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稀土元素在铝合金中的作用机理

    稀土元素位于元素周期表第三副族,原子半径较大,具有独特地4f电子结构、大的电子磁矩、很强的自旋轨道耦合。其化学性质很活泼,在金属元素中其化学活性仅次于碱金属和碱土金属元素,几乎能与所有非金属元素(氧、硫、卤族元素等)形成化学性质稳定的氧化物、硫化物、卤化物等;形成稀土配合物时,配位数在3~12之间变化,并且具有多样化的晶体结构。独特的物理、化学性质决定了稀土元素在铝合金中的多种作用。

    3.1 变质作用

    变质处理是指通过在金属及合金中加入少量或微量的变质剂来改变合金的结晶条件使其组织和性能发生变化的过程。研究证明,稀土在合金中具有良好的变质作用,主要表现在细化晶粒和枝晶。稀土元素的原子半径大于铝原子半径,性质比较活泼,它熔于铝液中极易填补合金相的表面缺陷, 使得新旧两相界面张力降低,提高了晶核的生长速度,同时还在晶粒与合金液之间形成表面活性膜, 阻止生成的晶粒长大,细化合金组织。添加稀土还可以减少柱状晶及二次枝晶臂间距,改善晶粒形态,并在一定程度上控制材料晶粒度。实验证明稀土变质作用存在一定潜伏期,只有在高温下保持一定的时间,稀土才会发挥最大的变质作用。

    3.2 精炼净化作用

    稀土对铝合金熔体有良好的净化作用。首先, 稀土易与O、S、卤族元素等形成RE2O3、RE2S3、RES、RES2、RE3S4、REH2、REH3、REX3(X为卤族元素)等化学性质稳定的化合物,在250~300℃时与N作用生成难熔的REN。高温时,稀土与C、Si、B反应生成REC2、RE2C3、REC、RE2C、RE3C、RE4C、RESi2、REB4、REB6等。同时,稀土对氢的吸附力特别大,能大量吸附和溶解氢,可以较好地除去铝合金中的氢,稀土与氢的化合物熔点较高并且弥散分布于铝液中, 这部分以化合物形成的氢不会形成气泡, 大大降低铝的含氢量和针孔率。其次,稀土可与铝合金中的低熔点元素Sn、Bi、Pb、Zn等生成熔点高、密度轻的二元或多元化合物,当金属冶炼温度低于它们的熔点是,这些化合物上浮成渣析出从而净化铝液, 它们的微小质点则成为铝结晶过程的异质晶核从而细化晶粒。最后, 添加稀土可以改善铝合金熔体和熔渣的表面张力、流动性、粘度等物理化学性质,有利于非金属夹杂的球化,促进其上浮,从而可以有效去除非金属夹杂。

    3.3 合金化作用

    稀土在铝合金中的存在形式主要有3种:固溶在基体α(Al)中;偏聚在相界、晶界和枝晶界;固溶在化合物中或以化合物形式存在。其存在形式与加入量有很大的关系,当稀土含量较低(低于0.1%)时,稀土主要以前两种形式分布,通过有限固溶和增加变形阻力,促进位错增殖实现强化;当稀土含量大于0.3%时,主要以第三种存在形式存在,稀土与合金中的其他元素形成许多含稀土的新相, 分布在晶粒内或晶界中,同时使第二相的形状、尺寸发生变化(大部分含稀土的第二相都出现了粒子化、球化和细化的特征),并出现大量位错,在一定程度上强化了铝合金。


 

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