稀土金属的特性及其在钢铁中的作用

1、稀土金属的特性及其在钢铁中的作用殷都学刊f,稀三,午问.衔破 lI（ 自然斟学版 ）1993 年第 3 期.I 6 一稀土金属的特性及其在钢铁中的作用田沂 ji 稀土金属（Re）的研究日益深入,稀土工业在迅速发展.我们应当对稀土的性质和 在钢铁中的作用有较多的认识 .1 稀土金属的特性稀土金属指钪 ,钇和 1;个镧系元素 .它们的原子结构有两个明显的特征 :一是稀 土原子的价电子基本构型同为 （n,1）dns., 有三个价电子 . 二是由于镧系收缩形成的 稀土原子相互间的原子半径 , 离子半径相差不大 . 这两个因素决定了稀土金属之间性质 十分相似 , 化学活性很强 .稀土金属单质多显银白色或

2、灰色 , 有金属光泽 , 辩和钕显淡黄色 . 钪的比重为 3. 】, 钇的比重为 4.3. 其余介于 69 之间. 镧和铈柔软可塑与锡相似 . 钕和钐的硬度和 铁相似 ,稀土金属的熔点大致随着原子尺寸的减小而顿序增高 . 按 La 到 cd 到 Lu 的顺序 由 9000到 1700?逐渐增加 .稀土的化学活性很大 , 与许多元素反应 , 尤其与氧 ,硫反应最为强烈稀土金属在 化合物中多为三价 , 有些元素表现出三价或四价稀土元素以氧化物的形式存在于自 然界,因彼此性质相似成为分离稀土的难题 . 从化合物中分离稀土的方法一般有分步结 晶法 , 分级沉淀法, 氧化还原法及离子交换法 . 有时根据

3、性质和用途把稀土金属分为两个系 列; 一个是从La到Eu, 个是从Gd到Lu.短系列开始的元素表现出较高化合价,短系列现出低出化合价 .这正符合 4f 亚层上电子排布 17成半充满状态 ,另一为 8 一】4 到全充满状态 . 半充满或全充满的状态表现出较稳定的低价性质 . 还依比重数值称作轻 稀土金属和重稀土金属 . 这均显示结构决定着性质的原则 .2 稀土在钢铁中的作用稀土在钢铁中应用很广 , 在稀土处理钢的品种方面已纳入标准 , 通过鉴正的品种 达40多个，我国经常生产的已有20多种.稀士处理的铸铁有球铁 ,蠕铁及灰铁三大类 .我国还发展了一些中国特色的用作球化剂, 蠕化剂及孕育剂的稀土添

4、加剂 .稀土的应用是其特殊结构及性质的体现 ,较多的核电荷 ,较小的半径 ,较少的价 电子决定稀土的活性比一般金属强，和Ca相似.其强烈的还原性在钢冶炼中作为脱氧剂 , 脱硫剂许多实验还证明 ,钢中加稀土后 氧含量明显降低 . 其脱硫性 : 有人算出铈脱硫平衡常数 1600?下为 10I3-10 稀土与 氢的强烈作用能提高氢在钢中的溶解度 , 经过充分去氢的稀土加入钢后 ,产生”固 氢”作用 , 可以抑制钢中氢引起的脆性和”白点” .稀土在较低的温度下与氨的亲合力比液态钢中大得多 , 可以改善与氨有关的性 质 , 如使钢的奥氏体晶粒长大倾向减弱 , 降低高氮钢的脆性转变温度使珠完体中的渗 碳体

5、变薄,变短, 且发生弯曲, 甚至发生断裂 ,成为不连续的短棒状渗碳体 .稀土金属的强烈活性可以消除钢中的有害杂质 ,一定量的稀土和钢中磷 , 砷, 锑, 铅等低溶点杂质交互作用 , 一方面形成溶点较高的化台物 , 另一方面抑制这些杂质在 晶界上的偏析. 在低碳钢中当暑 ?6.7 时, 即出现稀土脱砷产物 . 在低氧硫纯铁中加入少量稀土足以与锑反应并使富集在晶界的锑转移到晶内,减少锑在一Fe晶界上的偏聚稀土在钢中能改变原来杂物的形状和分布 . 如在一定的氧 , 硫含量下加入适量的 稀土, 可得到分散的球状夹杂物 , 超过适宜量则出现聚集的稀土夹杂物 . 总体上讲 钢中加入稀土使夹杂物含量减少 .

