稀土元素在鋼中的作用及機(jī)制

來源：津鈉儀器（上海）有限公司 2025年07月30日 07:28

自上世紀(jì)60年代起，國內(nèi)外冶金學(xué)者就有關(guān)稀土在鋼中的作用做了大量的相關(guān)研究，也取得了較多重要的成果，并成功地應(yīng)用于稀土重軌、稀土耐侯等鋼種的生產(chǎn)中。但由于稀土元素具有的化學(xué)活性，在不潔凈鋼中盲目添加大量稀土，反而會(huì)造成鋼液的污染，有時(shí)還造成水口結(jié)瘤等問題。而隨著鋼鐵冶煉控制技術(shù)與鋼的潔凈度不斷提高，稀土在鋼中的作用將能得到更有效的發(fā)揮與控制。因此在當(dāng)今時(shí)代，正確認(rèn)識(shí)稀土在鋼中的作用與作用機(jī)制十分重要。

鋼中稀土通常以固溶狀態(tài)和非金屬夾雜物或金屬間化合物三種形式存在。且鋼中的稀土基本存在于夾雜物中，待鋼中的稀土超過固濃度時(shí)，可以觀察到少量的稀土金屬間化合物(如Fe17Ce2等)沿晶界析出。當(dāng)鋼中加入稀土后，稀土可置換原先鋼中可能存在硅酸鹽、氧化鋁、鋁鹽酸及硫化物中相應(yīng)的金屬元素，形成熔點(diǎn)更高的稀土化合物。

1、凈化作用

稀土在鋼中的凈化作用主要表現(xiàn)在：深度降低氧、硫的含量，并降低硫、磷、氫、砷、錫、銻、鉍、鉛等低熔點(diǎn)元素的有害作用。

鋼中加入稀土后，會(huì)首先與鋼液中的氧、硫反應(yīng)生成稀土氧化物、氧硫化物、硫化物以降低其含量。采用俄歇能譜與離子探針對高速鋼晶界上硫的偏聚進(jìn)行研究表明，硫含量僅為20ppm時(shí)，硫在晶界的偏聚仍明顯，加入稀土后，晶界上硫會(huì)隨之減少。當(dāng)加入Ce0.03%～0.05%時(shí)，奧氏體晶界上的硫會(huì)消失。此外，稀土也同樣可以減少晶界上磷的偏聚。一定量的稀土可以與鋼中的砷、錫、銻、鉍、鉛等雜質(zhì)作用形成熔點(diǎn)較高的化合物，如La4Sb3(1690℃)，LaSb(1540℃);La4Bi3(1670℃)，LaBi(1615℃);Y5Pb3(1760℃)，Y5Sn(1940℃)等。

另一方面，稀土也能抑制這些殘余元素在晶界上的偏聚，如在低氧硫純鐵中加入少量的稀土與銻反應(yīng)，可使富集在晶界的銻轉(zhuǎn)移到晶內(nèi)，減少銻在α-Fe晶界上的偏聚。而且，稀土可降低氫的擴(kuò)散，延緩其在裂紋塑性區(qū)的富集，從而使裂紋擴(kuò)展的孕育期以及斷裂時(shí)間延長。

2、變質(zhì)作用

稀土也可以改變夾雜物的性質(zhì)、形態(tài)以及分布，從而提高鋼的各項(xiàng)性能。如稀土可控制氧化物、硫化物的形態(tài)，使鋼中群聚的Al2O3夾雜與長條狀的MnS消失，并使之球化并轉(zhuǎn)變?yōu)橄⊥翉?fù)合夾雜物，但要控制好鋼中稀土含量以及RE/S參數(shù)(Re代表稀土元素)。由于稀土夾雜物的熱膨脹系數(shù)與鋼接近，從而可以避免鋼材熱加工冷卻時(shí)在夾雜物周圍產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，有利于提高鋼的疲勞強(qiáng)度，增加夾雜物與晶界抵抗裂紋形成與擴(kuò)展的能力。而對于硫化物的形態(tài)變質(zhì)則可明顯改善鋼的高溫塑性、橫向韌性、疲勞與焊接性能以及耐大氣腐蝕性能等等。日本冶金學(xué)者報(bào)道了在Si-Mn簾線鋼中用微量稀土改善夾雜物的組分和形態(tài)，提高了熱軋過程中夾雜物的塑性指標(biāo)。其中控制溶解鋁為2×10-4%，溶解稀土為1.59×10-4%，SiO2-MnO-Al2O3夾雜物組分中RE氧化物含量在10%。

