稀土對(duì)鋼鐵相關(guān)設(shè)備性能的影響分析

張傳濱

（山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東 淄博 2 5 6 4 1 4）

稀土對(duì)鋼鐵相關(guān)設(shè)備性能的影響分析

張傳濱

（山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東 淄博 2 5 6 4 1 4）

稀土作為一種元素綜合體，對(duì)于鋼鐵性能具有改變之能，稀土的功能主要包括凈化硫養(yǎng)化氫、與鋼鐵中的元素相互作用形成新的化合物，改變?cè)谢衔镔|(zhì)的性能等，從而改變鋼鐵的韌性、抗壓性、耐高溫性、耐磨性等系列屬性，用于更廣泛的用途。

稀土；鋼；功能；性能

稀土并不是由單一的元素構(gòu)成，而是元素周期表中鑭系列L a、C e、S m、G d、L u、Ho等共計(jì)1 7種元素的統(tǒng)稱。這些元素雖然在具體的結(jié)構(gòu)、性能等方面是存在差異的，但是不能否認(rèn)其在總體的結(jié)構(gòu)和性能方面呈現(xiàn)出相似性，也正是因?yàn)槿绱耍艑⑵錃w為一個(gè)元素系。與其他元素系相比，稀土元素化學(xué)性質(zhì)較為活潑，具有較好的延展性，這使得稀土元素在鋼鐵冶煉時(shí)具有優(yōu)異的性能。

1 稀土在鋼鐵冶煉時(shí)的功能

稀土對(duì)鋼鐵性能的影響，主要通過與雜質(zhì)的相互作用進(jìn)行：其一是通過合金化和變質(zhì)，對(duì)鋼鐵中雜質(zhì)的形態(tài)與分布進(jìn)行改變，從而使鋼鐵強(qiáng)度和韌性發(fā)生變化；其二是與雜質(zhì)融合，使雜質(zhì)對(duì)鋼鐵性能的危害減少。

1.1 凈化

稀土本身具有脫氧脫硫之功用。將稀土應(yīng)用于鋼鐵制作中，可以有效降低鋼鐵中氧與硫的數(shù)量，同時(shí)對(duì)氫、鉛、磷等低熔點(diǎn)的有害物質(zhì)的融入起到明顯的抑制作用。稀土起到如此功效的原因如下。

其一，減少有害元素偏聚于晶界，在晶界層面上起到凈化之效。其二，稀土用于脫氧和脫硫之后，殘留量仍然較高，于是便可以與有害元素發(fā)生作用形成熔點(diǎn)頗高的化合物質(zhì)，在不易溶解的情況下被排出鋼液，形成凈化之功。很多研究和實(shí)踐證明，利用稀土在制作鋼鐵時(shí)凈化，確實(shí)可以強(qiáng)化鋼鐵的質(zhì)量：在煉耐熱鋼時(shí)加入高鑭稀土，可以提高耐熱性；在煉T 1 0鋼時(shí)加入合適比例的稀土，可以強(qiáng)化其韌性，延長其使用壽命（圖1）。此外，稀土具有融氫之功。在煉鋼時(shí)加入稀土，可以吸收大量的氫，成為儲(chǔ)存氫的良好材料，這樣一來，因?yàn)闅涠斐傻匿撹F脆性與白點(diǎn)便會(huì)得到有效的抑制。稀土對(duì)氫的吸收是通過降低氫的擴(kuò)展系數(shù)與延緩氫的聚集實(shí)現(xiàn)的。

圖1

1.2 合金化

在凈化功能之外，稀土還可以溶解到鋼鐵材料之中，或者是與其他元素相結(jié)合，形成新的化合物質(zhì)，從而對(duì)鋼鐵的性能造成影響。稀土原子對(duì)鋼組織進(jìn)行影響，主要表現(xiàn)在以下方面。