6、虽然稀土原子半径较铁为大 , 但从内耗测定和稀土对钢某些性能的影响来看 , 稀 土在钢中是可能互溶的 . 稀土在钢中的固溶作用与微台金化作用引起晶界结构 , 化学 成份和能量的变化 , 甚至影响其它元素的扩散及新相的成核与长大 . 铜中稀土含量因不同 钢种,不同的冶炼方法和不同的加稀土方法有很大差异 . 钢中氧 , 硫含量低会使稀土含量 增大.钢中铝含量增加 , 稀土含量也增大 . 随着加入稀土总量的增加 , 稀土的固 溶量也增大 . 稀土在钢中的分布是不均匀的 , 多偏聚于晶界 , 因为晶界上有一些原子较疏松的区域 这些偏聚和与其它元素的交互作用对钢的组织和性能产生明显的影响 . 稀土对钢的

7、宏观组织 , 微观组织 , 晶粒度的影响有过许多研究和报道 , 例如, 稀土 使不锈钢钢锭的宏观组织致密，表面质量改善，使15CrMov钢枝状晶显着减少，晶轴 变短.稀土在碳素钢中有细化晶粒的效果 .对钢的组织和性能的影响作用主要有 : 能降低钢的液相线和固相线 ,使液钢的流动性增大.改变铸态组织 , 使钢的晶粒细化 , 夹杂物的分布和状态得到改善 ,提高铸件致密性,增强塑性.在不锈钢 , 高速钢等高台金钢中稀土可以明显改善钢的热塑性 ,扩大可塑温度范围. 这是因为稀土减少了晶界上硫的偏析 , 及其与晶界上低熔点有害杂质的作用 同样的道理, 稀土也能减弱高碳工具钢淬火开裂倾向 . 通过稀土强化

8、晶界可改善耐热钢 及高温台金的热强性 .提高钢轨,轴承钢及某些铸铁的耐磨性 .提高疲劳性能 ,改善焊接性 能等稀土的抗腐蚀作用有许多报道 . 钢中含铈量大于 0.015 时在盐酸和硫酸中的腐 蚀行为有了显着改善 . 含铈 0.056 的钢改善了抗点腐蚀能力和在 4o 氯化钙溶液中 的抗应力腐蚀性能.对低硫钢的抗H.S腐蚀作用稀土表现尤为突出；含硫0.005的 i6Mn钢冈对 H.s 介质的腐蚀破裂和诱发裂纹仍很敏感 ,加入适量稀土后明显提高了抗 Hs 腐蚀破坏能力.在低硫钢中加入稀土，钢的韧性及疲劳性能仍有改善.在低硫16Mn钢的 研究中发现,稀土比钙在控制夹杂物形态和彻底消除 MnS夹杂物方

9、面更为有效（ 下转 51 页 ）:工I口 f图8I图9（ 上接第 7 页 ） 稀土抗腐蚀性能的原因可能是稀土的加入降低了钢中非金属夹杂物的含量, 减少了腐蚀的基础条件 . 再者稀土的电极电位较高 , 在腐蚀过程中伴随放氢反应时在钢 的阳极出现强烈极化而降低了腐蚀速度 . 稀土的抗高温氧化作用也可用此原因解释 .对于 不锈钢中稀土的抗腐蚀作用 ,也有的解释为稀土通过捕获合金中的硫 ,防止了稀土 ,Ni 的硫化,改善了 Ni, 合金的热腐蚀抗力 稀土在钢铁中的作用还处于研究实验阶段 , 有待在工业生产中大面积推广 .不同 的实验条件可能得出不同的结论 ,作出不同的解释 . 总之, 稀土金属原子结构的特殊 性决定它们具有与一般金属不同的性质 . 钢铁中运用不同的方法和形式加入稀土或稀土 化台物能够对钢铁的组织结构性能等产生不同程度的影