稀土高铁铝合金的一些事实

张志新|文

近几年随着铝合金电缆成为热点，众多厂商也着力宣传一种名为稀土高铁铝合金的电缆产品及其优越性能。本文将通过介绍稀土优化处理技术的历史背景和原理，论证在当前行业背景下该技术的不必要性，且稀土作为国家战略资源，应将其应用到尽可能需要的地方。

稀土就是化学周期元素表中镧系元素——镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷 (Pm)、钐 (Sm)、铕 (Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素——钪(Sc)和钇(Y)共17种元素，称为稀土元素(Rare Earth)，简称稀土。这是一组具有点石成金魅力的元素，它们丰富的磁、光、电特性使其在电子、石油化工、环境保护、航天、军事等多个领域发挥着关键作用。

早在前苏联时期，科学家就曾在实验室条件下发现在高纯铝中加入纯稀土铈能提高率的导电率。上海电缆研究所早在上世纪60年代就开始相关研究工作，并在1985年成功实现了高硅铝锭应用稀土优化处理生产电工级铝导体。该技术在我国铝矿资源含硅量较高、炼铝工业深脱硅未跟上的行业背景下确实发挥了重要作用。近几年，随着国内铝合金电缆成为业内热点，众多厂家宣传一种名为稀土高铁的铝合金电缆，称经过稀土处理的铝合金导体在诸多性能如导电性、柔韧性、抗蠕变性相对纯铝有大幅度提高，甚至宣称有些性能比铜导体还要优良。本文就通过稀土优化处理技术的背景、原理以及相关文献来论证在目前的行业背景下生产电工铝或者铝合金导体采用稀土进行优化处理因没有明显作用而是不必要的，且稀土作为国家的战略资源，应将其使用在更需要的行业。

稀土处理技术的背景

铝锭的成分对导体的性能，特别是导电率具有决定性的作用。我国铝矿含硅量较高，上世纪七八十年代，国内炼铝工业的深脱硅技术和设备还未及时跟上，造成国产铝锭一般含硅量高，降低了铝的导电率，从而不利于电工级铝导体的生产。是时，整个行业的发展状况导致原料铝供不应求，品位又相差较大，电线电缆厂进料铝锭品位较杂，有电工级和非电工级的国产和进口铝锭。采用电工级铝锭，可生产出满意的铝导体，但对于国产高硅铝锭，需进行合适的工艺处理，降低硅对导电率的有害影响，才可生产出达标的铝导体，这在当时是整个行业关注的问题。

上海电缆研究所早在上世纪60年代就开始用稀土作为新材料添加剂的研究工作，通过实验积极摸索我国丰富的稀土资源是否能够解决国产高硅铝锭引起导电率低的问题，并在1985年首先在电缆厂铝连铸连轧线上成功实现了高硅铝锭使用稀土优化处理达到电工级铝导体。该技术在1991年获得了国家科技进步二等奖，其创新性和应用价值是跟当时高硅铝锭的国情相辅相成的，在当时的行业背景下确实发挥了重要作用，产生了巨大经济价值。

稀土优化处理的影响和机理

黄崇祺院士作为该技术的发明者，陆续发表了多篇论文详细阐述了该技术对铝杆工艺、性能方面的影响以及其优化的原理，现总结如下：

1.稀土在铝中的作用机理

一般而言，任何杂质元素进入铝中都会降低铝的电导率。但由于铝基体中存在硅，而稀土的加入与硅形成了CeSi2或Ce5Si3等化合物，有效地降低了铝固溶体中的硅含量，从而减小了硅的有害影响。由于硅的原子半径小，铝固溶体中硅含量高，点阵常数便小，通过X光衍射法测定未经稀土处理和经过稀土处理的铝杆的点阵常数发现，经过稀土处理的铝杆其点阵常数要高于未经处理的铝杆，证明了铝固溶体中硅含量在稀土优化处理后下降，从而提高了电导率。

