稀土铝材强度高

铝是继铁之后人类赖以生存的第二大金属，不仅在我们生活中的应用很多，在工业上的应用也非常广泛，除了在上一章中我们谈到的与镁形成合金，广泛用于航空航天作结构材料外，还大量用作电线电缆材料。

俗话说物以稀为贵，这话用在一百多年前的铝身上，是再确切不过的了。那时的铝作为一种稀有的金属，被称为 “银色的金子”，比黄金还要珍贵。

铝是地壳中含量最丰富的金属元素，占整个地壳总质量的7.45%。但铝活性很强，不易被还原，故发现较晚。1808～1810年间英国的戴维和瑞典的贝采里乌斯试图利用电解法从铝钒土中分离出铝，都未成功。1825年丹麦的奥斯特用钾还原氯化铝得到不纯的铝。1827年，德国的维勒重复奥斯特的实验，之后十多年不断改进铝的制法，1836年分离出小粒状铝，1849年终于制得黄豆大的致密的铝。1854年，德国的德维尔用钠替代钾还原氯化铝，制得金属铝锭。当时铝极为珍贵，法皇拿破仑三世除拥有铝制王冠外，还拥有一套在盛大宴会时独自使用的铝质餐具，其他人只能使用金制、银制餐具，这在当时曾轰动一时。英国皇家学会为表彰门捷列夫对化学的杰出贡献，不惜重金制作一只铝杯赠予门捷列夫，足见铝在当时的尊崇地位。1855年巴黎国际博览会上，最珍贵的珠宝旁展出的是一小块铝，标签上书 “来自黏土的白银”。俄罗斯作家车尔尼雪夫斯基曾在小说 《怎么办》中写道：终有一天，铝将代替木材，甚至可能代替石头。看，这一切是多么奢侈，到处都是铝！

1886年，两位大学生，美国的C.M.豪尔和法国的P.埃鲁，在互不知情的情况下，几乎同时申请了同一项专利，内容是通过电解熔融的冰晶石和铝矾土的混合物制取金属铝，这奠定了后来大规模生产铝的基础。

铝是活泼金属，在空气中表面会立即生成厚约5nm的致密氧化膜阻止其继续氧化，这层氧化膜具有一定的抗腐蚀能力和绝缘性。纯铝密度小，仅2.7g/cm3，质地轻软，延展性好但强度不大，不能用来制作需要承受较大载荷的结构零件。铝具有仅次于银和铜的良好导电性，尽管其导电率仅为铜的2/3，但其密度是铜的1/3，等质量和等长度的铝线和铜线相比，铝的导电能力比铜大一倍。

1906年，德国的A.维尔姆在铝中加入少量镁、铜后得到坚韧的铝合金，强度比之前提高两倍，在第一次世界大战期间这种铝合金被大量用于飞机制造和军火工业，对飞机的发展帮助极大，战后德国甚至将铝合金的成分列为国家机密。后来人们根据不同需要，研制出多种铝合金，添加的元素有铜、镁、铬、锌、硅、锰、镍、钴、钛、锶及稀土元素。从20世纪中叶起，铝成为世界上应用最广泛的金属之一，铝合金在航空、航天、汽车、机械、船舶制造及化学工业中得到大量应用，如铝镁合金用于制造飞机机身和火箭箭体，民用飞机上有70%～80%是铝合金，军用飞机有40%～60%是铝合金，一艘大型客轮用铝达数千吨之多。2011年世界原铝产量已达4410万吨。

根据铝合金的加工工艺特性，可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金塑性好，适用于压力加工，又分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝四种。铸造铝合金按加入主要合金元素不同分为铝硅系、铝铜系、铝镁系和铝锌系四种。

