稀土元素是有色金属材料重要的合金元素，由于稀土元素具有很多独特的性质，添加少量稀土元素可以改善有色金属材料的组织和性能.在铝合金中广泛应用稀土元素作为添加剂.把稀土金属添加到铝、镁及锌合金^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]}中，由于变质作用和对杂质的净化作用，微量稀土金属能有效改善合金的强度、硬度、导电性、腐蚀性等性能^[8,9].铝稀土合金分为两类:中间合金(稀土质量分数约为5%~12%)和标准合金(稀土质量分数约为0.1%~0.5%,个别超过1%).从铸造合金到变形合金,从重达吨级的铝电缆、铝母线到轻至几克的铝箔，可以说稀土已渗透到铝和铝合金各个领域^{[10, 11]}.目前，有关含有稀土La的AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn-xLa和ZnAl12Cu1(Mg)-xLa铸造合金力学性能的研究较少.本文研究添加稀土La的AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn和ZnAl12Cu1(Mg)铸造合金的组织及力学性能，研究不同La添加量对这些合金力学性能的影响.

根据表 1，将原料配比好，采用中频感应炉，制备了AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn-xLa合金(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3).实验合金成分设计见表 1.

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn-xLa合金设计成分(质量分数) Table 1 Composition design of AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn-xLa alloy (mass fraction) % Si Cu Mn Mg La Al 10 0.2 0.3 0.2 x 余量

表 1 AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn-xLa合金设计成分(质量分数) Table 1 Composition design of AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn-xLa alloy (mass fraction)

实验中合金熔炼所用原料为铝和镁、Al-10%(质量分数)La中间合金、Al-20%(质量分数)Si中间合金、Al-10%(质量分数)Cu中间合金和Al-10%(质量分数)Mn中间合金.在熔炼过程中，先将预热到100 ℃的铝锭加入炉内，添加RF-2 型熔剂(光卤石型覆盖剂)后升温，在铝熔化后，升温到760 ℃，加入预热的Al-20%(质量分数)Si中间合金.Al-20%(质量分数)Si中间合金熔化后加入Al-10%(质量分数)Mn中间合金.Al-10%(质量分数)Mn中间合金熔化后充分搅拌熔体，用C₂Cl₆精炼剂对熔体进行净化处理，然后静置5~10 min并扒渣.扒渣后压入镁块，镁熔化后，充分搅拌熔体，加入已制备的Al-10%(质量分数)La中间合金.Al-10%La中间合金熔化后，充分搅拌熔体降温静置10~20 min，进行浇铸，浇铸温度为730 ℃.对铸造品进行T6热处理.ZnAl12Cu1(Mg)-xLa合金的制备过程同上述的AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn-xLa合金制备方法.ZnAl12Cu1(Mg)-xLa合金的浇铸温度为460~490 ℃.ZnAl12Cu1(Mg)-xLa (x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3)合金成分设计见表 2.

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 ZnAl12Cu1(Mg)-xLa合金设计成分(质量分数) Table 2 Composition design of ZnAl12Cu1(Mg)-xLa alloy(mass fraction) % Al Cu Mg La Zn 12 1.0 0.03 x 余量

表 2 ZnAl12Cu1(Mg)-xLa合金设计成分(质量分数) Table 2 Composition design of ZnAl12Cu1(Mg)-xLa alloy(mass fraction)

通过改变Al-La中间合金的加入量，研究稀土La添加量对合金组织和力学性能的影响.

采用NEOPHOT 21型金相显微镜(德国)、QUANTA-200型扫描电镜(FEI公司，荷兰)进行铸造合金的微观形貌分析.用ZDM-5型拉力试验器(德国)、布氏硬度计和JB-300冲击试验器来测定添加稀土La的铸造铝硅系合金及铝锌系合金的力学性能.

La对合金力学性能的影响见图 1和图 2.

图 1 (Figure 1)

Fig. 1

图 1 La对AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn-xLa 合金的抗拉强度的影响 Fig. 1 The effect of La on the tensile strength of casting alloy AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn-xLa

图 2 (Figure 2)

Fig. 2

图 2 La对AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn-xLa合金伸长率和硬度的影响 Fig. 2 The effects of La addition on the elongation and hardness of casting alloy AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn-xLa

从图 1和图 2可以看出，添加不同含量稀土后合金的抗拉强度及伸长率得到了改善.随着稀土含量的增加，试样抗拉强度也逐步增加，稀土La添加到0.15%(质量分数)后出现峰值(285 MPa)，随后强度逐步下降.而随着稀土质量分数增加，材料伸长率和硬度先增强、后逐步降低.伸长率峰值为5.3%，比未加La的合金增加2.7倍.从图 2可知，稀土La变质合金比未变质合金优越一些.

从Al-La相图^[12]可以看出，因为稀土La与Al结合而形成金属间化合物Al₁₁La₃ (熔点1 240 ℃)，该金属间化合物在合金中起变质作用.

