稀土在鑄造鋁合金中的發(fā)展現(xiàn)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(yīng)用國(guó)外開(kāi)展的較早，德國(guó)在二戰(zhàn)期間就研制了四種稀土鋁合金用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)的復(fù)雜零件。我國(guó)在這方面的研究和應(yīng)用始于20 世紀(jì)60年代。雖然起步較晚，但 發(fā)展較快，從機(jī)理研究到實(shí)際應(yīng)用都做了大量的工作，并已經(jīng)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(duì)精煉效果具有促進(jìn)作用。稀土元素可以改善夾雜物形態(tài)，凈化晶界。作者采用真空吸鑄法研究了Al�睷E中間合金對(duì)A356合金 流動(dòng)性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明合金熔體中加入適量的稀土元素，能夠使固液相線(xiàn)溫度差減少，減小合金的糊狀凝固趨勢(shì)，并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(huì)使熔體流動(dòng)性提高，粘度降低，有利 于夾雜物和氣體的排除。��

　　已研究開(kāi)發(fā)出一種含有稀土化合物的鋁合金新型熔劑，該熔劑通過(guò)發(fā)生一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)，不僅可使A356合金熔體720℃時(shí)的含氫量由大于0.30ml／100g(Al)下降到0.10 ml／100g(Al)以下，除氣效果顯著，并使A356合金的室溫抗拉強(qiáng)度提高7.27％，延伸率提高85.58％。但是，過(guò)量的稀土元素也會(huì)加劇富RE相的聚集，成為夾雜物，從而降低合金熔體的流動(dòng)性。��

2.稀土對(duì)鋁合金的細(xì)化作用

　　有目的地抑制柱狀晶和雙柱狀晶生長(zhǎng)，促進(jìn)細(xì)小等軸晶形成，這種工藝過(guò)程就叫作晶粒細(xì)化處理。由于晶粒得以細(xì)化，合金的性能得到提高，同時(shí)還使縮松、熱裂、針孔等缺陷下降。細(xì)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(xì)化劑的外來(lái)形核質(zhì)點(diǎn)。目前，添加細(xì)化劑的方法成為最有效、最實(shí)用的方法。鑄造鋁合金中常用的共有三種類(lèi)型的晶粒細(xì)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(xì)化劑)加入到鋁合金熔體中發(fā)生溶解，釋放出金屬間化合物相， 成為外來(lái)形核核心。��

　　在鋁合金中加入稀土，既可細(xì)化晶粒，也可明顯細(xì)化枝晶組 織(減小二次枝晶間距)，其最佳效果對(duì)應(yīng)于不同的稀土含量。但是，其細(xì)化效果弱于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(guān)系。只有在一定的生產(chǎn)工藝條件下，一定量的稀土才會(huì)有最好的細(xì)化效果。��

　　采用一般細(xì)化劑，隨著鋁液 靜置時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)化效果逐漸衰退；采用 Al－5Ti－1B－10RE中間合金，稀土元素能阻止細(xì)化元素發(fā)生聚集、沉淀，對(duì)Ti、B的細(xì)化作用有一定的促進(jìn)作用，可有效抑制鋁硅合金長(zhǎng)時(shí)間靜置過(guò)程中晶粒尺寸的衰退，適合于大批量生產(chǎn)汽車(chē)鋁合金鑄件。

3.稀土對(duì)鋁硅合金的變質(zhì)作用

�� 鑄造Al－Si合金中Si相在自然生長(zhǎng)條件下會(huì)長(zhǎng)成塊狀或片狀的脆性相，它嚴(yán)重割裂基體，降低合金的強(qiáng)度和塑性，因而需要將它改變成有利的形態(tài)。變質(zhì)處理使共晶Si由粗大的 片狀變成細(xì)小纖維狀或?qū)悠瑺睿瑥亩�提高合金性能。迄今已發(fā)現(xiàn)，堿金屬中的K、Na，堿土 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(zhì)作用。在Al－Si合金中，添加鋁�蚕⊥林虚g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(zhì)能力不同，大體上隨著原子半徑由大變小，變質(zhì)能 力由強(qiáng)變?nèi)酢＊?

