張志新|文

近幾年隨著鋁合金電纜成為熱點(diǎn)，眾多廠商也著力宣傳一種名為稀土高鐵鋁合金的電纜產(chǎn)品及其優(yōu)越性能。本文將通過(guò)介紹稀土優(yōu)化處理技術(shù)的歷史背景和原理，論證在當(dāng)前行業(yè)背景下該技術(shù)的不必要性，且稀土作為國(guó)家戰(zhàn)略資源，應(yīng)將其應(yīng)用到盡可能需要的地方。

稀土就是化學(xué)周期元素表中鑭系元素——鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷 (Pm)、釤 (Sm)、銪 (Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)，以及與鑭系的15個(gè)元素密切相關(guān)的兩個(gè)元素——鈧(Sc)和釔(Y)共17種元素，稱為稀土元素(Rare Earth)，簡(jiǎn)稱稀土。這是一組具有點(diǎn)石成金魅力的元素，它們豐富的磁、光、電特性使其在電子、石油化工、環(huán)境保護(hù)、航天、軍事等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

早在前蘇聯(lián)時(shí)期，科學(xué)家就曾在實(shí)驗(yàn)室條件下發(fā)現(xiàn)在高純鋁中加入純稀土鈰能提高率的導(dǎo)電率。上海電纜研究所早在上世紀(jì)60年代就開(kāi)始相關(guān)研究工作，并在1985年成功實(shí)現(xiàn)了高硅鋁錠應(yīng)用稀土優(yōu)化處理生產(chǎn)電工級(jí)鋁導(dǎo)體。該技術(shù)在我國(guó)鋁礦資源含硅量較高、煉鋁工業(yè)深脫硅未跟上的行業(yè)背景下確實(shí)發(fā)揮了重要作用。近幾年，隨著國(guó)內(nèi)鋁合金電纜成為業(yè)內(nèi)熱點(diǎn)，眾多廠家宣傳一種名為稀土高鐵的鋁合金電纜，稱經(jīng)過(guò)稀土處理的鋁合金導(dǎo)體在諸多性能如導(dǎo)電性、柔韌性、抗蠕變性相對(duì)純鋁有大幅度提高，甚至宣稱有些性能比銅導(dǎo)體還要優(yōu)良。本文就通過(guò)稀土優(yōu)化處理技術(shù)的背景、原理以及相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)論證在目前的行業(yè)背景下生產(chǎn)電工鋁或者鋁合金導(dǎo)體采用稀土進(jìn)行優(yōu)化處理因沒(méi)有明顯作用而是不必要的，且稀土作為國(guó)家的戰(zhàn)略資源，應(yīng)將其使用在更需要的行業(yè)。

稀土處理技術(shù)的背景

鋁錠的成分對(duì)導(dǎo)體的性能，特別是導(dǎo)電率具有決定性的作用。我國(guó)鋁礦含硅量較高，上世紀(jì)七八十年代，國(guó)內(nèi)煉鋁工業(yè)的深脫硅技術(shù)和設(shè)備還未及時(shí)跟上，造成國(guó)產(chǎn)鋁錠一般含硅量高，降低了鋁的導(dǎo)電率，從而不利于電工級(jí)鋁導(dǎo)體的生產(chǎn)。是時(shí)，整個(gè)行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r導(dǎo)致原料鋁供不應(yīng)求，品位又相差較大，電線電纜廠進(jìn)料鋁錠品位較雜，有電工級(jí)和非電工級(jí)的國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口鋁錠。采用電工級(jí)鋁錠，可生產(chǎn)出滿意的鋁導(dǎo)體，但對(duì)于國(guó)產(chǎn)高硅鋁錠，需進(jìn)行合適的工藝處理，降低硅對(duì)導(dǎo)電率的有害影響，才可生產(chǎn)出達(dá)標(biāo)的鋁導(dǎo)體，這在當(dāng)時(shí)是整個(gè)行業(yè)關(guān)注的問(wèn)題。

