稀土在铸造铝合金中的作用_赖华清
介绍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。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。
稀土金属在铸造铝合金中的应用
１２变质作 用 ．
稀土元素原子半径为 ０１４０ ０ｍ ． － ． ４ ｍ，比铝原子半径 Ｏ１３ ｍ大 ， ７ ２ ． ｍ ４ 它易填补铝合金相的表面缺陷 ， 阻碍晶粒长大， 具有 晶细化粒作用， 晶网络更为清晰 ， 使枝 从而改善台金的热塑性 稀土化合物微小的固态 质点提供了异质晶核或在结晶界面上偏聚阻碍 晶胞的长大， 为钢液结 晶细化提供了较好的热力条件． 此外． 铝 与稀土形 成化台 物在 金属液 中可作 为晶核 ， 高金属形核 率 试验 表 明 ，稀土对铝 合金具 有 良好的变 提 。 质效果． 在铝合金 （ Ｌ Ｏ ）中加入 ０１ Ｚ Ｉ１ ． ％混合稀土时 ，共晶硅呈不规则颗粒状和少许短棒状 ． 加人量在
０１ ０ ％之 间 ，共 晶硅 颗粒 不断 细化 ，继续 增大加 人量 时 ，共 晶硅仍 然细小 ，但凝 固组织 中 Ｈ现稀土 ％～ ． ６ １
收稿 日期 ：０ ０ １－６ 基金项 目： ２ ０ — ０ ； １ 基金项 目： 云南省教 育厅科学研究 基金（ 目编号：９２ ６ ｝ 项 ９ ０ ２ １
关键词 ： 铝合金 ： 稀土元 素 ： 织性 能 组
中图分 类号：Ｇ１６４ Ｔ ４ ．５
Leabharlann Baidu
文献标识 码： Ａ
文章编 号： ０ ７８ ５ （０２０ ．１－４ １０ ．５ Ｘ ２０ ）２０ ３０
稀土铝合金的应用研究
特殊的 电子壳层结构 ，几乎能与所有元素反应 发生作用。铝合金熔炼时加入微量稀土元素 ， 常以变质剂、生核剂和脱气剂形式加入铝液 中， 增加熔体的流动性 ，提高铸造性能 ，减少或避 免铸造 缩孔 、气 孔 、偏 析 和表 面 裂纹 ：净化 熔
体 ，精 炼 除 气 ，强化 铝 合 金基 体 。 如在 Ａｌ ｉ — Ｓ 合 金钟加 入 ０ ％～ １ ％混合 稀土 时 ，细化 ａ ． ５ ． ０ 铝
稀 土铝 合金 在 电线 电缆 中的应 用一 用于 制 造高导 电性 铝 电缆线 、架 空输 电线 、芯 线 、滑 接线和 特殊 用途 细线 。此 种铝 合金 具有 良好 的
导 电性 ，载流 量大 、强度高 、耐磨损 、易加 工、
加 工性 能 ，提升 产 品质量 和成 品率 ，增 加 产量
韧 性 、耐热性 、抗 腐蚀 性 、可焊 性 、加工 性 等
综合 理化性 能。
等综合 力 学性 能 ，型材 阳极 表面 处理 氧化 膜和 着 色 的效 果好 ，且 可降 低挤压 力 １％￣２ ％， ５ ０
提 高挤压 速度 ０５ 倍和 热处理 强化效 果与 深冲 ．
３ 稀土铝合金 的应用效果
作用有 ：良好除气 、除渣、净化铝液、细化晶 粒、变质处理 ，使组织致密 ，降低铝铸锭和铝 铸件 含 气量 与氧 化 夹 杂及 表 面裂 纹 ，发 生弥 散 强化 、固溶强 化 、细 晶 强化和 微合 金化 的作 用 ，
铝合金中影响稀土元素作用效果的因素
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铝合金中影响稀土元素作用效果的因素
1、稀土元素种类的影响
研究了单一稀土及混合稀土对共晶Al-Si合金的变质效果，发现Eu具有最强的变质能力，La次之，Ce、Pr、Nd和混合稀土的变质能力稍低于La。稀土的变质能力随原子半径的减小而迅速降低，到Er、Y已基本不具有变质能力，且RE的变质作用对冷速敏感，适用于金属型铸件。
