稀土元素在鋁合金中的作用機理 船用鋁板
稀土元素位于元素周期表第三副族，原子半徑較大，具有獨特地4f電子結(jié)構(gòu)、大的電子磁矩、很強的自旋軌道耦合。其化學性質(zhì)很活潑，在金屬元素中其化學活性僅次于堿金屬和堿土金屬元素，幾乎能與所有非金屬元素(氧、硫、鹵族元素等)形成化學性質(zhì)穩(wěn)定的氧化物、硫化物、鹵化物等;形成稀土配合物時，配位數(shù)在3～12之間變化，并且具有多樣化的晶體結(jié)構(gòu)。獨特的物理、化學性質(zhì)決定了稀土元素在鋁合金中的多種作用。
3.1 變質(zhì)作用
變質(zhì)處理是指通過在金屬及合金中加入少量或微量的變質(zhì)劑來改變合金的結(jié)晶條件使其組織和性能發(fā)生變化的過程。研究證明，稀土在合金中具有良好的變質(zhì)作用，主要表現(xiàn)在細化晶粒和枝晶。稀土元素的原子半徑大于鋁原子半徑，性質(zhì)比較活潑，它熔于鋁液中極易填補合金相的表面缺陷， 使得新舊兩相界面張力降低，提高了晶核的生長速度，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，細化合金組織。添加稀土還可以減少柱狀晶及二次枝晶臂間距，改善晶粒形態(tài)，并在一定程度上控制材料晶粒度。實驗證明稀土變質(zhì)作用存在一定潛伏期，只有在高溫下保持一定的時間，稀土才會發(fā)揮較大的變質(zhì)作用。
3.2 精煉凈化作用
稀土對鋁合金熔體有良好的凈化作用。首先， 稀土易與O、S、鹵族元素等形成RE2O3、RE2S3、RES、RES2、RE3S4、REH2、REH3、REX3(X為鹵族元素)等化學性質(zhì)穩(wěn)定的化合物，在250～300℃時與N作用生成難熔的REN。高溫時，稀土與C、Si、B反應生成REC2、RE2C3、REC、RE2C、RE3C、RE4C、RESi2、REB4、REB6等。同時，稀土對氫的吸附力特別大，能大量吸附和溶解氫，可以較好地除去鋁合金中的氫，稀土與氫的化合物熔點較高并且彌散分布于鋁液中， 這部分以化合物形成的氫不會形成氣泡， 大大降低鋁的含氫量和針孔率。其次，稀土可與鋁合金中的低熔點元素Sn、Bi、Pb、Zn等生成熔點高、密度輕的二元或多元化合物，當金屬冶煉溫度低于它們的熔點是，這些化合物上浮成渣析出從而凈化鋁液， 它們的微小質(zhì)點則成為鋁結(jié)晶過程的異質(zhì)晶核從而細化晶粒。較后， 添加稀土可以改善鋁合金熔體和熔渣的表面張力、流動性、粘度等物理化學性質(zhì)，有利于非金屬夾雜的球化，促進其上浮，從而可以有效去除非金屬夾雜。
3.3 合金化作用
稀土在鋁合金中的存在形式主要有3種：固溶在基體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。其存在形式與加入量有很大的關(guān)系，當稀土含量較低(低于0.1%)時，稀土主要以前兩種形式分布，通過有限固溶和增加變形阻力，促進位錯增殖實現(xiàn)強化;當稀土含量大于0.3%時，主要以第三種存在形式存在，稀土與合金中的其他元素形成許多含稀土的新相， 分布在晶粒內(nèi)或晶界中，同時使第二相的形狀、尺寸發(fā)生變化(大部分含稀土的第二相都出現(xiàn)了粒子化、球化和細化的特征)，并出現(xiàn)大量位錯，在一定程度上強化了鋁合金。
