稀土元素在钢中的作用及对钢性能的影响

　　摘要：文章阐述了稀土在钢中的作用机理主要有净化作用、变质作用和合金化作用，总结了稀土对钢性能及组织的影响和稀土的加入方法，充分发挥稀土作用，提高钢材质量，把我国的稀土资源优势转化为经济优势。
　　关键词：稀土；作用机理；性能
　　稀土在传统钢铁领域中的应用，自20世纪60年就已经成为一个活跃的课题，一直以来越来越受到人们的关注，也一直存在争议。国内外的研究者都做了大量的理论研究、实验研究和应用研究。我国是世界RE资源大国，RE贮量和产量都远远大于其他国家，如何在钢中更好地利用这部份资源显得尤为迫切。
　　一、稀土元素在钢中的作用
　　（一）净化作用
　　微量稀土在钢中的净化作用主要表现在：可深度降低氧和硫的含量，降低磷、氢、砷、锑、铋、铅、锡等低熔点元素的有害作用，主要是可以抑制这些元素在晶界上偏聚，有净化晶界的作用，或可以与这些杂质形成熔点较高的化合物而析出排除。后者应在稀土脱氧、脱硫之后，稀土加入量较高的情况下发生。当稀土加入量较高时，稀土在脱氧、脱硫之后，它将会与钢中的铅、锡、砷、锑、铋等低熔点金属元素交互作用，形成熔点较高的化合物，降低低熔点金属元素的有害作用，还有一部分形成稀土夹杂物从钢液中排除，从而净化钢液。在低碳钢中，当（[RE]+[As]）/（[O]+[S]）≥6.7即出现脱砷产物；加稀土后消除了钢的Pb脆，观察到Ce2Pb球状夹杂物；在低氧硫工业纯铁中加入少量的稀土与锑反应，并使聚集在晶界的锑转移到晶内，减少锑在α-Fe晶界上的偏析。
　　（二）变质作用
　　在含有少量锰、并用铝脱氧的镇静钢中，硫化物通常以对钢的性能危害最大的第Ⅱ类形式分布在晶界。未加入RE前，钢中夹杂物主要是长条状的MnS和少量串状的Al2O3和铝酸盐，加入RE后，形成高熔点的在晶内任意分布的球形夹杂，取代了沿晶分布的第Ⅱ类硫化物和串状Al2O3。这种变性了的夹杂物的成份和分布取决于RE/S值和钢中的[O]及其他合金元素的含量。当钢中[S]/[O]值较高时，变质硫化物以RE2S3为主；当[S]/[O]较低时，稀土夹杂物则以REAlO3和RE2O2S为主；当RE/S=3-4时，稀土硫化物能完全取代MnS，此时夹杂物的心部为黑色的RE2O2S；外层为浅灰色的稀土硫化物；少量的Al2O3可以成为稀土硫化物的结晶核心。当稀土加入量适宜时，RE元素不仅能减少夹杂数量，还能使之细化。稀土化合物在热加工时变形，仍保持细小的球形或纺锤形，较均匀地分布在钢中，消除了原先存的沿钢材轧制方向分布的呈条状MnS等夹杂。由于夹杂的变质，能增加夹杂物与晶界之间及晶界抵抗裂纹形成与扩散的能力，从而提高了钢的横向塑性、冲击韧性、疲劳强度、高温塑性、焊接性能等。
　　（三）合金化作用
　　微合金化的强韧化程度决定于微量稀土元素的固溶强化，稀土元素与其他溶质元素或化合物的交互作用，稀土原子的存在状态（原子、夹杂物或化合物）大小、形状和分布，特别是在晶界的偏聚以及稀土对钢表面和基体组织结构的影响等。有关合金化作用的主要研究结果集中在以下方面。
　　1、固溶度及固溶强化。固溶在钢中的稀土元素由于其原子半径比Fe大得多，往往造成晶格畸变能大而处于不稳定状态，常常通过空位扩散机制偏聚在晶界，对固溶体起到强化作用。
