稀土中間合金及其應(yīng)用

1、稀土中間合金及其應(yīng)用稀土元素與一種或數(shù)種其他元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)，又稱(chēng)母合金。一般包括混合稀土 金屬、硅基稀土復(fù)合鐵合金和以稀土或釔為基的二元稀土中間合金。稀土中間合金的基本用途是作稀土添加劑。它的生產(chǎn)方法視原料情況和使用要求而定，主要有 熔合法、熔鹽電解法、金屬熱還原法和粉末冶金法(見(jiàn)稀土合金制取)。一、簡(jiǎn)史1908年含鐵30 %的打火石問(wèn)世，這是稀土合金的首次應(yīng)用。1922年美國(guó)礦務(wù)局 (U.S.BureauofMines)首先在鋼中添加稀土。從50年代起，含鐵5%的鈰組混合稀土金屬?gòu)V泛用于鋼鐵 冶金，生產(chǎn)球墨鑄鐵和汽車(chē)用高強(qiáng)度低合金鋼。60年代美國(guó)釩公司(VanadiumCorp

2、.)和W公司(MolycorpInc.)研制成功被歐美等一些國(guó)家稱(chēng)作稀土硅化物的稀土硅鐵合金。19681974年期間，由 于稀土硅化物的價(jià)格按稀土金屬含量計(jì)比電解法生產(chǎn)的混合稀土金屬低58%，致使混合稀土金屬在 鋼鐵冶金中的應(yīng)用地位逐漸被稀土硅化物所取代。1972年稀土硅化物在美國(guó)冶金領(lǐng)域中的用量占稀 土在該領(lǐng)域中用量的90%。1974年稀土硅化物的消費(fèi)量相當(dāng)于6000t的混合稀土金屬。從70年代中期 起，受世界鋼市場(chǎng)和煉鋼新技術(shù)的影響以及稀土硅化物在煉鋼中的熔合能力欠佳，特別是合金生產(chǎn) 費(fèi)用增加而導(dǎo)致價(jià)格上漲等因素，致使稀土硅化物在鋼中的消費(fèi)量在80年代初下降到15%。到80年 代末，用于高

3、強(qiáng)度低合金鋼的稀土中，稀土硅化物的占有率不到10%。1948年英國(guó)研究人員首先用火石合金與硅鐵一起處理生鐵得到了球墨鑄鐵。1952年美國(guó)聯(lián)合碳 化物公司(UnionCarbideCorp.)在鎂硅鐵球化劑中配入鈰處理鐵水取得成功，從而導(dǎo)致了稀土鎂硅鐵合 金的誕生。前蘇聯(lián)在鋼鐵冶金中最先應(yīng)用混合稀土金屬和鈰鐵，7 0年代開(kāi)始廣泛試制稀土硅鐵合金和含鎂、 鈣、鍶、鋇及稀土的復(fù)合鐵合金。1956年中國(guó)科學(xué)院上海陶瓷冶金研究所研制成功用電硅熱法從含RE2O34%6%的包頭鋼鐵公 司的煉鐵高爐渣中冶煉稀土硅鐵合金的方法，這是世界上首次在電弧爐內(nèi)用硅鐵還原稀土氧化物生 產(chǎn)稀土硅鐵合金，并于1958年在內(nèi)蒙

4、古的包頭市開(kāi)始了工業(yè)化生產(chǎn)。70年代又先后開(kāi)發(fā)了用碳熱法 生產(chǎn)稀土硅鐵合金和抗球化衰退能力強(qiáng)的釔組稀土硅鐵合金的方法。經(jīng)歷20多年的提高與發(fā)展，在 80年代初稀土硅鐵合金及稀土鎂硅鐵合金產(chǎn)量成為當(dāng)時(shí)中國(guó)稀土工業(yè)產(chǎn)品中產(chǎn)量最大的稀土產(chǎn)品， 大大促進(jìn)了中國(guó)球鐵工業(yè)的發(fā)展。1988年上述兩種產(chǎn)品的產(chǎn)量按稀土氧化物計(jì)達(dá)到4500to 80年代中 期，作為球化劑、蠕化劑及孕育劑的稀土復(fù)合鐵合金產(chǎn)品開(kāi)始進(jìn)入系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和商品化。80年 代后期，中國(guó)又開(kāi)發(fā)用熔鹽電解法和金屬熱還原法生產(chǎn)RE-Al、RE-Mg、Nd-Fe、Y-Fe、Y-Mg及Y-Al 等二元合金，用于稀土功能性材料的研究開(kāi)發(fā)。二、混合稀土金