稀土铝合金泛指含稀土金属的铝合金，主要指Al-RE系合金。工业Al-RE系合金主要是含4.4%～5%稀土的铸造铝合金。稀土在铝合金中的应用始于20世纪30年代，德国在二战期间曾研制四种稀土铝合金用于制造发动机、内燃机的复杂零件。40年代起，美国、前苏联、英国先后开展稀土在铝及其合金中的作用和应用研究，内容集中在铝硅系铸造合金、铝镁硅 （锌）系变形铝合金、铝合金导线及活塞合金等方面，有多种产品用于飞机、船舶、汽车、柴油机、摩托车和装甲车等方面的活塞、齿轮箱、汽缸和仪器仪表等器部件上。在建筑铝材和民用铝制品上，稀土能提高材料的冲压性能、耐腐蚀性能、机械强度和表面光洁度。稀土铝型材经久耐用、不变形、质感好，稀土铝合金高压锅壁薄耐用、精巧美观。

稀土是冶金工业中的有效添加剂，是有色金属冶炼中的良好净化剂和变质剂，一般只要加入千分之几，就能起到消除有害杂质影响、细化晶粒并产生合金化的作用，提高材料的加工和使用性能。稀土在铝合金中的作用可归结为净化、变质、细化、微合金化和活化等作用。

稀土在铝合金中可作为净化剂。铝及其合金在熔铸过程中，会有一些气体溶入铝液，其中主要是氢，其次是氧和氮。氢主要来源于炉料和原料中的水汽、油污及铝锭表面的“铝锈”。氢是铝铸件中产生针孔的主要原因，会显著降低铝的强度。稀土加入到铝及其合金中均能起除气作用。因为稀土元素具有很高的化学活性、低电位和特殊的电子壳层结构，几乎能与所有元素发生作用，极易与气体 （如氢）、非金属 （如硫）及金属作用生成相应的稳定化合物。当稀土加入量低于0.3%时，稀土除氢效果最明显，针孔率的减小幅度最大。稀土与氧、氮能生成难熔化合物Re2O3和Re N2，微量稀土就能使氧浓度降到10-4%以下。稀土的脱硫能力也很强，生成RES、RE2S3，或与氧和硫同时反应生成RE2 O2S，还能与P、Sn、As等生成化合物，这些稀土化合物的熔点高、比重轻，在冶炼过程中，大部分以渣的形式被除掉，剩下的微小质点成为铝结晶过程的异质晶核，残留在固态金属内的危害性就小了。

稀土元素的原子半径小于常见的金属 （如铅、镁等），在这些金属中的固溶度极低，几乎不能形成固溶体。稀土元素加入到铝合金中可起到微合金化的作用，与许多非金属有较强的亲和力，能生成熔点高的化合物，有一定的除氢、精炼和净化作用，稀土元素可在已形成的晶粒界面上选择性地吸附，阻碍晶粒的生长，导致晶粒细化，具有变质作用。

另外，稀土能明显减少铝合金中夹杂物的量。这些夹杂物主要是Al2O3和杂质元素，其存在会降低铝合金的加工性能和力学性能。在铝合金中加入0.2%稀土后发现，原分布于晶内的粗大块状球状化，并在基体上形成均匀分布的球状相，同时消除了晶界处脆性碎块状及条状化合物，形成细小点链状分布的塑性化合物，并沿变形方向整齐排列。研究发现，加入稀土后，杂质元素向高稀土的球状相偏聚，使最后凝固的晶界处杂质元素大大降低，净化了晶界，使晶界处脆性相减少，晶界强度提高，塑性改善；而晶界处分布的点链状化合物是接近于铝基体的塑性化合物，稀土铝合金晶界上分布极微，晶界细薄、纯净。

变质作用是指在金属及合金中加入少量或微量的变质剂，用以改变合金的结晶条件，使其组织和性能得到改善的过程，变质剂又称晶粒细化剂。稀土原子半径为0.174～0.204nm，大于铝原子半径 （0.143nm），稀土元素比较活泼，熔于铝液中极易填补合金相的表面缺陷，降低新旧两相界面上的表面张力，使晶核生长速度增大，还能在晶粒与合金液之间形成表面活性膜，阻止生成的晶粒长大，使合金的组织细化。作为外来结晶晶核，稀土与铝形成的化合物在金属结晶时，因晶核数的大量增加使得合金的组织细化。稀土在铝硅合金中主要是起变质作用，使针、片状共晶硅变成球粒状，使初晶硅的尺度有所减小。不同稀土的变质能力不同，镧和铕具有强烈的变质作用，混合稀土和铈只有中等程度的变质能力。镧系元素的变质能力与其原子半径有密切关系，随着原子半径由镧的0.187nm逐渐减小到铒的0.175nm，其变质能力逐渐减小。