上海電纜研究所早在上世紀(jì)60年代就開(kāi)始用稀土作為新材料添加劑的研究工作，通過(guò)實(shí)驗(yàn)積極摸索我國(guó)豐富的稀土資源是否能夠解決國(guó)產(chǎn)高硅鋁錠引起導(dǎo)電率低的問(wèn)題，并在1985年首先在電纜廠鋁連鑄連軋線上成功實(shí)現(xiàn)了高硅鋁錠使用稀土優(yōu)化處理達(dá)到電工級(jí)鋁導(dǎo)體。該技術(shù)在1991年獲得了國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，其創(chuàng)新性和應(yīng)用價(jià)值是跟當(dāng)時(shí)高硅鋁錠的國(guó)情相輔相成的，在當(dāng)時(shí)的行業(yè)背景下確實(shí)發(fā)揮了重要作用，產(chǎn)生了巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

稀土優(yōu)化處理的影響和機(jī)理

黃崇祺院士作為該技術(shù)的發(fā)明者，陸續(xù)發(fā)表了多篇論文詳細(xì)闡述了該技術(shù)對(duì)鋁桿工藝、性能方面的影響以及其優(yōu)化的原理，現(xiàn)總結(jié)如下：

1.稀土在鋁中的作用機(jī)理

一般而言，任何雜質(zhì)元素進(jìn)入鋁中都會(huì)降低鋁的電導(dǎo)率。但由于鋁基體中存在硅，而稀土的加入與硅形成了CeSi2或Ce5Si3等化合物，有效地降低了鋁固溶體中的硅含量，從而減小了硅的有害影響。由于硅的原子半徑小，鋁固溶體中硅含量高，點(diǎn)陣常數(shù)便小，通過(guò)X光衍射法測(cè)定未經(jīng)稀土處理和經(jīng)過(guò)稀土處理的鋁桿的點(diǎn)陣常數(shù)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)稀土處理的鋁桿其點(diǎn)陣常數(shù)要高于未經(jīng)處理的鋁桿，證明了鋁固溶體中硅含量在稀土優(yōu)化處理后下降，從而提高了電導(dǎo)率。

2.導(dǎo)電率

稀土優(yōu)化處理可提高鋁導(dǎo)體的導(dǎo)電率。稀土的加入降低了硅的有害作用，且此種作用在含鐵比較低時(shí)比含鐵高時(shí)更為明顯。導(dǎo)電率的增加來(lái)源于稀土與硅的結(jié)合形成了新相，減少了游離硅的出現(xiàn)，從而減少晶格畸變，提高導(dǎo)電率。鐵含量的提高對(duì)于導(dǎo)電率的弱化的一種解釋是，當(dāng)鐵含量高時(shí)，針狀FeAl3相的有害作用增加，因此導(dǎo)電率受到影響。

3.強(qiáng)度

其他元素的加入對(duì)基體產(chǎn)生的強(qiáng)化最典型的方式就是固溶強(qiáng)化。但是，通過(guò)測(cè)試，不同稀土加入量鋁桿的機(jī)械性能表明，稀土化處理對(duì)強(qiáng)度并無(wú)明顯影響，關(guān)鍵在于稀土元素在鋁導(dǎo)體的固溶度很小(不大于0.05%)，因而無(wú)明顯的強(qiáng)化作用。另外，生產(chǎn)過(guò)程中的諸多因素，如溫度，冷卻速度和生產(chǎn)速度對(duì)強(qiáng)度的影響更大，稀土微小的固溶強(qiáng)化也體現(xiàn)不出來(lái)。

4.工藝性能

由于添加稀土含量不高，對(duì)熔點(diǎn)沒(méi)有明顯的影響，因而澆鑄溫度無(wú)明顯變化。但相同工藝下，經(jīng)稀土化處理的晶粒度明顯比未經(jīng)處理的細(xì)，可改善材料的后續(xù)加工工藝性能，如熱軋和冷拉。