　　稀土變質(zhì)劑具有很好的長(zhǎng)效性和重熔穩(wěn)定性，吸氣傾向小，無(wú)污染、加入工藝簡(jiǎn)便、 無(wú)腐蝕作用。研究結(jié)果表明，含La為0.056％變質(zhì)后的合金，重熔10次，每次取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)最終仍有變質(zhì)效果，La的最終濃度仍有0.035％，仍處于最佳變質(zhì)范圍之內(nèi)。0.3 ％混合稀土變質(zhì)合金，重熔5次，發(fā)現(xiàn)最終仍有良好變質(zhì)效果。��

　　變質(zhì)工藝直接影響著稀土的變質(zhì)效果。對(duì)Al－Si合金，獲得穩(wěn)定變質(zhì)組織的關(guān)鍵是減 少稀土的燒損，并防止稀土的偏聚，使稀土迅速均勻地?cái)U(kuò)散到鋁液中。稀土變質(zhì)有一潛伏期 ，即必須在高溫下保持一定時(shí)間，稀土才能發(fā)揮最大變質(zhì)作用。

二、稀土在鑄造鋁合金面臨的機(jī)遇和對(duì)策

�� 我國(guó)稀土在鋁合金中的應(yīng)用經(jīng)歷過(guò)一個(gè)特殊的高速發(fā)展時(shí)期。1989年，我國(guó)含稀土的鋁及其制品的總量達(dá)到12萬(wàn)噸，約占鋁產(chǎn)量的16％。但是，近 年來(lái)稀土在鋁合金中的應(yīng)用發(fā)展速度明顯放緩。在此形勢(shì)下，要充分利用我國(guó)的稀土資源優(yōu) 勢(shì)，以企業(yè)為主體，走產(chǎn)學(xué)研結(jié)合之路，進(jìn)行稀土的深加工，實(shí)現(xiàn)稀土在鑄造鋁合金領(lǐng)域應(yīng) 用的可持續(xù)發(fā)展，提高進(jìn)入WTO以后的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

1.加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究，正確評(píng)價(jià)稀土的作用

�� 盡管稀土元素本身的精煉、細(xì)化和變質(zhì)能力并不是最強(qiáng)，但是輔以常規(guī)精煉劑、細(xì)化劑和變質(zhì)劑進(jìn)行復(fù)合熔體處理，可以獲得更好的精煉、細(xì)化和變質(zhì)效果，從而提高鑄件性能。因此 ，應(yīng)該開(kāi)展以下基礎(chǔ)研究工作：進(jìn)一步深入研究稀土在鑄造鋁合金中的精煉、細(xì)化和變質(zhì)機(jī) 制；研究稀土元素與常用細(xì)化元素Ti和B、稀土元素與常用變質(zhì)元素Sr和Na在鑄造鋁合金中 的變質(zhì)作用；研究含稀土與其它細(xì)化元素和變質(zhì)元素對(duì)鑄造鋁合金的復(fù)合細(xì)化和復(fù)合變質(zhì)作 用。��

2.研究?jī)?yōu)質(zhì)鋁合金稀土添加劑的制備工藝

�� 由于對(duì)稀土元素的作用機(jī)制研究不足，目前含稀土的細(xì)化型和變質(zhì)型中間合金質(zhì)量差別大， 加上現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性，限制了稀土在鋁合金鑄造生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。因此，要推動(dòng)稀 土在鑄造鋁合金中的應(yīng)用，應(yīng)該研究不同成分和組織特征的含稀土復(fù)合細(xì)化劑和復(fù)合變質(zhì)劑 對(duì)鑄造鋁合金的細(xì)化和變質(zhì)效果，在此基礎(chǔ)上研究含稀土細(xì)化劑、變質(zhì)劑和精煉劑的制備工藝。
李雙壽　　 盛達(dá) 　　王昆林