2、稀土元素加入量的影响
稀土在铝合金中的作用不仅与稀土元素的种类和铝合金的种类有关，稀土添加量不同，其作用也不同。在ZA1Si7Mg1A合金中加入稀土后，合金的抗拉强度和伸长率都有不同程度的提高，而且两者的最佳效果都出现在加入4.5%RE时。加入量小于该值时，随稀土溶入量的升高，合金的抗拉强度和伸长率同步升高；加入量大于4.5%之后，合金的抗拉强度和伸长率同步降低。指出在Ti-B-Sr联合细化变质的A356铝合金中添加适量的稀土，不仅有细化和变质的综合效果，而且能够有效减缓变质剂的“衰退”现象；同时，可以强化Sr对硅相的变质效果，减少合金针孔的数量，改善合金的冶金质量。但是添加过量的稀土则可能形成RE-Sr金属间化合物，弱化Sr对硅相的变质效果；中最佳的Al-10RE中间合金加入量为3%。研究了Sr变质对AlSi7Cu2Mg合金伸长率的影响，得到了Al-Si合金的最佳变质工艺：Sr的加入量0.04%，静置时间60min，加入时铝液温度750℃。
其原因是：稀土添加量较小时，不会形成稀土金属间化合物；当添加量足以达到生成金属间化合物、共晶复合物的金属纤维组织及固溶强化相时，可以显着提高合金基体的高温性能。过量的稀土则会加剧富RE相的聚集，成为夹杂物，从而降低合金熔体的流动性。
稀土在锌铝铸造合金中的作用
19
M
etallurgical smelting
冶金冶炼
稀土在锌铝铸造合金中的作用
边明勇
（新疆众和股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830013）
摘 要：
本文全面参考了国内外优秀文献，针对稀土在锌铝铸造合金中的作用进行了简单分析，主要是从工艺性能、显微组织、力学性能、摩擦磨损性能、抗腐蚀性能、减震性能以及尺寸稳定性等方面进行论述，希望能进一步为稀土对锌铝铸造合金的作用提供一点参考价值。
关键词：
稀土；锌铝合金；工艺；作用中图分类号：TG113.12 文献标识码：A 文章编号：
11-5004（2021）12-0019-2收稿日期：
2021-06作者简介：
边明勇，男，生于1979年，汉族，四川人，本科，工程师，研究方向：有色金属铝的铸造和加工。
锌铝合金一般分为含铝8%的ZA-8、含铝12%的ZA-12和含铝27%的ZA-27三种铸造方式，其具有成本低、能耗低、无污染、性能优良、铸造性能耗等有点，是现代工业合金运用最为广泛的材料之一，在汽车零件制作、拖拉机零件以及模具、工艺装饰品之中的运用最为广泛，可替代某些铜合金、铝合金的铸件等。
含铝8%、12%和27%的三种铸造锌铝合金(即(ZA-8，ZA-12和ZA-27)具有机械性能优良、成本低、能耗少、无污染和铸造性能好等优点，是一种有前途的工程材料，可代替部分铜合金、铝合金和铸铁等。此类合金可用来制造减摩耐磨零件、汽车及拖拉机配件、模具、装饰工艺品及各种结构件。在锌铝合金铸造过程中运用稀土元素，将有效提高其工艺性能，提高其经济效益。因此，本文深入研究了稀土对ZA-8、ZA-12、0ZA-27的组织及性能影响，并结合相关研究，从工艺性能、显微组织、力学性能、摩擦磨损性能、抗腐蚀性能、减震性能以及尺寸稳定性等方面进行综合分析。
稀土元素在铝合金中的作用和应用
在铝合金中加入微量稀土元素，可以显著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，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：稀土对铝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。
稀土元素对连续铸挤Al-Mg-Si合金组织性能的影响
