【知識】稀土在鑄造鋁合金中的發展現狀

一、稀土在鑄造鋁合金中的作用

稀土在鑄造鋁合金中的應用國外開展的較早，德國在二戰期間就研製了四種稀土鋁合金用於製造發動機、內燃機的複雜零件。我國在這方面的研究和應用始於20世紀60年代。雖然起步較晚，但發展較快，從機理研究到實際應用都做了大量的工作，並已經取得了一些成果。

1.稀土在鋁合金中的精煉作用

鋁合金中添加適量稀土元素對精煉效果具有促進作用。稀土元素可以改善夾雜物形態，淨化晶界。作者採用真空吸鑄法研究了AlRE中間合金對A356合金流動性的影響，實驗結果證明合金熔體中加入適量的稀土元素，能夠使固液相線溫度差減少，減小合金的糊狀凝固趨勢，並且降低合金熔體表面張力，此外還有去氣、除雜的精煉作用，這都會使熔體流動性提高，粘度降低，有利於夾雜物和氣體的排除。

已研究開發出一種含有稀土化合物的鋁合金新型熔劑，該熔劑通過發生一系列的物理和化學反應，不僅可使A356合金熔體720℃時的含氫量由大於0.30ml／100g(Al)下降到0.10ml／100g(Al)以下，除氣效果顯著，並使A356合金的室溫抗拉強度提高7.27％，延伸率提高85.58％。但是，過量的稀土元素也會加劇富RE相的聚集，成為夾雜物，從而降低合金熔體的流動性。

2.稀土對鋁合金的細化作用

有目的地抑制柱狀晶和雙柱狀晶生長，促進細小等軸晶形成，這種工藝過程就叫作晶粒細化處理。由於晶粒得以細化，合金的性能得到提高，同時還使縮松、熱裂、針孔等缺陷下降。細化處理的最基本方法是抑制形核，以及向熔體中添加晶粒細化劑的外來形核質點。目前，添加細化劑的方法成為最有效、最實用的方法。鑄造鋁合金中常用的共有三種類型的晶粒細化劑：二元Al－Ti合金、二元Al－B合金和三元Al－Ti－B合金。中間合金(晶粒細化劑)加入到鋁合金熔體中發生溶解，釋放出金屬間化合物相，成為外來形核核心。

在鋁合金中加入稀土，既可細化晶粒，也可明顯細化枝晶組織(減小二次枝晶間距)，其最佳效果對應於不同的稀土含量。但是，其細化效果弱於Ti、B等元素。稀土加入的臨界值與合金的熔煉、澆鑄條件有密切關係。只有在一定的生產工藝條件下，一定量的稀土才會有最好的細化效果。

採用一般細化劑，隨著鋁液靜置時間的延長，細化效果逐漸衰退；採用Al－5Ti－1B－10RE中間合金，稀土元素能阻止細化元素發生聚集、沉澱，對Ti、B的細化作用有一定的促進作用，可有效抑制鋁矽合金長時間靜置過程中晶粒尺寸的衰退，適合於大批量生產汽車鋁合金鑄件。

3.稀土對鋁矽合金的變質作用

鑄造Al－Si合金中Si相在自然生長條件下會長成塊狀或片狀的脆性相，它嚴重割裂基體，降低合金的強度和塑性，因而需要將它改變成有利的形態。變質處理使共晶Si由粗大的片狀變成細小纖維狀或層片狀，從而提高合金性能。迄今已發現，鹼金屬中的K、Na，鹼土金屬中的Ca、Sr，稀土元素Eu、La、Ce和混合稀土，氮族元素Sb、Bi，氧族元素S、Te等均具有變質作用。在Al－Si合金中，添加鋁稀土中間合金或稀土氯化物和氟化物，可使共晶Si相由片條狀變成球粒狀。不同稀土的變質能力不同，大體上隨著原子半徑由大變小，變質能力由強變弱。

稀土變質劑具有很好的長效性和重熔穩定性，吸氣傾向小，無污染、加入工藝簡便、無腐蝕作用。研究結果表明，含La為0.056％變質後的合金，重熔10次，每次取樣進行金相檢驗，發現最終仍有變質效果，La的最終濃度仍有0.035％，仍處於最佳變質範圍之內。0.3％混合稀土變質合金，重熔5次，發現最終仍有良好變質效果。

變質工藝直接影響著稀土的變質效果。對Al－Si合金，獲得穩定變質組織的關鍵是減少稀土的燒損，並防止稀土的偏聚，使稀土迅速均勻地擴散到鋁液中。稀土變質有一潛伏期，即必須在高溫下保持一定時間，稀土才能發揮最大變質作用。

二、稀土在鑄造鋁合金面臨的機遇和對策

我國稀土在鋁合金中的應用經歷過一個特殊的高速發展時期。1989年，我國含稀土的鋁及其製品的總量達到12萬噸，約占鋁產量的16％。但是，近年來稀土在鋁合金中的應用發展速度明顯放緩。在此形勢下，要充分利用我國的稀土資源優勢，以企業為主體，走產學研結合之路，進行稀土的深加工，實現稀土在鑄造鋁合金領域應用的可持續發展，提高進入WTO以後的國際競爭力。

1.加強應用基礎研究，正確評價稀土的作用

儘管稀土元素本身的精煉、細化和變質能力並不是最強，但是輔以常規精煉劑、細化劑和變質劑進行複合熔體處理，可以獲得更好的精煉、細化和變質效果，從而提高鑄件性能。因此，應該開展以下基礎研究工作：進一步深入研究稀土在鑄造鋁合金中的精煉、細化和變質機制；研究稀土元素與常用細化元素Ti和B、稀土元素與常用變質元素Sr和Na在鑄造鋁合金中的變質作用；研究含稀土與其他細化元素和變質元素對鑄造鋁合金的複合細化和複合變質作用。

2.研究優質鋁合金稀土添加劑的製備工藝

由於對稀土元素的作用機制研究不足，目前含稀土的細化型和變質型中間合金品質差別大，加上現場生產工藝的複雜性，限制了稀土在鋁合金鑄造生產中的廣泛應用。因此，要推動稀土在鑄造鋁合金中的應用，應該研究不同成分和組織特徵的含稀土複合細化劑和複合變質劑對鑄造鋁合金的細化和變質效果，在此基礎上研究含稀土細化劑、變質劑和精煉劑的製備工藝。


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