稀土處理鋼

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於20世紀50年代。60年代陸續發現稀土元素能改善鋼的性能，一些品種的稀土處理鋼投產，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量達到高峯。隨着鈣處理鋼的出現，稀土處理鋼在西方各國的產量出現下降趨勢，而在中國稀土處理鋼的應用開發和理論研究正方興未艾。

稀土處理的鋼種包括工程結構鋼、齒輪鋼、超高強度結構鋼、彈簧鋼、軸承鋼、工具鋼、耐候鋼、不鏽耐酸鋼、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，改善鋼的塑性和韌性，特別是橫向性能，並可使鋼具有較好的衝壓性和焊接性。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、橋樑工程等。09MnRE鋼為塑性和深衝性良好的汽車及車輛用鋼。14MnVTiRE鋼為440MPa級具有良好低温韌性和焊接性的鋼種，用於船舶、橋樑、高壓容器等。14MnMoVBRE鋼屬於低碳貝氏體鋼，熱軋後可得到貝氏體組織，為490MPa級鋼種，用於石油、化工工業中製造高壓容器。15MnMoVNRE鋼也屬於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，大量應用於貨車和車輛。

S20ARE鋼具有較高的時效衝擊值、低温韌性和深衝性能。

大量用於農機齒輪的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，除用於重負荷齒輪外，還用於重負荷的曲軸。

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鋼為有良好低温韌性的裝甲板用鋼。

在含硫易削鋼中加入稀土元素來改變夾雜物組成、形態，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鋼用於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，高温下使用壽命也提高。0Cr23Al6Y合金有較高的成材率，在1350℃下仍有較好的抗氧化和抗滲碳性能。

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，細化鑄態組織。ZG20RE用於鑄造鋼渣罐，稀土元素提高其抗氧化性和抗熱裂性，提高其使用壽命。35CrMnMoRE鑄鋼用於鑄造大截面關鍵機械零、部件。在ZGMnl3RE鋼中稀土元素改善了結晶時的柱狀晶，減少碳化物析出，提高其韌性，降低淬火温度，提高使用壽命。

稀土元素影響鋼中非金屬夾雜物的類型、數量和形態；鋼中的組織轉變；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、深衝性等。稀土元素在鋼中的作用為：淨化作用、變質作用、合金化作用。

根據熱力學計算所得出的稀土化合物的標準生成自由焓，顯示了稀土元素與週期表中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，能很好脱氧。稀土元素與鋼液中硫也起反應，生成稀土硫化物RE2S3、RES、RE3S4、RES2和硫氧化物RE2O2S3，即能脱硫。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元素在鋼中的危害，淨化鋼質。在鋼中氧和硫含量範圍，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，在鎮靜鋼中以第Ⅱ類MnS存在，鑄態時沿晶界呈共晶分佈，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起變質作用，把塑性MnS變成高熔點、不變形的稀土變質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，並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，並且比鈣在消除MnS方面更徹底。

稀土元素對氧化物的變質作用使Al2O3轉化為硬度較低、熱膨脹係數較大的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，溶解於鋼液的稀土元素可吸附在正在長大的固態晶核表面，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域偏析，縮短柱狀晶區及細化等軸晶粒。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%範圍)。由於稀土元素的原子半徑遠大於鐵，為減少在基體中引起的畸變能，固溶的稀土原子趨向於與位錯、晶界等晶體缺陷交互作用，形成溶質原子的晶界偏聚和溶質氣團。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在：

鋼中稀土元素和磷、砷、錫、銻等低含量時，稀土元素優先偏聚於晶界，降低上述雜質元素的晶界平衡偏聚濃度。

稀土元素和雜質元素在鋼中有較高濃度時，兩者將在晶界發生共偏聚。稀土元素的晶界偏聚改變晶界結構，引起晶界化學成分和能量的變化。並增加晶界原子間結合強度，降低雜質元素引起的晶界脆化。稀土元素對相變的影響表現在其偏聚在奧氏體晶界處，抑制過冷奧氏體組織轉變時的晶界形核，增長孕育期，使先共析鐵素體和珠光體轉變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元素鉛、錫、銻、鉍、砷的晶界偏聚，提高了高速鋼、不鏽耐酸鋼，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温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係數，偏聚於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力區富集過程中起緩衝和調節作用，因而稀土有抑制氫脆的作用。在耐熱鋼和合金中，固溶稀土元素在高温氧化時優先溶於表面Cr2O3膜中，穩定氧化膜，抑制氧化膜晶粒長大、改善塑性，使膜不易脱落，形成表面緻密完整的複合保護膜。

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，在高温下易燃燒，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生再氧化。必須選擇適當的加入方法，使這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；模內加入法；連鑄結晶器喂絲法；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：轉爐鋼為15%～34%，電爐鋼為30%～50%。脱硫率為20%～75%，小型鋼包脱硫率通常不如大型鋼包。基本上不發生水口結瘤。

在鋼錠模內吊掛稀土混合金屬棒。鋼液中稀土與雜質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，鋼的組織更為緻密，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。

使用無級調速喂絲機連續地向結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。稀土金屬絲通過結晶液麪上保護渣進入鋼液。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，在斷面上分佈基本均勻。稀土有效地改善鋼中硫化物形態和分佈，連鑄坯結晶組織中柱狀晶區減薄，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。其渣繫有Ce02-CaO-CaF2三元渣系，CeO2-MgO-CaO-CaF。四元渣系。經電渣重熔後，鋼中含0.014%～0.03%稀土元素。

中國生產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製三元以上覆合合金；高品位的合金用作鍊鋼添加劑。另外還生產富鑭稀土硅鐵合金，總稀土含量中鑭佔50%以上。富鈰衍土硅鐵合金，總稀土含量中鈰佔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，製成絲、棒，用於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。

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