2.导电率

稀土优化处理可提高铝导体的导电率。稀土的加入降低了硅的有害作用，且此种作用在含铁比较低时比含铁高时更为明显。导电率的增加来源于稀土与硅的结合形成了新相，减少了游离硅的出现，从而减少晶格畸变，提高导电率。铁含量的提高对于导电率的弱化的一种解释是，当铁含量高时，针状FeAl3相的有害作用增加，因此导电率受到影响。

3.强度

其他元素的加入对基体产生的强化最典型的方式就是固溶强化。但是，通过测试，不同稀土加入量铝杆的机械性能表明，稀土化处理对强度并无明显影响，关键在于稀土元素在铝导体的固溶度很小(不大于0.05%)，因而无明显的强化作用。另外，生产过程中的诸多因素，如温度，冷却速度和生产速度对强度的影响更大，稀土微小的固溶强化也体现不出来。

4.工艺性能

由于添加稀土含量不高，对熔点没有明显的影响，因而浇铸温度无明显变化。但相同工艺下，经稀土化处理的晶粒度明显比未经处理的细，可改善材料的后续加工工艺性能，如热轧和冷拉。

稀土优化处理技术的适用性分析

以上总结可知，该技术主要是针对含硅量较高的铝锭对其导电率的优化，而且这种优化是在一定的硅含量范围内才有体现。作为该技术的发明者，黄崇祺院士早在1985年发表的论文《稀土优化处理在电工铝导体生产中的应用》中明确指出，应用稀土优化处理宜配用含硅0.09%～0.13%的铝为佳。对于低硅铝锭，只要含硅量不大于0.08%，保证良好的加工工艺的前提下，则没有必要进行稀土处理。上海电缆研究所在《电缆用铝合金导体及其性能研究》中通过相关实验明确指出，并不是添加了稀土的铝合金其性能就会得到改善，要视具体情况（硅含量）而定，在用铝纯度为99.7%，含硅量在0.04%左右的铝锭连铸连轧生产铝及铝合金时，添加稀土的作用不大。目前，国内普遍已经用铝纯度为99.7%，含硅量在0.04%左右的铝锭来生产铝杆。这种情况下，稀土处理工艺已经没有必要。

另一方面，目前国内所谓的稀土高铁铝合金，铁含量较高。如前所述，稀土的优化作用还与铝中其他的元素有关，尤其是铁。这种作用在含铁比较低时比在含铁高时更为明显，高的含铁量会削弱了稀土的优化作用。同时宣称较高的铁含量以及稀土的优化处理对铝或铝合金杆整体机电性能的提升，在机理上是矛盾的。

稀土资源的战略性

稀土金属是许多高科技和替代能源产品关键部件的组成原材料，具有非常高的经济价值，而比起经济价值，稀土的战略价值更具意义。由于稀土在高新技术和国防工业中的不可替代性，被各国视为关系国家安全和发展的最重要战略资源之一。为此，美国、日本等发达国家，都通过立法，对包括稀土在内的稀有金属的开采、生产和出口进行严格控制。邓小平同志生前曾自豪地说“中东有石油，中国有稀土”，由此可见稀土的重要价值。

稀土优化处理针对低硅铝锭已被证明无明显优化作用，盲目的推广和使用将是对我国战略资源的一种浪费，稀土应当在更多的高科技领域有序扮演工业维生素的角色。

结语

稀土优化处理技术本质上是针对高硅非电工级铝锭的一种优化，减小硅对导电率的有害作用，并不能给铝或者铝合金带来一种性能上的质变，且这种优化和铁含量的大小密切相关，铁含量越高，其优化作用愈不明显，宣传稀土高铁是矛盾的。在目前低硅铝锭应用的行业背景下，应用此优化技术已无必要，而且稀土作为国家的战略资源，更应将其应用到尽可能需要的地方去，而不是作为宣传噱头盲目使用和浪费。