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異的綜合性能，目前主要應用于制罐板材。當前，我國國產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），二是材質純凈度低、內部組織差，當前研究多集中在前者而忽視了系統研究提高鋁材內在冶金質量的重要性，傳統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、結果與分析
（一）稀土對合金鑄態組織的影響
圖2為不同稀土含量3X04鋁合金的鑄態組織，從圖可見不含稀土鑄態組織為粗大的骨骼狀或粗大長條狀，隨稀土含量的增加，組織形貌發生變化，大塊骨骼狀共晶基本消失，粗大長條狀變化合物變為細小的長條狀。當稀土含量為0.2%（質量分數，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變為短粗骨骼狀，球狀相也進一步增多，圖3給出了不同成分下的圖中相應區域的能譜分析，結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，Fe，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鋁合金鑄態組織的影響（BSE）
圖3 圖2區域對應能譜分析
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k0＜＜1，在α－Al晶核形成和長大過程中，由于溶質再分配，稀土極易在結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，為保持系統自由能最低，稀土原子不會進入α－Al晶格內，只能向原子排列不規則的晶界上富集。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晶方式劇烈，并且使枝晶的生長更發達，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，在晶界處易造成應力集中，它又使合金的強度和塑性降低。
三、結論
（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，Fe，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。
