6063合金中稀土元素的分布及作用机理

赵敏寿 党 平 吕翔平

（中国科学院长春应用化学研究所）

摘 要：用金相观察、扫描电镜的波谱和能谱分析结果表明，稀土在6063铝合金铸态组织中富集于晶界，稀土促进了Si和Fe向晶界偏聚，减少了针状铁相，铸态组织均匀、细化，强度提高。过量稀土会形成Al-La类稀土夹杂物，分布在晶界和晶内，使铸态组织粗化，合金强度下降。含稀土的铝合金型材中铁相有所细化，稀土化合物呈球团状，强度及硬度有所提高。

Studies on Distribution and Function of Rare Earth Metal in 6063 Aluminium Alloy

Zhao Minshou Dang Ping Lu Xiangping

(Changchun Institute of Applied Chemistry,Academia Sinica)

Abstract:Metallogaph and scanning electron microscope studies of the distribution and function of a small quantity of rare earth metal in 6063 aluminium alloy show that rare earth metal is concentrated at the grain boundary of the as-cast 6063 aluminium alloy,and also promotes Si and Fe to be concentrated at the grain boundary.The needle phase containing Fe are redueed,and the as-cast microstructure is homogeneous and modified,thus the as-cast strength is increased obviously.But excess rare earth in the as-cast alloy will lead to the formation of some rare earth compounds like Al-La distributed in the cells and at the grain boundary,which makes the as-cast microstructure coarsen and the stre-ngth of the alloy fall.In the deformed 6063 aluminium alloy containing Fe are modified to a certain extent,and there are some spherical compounds containing rare earth metal,whieh leads to enhancing the strength and hardness of the deformed 6063 Aluminium alloy.

6063合金（AL-Mg-Si系）是一种应用非常广泛的型材合金。而稀土元素在6063合金中的应用也取得良好效果，如合金机械性能、耐腐蚀性能、表观质量及着色效果等均得到明显提高。但由子合金中稀土含量较少，检验其分布及存在状态十分困难，所以有关稀土在6063合金中的分布及作用机理方面的研究工作报道很少。文献[1，2]研究了Ce在工业纯铝中的作用机理。本文在扫描电镜上用波谱和能谱分析测定了稀土在6063合金中的分布及其对Fe、Si和Mg分布的影响，初步对稀土元素在合金中的作用机理进行了探讨，以期对稀土6063合金的应用提供理论依据。

1 实验方法

用熔盐电解法添加铈族混合稀土，制备稀土6063合金。铸态试样为φ20×100 mm的圆棒，成分见表1。在圆棒底部截取金相试样，磨抛后用0.5%HF水溶液浸蚀，为了清晰地显示其晶界，一般需擦蚀1 min左右。型材试样为热挤压时效状态（RCS），挤压温度为470±10℃，挤压速度为10 m/S，挤压后17 h内进行人工时效处理。使用卧式金相显微镜观察和拍摄金相组织，在JXA-840型扫描电镜上进行波谱和能谱分析。

表1　实验合金的成分
Table 1　Composition of the alloy（wt%）

2 实验结果及分析

2.1 稀土在铸态组织中的分布及其对组织性能的影响

图1显示未加入稀土的2#样中合金元素Mg、Si和杂质元素Fe的分布结果。Mg和Si基本上均匀分布在铝基体上，Si在晶界处稍有富集，而杂质Fe在晶界明显富集。铁一般以针状化合物形式沿晶界析出（图1d），这对合金的强度和塑性十分有害。

图2是稀土含量为0.29wt%的6#样中Mg、Si、Fe和Ce的波谱分析结果。Mg基本上仍均匀分布，少量的富集点可能是Mg2 Si析出的结果。与图1 c相比，Si较多地富集于晶界，说明稀土促进了Si向晶界偏聚。Fe和RE在晶界富集。从Fe的面分布看，针状铁相减少，球团状铁相增加。对照Fe、Si和Ce的面分布，发现Fe、Si和Ce在晶界处的偏聚情况是一致的，晶界上可能存在由这些元素组成的某些金属间化合物，因而促使Si向晶界偏聚，而含稀土的铁相化合物呈球团状，减少了针状铁相的危害。

图1　未加稀土的2号样中Mg、Si、Fe元素的分布
Fig.1　Distribution of Mg，Si and Fe in speeimen 2 without RE，500X

（a）Secondary electronimage （b）Mg Kαimage（c）Si Kαimage （d）Fe Kαimage

图2　含0.29wt%RE的6号样中Mg、Si、Fe、Ce的分布
Fig.2　Distribution of Mg，Si，Fe and Ce in speeimen 6 containing 0.29wt%RE，500X

对不同稀土含量的多个试样的检测结果表明，稀土元素一般都与Si和Fe一起偏聚于晶界，但过量的稀土除与Si和Fe等偏聚在晶界外，还可能与铝形成金属间化合物。

对含0.36wt%RE的7#样品观察发现，在合金基体中（晶界、晶内）分布有大量的稀土相（见图3）。

图3　含0.36wt%RE的7号样中的稀土相
Fig.3　RE compounds in speeimen 7 containing 0.36wt%RE

（a）Seeondary electron image （b）Composition of compound“A”（c）Distribution of La

图4是不同稀土含量的6063铝合金铸态组织。由图可见，稀土含量为0.25wt%时，晶粒均匀、细化（图4b）。稀土含量为0.34wt%时，晶粒反而粗大（图4c），这说明稀土含量对铸态组织影响较大。