首先是通過與鐵互溶，強(qiáng)化固溶度。稀土元素的原子半徑皆比鐵要大上很多，憑此可以強(qiáng)化固溶度，然而，因?yàn)榉峙湎禂?shù)較小的原因，會(huì)隨著固液界面的變化而變化，凝聚在晶界或枝晶層面。其次是通過改變斷裂過程，提高鋼鐵的柔韌度。在煉鋼時(shí)加入鑭元素，可以改變其斷裂過程，原來的脆性沿晶斷裂更新為韌性穿晶斷裂。比如：1 0 Mn P鋼在零下2 0、6 0、或1 0 0攝氏度時(shí)，斷口性狀皆是準(zhǔn)解理斷口和沿晶斷口的混合，如果利用稀土進(jìn)行處置，則可以整齊為準(zhǔn)解理斷口；1 5 Mn P鋼在零下6 0攝氏度時(shí)斷口性狀是沿晶斷口，加入稀土進(jìn)行處置，可以轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)解理斷口。斷口的不同鋼鐵柔韌度的不同。而且一般的鋼在進(jìn)行稀土處理后，對(duì)鋼鐵中氮和碳的脫溶量具有明顯的降低之效，進(jìn)而消除由此導(dǎo)致的鋼鐵藍(lán)脆后果。再次是對(duì)晶界起改變之效，從而影響鋼鐵的多種性能。把稀土加入鋼液，可以在鋼液凝固時(shí)經(jīng)過擴(kuò)散過程凝聚在晶界上，起到兩個(gè)方面的作用，其一是減少雜質(zhì)的偏聚性，其二對(duì)與晶界相關(guān)的鋼鐵性能進(jìn)行改變。比如：對(duì)于降低銻的偏聚速度而言，鈰可以起到顯著效果，甚至對(duì)銻的偏聚濃度在可觀的范圍之內(nèi)也能夠形成顯而易見的影響；如果在淬火溫度得宜時(shí)加入適量的稀土，可以使硼在奧氏體晶界的偏聚量形成減少之效；關(guān)于磷的偏析，稀土也可以顯著的阻攔之效，使得鋼鐵的抗可逆回火脆性得到強(qiáng)化，避免其在低溫環(huán)境下發(fā)生沿晶斷裂；而且，稀土對(duì)鋼鐵的疲勞性、抗腐蝕性、抗高低溫性都可以形成明顯的影響，因?yàn)殇撹F的這些性質(zhì)都與晶界相關(guān)，稀土對(duì)晶界產(chǎn)生重要影響，就是對(duì)鋼鐵的這些性能產(chǎn)生影響。

然后是通過對(duì)雜質(zhì)溶解度形成影響，從而強(qiáng)化鋼鐵的韌度。稀土在一定的條件下，對(duì)于碳和氮的活度形成降低作用，于是，鋼鐵基體中碳和氮的溶解度便得到了提高，間隙原子數(shù)之間的位錯(cuò)得以縮小，鋼鐵的韌度得到了強(qiáng)化。

之后是對(duì)鋼鐵組織的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。其一，稀土對(duì)鋼鐵組織中A r 1、A c 1、Mf等的臨界轉(zhuǎn)變溫度產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)相變形成明顯作用；其二，作用于對(duì)珠光體組織，稀土對(duì)于珠光體組織的數(shù)目形成減少之效并且進(jìn)行細(xì)化，從而對(duì)珠光體組織的片層間距具有縮小作用，與此同時(shí)，鐵素體的數(shù)目得以成倍擴(kuò)大；其三，稀土還可以對(duì)鋼鐵組織中的鐵素體多少、碳化物是否進(jìn)行粗化集聚、馬氏體結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生影響，從而造成鋼鐵性能的變化。

1.3 變質(zhì)

在合適的條件下，把稀土加入到鋼液中，稀土元素與鋼液的元素相互作用后，形成了稀土化合物，這些化合物的熔點(diǎn)高且均勻地彌散分布于鋼液中，于是，非均質(zhì)的形核可以形成形核核心之果，對(duì)晶粒的細(xì)化具有顯著效果。而且，因?yàn)橄⊥辆哂懈叨鹊幕钚裕谄浞植加诰Ы缟蠒r(shí)，便對(duì)晶界的系列條件產(chǎn)生影響，比如性狀、張力等，減少了晶粒長大所需的驅(qū)動(dòng)力，并且提高了晶粒長大的所用溫度，奧氏體晶粒的長大受到了約束，這導(dǎo)致的結(jié)果是細(xì)化了凝固組織并且均勻化了碳化物或氮化物的分布。關(guān)于鋼鐵材料中的氧硫化合物質(zhì)以及與之硬度相等的化合物質(zhì)，稀土具有重要的改變形態(tài)功效。把稀土加入鋼鐵中，可以弱化硫錳化物質(zhì)的形成，代之以團(tuán)球形狀的硫化物質(zhì)或硫氧化物質(zhì)，這具有兩個(gè)方面的作用如下。

