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品及其優越性能。本文將通過介紹稀土優化處理技術的歷史背景和原理，論證在當前行業背景下該技術的不必要性，且稀土作為國家戰略資源，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、環境保護、航天、軍事等多個領域發揮著關鍵作用。

早在前蘇聯時期，科學家就曾在實驗室條件下發現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年成功實現了高硅鋁錠應用稀土優化處理生產電工級鋁導體。該技術在我國鋁礦資源含硅量較高、煉鋁工業深脫硅未跟上的行業背景下確實發揮了重要作用。近幾年，隨著國內鋁合金電纜成為業內熱點，眾多廠家宣傳一種名為稀土高鐵的鋁合金電纜，稱經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良。本文就通過稀土優化處理技術的背景、原理以及相關文獻來論證在目前的行業背景下生產電工鋁或者鋁合金導體采用稀土進行優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略資源，應將其使用在更需要的行業。

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，國內煉鋁工業的深脫硅技術和設備還未及時跟上，造成國產鋁錠一般含硅量高，降低了鋁的導電率，從而不利于電工級鋁導體的生產。是時，整個行業的發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和進口鋁錠。采用電工級鋁錠，可生產出滿意的鋁導體，但對于國產高硅鋁錠，需進行合適的工藝處理，降低硅對導電率的有害影響，才可生產出達標的鋁導體，這在當時是整個行業關注的問題。

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了高硅鋁錠使用稀土優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，在當時的行業背景下確實發揮了重要作用，產生了巨大經濟價值。

稀土優化處理的影響和機理

黃崇祺院士作為該技術的發明者，陸續發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化的原理，現總結如下：

1.稀土在鋁中的作用機理

一般而言，任何雜質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，點陣常數便小，通過X光衍射法測定未經稀土處理和經過稀土處理的鋁桿的點陣常數發現，經過稀土處理的鋁桿其點陣常數要高于未經處理的鋁桿，證明了鋁固溶體中硅含量在稀土優化處理后下降，從而提高了電導率。

2.導電率

稀土優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，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，生產過程中的諸多因素，如溫度，冷卻速度和生產速度對強度的影響更大，稀土微小的固溶強化也體現不出來。

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，經稀土化處理的晶粒度明顯比未經處理的細，可改善材料的后續加工工藝性能，如熱軋和冷拉。

稀土優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化，而且這種優化是在一定的硅含量范圍內才有體現。作為該技術的發明者，黃崇祺院士早在1985年發表的論文《稀土優化處理在電工鋁導體生產中的應用》中明確指出，應用稀土優化處理宜配用含硅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鋁及鋁合金時，添加稀土的作用不大。目前，國內普遍已經用鋁純度為99.7%，含硅量在0.04%左右的鋁錠來生產鋁桿。這種情況下，稀土處理工藝已經沒有必要。

另一方面，目前國內所謂的稀土高鐵鋁合金，鐵含量較高。如前所述，稀土的優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化作用。同時宣稱較高的鐵含量以及稀土的優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。

稀土資源的戰略性

稀土金屬是許多高科技和替代能源產品關鍵部件的組成原材料，具有非常高的經濟價值，而比起經濟價值，稀土的戰略價值更具意義。由于稀土在高新技術和國防工業中的不可替代性，被各國視為關系國家安全和發展的最重要戰略資源之一。為此，美國、日本等發達國家，都通過立法，對包括稀土在內的稀有金屬的開采、生產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。

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

結語

稀土優化處理技術本質上是針對高硅非電工級鋁錠的一種優化，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變，且這種優化和鐵含量的大小密切相關，鐵含量越高，其優化作用愈不明顯，宣傳稀土高鐵是矛盾的。在目前低硅鋁錠應用的行業背景下，應用此優化技術已無必要，而且稀土作為國家的戰略資源，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。