稀土金属的特性及其在钢铁中的作用殷都学刊
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(自然斟学版)1993年第3期
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稀土金属的特性及其在钢铁中的作用
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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6—9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.有时根据性质和用途把稀土金属分为两个系列;一个
是从La到Eu,一个是从Gd到Lu.短系列开始的元素表现出较高化合价,短系列未端表
现出低出化合价.这正符合4f亚层上电子排布1—7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2O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—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.
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
16Mn钢
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夹杂物方面更为有效.
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(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响;微台金化作用,减少杂质的作用,”固
氢作用,硬化作用以及在组织性能方面改善铸态组织,抑制品粒长大,改善热塑性,抑制
脆性,提高强性耐磨性和抗氧化抗腐蚀性作用等.进一步认识和研究稀土金属的结构,性
质及反应机理,认识规律,探孵原因,必能开拓出更广阔的应用前景.。