冶金稀土添加劑運用

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1黑色冶金中的應用

1.1鑄鐵中的應用

稀土在鑄鐵中的應用始于20世紀40年代。鐵水中加入稀土，稀土能與氧、硫作用，起到脫硫去氧的作用，鐵水澆鑄時，能促進石墨向蠕蟲狀或球狀轉變［1］。高鉻白口鑄鐵中加入0.8%~1.0%稀土硅鐵合金，稀土促使鑄鐵中長條狀碳化物趨于變短、細化并均勻分布，鑄態(tài)組織改善，鑄鐵沖擊韌性和抗磨性顯著提高［2］。普通灰鑄鐵（C2.5%~3.6%）里添加不超過0.1%的混合稀土，稀土元素與鐵液中硫、氧反應，生成稀土化合物，清除石墨棱面上的表面活性元素，促使石墨向蠕球狀轉化，鑄鐵金相組織細化、均勻，材料的抗拉強度、硬度及耐磨性得到顯著提高［3］。稀土在鑄鐵中的突出作用表現(xiàn)為使石墨向球形轉變；稀土元素易與Fe中O、S等有害雜質形成稀土化合物，減少鐵水澆鑄時氣孔和裂紋的產生；稀土加入鐵水中能顯著提高鐵水的流動性，減少冷卻時偏析現(xiàn)象，改善鑄態(tài)組織，改變非金屬夾雜物的形狀和分布。因而，稀土鑄鐵強度提高，韌性改善，材質綜合機械性能獲得提升。在鑄鐵中的應用已成為稀土最大應用領域之一。稀土鑄鐵主要應用于冶金行業(yè)的軋輥、鋼錠模；機械行業(yè)的各種齒輪、凸輪軸、各種機座；汽車行業(yè)的曲軸、氣缸體、變速箱、履帶；建筑行業(yè)的輸水、輸氣管線。在我國，隨著汽車行業(yè)不斷壯大以及“南水北調”、“西氣東輸”工程的展開，還將進一步促進稀土鑄鐵，稀土鑄鐵管的開發(fā)與應用。

1.2鋼中的應用

稀土大規(guī)模在鋼中的應用，始于20世紀50年代。隨后，人們逐漸認識到稀土對鋼的顯微組織、夾雜物等均有良好的影響。稀土加入彈簧鋼中能起到除氣，改變夾雜物形態(tài)，減小夾雜物粒度的作用，能提高鋼的抗疲勞強度［4］。耐熱鋼中加入0.01%～0.01%的La或Ce，稀土原子容易富集在晶界，減少晶界雜質元素，可提高鋼的高溫強度［5］。重軌鋼中稀土加入量約為0.01％，鋼中的奧氏體晶粒尺寸明顯細化，熱軋態(tài)奧氏體晶粒尺寸由34.4μm減小到30.3μm，鋼的沖擊韌度得到顯著改善［6］。2Cr13不銹鋼中加入不超過0.1%的單質Ce，可使不規(guī)則夾雜物向球形轉化，不銹鋼自腐蝕電位逐步升高，腐蝕電流密度逐漸降低，提高了不銹鋼的抗腐蝕性［7］。Fe-Cr-2Mo合金鋼中添加0.1%的稀土后，組織中Mn的S，O夾雜物轉變?yōu)橄⊥恋腟，O夾雜物，其形態(tài)由不規(guī)則的長條狀轉變?yōu)榧毩睿⊥猎厥逛摰哪湍バ悦黠@提高［8］。稀土可與鋼液中夾雜的O、S形成稀土化合物，這些化合物有部分從鋼液中上浮入渣，可使鋼液中的夾雜物減少，鋼液得到凈化；鋼中的稀土原子易在晶界上偏聚，這種偏聚能仰制S、P及低熔點雜夾在晶界的偏析，并與這些夾雜形成高熔點的化合物，減少了低熔點夾雜的有害影響，凈化和強化了晶界，阻礙了晶間裂紋的形成和擴展，利于鋼材的高溫塑性和耐腐蝕性。此外，稀土能使鋼液中以條狀存在的硫化物轉化成球狀稀土硫化物，這些球狀硫化物在軋制過程中不隨鋼一起變形，仍保持為球狀，從而提高鋼的韌性，改善鋼的抗疲勞性能。從上世紀60年代至今，我國稀土鋼的研究和生成已經有50年的歷史，但是，我國開發(fā)的稀土鋼品種并不多，品種級別也較低，這與我國鋼產量、稀土產量第一大國不相稱，隨著國際上對稀土鋼研究熱情持續(xù)高漲，以及我國國民經濟的持續(xù)增長，急需開發(fā)高附加值高品質的稀土鋼新品種。

