稀土鋁合金

稀土鋁合金

REcontainingaluminiumalloy

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，生成相應的穩定化合物。稀土元素的原子半徑大於常見的金屬如鉛、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的親和力，能生成熔點高的化合物，故它有一定的除氫、精鍊、凈化作用；同時，稀土元素化學活性極強，它可以在長大的晶粒界面上選擇性地吸附，阻礙晶粒的生長，結果導致晶粒細化，有變質的作用。以下就這3方面的作用詳細介紹。

1．精鍊、凈化作用

稀土元素的脫氧能力比強脫氧劑Al、Mg、Ti等強，微量稀土就能使〔O〕脫到Sn、As等低熔點金屬元素化合，生成REP、RESn、REAs等化合物。這些稀土化合物都具有熔點高、比重輕，當它們的熔點高於金屬冶鍊溫度時，能上浮一部分成渣，它們微小的質點則成為鋁結晶過程的異質晶核，而留在固態金屬內的部分則能降低其危害性。稀土對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較高，並且彌散分佈於鋁液中，以化合物形成的氫不會聚集形成氣泡，大大降低鋁的含氫量和針孔率。

2．變質作用

變質處理是指在金屬及合金中加入少量或微量的變質劑，用以改變合金的結晶條件，使其組織和性能得到改善的過程。變質劑又稱晶粒細化劑或孕育劑。稀土元素的原子半徑為0.174～0.204mm，大於鋁原子半徑(0.143mm)。稀土元素比較活潑，它熔於鋁液中，極易填補合金相的表面缺陷，從而降低新舊兩相界面上的表面張力，使得晶核生長的速度增大，同時還在晶粒與合金液之間形成表面活性膜，阻止生成的晶粒長大，使合金的組織細化。此外，鋁與稀土形成的化合物在金屬液結晶時作為外來的結晶晶核，因晶核數的大量增加而使合金的組織細化。研究表明：稀土對鋁合金具有良好的變質效果。例如，合金化的7005鋁合金鑄錠本身就呈十分細小的組織。同時值得一提的是，稀土的變質作用具有長效及重熔穩定性的特點，比用鈉(Na)、鍶(Sr)等變質劑具有明顯優點。稀土的變質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化作用主要有細晶強化、有限固溶強化和稀土化合物的第二相強化等。當稀土加入量不同時，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。當稀土含量較低時(低於0.1%)，稀土主要以前兩種形式分佈。第一種形式起到了有限固溶強化的作用，第二種形式增加了變形阻力，促進位錯增殖，使強度提高。加入稀土后合金的鑄態組織中合金晶粒明顯減少，二次枝晶間距有可能細化，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佈在晶界或界內，組織中有大量位錯分佈。當稀土含量大於0.3%，后一種存在形式開始佔主導地位。這時，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，同時使第二相的形狀、尺寸發生變化，可能使得第二相從長條狀等形狀轉變成短棒狀粒子出現，粒子的尺寸也變得比較細小，且呈彌散分佈。大部分含稀土元素的第二相都出現了粒子化、球化和細化的特徵，這種變化在一定程度上都強化了鋁合金。

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，鋁合金的強度、塑性均有所提高。這主要得益於稀土元素對合金組織的改善以及彌散的稀土化合物強烈的沉澱強化效應等。添加稀土元素可以導致合金斷裂過程中裂紋萌生位置與擴展途徑發生改變，有利於合金的韌化。同時鋁合金中隨稀土含量的增加，抗拉強度、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。這是因為鐵是鋁合金中非常有害的雜質，萬分之幾的Fe就能形成Al+FeAl3的共晶硅，大多數含鐵相的結晶組織都十分粗大，直接影響合金的機械性能，降低合金的流動性，增加組織不均勻性，添加稀土，則可以改變鐵相的存在形態，提高鋁合金的鑄造性能。在同一溫度下，稀土鋁合金的電阻率比普通鋁合金小得多，說明摻入微量稀土元素后鋁合金的導電性能大大提高。這是因為稀土元素作為表面活性元素加到合金中，使合金的鑄態組織得以細化，減小了對傳導電子的散射，從而使電阻率大幅度下降。稀土在鋁合金中可以形成熱硬性高的複雜成分化合物，呈網狀分佈於晶界或枝晶間，細化了組織，有效地阻礙了基體變形和晶界移動，從而明顯提高了合金的高溫性能。