稀土處理鋼

稀土元素影響鋼中非金屬夾雜物的類型、數(shù)量和形態(tài);鋼中的組織轉(zhuǎn)變;細化晶粒;改善鋼的橫向性能、冷脆性;抑制回火脆性;提高鋼的熱塑性、熱強性、疲勞性能、耐磨性、抗氫致脆性、抗氧化性;改善焊接性、深沖性等。稀土元素在鋼中的作用為:凈化作用、變質(zhì)作用、合金化作用。

根據(jù)熱力學計算所得出的稀土化合物的標準生成自由焓，顯示了稀土元素與周期表中ⅣB族的硅、錫、鉛，ⅤB族的磷、砷、銻及ⅥB族的氧、硫、硒等有極強的親和力。在冶煉時，稀土元素加入鋼液中首先與鋼液中氧起作用，生成稀土氧化物RE2O3、REO2，能很好脫氧。稀土元素與鋼液中硫也起反應(yīng)，生成稀土硫化物RE2S3、RES、RE3S4、RES2和硫氧化物RE2O2S3，即能脫硫。稀土元素還能與鋼中低熔點的錫、鉛、磷、砷、銻等形成高熔點的金屬間化合物La2Sn、LaP、CeSb等，從而消除了這些雜質(zhì)元素在鋼中的危害，凈化鋼質(zhì)。在鋼中氧和硫含量范圍，稀土元素極易生成稀土硫氧化物RE2O2S。

鋼中含少量硫時存在MnS夾雜物，在鎮(zhèn)靜鋼中以第Ⅱ類MnS存在，鑄態(tài)時沿晶界呈共晶分布，對鋼的性能危害最大，顯著降低熱軋材橫向及厚度方向的韌性和塑性。加入稀土元素對MnS起變質(zhì)作用，把塑性MnS變成高熔點、不變形的稀土變質(zhì)硫化物或硫氧化物如RE2S3和RE2O2S。當鋼中稀土和硫比值達到3時，就可以獲得徹底的硫化物形態(tài)控制，得到完全的RE2S3。，從而改善了熱軋鋼的橫向塑性和韌性，提高鑄鋼的塑性，減少過熱傾向，并可減輕氫致開裂傾向。即便在低硫(<0.005%s)鋼中，適量稀土仍然可使夾雜物形貌進一步改善，熱塑性、橫向韌性和塑性進一步提高，并且比鈣在消除MnS方面更徹底。

稀土元素對氧化物的變質(zhì)作用使Al2O3轉(zhuǎn)化為硬度較低、熱膨脹系數(shù)較大的REAlO3和RE2O2S，減少了Al2O3對疲勞性能的危害，對高周疲勞和低周疲勞都很有利。

在鑄鋼中，稀土元素在鋼液中形成的細微夾雜物在凝固過程中作為非自發(fā)形核核心，使凝固過程獲得高的形核率。稀土元素又是表面活性元素，溶解于鋼液的稀土元素可吸附在正在長大的固態(tài)晶核表面，形成薄的富集層，降低表面能，阻礙晶體生長，從而降低了晶體長大速率，細化樹枝狀晶體和抑制柱狀晶生長，進而減少枝晶偏析和區(qū)域偏析，縮短柱狀晶區(qū)及細化等軸晶粒。稀土元素還可改善鑄鋼的鑄造性能，增加鋼液的流動性，減少自由線收縮。

稀土元素除鑭外在鋼中形成RE2Fe17或REFe5金屬間化合物，這些稀土金屬間化合物和鑭在鐵中有一定的固溶度(在0.04%~0.09%范圍)。由于稀土元素的原子半徑遠大于鐵，為減少在基體中引起的畸變能，固溶的稀土原子趨向于與位錯、晶界等晶體缺陷交互作用，形成溶質(zhì)原子的晶界偏聚和溶質(zhì)氣團。稀土元素的晶界偏聚為晶界平衡偏聚。

稀土元素對磷、砷、錫、銻等的晶界偏聚有強烈的影響，它們之間在晶界的相互作用表現(xiàn)在:

