馮艷飛，孫 巍，楊 路，張 宇，吳 楠

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

近年來，隨著我國汽車行業(yè)的不斷迅速發(fā)展，汽車輕量化發(fā)展及應(yīng)用得到了越來越多的廣泛關(guān)注。鋁合金的密度僅有鋼鐵的1/3，是汽車輕量化的首先材料[1]。在我國，越來越多的高強度、高韌性、高耐應(yīng)力腐蝕、高耐熱性等優(yōu)良性能的鋁合金不斷被開發(fā)出來，并廣泛應(yīng)用于民用工業(yè)、航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)等領(lǐng)域[2]。為了滿足工業(yè)對鋁合金更高性能的要求，在鋁合金中添加微量稀土被證明是有效的途徑之一[3]。稀土是新材料的寶庫，是21世紀的戰(zhàn)略資源，備受國內(nèi)外科學(xué)界、技術(shù)界的重點關(guān)注[4-5]。而我國擁有豐厚的鋁礦和稀土礦資源，在Al-Re合金研究與開發(fā)方面具有一定資源優(yōu)勢。本文綜述了稀土在鋁合金中的重要作用機理以及稀土鋁合金及車用鋁合金的最新研究現(xiàn)狀，并結(jié)合應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問題，展望了稀土在今后車用鋁合金發(fā)展趨勢。

1 稀土在鋁及鋁合金中的作用

1.1 稀土的變質(zhì)作用

在鋁及鋁合金中加入適量的稀土元素，用以改變合金的結(jié)晶條件，使其組織和性能得到明顯改善[6]。絕大部分稀土(除稀土元素Er和Y)對鑄造的鋁合金均有變質(zhì)作用，但變質(zhì)作用有強弱差異。在鋁及鋁合金中添加微量的稀土元素，可有效地改善鑄錠內(nèi)晶粒內(nèi)偏析、縮松和夾雜物等缺陷，并且能夠減小鋁合金的枝晶及枝晶臂間距，提高形核率，細化鑄態(tài)晶粒，使鋁合金綜合性能得到顯著提高。張啟明等[7]研究了不同稀土元素對Al-Si合金的變質(zhì)能力，如表1所示。發(fā)現(xiàn)稀土元素中Eu變質(zhì)能力最強，其次是La，而混合稀土和Pr、Ce、Nd具有中等變質(zhì)能力，其他稀土變質(zhì)較弱，而稀土元素Er和Y無變質(zhì)作用，還驗證了稀土元素可以成為一種長效可遺傳的變質(zhì)劑。

表1 稀土元素對Al-Si共晶合金的變質(zhì)作用

1.2 稀土的凈化作用

稀土元素有較強的除氣、除雜作用。稀土元素加入量低于0.3ω%時，除氣效果最明顯。這是因為稀土元素具有較高的化學(xué)活性和親和力，在鋁合金熔鑄過程中，容易與H、O、Fe、S等雜質(zhì)元素發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)，生成難溶、穩(wěn)定的高熔點化合物，起到除渣作用[8]。而熔體剩余的夾雜物重新組成球化化合物，可凈化晶界，從而顯著提高鋁合金塑性加工性能。有研究認為稀土去氫效果為Y>La>單一稀土[9]。另外，γ-AlO3是鋁合金中主要的氧化夾雜。稀土去除夾雜作用主要體現(xiàn)在去除鋁合金基體及晶界中各類化合物，且改變這些化合物的組成、相貌、分布及數(shù)量，能重新組合稀土化合物，進而起到球化和凈化晶界的作用，提高鋁合金力學(xué)性能。

1.3 稀土的微合金化作用

稀土的微合金化作用是指稀土在鋁合金的強化作用，包括有限固溶強化、細晶強化和稀土化合物的第二相強化。在鋁合金添加適量的稀土元素，稀土元素會固溶于基體α(Al)中，偏聚在相界、晶界和枝晶界，或以化合物等形式存在。當添加稀土元素含量小于0.1ω%時，以固溶和偏聚兩種形式存在鋁合金中。當添加稀土元素大于1ω%時，在鋁合金中以稀土化合物形式占主導(dǎo)作用。稀土還可以促使鋁合金第二相的球化和細化，且彌散分布在鋁基體中，起到彌散強化和細晶強化作用。稀土元素在鋁中的固溶度變化特點，可以評定稀土元素是否通過失效硬化或固溶強化來提高鋁合金的強度[10]，見表2所示。

表2 稀土元素在基體鋁中的平衡和擴散固溶度

2 稀土鋁合金最新研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)稀土在鋁合金中的應(yīng)用研究發(fā)展迅速，研究與應(yīng)用較廣的稀土鋁合金有純Al、Al-Mg-Si鋁合金、Al-Si鋁合金和Al-Zn-Mg-(Cu)鋁合金等。王正軍等[11]研究發(fā)現(xiàn)稀土可以改變純Al中雜質(zhì)Fe的存在形態(tài)，進而提高了純鋁的力學(xué)性能。在Al-Mg-Si合金中添加微量稀土元素變質(zhì)處理金屬熔體，可以促進Mg2Si相形核，增加形核數(shù)目，抑制晶粒長大，從而細化晶粒改善顆粒分布狀態(tài)[12]。李赤楓等[13]在Al-Mg-Si合金添加稀土元素，Mg2Si增強相形態(tài)為細小的短棒狀，且數(shù)目明顯增多。王寧等[14]研究了添加Sr在鋁合金中，發(fā)現(xiàn)隨著Sr含量的增加，變質(zhì)保溫延長，組織明顯均勻細化。Al-Zn-Mg-(Cu)合金中添加稀土元素可以優(yōu)化合金元素，降低合金雜質(zhì)，改善抗腐蝕性等性能。趙鴻金等[15-16]將La添加7055鋁合金中組織均勻細化。ZHANG H.等[17]研究發(fā)現(xiàn)適量的Er明顯改善Al-Zn-Mg-(Cu)鋁合金耐蝕性和斷裂性能。

