稀土元素在鋼中的作用及對鋼性能的影響

　　摘要：文章闡述了稀土在鋼中的作用機理主要有凈化作用、變質作用和合金化作用，總結了稀土對鋼性能及組織的影響和稀土的加入方法，充分發揮稀土作用，提高鋼材質量，把我國的稀土資源優勢轉化為經濟優勢。
　　關鍵詞：稀土；作用機理；性能
　　稀土在傳統鋼鐵領域中的應用，自20世紀60年就已經成為一個活躍的課題，一直以來越來越受到人們的關注，也一直存在爭議。國內外的研究者都做了大量的理論研究、實驗研究和應用研究。我國是世界RE資源大國，RE貯量和產量都遠遠大于其他國家，如何在鋼中更好地利用這部份資源顯得尤為迫切。
　　一、稀土元素在鋼中的作用
　?。ㄒ唬﹥艋饔?br/>　　微量稀土在鋼中的凈化作用主要表現在：可深度降低氧和硫的含量，降低磷、氫、砷、銻、鉍、鉛、錫等低熔點元素的有害作用，主要是可以抑制這些元素在晶界上偏聚，有凈化晶界的作用，或可以與這些雜質形成熔點較高的化合物而析出排除。后者應在稀土脫氧、脫硫之后，稀土加入量較高的情況下發生。當稀土加入量較高時，稀土在脫氧、脫硫之后，它將會與鋼中的鉛、錫、砷、銻、鉍等低熔點金屬元素交互作用，形成熔點較高的化合物，降低低熔點金屬元素的有害作用，還有一部分形成稀土夾雜物從鋼液中排除，從而凈化鋼液。在低碳鋼中，當（[RE]+[As]）/（[O]+[S]）≥6.7即出現脫砷產物；加稀土后消除了鋼的Pb脆，觀察到Ce2Pb球狀夾雜物；在低氧硫工業純鐵中加入少量的稀土與銻反應，并使聚集在晶界的銻轉移到晶內，減少銻在α-Fe晶界上的偏析。
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　　在含有少量錳、并用鋁脫氧的鎮靜鋼中，硫化物通常以對鋼的性能危害最大的第Ⅱ類形式分布在晶界。未加入RE前，鋼中夾雜物主要是長條狀的MnS和少量串狀的Al2O3和鋁酸鹽，加入RE后，形成高熔點的在晶內任意分布的球形夾雜，取代了沿晶分布的第Ⅱ類硫化物和串狀Al2O3。這種變性了的夾雜物的成份和分布取決于RE/S值和鋼中的[O]及其他合金元素的含量。當鋼中[S]/[O]值較高時，變質硫化物以RE2S3為主；當[S]/[O]較低時，稀土夾雜物則以REAlO3和RE2O2S為主；當RE/S=3-4時，稀土硫化物能完全取代MnS，此時夾雜物的心部為黑色的RE2O2S；外層為淺灰色的稀土硫化物；少量的Al2O3可以成為稀土硫化物的結晶核心。當稀土加入量適宜時，RE元素不僅能減少夾雜數量，還能使之細化。稀土化合物在熱加工時變形，仍保持細小的球形或紡錘形，較均勻地分布在鋼中，消除了原先存的沿鋼材軋制方向分布的呈條狀MnS等夾雜。由于夾雜的變質，能增加夾雜物與晶界之間及晶界抵抗裂紋形成與擴散的能力，從而提高了鋼的橫向塑性、沖擊韌性、疲勞強度、高溫塑性、焊接性能等。
　　（三）合金化作用
　　微合金化的強韌化程度決定于微量稀土元素的固溶強化，稀土元素與其他溶質元素或化合物的交互作用，稀土原子的存在狀態（原子、夾雜物或化合物）大小、形狀和分布，特別是在晶界的偏聚以及稀土對鋼表面和基體組織結構的影響等。有關合金化作用的主要研究結果集中在以下方面。
