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稀土在钢中的应用

发布时间:2020年03月02日 | 围观人数:5185

1 概况

稀土,系指元素周期表中第ⅢB族镧系元素以及与镧系元素在化学性质上相近的钪和钇,共计17种元素。是芬兰学者加多林(Johan Gado1in)在1794年发现的。当时在瑞典的矿石中发现了矿物组成类似“土”状物而存在的钇土,且又认为稀少,便定名为“稀有的土”。此后,又陆续发现了与此同类的多种元素,总称为稀土。但后来研究发现,稀土在地壳中的丰度要比人们想象的多得多。如铈比锡多得多,钇也比铅多,即使丰度较少的稀土元素也比铂族元素多,说明稀土并不稀少。也不是“土”,全部是金属元素。

我国稀土资源丰富,为世界上其它任何一个国家所不及。现己探明的工业储量为3600万吨,约占世界总量的80%,且品种繁多,分布集中。其中包头市白云鄂博矿山的储量就占了我国储量的95%以上。所以才有了“世界稀土在中国,中国稀土在包头”之说。

2 稀土的用途

稀土元素根据他们性质上差异和分离工艺的要求一般分为轻稀土和重稀土两组,其中镧、铈、镨、钕、钜、钐、铕为轻稀土。稀土元素是典型的金属元素,它们的金属活泼性仅次于碱金属和碱土金属,比其他金属元素都活泼,可与多种元素化合,且稀土金属的燃点很低,如铈165℃,钕270℃,极易与氧起反应。所有的稀土金属能在180℃-200℃的空气中被氧化成RE203型氧化物,稀土氧化物的熔点都很高,生成自由能负值很大,说明它们都是很稳定的化合物。由于稀土元素的特殊性质,决定了稀土的用途。钢铁工业中应用的主要是稀土硅铁合金(含轻稀土混合金属20%-45%),稀土硅铁镁合金(稀土金属6%-25%,镁7%-12%),重稀土硅铁合金(含钇类混合稀土60%以上)。混合稀土金属(含轻稀土95%以上),富铈或镧的稀土硅铁合金(Ce占70%或La占50%以上)。其中炼钢生产中常用的有两种,一是稀土合金,块状稀土硅铁合金,以前用于大包投入,大包压入,粉状一般用于大包内喷粉、模铸中注管喷粉等方法加入钢中;二是混合稀土金属,制成丝(φmm-φmm)或棒(≥φmm),丝用于钢包、中注管或连铸结晶器,使用喂丝机喂入钢中,棒采用模内吊挂的方法熔入钢中。稀土金属包芯线作为线性添加材料的新品种,由于喂丝技术在炼钢生产中的广泛应用,必将得到进一步的发展。

3 稀土在钢中的作用机理

3.1 微合金化作用

稀土元素的微合金化作用初步认定主要是稀土原子在晶界上偏聚与其它元素交互作用,引起晶界的结构、化学成分和能量的变化,并影响其它元素的扩散和新相的成核与长大,然后导致钢组织与性能的变化。钢中稀土金属含量因不同钢种,不同冶炼方法和不同的稀土加入方法而有很大差异。稀土在钢中的含量与微合金化的直接关系,还有待研究。

3.2 与其它有害元素的作用

一定量(量的多少还需进一步测算)的稀土可以与钢中磷、砷、锡、锑、铋、铅等低熔点有害元素相作用。一方面,稀土可以与这些杂质形成熔点较高的化合物;另一方面,还能抑制这些夹杂在晶界上的偏祈。例如,钢存在热脆性,是由于钢中有一些低熔点的金属元素,当把稀土加入钢液中,生成高熔点金属化合物,不熔于钢中而进入炉渣,起到净化作用,使钢中杂质减少,从而克服了热脆性。

3.3 稀土元素的脱硫、脱氧

热力学分析和大量有关钢中稀土夹杂研究表明,钢中[O]、[S]含量在一定范围内,钢液中加入稀土时,极易生成稀土的氧硫化物。当钢中氧含量降至201ppm以下时、加入钢液中的稀土首先形成RE203S型夹杂物,而后形成RE3S4或RES型的硫化物,这些硫化物可能包裹在氧硫化物外围,组成复合夹杂物或稀土硅酸盐化合物,它们熔点高且非常稳定,显球状,钢液经过适当的镇静之后,这些稀土氧化物、硫化物或稀土硅酸盐化合物将从钢中排除,从而净化了钢液。稀土在钢中的作用90%是通过对硫化物形态的控制来实现的。当RE/S为2.7-3.0时,硫化物形 态控制效果达到较佳状态。