ｃ ｅ ， Ｌ ａ ， Ｅ ｒ ， Ｙ。Ｔ Ｅ Ｍ 研 究发 现 ，含 ｃ ｅ 合金 中存在含 ｓ ｉ 和ｃ ｅ 的第二相 颗粒和位错 。Ｘ Ｒ Ｄ研究发现 ，含 ｃ ｅ 的合金 中， － Ａ １ ， Ｆ ｅ ３ Ｓ ｉ ， Ａ １ １ ２ Ｍｇ １ ７ ， Ｓ ｉ Ｏ ２ ， Ａ １ Ｃ ｅ ３ ， Ｃ ｅ ５ Ｓ ｉ ３ 相存在 。Ｓ Ｅ Ｍ 断 口观察发 现 ，含 ｃ ｅ 合金 的断裂机理 为 韧性 断裂。力争 ｝ 生 能研究发现 ，含 Ｓ ｃ的试样抗拉 强度 最高 ，为 ２ ４ ５ ＭＰ ａ ，含 ｃ ｅ 试样 次之 ，为 ２ ３ ８ ＭＰ ａ ，且 含稀 土元素 Ｌ ａ ， Ｅ ｒ ， Ｙ 的抗拉 强度均低 于 ２ １ ６ ＭＰ ａ ，６ ２ ０ １ 合金抗拉强度为 １ ９ ２ ＭＰ ａ ，说 明稀 土元 素对合金具 有强化作 用 ；导电性 能研 究发现 ，添加 稀土的 ６ ２ ０ １合金 的导 电率介 于 ４ ３ ． ５ Ｉ ＡＣ Ｓ ％￣ ４ ８ ． ５ Ｉ ＡＣ Ｓ ％之 间，含稀 土的试样导 电率低 ；稀 土元素对导电率影响 由高到低 的顺序为 Ｌ ａ ， ｃ ｅ ， Ｅ ｒ ， ｓ ｃ ，其 中 ｓ ｃ降低 导电率的程度 最 大。结论 稀 土元素对 ６ ２ ０ １ 合金 具有强化作用但 对合金 的导 电率有不利影响。
晶粒 细化 效 果 最 明 显 ，横 断 面晶 粒 尺 寸 小 于 ５ ０ ｇ ｍ，Ｃ ｅ 次 之 ， 晶粒 尺 寸 为 １ ０ ０｝ ａ ｍ，添 加 Ｌ ａ ， Ｅ ｒ 的合 金 晶粒 尺 寸为 １ ０ ０ ￣ １ ５ ０ ｔ ｔ ｍ，而 添 加 Ｙ 的 合 金 晶粒 尺 寸 大 于 ２ ０ ０ ｇ ｍ ；对 ６ ２ ０ １ 合 金 晶 粒 细 化 由强 到 弱 的 顺序 为 ：Ｓ ｃ ．
稀土对铝合金力学性能影响的研究进展
稀土对铝合金力学性能影响的研究进展
稀土元素对铝合金的强度和硬度有显著影响。稀土元素的加入可以提高铝合金的强度
和硬度，尤其是对抗拉强度和屈服强度的提高效果更为明显。这是因为稀土元素会在晶界
和析出相中形成强化相，有效阻止晶界滑移和位错运动，增加晶界能，从而提高材料的强
度和硬度。
稀土元素对铝合金的塑性和韧性也有一定影响。一方面，稀土元素的加入会导致铝合
金的塑性降低，主要原因是稀土元素会与铝形成一定数量的固溶体，阻碍晶界滑移和位错
运动，使材料的塑性降低。稀土元素的加入可以改善铝合金的韧性，主要原因是稀土元素
可以减少晶粒的尺寸和增加晶体间的相界面，从而抵御和抑制裂纹的扩展，提高材料的断
裂韧性。
稀土元素对铝合金的热稳定性和耐蚀性也有一定影响。研究表明，稀土元素的加入可
以提高铝合金的热稳定性，抑制析出相的形成，延缓材料的时效硬化过程。稀土元素的加
入还可以有效提高铝合金的耐蚀性能，主要原因是稀土元素可以与氧、硫等有害元素发生
化学反应，形成稳定的氧化物和硫化物膜，阻止有害元素的扩散和反应，提高材料的耐蚀性。
未来的研究方向主要包括以下几个方面：深入研究稀土元素与铝之间的相互作用机制，探究稀土元素对铝合金力学性能的影响规律。优化稀土元素加入方式和含量，寻找最佳的
稀土元素添加方法，提高铝合金的力学性能。研究稀土元素对铝合金微观结构和析出相的
影响机制，揭示稀土元素与微观结构之间的相互作用。应用先进的材料表征技术，如透射
电子显微镜、原子力显微镜等，对稀土元素在铝合金中的分布和组织演化进行研究，揭示
稀土元素在铝合金中的行为和作用机制。
稀土合金在铝合金中的应用
稀土合金在铝合金中的应用
稀土合金在铝合金中的应用主要体现在以下几个方面：
1.精炼作用：在铝合金中添加适量的稀土元素可以起到精炼作用。稀土元素可以改善夹杂物形态，净化晶界，提高合金的纯净度。此外，稀土元素还可以细化合金组织，提高合金的力学性能和耐腐蚀性能。