一方面，在鋼鐵經(jīng)受熱加工發(fā)生形變時(shí)，經(jīng)過加入稀土形成的氧硫化合物質(zhì)是比較均勻分布的，并且可以維持球形或紡錘形的狀態(tài)，于是呈現(xiàn)長條狀分布的硫化錳等物在軋制時(shí)明顯減少，鋼鐵的韌性和疲勞性得到改善。另一方面，稀土化合物的膨脹系數(shù)與硫化錳不同，與鋼相似，于是，當(dāng)鋼鐵熱加工冷卻使，沒有因硫化錳形成的附加應(yīng)力，鋼鐵的疲勞性得以促進(jìn)，抗裂紋形成與進(jìn)一步擴(kuò)展的晶界能力得以改善。也就是說，在加入稀土處理后，鋼鐵的疲勞性、韌性、可塑性等性能都可以得到顯著的改善效果。此外，稀土對(duì)于碳化物具有變質(zhì)作用。冶煉時(shí)加入稀土，原本長條桿狀和尖塊狀的碳化合物，會(huì)成為圓形的顆粒狀，碳化合物生長過程和結(jié)果的變化，使得鋼鐵基體的割裂程度減少，從而抗沖擊的性能得以促進(jìn)。而且，稀土對(duì)于共晶碳化物也具有影響力，通過使其發(fā)生頸縮，變本來的網(wǎng)狀為斷網(wǎng)狀，甚至形成孤立態(tài)，這使得奧氏體由大變小，鋼鐵的基體組織得到強(qiáng)化。

2 稀土對(duì)鋼鐵性能的影響及目前的成就

在目前，利用稀土冶煉出的鋼品種包括容器用鋼、橋梁用鋼、船板用鋼、鋼軌鋼等。這些鋼材雖然各具特色，但與一般鋼材相比，呈現(xiàn)出抗腐蝕、抗氧化、耐熱、耐磨、韌度高、脆性小的共同特征，不過是不同的品種鋼材在某個(gè)性能方面上更具優(yōu)勢，這說明了稀土的影響?yīng)毦咭桓瘢韵屡e一些例子進(jìn)行闡釋。

2.1 稀土與鋼軌鋼

如果鋼中L a、C e混合稀土的含量在0.0 2 9%之上：鋼軌鋼接觸疲勞的裂紋得以有效抑制，鋼軌表面剝離的狀況能夠明顯得到改善；對(duì)于接觸產(chǎn)生的貫穿深度以及貫穿角度，鋼軌鋼也具有減少之效；鋼軌鋼的強(qiáng)度與抗變形能力也是一流的；而且，因?yàn)榕c氧氣的相互作用產(chǎn)生的氧化膜，起到了潤滑的作用，在減小摩擦的同時(shí)，提高了鋼軌的耐磨系數(shù)。

2.2 稀土與1 6 Mn R e

1 6 Mn Re主要用于建筑行業(yè)用鋼以及造船用鋼，用稀土進(jìn)行煉制后，1 6 Mn Re的韌性和可塑性得到了提升，可以滿足形狀變化的要求；此外，1 6 Mn Re的抗壓性能也處于超前水平，具有較高的承重水平。

2.3 稀土與石油鉆管鋼

稀土對(duì)石油鉆管鋼的影響，主要是通過稀土的凈化作用實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)過脫硫、脫氧與融氫之后，石油鉆管鋼的脆性得到改善，耐高溫程度也得以提升。

[1]張建，朱兆順.稀土在鋼中的應(yīng)用[J].金屬材料與冶金工程，2 0 0 8(1 0).

[2]胡興軍，子蔭.稀土在鋼中的應(yīng)用[J].冶金叢刊，2 0 0 4(0 2).

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