5、屬由幾種或十幾種稀土金屬自然組成具有金屬特性的物質(zhì)。常用的有鈰組混合稀土金屬、富鈰混 合稀土金屬和富鑭混合稀土金屬。鈰組混合稀土金屬按外來(lái)譯音又稱(chēng)米什金屬，是人們最早應(yīng)用而又常用的稀土金屬合金?；镜南⊥脸煞质氰|、 鈰、錯(cuò)和釹，根據(jù)不同的礦物原料制得的鈰組混合稀土金屬，其稀土元素配分范圍為Ce45%48%、 La17%30%、Pr4%8%、Nd10%18%，其他稀土元素1%6%。工業(yè)產(chǎn)品純度一般含RE96% 99.5%和Fe0.5%5%，其他雜質(zhì)元素為硅、鈣、鎂和鋁。鈰組混合稀土金屬的密度、熔點(diǎn)與沸點(diǎn) 分別為63006600kg/m3、10891163K和36733973K。鈰組混合稀土金屬主

6、要用于生產(chǎn)打火石、 鋼及有色金屬合金的變性處理和微合金化，80年代的新用途是制造廉價(jià)的稀土永磁體和生產(chǎn)金屬釤 的還原劑。鈰組混合稀土金屬一般用熔鹽電解法生產(chǎn)。富鈰混合稀土金屬含鈰高的稀土混合金屬，一般鈰占稀土總量的50%60%，含La18%28%、Pr4%6%和 Nd12%20%，稀土品位為97%99.7%。一些特殊富鈰混合稀土金屬的含鈰量占稀土總量的90%， 鑄才網(wǎng)我們只為鑄造行業(yè)提供專(zhuān)業(yè)求職招聘服務(wù)。含La3%、Pr3%和Nd46。富鈰混合稀土金屬主要用作鋼鐵和有色金屬冶煉的稀土添加劑和用于生 產(chǎn)貯氫合金。一般也用熔鹽電解法生產(chǎn)。富鑭混合稀土金屬含鑭高的稀土混合金屬，一般鑭占稀土總量的40

7、%45%,含Ce、Pr、Nd分別低于5%、11% 13%和33%37%，稀土品位為98%。一些特殊的富鑭混合稀土金屬的含鑭量占稀土總量的80% 90%，含CeO%3%、Pr3%6%和Nd6%11%。富鑭混合稀土金屬通常用作合金添加劑，它的 新用途是生產(chǎn)貯氫合金，制造無(wú)公害、電容量大的新型稀土鎳一氫化物電池。一般也用熔鹽電解法 生產(chǎn)。三、硅基稀土復(fù)合鐵合金以硅、鐵為基本成分復(fù)合多種金屬的鐵合金。常用的有鈰組稀土硅鐵合金、釔組稀土硅鐵合金、 含鎂稀土硅鐵合金、含堿土金屬稀土硅鐵合金和高鋁稀土硅鐵合金。鈰組稀土硅鐵合金以鈰組混合稀土金屬和硅鐵為主要成分的復(fù)合鐵合金。歐美一些國(guó)家常用于鋼中的稀土硅鐵合

8、 金的典型成分為RE30%35%、Si30%35%和Fe30%35%，熔點(diǎn)為1477K、密度為5700kg/m3。 中國(guó)稀土硅鐵合金產(chǎn)品按稀土含量高低分10個(gè)牌號(hào)，其成分范圍為RE22%41%、si37%44%、 Fe14%2l%，還含有8%ll%的錳、鈣和鈦等元素，熔點(diǎn)為13531523K，密度為47005400kg/ma。 前蘇聯(lián)生產(chǎn)牌號(hào)為ClIEMM山型稀土硅鐵合金，含RE15%30%、Si55%60%、Al5%10%、 Ca0.5%9.0%，其余為鐵。另一種有代表性的合金是美國(guó)福特礦物公司(FooteMineralCo.)生產(chǎn)的 CSF-10高鈰稀土硅鐵合金，含 RE10.5%15%(

9、其中含 Ce9%11%)、Si36%40%、Al0.5%、 Ca0.5%，其余為鐵。鈰組稀土硅鐵合金主要用于鋼的變性處理、蠕墨鑄鐵和灰鑄鐵孕育劑。釔組稀土硅鐵合金以釔及重稀土元素組成的混合稀土金屬與硅鐵為主要成分的復(fù)合鐵合金。由于釔組重稀土量少、 價(jià)格高，這類(lèi)鐵合金消費(fèi)量極為有限。常用的有前蘇聯(lián)生產(chǎn)的系列產(chǎn)品，含RE15%28%、Al1(%、Ca0.5%6.0%、Si55%60%，其余為鐵；日本三德 金屬工業(yè)公司生產(chǎn)的產(chǎn)品含RE20%30%、Si30%50%、Ca3%，其余為鐵；中國(guó)生產(chǎn)的產(chǎn)品含 RE25%43%、Si40%45%、Ca6%10%、Fe12%18%。含 RE30% 以上的產(chǎn)品密

