鋁棒-稀土在鋁合金中的應用

稀土是冶金工業中的有效添鋁合金材料加劑，稀土金屬具有很高的化學活性、低電位和特殊的電子殼層結構，幾乎能與所有元素反應發生作用。我國稀土資源十分豐富，品種齊全，質量好，分鋁擠型布廣，開采方便。已探明的稀土，儲量爲37000萬t，占世界儲量的80%，居世界第一位。近年來，
　　
　　稀土在冶金、機械、石鋁棒油化工、電子、原子能、醫療、農業、航空和國防工業等領域已得到了廣泛的應用。稀土在鋁及其合金中的應用起步較晚，國外始于20世紀30年代，而我國始于上世60年代，但發展很快，尤其是在鋁及其合金中的作用和應用研究已經取得了明顯的效果。這主要集中在鋁矽系鑄造合金、鋁鎂矽(鋅)系變形鋁合金、鋁合金導線及活塞合金等方面。在稀土對鋁及其合金的影響規律和作用機理研究方面也取得了一些進展。
　　
　　一、稀土在鋁及其合金中的作用
　　
　　稀土元素非常活潑，極易與氣體(如氫)、非金屬(如硫)及金屬作用生成相應的穩定化合物。稀土元素的原子半徑小于常見的金屬，如鉛、鎂等，在這些金屬中的固溶度極低，幾乎不能形成固溶鋁擠型工廠體。稀土元素加入到鋁合金中可起到微合金化的作用；此外，它與氫等氣體和許多非金屬有較強的親和力，能生成熔點高的化合物，故它有一定的除氫、精煉、淨化作用；同時，稀土元素化學活性極強，它可以在已形成的晶粒界面上選擇性地吸附，阻礙晶粒的生長，結果導致晶粒細化，有變質的作用。
　　
　　1、變質作用
　　
　　變質處理是指在金屬及合金中加入少量或微量的變質劑，用以改變合金的結晶條件，使其組織和性能得到改善的過程。變質劑又稱晶粒細化劑或孕育劑。通常情況下，稀土原子半徑。又由于稀土元素比較活潑，它熔于鋁液中極易填補合金相的表面缺陷，從而降低新舊兩相界面上的表面張力，使得晶核生長速度增大。同時它還能在晶粒與合金液之間形成表面台中鋁擠型活性膜，阻止生成的晶粒長大，使合金的組織細化。此外，作爲外來的結晶晶核，鋁與稀土形成的化合物在金屬結晶時，因晶核數的大量增加而使合金的組織細化。稀土在鋁矽合金中主要是起變質作用，使針、片狀共晶矽變成球粒狀，使初晶矽的尺度有所減小。不同稀土的變質能力不同，La和Eu具有強烈的變質作用，而混合稀土和Ce只有中等程度的變質能力。镧系元素的變質能力與其原子半徑有密切的關系，隨著原子半徑由La的0。187nm減小到Er的0。175nm時，其變質能力逐漸減小。大體鋁材批發上原子半徑小于0。18nm，變質鋁材作用即減小到沒有實際意義的程度。不同稀土元素的變質能力可用臨界變質冷卻速度(Vc)來衡量，Vc越小，則其變質效果越明顯；當V小于Vc時，任何濃度的稀土元素均不能引起合金變質，這是稀土與其他變質劑的主要差別之一。對Al-Si系的研究表明，變質處理工藝直接影響著稀土的變質效果。獲得穩定變質組織的關鍵是減少稀土的燒損，並防止稀土偏聚，使稀土迅速均勻地擴散到鋁液中；爲獲得穩定的變質組織，應盡可能提高變質溫度，變質後加強靜置，精煉後嚴格扒渣，並且盡可能不用鹵族鋁管元素熔劑進行精煉和覆蓋。稀土變質有一定的潛伏期，必須在高溫下保持一定的時間，稀土才會發揮最大的變質作用。
　　
　　2、淨化作用
　　
　　（1）、稀土的去氣作用及對針孔率的影響
　　
　　鋁及其合金在熔鑄過程中，大量的氣體會溶入鋁液，其中主要是氫(約占鋁液中氣體的85%)，其次是氧和氮。氫的來源主要是爐料中的水汽，鋁錠和邊角料中的油汙、水，以及鋁錠表面的“鋁鏽”—Al(OH)3。氫是鋁鑄件中産生針孔的主要原因，並且顯著降低鋁的強度。稀土加入到鋁及其合金中均能起除氣作用。當稀土加入量低于0。3%時，稀土的除氫效果最明顯，針孔率的減小幅度也最大。當稀土的含量大于0。3%以後，稀土含量增加時，氫含量下降減慢。如果用Y、La單一稀土，則當稀土含量超過0。3%時，稀土含量的增加反而使氫含量又開始上鋁條升，針孔率的變化也有同樣的規律，但變化幅度更明顯。作者認爲，去氫效果順次爲Y>La>Re(混合稀土)；從添加量來說，單一稀土含量以小于0。3%爲宜。稀土與氧、氮能生成一種難熔化合物Re2O3和ReN2。在冶煉過程中，大部分以渣的形式排除；同時，在溫度小于200℃時，稀土能與氟、氯劇烈作用生成氟化稀土和氯化稀土，將鋁中的氟與氯除去。所以，稀土在鋁合金中可作爲淨化劑。