2.细化作用：稀土元素在铝合金中可以起到细化作用。通过添加适量的稀土元素，可以细化铝合金的晶粒，提高合金的强度和韧性。
3.合金化作用：稀土元素可以与铝合金中的其他元素形成合金化物，提高合金的力学性能和耐腐蚀性能。
综上所述，稀土合金在铝合金中的应用可以起到改善合金组织、提高力学性能和耐腐蚀性能的作用。
稀土在铝合金中的应用
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!$挖掘新材料和新技术的潜力。随着科技的发展、建筑技术的进步及新型建筑材料的不断出现，设计师们有了更广阔的设计天地。它们不仅能够为设计师在艺术形象上的突破和创新提供了更为坚实的物质基础，同时也为人类充分利用自然环境、节约能源、保护生态环境提供了可能。
&$充分利用太阳能等可再生资源。太阳能、风能等都是取之不尽、用之不竭的能源，有着可再生，无污染的优点。因此，太阳和风将对未来的建筑设计产生很大的影响，尤其是在建筑的外观和通风系统的设计方面。它使人们对建筑的外立面和建筑的自然通风产生了新的理解：视觉的联系、引进日光照明、自然通风、保温隔热、遮阳、合理运用太阳能、合理运用风能。
’$注重自然通风。空调制冷技术的诞生是建筑技术史上的一项重大进步，但空调技术也有其负面影响，对空调的过分依赖和不加限制地滥用是造成当今环境和能源问题的重要原因。因此，自然通风是当今生态设计普遍采用的一项比较成熟和廉价的技术措施。自然通风可以在不消耗能源的情况下达到对室内温度的调节，这有利于减少能源消耗、降低污染。
($用自然要素改善环境的小气候。人是自然生态系统的有机组成部分，自然的要素与人有一种内在的和谐感。自然环境是人类自下而上环境必不可少的组成部分。因此，建筑设计中自然要素的引用成为顺理成章的事情。
#$主动技术干预。在被动方法无法满足需要的时候，便需要主动技术的干预。如利用能量转化的原理，使用太阳能收集器和光电转化器利用地热资源；提高原生能源的利用率；减少废物的产生量等。再如，采用自然通风系统的生态建筑，当利用自然风压无法实现自然通风的时候，可以采用热压，热压与风压相结合、机械辅助等手段实现建筑的自然通风。
稀土在铝及铝合金中的作用
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稀土在铝合金中的作用及新型钪合金研究
晶界 ，有力阻碍晶界移动和变形 ， 提高高温性 能 。总 之 ，稀 土 元素 在铝 合 金 强度 、硬 度 、韧
性 、耐 热 性 、焊接 性 、抗 腐蚀 性 等物 理 、化 学 、
性能 。
中 ，易填补铝合金相 晶体缺陷 ，在 晶粒与铝合 金 液 之间形 成 表面 活性 膜 ，阻 止 晶粒 长大 ，细
其反 ，容易形 成 大而 脆 的 不均 匀和 大 块状 的 稀
土金属化合物 ，减弱或消除某些合金元素在铝 合金中的作用 ， 恶化组织性能 ， 甚至造成废品。 必须 注意 。
２ 土元素的变质效果 稀
稀 土 元素 具有 高 的化 学 活性 、低 电负 荷和
５
（ｅ Ｆ ）杂质 ，主要化学反应式为 ：
制与 去除 Ｐ 、Ａｓ ｂ ｎ ｉ ｂ 、Ｓ 、Ｓ 、Ｂ 等低熔 点 金属有
总之 ，稀土元素与铝液中有害低熔点金属杂质 和 非金属有 害杂 质 Ｓ 、Ｈ、Ｏ 的亲和 力特 强 ， 、Ｐ
稀土对铝合金力学性能影响的研究进展
稀土对铝合金力学性能影响的研究进展
引言
一、稀土元素在铝合金中的应用
稀土元素是指具有特殊化学性质的一组元素，包括镧系元素和锕系元素。这些元素以
其独特的物理和化学性质，在材料科学领域发挥着重要作用。稀土元素不仅可以提高合金