3.4 捕氢作用

稀土能吸收大量的氢,可以制成储氢材科,稀土加到钢中,可以抑制钢中氢引起的脆性和白点。已有研究表明,稀土有降低氢的扩散系数,延缓氢在裂纹好的塑性区的富集,从而使裂纹扩展的孕育期和断裂时间延长 因此,稀土有抑制钢的氢脆作用。

3.5 弥散硬化作用

向钢液中喷吹稀土氧化物(CeO2)粉剂, 可以提高钢的强度和韧性,降低脆性转变温度提高钢的持久强度。其原因是一方面 Ce02可以作为结晶核的细化铸态晶粒;另一方面,弥散分布的Ce02质点可以提高晶界对位错运动的阻力。

3.6 变性夹杂

稀土加入钢液中生成球状稀土硫化物或硫氧化物,取代容易形成的长条状MnS夹杂,使硫化物形状得到控制,提高了钢的热塑性,特别是横向冲击韧性,改善钢材的各向异性。稀土使棱角状高硬度的氧化铝夹杂转为球状硫氧化物及铝酸稀土,有利于提高钢的疲劳性能。

4 稀土对钢材性能的影响

目前开发的稀土钢品种有:稀土铌重轨,高韧性压力容器用钢,45kg级桥梁板,稀土船板钢,稀土车轴钢,大型桥梁用型钢等。这些钢由于稀土的存在,在性能与用途方面得到了提高。说明稀土对钢材性能的影响有很大的魅力。

4.1 稀土对钢轨钢的影响

当钢轨钢中稀土(Ce、La、Pr、混合稀土) 含量为O.029%以上时,可产生如下影响:

①稀土可延缓钢轨钢接触疲劳裂纹的萌生和扩展,推迟钢轨表面剥离的发生。
②稀土可明显减小钢轨钢接触疲劳贯穿角和贯穿深度。
③稀土可缩小钢轨钢接触疲劳表面的塑性变形范围,改善加工硬化效果。
④稀土具有净化钢液,变性夹杂和微合金化作用。 
⑤既能减小应力集中区,又能细化组织、提高强度,增强钢轨钢抗变形能力。 
⑥由于稀土极易氧化,并与氧化合成氧化膜,附着于钢轨表面,由此产生的“白润滑”作用既能减小摩擦系数,又能提高表面结合强度,从而改善了钢轨的疲劳和磨损,耐磨性比普通轨       增加1倍。

4.2 稀土对60Cr Mn Mo 的影响

加稀土处理后,使钢中稀土含量达到0.05%—0.07%时,可明显提高热轧辊用钢的热疲劳寿命和塑性。

4.3 稀土对16MnRE的影响

显著改善了钢的韧、塑性,特别是钢的横向韧、塑性,冲压性能好。此钢材广泛用于制作汽车、桥梁、造船、容器以及建筑行业。

4.4 稀土对09MnRE的影响

显著提高汽车及车辆用钢的塑性。用于中型汽车发动机挡板及车厢边框边板等。

4.5 稀土对石油钻管钢的影响

稀土元素在钢中的主要作用是除去钢水中的杂质元素,特别是钢中加入稀土后可使硫含量从0.025%降到0.01%,并能改变残留夹杂物,主要是硫化锰的形状,从而提高钢的强度,这是因为残留的稀土夹杂物较硬,轧制时呈现球状,而不形成易于引起裂纹的细长薄片。其次当钢中有氢一类有害气体存在时,稀土在钢中可起到脱氢作用。这些特性对油井钻探用钢是很重要的,添加混合稀土金属可以提高钻管钢的使用寿命。
尚有不少重要方面未及论述,如稀土纳米医用材料,传感器材料、磁存贮材料等有待后叙;可是仅从本文介绍的这些例子,可以窥见出稀土纳米微粒和技术在材料、能源、信息、环保等诸多领域扮演着创新作用,用它可开拓出无数不曾有过的新材料;在应用中的作用和效果是不可估量的。

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