稀土在鋼中的應(yīng)用

1 概況

稀土，系指元素周期表中第ⅢB族鑭系元素以及與鑭系元素在化學(xué)性質(zhì)上相近的鈧和釔，共計(jì)17種元素。是芬蘭學(xué)者加多林(Johan Gado1in)在1794年發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)在瑞典的礦石中發(fā)現(xiàn)了礦物組成類似“土”狀物而存在的釔土，且又認(rèn)為稀少，便定名為“稀有的土”。此后，又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了與此同類的多種元素，總稱為稀土。但后來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，稀土在地殼中的豐度要比人們想象的多得多。如鈰比錫多得多，釔也比鉛多，即使豐度較少的稀土元素也比鉑族元素多，說(shuō)明稀土并不稀少。也不是“土”，全部是金屬元素。

我國(guó)稀土資源豐富，為世界上其它任何一個(gè)國(guó)家所不及?，F(xiàn)己探明的工業(yè)儲(chǔ)量為3600萬(wàn)噸，約占世界總量的80％，且品種繁多，分布集中。其中包頭市白云鄂博礦山的儲(chǔ)量就占了我國(guó)儲(chǔ)量的95％以上。所以才有了“世界稀土在中國(guó)，中國(guó)稀土在包頭”之說(shuō)。

2 稀土的用途

稀土元素根據(jù)他們性質(zhì)上差異和分離工藝的要求一般分為輕稀土和重稀土兩組，其中鑭、鈰、鐠、釹、鉅、釤、銪為輕稀土。稀土元素是典型的金屬元素，它們的金屬活潑性僅次于堿金屬和堿土金屬，比其他金屬元素都活潑，可與多種元素化合，且稀土金屬的燃點(diǎn)很低，如鈰165℃，釹270℃，極易與氧起反應(yīng)。所有的稀土金屬能在180℃-200℃的空氣中被氧化成RE203型氧化物，稀土氧化物的熔點(diǎn)都很高，生成自由能負(fù)值很大，說(shuō)明它們都是很穩(wěn)定的化合物。由于稀土元素的特殊性質(zhì)，決定了稀土的用途。鋼鐵工業(yè)中應(yīng)用的主要是稀土硅鐵合金(含輕稀土混合金屬20％-45％)，稀土硅鐵鎂合金(稀土金屬6％-25％，鎂7％-12％)，重稀土硅鐵合金(含釔類混合稀土60％以上)?；旌舷⊥两饘?含輕稀土95％以上)，富鈰或鑭的稀土硅鐵合金(Ce占70％或La占50％以上)。其中煉鋼生產(chǎn)中較常用的有兩種，一是稀土合金，塊狀稀土硅鐵合金，以前用于大包投入，大包壓入，粉狀一般用于大包內(nèi)噴粉、模鑄中注管噴粉等方法加入鋼中；二是混合稀土金屬，制成絲(φmm-φmm)或棒(≥φmm)，絲用于鋼包、中注管或連鑄結(jié)晶器，使用喂絲機(jī)喂入鋼中，棒采用模內(nèi)吊掛的方法熔入鋼中。稀土金屬包芯線作為線性添加材料的新品種，由于喂絲技術(shù)在煉鋼生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，必將得到進(jìn)一步的發(fā)展。

3 稀土在鋼中的作用機(jī)理

3.1 微合金化作用

稀土元素的微合金化作用初步認(rèn)定主要是稀土原子在晶界上偏聚與其它元素交互作用，引起晶界的結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和能量的變化，并影響其它元素的擴(kuò)散和新相的成核與長(zhǎng)大，然后導(dǎo)致鋼組織與性能的變化。鋼中稀土金屬含量因不同鋼種，不同冶煉方法和不同的稀土加入方法而有很大差異。稀土在鋼中的含量與微合金化的直接關(guān)系，還有待研究。

3.2 與其它有害元素的作用

一定量(量的多少還需進(jìn)一步測(cè)算)的稀土可以與鋼中磷、砷、錫、銻、鉍、鉛等低熔點(diǎn)有害元素相作用。一方面，稀土可以與這些雜質(zhì)形成熔點(diǎn)較高的化合物；另一方面，還能抑制這些夾雜在晶界上的偏祈。例如，鋼存在熱脆性，是由于鋼中有一些低熔點(diǎn)的金屬元素，當(dāng)把稀土加入鋼液中，生成高熔點(diǎn)金屬化合物，不熔于鋼中而進(jìn)入爐渣，起到凈化作用，使鋼中雜質(zhì)減少，從而克服了熱脆性。

3.3 稀土元素的脫硫、脫氧

熱力學(xué)分析和大量有關(guān)鋼中稀土夾雜研究表明，鋼中[O]、[S]含量在一定范圍內(nèi)，鋼液中加入稀土?xí)r，極易生成稀土的氧硫化物。當(dāng)鋼中氧含量降至201ppm以下時(shí)、加入鋼液中的稀土首先形成RE203S型夾雜物，而后形成RE3S4或RES型的硫化物，這些硫化物可能包裹在氧硫化物外圍，組成復(fù)合夾雜物或稀土硅酸鹽化合物，它們?nèi)埸c(diǎn)高且非常穩(wěn)定，顯球狀，鋼液經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)逆?zhèn)靜之后，這些稀土氧化物、硫化物或稀土硅酸鹽化合物將從鋼中排除，從而凈化了鋼液。稀土在鋼中的作用90％是通過(guò)對(duì)硫化物形態(tài)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)RE／S為2.7-3.0時(shí)，硫化物形 態(tài)控制效果達(dá)到較佳狀態(tài)。

