稀土元素对钢性能的影响

前 言

稀土是许多高新产业重要的原料，也是冶金工业上重要的添加剂。它既是提高钢质有效手段，又是发展钢材新品种的措施之一。我国稀土储量丰富，是重要的战略资源。利用这一优势，将稀土的利用进行更加深入的研究，利用稀土的特性，合成更加优质的钢种，具有广泛的战略意义。

1 稀土元素简介

稀土是18世纪遗留下来的名称，意为“稀少的土”。实际稀土元素在地壳中的含量并不稀少，这组元素更不是土，而是一组典型的金属元素，其活泼性仅次于碱金属和碱土金属，可与多种元素化合，稀土金属的燃点很低，如铈165℃，钕270℃，极易与氧发生反应。据国际纯粹与应用化学联合会对稀土元素的定义:稀土类元素是门捷列夫元素周期表第三副族中原子序数从57至71的15个镧系元素，包括镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥，以及与它们电子结构和化学性质都相近的钪和钇，共计17种元素。

2 稀土钢的简介

将稀土作为合金加入到钢中，得到的钢即为稀土钢。对于稀土钢中稀土的含量有严格的要求，需要控制在一定的范围内。稀土的含量是依据所需钢的组织和性能的实际要求而确定的。若稀土的含量低于理论要求量，则无法达到应有的效果;若添加稀土过多，则可能损害钢的性能[1]。钢加入稀土后，一般能使无缝钢管、钢板的横向冲击韧性提高半成以上，耐腐蚀性能提高60%，其他性能也有相应提升。当前开发稀土钢的品种有:韧性压力容器用钢、稀土铌重轨、稀土船板钢、稀土车轴钢等。

3 稀土钢的现状

从上世纪50年代开始研究稀土，在之前，稀土工业并没有受到重视。从50年代开始，稀土研究均列入各国的研究计划，50年代初美国Carpenter公司便以稀土处理高合金不锈钢[2]。到60年代，稀土已经成为钢中重要的合金添加剂，它对于控制低合金高强度钢材硫化物，改善钢材的冷成型性能，同时降低钢种的硫、氧含量都有重要的意义。随后，欧美及日本等钢铁强国研究出稀土能够改善管线钢的横向性能，从而能够在使天然气、石油等的运输管道能够在寒冷地带良好使用，利用此技术使大量大口径管线钢生产。90年代，科技的进步使得稀土的研究进入了更加全面深入的阶段，稀土镍氢电池工业化生产使混合稀土生产再一次受到关注。在美国，其制造稀土合金汽车尾气净化催化器所消耗的稀土量就达到每年12000吨。

冶金企业生产技术的发展，尤其是铁水预处理和精炼技术的进步，一些钢铁强国已经能通过钙处理控制钢中硫化物夹杂的形态，从而将低合金钢中的硫含量控制在10～50ppm，应用效果理想，钙也逐渐取代稀土成为钢的变质剂，对钢进行处理。但是，瑞典、日本、法国等过仍将稀土作为不可取代的合金剂，在电热合金钢、特种不锈钢中加入稀土对钢材的性能有重要的意义[3]。

4 稀土在钢中的作用

4.1 微合金化作用

稀土在钢中有一定的固溶量，它在晶界的偏聚能抑制磷硫及低熔点杂质铅、锡、砷、锑、铋在晶界的偏析或与这些杂质形成熔点较高的化合物，消除低熔点杂质的有害作用;稀土净化和强化晶界，阻碍晶间裂纹的形成和扩展，有利于改善塑性尤其是高温塑性;稀土能抑制动态再结晶、细化晶粒和沉淀相尺寸并促进铁素体中 Nb(C、N)，(Nb、Ti)(C、N)和 V(C、N)的析出;溶解的稀土可改变渗碳体的组成和结构并使碳化物球化、细化和均匀分布。

4.2 净化杂质作用

净化杂质作用表现在稀土可与钢中 P、As、Sn、Sb、Bi、Pb等低熔点有害元素相作用，作用后减少并细化钢中夹杂物。

4.3 脱硫、脱氧的作用

稀土金属及其合金在炼钢中起脱氧脱硫作用，能使两者的含量降低到0.001%以下，并改变夹杂物的形态，细化晶粒，从而改善钢的加工性能，提高强度、韧性、耐腐蚀性和抗氧化性等。

