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)用國外開展得較早，德國在二戰(zhàn)期間就研制了四種稀土鋁合金用于制造發(fā)動機、內(nèi)燃機的復(fù)雜零件。我國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，從機理研究到實際應(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精煉效果具有促進作用。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?RE中間合金對A356合金流動性的影響，實驗結(jié)果證明合金熔體中加入適量的稀土元素，能夠使固液相線溫度差減少，減小合金的糊狀凝固趨勢，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，這都會使熔體流動性提高，粘度降低，有利于夾雜物和氣體的排除。?

已研究開發(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℃時的含氫量由大于0.30ml／100g(Al)下降到0.10ml／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.稀土對鋁合金的細(xì)化作用

有目的地抑制柱狀晶和雙柱狀晶生長，促進細(xì)小等軸晶形成，這種工藝過程就叫作晶粒細(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)化劑的外來形核質(zhì)點。目前，添加細(xì)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(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，成為外來形核的核心。

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，一定量的稀土才會有最好的細(xì)化效果。

采用一般細(xì)化劑，隨著鋁液靜置時間的延長，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Ti、B的細(xì)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(chǎn)汽車鋁合金鑄件。

3.稀土對鋁硅合金的變質(zhì)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(yán)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(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岣吆辖鹦阅堋Ｆ褚寻l(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(zhì)能力不同，大體上隨著原子半徑由大變小，變質(zhì)能力由強變?nèi)酢?/p>

稀土變質(zhì)劑具有很好的長效性和重熔穩(wěn)定性，吸氣傾向小，無污染、加入工藝簡便、無腐蝕作用。研究結(jié)果表明，含La為0.056％變質(zhì)后的合金，重熔10次，每次取樣進行金相檢驗，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，使稀土迅速均勻地擴散到鋁液中。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遇和對策

我國稀土在鋁合金中的應(yīng)用經(jīng)歷過一個特殊的高速發(fā)展時期。1989年，我國含稀土的鋁及其制品的總量達到12萬噸，約占鋁產(chǎn)量的16％。但是，近年來稀土在鋁合金中的應(yīng)用發(fā)展速度明顯放緩。在此形勢下，要充分利用我國的稀土資源優(yōu)勢，以企業(yè)為主體，走產(chǎn)學(xué)研結(jié)合之路，進行稀土的深加工，實現(xiàn)稀土在鑄造鋁合金領(lǐng)域應(yīng)用的可持續(xù)發(fā)展，提高進入WTO以后的國際競爭力。

1.加強應(yīng)用基礎(chǔ)研究，正確評價稀土的作用

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，但是輔以常規(guī)精煉劑、細(xì)化劑和變質(zhì)劑進行復(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)該開展以下基礎(chǔ)研究工作：進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)元素對鑄造鋁合金的復(fù)合細(xì)化和復(fù)合變質(zhì)作用。

2.研究優(yōu)質(zhì)鋁合金稀土添加劑的制備工藝

?由于對稀土元素的作用機制研究不足，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。