电子的散射， 从而

8、使电阻率大幅度下降。 稀土在铝合金中可以形成热硬性高的复杂成分化合物，呈网状分布于晶界或枝晶间， 细化了组织，有效地阻碍了基体变形和晶界移动， 从而明显提高了合金的高温性能 稀土铝合金的应用 由于稀土独特的物理、化学性质幵发出了众多的含稀土的合金材料，不但大量用于 军事工业、农业、轻工业、手工业和交通运输业，也广泛用作建筑材料、家庭生活 用具和体育用品等。 我国铝土矿含硅量高(0.1 %以上)，比国外的电解 铝含硅量(0.08 %)高，直接影响了 铝的性能，不能用作电工 铝。然而铝中加入适量 稀土元素后，性能则大有改善。目 前我国的稀土铝导线主要有高强度稀土铝合金电缆，成分为AI-Mg-Si-

9、RE，用于高 压输电线路；高导电 铝电线，成分为AI-RE ;还有在较高温度下使用的高导电 稀土 铝导线，其成分为AI-Zr-RE o ?在ZJ104铸造铝合金中加入不同量的 稀土元素后合 金的抗拉强度、硬度、高温强度均有所提高，因而广泛应用于机械制造业的缸体、 曲轴、轴承盖等材料中。已投入批量生产的 稀土铝硅过共晶ZL117合金在200300C 下，抗拉强度超过德国活塞合金KS280和KS282,耐磨性能比常用活塞合金高 45 倍，线膨胀系数小，已用于航空空压机和航模发动机活塞。稀土铝箔是一种生产电 子元器件较为理想的材料。 稀土铝合金能大大提高合金的强度、硬度、韧性，还会使表面氧化膜结构发

10、生变化， 从而使产品表面光亮、美观，提高产品的耐腐蚀性能。目前我国在民用铝制品工业 中已用来制造洗衣机内缸等。 添加适量稀土还可以明显提高 铝锰和铝镁合金材料的耐腐蚀性能。稀土元素的加入 在铸造、锻造、焊接、热处理及表面涂层技术中都取得了良好的效应。 使用稀土铝合金需注意事项 稀土元素虽然在 铝合金中的作用很大，但我们必须防止 稀土加入方法不正确和使用 不当引起的不良影响。应注意以下几点： 1. 注意掌握稀土元素的加入量。稀土的过量加入不但不会使 铝合金的性能改善，还 会影响铝合金的正常使用，甚至造成材料的报废； 2. 稀土不宜做预先脱氧、脱硫剂，当脱氧、脱硫效果良好后再加入稀土，不但有深 度脱氧、脱硫作用，还能很好控制氧、硫夹杂物的形态； 3. 注意防止生成不均匀分布、