稀土处理钢

加入适量稀土元素以改变其组织和性能的钢

稀土处理钢(rare earth streated steel)是加入适量稀土元素以改变其组织和性能的钢。稀土元素包括周期表中第Ⅳ周期的钪，第V周期的钇和第Ⅵ周期的镧族元素镧、铈、镨、钕等总共17个元素。这些元素具有相似的电子层结构，在外面的d和s层都有3个价电子，因而它们有相似的化学、物理性质，且在矿石中往往是共生的，提炼时不易分离。在冶金工业中应用也常为混合稀土金属。

资源

中国有丰富的稀土资源，储量为世界之冠。

钢中加入稀土元素始于20世纪50年代。60年代陆续发现稀土元素能改善钢的性能，一些品种的稀土处理钢投产，同时开展了稀土在钢中作用的机理研究。到70年代世界稀土处理钢的产量达到高峰。随着钙处理钢的出现，稀土处理钢在西方各国的产量出现下降趋势，而在中国稀土处理钢的应用开发和理论研究正方兴未艾。

钢种

稀土处理的钢种包括工程结构钢、齿轮钢、超高强度结构钢、弹簧钢、轴承钢、工具钢、耐候钢、不锈耐酸钢、耐热钢和电热合金、高锰钢、铸钢等。

工程结构钢

稀土元素主要用来控制夹杂物形态，改善钢的塑性和韧性，特别是横向性能，并可使钢具有较好的冲压性和焊接性。中国稀土处理钢有如下牌号：用量最大的是16MnRE，用在造船、压力容器、桥梁工程等。09MnRE钢为塑性和深冲性良好的汽车及车辆用钢。14MnVTiRE钢为440MPa级具有良好低温韧性和焊接性的钢种，用于船舶、桥梁、高压容器等。14MnMoVBRE钢属于低碳贝氏体钢，热轧后可得到贝氏体组织，为490MPa级钢种，用于石油、化工工业中制造高压容器。15MnMoVNRE钢也属于低碳贝氏体高强度钢。

耐候钢

稀土元素可减少磷的偏析，提高钢耐大气腐蚀及改善韧性和塑性，中国主要牌号有09CuPTiRE、08CuPVRE，大量应用于货车和车辆。

深冲用钢

S20ARE钢具有较高的时效冲击值、低温韧性和深冲性能。

渗碳钢

大量用于农机齿轮的25MnTiBRE钢具有良好的耐磨性、韧性及低的缺口敏感性，高的接触疲劳寿命。18Cr2Ni4WRE钢的有较高的淬透性，具有良好的综合力学性能和工艺性能，除用于重负荷齿轮外，还用于重负荷的曲轴。

弹簧钢

稀土元素提高弹簧钢的淬透性和疲劳寿命，中国牌号有60Si2MnRE，55SiMnMoBRE等。

高强度结构钢

含稀土的中国牌号623钢为铸造装甲用钢，603钢为有良好低温韧性的装甲板用钢。

易切削钢

在含硫易削钢中加入稀土元素来改变夹杂物组成、形态，在切削时可在刀具刃部表面形成稀土夹杂物覆盖膜，改善刀具润滑，切屑也易断，中国牌号有20CrMnTiRES，20CrRES等。

耐热钢

稀土元素提高炉用耐热钢的蠕变断裂寿命和持久塑性，改善抗氧化和抗气体腐蚀性能，如中国牌号3Cr24Ni7NRE钢用于在含氧和硫的气氛中使用的耐热件。

电热合金

对在1000～1200C使用的Fe—Cr—Al电热合金，稀土元素能显著地提高其成材率，高温下使用寿命也提高。0Cr23Al6Y合金有较高的成材率，在1350℃下仍有较好的抗氧化和抗渗碳性能。