稀土在铝合金中的强化作用，主要有细晶强化、有限固溶强化和稀土化合物的第二相强化等。稀土在铝合金中有三种存在形式：固溶在基体α（Al）中，偏聚在相界、晶界和枝晶界，固溶在化合物中或以化合物形式存在。第一种形式起到了有限固溶强化的作用，第二种形式增加了变形阻力，促进位错增殖，使强度提高。当稀土含量大于0.3%，稀土与合金中的其他元素开始形成许多含稀土元素的新相，含稀土元素的第二相出现粒子化、球化和细化的特征，这种变化在一定程度上都强化了铝合金。

稀土元素对合金组织的改善以及弥散的稀土化合物强烈的沉淀强化效应，使铝合金的抗拉强度、硬度、韧性、塑性都有所提高，机械性能大为改善。稀土还能在铝合金中形成热硬性高的复杂成分化合物，呈网状分布于晶界或枝晶间，细化了组织，有效地阻碍基体变形和晶界移动，使合金的高温性能得到提高。

含钪铝合金在船舶、航天、火箭导弹、核能等高新尖技术部门的应用前景十分广阔。钪是3d元素，性能与镧系稀土4f元素有明显区别，其晶格常数、密度及某些物理、力学性能更接近铝、钇和钛，是铝理想的合金化元素。钪对铝有很好的弥散强化作用，是铝合金强有力的晶粒细化剂和有效的再结晶抑制剂，是国际材料界极为重视的铝合金添加元素，这方面研究最早、最深入的国家是前苏联和当今的俄罗斯。20世纪60年代末，前苏联就已发现钪能细化铝的晶粒，显著提高合金强度，并研发出多种含钪铝合金，广泛用作米格-26、米格-29战斗机、图-204客机、雅克-36直升机的结构材料，还以挤压异形材的形式用于安东诺夫运输机作机身纵梁。1989年后，俄罗斯、乌克兰生产的金属钪及相关技术流向西方，钪铝合金的优异性能得到美、欧等国的青睐，对它的研发才逐步扩大到全球范围。美、日、德和加拿大等国开展了不少含钪铝合金的研究工作，取得了很多成果，使钪铝合金质量更轻、刚度更高，拓宽了含钪和锆的铝镁合金在航空结构及航天结构的应用范围。1996年美国与乌克兰合作率先开发出用于运动器械的高强度轻质钪铝合金，实现其民用商品化，用于生产球棒、焊丝、自行车等。这种焊丝能大大改善焊接强度，使抗疲劳强度提高3倍，并减少热开裂。用钪铝合金生产的自行车车架重量仅有1kg，实现了自行车产业向高附加值转型。稀土铝钪合金更被认为是新一代航天航空、舰船、兵器用高性能材料，是钛合金的理想替代品。

90年代初期，国际市场氧化钪价格最高时为每千克1.8万美元，金属钪 （99.99%）价格高达每千克7.5万美元。近年价格大幅下跌，国内氧化钪 （99.9%）已降至每千克万元以下，金属钪价格为每千克5～10万元，铝钪合金 （含钪2%）每千克800元人民币。但这个价格依然很高，阻碍了钪的应用开发。我国钪资源丰富，近年来在资源开发与钪提取方面进展很大，钪产能已到几百千克规模，居世界前列。

我国是铝工业生产大国，电解铝年产能超过2500万吨，属于严重过剩。2011年原铝产量1800万吨，占世界总产量的40.8%。我国铝矿资源丰富，储量近30亿吨，占世界总量的12%。相比起来，铜在我国被列入为仅次于石油的战略储备物资，我国铜资源极度贫乏，已探明的铜资源均被深度甚至过度开发，2009年储量约3000万吨，约占世界总储量的5%。而实际用铜量每年约700万吨，造成70%的铜精矿依赖进口。但全世界近75%的矿山产量被矿业巨头控制和垄断，造成铜冶炼成本和铜价急剧上升，2011年铜价达到7万元/吨，铝仅1.5万元/吨。

