稀土元素位于元素周期表第三副族，原子半徑較大，具有獨(dú)特地4f電子結(jié)構(gòu)、大的電子磁矩、很強(qiáng)的自旋軌道耦合。其化學(xué)性質(zhì)很活潑，在金屬元素中其化學(xué)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(xué)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(shí)，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(dú)特的物理、化學(xué)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(guò)在金屬及合金中加入少量或微量的變質(zhì)劑來(lái)改變合金的結(jié)晶條件使其組織和性能發(fā)生變化的過(guò)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(xì)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(bǔ)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(zhǎng)速度，同時(shí)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(zhǎng)大，細(xì)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(shí)驗(yàn)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(shí)間，稀土才會(huì)發(fā)揮最大的變質(zhì)作用。
3.2 精煉凈化作用
稀土對(duì)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(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的化合物，在250～300℃時(shí)與N作用生成難熔的REN。高溫時(shí)，稀土與C、Si、B反應(yīng)生成REC2、RE2C3、REC、RE2C、RE3C、RE4C、RESi2、REB4、REB6等。同時(shí)，稀土對(duì)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(diǎn)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(huì)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(diǎn)元素Sn、Bi、Pb、Zn等生成熔點(diǎn)高、密度輕的二元或多元化合物，當(dāng)金屬冶煉溫度低于它們的熔點(diǎn)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(diǎn)則成為鋁結(jié)晶過(guò)程的異質(zhì)晶核從而細(xì)化晶粒。最后， 添加稀土可以改善鋁合金熔體和熔渣的表面張力、流動(dòng)性、粘度等物理化學(xué)性質(zhì)，有利于非金屬夾雜的球化，促進(jìn)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(dāng)稀土含量較低(低于0.1%)時(shí)，稀土主要以前兩種形式分布，通過(guò)有限固溶和增加變形阻力，促進(jìn)位錯(cuò)增殖實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化；當(dāng)稀土含量大于0.3%時(shí)，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(shí)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(xì)化的特征)，并出現(xiàn)大量位錯(cuò)，在一定程度上強(qiáng)化了鋁合金。 |
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