3 稀土在車用鋁合金研究現(xiàn)狀

汽車輕量化是現(xiàn)代汽車發(fā)展的必然趨勢，鋁合金是成為汽車輕量化發(fā)展的主要材料。目前車用鋁合金量較大，其中壓鑄鋁合金件用量占整體的80%以上，可用于各種車用發(fā)動機零部件、車輪、殼體類零件、底盤類零件。擠壓和壓延鋁合金件各占整體的10%左右，而變形鋁合金主要用于汽車板材、面板、電池包、車身框架、座駕、門梁、發(fā)動機蓋、保險杠、車廂板、車身骨架、發(fā)動機罩蓋、覆蓋件外板、前縱梁、防撞梁等骨架或零部件。按元素可分為2xxx系的Al-Mg-Cu(如2A01、2A16、2024)、5xxx系的Al-Mg(如5083、8754)、6xxx系A(chǔ)l-Mg-Si(如6061、AA6111)以及7xxx系的Al-Zn-Mg-Cu(如7075)等合金。而通過熱處理強化的2xxx、6xxx和7xxx系鋁合金，是當前車用鋁合金的一個新亮點。

然而，目前車用鋁合金應(yīng)用較多是6xxx系鋁合金，這是因為該系列合金具有超高的成型性，且耐蝕性強、強度高、耐高溫性能好等優(yōu)點。而7xxx系鋁合金雖具有更高的硬度和強度，但其疲勞強度低于6xxx系鋁合金，目前還有待深入研究[18]。

鋁合金汽車板材是目前鋁合金研究和應(yīng)用的熱點之一，隨著在轎車的應(yīng)用比重不斷上升，尤其是熱處理后的6xxx系鋁合金板材，能夠很好地滿足汽車對殼體的要求[19]。目前，AudiA8的車身鈑金件，采用6xxx系鋁合金，其合金的純度和工藝穩(wěn)定性要求非常高。據(jù)報道，最新開發(fā)出的6005A合金，其性能也較為理想[20]。2016年底，忠旺集團參與設(shè)計制造奇瑞新能源純電動車小螞蟻eQ1，首次實現(xiàn)全鋁車身化車型。2018年還與前途汽車攜手打造國內(nèi)首款全鋁純電動跑車前途K50。此外，車用鋁合金特別重視6xxx系鋁合金“口”、“日”、“目”、“田”、“品”等形狀的薄壁和中空擠壓型材。高性能的汽車用鋁板和增強緩沖的鋁擠壓型材，已在汽車上廣泛應(yīng)用[21-22]。

4 稀土元素在鋁中特性

在多數(shù)鋁合金中，稀土元素對合金的力學(xué)性能影響具有相似性，見圖1，稀土元素可以明顯提高鋁合金力學(xué)性能，但存在一個最佳的成分范圍，一般認為鋁合金中稀土添加量在0.1%～0.4%為宜[23]。

表3為稀土元素的性質(zhì)及其在鋁中的特性，從表中可以看出，Al-Er和Al-Sc合金的共晶溫度比較高，與純鋁的熔點僅差5 ℃，而Sc共晶點成分最低，Sc原子半徑相對最小。

圖1 稀土含量對鋁合金力學(xué)性能的影響

表3 主要稀土元素的性質(zhì)及其在鋁中的特性

5 展望與建議

稀土元素在車用鋁合金中應(yīng)用前景廣大，今后稀土鋁合金開發(fā)與應(yīng)用中應(yīng)注意以下幾點：

1)科學(xué)控制稀土元素的添加量及添加方式。稀土的過度加入會造成鋁材報廢，添加方式不妥會造成鋁材燒損和偏析。

2)稀土元素添加過程中，不應(yīng)該預(yù)脫氧、脫硫。應(yīng)該待鋁合金熔體脫氧、脫硫之后，再加入稀土，才能有效地控制夾雜物的形態(tài)及大小。

3)稀土鋁合金在擠壓變形過程中應(yīng)結(jié)合傳統(tǒng)擠壓工藝，進行適當調(diào)節(jié)，以防止擠壓變形產(chǎn)生缺陷，還需深入研究擠壓工藝對稀土車用鋁合金性能的影響。

4)避免在鋁合金中稀土與其他微合金元素發(fā)生沖突，影響合金的綜合性能。

5)目前國內(nèi)外關(guān)于富鋁稀土相的特性、形式及演變規(guī)律還需進一步研究。

6)需結(jié)合傳統(tǒng)熱處理工藝，開發(fā)新的稀土鋁合金熱處理工藝，以滿足更高車用鋁合金性能的要求。