稀土元素對鋼性能的影響分析

1、稀土元素對鋼性能的影響分析摘要：稀土是許多高新產(chǎn)業(yè)重要的原料，也是冶金工業(yè)上重要的添加劑。它既 是提高鋼質(zhì)有效手段，又是發(fā)展鋼材新品種的措施之一。我國稀土儲量豐富，是 重要的戰(zhàn)略資源。利用這一優(yōu)勢，將稀土的利用進行更加深入的研究，利用稀土 的特性，合成更加優(yōu)質(zhì)的鋼種，具有廣泛的戰(zhàn)略意義。關(guān)鍵詞：稀土元素；鋼；性能；影響隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們越來越意識到材料對裝備制造業(yè)的重要性， 傳統(tǒng)煉鋼使用的Al、Si脫氧劑已經(jīng)很難滿足力學(xué)性能要求，而稀土作為一種新型 的鑄件材料被運用到煉鋼領(lǐng)域。常用的稀土煉鋼劑主要有La、Ce兩種元素，他 們通常被制作成稀土合金或純稀土加入到鋼液中。稀土具有良好的脫氧

2、、脫硫效 果，同時他們加入到鋼液中可以起到對夾雜物MnS進行變性的作用，使其利于上 浮到鋼渣表面，但同時如果稀土元素沒有被利用好，它將對煉鋼生產(chǎn)起到一定的 副作用，例如稀土加入不合理，利用率低，增加煉鋼投入成本，或者是稀土加入 后形成的稀土氧化物沒有及時上浮，將對鋼液質(zhì)量形成一定的影響。所以本文主 要研究了稀土對鑄鋼的作用，以及煉鋼過程中稀土的加入方式等。一、稀土元素簡介稀土是18世紀(jì)遺留下來的名稱，意為稀少的土”。實際稀土元素在地殼中的 含量并不稀少，這組元素更不是土，而是一組典型的金屬元素，其活潑性僅次于 堿金屬和堿土金屬，可與多種元素化合，稀土金屬的燃點很低，如鈰165C，釹 270C，

3、極易與氧發(fā)生反應(yīng)。據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會對稀土元素的定義： 稀土類元素是門捷列夫元素周期表第三副族中原子序數(shù)從57至71的15個鑭系 元素，包括鑭、鈰、錯、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鏡、镥， 以及與它們電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)都相近的鈧和釔，共計17種元素。二、稀土在鋼中的作用機理凈化作用稀土在鋼中的凈化作用主要表現(xiàn)在可深度降低氧和硫的含量，研究表明，鈍 與鐐、錫、鉛等彼此降低活度，增加溶解度，有利于減少低熔點元素的有害作用， 形成熔點較高的化合物，提高鋸、帆、銅、鈦等合金元素的利用率，稀土還能抑 制這些雜質(zhì)在晶界上的偏析。稀土降低氫的擴散系數(shù)，延緩氫在裂紋尖端塑性區(qū) 的富集，從而

4、使裂紋擴展的孕育期和斷裂時間延長。變質(zhì)作用稀土加入鋼中能改變夾雜物的性質(zhì)、形態(tài)和分布。夾雜物的形態(tài)控制是稀土 在鋼中的主要作用之一。在含有少量Mn、用A1脫氧的鎮(zhèn)靜鋼中加入稀土，會形 成高熔點的在晶內(nèi)任意分布的球形夾雜，取代沿晶界分布的第二類硫化物。當(dāng)稀 土加入量適宜，稀土硫化物可完全取代MnS。稀土化合物在熱加工變形時，仍保 持細(xì)小的球形或紡錘形，較均勻地分布在鋼材中，消除了原先存在的沿鋼材軋制 方向分布的呈長條狀MnS等夾雜，明顯地改善橫向韌性、高溫塑性、焊接性能、 疲勞性能、耐大氣腐蝕性能等。稀土夾雜物的熱膨脹系數(shù)和鋼的近似，可避免鋼 材熱加工冷卻時在夾雜物周圍產(chǎn)生大的附加應(yīng)力，有利于提

5、高鋼的疲勞強度。夾 雜物的變質(zhì)，能增加夾雜物生成處的晶界抵抗裂紋形成與擴展的能力。細(xì)化晶粒稀土對鋼的結(jié)晶組織的影響主要是使晶粒變細(xì)、等軸晶率提高，其機制是稀 土的化合物充當(dāng)了結(jié)晶的非自發(fā)核心。稀土對結(jié)晶組織的影響主要表現(xiàn)為細(xì)化二 次枝晶間距。二次枝晶間距的大小將影響顯微偏析、夾雜及疏松，因而對機械性 能產(chǎn)生影響。稀土元素在鋼中形成較高熔點的化合物，在鋼液凝固前析出，呈細(xì) 小的質(zhì)點分布在鋼液中，作為非均質(zhì)形核中心，降低鋼液結(jié)晶的過冷度，因而可 細(xì)化鋼的凝固組織，減少偏析，實現(xiàn)凝固組織控制。4.微合金化作用稀土元素的微合金化包括微量稀土元素的固溶強化，稀土元素與其它溶質(zhì)元 素或化合物的交互作用、稀

