稀土鋁合金[ 墨鉅:鋁合金錠 ] RE containing aluminium alloy

指含稀土金屬的鋁合金，主要是指Al-RE系合金。工業Al-RE系合金主要是含有4.4％～5％稀土的鑄造

鋁合金，如Al-RE-Cu-Si-Mn-Ni-Mg合金，含有多種過渡元素，成分、組織復雜。工作溫度可達400℃，是

廣泛使用的熱強性最好的鑄造鋁合金。室溫力學性能低，鑄造工藝性能良好，可用于砂型、金屬型鑄造，

生產形狀復雜的高溫下長期工作的零件，如發動機附機殼體、閥門等。 在鋁合金中加入微量稀土元素，可以顯著改善鋁合金的金相組織，細化晶粒，去除鋁合金中氣體和有

害雜質，減少鋁合金的裂紋源，從而提高鋁合金的強度，改善加工性能，還能改善鋁合金的耐熱性、可塑

性及可鍛性，提高硬度、增加強度和韌性。稀土元素的加入使得稀土鋁合金成為一種性能優良、用途廣泛

的新型材料，目前稀土鋁合金的產量已近全國鋁產量的1／4。

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

元素的原子半徑大于常見的金屬如鉛、鎂等，在這些金屬中的固溶度極低，幾乎不能形成固溶體。一般認

為，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、凈化作用；同時，稀土元素化學活性極強，它可以

在長大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。以下就這3方

面的作用詳細介紹。

1.精煉、凈化作用

稀土元素的脫氧能力比強脫氧劑Al、Mg、Ti等強，微量稀土就能使〔O〕脫到＜lppm(即<10-4％)。稀

土的脫硫能力也相當強，可以生成RES或RE2S3，生成物主要取決于稀土與硫的活度或溶解度。稀土元素在

金屬液中還可以與氧和硫同時發生反應生成RE2O2S型硫化物。稀土元素還能與P、Sn、As等低熔點金屬元

素化合，生成REP、RESn、REAs等化合物。這些稀土化合物都具有熔點高、比重輕，當它們的熔點高于金

屬冶煉溫度時，能上浮一部分成渣，它們微小的質點則成為鋁結晶過程的異質晶核，而留在固態金屬內的

部分則能降低其危害性。稀土對氫的的吸附力特別大，能大量吸附和溶解氫，稀土與氫的化合物熔點較高

，并且彌散分布于鋁液中，以化合物形成的氫不會聚集形成氣泡，大大降低鋁的含氫量和針孔率。

2.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。稀土元素的原子半徑為0.174 ～0.204mm，大于鋁原

子半徑(0.143mm)。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，使得晶核生長的速度增大，同時還在晶粒與合金液之間形成表面活性膜，阻止生成的

晶粒長大，使合金的組織細化。此外，鋁與稀土形成的化合物在金屬液結晶時作為外來的結晶晶核，因晶

核數的大量增加而使合金的組織細化。研究表明：稀土對鋁合金具有良好的變質效果。例如，合金化的

7005鋁合金鑄錠本身就呈十分細小的組織。同時值得一提的是，稀土的變質作用具有長效及重熔穩定性的

特點，比用鈉(Na)、鍶(Sr)等變質劑具有明顯優點。稀土的變質作用只受共晶硅變化的影響。?

3.合金化作用?

稀土在鋁合金中的強化作用主要有細晶強化、有限固溶強化和稀土化合物的第二相強化等。當稀土加

入量不同時，稀土在鋁合金中主要以三種形式存在：固熔在基體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。當稀土含量較低時(低于0.1％)，稀土主要以前兩種形式分布。第

一種形式起到了有限固溶強化的作用，第二種形式增加了變形阻力，促進位錯增殖，使強度提高。加入稀

土后合金的鑄態組織中合金晶粒明顯減少，二次枝晶間距有可能細化，稀土與Al、Mg、Si等元素形成的金

屬間化合物呈球狀和短棒狀分布在晶界或界內，組織中有大量位錯分布。當稀土含量大于0.3％?，后一

種存在形式開始占主導地位。這時，稀土與合金中的其他元素開始形成許多含稀土元素的新相，同時使第

二相的形狀、尺寸發生變化，可能使得第二相從長條狀等形狀轉變成短棒狀粒子出現，粒子的尺寸也變得

比較細小，且呈彌散分布。大部分含稀土元素的第二相都出現了粒子化、球化和細化的特征，這種變化在

一定程度上都強化了鋁合金。?

鋁合金加入稀土元素后性能的變化

隨著稀土元素加入量的增加，鋁合金的強度、塑性均有所提高。這主要得益于稀土元素對合金組織的

改善以及彌散的稀土化合物強烈的沉淀強化效應等。添加稀土元素可以導致合金斷裂過程中裂紋萌生位置

與擴展途徑發生改變，有利于合金的韌化。同時鋁合金中隨稀土含量的增加，抗拉強度、硬度提高，而延

伸率略有下降。由此可見，伴隨稀土的加入，合金的機械性能大有改善。

稀土元素的加入也可以改善鋁合金的鑄造性能。這是因為鐵是鋁合金中非常有害的雜質，萬分之幾的

Fe就能形成Al+FeAl3的