4.4 捕氢的作用

稀土与过渡元素的金属间化合物MMNi5(MM为混合稀土金属)和LaNi5是优良的吸氢材料，被称为氢海绵。稀土也有降低氢的扩散系数，延缓氢在裂纹尖端塑性区的富集，从而延长裂纹扩展的孕育期和断裂时间。所以稀土有抑制钢的氢脆作用。

4.5 弥散硬化作用

向钢液中喷吹稀土氧化物(CeO2)粉剂，可以使钢的强度和韧性有所提升，降低脆性转变温度，提高钢的持久强度。其原因是一、CeO2可以作为结晶核的细化铸态晶粒;二、弥散分布的CeO2质点可使晶界对位错运动的阻力得到提升。

4.6 变性夹杂作用

稀土加入钢中生成球状稀土硫化物或硫氧化物，取代长条状硫化锰夹杂，使硫化物形态得到完全控制，提高钢的韧塑性特别是横向冲击韧性，改善钢材的各向异性。稀土使高硬度的氧化铝夹杂转变成球状硫氧化物及铝酸稀土，显著地提高钢的抗疲劳性能。

5 稀土对钢材性能的影响

一种稀土耐蚀低合金钢，提高耐蚀率近10倍，用它制造的耐候货车使用寿命提高一倍，返厂大修周期由6年延至10年;稀土铸铁材料，具有较高的抗拉强度、冲击韧性和疲劳强度。在某些机械性能方面已分别接近或达到甚至超过钢的性能，起到“以铸代锻”的作用。与锻钢和可锻铸铁相比，具有工艺简单、节约钢材和降低成本等突出效果。

6 稀土钢的发展前景

稀土在提高多方面性能有显著作用，正符合了现代发展对钢材高强度、高韧性及耐腐蚀性能优良的要求，因此，稀土钢有着非常好的发展前景。

现阶段，稀土主要应用在以下的钢材中:(1)油井管。稀土添加使得管线钢在较差条件下能够长久有效的使用。现阶段石油已经从能源角度提高到国家战略资源的高度。“国家石油战略储备”计划开始启动并稳步实施，使得石油从能源提升至国家战略的高度，在可以预见的未来，稀土钢油井管具有广阔的应用前景。(2)耐候钢(也称“耐大气腐蚀钢”)。与普碳钢相比，耐候钢在大气中具有更优良的抗蚀性能。与不锈钢相比，耐候钢只有微量的合金元素耐候钢一般采用精料入炉-冶炼(转炉、电炉-微合金化处理-吹氩-LF精炼-低过热度连铸(喂入稀土丝)-控轧控冷等工艺路线。在冶炼时，废钢随炉料一起加入炉内，按常规工艺冶炼，出钢后加入脱氧剂及合金，钢水经吹氩处理后，随即进行浇铸，吹氩调温后的钢水经连铸机铸成板坯。由于钢中加入稀土元素，耐候钢得到净化，夹杂物含量大为减少。(3)重轨钢。铁路建设象征着国家的发达程度。近年来，随着我国的发展及科技的进步，重轨钢的需求量逐渐增大，其中以包钢、武钢、鞍钢为代表的大型钢铁厂为主要的重轨钢生产企业。(4)焊接气瓶用钢。在焊接气瓶用钢的生产过程可发现，添加稀土有利于钢种性能的提高，且现阶段气瓶用钢发展势头良好，“西气东输”工程的启动更是促进了气瓶钢的发展。(5)船板钢。造船对钢板要求较为严格，随着稀土的加入，使钢的耐腐蚀性能和韧性有所提高，稀土船板钢能够应用与舰船中，也可能广泛应用在民用船板中。另外，海上才有平台、隧道等要求腐蚀性较高的钢材，添加稀土后也会取得良好的性能，应用前景广阔。

7 结束语

我国的钢产量居于世界首位，但主要以粗钢为主，钢材质量同国外先进水平还有很大的差距，许多优质特殊钢需要进口。利用我国稀土储量丰富这一优势，将稀土元素添加到钢中，提高钢种的质量，提升我国钢铁行业的实力，更具重大意义。

[1]黄梦真，王晓梅.稀土在钢中的应用[J].科技信息，2009，(21):51.

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

[3]夏国金.稀土在钢铁中的应用现状和发展建议[J].稀土信息，2008，(3):9-10.