的强度和硬度，还能改善合金的耐热性和耐腐蚀性。稀土元素在铝合金中的应用备受研究
人员的关注。
稀土元素在铝合金中的应用主要有两种形式：一种是将稀土元素作为合金元素直接添
加到铝合金中，另一种是将稀土化合物作为强化相添加到铝合金中。通过这两种方式，可
以在一定程度上改善铝合金的力学性能，增强其耐热性和耐腐蚀性。
1. 强度和硬度
研究表明，添加适量的稀土元素可以显著提高铝合金的强度和硬度。稀土元素与铝形
成的固溶体能够有效地提高合金的抗拉强度和屈服强度，使合金具有更好的耐热性和抗变
形能力。稀土元素还能够形成析出相，细化晶粒，增加合金的位错密度，从而提高合金的
硬度和耐磨性。
2. 耐热性
铝合金在高温下容易软化和失去强度，而稀土元素的添加可以提高合金在高温下的稳
定性和耐热性。稀土元素能够抑制合金的晶粒长大和晶界迁移，减缓合金的晶粒长大速度，阻碍晶界的滑移，从而提高合金在高温下的抗变形能力和稳定性。
稀土元素的添加还可以显著改善铝合金的耐腐蚀性能。稀土元素能够与合金中的杂质
元素结合，形成一层致密的氧化膜，从而减少合金与外界环境的接触，提高合金的抗腐蚀
能力。稀土元素还能够提高合金的电化学稳定性，降低合金的电化学腐蚀速率。
1. 稀土元素种类的影响
研究表明，稀土元素的含量对铝合金的力学性能有着重要影响。适量的稀土元素可以
稀土元素对铝系合金微观组织和力学性能影响分析
稀土元素对铝系合金微观组织和力学性能影响分析
稀土元素对铝系合金微观组织和力学性能的影响分析
导言：
稀土元素是指元素周期表中17号元素长周期中镧系元素和钇
系元素的总称。稀土元素具有丰富的电子结构、包络电子能量层次复杂、多元化的电化学性质以及特殊的磁、光、电、热等机能特性。稀土元素作为一种重要的添加元素在合金工艺中起到了重要的作用，尤其在铝合金中具备显著的效果。本文将从微观组织和力学性能两个方面，详细分析稀土元素对铝系合金的影响。
一、稀土元素对铝系合金微观组织的影响
1. 晶粒细化作用
稀土元素可以通过剪应力调整晶界能量，限制晶界移动，从而抑制晶粒长大。当稀土元素添加量适中时，稀土元素和铝的化学反应可以消耗部分晶界能量，使得晶界移动困难，导致晶粒细化。稀土元素还可以与其他元素形成稀土化合物，作为晶核，有助于晶粒细化。
2. 改善铸造性能
稀土元素的加入可以改善铝合金的流动性、润湿性、凝固收缩等铸造性能。稀土元素的添加可以消除铝液气孔、夹杂物等缺陷，提高合金的凝固收缩性能，并降低铝合金的凝固温度。
3. 小晶粒添加剂
稀土元素可以调整晶粒的形成方式和晶粒增长，从而得到细小、均匀的晶粒。细小的晶粒可以提高合金的强度和塑性。
二、稀土元素对铝系合金力学性能的影响
1. 强度的提高
稀土元素通过固溶强化、组织细化和析出强化等方式，可以显著提高铝合金的强度。稀土元素与铝的固溶度较高，可以使铝合金晶体中形成由稀土元素形成的湮灭溶解团簇，从而增强析出相的形成和固溶溶剂的产生。
此外，稀土元素还可以通过助熔剂的作用，改善合金的成形加工性能，使得合金具有更好的强度。
稀土在铝合金铸造中的运用探讨
稀土在铝合金铸造中的运用探讨
作者：宋肖滨
来源：《大东方》2018年第07期
摘要：铸造铝合金具备刚性好、密度低以及强度高等特征，大量运用于民用与军用产品，特别是在航海、航空以及航天工业中发挥着重要作用。近几年内，因为铝合金的运用日益宽泛，对于铝合金有着更高的性能需求。在铸造铝合金中加入稀土元素便能够转变其性能与组织，以达到净化金属液与复合变质等各种要求。
关键词：稀土；铝合金；铸造；运用
铝合金是当前运用最多的工业合金之一，因为铸造铝合金具备高强、轻质、优良的加工性能、耐蚀性强等优势，在电子产业、航天航空以及交通运输等领域获得了大量的运用，被运用于制造形状各异、薄壁的大中小型零部件。