表2是稀土含量对铸态机械性能的影响。可以看出，适量稀土元素可以提高合金的抗拉强度和屈服强度，但稀土含量过高（大于0.30wt%），强度值又开始下降。对照图4的铸态组织发现，晶粒均匀、细化者（图4b）强度就高，二者吻合得非常好。又从表2的延伸率值可以看出，合金的塑性虽略有降低，但仍保持在较高的水平。可见，稀土元素在提高合金强度的同时，并不明显降低合金塑性。(www.xing528.com)

图4　稀土对6063铝合金铸态组织的影响
Fig.4　Effect of RE of on as-cast microstructure of 6063 aluminium alloy

（a）O wt%RE（specimen 2） （b）0.25 wt%RE（specimen 5）（c）0.34 wt%RE（specimen 9）

表2　稀土含量对铸态机械性能的影响
Table 2　Effect of RE content on the mechanical properties of as-cast 6063 aluminium alloy

从上述实验结果看，在铸态组织中稀土主要分布在晶界上，而在晶内的溶解量很小，这是因为稀土原子半径比铝的大，若进入铝晶格内，势必引起较大的晶格畸变，使系统的能量增加，为保持系统的自由能最低，稀土原子只能向原子排列不规则的晶界上富集。在a-Al结晶时，由于溶质再分配，进入固相中的稀土量很小，而大量聚集在固-液界面前沿，使合金在凝固过程中的成分过冷增大，a-Al相以树枝方式凝固生长倾向明显增加，同时在分枝交接处产生缩颈、熔断，增加了a-Al相结晶的活的晶种，促进了a-Al相的动力学成核，从而细化了晶粒〔3〕。在一定范围内，稀土加入量越高，成分过冷倾向越大，a-Al相枝晶越发达，枝晶间距越小，组织越细化，合金完全凝固后，稀土元素大部分被排挤在晶界或枝晶界。

过量的稀土由于形成大量稀土化合物，减少了稀土原子的成分过冷作用，合金组织逐渐粗化。文献[1，2]也曾报道，在稀土含量较高的工业纯铝中发现有Ce Al4和Al2.12-La0.88化合物，这不仅消耗一定量的稀土，对合金组织和性能也十分不利，所以稀土含量不宜高于0.3wt%。

稀土元素提高合金强度的原因很多，从本文结果看，稀土有细化晶粒的作用，根据Hall-Petch关系σ=σ0+Kd-1/2，强度（σ）与晶粒尺寸（d）有对应关系，所以稀土对金相组织和强度的影响是一致的，晶粒越细，强度越高。另外，稀土的加入改善了Si和Fe的分布及存在状态，Si、Fe和Ce偏聚在晶界上，强化了晶界，并使针状铁相减少，球状化合物增加，这也是合金强度提高的一个原因。文献[2]报道，在未加稀土的工业纯铝中，Fe与Al在晶界形成a-Al+Al3 Fe共晶。Al3 Fe呈针状，明显降低晶界强度，而添加稀土之后，Si、Fe和Ce一起偏聚，形成球状物，减少了针状的AI3 Fe，从而改善了铝的性能。本文的结果也说明了这一点。

2.2 稀土在型材合金中的分布及作用

该合金型材试样为不含稀土和含0.12wt%稀土的两种，状态均为RCS。其机械性能如下：

图5和图6分别为两种试样中各元素分布的波谱测定结果。

图5　型材合金中Mg、Si、Fe的分布（不含RE）
Fig.5　Distribution of Mg，Si and Fe in the deformed 6063 aluminium alloy without RE

图6　含0.12wt%RE的型材合金中Mg、Si、Fe、Ce的分布
Fig.6　Distribution of Mg，Si，Fe and Ce in the deformed 6063 alloy with 0.12 wt%RE

对照两种试样相应元素的面分布，可以看出，A-30样中Mg分布有明显的较为粗大的富集区，Si的富集点也较为粗大，Fe的富集点较。B-30样中Mg分布比较均匀，无明显的富集点，Si的富集点有所减少，并沿挤压主变形方向排列，Fe的富集点为球团状并稍有减少，Ce有少量富集点。对照Si和Fe的面分布，发现在Ce富集的区域也有Si和Fe的富集，很可能是存在有球团状的含Si、Fe和Ce的多元化合物。Fe相是合金中的杂质相。铸态分析表明，稀土有减少针状铁相的作用。不含稀土的A-30样中，铁相在挤压前多为针状，而含稀土的B-30样中铁相在挤压前多为球团状。热挤压时，铁相均被破碎为颗粒状，但B-30样中的铁相挤压后较为圆整细小。B-30样中的稀土相也为细球状，这些细质点弥散分布在合金基体上，增加合金变形阻力，促进位错增殖，使合金强度和硬度有所提高。由于稀土相很小，均匀分布，对合金塑性影响不大，仍保持在较高的水平上。

3 结论

（1）稀土在6063铝合金铸态组织中主要分布在晶界上，稀土促进了Si向晶界偏聚，减少了针状铁相。但过量稀土会形成Al-La类稀土化合物。

（2）适量稀土对6063铝合金铸态组织有均匀、细化作用，强度也有所提高。但过量稀土使铸态组织粗化，强度下降。稀土含量不宜高于0.30wt%。

（3）在6063型材合金中，稀土促进硅相和铁相细化，稀土相呈球状，合金强度及硬度有所提高。

对吉林工大金彩凤和吴秀珍老师，本所张伯兰和葛辽海同志和沈阳黎明铝材厂同志的热情帮助，在此谨致谢意。

参考文献

[1]霍成章等，金属学报，1985，21（5），B272.

[2]韩其勇等，中国稀土学报，1986，4（2），84.

[3]李庆春主编，《铸件形成理论》，北京，机械工业出版社，1982，P.154.

[4]Livak R.J.,Metal.Trans.1982,13A,1318.