稀土对铝基材料锑合金化腐蚀行为的影响

何杰军，吴鲁淑

（1．百色学院物理与电信工程系，广西 百色533000；2．广西大学材料科学与工程院，广西 南宁530004）

稀土对铝基材料锑合金化腐蚀行为的影响

何杰军1，吴鲁淑2

（1．百色学院物理与电信工程系，广西 百色533000；2．广西大学材料科学与工程院，广西 南宁530004）

利用X射线衍射分析、扫描电镜表面形貌分析、能谱分析等方法，分析了锑对铝基材料的合金化腐蚀行为以及少量稀土添加剂对Al-Sb合金化腐蚀行为的影响。

稀土；X射线衍射；锑腐蚀

锑作为合金添加剂用于铝合金中不仅在科学研究中受到关注，在工业上也得到了实际应用［1］。在工业实践中，锑常常被以Al-Sb中间合金的形式加入铝合金特别是Al-Si合金中，原因是人们发现锑能够在很高的冷却速度下细化粗大的针状共晶组织，使其变为比较细的纤维组织，得到较好的铸造性能。此外，AlSb合金还是很好的半导体材料［2～3］。

广西是全国举足轻重的有色基地，除铟储量居世界第一，锡储量居全国之首外，锑的储量也是全国第一。而今，广西已形成年产近15万t锑的生产规模。但由于矿料——脆硫铅锑精矿是世界独一无二的复杂金属硫化矿，主金属铅锑的分离自20世纪60年代以来一直是众多冶金工作者久攻不破的难题。这一难题严重限制了广西锑业的发展。长期以来只能用该矿生产高铅锑合金，价格与精锑差数千元／t，经济损失巨大。近年来虽可用除铅剂从铅锑合金中将铅脱除而生产出二号锑，但除铅成本近千元／t，且限制了矿物资源的综合利用。20世纪80年代中期，昆明理工大学在铅锡真空蒸馏的基础上，研发了铅锑真空蒸馏工艺设备，采用该技术可产出2号锑甚至于1号锑。该技术20世纪90年代中期于南丹龙泉矿冶厂进行了产业化研究，实践证明工艺路程畅通，指标极优。但致命问题是锑金属严重腐蚀以钢铁为主的炉缸、炉壳，全新的炉子作业数小时便被击穿，这一严峻问题一直阻碍着该技术的产业化生产。直至今天，广西的脆硫铅锑矿的冶炼还是以火法冶炼进行成分分离，该技术工序繁杂，中间产物多，能耗高，返料量大，若能真正实现真空蒸馏分离铅锑，则将大大减少生产工序，提高生产效率，降低成本。

近几十年来铝合金由于在建筑业、电力工业、制造业、包装业、航天工业等领域的广泛应用受到了越来越多的材料科学工作者的关注。铝合金具有质轻、耐腐蚀、易加工、价格便宜等特点，因而其发展速度非常快，在全世界的产量已成为除钢铁之外的第二大金属材料，其应用领域甚至比钢铁材料还广泛。虽然纯铝本身的熔点并不高，但是铝和其它金属的一些中间化合物熔点非常高，如FeAl、TiAl等，都是现在研究比较热门的潜在的高温结构材料［4～5］。

稀土由于其优异的性能备受人们关注。一方面，稀土与其它金属构成的化合物往往具有许多优异性能，在功能材料领域中，已经出现了具有优良特性的稀土永磁、储氢、高温超导等新型材料；另一方面，稀土对改善材料的性能具有非常明显的效果，因而在现代材料科学研究中经常被当作一种优良的添加剂。研究表明，稀土对提高材料的强度、改善材料抗腐蚀性能以及其它物理性能等方面具有非常明显的作用［6～7］。 因此，本文首先研究Sb对铝基材料的腐蚀行为，进而探讨稀土添加剂对铝基材料锑腐蚀行为的影响，希望能够为寻找一种抗锑腐蚀的合金材料提供理论依据。

1 实验材料与方法

实验所用材料为高纯锑（99．99%wt．%）和高纯铝（99．99%）。稀土材料选用高纯镝（99．99%）。首先将适量金属铝块与锑块装入Al2O3坩埚中，将坩埚置于石英管中密闭抽成真空，在管式电阻炉中对抽成真空的坩埚加热至900℃，保温1h后随炉冷却。取部分合金试样进行XRD物相分析，再将余下的部分合金与适量的Dy在高真空非自耗电弧炉中熔炼，合金试样在600℃保温2 d，用液氮进行淬火处理。将淬火处理后的样品放入研钵中研磨成粒度合适的粉末，采用RigakuD／Max2500型X射线粉末衍射仪（XRD）进行相分析，部分样品用扫描电镜进行表面形貌观察并用附带的能谱仪进行微区成分分析。

