金属所低氧稀土钢研究获进展

近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心先进钢铁材料研究部研究员李殿中团队受前期研究——氧致偏析新机制的启发（Inclusion flotation- driven channel segregation in solidifying steels，Nature Communications，2014），通过10余年的机理研究和工业试验，发现稀土钢性能波动、浇口堵塞问题的根源在于氧含量。研究通过降低钢液和稀土金属中的氧含量，并与金属所相关研究团队合作，结合试验、计算和表征揭示了稀土在钢中的关键作用机制，控制夹杂物和稀土固溶，制备出性能优越、稳定的低氧稀土钢。相关研究成果以Low-oxygen rare earth steels为题发表在Nature Materials上。

研究进一步开发了“双低氧稀土钢”技术即钢液低氧和稀土金属低氧的控制技术，有效解决了稀土钢工业应用中的问题。利用自主发明的夹杂物萃取三维表征技术，分析了稀土GCr15轴承钢和进口的某轴承钢中的夹杂物形貌，发现在三维尺度上进口轴承钢中以氧化铝和大尺寸硫化锰夹杂物为主，而稀土轴承钢中夹杂物主要是细小的球状稀土氧硫化物。

左图为某进口轴承钢（左）与双低氧稀土轴承钢（右）中的夹杂物对比。

研究通过第一性原理计算发现，当钢中存在铁空位时，空位与稀土原子交互作用可以大幅降低稀土的固溶焓，促进稀土固溶，固溶的稀土元素显著提高了钢中碳的扩散激活能。在稀土偏聚晶界和提高碳扩散激活能的共同作用下，使用双低氧技术在钢中添加10-6量级的稀土，即可显著降低钢中扩散型相变的相变开始温度。该研究揭示了稀土钢性能波动的根源在于氧，只有在低氧条件下稀土才能在钢中稳定发挥出深度净化钢液、细化改变夹杂物和强烈微合金化的作用。研究表明，吨钢只需添加百余克的镧铈轻稀土，在成本基本不增加、工艺流程基本不改变的条件下即可显著提升钢的性能，这对于发挥我国稀土资源优势，平衡稀土资源利用，提升优特钢的品质具有重要意义。