3.4 捕氫作用

稀土能吸收大量的氫，可以制成儲(chǔ)氫材科，稀土加到鋼中，可以抑制鋼中氫引起的脆性和白點(diǎn)。已有研究表明，稀土有降低氫的擴(kuò)散系數(shù)，延緩氫在裂紋好的塑性區(qū)的富集，從而使裂紋擴(kuò)展的孕育期和斷裂時(shí)間延長(zhǎng) 因此，稀土有抑制鋼的氫脆作用。

3.5 彌散硬化作用

向鋼液中噴吹稀土氧化物(CeO2)粉劑， 可以提高鋼的強(qiáng)度和韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度提高鋼的持久強(qiáng)度。其原因是一方面 Ce02可以作為結(jié)晶核的細(xì)化鑄態(tài)晶粒；另一方面，彌散分布的Ce02質(zhì)點(diǎn)可以提高晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。

3.6 變性?shī)A雜

稀土加入鋼液中生成球狀稀土硫化物或硫氧化物，取代容易形成的長(zhǎng)條狀MnS夾雜，使硫化物形狀得到控制，提高了鋼的熱塑性，特別是橫向沖擊韌性，改善鋼材的各向異性。稀土使棱角狀高硬度的氧化鋁夾雜轉(zhuǎn)為球狀硫氧化物及鋁酸稀土，有利于提高鋼的疲勞性能。

4 稀土對(duì)鋼材性能的影響

目前開(kāi)發(fā)的稀土鋼品種有：稀土鈮重軌，高韌性壓力容器用鋼，45kg級(jí)橋梁板，稀土船板鋼，稀土車軸鋼，大型橋梁用型鋼等。這些鋼由于稀土的存在，在性能與用途方面得到了提高。說(shuō)明稀土對(duì)鋼材性能的影響有很大的魅力。

4.1 稀土對(duì)鋼軌鋼的影響

當(dāng)鋼軌鋼中稀土(Ce、La、Pr、混合稀土) 含量為O.029％以上時(shí)，可產(chǎn)生如下影響：

①稀土可延緩鋼軌鋼接觸疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，推遲鋼軌表面剝離的發(fā)生。
②稀土可明顯減小鋼軌鋼接觸疲勞貫穿角和貫穿深度。
③稀土可縮小鋼軌鋼接觸疲勞表面的塑性變形范圍，改善加工硬化效果。
④稀土具有凈化鋼液，變性?shī)A雜和微合金化作用。 
⑤既能減小應(yīng)力集中區(qū)，又能細(xì)化組織、提高強(qiáng)度，增強(qiáng)鋼軌鋼抗變形能力。 
⑥由于稀土極易氧化，并與氧化合成氧化膜，附著于鋼軌表面，由此產(chǎn)生的“白潤(rùn)滑”作用既能減小摩擦系數(shù)，又能提高表面結(jié)合強(qiáng)度，從而改善了鋼軌的疲勞和磨損，耐磨性比普通軌       增加1倍。

4.2 稀土對(duì)60Cr Mn Mo 的影響

加稀土處理后，使鋼中稀土含量達(dá)到0.05％—0.07％時(shí)，可明顯提高熱軋輥用鋼的熱疲勞壽命和塑性。

4.3 稀土對(duì)16MnRE的影響

顯著改善了鋼的韌、塑性，特別是鋼的橫向韌、塑性，沖壓性能好。此鋼材廣泛用于制作汽車、橋梁、造船、容器以及建筑行業(yè)。

4.4 稀土對(duì)09MnRE的影響

顯著提高汽車及車輛用鋼的塑性。用于中型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)擋板及車廂邊框邊板等。

4.5 稀土對(duì)石油鉆管鋼的影響

稀土元素在鋼中的主要作用是除去鋼水中的雜質(zhì)元素，特別是鋼中加入稀土后可使硫含量從0.025％降到0.01％，并能改變殘留夾雜物，主要是硫化錳的形狀，從而提高鋼的強(qiáng)度，這是因?yàn)闅埩舻南⊥翃A雜物較硬，軋制時(shí)呈現(xiàn)球狀，而不形成易于引起裂紋的細(xì)長(zhǎng)薄片。其次當(dāng)鋼中有氫一類有害氣體存在時(shí)，稀土在鋼中可起到脫氫作用。這些特性對(duì)油井鉆探用鋼是很重要的，添加混合稀土金屬可以提高鉆管鋼的使用壽命。
尚有不少重要方面未及論述，如稀土納米醫(yī)用材料，傳感器材料、磁存貯材料等有待后敘；可是僅從本文介紹的這些例子，可以窺見(jiàn)出稀土納米微粒和技術(shù)在材料、能源、信息、環(huán)保等諸多領(lǐng)域扮演著創(chuàng)新作用，用它可開(kāi)拓出無(wú)數(shù)不曾有過(guò)的新材料；在應(yīng)用中的作用和效果是不可估量的。

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