介绍稀土在铝合金中的应用.pdf

稀土是冶金工业中的有效添加剂,稀土金属具有很高的化学活性、低电位和特殊的电子
壳层结构,几乎能与所有元素反应发生作用。我国稀土资源十分丰富,品种齐全,质量好,
分布广,开采方便。已探明的稀土,储量为37000万t,占世界储量的80%,居世界第一
位。近年来,
稀土在冶金、机械、石油化工、电子、原子能、医疗、农业、航空和国防工业等领域已得到
了广泛的应用。稀土在铝及其合金中的应用起步较晚,国外始于20世纪30年代,而我国始
于上世60年代,但发展很快,尤其是在铝及其合金中的作用和应用研究已经取得了明显
的效果。这主要集中在铝硅系铸造合金、铝镁硅(锌)系变形铝合金、铝合金导线及活塞合
金等方面。在稀土对铝及其合金的影响规律和作用机理研究方面也取得了一些进展。
一、稀土在铝及其合金中的作用
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小于常见的金属,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。稀土元素加入到铝合金中可起到微合金化的作用;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,它可以在已形成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。
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。通常情况下,稀土原子半径。
又由于稀土元素比较活泼,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,使得晶核生长速度增大。同时它还能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,作为外来的结晶晶核,铝与稀土形成
的化合物在金属结晶时,因晶核数的大量增加而使合金的组织细化。稀土在铝硅合金中主要
是起变质作用,使针、片状共晶硅变成球粒状,使初晶硅的尺度有所减小。不同稀土的变质
能力不同,La和Eu具有强烈的变质作用,而混合稀土和Ce只有中等程度的变质能力。镧
系元素的变质能力与其原子半径有密切的关系,随着原子半径由La的0.187nm减小到Er
的0.175nm时,其变质能力逐渐减小。大体上原子半径小于0.18nm,变质作用即减小到没
有实际意义的程度。不同稀土元素的变质能力可用临界变质冷却速度(Vc)来衡量,Vc越小,
则其变质效果越明显;当V小于Vc时,任何浓度的稀土元素均不能引起合金变质,这是稀
土与其他变质剂的主要差别之一。对Al-Si系的研究表明,变质处理工艺直接影响着稀土
的变质效果。获得稳定变质组织的关键是减少稀土的烧损,并防止稀土偏聚,使稀土迅速均
匀地扩散到铝液中;为获得稳定的变质组织,应尽可能提高变质温度,变质后加强静置,
精炼后严格扒渣,并且尽可能不用卤族元素熔剂进行精炼和覆盖。稀土变质有一定的潜伏期,
必须在高温下保持一定的时间,稀土才会发挥最大的变质作用。
2、净化作用
(1)、稀土的去气作用及对针孔率的影响
铝及其合金在熔铸过程中,大量的气体会溶入铝液,其中主要是氢(约占铝液中气体的
85%),其次是氧和氮。氢的来源主要是炉料中的水汽,铝锭和边角料中的油污、水,以及
铝锭表面的“铝锈”—Al(OH)3。氢是铝铸件中产生针孔的主要原因,并且显着降低铝的强
度。稀土加入到铝及其合金中均能起除气作用。当稀土加入量低于0.3%时,稀土的除氢
效果最明显,针孔率的减小幅度也最大。当稀土的含量大于0.3%以后,稀土含量增加时,
氢含量下降减慢。如果用Y、La单一稀土,则当稀土含量超过0.3%时,稀土含量的增加反
而使氢含量又开始上升,针孔率的变化也有同样的规律,但变化幅度更明显。作者认为,去

氢效果顺次为Y>La>Re(混合稀土);从添加量来说,单一稀土含量以小于0.3%为宜。
稀土与氧、氮能生成一种难熔化合物Re2O3和ReN2。在冶炼过程中,大部分以渣的形式排
除;同时,在温度小于200℃时,稀土能与氟、氯剧烈作用生成氟化稀土和氯化稀土,将铝
中的氟与氯除去。所以,稀土在铝合金中可作为净化剂。
(2)、稀土去除杂质作用及对夹杂物的影响
分布于铝及其合金基体及晶界中的化合物为各类金属间化合物、氧化物及铝氧化物。这些化
合物的组成、形貌、分布及数量对铝及其合金的性能,尤其是塑性加工性能有着显着的影响。
铝及其合金中的夹杂物主要是Al2O3等非金属夹杂物,其存在不仅使合金的加工性能和力
学性能降低,而且使铸造性能恶化。当纯铝(铸态、变形态)中加入0.2%的稀土后,原来晶
内分布的粗大块状相消失,球状稀土相形成,晶界处条状及碎块状化合物明显减少,点链
化合物形成,构成塑性良好的均匀