稀土元素對(duì)鋼性能的影響

前 言

稀土是許多高新產(chǎn)業(yè)重要的原料，也是冶金工業(yè)上重要的添加劑。它既是提高鋼質(zhì)有效手段，又是發(fā)展鋼材新品種的措施之一。我國(guó)稀土儲(chǔ)量豐富，是重要的戰(zhàn)略資源。利用這一優(yōu)勢(shì)，將稀土的利用進(jìn)行更加深入的研究，利用稀土的特性，合成更加優(yōu)質(zhì)的鋼種，具有廣泛的戰(zhàn)略意義。

1 稀土元素簡(jiǎn)介

稀土是18世紀(jì)遺留下來(lái)的名稱，意為“稀少的土”。實(shí)際稀土元素在地殼中的含量并不稀少，這組元素更不是土，而是一組典型的金屬元素，其活潑性僅次于堿金屬和堿土金屬，可與多種元素化合，稀土金屬的燃點(diǎn)很低，如鈰165℃，釹270℃，極易與氧發(fā)生反應(yīng)。據(jù)國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)對(duì)稀土元素的定義:稀土類元素是門(mén)捷列夫元素周期表第三副族中原子序數(shù)從57至71的15個(gè)鑭系元素，包括鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥，以及與它們電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)都相近的鈧和釔，共計(jì)17種元素。

2 稀土鋼的簡(jiǎn)介

將稀土作為合金加入到鋼中，得到的鋼即為稀土鋼。對(duì)于稀土鋼中稀土的含量有嚴(yán)格的要求，需要控制在一定的范圍內(nèi)。稀土的含量是依據(jù)所需鋼的組織和性能的實(shí)際要求而確定的。若稀土的含量低于理論要求量，則無(wú)法達(dá)到應(yīng)有的效果;若添加稀土過(guò)多，則可能損害鋼的性能[1]。鋼加入稀土后，一般能使無(wú)縫鋼管、鋼板的橫向沖擊韌性提高半成以上，耐腐蝕性能提高60%，其他性能也有相應(yīng)提升。當(dāng)前開(kāi)發(fā)稀土鋼的品種有:韌性壓力容器用鋼、稀土鈮重軌、稀土船板鋼、稀土車軸鋼等。

3 稀土鋼的現(xiàn)狀

從上世紀(jì)50年代開(kāi)始研究稀土，在之前，稀土工業(yè)并沒(méi)有受到重視。從50年代開(kāi)始，稀土研究均列入各國(guó)的研究計(jì)劃，50年代初美國(guó)Carpenter公司便以稀土處理高合金不銹鋼[2]。到60年代，稀土已經(jīng)成為鋼中重要的合金添加劑，它對(duì)于控制低合金高強(qiáng)度鋼材硫化物，改善鋼材的冷成型性能，同時(shí)降低鋼種的硫、氧含量都有重要的意義。隨后，歐美及日本等鋼鐵強(qiáng)國(guó)研究出稀土能夠改善管線鋼的橫向性能，從而能夠在使天然氣、石油等的運(yùn)輸管道能夠在寒冷地帶良好使用，利用此技術(shù)使大量大口徑管線鋼生產(chǎn)。90年代，科技的進(jìn)步使得稀土的研究進(jìn)入了更加全面深入的階段，稀土鎳氫電池工業(yè)化生產(chǎn)使混合稀土生產(chǎn)再一次受到關(guān)注。在美國(guó)，其制造稀土合金汽車尾氣凈化催化器所消耗的稀土量就達(dá)到每年12000噸。

冶金企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，尤其是鐵水預(yù)處理和精煉技術(shù)的進(jìn)步，一些鋼鐵強(qiáng)國(guó)已經(jīng)能通過(guò)鈣處理控制鋼中硫化物夾雜的形態(tài)，從而將低合金鋼中的硫含量控制在10～50ppm，應(yīng)用效果理想，鈣也逐漸取代稀土成為鋼的變質(zhì)劑，對(duì)鋼進(jìn)行處理。但是，瑞典、日本、法國(guó)等過(guò)仍將稀土作為不可取代的合金劑，在電熱合金鋼、特種不銹鋼中加入稀土對(duì)鋼材的性能有重要的意義[3]。

4 稀土在鋼中的作用

4.1 微合金化作用

稀土在鋼中有一定的固溶量，它在晶界的偏聚能抑制磷硫及低熔點(diǎn)雜質(zhì)鉛、錫、砷、銻、鉍在晶界的偏析或與這些雜質(zhì)形成熔點(diǎn)較高的化合物，消除低熔點(diǎn)雜質(zhì)的有害作用;稀土凈化和強(qiáng)化晶界，阻礙晶間裂紋的形成和擴(kuò)展，有利于改善塑性尤其是高溫塑性;稀土能抑制動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、細(xì)化晶粒和沉淀相尺寸并促進(jìn)鐵素體中 Nb(C、N)，(Nb、Ti)(C、N)和 V(C、N)的析出;溶解的稀土可改變滲碳體的組成和結(jié)構(gòu)并使碳化物球化、細(xì)化和均勻分布。

4.2 凈化雜質(zhì)作用

凈化雜質(zhì)作用表現(xiàn)在稀土可與鋼中 P、As、Sn、Sb、Bi、Pb等低熔點(diǎn)有害元素相作用，作用后減少并細(xì)化鋼中夾雜物。

4.3 脫硫、脫氧的作用

稀土金屬及其合金在煉鋼中起脫氧脫硫作用，能使兩者的含量降低到0.001%以下，并改變夾雜物的形態(tài)，細(xì)化晶粒，從而改善鋼的加工性能，提高強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性和抗氧化性等。