一、稀土在铝合金铸造中运用的重要性分析
我们国家的稀土资源加工、出口以及占有等位于全球首位。我国在二十世纪六十年代中期在铸铁过程中运用稀土，逐渐拓展到钢铁、有色冶金及其它各个领域，有色领域大都运用于铝合金。稀土在冶金行业的运用分析大都聚集于钢铁结构材料层面，以铝与铝合金为主导的有色金属层面，即使获得了较好的成绩，然而依然有着非常广阔的发展空间。相关研究说明，在铝以及铝合金当中加入合适数量的稀土元素，能够加强合金的强度特别是高温强度，优化合金的耐磨性、塑性、铸造工艺性以及抗腐蚀性等等。现阶段，在稀土元素的整体需求当中，和金属相关的占据了20%～30%。
稀土在钢铁结构材料里面被用作为微合金化元素；但是在铝合金中，除通过稀土的优良物理冶金性能实施变质、净化以外，还能够将其运用作合金化元素，即使稀土的成本高昂，然而其产品的附加值非常之高。稀土铝合金中往往包含了4.4%～5%的稀土元素，最高能够达到13%～16%。在九十年代初期，稀土铝合金的平均年产量高达10万吨。
稀土对铝及其合金的影响及其作用
稀土对铝及其合金的影响及其作用
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。
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稀土在铸造铝合金中的作用
Effect of Rare Earth in Casting Aluminum Alloy
赖华清,徐翔,范宏训
(湖北汽车工业学院材料工程系,湖北十堰442002)
摘 要:综述了稀土在铸造铝合金中的作用和应用概况。指出:稀土添加在铸造铝合金中可以起到细化组织、净化熔体、减少气体和夹杂物含量、降低合金线膨胀系数、提高合金常温和高温力学性能等多方面的良好作用。
关键词:稀土;铸造铝合金;作用
中图分类号:T G29 文献标识码:A 文章编号:1001-3814(2001)05-0037-03
稀土在铸造铝合金中的应用国外开展的较早,如德国在二战期间就研制了四种稀土铝合金用于制造发动机、内燃机的复杂零件。我国在这方面的研究和应用始于20世纪60年代,虽然起步较晚,但发展较快,从机理研究到实际应用都做了大量的工作,已经取得了一些成果。
1 稀土对铸造铝合金的变质作用
根据最新观点[1],铝合金变质处理大致可分三类,第一类是晶粒细化处理,主要用来细化α(Al)晶粒;第二类是共晶体变质,主要用于铝硅共晶合金;第三类是改善杂质相组织或消除易溶杂质相,如改变粗大富铁相等。
1.1 晶粒细化作用
铝合金晶粒细化最有效、最实用的方法是添加含B、Ti等元素的中间合金细化剂,除最常用的Al-Ti-B 中间合金外,目前稀土元素的晶粒细化作用逐渐引起人们的重视[2～4]。文献[4]指出,Al-Ti-B中间合金中配入适量的RE,可有效地抑制细化衰退现象,其原因是稀土元素的表面活性作用能降低铝熔体的表面张力,增加铝熔体对硼化物(TiB2)的湿润性,增大铝熔体在硼化物颗粒表面上的铺展系数,既能使TiB2的异质形核作用充分发挥,又能防止TiB2的聚集、沉淀,从而延缓衰退。此外,稀土本身也能够细化晶粒,RE与铝及铝中的Fe、Si等可形成高熔点的细小化合物,这些化合物能起到非自发形核的作用,使晶粒得到细化。
1.2 对初晶硅细化作用
