稀土对钢铁相关设备性能的影响分析

张传滨

（山东工业职业学院，山东 淄博 2 5 6 4 1 4）

稀土对钢铁相关设备性能的影响分析

张传滨

（山东工业职业学院，山东 淄博 2 5 6 4 1 4）

稀土作为一种元素综合体，对于钢铁性能具有改变之能，稀土的功能主要包括净化硫养化氢、与钢铁中的元素相互作用形成新的化合物，改变原有化合物质的性能等，从而改变钢铁的韧性、抗压性、耐高温性、耐磨性等系列属性，用于更广泛的用途。

稀土；钢；功能；性能

稀土并不是由单一的元素构成，而是元素周期表中镧系列L a、C e、S m、G d、L u、Ho等共计1 7种元素的统称。这些元素虽然在具体的结构、性能等方面是存在差异的，但是不能否认其在总体的结构和性能方面呈现出相似性，也正是因为如此，才将其归为一个元素系。与其他元素系相比，稀土元素化学性质较为活泼，具有较好的延展性，这使得稀土元素在钢铁冶炼时具有优异的性能。

1 稀土在钢铁冶炼时的功能

稀土对钢铁性能的影响，主要通过与杂质的相互作用进行：其一是通过合金化和变质，对钢铁中杂质的形态与分布进行改变，从而使钢铁强度和韧性发生变化；其二是与杂质融合，使杂质对钢铁性能的危害减少。

1.1 净化

稀土本身具有脱氧脱硫之功用。将稀土应用于钢铁制作中，可以有效降低钢铁中氧与硫的数量，同时对氢、铅、磷等低熔点的有害物质的融入起到明显的抑制作用。稀土起到如此功效的原因如下。

其一，减少有害元素偏聚于晶界，在晶界层面上起到净化之效。其二，稀土用于脱氧和脱硫之后，残留量仍然较高，于是便可以与有害元素发生作用形成熔点颇高的化合物质，在不易溶解的情况下被排出钢液，形成净化之功。很多研究和实践证明，利用稀土在制作钢铁时净化，确实可以强化钢铁的质量：在炼耐热钢时加入高镧稀土，可以提高耐热性；在炼T 1 0钢时加入合适比例的稀土，可以强化其韧性，延长其使用寿命（图1）。此外，稀土具有融氢之功。在炼钢时加入稀土，可以吸收大量的氢，成为储存氢的良好材料，这样一来，因为氢而造成的钢铁脆性与白点便会得到有效的抑制。稀土对氢的吸收是通过降低氢的扩展系数与延缓氢的聚集实现的。

图1

1.2 合金化

在净化功能之外，稀土还可以溶解到钢铁材料之中，或者是与其他元素相结合，形成新的化合物质，从而对钢铁的性能造成影响。稀土原子对钢组织进行影响，主要表现在以下方面。

首先是通过与铁互溶，强化固溶度。稀土元素的原子半径皆比铁要大上很多，凭此可以强化固溶度，然而，因为分配系数较小的原因，会随着固液界面的变化而变化，凝聚在晶界或枝晶层面。其次是通过改变断裂过程，提高钢铁的柔韧度。在炼钢时加入镧元素，可以改变其断裂过程，原来的脆性沿晶断裂更新为韧性穿晶断裂。比如：1 0 Mn P钢在零下2 0、6 0、或1 0 0摄氏度时，断口性状皆是准解理断口和沿晶断口的混合，如果利用稀土进行处置，则可以整齐为准解理断口；1 5 Mn P钢在零下6 0摄氏度时断口性状是沿晶断口，加入稀土进行处置，可以转化为准解理断口。断口的不同钢铁柔韧度的不同。而且一般的钢在进行稀土处理后，对钢铁中氮和碳的脱溶量具有明显的降低之效，进而消除由此导致的钢铁蓝脆后果。再次是对晶界起改变之效，从而影响钢铁的多种性能。把稀土加入钢液，可以在钢液凝固时经过扩散过程凝聚在晶界上，起到两个方面的作用，其一是减少杂质的偏聚性，其二对与晶界相关的钢铁性能进行改变。比如：对于降低锑的偏聚速度而言，铈可以起到显著效果，甚至对锑的偏聚浓度在可观的范围之内也能够形成显而易见的影响；如果在淬火温度得宜时加入适量的稀土，可以使硼在奥氏体晶界的偏聚量形成减少之效；关于磷的偏析，稀土也可以显著的阻拦之效，使得钢铁的抗可逆回火脆性得到强化，避免其在低温环境下发生沿晶断裂；而且，稀土对钢铁的疲劳性、抗腐蚀性、抗高低温性都可以形成明显的影响，因为钢铁的这些性质都与晶界相关，稀土对晶界产生重要影响，就是对钢铁的这些性能产生影响。

