稀土对铝合金Si相的影响

（二 〇 一 四 年 十 二 月本科科研训练论文 题 目：稀土对铝合金S i 相的影响 学生姓名： 学 院：材料科学与工程 系 别：材料与冶金工程 专 业：金属材料工程 班 级：金属11-2班 指导教师：摘要铝合金具有密度小、强度高、加工性能好等优点，被广泛应用于汽车工业、航天航空、船舶运输领域。

稀土作为一种功能优异、储量丰富的铝硅合金变质剂，已有大量研究。

在常规铝合金的组织中，存在针状的共晶硅和粗大的形状复杂的初晶硅，恶化了合金的性能。

在工业上采用变质处理来改变硅相的形貌，使其以有利的形状，较小的尺寸均匀分布在基体中。

采用SR、RE等稀土元素来变质共晶硅。

稀土对对铝合金的影响是多方面的，能对共晶硅相起变质作用，显著提高合金的力学性能。

随着合金中稀土含量的增加，稀土元素在合金中的存在形式发生变化。

稀土元素能够与合金中的多种元素形成化合物，当含量过量时会有一些富稀土元素的粗大块状多元相和纯稀土质点出现。

微量稀土能够影响合金的时效过程，稀土的加入能提高合金峰时效硬度，减小铝合金的时效速度，推迟合金时效硬化峰的到来，延缓合金的过时效软化。

关键词：铝合金；稀土；硅相；微观组织AbstractAl alloys,which boasts lower density,high specific strength,and well process ability and casting performances,is widely used in transportation and aviation industry.In this sense,many researches have been focused on the Rare Earth modification mechanism since it is considered an ideal modification additive for Al alloys.But in the normal microstructures of casting Al alloys,usually consist of coarse primary silicon and needlelike or lamellar eutectic silicon which greatly aggravated the mechanical properties of these alloys.Generally,Sr、RE、Sb elements have been used to modify the morphology and size of eutectic silicon.The effect of rare earth addition on Al alloy shows different ways.Not only it is effective to refine the primary Si phase，but also has the modifying effect on eutectic silicon.With the increase of RE in Al alloy,the existent form Of RE appears to change and form intermetallic compounds with the some elements in the alloy。

But when rare earth metal is used in an excess amount,there will be some blocky shapes of multiple-phases which are rich of RE and simple RE particles appear.The addition of RE improves the peak aging—hardness and slows down the velocity of hardness-aging Of Al alloy,at the same time postpones the occurrence of hardness peaks of aging treatment and the softening of over-aging.KEY WORDS :Al alloy;rare earth;microstructure.目录摘要 (2)Abstract (3)目录 (4)第一章绪论 (1)第二章铝合金及稀土概况 (2)2.1铝合金概况 (2)2.1.1铝合金的物理性能 (2)2.1.2铝合金的力学性能 (2)2.1.3铝合金的耐磨性能 (3)2.2稀土概况 (3)2.2.1稀土的化学性质和冶金性能 (3)2.2.2稀土的物理性质 (4)2.2.3 稀土的应用 (4)2.3稀土在铝合金的应用 (6)2.3.1变质作用 (6)2.3.1净化作用 (6)2.3.2细化晶粒作用 (6)第三章稀土对铝合金硅相的影响 (7)3.1稀土对Si相影响 (7)3.1.1 稀土对初晶硅的变质作用 (7)3.1.2 稀土对共晶硅的变质作用 (7)3.2具体稀土元素对铝合金中Si相的影响 (8)3.2.1 Ce对Si相的影响 (8)3.2.2 Nd对Si相的影响 (9)3.2.3 La对Si相的影响 (9)3.2.4 Y对Si相的影响 (10)3.2.5 La、Y共同对Si相的影响 (10)3.2.6 Er对Si相的影响 (10)第四章稀土影响Si相原因 (12)结论 (14)参考文献 (15)辞谢 (17)第一章绪论随着铝合金的应用越来越广泛，人们对铝合金提出了更高的要求，探索高性能铝合金材料是科技工作者追求的目标。