高硅铝合金中初晶硅的细化一般都是采用加磷处理,现多以磷铜中间合金或磷盐的形式加入。魏伯康等人的研究结果证明了RE对初晶硅的细化作用[5],高硅铝合金中加入微量RE(0.02%),初晶硅形态开始发生变化,出现孪晶缺陷,并开始由规则八面体向不规则多面体转化,加入量至0.1%后,初生硅形态发生急剧变化,由多面体型向长条形、(并随着RE量的增加)进而向分枝生长方式转化。随着RE的增加,初晶硅数目增加,尺寸减小,RE达到0.5%时,细化效果最好,初晶硅可细化至50μm以下。但也有研究结果认为,稀土对初晶硅的细化作用很小甚至无变质作用。孙宝德等指出[6],仅仅加入稀土元素La、Y不能细化初晶硅。尽管对稀土细化初晶硅的作用有分歧,但在磷细化初晶硅的基础上稀土可进一步细化初晶硅的认识上,大家意见基本一致,所以稀土在高硅铝合金中的应用基本上是与磷复合构成双重变质剂使用[7～9],以弥补单独加磷不能同时细化初晶硅和共晶硅的缺点,这在高硅铝活塞材料上得到了相当成功的应用。
1.3 对共晶体变质作用
长期以来,铝合金一直采用钠盐作变质剂,钠变质有效期短,且腐蚀设备、污染环境。后来发展了以Sr为代表的长效变质剂[10],但Sr会增加铝合金的吸氢倾向,同时Sr的价格较贵,应用受到限制。近年来,关于稀土对铝硅合金变质作用的研究和应用的报道不断增多,充分肯定了稀土元素对共晶硅的良好变质作用[11～15]。李道韫等采用Al-RE中间合金对铝硅共晶合金进行变质处理[11],结果表明,微量RE可使铝硅共晶合金获得完全变质组织,RE变质具有比钠盐变质更好的长效性及重熔性,变质后,高温保持4h,重熔两次时,变质作用基本不衰退。张启运等研究了单一稀土元素及混合稀土对共晶铝硅合金的变质效果[13],发现Eu 具有最强的变质能力,La次之,Ce、Pr、Nd和混合稀土的变质能力稍低于La。稀土元素的变质能力随原子半径的减小而迅速降低,到Er、Y已基本不具有变质能力。RE的变质作用对冷速敏感,适用于金属型铸件。多数研究认为,RE的适宜加入量为0.8%～ 1.2%,此时共晶硅由粗针状细化为短杆状或球粒状,变质后抗拉强度可增加15%～20%,相对延伸率增加 1.5～ 2.0
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《热加工工艺》 2001年第5期综 述
⒇收稿日期:2001-04-24
作者简介:赖华清(1964-),男,江西大余人,硕士,副教授。DOI:10.14158/ k i.1001-3814.2001.05.017
倍。RE加入量过高共晶硅反而粗化,但当合金中含有Mg时,随Mg量增加,达到完全变质所需的稀土用量会急剧减少,因为M g对稀土的变质有激化作用[14]。稀土除了以中间合金形式加入外,人们还研究了以稀土盐(如氯化稀土和碳酸稀土)进行变质处理的技术[15],稀土盐变质比中间合金变质具有稀土加入量少、工艺简便、变质效果好、生产成本低、稀土元素不易产生偏聚等优点,值得推广应用。
1.4 改善富铁杂质相作用
文献指出[16],对含有较高铁的铝硅合金采用单一加锰的办法不能完全消除铁的危害,虽然锰能使粗大针片状富铁相Al9Fe2Si2转化为团块状的多元化合物AlSiM nFe,但这种化合物还比较粗大,影响了性能的进一步提高。稀土能够细化加锰时形成的团块状多元化合物,而且稀土本身也有一定的去铁作用,在含有较高铁的铝合金中形成CeFe2Al10和La Fe2Al10球状三元化合物,这些化合物相密度较大,容易沉积在坩埚底部。采用0.6%M n和0.4%～0.5%RE联合处理的方法,可以将含铁 1.10%～ 1.30%的ZL16合金的力学性能提高到原合金不含铁时的水平,说明M n-RE联合处理对消除铁的危害作用最有效。
2 稀土对铸造铝合金的精炼作用
2.1 除气作用