3、凝固組織控制作用

稀土在鋼中形成較高熔點(diǎn)的化合物，在鋼液凝固前析出，呈細(xì)小的質(zhì)點(diǎn)分布在鋼液中，作為非均質(zhì)形核中心，降低鋼液結(jié)晶的過冷度，因而可細(xì)化鋼的凝固組織并減少偏析。另外，稀土作為表面活性元素可以使鋼液表面張力降低，從而降低了形成臨界尺寸的晶核所需的功，使結(jié)晶核心增加。

4、微合金化作用

稀土的微合金化包括微量稀土元素的固溶強(qiáng)化，稀土元素與其它溶質(zhì)元素或化合物的交互作用，稀土原子的存在狀態(tài)(原子、夾雜物或化合物)、大小、形狀和分布，特別是在晶界的偏聚，以及稀土對鋼表面和基體組織結(jié)構(gòu)的影響等。

4.1固溶強(qiáng)化
稀土元素在鐵水中與鐵原子是互溶的，但在鐵水凝固過程中，由于稀土在鐵基固溶體中的分配系數(shù)極小，稀土?xí)还桃航缑嫱埔撇?后富集在枝晶間或晶界。而稀土在鋼中的固溶量一般只有幾個(gè)到幾十個(gè)ppm，極少達(dá)到幾百個(gè)ppm，由于稀土原子半徑比鐵原子大，故也能對鋼起到一定的固溶強(qiáng)化作用。

4.2抑制局部弱化，改善和強(qiáng)化晶界

鋼中固溶稀土通過擴(kuò)散機(jī)制富集于晶界，可以減少其它雜質(zhì)元素在晶界的偏聚，強(qiáng)化晶界，并改善與晶界相關(guān)的性能，如高溫強(qiáng)度、晶界腐蝕、疲勞性能、低溫脆性和回火脆性等。如稀土可減少磷的區(qū)域偏析，使其不再富集于晶界，可明顯強(qiáng)化10MnP(RE)鋼的奧氏體，提高抗可逆回火脆性能力，并在低溫沖擊打斷后不發(fā)生晶界斷裂。

4.3影響雜質(zhì)元素的溶解度，減少其脫溶量

稀土可降低碳、氮的活度，增加其在鋼中的溶解度，減少其脫溶量，使之不能脫溶進(jìn)入內(nèi)應(yīng)力區(qū)和晶體缺陷中，提高鋼的塑性和韌性。此外，稀土也可影響碳化物的大小、形態(tài)、數(shù)量、分布及結(jié)構(gòu)，從而可提高鋼的相關(guān)機(jī)械性能。

4.4影響相變和改善組織

稀土對相變的影響包括影響鋼的臨界點(diǎn)，淬火鋼回火以及馬氏體和殘余奧氏體分解熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)等。稀土還可影響鋼的相變溫度，并改變相變產(chǎn)物的組織結(jié)構(gòu)。此外，在不同的稀土鋼中，稀土還可起到細(xì)化滲碳體，細(xì)化板條馬氏體亞結(jié)構(gòu)或位錯(cuò)馬氏體結(jié)構(gòu)，改變鐵素體的含量和尺寸，抑制碳化物的聚集粗化等作用。

4.5稀土元素與其它微量合金元素的交互作用

例如，稀土鈰分別與鈮、釩、銅、鈦的活度相互作用系數(shù)為負(fù)值，彼此降低活度和增加溶解度，有利于提高這些合金元素的利用率。而鈰與磷的活度相互作用系數(shù)為正值，彼此增加活度，降低溶解度。

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