6、土原子的存在狀態(tài)（原子、夾雜物或化合物）大小、 形態(tài)和分布，特別是在晶界的偏聚，以及稀土對鋼的表面和基體組織結(jié)構(gòu)的影響 等。由稀土-鐵系相圖可知，稀土元素在鐵液中與鐵原子是互溶的，但其在鐵基固 溶體中的分配系數(shù)極小，在鐵液凝固過程中，被固/液界面推移最后富集于枝晶間 或晶界。稀土元素在鐵中的固溶度很難以常規(guī)的方法來測定，用內(nèi)耗法、X射線 測定晶格常數(shù)法、非水電解分離夾雜物和ICP光譜等方法測稀土合金化量等說明 稀土固溶量基本在百萬分之幾到十萬分之幾，還有的達到萬分之幾。由于稀土原 子半徑比鐵原子約大50%，通常認(rèn)為不宜形成固溶體，但稀土元素與典型非金屬 元素之間的典型極化作用，導(dǎo)致其原子半徑改

7、變，可通過空位機制進行擴散，占 據(jù)鐵的點陣極點，在晶內(nèi)形成置換固溶體。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(zhì)元素在晶界的偏聚，強化了晶界，改善了鋼與晶界有關(guān) 的性能。稀土可顯著降低鐵中碳、氮的脫溶量，使它們不能脫溶進入內(nèi)應(yīng)力區(qū)或 晶體缺陷中去，減小了釘扎位錯的間隙原子數(shù)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(tài)、大小、分布、數(shù)量和結(jié)構(gòu)，提高了鋼的機械性能 等。稀土還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(xué)與動力學(xué)等。相關(guān)試驗觀察到稀土影響鋼的相變溫度 Acl、AA、Ac3、Ar3、Ms、Mf等，改變相變產(chǎn)物的組織結(jié)構(gòu)

8、。在不同的稀土鋼中 分別觀察到細(xì)化滲碳體、細(xì)化板條馬氏體亞結(jié)構(gòu)或位錯馬氏體結(jié)構(gòu)，改變鐵素體 的含量和尺寸、抑制碳化物相的聚集粗化等現(xiàn)象。三、稀土在鑄鋼中的影響分析稀土對鋼液純凈度的影響稀土加入到鋼液后首先形成Re2O3S型夾雜物，而后形成Re3S4或ReS型的 硫化物，這些硫化物包裹在氧硫化物外圍，組成復(fù)合夾雜物或稀土硅酸鹽化合物， 它們?nèi)埸c高且非常穩(wěn)定、呈球狀，稀土在鋼中不僅可以對夾雜物進行變性，少量 的稀土元素還可以與鋼中的P、As、Sn、Sb、Bi、Pb等低熔點有害元素相互作用， 形成熔點較高的化合物，同時可以抑制這些夾雜物在晶界上偏析，提高鋼的性能。 同時稀土能吸收大量的氫，有效降低氫

9、的擴散系數(shù)，延緩氫在裂紋尖端塑性區(qū)的 富集，從而使裂紋擴散的孕育期和斷裂時間延長，抑制鋼中氫引起的脆性和白點。稀土對鑄件力學(xué)性能的影響稀土化合物微小的固態(tài)質(zhì)點提供異質(zhì)晶核，阻礙晶胞長大，為鋼的晶粒細(xì)化 提供了良好的熱力學(xué)條件，所以加入稀土后能細(xì)化晶粒，提高鋼的力學(xué)性能。夾 雜物的形態(tài)控制是稀土在鋼中的主要作用之一，稀土可以控制硫、氧等夾雜物的 形態(tài)，鋼中加入稀土后，形成的稀土硫化物會代替MnS夾雜。稀土化合物在熱加 工變形時仍保持細(xì)小的球形，均勻地分布在鋼中，明顯的提高鋼的韌性、沖擊性 及高溫持久性等；同時，固溶在鋼中的稀土通過擴散機制富集于晶界，減少雜質(zhì) 元素在晶界的偏聚，強化了晶界，改善鋼的性能。結(jié)語在掌握了稀土在鋼中作用機理以及對鋼性能影響的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮稀土元 素在鋼中的深度凈化、有效變質(zhì)、強效合金化和凝固組織控制作用；深入認(rèn)識稀 土在控制鋼的弱化源，降低局域區(qū)能態(tài)，稀土與金屬基體、空位、位錯、雜質(zhì)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(yōu)勢互補作用，提高鋼材質(zhì)量，增強國際競爭力，把資源優(yōu) 勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟優(yōu)勢。參考文獻：趙國偉，張生存，龔明健，etal.稀土元素在鑄鋼中的應(yīng)用J.中國鑄造裝備 與技術(shù)，