2有色冶金中應用

2.1有色金屬合金中的應用

稀土在有色金屬合金中的應用研究在20世紀60年代就已經開始，應用已從鋁合金逐漸拓展到銅合金、鎂合金、硬質合金等有色金屬合金中。稀土導電鋁合金可用作高壓輸電線。工業(yè)純鋁中加入的稀土La，會固溶于鋁中的Si、Fe等有害雜質形成了穩(wěn)定的金屬間化臺物，并在晶界析出，降低了雜質元素在基體中的固溶度，可明顯提高鋁的導電性，稀土Ce加入工業(yè)純鋁中可細化晶粒，顯著提高鋁的抗拉強度，加入0.2%～0.3%混合稀土可使國產工業(yè)純鋁生產的鋁導線性能達到國際電工委員會標準要求［9］。6063鋁合金是一種最常用的變形合金，多用于工業(yè)和民用建筑，其成分為：Mg0.76％、Si0.50％，余為鋁。在該合金熔煉過程中加入0.25％左右的Sc元素對6063鋁合金的鑄態(tài)組織具有強烈細化作用，鋁合金耐腐蝕性能提高一倍，鋁合金材料的熱穩(wěn)定性，高溫下的強硬度指標均得到改善［10］。導電銅中加0.04%的Ce可凈化銅中殘存的雜質，并細化銅組織，改善銅的拉絲性能和導電率［11］。錫青銅是礦井中作為罐籠罐耳內襯套的主要材料，錫青銅高溫熔煉時加入0.06%的稀土La，由于La化學活性高，能與合金中溶解的氫形成穩(wěn)定的彌散稀土氰化物，起到固定氫的作用，避免“氫脆”的產生，可提高銅合金的沖擊韌性，此外La還有細化枝晶的作用，從而提高了錫青銅的耐磨性［12］。Mg-Zn合金中，加入0.4%~1.2%的Nd能細化合金晶粒，提高合金的硬度，Nd還能與合金中的氫結合成稀土氫化物，減少了氣孔、針孔等拉伸過程中裂紋源的形成，提高了合金的伸長率和抗拉強度［13，14］。硬質合金被稱為“工業(yè)的牙齒”，在難加工材料、精密模具加工等領域廣泛應用。硬質合金要獲得高耐磨性和高抗彎強度抑制燒結過程中WC晶粒的長大是關鍵。在WC-Co基硬質合金中，添加0.2~0.8%的稀土Ce，由于Ce非常活潑，易與O、S、N等雜質形成稀土化合物質點分布在晶界上，阻止了WC與WC之間的晶界遷移，抑制了燒結時WC晶粒的不均勻長大，WC晶粒變細，合金強度提高；另外，不添加Ce時，合金中存在的S以粒徑約2~3μm的脆性化合物CoxSy存在，分布在WC-Co的界面上，形成裂紋源，在外力作用下，極易沿界面斷裂，合金抗彎強度下降，而Ce加入后，CoxSy轉化成了粒徑約200~300nm的球形Ce2S3質點，彌散在Co相和WC-Co的界面上，消除了CoxSy的有害影響，合金的抗彎強度提高［15］。在有色金屬合金中，稀土元素與H等氣體和許多非金屬有較強的親和力，能生成熔點高的化合物，有一定的除H除O等凈化作用，此外，稀土元素化學活性極強，它可以在長大的晶粒界面上選擇性地吸附，阻礙晶粒的生長，有細化晶粒，改善合金組織的作用，從而達到改善合金機械性能、物理性能和加工性能等效果。以上含稀土有色金屬合金都已工業(yè)生產，取得了良好社會效應和經濟效益，但是有色金屬合金種類繁多，所以，稀土在有色金屬合金中的應用開發(fā)潛力還很巨大。

2.2電鍍中的應用

稀土在有色金屬電鍍中的研究始于20世紀80年代，添加稀土主要是基于改善鍍層性質，提高電流效率的角度出發(fā)。現(xiàn)在，稀土添加劑不僅應用于Cr、Zn、Ni、Cu等單質金屬的電鍍沉積，也應用于鎳鐵、鎳鋅、鋅鐵、鋅鋁等合金電鍍沉積中，添加劑也由單一稀土發(fā)展至復合稀土化合物。稀土添加劑加入到鍍鐵液中，部分稀土會與鐵共沉積于鍍層中，鍍層內應力增加，相應提高鍍層硬度；稀土陽離子還會在陰極表面產生吸附，一方面抑制H的吸附和析出，從而抑制微裂紋的形成，鍍層耐腐蝕性提高，另一方面，由于析H變難，F(xiàn)e的沉積速度相對提高，電流效率升高［16］。將稀土作為鍍鉻添加劑鍍鉻，可以在較低溫度下得到更高的電流效率，而且鍍鉻液的分散能力、鍍層覆蓋能力以及耐腐蝕性都能得到明顯提高［17］。鋅鎳合金電鍍中，加入少量（約1.0g／L）硫酸鈰可以提高鍍液的電流效率，使鍍層中的含Ni量有所提高，含Ce的鍍層在高溫高壓的鹽水中具有優(yōu)良的耐腐蝕性能［18］。在酸性鍍液中沉積鎳磷合金鍍層，加入稀土離子（La3+、Y3+）和稀土氧化物（CeO2、Y2O3）作復合添加劑，稀土離子起到細晶強化和微合金化的作用，稀土氧化物起到彌散強化和細晶強化的作用，提高了鍍層硬度、耐磨性，鍍層與基體結合力增強［19］。綜合來看，鍍液中的稀土陽離子，由于活性很強，可以：（1）影響陰極極化。稀土陽離子在陰極表面吸附，提高陰極極化，使析H過電位增大，金屬或合金的沉積速度和電流效率相應升高。（2）改變電結晶過程。稀土陽離子易吸附在晶體生長的活性點上，有效抑制晶體生長，使鍍層晶粒細化，鍍層硬度提高，加之析氫困難，因析H產生的微裂紋減少，鍍層耐蝕性增強。稀土添加劑在電鍍行業(yè)中應用廣泛，已從普通電鍍中轉移到復合鍍、熱浸鍍，電刷鍍等特殊電鍍中。

3結語

稀土不是一種元素，稀土化合物種類繁多，冶金工業(yè)中，稀土作為添加劑使用時，其種類不同，用量不同，效果是不同的，如何充分發(fā)揮稀土添加劑“工業(yè)味精”的作用，更好地為我國社會、經濟的發(fā)展服務，仍需要冶金工作者不懈的努力。尤其是我國作為稀土產量大國，在開發(fā)優(yōu)質稀土鑄鐵，稀土鋼，稀土合金等產品上，要做的工作還很多。