稀土元素對鋼性能的影響

前 言

稀土是許多高新產業重要的原料，也是冶金工業上重要的添加劑。它既是提高鋼質有效手段，又是發展鋼材新品種的措施之一。我國稀土儲量豐富，是重要的戰略資源。利用這一優勢，將稀土的利用進行更加深入的研究，利用稀土的特性，合成更加優質的鋼種，具有廣泛的戰略意義。

1 稀土元素簡介

稀土是18世紀遺留下來的名稱，意為“稀少的土”。實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，稀土金屬的燃點很低，如鈰165℃，釹270℃，極易與氧發生反應。據國際純粹與應用化學聯合會對稀土元素的定義:稀土類元素是門捷列夫元素周期表第三副族中原子序數從57至71的15個鑭系元素，包括鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥，以及與它們電子結構和化學性質都相近的鈧和釔，共計17種元素。

2 稀土鋼的簡介

將稀土作為合金加入到鋼中，得到的鋼即為稀土鋼。對于稀土鋼中稀土的含量有嚴格的要求，需要控制在一定的范圍內。稀土的含量是依據所需鋼的組織和性能的實際要求而確定的。若稀土的含量低于理論要求量，則無法達到應有的效果;若添加稀土過多，則可能損害鋼的性能[1]。鋼加入稀土后，一般能使無縫鋼管、鋼板的橫向沖擊韌性提高半成以上，耐腐蝕性能提高60%，其他性能也有相應提升。當前開發稀土鋼的品種有: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 稀土鋼的現狀

從上世紀50年代開始研究稀土，在之前，稀土工業并沒有受到重視。從50年代開始，稀土研究均列入各國的研究計劃，50年代初美國Carpenter公司便以稀土處理高合金不銹鋼[2]。到60年代，稀土已經成為鋼中重要的合金添加劑，它對于控制低合金高強度鋼材硫化物，改善鋼材的冷成型性能，同時降低鋼種的硫、氧含量都有重要的意義。隨后，歐美及日本等鋼鐵強國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、石油等的運輸管道能夠在寒冷地帶良好使用，利用此技術使大量大口徑管線鋼生產。90年代，科技的進步使得稀土的研究進入了更加全面深入的階段，稀土鎳氫電池工業化生產使混合稀土生產再一次受到關注。在美國，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到每年12000噸。

冶金企業生產技術的發展，尤其是鐵水預處理和精煉技術的進步，一些鋼鐵強國已經能通過鈣處理控制鋼中硫化物夾雜的形態，從而將低合金鋼中的硫含量控制在10～50ppm，應用效果理想，鈣也逐漸取代稀土成為鋼的變質劑，對鋼進行處理。但是，瑞典、日本、法國等過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雜質鉛、錫、砷、銻、鉍在晶界的偏析或與這些雜質形成熔點較高的化合物，消除低熔點雜質的有害作用;稀土凈化和強化晶界，阻礙晶間裂紋的形成和擴展，有利于改善塑性尤其是高溫塑性;稀土能抑制動態再結晶、細化晶粒和沉淀相尺寸并促進鐵素體中 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構并使碳化物球化、細化和均勻分布。

4.2 凈化雜質作用

凈化雜質作用表現在稀土可與鋼中 P、As、Sn、Sb、Bi、Pb等低熔點有害元素相作用，作用后減少并細化鋼中夾雜物。

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，細化晶粒，從而改善鋼的加工性能，提高強度、韌性、耐腐蝕性和抗氧化性等。

4.4 捕氫的作用

稀土與過渡元素的金屬間化合物MMNi5(MM為混合稀土金屬)和LaNi5是優良的吸氫材料，被稱為氫海綿。稀土也有降低氫的擴散系數，延緩氫在裂紋尖端塑性區的富集，從而延長裂紋擴展的孕育期和斷裂時間。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，可以使鋼的強度和韌性有所提升，降低脆性轉變溫度，提高鋼的持久強度。其原因是一、CeO2可以作為結晶核的細化鑄態晶粒;二、彌散分布的CeO2質點可使晶界對位錯運動的阻力得到提升。

4.6 變性夾雜作用

稀土加入鋼中生成球狀稀土硫化物或硫氧化物，取代長條狀硫化錳夾雜，使硫化物形態得到完全控制，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，具有較高的抗拉強度、沖擊韌性和疲勞強度。在某些機械性能方面已分別接近或達到甚至超過鋼的性能，起到“以鑄代鍛”的作用。與鍛鋼和可鍛鑄鐵相比，具有工藝簡單、節約鋼材和降低成本等突出效果。

6 稀土鋼的發展前景

稀土在提高多方面性能有顯著作用，正符合了現代發展對鋼材高強度、高韌性及耐腐蝕性能優良的要求，因此，稀土鋼有著非常好的發展前景。

現階段，稀土主要應用在以下的鋼材中:(1)油井管。稀土添加使得管線鋼在較差條件下能夠長久有效的使用。現階段石油已經從能源角度提高到國家戰略資源的高度。“國家石油戰略儲備”計劃開始啟動并穩步實施，使得石油從能源提升至國家戰略的高度，在可以預見的未來，稀土鋼油井管具有廣闊的應用前景。(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(轉爐、電爐-微合金化處理-吹氬-LF精煉-低過熱度連鑄(喂入稀土絲)-控軋控冷等工藝路線。在冶煉時，廢鋼隨爐料一起加入爐內，按常規工藝冶煉，出鋼后加入脫氧劑及合金，鋼水經吹氬處理后，隨即進行澆鑄，吹氬調溫后的鋼水經連鑄機鑄成板坯。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。鐵路建設象征著國家的發達程度。近年來，隨著我國的發展及科技的進步，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企業。(4)焊接氣瓶用鋼。在焊接氣瓶用鋼的生產過程可發現，添加稀土有利于鋼種性能的提高，且現階段氣瓶用鋼發展勢頭良好，“西氣東輸”工程的啟動更是促進了氣瓶鋼的發展。(5)船板鋼。造船對鋼板要求較為嚴格，隨著稀土的加入，使鋼的耐腐蝕性能和韌性有所提高，稀土船板鋼能夠應用與艦船中，也可能廣泛應用在民用船板中。另外，海上才有平臺、隧道等要求腐蝕性較高的鋼材，添加稀土后也會取得良好的性能，應用前景廣闊。

7 結束語

我國的鋼產量居于世界首位，但主要以粗鋼為主，鋼材質量同國外先進水平還有很大的差距，許多優質特殊鋼需要進口。利用我國稀土儲量豐富這一優勢，將稀土元素添加到鋼中，提高鋼種的質量，提升我國鋼鐵行業的實力，更具重大意義。

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

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

[3]夏國金.稀土在鋼鐵中的應用現狀和發展建議[J].稀土信息，2008，(3):9-10.