鋼中稀土元素和磷、砷、錫、銻等低含量時，稀土元素優(yōu)先偏聚于晶界，降低上述雜質(zhì)元素的晶界平衡偏聚濃度。

稀土元素和雜質(zhì)元素在鋼中有較高濃度時，兩者將在晶界發(fā)生共偏聚。稀土元素的晶界偏聚改變晶界結(jié)構(gòu)，引起晶界化學成分和能量的變化。并增加晶界原子間結(jié)合強度，降低雜質(zhì)元素引起的晶界脆化。稀土元素對相變的影響表現(xiàn)在其偏聚在奧氏體晶界處，抑制過冷奧氏體組織轉(zhuǎn)變時的晶界形核，增長孕育期，使先共析鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變C曲線向右移，增高鋼的淬透性。稀土元素的晶界偏聚阻礙晶界遷移，抑制晶粒長大。稀土可使珠光體轉(zhuǎn)變中碳化物細化，也可使馬氏體板條細化。

稀土元素的晶界偏聚減低了硫和低熔點金屬雜質(zhì)元素鉛、錫、銻、鉍、砷的晶界偏聚，提高了高速鋼、不銹耐酸鋼，耐熱鋼和耐熱合金的熱塑性。稀土元素可提高耐熱鋼和耐熱合金高溫下晶界強度和持久塑性。固溶的稀土元素可降低氫在鋼中的擴散系數(shù)，偏聚于晶界和位錯的稀土元素形成了對氫的可逆陷阱，使氫在裂紋尖端三向拉伸應(yīng)力區(qū)富集過程中起緩沖和調(diào)節(jié)作用，因而稀土有抑制氫脆的作用。在耐熱鋼和合金中，固溶稀土元素在高溫氧化時優(yōu)先溶于表面Cr2O3膜中，穩(wěn)定氧化膜，抑制氧化膜晶粒長大、改善塑性，使膜不易脫落，形成表面致密完整的復(fù)合保護膜。

中國有豐富的稀土資源，儲量為世界之冠。

鋼中加入稀土元素始于20世紀50年代。60年代陸續(xù)發(fā)現(xiàn)稀土元素能改善鋼的性能，一些品種的稀土處理鋼投產(chǎn)，同時開展了稀土在鋼中作用的機理研究。到70年代世界稀土處理鋼的產(chǎn)量達到高峰。隨著鈣處理鋼的出現(xiàn)，稀土處理鋼在西方各國的產(chǎn)量出現(xiàn)下降趨勢，而在中國稀土處理鋼的應(yīng)用開發(fā)和理論研究正方興未艾。

稀土處理的鋼種包括工程結(jié)構(gòu)鋼、齒輪鋼、超高強度結(jié)構(gòu)鋼、彈簧鋼、軸承鋼、工具鋼、耐候鋼、不銹耐酸鋼、耐熱鋼和電熱合金、高錳鋼、鑄鋼等。

稀土元素主要用來控制夾雜物形態(tài)，改善鋼的塑性和韌性，特別是橫向性能，并可使鋼具有較好的沖壓性和焊接性。中國稀土處理鋼有如下牌號:用量最大的是16MnRE，用在造船、壓力容器、橋梁工程等。09MnRE鋼為塑性和深沖性良好的汽車及車輛用鋼。14MnVTiRE鋼為440MPa級具有良好低溫韌性和焊接性的鋼種，用于船舶、橋梁、高壓容器等。14MnMoVBRE鋼屬于低碳貝氏體鋼，熱軋后可得到貝氏體組織，為490MPa級鋼種，用于石油、化工工業(yè)中制造高壓容器。15MnMoVNRE鋼也屬于低碳貝氏體高強度鋼。

稀土元素可減少磷的偏析，提高鋼耐大氣腐蝕及改善韌性和塑性，中國主要牌號有09CuPTiRE、08CuPVRE，大量應(yīng)用于貨車和車輛。

S20ARE鋼具有較高的時效沖擊值、低溫韌性和深沖性能。

大量用于農(nóng)機齒輪的25MnTiBRE鋼具有良好的耐磨性、韌性及低的缺口敏感性，高的接觸疲勞壽命。18Cr2Ni4WRE鋼的有較高的淬透性，具有良好的綜合力學性能和工藝性能，除用于重負荷齒輪外，還用于重負荷的曲軸。

稀土元素提高彈簧鋼的淬透性和疲勞壽命，中國牌號有60Si2MnRE，55SiMnMoBRE等。

含稀土的中國牌號623鋼為鑄造裝甲用鋼，603鋼為有良好低溫韌性的裝甲板用鋼。

在含硫易削鋼中加入稀土元素來改變夾雜物組成、形態(tài)，在切削時可在刀具刃部表面形成稀土夾雜物覆蓋膜，改善刀具潤滑，切屑也易斷，中國牌號有20CrMnTiRES，20CrRES等。