2 结果与讨论

2．1 铝和锑的相互作用

文献［8］报道，在Al-Sb二元系中存在中间化合物AlSb，通过对实验得到的合金进行物相分析，表明部分铝块已与所加的金属锑发生反应生成金属间化合物AlSb，XRD图谱如图1。所发生的反应如下：

Al＋Sb＝AlSb

根据文献［9］，AlSb的熔点为（1058±10）℃，而脆硫铅锑矿的真空蒸馏一般在1000℃左右，与Fe相比，Fe与Sb结合主要生成FeSb2和FeSb两个中间化合物，而前者仅在738℃以下稳定存在，后者熔点为1019℃，低于AlSb。

图1 铝锑合金的XRD图谱

2．2 稀土添加剂与铝、锑的相互作用

实验分析表明，在Al-Sb合金中添加稀土Dy之后，部分Sb与Dy发生作用，生成化合物DySb，XRD图谱如图2，反应如下：

Dy＋Sb＝DySb

DySb有αDySb和βDySb两种晶型，前者在1890℃以下稳定存在，后者于1890~2170℃之间稳定存在，熔点为2170℃。SEM分析结果如图3。微区能谱分析表明，灰色相为铝，黑色相为DySb，白色相为锑。

图2 稀土-铝-锑合金的XRD图谱

图3 稀土-铝-锑合金SEM图片

3 结论

在工业上，锑腐蚀真空蒸馏炉基体，本质上是锑与真空蒸馏炉炉体材料发生相互作用而使炉体材料的相关性能受到破坏，本文通过对Al-Sb、少量稀土-Al-Sb的合金化机理研究表明，Sb通过与Al的合金化消耗铝基体，生成熔点相对较高的中间合金，而少量稀土添加剂则与Sb结合生成中间化合物，减缓铝基体的消耗与腐蚀。

［1］Y．Wang，Z．H．Zhang，S．H．Zheng and X．F．Bian，J．Alloys Compd．370（2004），159-163．

［2］ 温才，李方华，邹进，等．AlSb／GaAs（001）失配位错的高分辨率电子显微学研究［J］．物理学报，2010，20（3）：1928-1937．

［3］ 宋慧瑾，贺剑雄，武莉莉，等．AlSb多晶薄膜材料的性能研究［J］．无机材料学报，2009，24（3）：517-520．

［4］ 冯旭东，袁庆龙，曹晶晶，等﹒TiAl基合金研究进展［J］．航天制造技术，2009，（3）：35-38．

［5］ 彭小敏，夏长青，王志辉，等﹒TiAl基合金高温氧化及防护的研究进展［J］．中国有色金属学报，2010，20（6）：1116-1130．

［6］J．T Staley，J．liu，W．T．Jr Hunt，Adv Mater and Proc．152（1997）17．

［7］R．Lundi，J．R．Wilson，Adv Mater and Proc．A31（2000）607．

［8］T．B．Massalski（Ed．），Binary Alloy Phase Diagrams，ASM，Metals Park，OH，1990．

［9］ 戴永年，杨斌，马文会，等．有色金属真空冶金进展［J］．真空，2004，41（3）：5-8．

Effect of Rare Earths on Antimony-Corrosion to Aluminum Alloys

HE Jie-jun1，WU Lu-shu2
（1．Department of Physics and Communication Engineering，Baise University，Baise 533000，China；2．College of Materials Science and Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

Behavior of antimony-corrosion to aluminum alloys and the effect of rare earths on antimonycorrosion to aluminum alloys was researched by X-ray powder diffraction，scanning electron microscopy and energy dispersive spectrometer．

rare earths；X-ray diffraction；antimony-corrosion

TG 17

A

1671-9905（2011）05-0004-02

广西教育厅科研项目（No．200911MS226），广州大学-百色学院合作科学研究项目（GBK2010007）

何杰军（1982-），男，贵州纳雍人，百色学院教师，主要从事合金相图、相结构方面的研究，Email：hejiejungz＠126．com

2011-01-20