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稀土元素在钢中的作用及机制
发布时间:2024-01-02 浏览:57

  自上世纪60年代起,国内外冶金学者就有关稀土在钢中的作用做了大量的相关研究,也取得了较多重要的成果,并成功地应用于稀土重轨、稀土耐侯等钢种的生产中。但由于稀土元素具有极强的化学活性,在不洁净钢中盲目添加大量稀土,反而会造成钢液的污染,有时还造成水口结瘤等问题。而随着钢铁冶炼控制技术与钢的洁净度不断提高,稀土在钢中的作用将能得到更有效的发挥与控制。因此在当今时代,正确认识稀土在钢中的作用与作用机制十分重要。

  钢中稀土通常以固溶状态和非金属夹杂物或金属间化合物三种形式存在。且钢中的稀土基本存在于夹杂物中,待钢中的稀土超过固浓度时,可以观察到少量的稀土金属间化合物(如Fe17Ce2等)沿晶界析出。当钢中加入稀土后,稀土可置换原先钢中可能存在硅酸盐、氧化铝、铝盐酸及硫化物中相应的金属元素,形成熔点更高的稀土化合物。


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1、净化作用

  稀土在钢中的净化作用主要表现在:深度降低氧、硫的含量,并降低硫、磷、氢、砷、锡、锑、铋、铅等低熔点元素的有害作用。

  钢中加入稀土后,会首先与钢液中的氧、硫反应生成稀土氧化物、氧硫化物、硫化物以降低其含量。采用俄歇能谱与离子探针对高速钢晶界上硫的偏聚进行研究表明,硫含量仅为20ppm时,硫在晶界的偏聚仍明显,加入稀土后,晶界上硫会随之减少。当加入Ce0.03%~0.05%时,奥氏体晶界上的硫会消失。此外,稀土也同样可以减少晶界上磷的偏聚。一定量的稀土可以与钢中的砷、锡、锑、铋、铅等杂质作用形成熔点较高的化合物,如La4Sb3(1690℃),LaSb(1540℃);La4Bi3(1670℃),LaBi(1615℃);Y5Pb3(1760℃),Y5Sn(1940℃)等。

  另一方面,稀土也能抑制这些残余元素在晶界上的偏聚,如在低氧硫纯铁中加入少量的稀土与锑反应,可使富集在晶界的锑转移到晶内,减少锑在α-Fe晶界上的偏聚。而且,稀土可降低氢的扩散,延缓其在裂纹尖端塑性区的富集,从而使裂纹扩展的孕育期以及断裂时间延长。


2、变质作用

  稀土也可以改变夹杂物的性质、形态以及分布,从而提高钢的各项性能。如稀土可控制氧化物、硫化物的形态,使钢中群聚的Al2O3夹杂与长条状的MnS消失,并使之球化并转变为稀土复合夹杂物,但要控制好钢中稀土含量以及RE/S参数(Re代表稀土元素)。由于稀土夹杂物的热膨胀系数与钢接近,从而可以避免钢材热加工冷却时在夹杂物周围产生较大的附加应力,有利于提高钢的疲劳强度,增加夹杂物与晶界抵抗裂纹形成与扩展的能力。而对于硫化物的形态变质则可明显改善钢的高温塑性、横向韧性、疲劳与焊接性能以及耐大气腐蚀性能等等。日本冶金学者报道了在Si-Mn帘线钢中用微量稀土改善夹杂物的组分和形态,提高了热轧过程中夹杂物的塑性指标。其中控制溶解铝为2×10-4%,溶解稀土为1.59×10-4%,SiO2-MnO-Al2O3夹杂物组分中RE氧化物含量在10%。

3、凝固组织控制作用

  稀土在钢中形成较高熔点的化合物,在钢液凝固前析出,呈细小的质点分布在钢液中,作为非均质形核中心,降低钢液结晶的过冷度,因而可细化钢的凝固组织并减少偏析。另外,稀土作为表面活性元素可以使钢液表面张力降低,从而降低了形成临界尺寸的晶核所需的功,使结晶核心增加。


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强化,稀土元素与其它溶质元素或化合物的交互作用,稀土原子的存在状态(原子、夹杂物或化合物)、大小、形状和分布,特别是在晶界的偏聚,以及稀土对钢表面和基体组织结构的影响等。

4.1固溶强化
  稀土元素在铁水中与铁原子是互溶的,但在铁水凝固过程中,由于稀土在铁基固溶体中的分配系数极小,稀土会被固液界面推移并*后富集在枝晶间或晶界。而稀土在钢中的固溶量一般只有几个到几十个ppm,极少达到几百个ppm,由于稀土原子半径比铁原子大,故也能对钢起到一定的固溶强化作用。

4.2抑制局部弱化,改善和强化晶界

  钢中固溶稀土通过扩散机制富集于晶界,可以减少其它杂质元素在晶界的偏聚,强化晶界,并改善与晶界相关的性能,如高温强度、晶界腐蚀、疲劳性能、低温脆性和回火脆性等。如稀土可减少磷的区域偏析,使其不再富集于晶界,可明显强化10MnP(RE)钢的奥氏体,提高抗可逆回火脆性能力,并在低温冲击打断后不发生晶界断裂。

4.3影响杂质元素的溶解度,减少其脱溶量

  稀土可降低碳、氮的活度,增加其在钢中的溶解度,减少其脱溶量,使之不能脱溶进入内应力区和晶体缺陷中,提高钢的塑性和韧性。此外,稀土也可影响碳化物的大小、形态、数量、分布及结构,从而可提高钢的相关机械性能。

4.4影响相变和改善组织

  稀土对相变的影响包括影响钢的临界点,淬火钢回火以及马氏体和残余奥氏体分解热力学与动力学等。稀土还可影响钢的相变温度,并改变相变产物的组织结构。此外,在不同的稀土钢中,稀土还可起到细化渗碳体,细化板条马氏体亚结构或位错马氏体结构,改变铁素体的含量和尺寸,抑制碳化物的聚集粗化等作用。

4.5稀土元素与其它微量合金元素的交互作用

  例如,稀土铈分别与铌、钒、铜、钛的活度相互作用系数为负值,彼此降低活度和增加溶解度,有利于提高这些合金元素的利用率。而铈与磷的活度相互作用系数为正值,彼此增加活度,降低溶解度。

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