稀土元素提高爐用耐熱鋼的蠕變斷裂壽命和持久塑性，改善抗氧化和抗氣體腐蝕性能，如中國牌號3Cr24Ni7NRE鋼用于在含氧和硫的氣氛中使用的耐熱件。

對在1000~1200C使用的Fe-Cr-Al電熱合金，稀土元素能顯著地提高其成材率，高溫下使用壽命也提高。0Cr23Al6Y合金有較高的成材率，在1350℃下仍有較好的抗氧化和抗?jié)B碳性能。

GCrl7SiMnRE軸承鋼有較高的淬透性和接觸疲勞壽命。

稀土元素可提高鋼液的流動性和鑄件的抗熱裂能力，減少線收縮，減少鑄件偏析，細化鑄態(tài)組織。ZG20RE用于鑄造鋼渣罐，稀土元素提高其抗氧化性和抗熱裂性，提高其使用壽命。35CrMnMoRE鑄鋼用于鑄造大截面關(guān)鍵機械零、部件。在ZGMnl3RE鋼中稀土元素改善了結(jié)晶時的柱狀晶，減少碳化物析出，提高其韌性，降低淬火溫度，提高使用壽命。

鋼中稀土加入方法是一個有獨特意義的問題。稀土元素燃點低，在高溫下易燃燒，易與熔渣中氧化物作用而進入渣中，已進入鋼液的稀土元素在與熔渣、耐火材料或空氣接觸時發(fā)生再氧化。必須選擇適當?shù)募尤敕椒ǎ惯@種損失減小到最低程度。主要稀土元素加入方法有:鋼包壓入法;模內(nèi)加入法;連鑄結(jié)晶器喂絲法;電渣重熔法等。

向鋼包中壓入稀土硅鐵合金，其稀土含量在30%~35%。稀土的回收率:轉(zhuǎn)爐鋼為15%~34%，電爐鋼為30%~50%。脫硫率為20%~75%，小型鋼包脫硫率通常不如大型鋼包?；旧喜话l(fā)生水口結(jié)瘤。

在鋼錠模內(nèi)吊掛稀土混合金屬棒。鋼液中稀土與雜質(zhì)的作用比鋼包壓入法要充分，形成非金屬夾雜物滯留在鋼中，但非金屬夾雜物形狀得到控制，低倍夾雜物量沒有增加，鋼的組織更為致密，鋼材橫向性能有明顯改善。稀土回收率一般在65%~90%，部分稀土非金屬夾雜物上浮到帽口。

使用無級調(diào)速喂絲機連續(xù)地向結(jié)晶器直接喂稀土金屬絲，由鑄坯拉速確定喂絲速度，均勻定量加入稀土元素。稀土金屬絲通過結(jié)晶液面上保護渣進入鋼液。稀土回收率在70%~90%，鋼中非金屬夾雜物基本上被留在連鑄坯中，在斷面上分布基本均勻。稀土有效地改善鋼中硫化物形態(tài)和分布，連鑄坯結(jié)晶組織中柱狀晶區(qū)減薄，硫偏析減小。

電渣重熔時利用含稀土氧化物渣系，同時加入一定量還原劑，使稀土被還原進入鋼中。其渣系有Ce02-CaO-CaF2三元渣系，CeO2-MgO-CaO-CaF。四元渣系。經(jīng)電渣重熔后，鋼中含0.014%~0.03%稀土元素。

中國生產(chǎn)稀土元素添加劑主要有:

一般含輕稀土混合金屬如鑭、鈰、鐠、釹為主，總量在20%~45%。含混合衍土品位低的合金用來配制三元以上復(fù)合合金;高品位的合金用作煉鋼添加劑。另外還生產(chǎn)富鑭稀土硅鐵合金，總稀土含量中鑭占50%以上。富鈰衍土硅鐵合金，總稀土含量中鈰占70%以上。釔基重稀土硅鐵合金，富重稀土元素釔。

含鑭、鈰、鐠、釹等輕稀土元素為95%以上，制成絲、棒，用于連鑄的喂絲和鋼錠模吊掛等，也用做合金鋼和高合金鋼及合金的添加劑。

由混合稀土礦分離后制成單一稀土金屬，如金屬鑭、金屬鈰、金屬釔等，用作特殊鋼和合金的添加劑。