在过共晶铝硅合金中，初晶硅、共晶硅和共晶铝相是其主要组织。

初晶硅的形貌及颗粒大小直接关系到合金材料使用的力学性能，当初晶硅的颗粒粗大且棱角锋利时，会降低其使用性能，因此改善硅相的形状和颗粒尺寸非常关键。

在工业生产中，常采用稀土元素对铝及铝合金进行变质处理，变质处理对提高铝合金的性能、延长使用寿命具有积极作用。

本文阐述了稀土元素对铝合金的硅相起到什么影响，以及其产生的机理。

第二章铝合金及稀土概况2.1铝合金概况铝硅多元合金活塞广泛用于汽车、摩托车、汽油机、柴油机、船舶、空压机、冷冻压缩机、舷外机、工程机械、农机、军工等领域。

活塞是传递能量和介质的重要部件，其性能的好坏直接影响到发动机或整体的性能。

对活塞的要求应满足下列条件：密度和热胀系数小，尺寸稳定性好，抗咬合性和耐磨性能好，具有满足使用要求的力学性能等。

用铝硅多元合金作为发动机活塞材料，从成分选择上经历了由亚共晶、共晶到过共晶的发展过程。

目前国内外广泛应用的铝硅合金是亚共晶及共晶合金，常成为中小型内燃机活塞的首选材料，而过共晶Al-Si合金处于开发段[1]。

目前国内高负荷汽、柴油机用活塞多数采用共晶铝硅合金铸造，这种合金具有较好的力学性能、铸造性能和切削性能。

但在应用中存在的问题是高温强度和耐磨性较差，尺寸稳定性较差。

在此情况下，为防止拉缸、抱缸，被迫放大配缸间隙，因而会带来窜油、窜气，油耗、噪音的增加。

过共晶铝硅合金具有优异的低膨胀性能，高耐磨性和耐蚀性，较小的密度和良好的导热性，是制造发动机活塞较理想的材料。

这类合金的主要缺点是脆性大，切削加工性差[2]。

要改善过共晶铝硅合金的切削加工性能，必须同时对共晶Si、初晶Si进行变质处理，细化、球化初晶Si、共晶Si，才能使其得以广泛应用。

2.1.1铝合金的物理性能以A390过共晶铝硅合金为例，过共晶铝硅合金的导热系数较高，约为灰铸铁的2至3倍;热膨胀系数略高于灰铸铁，而密度比灰铸铁低的多。

2.1.2铝合金的力学性能以过共晶铝硅合金为例，经过合适的变质处理，合金能获得满意的机械性能。

随着温度的升高，合金的强度降低而塑性提高。

在成分选择合适并经过变质处理的条件下，过共晶铝硅合金的高温强度可以超过共晶合金。

国内也对过共晶铝硅合金和共晶合金的物理性能进行了对比试验，和共晶合金相比，过共晶合金具有较高的弹性模量和较好的体积稳定性。

2.1.3铝合金的耐磨性能以过共晶铝硅合金为例，其具有很好的耐磨性，研究发现通过细化变质处理或粉末冶金等方法还可以使合金的耐磨性得到改善。

定量评价合金的耐磨性是很困难的，因为耐磨性除与自身成分有关外，还与磨损条件有很大关系。

研究Al-(15-45)%Si粉末锻造合金的耐磨性发现，随硅含量的增加，合金的磨损量减少，耐磨性提高，Al-45%Si相对于Al-15%Si磨损量下降50%以上。

同时也研究了在Al-15%Si中添加2%Cu和1%Mg对耐磨性的影响。

结果表明：合金中添加Cu、Mg对改善耐磨性的作用并不明显，研究认为提高合金耐磨性的主要因素是合金中硬质Si相。

有科学家研究了三种滑行速度下合金的磨损情况，结果表明：在速度为2.0m/s时合金的磨损量最大，而在0.5m/s，3.5m/s滑行速度下合金的磨损量相对较小，这说明该合金在一定的合适的滑行速度下才能获得较高的耐磨性。

有科学家研究了不同耐磨材料和表面处理对合金耐磨性的影响。

结果表明：不同耐磨材料对同一种Al-Si合金的耐磨性有很大影响，Al-Si合金与钢相互摩擦表现出较高的耐磨性，而Al-Si合金与Al-Si合金摩擦则表现出相对较低的耐磨性。

若对合金表面进行Ni-P喷镀处理，其耐磨性可提高5-8倍，若相互摩擦材料都进行表面处理，其耐磨性提高10倍以上。

2.2稀土概况稀土元素是典型的金属元素。

其中镧系元素4f亚层的轨道电子，由于被外层的5s和5p层电子有效地屏蔽，不能参与成键，因此导致它们具有两个非常突出的特点，即化学性质非常相似(给彼此的分离造成了困难)及物理性质差别明显，给应用开发创造了多方面的机遇。

2.2.1稀土的化学性质和冶金性能经湿法冶金与化学提纯获得的稀土氯化物、碳酸盐、硝酸盐、氟化物和其他卤化物及稀土氧化物，因外层电子排布(构型)的相似。

其氧化态基本上为正三价。

但内层4f电子的数目对价态也有一定影响，铈、镨、铽可氧化成四价，形成相应的稳定氧化物CeO2、Pr6O11、Tb4O7，钐、铕、镱可还原成二价，形成SmS等反常价态化合物。

稀土金属是化学活性极强的元素，对氢、碳、氮、氧、硫、磷和卤素具有极强的亲和力。

轻稀土金属于室温在空气中易于氧化，重稀土与钪和钇在室温形成氧化保护层，因此一般将稀土金属保存在煤油中，或置于真空及充以氩气的密封容器中。

稀土金属是原子半径较大的电正性元素，除各稀土元素彼此间及稀土与锆、钍和镁、锌、镉、汞等二价金属形成多种固溶体外，稀土金属与其他金属元素形成的二元R-M系金属间化合物(R与M分别为稀土金属与非稀土金属)就在3000种以上。