3X04（3004，3104）鋁合金屬于Al－Mn－Mg系防銹鋁合金，該系合金具有強度高，耐蝕性和加工成形性等方面優(yōu)異的綜合性能，目前主要應(yīng)用于制罐板材。當前，我國國產(chǎn)罐板材與國外還有很大差距，95%以上仍需進口，制約因素主要有兩個方面：一是軋制加工工藝落后（尤其是熱軋），二是材質(zhì)純凈度低、內(nèi)部組織差，當前研究多集中在前者而忽視了系統(tǒng)研究提高鋁材內(nèi)在冶金質(zhì)量的重要性，傳統(tǒng)上對鋁合金晶粒的細化采用TlTiB中間合金，但由于TiB2易聚集沉淀失去作用，使其抗衰減性能差，AlTiBRE中間合金是近幾年開發(fā)的一種新型細化劑，但對于稀土在3X04鋁合金的作用鮮見報道。本文在添加AlTiB中間合金對3X04合金進行細化的基礎(chǔ)上，通過添加微量稀土元素研究稀土對其組織性能的影響。
一、實驗設(shè)計及方法
試驗采用含有富Ce混合稀土的Al－10RE中間合金，其能譜分析如圖1所示，合金在石墨坩堝電阻爐中進行熔煉，合金元素加入采用Al－10Fe，Al－10Mn，Al－12Si，Al－10RE中間合金，其余元素加入采用純金屬形式。熔煉溫度為740～780℃，鋁合金專用覆蓋劑覆蓋，C2Cl6除氣，鐵模鑄造，澆鑄溫度約720℃，模溫預熱約200℃。鑄錠尺寸為Ф20mm×160mm，在4kW箱式電阻爐內(nèi)對鑄錠進行均勻化時效處理，隨爐升溫，600℃保溫20h，然后淬入室溫水中，根據(jù)GB6397－86加工拉伸試樣（Ф10mm×50mm），在SANS SHT5350微機控制電液伺服萬能試驗機（加載速度500N/S）上進行力學性能試驗，每種編號試驗重復3次取其平均值，用Philips XL30型掃描電鏡觀察鑄錠組織與拉伸斷口形貌。采用差熱分析儀器（DSC）測定合金的DTA曲線，研究相轉(zhuǎn)變溫度，試樣以10℃·min－1加熱到850℃。
圖1 Al－10RE合金能譜分析
二、結(jié)果與分析
（一）稀土對合金鑄態(tài)組織的影響
圖2為不同稀土含量3X04鋁合金的鑄態(tài)組織，從圖可見不含稀土鑄態(tài)組織為粗大的骨骼狀或粗大長條狀，隨稀土含量的增加，組織形貌發(fā)生變化，大塊骨骼狀共晶基本消失，粗大長條狀變化合物變?yōu)榧毿〉拈L條狀。當稀土含量為0.2%（質(zhì)量分數(shù)，下同）時，效果達到最佳，進一步增加稀土含量至0.3%，第二相逐漸增多，且合金中出現(xiàn)較多球狀相，當稀土含量至0.4%時，第二相化合物明顯增多，其形狀也由長條狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎檀止趋罓?，球狀相也進一步增多，圖3給出了不同成分下的圖中相應(yīng)區(qū)域的能譜分析，結(jié)果表明混合稀土含量小于0.2%時，稀土元素可進入了富（FeMn）相，形成（Al，F(xiàn)e，Mn，Mg，Si，RE）的復雜化合物，在α－Al中未檢測出RE，表明當稀土含量較低時，絕大部分RE元素富集于枝晶間的第二相中，且明顯改變了晶間化合物的形貌。當RE含量超過0.3%時，會生成一種球狀（Al，Mg，Si，Cu，RE）復合稀土化合物。當RE含量達0.4%時，能譜分析表明此時的骨骼狀共晶中不含稀土元素，可見此時稀土元素幾乎全部形成球形化合物。
圖2 不同稀土含量對3X04鋁合金鑄態(tài)組織的影響（BSE）
圖3 圖2區(qū)域?qū)?yīng)能譜分析