4.4 捕氫的作用

稀土與過(guò)渡元素的金屬間化合物MMNi5(MM為混合稀土金屬)和LaNi5是優(yōu)良的吸氫材料，被稱為氫海綿。稀土也有降低氫的擴(kuò)散系數(shù)，延緩氫在裂紋尖端塑性區(qū)的富集，從而延長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展的孕育期和斷裂時(shí)間。所以稀土有抑制鋼的氫脆作用。

4.5 彌散硬化作用

向鋼液中噴吹稀土氧化物(CeO2)粉劑，可以使鋼的強(qiáng)度和韌性有所提升，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，提高鋼的持久強(qiáng)度。其原因是一、CeO2可以作為結(jié)晶核的細(xì)化鑄態(tài)晶粒;二、彌散分布的CeO2質(zhì)點(diǎn)可使晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力得到提升。

4.6 變性?shī)A雜作用

稀土加入鋼中生成球狀稀土硫化物或硫氧化物，取代長(zhǎng)條狀硫化錳夾雜，使硫化物形態(tài)得到完全控制，提高鋼的韌塑性特別是橫向沖擊韌性，改善鋼材的各向異性。稀土使高硬度的氧化鋁夾雜轉(zhuǎn)變成球狀硫氧化物及鋁酸稀土，顯著地提高鋼的抗疲勞性能。

5 稀土對(duì)鋼材性能的影響

一種稀土耐蝕低合金鋼，提高耐蝕率近10倍，用它制造的耐候貨車使用壽命提高一倍，返廠大修周期由6年延至10年;稀土鑄鐵材料，具有較高的抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度。在某些機(jī)械性能方面已分別接近或達(dá)到甚至超過(guò)鋼的性能，起到“以鑄代鍛”的作用。與鍛鋼和可鍛鑄鐵相比，具有工藝簡(jiǎn)單、節(jié)約鋼材和降低成本等突出效果。

6 稀土鋼的發(fā)展前景

稀土在提高多方面性能有顯著作用，正符合了現(xiàn)代發(fā)展對(duì)鋼材高強(qiáng)度、高韌性及耐腐蝕性能優(yōu)良的要求，因此，稀土鋼有著非常好的發(fā)展前景。

現(xiàn)階段，稀土主要應(yīng)用在以下的鋼材中:(1)油井管。稀土添加使得管線鋼在較差條件下能夠長(zhǎng)久有效的使用。現(xiàn)階段石油已經(jīng)從能源角度提高到國(guó)家戰(zhàn)略資源的高度。“國(guó)家石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備”計(jì)劃開(kāi)始啟動(dòng)并穩(wěn)步實(shí)施，使得石油從能源提升至國(guó)家戰(zhàn)略的高度，在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，稀土鋼油井管具有廣闊的應(yīng)用前景。(2)耐候鋼(也稱“耐大氣腐蝕鋼”)。與普碳鋼相比，耐候鋼在大氣中具有更優(yōu)良的抗蝕性能。與不銹鋼相比，耐候鋼只有微量的合金元素耐候鋼一般采用精料入爐-冶煉(轉(zhuǎn)爐、電爐-微合金化處理-吹氬-LF精煉-低過(guò)熱度連鑄(喂入稀土絲)-控軋控冷等工藝路線。在冶煉時(shí)，廢鋼隨爐料一起加入爐內(nèi)，按常規(guī)工藝冶煉，出鋼后加入脫氧劑及合金，鋼水經(jīng)吹氬處理后，隨即進(jìn)行澆鑄，吹氬調(diào)溫后的鋼水經(jīng)連鑄機(jī)鑄成板坯。由于鋼中加入稀土元素，耐候鋼得到凈化，夾雜物含量大為減少。(3)重軌鋼。鐵路建設(shè)象征著國(guó)家的發(fā)達(dá)程度。近年來(lái)，隨著我國(guó)的發(fā)展及科技的進(jìn)步，重軌鋼的需求量逐漸增大，其中以包鋼、武鋼、鞍鋼為代表的大型鋼鐵廠為主要的重軌鋼生產(chǎn)企業(yè)。(4)焊接氣瓶用鋼。在焊接氣瓶用鋼的生產(chǎn)過(guò)程可發(fā)現(xiàn)，添加稀土有利于鋼種性能的提高，且現(xiàn)階段氣瓶用鋼發(fā)展勢(shì)頭良好，“西氣東輸”工程的啟動(dòng)更是促進(jìn)了氣瓶鋼的發(fā)展。(5)船板鋼。造船對(duì)鋼板要求較為嚴(yán)格，隨著稀土的加入，使鋼的耐腐蝕性能和韌性有所提高，稀土船板鋼能夠應(yīng)用與艦船中，也可能廣泛應(yīng)用在民用船板中。另外，海上才有平臺(tái)、隧道等要求腐蝕性較高的鋼材，添加稀土后也會(huì)取得良好的性能，應(yīng)用前景廣闊。

7 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)的鋼產(chǎn)量居于世界首位，但主要以粗鋼為主，鋼材質(zhì)量同國(guó)外先進(jìn)水平還有很大的差距，許多優(yōu)質(zhì)特殊鋼需要進(jìn)口。利用我國(guó)稀土儲(chǔ)量豐富這一優(yōu)勢(shì)，將稀土元素添加到鋼中，提高鋼種的質(zhì)量，提升我國(guó)鋼鐵行業(yè)的實(shí)力，更具重大意義。

[1]黃夢(mèng)真，王曉梅.稀土在鋼中的應(yīng)用[J].科技信息，2009，(21):51.

[2]Post，C.B.etal.E.F.S.P.(9):1951，115-133.

[3]夏國(guó)金.稀土在鋼鐵中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展建議[J].稀土信息，2008，(3):9-10.