然后是通过对杂质溶解度形成影响，从而强化钢铁的韧度。稀土在一定的条件下，对于碳和氮的活度形成降低作用，于是，钢铁基体中碳和氮的溶解度便得到了提高，间隙原子数之间的位错得以缩小，钢铁的韧度得到了强化。

之后是对钢铁组织的结构产生影响。其一，稀土对钢铁组织中A r 1、A c 1、Mf等的临界转变温度产生影响，进而对相变形成明显作用；其二，作用于对珠光体组织，稀土对于珠光体组织的数目形成减少之效并且进行细化，从而对珠光体组织的片层间距具有缩小作用，与此同时，铁素体的数目得以成倍扩大；其三，稀土还可以对钢铁组织中的铁素体多少、碳化物是否进行粗化集聚、马氏体结构等产生影响，从而造成钢铁性能的变化。

1.3 变质

在合适的条件下，把稀土加入到钢液中，稀土元素与钢液的元素相互作用后，形成了稀土化合物，这些化合物的熔点高且均匀地弥散分布于钢液中，于是，非均质的形核可以形成形核核心之果，对晶粒的细化具有显著效果。而且，因为稀土具有高度的活性，在其分布于晶界上时，便对晶界的系列条件产生影响，比如性状、张力等，减少了晶粒长大所需的驱动力，并且提高了晶粒长大的所用温度，奥氏体晶粒的长大受到了约束，这导致的结果是细化了凝固组织并且均匀化了碳化物或氮化物的分布。关于钢铁材料中的氧硫化合物质以及与之硬度相等的化合物质，稀土具有重要的改变形态功效。把稀土加入钢铁中，可以弱化硫锰化物质的形成，代之以团球形状的硫化物质或硫氧化物质，这具有两个方面的作用如下。

一方面，在钢铁经受热加工发生形变时，经过加入稀土形成的氧硫化合物质是比较均匀分布的，并且可以维持球形或纺锤形的状态，于是呈现长条状分布的硫化锰等物在轧制时明显减少，钢铁的韧性和疲劳性得到改善。另一方面，稀土化合物的膨胀系数与硫化锰不同，与钢相似，于是，当钢铁热加工冷却使，没有因硫化锰形成的附加应力，钢铁的疲劳性得以促进，抗裂纹形成与进一步扩展的晶界能力得以改善。也就是说，在加入稀土处理后，钢铁的疲劳性、韧性、可塑性等性能都可以得到显著的改善效果。此外，稀土对于碳化物具有变质作用。冶炼时加入稀土，原本长条杆状和尖块状的碳化合物，会成为圆形的颗粒状，碳化合物生长过程和结果的变化，使得钢铁基体的割裂程度减少，从而抗冲击的性能得以促进。而且，稀土对于共晶碳化物也具有影响力，通过使其发生颈缩，变本来的网状为断网状，甚至形成孤立态，这使得奥氏体由大变小，钢铁的基体组织得到强化。

2 稀土对钢铁性能的影响及目前的成就

在目前，利用稀土冶炼出的钢品种包括容器用钢、桥梁用钢、船板用钢、钢轨钢等。这些钢材虽然各具特色，但与一般钢材相比，呈现出抗腐蚀、抗氧化、耐热、耐磨、韧度高、脆性小的共同特征，不过是不同的品种钢材在某个性能方面上更具优势，这说明了稀土的影响独具一格，以下举一些例子进行阐释。

2.1 稀土与钢轨钢

如果钢中L a、C e混合稀土的含量在0.0 2 9%之上：钢轨钢接触疲劳的裂纹得以有效抑制，钢轨表面剥离的状况能够明显得到改善；对于接触产生的贯穿深度以及贯穿角度，钢轨钢也具有减少之效；钢轨钢的强度与抗变形能力也是一流的；而且，因为与氧气的相互作用产生的氧化膜，起到了润滑的作用，在减小摩擦的同时，提高了钢轨的耐磨系数。

2.2 稀土与1 6 Mn R e

1 6 Mn Re主要用于建筑行业用钢以及造船用钢，用稀土进行炼制后，1 6 Mn Re的韧性和可塑性得到了提升，可以满足形状变化的要求；此外，1 6 Mn Re的抗压性能也处于超前水平，具有较高的承重水平。

2.3 稀土与石油钻管钢

稀土对石油钻管钢的影响，主要是通过稀土的净化作用实现的。经过脱硫、脱氧与融氢之后，石油钻管钢的脆性得到改善，耐高温程度也得以提升。

[1]张建，朱兆顺.稀土在钢中的应用[J].金属材料与冶金工程，2 0 0 8(1 0).

[2]胡兴军，子荫.稀土在钢中的应用[J].冶金丛刊，2 0 0 4(0 2).

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