由Al－La，Al－Ce二元相圖，La，Ce等在α－Al中的固溶度最大為0.05%，分配系數(shù)k0＜＜1，在α－Al晶核形成和長大過程中，由于溶質(zhì)再分配，稀土極易在結(jié)晶前沿的液相中富集；另一方面，由于La，Ce原子半徑分別為0.187，0.182nm，大于鋁原子半徑0.143nm，為保持系統(tǒng)自由能最低，稀土原子不會進入α－Al晶格內(nèi)，只能向原子排列不規(guī)則的晶界上富集。另外由于稀土是一類表面活性元素，并阻礙Fe，Si等原子進入α－Al的幾率，增加了界面前沿液相中Fe，Si的濃度梯度。這一作用不僅造成了成分過冷，使得枝晶生長傾向增加，枝晶縮頸熔斷機會增大，α－Al相的動力學形核作用增強，從而細化了枝晶，為進一步研究在3X04合金中加入稀土后對成分過冷的影響，采用差熱分析測試了合金的加熱冷卻曲線，獲得合金固、液相線溫度見圖4。
圖4 不含稀土與0.25%稀土含量3X04鋁合金的DTA曲線
可見沒加任何稀土的3X04合金固相線溫度為643.1℃，液相線溫度為698.1℃，固液溫度差為55℃，在加入0.2%稀土元素后合金的固相線溫度稍微有所上升，為645.3℃，而液相線溫度明顯上升，為747.7℃，固液溫度差為102.4℃，可見微量稀土元素得加入使結(jié)晶溫度間隔增大，成分過冷增大。從而使分枝過程加劇，導致胞狀樹枝晶生長的結(jié)晶方式劇烈，并且使枝晶的生長更發(fā)達，二次枝晶增多，最終使枝晶間距減小。但RE加入量過多，將使得合金中首先形成大量球狀稀土化合物（Al，Mg，Si，Cu，RE），減少了稀土在固/液界面上的富集，致使合金組織逐漸粗化。
（二）稀土對合金機械性能的影響
圖5為不同稀土含量合金經(jīng)600℃，20h時效后的力學性能，可見，隨著混合稀土加入量的增加，合金的抗拉強度得以提高，當稀土含量為0.2%時，σb達到最大值，與未加稀土時相比，強度增加28MPa，增加幅度為11.3%。當稀土含量大于0.2%時，強度反而下降，甚至低于未加稀土的合金。另外隨稀土加入量的增加，合金的塑性也有明顯的提高，當稀土含量為0.2%時，合金的延伸率從未加稀土的23%增加到25%，增加幅度為8.7%，當RE含量＞0.1%，合金的塑性變壞。圖6為不同稀土含量時的斷口組織，可見當稀土含量為0.1%時，韌窩細小均勻，未見條狀撕裂棱。表明此時析出相細小均勻，當稀土含量為0.3%時，韌窩變淺變粗，又出現(xiàn)條狀撕裂棱，此時材料強度，塑性最差。
圖5 稀土對機械性能的影響
圖6 3X04鋁合金的拉伸斷口形貌
上述試驗結(jié)果表明，當稀土加入量適當，可以細化枝晶，提高材料的機械性能，另外由于稀土元素與合金中的合金化元素及雜質(zhì)元素的相互作用，改變了合金中相的組成，稀土含量為0.2%時析出相細小呈條狀見圖2（b），時效后呈彌散分布的稀土相起到了彌散強化作用，提高了合金的抗拉強度，稀土含量增多，稀土相變的粗大，時效后以大塊難熔化和物的形式出現(xiàn)，在晶界處易造成應(yīng)力集中，它又使合金的強度和塑性降低。
三、結(jié)論
（一）3X04鋁合金中，當稀土含量小于0.2%時，稀土元素可進入了富（FeMn）相，形成（Al，F(xiàn)e，Mn，Mg，Si，RE）復雜化合物，細化效果最好。隨稀土元素增加，會生成一種球狀（Al，Mg，Si，Cu，RE）復合稀土化合物，細化效果變差。
（二）DTA分析表明，加入0.2%稀土元素后合金的固液溫度差由不加時的55℃增大至102.4℃，可見微量稀土元素的加入引起了較大的成分過冷。
（三）力學性能試驗表明，當稀土含量為0.2%時，合金具有最高的抗拉強度和延伸率。
