【知识】稀土在铸造铝合金中的发展现状

一、稀土在铸造铝合金中的作用

稀土在铸造铝合金中的应用国外开展的较早，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，并已经取得了一些成果。

1.稀土在铝合金中的精炼作用

铝合金中添加适量稀土元素对精炼效果具有促进作用。稀土元素可以改善夹杂物形态，净化晶界。作者采用真空吸铸法研究了AlRE中间合金对A356合金流动性的影响，实验结果证明合金熔体中加入适量的稀土元素，能够使固液相线温度差减少，减小合金的糊状凝固趋势，并且降低合金熔体表面张力，此外还有去气、除杂的精炼作用，这都会使熔体流动性提高，粘度降低，有利于夹杂物和气体的排除。

已研究开发出一种含有稀土化合物的铝合金新型熔剂，该熔剂通过发生一系列的物理和化学反应，不仅可使A356合金熔体720℃时的含氢量由大于0.30ml／100g(Al)下降到0.10ml／100g(Al)以下，除气效果显著，并使A356合金的室温抗拉强度提高7.27％，延伸率提高85.58％。但是，过量的稀土元素也会加剧富RE相的聚集，成为夹杂物，从而降低合金熔体的流动性。

2.稀土对铝合金的细化作用

有目的地抑制柱状晶和双柱状晶生长，促进细小等轴晶形成，这种工艺过程就叫作晶粒细化处理。由于晶粒得以细化，合金的性能得到提高，同时还使缩松、热裂、针孔等缺陷下降。细化处理的最基本方法是抑制形核，以及向熔体中添加晶粒细化剂的外来形核质点。目前，添加细化剂的方法成为最有效、最实用的方法。铸造铝合金中常用的共有三种类型的晶粒细化剂：二元Al－Ti合金、二元Al－B合金和三元Al－Ti－B合金。中间合金(晶粒细化剂)加入到铝合金熔体中发生溶解，释放出金属间化合物相，成为外来形核核心。

在铝合金中加入稀土，既可细化晶粒，也可明显细化枝晶组织(减小二次枝晶间距)，其最佳效果对应于不同的稀土含量。但是，其细化效果弱于Ti、B等元素。稀土加入的临界值与合金的熔炼、浇铸条件有密切关系。只有在一定的生产工艺条件下，一定量的稀土才会有最好的细化效果。

采用一般细化剂，随着铝液静置时间的延长，细化效果逐渐衰退；采用Al－5Ti－1B－10RE中间合金，稀土元素能阻止细化元素发生聚集、沉淀，对Ti、B的细化作用有一定的促进作用，可有效抑制铝硅合金长时间静置过程中晶粒尺寸的衰退，适合于大批量生产汽车铝合金铸件。

3.稀土对铝硅合金的变质作用

铸造Al－Si合金中Si相在自然生长条件下会长成块状或片状的脆性相，它严重割裂基体，降低合金的强度和塑性，因而需要将它改变成有利的形态。变质处理使共晶Si由粗大的片状变成细小纤维状或层片状，从而提高合金性能。迄今已发现，碱金属中的K、Na，碱土金属中的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等均具有变质作用。在Al－Si合金中，添加铝稀土中间合金或稀土氯化物和氟化物，可使共晶Si相由片条状变成球粒状。不同稀土的变质能力不同，大体上随着原子半径由大变小，变质能力由强变弱。

稀土变质剂具有很好的长效性和重熔稳定性，吸气倾向小，无污染、加入工艺简便、无腐蚀作用。研究结果表明，含La为0.056％变质后的合金，重熔10次，每次取样进行金相检验，发现最终仍有变质效果，La的最终浓度仍有0.035％，仍处于最佳变质范围之内。0.3％混合稀土变质合金，重熔5次，发现最终仍有良好变质效果。

变质工艺直接影响着稀土的变质效果。对Al－Si合金，获得稳定变质组织的关键是减少稀土的烧损，并防止稀土的偏聚，使稀土迅速均匀地扩散到铝液中。稀土变质有一潜伏期，即必须在高温下保持一定时间，稀土才能发挥最大变质作用。

二、稀土在铸造铝合金面临的机遇和对策

我国稀土在铝合金中的应用经历过一个特殊的高速发展时期。1989年，我国含稀土的铝及其制品的总量达到12万吨，约占铝产量的16％。但是，近年来稀土在铝合金中的应用发展速度明显放缓。在此形势下，要充分利用我国的稀土资源优势，以企业为主体，走产学研结合之路，进行稀土的深加工，实现稀土在铸造铝合金领域应用的可持续发展，提高进入WTO以后的国际竞争力。

1.加强应用基础研究，正确评价稀土的作用

尽管稀土元素本身的精炼、细化和变质能力并不是最强，但是辅以常规精炼剂、细化剂和变质剂进行复合熔体处理，可以获得更好的精炼、细化和变质效果，从而提高铸件性能。因此，应该开展以下基础研究工作：进一步深入研究稀土在铸造铝合金中的精炼、细化和变质机制；研究稀土元素与常用细化元素Ti和B、稀土元素与常用变质元素Sr和Na在铸造铝合金中的变质作用；研究含稀土与其它细化元素和变质元素对铸造铝合金的复合细化和复合变质作用。

2.研究优质铝合金稀土添加剂的制备工艺

由于对稀土元素的作用机制研究不足，目前含稀土的细化型和变质型中间合金质量差别大，加上现场生产工艺的复杂性，限制了稀土在铝合金铸造生产中的广泛应用。因此，要推动稀土在铸造铝合金中的应用，应该研究不同成分和组织特征的含稀土复合细化剂和复合变质剂对铸造铝合金的细化和变质效果，在此基础上研究含稀土细化剂、变质剂和精炼剂的制备工艺。


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