　　2、改善晶界和抑制局部弱化。固溶在钢中的稀土往往通过扩散机制富集于晶界，减少了杂质元素在晶界的偏聚。如稀土降低高速钢中晶界磷的偏聚量；Ce降低Sb在α-Fe晶界的偏聚速度，在500℃-600℃范围显著降低Sb在晶界的平衡偏聚浓度；在25MnTiB钢中，加0.4%RE在一定淬火温度范围内阻碍硼在奥氏体晶界的偏聚。改善晶界和抑制局部弱化：如低温脆性、疲劳性能、晶界腐蚀、高温强度和回火脆性等。
　　3、影响杂质元素的溶解度以减少脱溶量。稀土降低碳、氮活度，增加碳、氮的溶解度，降低其脱溶量，使它们不能脱溶进入内应力区域或晶体缺陷中去，减少了钉扎位错的间隙原子数目，因而提高了钢的塑性和韧性。另外，稀土影响碳化物的形态、大小、分布、数量和结构，提高了钢的机械等性能。
　　4、影响相变和改善组织。稀土影响钢的临界点，淬火钢回火以及马氏体和残余奥氏体分解热力学与动力学等。相关试验观察到稀土影响钢的相变温度Acl、Ar1、Ac3、Ar3、Ms、Mf等，改变相变产物的组织结构。在不同的稀土钢中分别观察到细化渗碳体、细化板条马氏体亚结构或位错马氏体结构，改变铁素体的含量和尺寸、抑制碳化物相的聚集粗化等现象。
　　二、稀土对钢组织和性能的影响
　　稀土对钢的组织和性能具有如下的影响：改善钢的疲劳性能；改善易切削钢的切削加工性能；提高不锈钢的耐点蚀能力；改善高合金钢的热加工性；抑制钢的回火脆性、降低韧-脆变温度；提高含磷钢的耐大气腐蚀性；提高高合金钢高温蠕变断裂强度和塑性；改善高合金钢焊缝金属抗晶间裂纹形成能力；影响钢的淬透性；提高铸钢的强度和塑性、韧性；提高铸钢的耐磨性；提高钢和合金的高温抗氧化性能；提高钢的室温强度和硬度；消除Fe2Cr2Al合金高温使用时的脆化倾向。
　　三、稀土在钢中的应用前景
　　在随着我国基础建设步伐加快，不仅使钢材的需求量大大增加，而且还要求钢材的质量有较大提高，除了要求钢材具有高的强度和韧性外，还要求有良好的耐腐蚀性、抗氧化性等，以满足工业需要。稀土耐候钢、稀土重轨钢、稀土耐热钢、含（Nb、Ti）稀土管线钢、含（V或Mn）稀土结构钢都已工业生产，稀土显著提高提高了钢的耐蚀性、耐磨性、韧塑性、成型性、耐疲劳性等，使合金钢具有更为优越的综合性能。随着国家对海洋资源的大量开发、海上运输业的发展以及海洋强国的建立，都将为稀土耐候钢的广泛应用奠定坚实的基础。例如，对09CuTiRE稀土处理钢来说，加入稀土后使其耐腐蚀性能提高60%，这使得稀土耐候钢将广泛应用于集装箱钢板、造船用钢、海上采油平台用钢等诸多领域。
　　在掌握了稀土在钢中作用机理以及对钢性能影响的基础上，充分发挥稀土元素在钢中的深度净化、有效变质、强效合金化和凝固组织控制作用；深入认识稀土在控制钢的弱化源，降低局域区能态，稀土与金属基体、空位、位错、杂质原子、晶界、相界的交互作用问题。积极利用我国丰富的稀土资源和微量合金元素（V、Ti、Nb等）的优势互补作用，提高钢材质量，增强国际竞争力，把资源优势转化为经济优势。
　　参考文献：
　　1、杜挺.稀土元素在金属材料中的作用和机制[J].金属功