轴承钢

GCrl7SiMnRE轴承钢有较高的淬透性和接触疲劳寿命。

铸钢

稀土元素可提高钢液的流动性和铸件的抗热裂能力，减少线收缩，减少铸件偏析，细化铸态组织。ZG20RE用于铸造钢渣罐，稀土元素提高其抗氧化性和抗热裂性，提高其使用寿命。35CrMnMoRE铸钢用于铸造大截面关键机械零、部件。在ZGMnl3RE钢中稀土元素改善了结晶时的柱状晶，减少碳化物析出，提高其韧性，降低淬火温度，提高使用寿命。

稀土元素作用

稀土元素影响钢中非金属夹杂物的类型、数量和形态；钢中的组织转变；细化晶粒；改善钢的横向性能、冷脆性；抑制回火脆性；提高钢的热塑性、热强性、疲劳性能、耐磨性、抗氢致脆性、抗氧化性；改善焊接性、深冲性等。稀土元素在钢中的作用为：净化作用、变质作用、合金化作用。

净化作用

根据热力学计算所得出的稀土化合物的标准生成自由焓，显示了稀土元素与周期表中ⅣB族的硅、锡、铅，ⅤB族的磷、砷、锑及ⅥB族的氧、硫、硒等有极强的亲和力。在冶炼时，稀土元素加入钢液中首先与钢液中氧起作用，生成稀土氧化物RE2O3、REO2，能很好脱氧。稀土元素与钢液中硫也起反应，生成稀土硫化物RE2S3、RES、RE3S4、RES2和硫氧化物RE2O2S3，即能脱硫。稀土元素还能与钢中低熔点的锡、铅、磷、砷、锑等形成高熔点的金属间化合物La2Sn、LaP、CeSb等，从而消除了这些杂质元素在钢中的危害，净化钢质。在钢中氧和硫含量范围，稀土元素极易生成稀土硫氧化物RE2O2S。

变质作用

钢中含少量硫时存在MnS夹杂物，在镇静钢中以第Ⅱ类MnS存在，铸态时沿晶界呈共晶分布，对钢的性能危害最大，显著降低热轧材横向及厚度方向的韧性和塑性。加入稀土元素对MnS起变质作用，把塑性MnS变成高熔点、不变形的稀土变质硫化物或硫氧化物如RE2S3和RE2O2S。当钢中稀土和硫比值达到3时，就可以获得彻底的硫化物形态控制，得到完全的RE2S3。，从而改善了热轧钢的横向塑性和韧性，提高铸钢的塑性，减少过热倾向，并可减轻氢致开裂倾向。即便在低硫(＜0.005%s)钢中，适量稀土仍然可使夹杂物形貌进一步改善，热塑性、横向韧性和塑性进一步提高，并且比钙在消除MnS方面更彻底。

稀土元素对氧化物的变质作用使Al2O3转化为硬度较低、热膨胀系数较大的REAlO3和RE2O2S，减少了Al2O3对疲劳性能的危害，对高周疲劳和低周疲劳都很有利。

在铸钢中，稀土元素在钢液中形成的细微夹杂物在凝固过程中作为非自发形核核心，使凝固过程获得高的形核率。稀土元素又是表面活性元素，溶解于钢液的稀土元素可吸附在正在长大的固态晶核表面，形成薄的富集层，降低表面能，阻碍晶体生长，从而降低了晶体长大速率，细化树枝状晶体和抑制柱状晶生长，进而减少枝晶偏析和区域偏析，缩短柱状晶区及细化等轴晶粒。稀土元素还可改善铸钢的铸造性能，增加钢液的流动性，减少自由线收缩。

合金化作用

稀土元素除镧外在钢中形成RE2Fe17或REFe5金属间化合物，这些稀土金属间化合物和镧在铁中有一定的固溶度(在0.04%～0.09%范围)。由于稀土元素的原子半径远大于铁，为减少在基体中引起的畸变能，固溶的稀土原子趋向于与位错、晶界等晶体缺陷交互作用，形成溶质原子的晶界偏聚和溶质气团。稀土元素的晶界偏聚为晶界平衡偏聚。