稀土優(yōu)化處理技術(shù)的適用性分析

以上總結(jié)可知，該技術(shù)主要是針對(duì)含硅量較高的鋁錠對(duì)其導(dǎo)電率的優(yōu)化，而且這種優(yōu)化是在一定的硅含量范圍內(nèi)才有體現(xiàn)。作為該技術(shù)的發(fā)明者，黃崇祺院士早在1985年發(fā)表的論文《稀土優(yōu)化處理在電工鋁導(dǎo)體生產(chǎn)中的應(yīng)用》中明確指出，應(yīng)用稀土優(yōu)化處理宜配用含硅0.09%～0.13%的鋁為佳。對(duì)于低硅鋁錠，只要含硅量不大于0.08%，保證良好的加工工藝的前提下，則沒(méi)有必要進(jìn)行稀土處理。上海電纜研究所在《電纜用鋁合金導(dǎo)體及其性能研究》中通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)明確指出，并不是添加了稀土的鋁合金其性能就會(huì)得到改善，要視具體情況（硅含量）而定，在用鋁純度為99.7%，含硅量在0.04%左右的鋁錠連鑄連軋生產(chǎn)鋁及鋁合金時(shí)，添加稀土的作用不大。目前，國(guó)內(nèi)普遍已經(jīng)用鋁純度為99.7%，含硅量在0.04%左右的鋁錠來(lái)生產(chǎn)鋁桿。這種情況下，稀土處理工藝已經(jīng)沒(méi)有必要。

另一方面，目前國(guó)內(nèi)所謂的稀土高鐵鋁合金，鐵含量較高。如前所述，稀土的優(yōu)化作用還與鋁中其他的元素有關(guān)，尤其是鐵。這種作用在含鐵比較低時(shí)比在含鐵高時(shí)更為明顯，高的含鐵量會(huì)削弱了稀土的優(yōu)化作用。同時(shí)宣稱較高的鐵含量以及稀土的優(yōu)化處理對(duì)鋁或鋁合金桿整體機(jī)電性能的提升，在機(jī)理上是矛盾的。

稀土資源的戰(zhàn)略性

稀土金屬是許多高科技和替代能源產(chǎn)品關(guān)鍵部件的組成原材料，具有非常高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而比起經(jīng)濟(jì)價(jià)值，稀土的戰(zhàn)略價(jià)值更具意義。由于稀土在高新技術(shù)和國(guó)防工業(yè)中的不可替代性，被各國(guó)視為關(guān)系國(guó)家安全和發(fā)展的最重要戰(zhàn)略資源之一。為此，美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，都通過(guò)立法，對(duì)包括稀土在內(nèi)的稀有金屬的開(kāi)采、生產(chǎn)和出口進(jìn)行嚴(yán)格控制。鄧小平同志生前曾自豪地說(shuō)“中東有石油，中國(guó)有稀土”，由此可見(jiàn)稀土的重要價(jià)值。

稀土優(yōu)化處理針對(duì)低硅鋁錠已被證明無(wú)明顯優(yōu)化作用，盲目的推廣和使用將是對(duì)我國(guó)戰(zhàn)略資源的一種浪費(fèi)，稀土應(yīng)當(dāng)在更多的高科技領(lǐng)域有序扮演工業(yè)維生素的角色。

結(jié)語(yǔ)

稀土優(yōu)化處理技術(shù)本質(zhì)上是針對(duì)高硅非電工級(jí)鋁錠的一種優(yōu)化，減小硅對(duì)導(dǎo)電率的有害作用，并不能給鋁或者鋁合金帶來(lái)一種性能上的質(zhì)變，且這種優(yōu)化和鐵含量的大小密切相關(guān)，鐵含量越高，其優(yōu)化作用愈不明顯，宣傳稀土高鐵是矛盾的。在目前低硅鋁錠應(yīng)用的行業(yè)背景下，應(yīng)用此優(yōu)化技術(shù)已無(wú)必要，而且稀土作為國(guó)家的戰(zhàn)略資源，更應(yīng)將其應(yīng)用到盡可能需要的地方去，而不是作為宣傳噱頭盲目使用和浪費(fèi)。