　　1、固溶度及固溶強化。固溶在鋼中的稀土元素由于其原子半徑比Fe大得多，往往造成晶格畸變能大而處于不穩定狀態，常常通過空位擴散機制偏聚在晶界，對固溶體起到強化作用。
　　2、改善晶界和抑制局部弱化。固溶在鋼中的稀土往往通過擴散機制富集于晶界，減少了雜質元素在晶界的偏聚。如稀土降低高速鋼中晶界磷的偏聚量；Ce降低Sb在α-Fe晶界的偏聚速度，在500℃-600℃范圍顯著降低Sb在晶界的平衡偏聚濃度；在25MnTiB鋼中，加0.4%RE在一定淬火溫度范圍內阻礙硼在奧氏體晶界的偏聚。改善晶界和抑制局部弱化：如低溫脆性、疲勞性能、晶界腐蝕、高溫強度和回火脆性等。
　　3、影響雜質元素的溶解度以減少脫溶量。稀土降低碳、氮活度，增加碳、氮的溶解度，降低其脫溶量，使它們不能脫溶進入內應力區域或晶體缺陷中去，減少了釘扎位錯的間隙原子數目，因而提高了鋼的塑性和韌性。另外，稀土影響碳化物的形態、大小、分布、數量和結構，提高了鋼的機械等性能。
　　4、影響相變和改善組織。稀土影響鋼的臨界點，淬火鋼回火以及馬氏體和殘余奧氏體分解熱力學與動力學等。相關試驗觀察到稀土影響鋼的相變溫度Acl、Ar1、Ac3、Ar3、Ms、Mf等，改變相變產物的組織結構。在不同的稀土鋼中分別觀察到細化滲碳體、細化板條馬氏體亞結構或位錯馬氏體結構，改變鐵素體的含量和尺寸、抑制碳化物相的聚集粗化等現象。
　　二、稀土對鋼組織和性能的影響
　　稀土對鋼的組織和性能具有如下的影響：改善鋼的疲勞性能；改善易切削鋼的切削加工性能；提高不銹鋼的耐點蝕能力；改善高合金鋼的熱加工性；抑制鋼的回火脆性、降低韌-脆變溫度；提高含磷鋼的耐大氣腐蝕性；提高高合金鋼高溫蠕變斷裂強度和塑性；改善高合金鋼焊縫金屬抗晶間裂紋形成能力；影響鋼的淬透性；提高鑄鋼的強度和塑性、韌性；提高鑄鋼的耐磨性；提高鋼和合金的高溫抗氧化性能；提高鋼的室溫強度和硬度；消除Fe2Cr2Al合金高溫使用時的脆化傾向。
　　三、稀土在鋼中的應用前景
　　在隨著我國基礎建設步伐加快，不僅使鋼材的需求量大大增加，而且還要求鋼材的質量有較大提高，除了要求鋼材具有高的強度和韌性外，還要求有良好的耐腐蝕性、抗氧化性等，以滿足工業需要。稀土耐候鋼、稀土重軌鋼、稀土耐熱鋼、含（Nb、Ti）稀土管線鋼、含（V或Mn）稀土結構鋼都已工業生產，稀土顯著提高提高了鋼的耐蝕性、耐磨性、韌塑性、成型性、耐疲勞性等，使合金鋼具有更為優越的綜合性能。隨著國家對海洋資源的大量開發、海上運輸業的發展以及海洋強國的建立，都將為稀土耐候鋼的廣泛應用奠定堅實的基礎。例如，對09CuTiRE稀土處理鋼來說，加入稀土后使其耐腐蝕性能提高60%，這使得稀土耐候鋼將廣泛應用于集裝箱鋼板、造船用鋼、海上采油平臺用鋼等諸多領域。
　　在掌握了稀土在鋼中作用機理以及對鋼性能影響的基礎上，充分發揮稀土元素在鋼中的深度凈化、有效變質、強效合金化和凝固組織控制作用；深入認識稀土在控制鋼的弱化源，降低局域區能態，稀土與金屬基體、空位、位錯、雜質原子、晶界、相界的交互作用問題。積極利用我國豐富的稀土資源和微量合金元素（V、Ti、Nb等）的優勢互補作用，提高鋼材質量，增強國際競爭力，把資源優勢轉化為經濟優勢。
　　參考文獻：
　　1、杜挺.稀土元素在金屬材料中的作用和機制[J].金屬功