合金的力学性能取决于晶粒细化和固溶强化的结果.晶粒细化提高合金的强度和伸长率，但当合金中La质量分数为0.15%以上时，由于具有高熔点的Al₁₁La₃中间化合物在晶界前沿液相层更多富集，稀土La消耗更多的 Al 元素，更难以在固熔处理中分解，导致Al 对合金的固溶强化作用降低，AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn-xLa 合金的固溶强化作用最弱.含有0.15%(质量分数)La的 AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn-xLa铸造合金的金相组织见图 3.

图 3 (Figure 3)

Fig. 3

图 3 AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn-xLa合金的金相显微镜照片 Fig. 3 The optical microscope photos of casting alloy AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn-xLa (a)—未添加La； (b)—0.15%(质量分数)La.

从图 3可以看出，含有0.15%(质量分数)La的合金晶粒最为细小.对比稀土分布可以看出，添加0.15%(质量分数)La的合金中La的分布最为均匀，基本上无团聚现象.另外观察了稀土La对Si相晶粒大小和状态的影响(图 4).从图 4可知，不加La时金属Si的分布与添加0.15%(质量分数)La时Si的分布不一样.

图 4 (Figure 4)

Fig. 4

图 4 AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn-xLa合金中Si相组织SEM照片 Fig. 4 SEM microstructure of Si phase in casting alloy AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn-xLa (a)—未添加La； (b)—0.15%(质量分数)La.

不加La 的AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn合金中Si晶粒平均大小是15 μm，而添加0.15%(质量分数)La时树枝形态的Si相组织几乎未发现，此时Si晶粒平均大小约为5 μm.这说明稀土La抑制Si相的生长.原因主要是稀土元素作为“表面活性元素”，在固-液界面上形成含有La的吸附膜，导致晶粒生长速率的降低，使得熔体有更充足的时间产生更多的晶核.

合金的力学性能见图 5和图 6.

图 5 (Figure 5)

Fig. 5

图 5 ZnAl12Cu1(Mg)-xLa合金的抗拉强度和伸长率 Fig. 5 Tensile strength and elongation of alloy ZnAl12Cu1(Mg)-xLa

图 6 (Figure 6)

Fig. 6

图 6 La对ZnAl12Cu1(Mg)-xLa合金的硬度和冲击强度的影响 Fig. 6 The hardness and impact strength of alloy ZnAl12Cu1(Mg)-xLa

从图 5可以看出，添加 0.1%(质量分数)La时抗拉强度增大1.3倍，伸长率增加3.2倍.稀土La与合金元素结合而形成金属间化合物，起组织微细化作用和强化作用.从图 6可以看出，添加0.3%(质量分数)La时硬度增强1.8倍，但冲击强度是添加0.15%(质量分数)La时最高，此时增加1.6倍左右.虽然稀土La起晶粒细化作用，但添加0.2%(质量分数)以上的La时，稀土La成为一种杂质，La在晶界层大量偏析，所以合金的冲击强度降低，对合金的力学性能有不良影响.

图 7是添加稀土La后ZnAl12Cu1(Mg)-xLa组织SEM照片.从图 7可以看出，用La来变质合金的晶粒比不变质的合金细小，而且晶粒分布比较均匀.稀土La变质处理的ZnAl12Cu1(Mg)合金的应用如表 3所示.

图 7 (Figure 7)

Fig. 7

图 7 ZnAl12Cu1(Mg)-xLa合金SEM照片 Fig. 7 SEM microstructure of ZnAl12Cu1(Mg)-xLa alloy (a)—未添加La； (b)—0.1%(质量分数)La; (c)—0.15%(质量分数)La； (d)—0.2%(质量分数)La.

表 3

Table 3

表 3(Table 3)

表 3 ZnAl12Cu1(Mg)-xLa合金的应用 Table 3 Applications of ZnAl12Cu1(Mg)-xLa alloy 设备 规格 零件 替代合金 万能车床 — 前床螺母 铜合金 滚齿机 01-800×6 本体轴衬 铜合金 滚齿机 01-800×6 轴衬 铜合金 薄板压延机 300 mm×400 mm 辊轴轴衬 巴比特 交流电动机 14 kW/6极 转子轴衬 巴比特 搪磨机 3A650 摩擦套管 巴比特

表 3 ZnAl12Cu1(Mg)-xLa合金的应用 Table 3 Applications of ZnAl12Cu1(Mg)-xLa alloy

1) 由于稀土具有变质作用，加入La可以改善AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn和ZnAl12Cu1(Mg)合金的力学性能.

2) AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn-xLa合金中合理的La添加量是0.1%~0.2%(质量分数).含有0.15%(质量分数)La的AlSi10Cu0.2Mg0.2Mn-xLa合金的伸长率增加2.7倍.

3) ZnAl12Cu1(Mg)-xLa合金中合理的La添加量是0.1%~0.2%(质量分数)，含有0.1%(质量分数)La的ZnAl12Cu1(Mg)-xLa合金的抗拉强度和伸长率分别增加1.3倍和3.2倍.Al-La中间合金变质处理的ZnAl12Cu1(Mg)合金可以代替铜合金及巴比特合金.