电线电缆是现代社会的神经和血管。目前全球电线电缆市场规模已超过1000亿欧元。我国电线电缆企业的产值在2011年便超过了美国，年产值超过1万亿元，居全球第一， 2012年达到1.2万亿元，是我国制造业领域仅次于汽车制造的产业。但与欧美相比，我国电线电缆行业却大而不强，存在质量波动较大、出口面临技术壁垒等问题。

面对铜价高企的形势，许多电线电缆企业将目光转向铝材，努力开发新技术、新材料，研发技术含量高、性能优异的铝材料以满足电线电缆产品的特殊需求。这种做法在欧洲得到实践及推行，比如法国、德国、意大利电线电缆生产制造企业，纷纷将目光向铝材转移，以削减生产制造成本。全球范围内也不是近年来才提出使用铝代替铜的想法，早在20世纪50年代，由于当时铜价高速攀升，世界电线电缆行业就曾提出以铝材代替铜材， 1968年美国成功研发铝合金电缆，至今已使用四十多年，在北美国家市场占有率高达80%。70年代出于同样原因，全球范围再次掀起以铝代铜的呼吁。到2005年和2008年呼声更甚，且越来越受到国家和电线电缆行业的重视。国外铝导线广泛用于变电站的变压器、屏内母线、密集型母线、大小截面的干、支电线，其应用比例分别为泰国90%、沙特50%、韩国和日本70%、欧洲60%、美洲50%。

由于普通铝芯电缆的机械性能和抗腐蚀性能较差，铜材导电性、导热性较好，输电时能减少电能损耗。我国铝芯电缆占电缆总量仅3%，铜芯电缆占97%，电线电缆用铜量约占全国用铜量的65%。我国建设需要大量的铜，电缆行业 “以铝代铜”是一场材料革命，节约的铜资源可用在军事工业、国防建设和尖端科学，其战略意义不言而喻。早在60年代，我国也提出以铝代铜，但由于技术落后，矿石纯度不高，导致实施效果很不理想，无果而终。国产铝锭受自然资源的影响，含硅量 （大于0.1%）比国外的含硅量 （小于0.08%）高，硅是影响导电性能的主要有害杂质，我国以往生产的铝导线导电性能常达不到国际电工委员会标准，不能用作电工铝。当时拉美国家的铜资源丰富，价格便宜，结果演变成以铜代铝的尴尬局面，直至今日。

前几年我国尝试在多方面使用铝材，相关统计数据显示，2006年我国电工用铜量为354万吨，铝导体电工用量为107万吨，涉及电工铝线和铝合金线、铜包铝线、铜包钢线、细铝线和铜包铝排，其中铜包铝线使用总量约5万吨，主要用于通信用线缆。

对电线电缆行业来说，出路依然是用铝导体代替铜导体。研究表明，在铝电线电缆中掺入微量稀土，稀土与硅作用形成硅化物析出晶界，消除硅的不利影响，能细化铝合金的铸态组织，减小对传导电子的散射，加上稀土的微合金化作用，使电阻率大幅度下降，大大提高导电性能和延展性能。这类稀土铝合金可大量用于高压传输导线，国内外典型的稀土铝合金往往添加富铈混合稀土，成为替代铜材制造电线电缆的理想材料。在西方工业国家，稀土高铁铝合金电缆替代铜电缆已进行30多年，近年在主要发达国家的市场使用率已超过80%，取得了较好的经济和社会效益。根据美国材料学会公布的数据，稀土高铁铝合金电缆的使用寿命高出铜缆10年以上。但加拿大、美国和法国的3家铝合金电缆国际巨头长期垄断着这方面的市场和技术。

20世纪60年代末，我国就开展稀土在有色金属中的开发应用研究，但直到1985年组织推广稀土在铝电线电缆中的应用后才有了突破性进展，用量逐年增加。1985年为330吨REO，1994年为600吨REO，2003年为1000吨REO，平均年增长率高于13%。稀土金属在有色金属及合金中的添加量一般小于0.5%，产生的效果显著。1989年，我国含稀土的铝及其制品总量为12万吨，占铝产量的16%。但近年来稀土在铝合金中的应用发展速度明显放缓。

