稀土在铝合金中的应用

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,稀土原子半径大于铝原子半径。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[1 ] 。
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。文献[12 ] 指出, 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。
文献[ 13 ] 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。