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稀土铝合金

2017-06-02   

稀土铝合金[ 有色商机:铝合金锭 ]
RE containing aluminium alloy

指含稀土金属的铝合金,主要是指Al-RE系合金。工业Al-RE系合金主要是含有4.4%~5%稀土的铸造

铝合金,如Al-RE-Cu-Si-Mn-Ni-Mg合金,含有多种过渡元素,成分、组织复杂。工作温度可达400℃,是

广泛使用的热强性最好的铸造铝合金。室温力学性能低,铸造工艺性能良好,可用于砂型、金属型铸造,

生产形状复杂的高温下长期工作的零件,如发动机附机壳体、阀门等。 
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.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。


2.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。?

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

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