稀土高鐵鋁合金的一些事實

張志新|文

近幾年隨著鋁合金電纜成為熱點，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。本文將通過介紹稀土優(yōu)化處理技術的歷史背景和原理，論證在當前行業(yè)背景下該技術的不必要性，且稀土作為國家戰(zhàn)略資源，應將其應用到盡可能需要的地方。

稀土就是化學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個元素密切相關的兩個元素——鈧(Sc)和釔(Y)共17種元素，稱為稀土元素(Rare Earth)，簡稱稀土。這是一組具有點石成金魅力的元素，它們豐富的磁、光、電特性使其在電子、石油化工、環(huán)境保護、航天、軍事等多個領域發(fā)揮著關鍵作用。

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

稀土處理技術的背景

鋁錠的成分對導體的性能，特別是導電率具有決定性的作用。我國鋁礦含硅量較高，上世紀七八十年代，國內(nèi)煉鋁工業(yè)的深脫硅技術和設備還未及時跟上，造成國產(chǎn)鋁錠一般含硅量高，降低了鋁的導電率，從而不利于電工級鋁導體的生產(chǎn)。是時，整個行業(yè)的發(fā)展狀況導致原料鋁供不應求，品位又相差較大，電線電纜廠進料鋁錠品位較雜，有電工級和非電工級的國產(chǎn)和進口鋁錠。采用電工級鋁錠，可生產(chǎn)出滿意的鋁導體，但對于國產(chǎn)高硅鋁錠，需進行合適的工藝處理，降低硅對導電率的有害影響，才可生產(chǎn)出達標的鋁導體，這在當時是整個行業(yè)關注的問題。

上海電纜研究所早在上世紀60年代就開始用稀土作為新材料添加劑的研究工作，通過實驗積極摸索我國豐富的稀土資源是否能夠解決國產(chǎn)高硅鋁錠引起導電率低的問題，并在1985年首先在電纜廠鋁連鑄連軋線上成功實現(xiàn)了高硅鋁錠使用稀土優(yōu)化處理達到電工級鋁導體。該技術在1991年獲得了國家科技進步二等獎，其創(chuàng)新性和應用價值是跟當時高硅鋁錠的國情相輔相成的，在當時的行業(yè)背景下確實發(fā)揮了重要作用，產(chǎn)生了巨大經(jīng)濟價值。

稀土優(yōu)化處理的影響和機理

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

1.稀土在鋁中的作用機理

一般而言，任何雜質(zhì)元素進入鋁中都會降低鋁的電導率。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，點陣常數(shù)便小，通過X光衍射法測定未經(jīng)稀土處理和經(jīng)過稀土處理的鋁桿的點陣常數(shù)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過稀土處理的鋁桿其點陣常數(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，從而提高了電導率。

2.導電率

稀土優(yōu)化處理可提高鋁導體的導電率。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比含鐵高時更為明顯。導電率的增加來源于稀土與硅的結合形成了新相，減少了游離硅的出現(xiàn)，從而減少晶格畸變，提高導電率。鐵含量的提高對于導電率的弱化的一種解釋是，當鐵含量高時，針狀FeAl3相的有害作用增加，因此導電率受到影響。

3.強度

其他元素的加入對基體產(chǎn)生的強化最典型的方式就是固溶強化。但是，通過測試，不同稀土加入量鋁桿的機械性能表明，稀土化處理對強度并無明顯影響，關鍵在于稀土元素在鋁導體的固溶度很小(不大于0.05%)，因而無明顯的強化作用。另外，生產(chǎn)過程中的諸多因素，如溫度，冷卻速度和生產(chǎn)速度對強度的影響更大，稀土微小的固溶強化也體現(xiàn)不出來。

4.工藝性能

由于添加稀土含量不高，對熔點沒有明顯的影響，因而澆鑄溫度無明顯變化。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，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)化處理技術的適用性分析

以上總結可知，該技術主要是針對含硅量較高的鋁錠對其導電率的優(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)化處理在電工鋁導體生產(chǎn)中的應用》中明確指出，應用稀土優(yōu)化處理宜配用含硅0.09%～0.13%的鋁為佳。對于低硅鋁錠，只要含硅量不大于0.08%，保證良好的加工工藝的前提下，則沒有必要進行稀土處理。上海電纜研究所在《電纜用鋁合金導體及其性能研究》中通過相關實驗明確指出，并不是添加了稀土的鋁合金其性能就會得到改善，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，添加稀土的作用不大。目前，國內(nèi)普遍已經(jīng)用鋁純度為99.7%，含硅量在0.04%左右的鋁錠來生產(chǎn)鋁桿。這種情況下，稀土處理工藝已經(jīng)沒有必要。

另一方面，目前國內(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，尤其是鐵。這種作用在含鐵比較低時比在含鐵高時更為明顯，高的含鐵量會削弱了稀土的優(yōu)化作用。同時宣稱較高的鐵含量以及稀土的優(yōu)化處理對鋁或鋁合金桿整體機電性能的提升，在機理上是矛盾的。

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)品關鍵部件的組成原材料，具有非常高的經(jīng)濟價值，而比起經(jīng)濟價值，稀土的戰(zhàn)略價值更具意義。由于稀土在高新技術和國防工業(yè)中的不可替代性，被各國視為關系國家安全和發(fā)展的最重要戰(zhàn)略資源之一。為此，美國、日本等發(fā)達國家，都通過立法，對包括稀土在內(nèi)的稀有金屬的開采、生產(chǎn)和出口進行嚴格控制。鄧小平同志生前曾自豪地說“中東有石油，中國有稀土”，由此可見稀土的重要價值。

稀土優(yōu)化處理針對低硅鋁錠已被證明無明顯優(yōu)化作用，盲目的推廣和使用將是對我國戰(zhàn)略資源的一種浪費，稀土應當在更多的高科技領域有序扮演工業(yè)維生素的角色。

結語

稀土優(yōu)化處理技術本質(zhì)上是針對高硅非電工級鋁錠的一種優(yōu)化，減小硅對導電率的有害作用，并不能給鋁或者鋁合金帶來一種性能上的質(zhì)變，且這種優(yōu)化和鐵含量的大小密切相關，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。在目前低硅鋁錠應用的行業(yè)背景下，應用此優(yōu)化技術已無必要，而且稀土作為國家的戰(zhàn)略資源，更應將其應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。