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    稀土在鑄造鋁合金中的作用


    稀土就是化學元素周期表中鑭系元素——鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu),以及與鑭系的15個元素密切相關的兩個元素——鈧(Sc)和釔(Y)共17種元素,稱為稀土元素(Rare Earth)。簡稱稀土(RE或R)。

    1、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,凈化晶界。 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、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。由于晶粒得以細化,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,成為外來形核的核心。   

    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),其最佳效果對應于不同的稀土含量。但是,其細化效果弱于Ti、B等元素。稀土加入的臨界值與合金的熔煉、澆鑄條件有密切關系。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。  


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

    3、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,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%變質后的合金,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%,仍處于最佳變質范圍之內。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,并防止稀土的偏聚,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。   

    總結:
    盡管稀土元素本身的精煉、細化和變質能力并不是最強,但是輔以常規精煉劑、細化劑和變質劑進行復合熔體處理,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;研究含稀土與其它細化元素和變質元素對鑄造鋁合金的復合細化和復合變質作用。



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