21-184 稀土元素在镁合金中产生的主要作用

稀土元素是元素周期表第ⅢB族中原子序数21的钪(Sc)、39的钇(Y)和57的镧(La)至71的镥(Lu)等17个元素的总称。根据1968年国际纯粹与应用化学联合会( IUPAC)的统一规定,原子序数57~71的15个元素镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu),又称为镧系元素(可用符号“Ln”表示),它们同位于周期表的第六周期的57号位置。稀土元素简称稀土,常用符号“RE”表示。Pm是一种放射性元素,在自然界存在极少,常见的稀土矿物中一般不含Pm。所以,通常的稀土研究、生产和应用中也不包含Pm。

除钪以外的稀土元素可按其物理化学性质的微小差别、稀土矿物的形成特点以及分离工艺的要求,把它们分成轻稀土和重稀土两组:Gd以前的La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm和Eu七个元素称为轻稀土元素或铈组稀土元素;Gd和Gd以后的Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu和Y共九个元素为重稀土元素或钇组稀土元素。因为Y的原子半径在重稀土元素范围内,化学性质与重稀土元素更相似,且在自然界中常与重稀土共生共存,所以把Y归为重稀土组。

稀土元素在镁合金中产生的主要作用：

1)熔体净化作用

稀土元素在镁合金熔体中具有除氢、除氧、除硫、除铁及除夹杂物的作用,

从而达到除气精炼、净化熔体的效果。

2)改善镁合金熔铸过程熔体保护作用。

镁合金在熔炼过程中极易氧化燃烧,目前工业生产镁合金一般采用熔剂覆盖或气体保护法熔炼,但都存在不少缺点。提高镁合金熔体自身的起燃温度则有望实现镁合金在大气下的直接熔炼,这对镁合金的进一步推广应用意义重大。稀土元素是镁合金熔体的表面活性元素,与镁及合金化元素铝等的氧化物能够在熔体表面形成致密的复合氧化物膜,有效阻止熔体和大气的接触,大大提高镁合金熔体的起燃温度。

提高合金液流动性。稀土元素是镁的表面活性元素,能够降低合金液的表面张力;稀土元素与镁能形成简单的共晶体系;REMg合金结晶温度间隔小。因此,在镁合金中添加稀土元素能够增加合金的流动性,减少缩松、热裂倾向,提高充填性能,从而提高薄壁产品的成品率。

3)细化变质作用

稀土元素加入合金熔体中后,由于其平衡分配系数小于1,致使在凝固过程中,稀土元素较容易富集在固液界面前沿,增加枝晶前沿的成分过冷度,促使a-Mg枝晶产生更多的分枝,减小枝晶间距。这些分枝晶把剩余的液相分割成许多细小、封闭、独立的小岛,减缓溶质原子的扩散速率。另一方面,成分过冷是成核的主要动力。成分过冷会进一步激发熔体中的潜在成核中心,增加成核数。当溶质原子富集到一定程度,会形成第二相。这些第二相分布在晶界和枝晶边界上,它们的存在可以减缓原子的扩散,阻碍晶粒的长大,从而降低晶粒的长大速率,细化合金组织。其次,在热加工过程和退火过程中,稀土元素能够阻碍再结晶和晶粒的长大。

4)固溶强化作用

大部分稀土元素在镁中具有较高的固溶度,稀土原子溶入镁基体中,三价稀土离子置换二价镁离子,增强电子云密度,增强原子间的结合力;稀土元素与镁的原子半径和弹性模量的差异使镁基体产生晶格畸变,由此产生的应力将阻碍位错运动;此外,稀土原子在镁中的扩散系数很小。稀土元素固溶强化的作用主要是减慢原子扩散速率,阻碍位错运动,从而强化基体,提高合金的强度和高温蠕变性能。

5)弥散强化作用

稀土元素与镁或其他合金化元素在合金凝固过程中形成稳定的金属间化合物。这些含稀土的金属间化合物一般具有高熔点、高热稳定性等特点，呈细小化合物粒子弥散分布于晶界和晶内，高温下可以钉扎晶界，抑制晶界滑移，同时阻碍位错运动，强化合金基体。

6)时效沉淀强化作用

大部分稀土元素在镁中具有较高固溶度,并且固溶度随温度降低而降低。当处于高温下的单相固溶体快速冷却时,形成不稳定的过饱和固溶体,该过程和固溶体在一定温度下经过长时间的时效,能够形成细小而弥散的析出沉淀相,该脱溶沉淀相具有较高的熔点和热稳定性,同时具有细小尺寸及与镁基体的良好界面关系析出相与位错之间产生交互作用,可提高合金强度和高温蠕变抗力。当镁合金中添加两种或两种以上稀土元素时,由于稀土元素间的相互作用能够降低彼此在镁中的固溶度,并相互影响其过饱和固溶体的沉淀析出动力学,会产生附加强化作用。

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