铝合金具有强烈的吸氢特性,存在于铝合金中的气体,氢占85%以上,溶于铝液中的氢是造成铝合金针孔缺陷的主要原因。如何去除铝液中的氢,是人们普遍关注的问题。文献[17]的研究结果表明,稀土金属(La、Y、RE)及氯化稀土(RECl3)加入铝液后,可使铝液中氢含量明显减少,针孔率降低,在最佳去氢工艺条件下,用0.2%～0.3%的稀土金属或0.4%～0.5%的氯化稀土对铝液进行去气处理,可以达到或超过用ZnCl2(0.3%)及C2Cl6(0.6%)的去氢效果。文献[18]对混合稀土与常用精炼剂在铸铝合金中去氢效果进行了对比,结果如表1所示。表中数据表明,加入0.2%～0.3%混合稀土后,可使铝合金液含氢量降低26%～
表1 混合稀土与常用精炼剂在铸铝合金中去氢效果的对比
合金种类Al-5%Cu Al-5%Si Al-11%Si Al-12%Si
稀土或精炼剂
种类无富铈RE无富铈RE无富铈RE无富铈RE富钇RE C2Cl6无毒精炼剂加入量(%)00.300.300.300.20.30.40.3
含氢量(ml/100g)0.1370.0950.1930.1420.2710.1650.2000.0790.0830.0930.142最大去氢率(%)030.7026.4038.9060.558.553.529.0
60%,对于铝硅合金,随着含硅量的增加,结晶区间缩小,稀土的去氢作用逐渐增强,稀土在共晶成分的Al-12.5%Si合金中去氢效果最佳,最大去氢率为60.5%,去氢效果优于C2Cl6和无毒精炼剂。与稀土对含氢量影响的变化趋势相对应,在铝硅合金中加入适量稀土后,可使在残压、减压及定向凝固条件下的针孔率和孔隙度显著下降,当加入0.3%的RE时,常压下的针孔率可降低55.5%～86.9%,减压下孔隙度可降低69.7%～83.0%。
导致铝液中氢含量的减少及针孔率降低主要原因是稀土具有“固氢”作用,稀土与氢有很大的化学亲合力,在高温下极易与氢作用生成REH2、REH3等稳定的氢化物[19],这些稳定的氢化物弥散分布于铝液中,使得铝液中游离氢的含量降低,而随着温度的降低,这些以化合物状态存在的氢并不会聚集和生成氢气泡。此外,稀土是表面活性元素,能使铝液表面张力降低和流动性提高,从而减小上浮气泡的临界尺寸,使气泡被液固界面推开上浮逸出的可能性增大,这是稀土降低针孔率的另一原因。
2.2 除氧化夹杂作用
铝合金铸件中主要的氧化夹杂是γ-Al2O3。γ-Al2O3的化学稳定性极高,熔点高达(2015±15)℃,在铝液中不易分解,更为严重的是,这种表面粗糙、带有众多缝隙的γ-Al2O3会吸附大量氢,吸附氢的γ-Al2O3又是温度下降时气泡形核的现成基底,所以当铝合金中γ-Al2O3较多时,铝合金的针孔率也随之增加,除气必须除杂是铝合金液精炼应遵循的原则[1]。表2为在Al-4%Cu合金中加入常用精炼剂和加入适量富铈混合稀土后夹杂物降低效果的对比[20]。结果表明,当稀土加入量为0.3%时效果最佳,优于C2Cl6及铝合金无毒精炼剂的效果。
表2 稀土及精炼剂对Al-4%Cu中夹杂物相对量的影响精炼剂种类未精炼C2Cl6无毒精炼剂稀土
加入量(%)00.60.40.10.30.5
夹杂物相对含量(%)0.6290.3380.2560.1620.1200.171夹杂物降低率(%)046.359.474.380.972.9
注:夹杂物降低率=
未精炼夹杂物含量-精炼夹杂物含量
未精炼夹杂物含量
稀土加入铝液后可发生下列反应[21]:
2RE+Al2O3(s)=2Al+RE2O3(s)
从热力学上讲,在标准状态下,稀土元素均能将γ-Al2O3中的Al还原出来,使γ-Al2O3夹杂物明显降低。而反应生成物RE2O3的密度和熔点很高,在熔池中迅速沉降并淀积,富集在坩埚底部,从而显著减少铝液中氧化夹杂和氢的含量。
3 提高耐热性和降低线膨胀系数
为提高铝合金的高温强度,通常做法是在其中加
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