稀土元素影响

稀土元素对磷、砷、锡、锑等的晶界偏聚有强烈的影响，它们之间在晶界的相互作用表现在：

位置竞争作用

钢中稀土元素和磷、砷、锡、锑等低含量时，稀土元素优先偏聚于晶界，降低上述杂质元素的晶界平衡偏聚浓度。

共偏聚作用

稀土元素和杂质元素在钢中有较高浓度时，两者将在晶界发生共偏聚。稀土元素的晶界偏聚改变晶界结构，引起晶界化学成分和能量的变化。并增加晶界原子间结合强度，降低杂质元素引起的晶界脆化。稀土元素对相变的影响表现在其偏聚在奥氏体晶界处，抑制过冷奥氏体组织转变时的晶界形核，增长孕育期，使先共析铁素体和珠光体转变C曲线向右移，增高钢的淬透性。稀土元素的晶界偏聚阻碍晶界迁移，抑制晶粒长大。稀土可使珠光体转变中碳化物细化，也可使马氏体板条细化。

稀土元素的晶界偏聚减低了硫和低熔点金属杂质元素铅、锡、锑、铋、砷的晶界偏聚，提高了高速钢、不锈耐酸钢，耐热钢和耐热合金的热塑性。稀土元素可提高耐热钢和耐热合金高温下晶界强度和持久塑性。固溶的稀土元素可降低氢在钢中的扩散系数，偏聚于晶界和位错的稀土元素形成了对氢的可逆陷阱，使氢在裂纹尖端三向拉伸应力区富集过程中起缓冲和调节作用，因而稀土有抑制氢脆的作用。在耐热钢和合金中，固溶稀土元素在高温氧化时优先溶于表面Cr2O3膜中，稳定氧化膜，抑制氧化膜晶粒长大、改善塑性，使膜不易脱落，形成表面致密完整的复合保护膜。

元素加入方法

钢中稀土加入方法是一个有独特意义的问题。稀土元素燃点低，在高温下易燃烧，易与熔渣中氧化物作用而进入渣中，已进入钢液的稀土元素在与熔渣、耐火材料或空气接触时发生再氧化。必须选择适当的加入方法，使这种损失减小到最低程度。主要稀土元素加入方法有：钢包压入法；模内加入法；连铸结晶器喂丝法；电渣重熔法等。

钢包压入法

向钢包中压入稀土硅铁合金，其稀土含量在30%～35%。稀土的回收率：转炉钢为15%～34%，电炉钢为30%～50%。脱硫率为20%～75%，小型钢包脱硫率通常不如大型钢包。基本上不发生水口结瘤。

模内加入法

在钢锭模内吊挂稀土混合金属棒。钢液中稀土与杂质的作用比钢包压入法要充分，形成非金属夹杂物滞留在钢中，但非金属夹杂物形状得到控制，低倍夹杂物量没有增加，钢的组织更为致密，钢材横向性能有明显改善。稀土回收率一般在65%～90%，部分稀土非金属夹杂物上浮到帽口。

连铸结晶器喂丝法

使用无级调速喂丝机连续地向结晶器直接喂稀土金属丝，由铸坯拉速确定喂丝速度，均匀定量加入稀土元素。稀土金属丝通过结晶液面上保护渣进入钢液。稀土回收率在70%～90%，钢中非金属夹杂物基本上被留在连铸坯中，在断面上分布基本均匀。稀土有效地改善钢中硫化物形态和分布，连铸坯结晶组织中柱状晶区减薄，硫偏析减小。

电渣重熔法

电渣重熔时利用含稀土氧化物渣系，同时加入一定量还原剂，使稀土被还原进入钢中。其渣系有Ce02-CaO-CaF2三元渣系，CeO2-MgO-CaO-CaF。四元渣系。经电渣重熔后，钢中含0.014%～0.03%稀土元素。