稀土鋁合金[ 墨鉅:鋁合金錠 ] RE containing aluminium alloy

指含稀土金屬的鋁合金，主要是指Al-RE系合金。工業(yè)Al-RE系合金主要是含有4.4％～5％稀土的鑄造

鋁合金，如Al-RE-Cu-Si-Mn-Ni-Mg合金，含有多種過渡元素，成分、組織復(fù)雜。工作溫度可達(dá)400℃，是

廣泛使用的熱強(qiáng)性最好的鑄造鋁合金。室溫力學(xué)性能低，鑄造工藝性能良好，可用于砂型、金屬型鑄造，

生產(chǎn)形狀復(fù)雜的高溫下長(zhǎng)期工作的零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)附機(jī)殼體、閥門等。 在鋁合金中加入微量稀土元素，可以顯著改善鋁合金的金相組織，細(xì)化晶粒，去除鋁合金中氣體和有

害雜質(zhì)，減少鋁合金的裂紋源，從而提高鋁合金的強(qiáng)度，改善加工性能，還能改善鋁合金的耐熱性、可塑

性及可鍛性，提高硬度、增加強(qiáng)度和韌性。稀土元素的加入使得稀土鋁合金成為一種性能優(yōu)良、用途廣泛

的新型材料，目前稀土鋁合金的產(chǎn)量已近全國(guó)鋁產(chǎn)量的1／4。

稀土元素非常活潑，極易與氣體(如氫)、非金屬 (如硫)及金屬作用，生成相應(yīng)的穩(wěn)定化合物。稀土

元素的原子半徑大于常見的金屬如鉛、鎂等，在這些金屬中的固溶度極低，幾乎不能形成固溶體。一般認(rèn)

為，稀土元素加入到鋁合金中可起到微合金化的作用；此外，它與氫等氣體和許多非金屬有較強(qiáng)的親和力

，能生成熔點(diǎn)高的化合物，故它有一定的除氫、精煉、凈化作用；同時(shí)，稀土元素化學(xué)活性極強(qiáng)，它可以

在長(zhǎng)大的晶粒界面上選擇性地吸附，阻礙晶粒的生長(zhǎng)，結(jié)果導(dǎo)致晶粒細(xì)化，有變質(zhì)的作用。以下就這3方

面的作用詳細(xì)介紹。

1.精煉、凈化作用

稀土元素的脫氧能力比強(qiáng)脫氧劑Al、Mg、Ti等強(qiáng)，微量稀土就能使〔O〕脫到＜lppm(即<10-4％)。稀

土的脫硫能力也相當(dāng)強(qiáng)，可以生成RES或RE2S3，生成物主要取決于稀土與硫的活度或溶解度。稀土元素在

金屬液中還可以與氧和硫同時(shí)發(fā)生反應(yīng)生成RE2O2S型硫化物。稀土元素還能與P、Sn、As等低熔點(diǎn)金屬元

素化合，生成REP、RESn、REAs等化合物。這些稀土化合物都具有熔點(diǎn)高、比重輕，當(dāng)它們的熔點(diǎn)高于金

屬冶煉溫度時(shí)，能上浮一部分成渣，它們微小的質(zhì)點(diǎn)則成為鋁結(jié)晶過程的異質(zhì)晶核，而留在固態(tài)金屬內(nèi)的

部分則能降低其危害性。稀土對(duì)氫的的吸附力特別大，能大量吸附和溶解氫，稀土與氫的化合物熔點(diǎn)較高

，并且彌散分布于鋁液中，以化合物形成的氫不會(huì)聚集形成氣泡，大大降低鋁的含氫量和針孔率。

2.變質(zhì)作用

變質(zhì)處理是指在金屬及合金中加入少量或微量的變質(zhì)劑，用以改變合金的結(jié)晶條件，使其組織和性能

得到改善的過程。變質(zhì)劑又稱晶粒細(xì)化劑或孕育劑。稀土元素的原子半徑為0.174 ～0.204mm，大于鋁原

子半徑(0.143mm)。稀土元素比較活潑，它熔于鋁液中，極易填補(bǔ)合金相的表面缺陷，從而降低新舊兩相

界面上的表面張力，使得晶核生長(zhǎng)的速度增大，同時(shí)還在晶粒與合金液之間形成表面活性膜，阻止生成的

晶粒長(zhǎng)大，使合金的組織細(xì)化。此外，鋁與稀土形成的化合物在金屬液結(jié)晶時(shí)作為外來的結(jié)晶晶核，因晶

核數(shù)的大量增加而使合金的組織細(xì)化。研究表明：稀土對(duì)鋁合金具有良好的變質(zhì)效果。例如，合金化的

7005鋁合金鑄錠本身就呈十分細(xì)小的組織。同時(shí)值得一提的是，稀土的變質(zhì)作用具有長(zhǎng)效及重熔穩(wěn)定性的

特點(diǎn)，比用鈉(Na)、鍶(Sr)等變質(zhì)劑具有明顯優(yōu)點(diǎn)。稀土的變質(zhì)作用只受共晶硅變化的影響。?

3.合金化作用?

稀土在鋁合金中的強(qiáng)化作用主要有細(xì)晶強(qiáng)化、有限固溶強(qiáng)化和稀土化合物的第二相強(qiáng)化等。當(dāng)稀土加

入量不同時(shí)，稀土在鋁合金中主要以三種形式存在：固熔在基體α(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。當(dāng)稀土含量較低時(shí)(低于0.1％)，稀土主要以前兩種形式分布。第

一種形式起到了有限固溶強(qiáng)化的作用，第二種形式增加了變形阻力，促進(jìn)位錯(cuò)增殖，使強(qiáng)度提高。加入稀

土后合金的鑄態(tài)組織中合金晶粒明顯減少，二次枝晶間距有可能細(xì)化，稀土與Al、Mg、Si等元素形成的金

屬間化合物呈球狀和短棒狀分布在晶界或界內(nèi)，組織中有大量位錯(cuò)分布。當(dāng)稀土含量大于0.3％?，后一

種存在形式開始占主導(dǎo)地位。這時(shí)，稀土與合金中的其他元素開始形成許多含稀土元素的新相，同時(shí)使第

二相的形狀、尺寸發(fā)生變化，可能使得第二相從長(zhǎng)條狀等形狀轉(zhuǎn)變成短棒狀粒子出現(xiàn)，粒子的尺寸也變得

比較細(xì)小，且呈彌散分布。大部分含稀土元素的第二相都出現(xiàn)了粒子化、球化和細(xì)化的特征，這種變化在

一定程度上都強(qiáng)化了鋁合金。?

鋁合金加入稀土元素后性能的變化

隨著稀土元素加入量的增加，鋁合金的強(qiáng)度、塑性均有所提高。這主要得益于稀土元素對(duì)合金組織的

改善以及彌散的稀土化合物強(qiáng)烈的沉淀強(qiáng)化效應(yīng)等。添加稀土元素可以導(dǎo)致合金斷裂過程中裂紋萌生位置

與擴(kuò)展途徑發(fā)生改變，有利于合金的韌化。同時(shí)鋁合金中隨稀土含量的增加，抗拉強(qiáng)度、硬度提高，而延

伸率略有下降。由此可見，伴隨稀土的加入，合金的機(jī)械性能大有改善。

稀土元素的加入也可以改善鋁合金的鑄造性能。這是因?yàn)殍F是鋁合金中非常有害的雜質(zhì)，萬分之幾的

Fe就能形成Al+FeAl3的