我国稀土资源储量丰富，我国稀土初级产品产量和供应量占世界市场90%以上的份额。国内铝矿资源也很丰富，原铝产量更是独占鳌头。研究开发和推广应用稀土铝合金电缆，实现 “以铝代铜”，最大的特点就是利用我国得天独厚的资源优势和产业优势，近年我国稀土铝合金的产量已近全国铝产量的1/4。目前我国的稀土铝导线主要有高强度稀土铝合金电缆，成分为Al-Mg-Si-RE，用于高压输电线路；高导电铝电线，成分为Al-RE；还有在较高温度下使用的高导电稀土铝导线，其成分为Al-Zr-RE。用普通铝制造的铝导线，生产过程中常出现断线，而采用高强度、高导电性的稀土铝合金拉制的铝导线，在生产和使用中断线率明显下降。

我国稀土高铁铝合金电缆替代铜电缆还处于起步阶段。近来我国研制成功的稀土高铁铝合金电力电缆打破了这一格局。产品拥有80多项专利技术，柔韧性比铜电缆提高了30%，延伸性比铜电缆提高了50%，抗蠕变性比铜电缆小40%，分别通过了美国、加拿大、澳大利亚等国家的权威认证。这种产品通过加入我国特有的稀土及铜、铁、硅等元素，经特殊工艺处理后的新型合金电缆，其导电率是铜的62%，合金导体截面增大1.28～1.5倍，使电缆的载流量与电压降等电气性能与铜缆相当，导电性能略高于国际电工委员会标准。其中的稀土还能细化晶粒强化基体，优化合金导体内部的物质结构，提高了电线电缆的机械强度和加工性能，抗腐蚀性能提高1倍以上，耐磨性能提高了10倍，使产品达到了国际先进水平，一举改变我国铝电线电缆行业的落后面貌，成为国家级电网的规定产品。这种电缆采用硅烷交联聚乙烯绝缘材料、独特的自锁型铠装结构设计，当电缆外火温度达到近千度时，可实现不延燃、不滴落，低烟无卤，大大降低了火灾风险和人身安全隐患，这些高科技专利材料的应用降低了火灾风险。据统计，我国每年发生的火灾15%以上是由电缆短路引发的。此外，这种电缆的反弹性比铜缆的反弹性少40%，更易弯折，具备无记忆效应等，比铜导体更适于安装使用，能有效减少安装成本，降低事故风险。运行温度为-40℃～90℃，适用于寒冷地区，且防燃烧、耐高温，长期工作温度高达90℃，环保、抗晒、抗老化，寿命可达40年。推广稀土高铁铝合金电力电缆，有助于实现我国电缆产业结构优化和全面升级，目前我国年产能力已超过40万吨，形成了一个强大的稀土铝导线输电网，每年可为国家节电40亿度，创造了可观的经济效益。以2009年国家电网公布的到2020年城网改造投资总额几万亿元为例，其中电缆如果采用稀土高铁铝合金电缆可为国家电网节省的资金应以千亿元来计算。

据报道，在广东省沿海地区遭受的一次强台风袭击中，许多电线电缆遭到严重破坏，但采用稀土铝合金制造的电缆线安然无恙。高导电高强度稀土铝电缆已用于50万伏超高压输电线，还成功地用在长江大跨度输电线路上。由于提高了强度，用于一万伏输电线路，一般不用钢芯加强，节省了大量镀锌钢丝。用稀土铝合金拉制的各种电线电缆，电能损耗小，经久耐用，已经成为国家级电网的规范性产品。

随着 “西电东送”“北电南送”、节能降耗等重大的能源发展战略的推动，我国的电力发展开始迈向高速发展时期。按照 “十二五”规划，截止2015年，全国需电量5.5万亿千瓦时，基本实现电力供需平衡。专家预测，随着铝合金的导电性能逐步被用户认可，价格又比铜电缆低30%～40%，在输电线架设和电力电缆敷设中，铝合金导线用量的比例将显著增加，国内铝合金线缆生产将迎来巨大的发展新机遇。