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。

2.精炼、净化作用

稀土元素的脱氧能力比强脱氧剂Al、Mg、Ti等强，微量稀土就能使［O］脱到＜lppm(即<10-4％)。稀土的脱硫能力也相当强，可以生成RES或RE2S3，生成物主要取决于稀土与硫的活度或溶解度。稀土元素在金属液中还可以与氧和硫同时发生反应生成RE2O2S型硫化物。稀土元素还能与P、Sn、As等低熔点金属元素化合，生成REP、RESn、REAs等化合物。这些稀土化合物都具有熔点高、比重轻，当它们的熔点高于金属冶炼温度时，能上浮一部分成渣，它们微小的质点则成为铝结晶过程的异质晶核，而留在固态金属内的部分则能降低其危害性。稀土对氢的的吸附力特别大，能大量吸附和溶解氢，稀土与氢的化合物熔点较高，并且弥散分布于铝液中，以化合物形成的氢不会聚集形成气泡，大大降低铝的含氢量和针孔率。

3.合金化作用

稀土在铝合金中的强化作用主要有细晶强化、有限固溶强化和稀土化合物的第二相强化等。当稀土加入量不同时，稀土在铝合金中主要以三种形式存在：固熔在基体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。当稀土含量较低时(低于0.1％)，稀土主要以前两种形式分布。第一种形式起到了有限固溶强化的作用，第二种形式增加了变形阻力，促进位错增殖，使强度提高。加入稀土后合金的铸态组织中合金晶粒明显减少，二次枝晶间距有可能细化，稀土与Al、Mg、Si等元素形成的金属间化合物呈球状和短棒状分布在晶界或界内，组织中有大量位错分布。当稀土含量大于0.3％，后一种存在形式开始占主导地位。这时，稀土与合金中的其他元素开始形成许多含稀土元素的新相，同时使第二相的形状、尺寸发生变化，可能使得第二相从长条状等形状转变成短棒状粒子出现，粒子的尺寸也变得比较细小，且呈弥散分布。大部分含稀土元素的第二相都出现了粒子化、球化和细化的特征，这种变化在一定程度上都强化了铝合金。

铝合金加入稀土元素后性能的变化

随着稀土元素加入量的增加，铝合金的强度、塑性均有所提高。这主要得益于稀土元素对合金组织的改善以及弥散的稀土化合物强烈的沉淀强化效应等。添加稀土元素可以导致合金断裂过程中裂纹萌生位置与扩展途径发生改变，有利于合金的韧化。同时铝合金中随稀土含量的增加，抗拉强度、硬度提高，而延伸率略有下降。由此可见，伴随稀土的加入，合金的机械性能大有改善。

稀土元素的加入也可以改善铝合金的铸造性能。这是因为铁是铝合金中非常有害的杂质，万分之几的Fe就能形成Al+FeAl3的共晶硅，大多数含铁相的结晶组织都十分粗大，直接影响合金的机械性能，降低合金的流动性，增加组织不均匀性，添加稀土，则可以改变铁相的存在形态，提高铝合金的铸造性能。

在同一温度下，稀土铝合金的电阻率比普通铝合金小得多，说明掺入微量稀土元素后铝合金的导电性能大大提高。这是因为稀土元素作为表面活性元素加到合金中，使合金的铸态组织得以细化，减小了对传导电子的散射，从而使电阻率大幅度下降。

稀土在铝合金中可以形成热硬性高的复杂成分化合物，呈网状分布于晶界或枝晶间，细化了组织，有效地阻碍了基体变形和晶界移动，从而明显提高了合金的高温性能。

稀土铝合金的应用

由于稀土独特的物理、化学性质开发出了众多的含稀土的合金材料，不但大量用于军事工业、农业、轻工业、手工业和交通运输业，也广泛用作建筑材料、家庭生活用具和体育用品等。

我国铝土矿含硅量高(0.1％以上)，比国外的电解铝含硅量(0.08％)高，直接影响了铝的性能，不能用作电工铝。然而铝中加入适量稀土元素后，性能则大有改善。目前我国的稀土铝导线主要有高强度稀土铝合金电缆，成分为Al-Mg-Si-RE，

用于高压输电线路；高导电铝电线，成分为Al-RE；还有在较高温度下使用的高导电稀土铝导线，其成分为Al-Zr-RE。在ZJ104铸造铝合金中加入不同量的稀土元素后合金的抗拉强度、硬度、高温强度均有所提高，因而广泛应用于机械制造业的缸体、曲轴、轴承盖等材料中。已投入批量生产的稀土铝硅过共晶ZL117合金在200～300℃下，抗拉强度超过德国活塞合金KS280和KS282，耐磨性能比常用活塞合金高4～5倍，线膨胀系数小，已用于航空空压机和航模发动机活塞。稀土铝箔是一种生产电子元器件较为理想的材料。

稀土铝合金能大大提高合金的强度、硬度、韧性，还会使表面氧化膜结构发生变化，从而使产品表面光亮、美观，提高产品的耐腐蚀性能。目前我国在民用铝制品工业中已用来制造洗衣机内缸等。

添加适量稀土还可以明显提高铝锰和铝镁合金材料的耐腐蚀性能。稀土元素的加入在铸造、锻造、焊接、热处理及表面涂层技术中都取得了良好的效应。

使用稀土铝合金需注意事项

稀土元素虽然在铝合金中的作用很大，但我们必须防止稀土加入方法不正确和使用不当引起的不良影响。应注意以下几点：

1.注意掌握稀土元素的加入量。稀土的过量加入不但不会使铝合金的性能改善，还会影响铝合金的正常使用，甚至造成材料的报废；

2.稀土不宜做预先脱氧、脱硫剂，当脱氧、脱硫效果良好后再加入稀土，不但有深度脱氧、脱硫作用，还能很好控制氧、硫夹杂物的形态；

3.注意防止生成不均匀分布、大而脆的稀土金属化合物；

4.还要注意防止稀土元素与某些合金元素发生冲突，影响合金的性能等。

结语

稀土元素具有独特的4f电子结构、大的原子磁距、很强的自旋轨道耦合等特性，形成稀土配合物时，配位数在3～12之间变化，并且稀土化合物的晶体结构也是多样化的。稀土元素独特的物理、化学性质，决定了其广阔的潜在用途。