10、度為4400 5000kg/m3，熔點(diǎn)15231683K。釔組稀土硅鐵合金主要用于鋼中脫氧、脫硫、變質(zhì)處理和合金化以 及釔球鐵件，用電硅熱還原法生產(chǎn)。含鎂稀土硅鐵合金以鎂和稀土為主的中間合金。盡管合金中稀土含量很低，但卻是鑄造行業(yè)廣泛應(yīng)用的球化劑， 專(zhuān)門(mén)用于生產(chǎn)高強(qiáng)度球墨鑄鐵，是稀土中間合金中消費(fèi)量最大的品種。各國(guó)使用的產(chǎn)品牌號(hào)很多， 幾種含鎂稀土硅鐵合金的化學(xué)成分范圍列于表1。一般采用金屬與稀土硅鐵合金及硅鐵在中頻感應(yīng)爐 或合金罐內(nèi)熔配而成。含堿土金屬稀土硅鐵合金包括合金中鈣含量高和含鋇、鍶的復(fù)合合金，用于鋼的深度脫硫、脫氧及變質(zhì)處理。一般用硅 熱法和碳熱法生產(chǎn)。高鋁稀土硅鐵合金含鋁和鈣都較

11、高的復(fù)合合金，作變質(zhì)劑，用于鋼的脫氧及提高鋼水的脫硫效果。通常用鋁和硅 鐵作復(fù)合還原劑生產(chǎn)。四、二元稀土中間合金混合稀土金屬或單一稀土金屬和以有色金屬或鐵為基的二元中間合金，常用的有鋁基稀土中間 合金、鎂基稀土中間合金和鐵基稀土中間合金。鋁基稀土中間合金包括鈰組混合稀土金屬和釔組混合稀土金屬與鋁組成的稀土鋁合金和釔鋁合金。稀土鋁合金用 于提高工業(yè)純鋁的機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電率和抗腐蝕性，制造高張力的鋁合金線(xiàn)材及高性能鋁合金。傳統(tǒng) 生產(chǎn)方法是熔合法或鋁熱還原法，新方法是在氧化鋁一冰晶石熔體內(nèi)加入稀土化合物的熔鹽電解法 (見(jiàn)熔鹽電解法生產(chǎn)鋁基母合金)。釔鋁合金主要用于生產(chǎn)電熱合金，一般用鋁熱還原法生產(chǎn)。鎂

12、基稀土中間合金包括金屬釹或金屬釔和以鎂為基組成的釹鎂合金與釔鎂合金，它們是鑄造鎂合金和變形用熱強(qiáng) 性鎂合金的合金添加劑，這些合金用作制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)及宇航結(jié)構(gòu)件材料。用熔合法和熔鹽電解法 制備。鐵基稀土中間合金包括金屬釹、金屬釔或釔組混合稀土金屬及鈰組混合稀土金屬和以鐵為基組成的釹鐵合金、釔 鐵合金及鈰鐵合金。釹鐵合金主要用于制造Nd-Fe-B永磁體；釔鐵合金是合金添加劑，用于制造高 強(qiáng)度耐熱合金和高歐姆電阻合金；鈰鐵合金用于鋼的變質(zhì)處理。這些鐵基合金均用熔鹽電解法生產(chǎn)。五、展望20世紀(jì)80年代以前，鋼鐵冶金曾是稀土中間合金的主要應(yīng)用領(lǐng)域，雖然從70年代中期開(kāi)始，西 方國(guó)家鋼中稀土消費(fèi)比例顯著下

13、降，但在90年代以來(lái)中國(guó)稀土處理鋼的產(chǎn)量卻逐年增長(zhǎng)，年平均增 長(zhǎng)率達(dá)42%。中國(guó)稀土鑄鐵的產(chǎn)量也呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，年平均增長(zhǎng)率為20%左右?？梢灶A(yù)料，稀 土在鋼鐵中消費(fèi)的增長(zhǎng)將隨著中國(guó)鋼鐵產(chǎn)量的增加和稀土在鋼鐵中應(yīng)用進(jìn)一步推廣會(huì)保持到2000 年。近幾年隨著稀土功能材料不斷開(kāi)發(fā)，又為稀土中間合金開(kāi)辟了新的消費(fèi)市場(chǎng)。無(wú)公害、電容量大的稀土鎳一氫化物電池的產(chǎn)業(yè)化正在日本和歐美一些國(guó)家中興起。此種電池 的貯氫合金中含富鑭或富鈰混合稀土金屬約33%。稀土鎳一氫化物電池除了要取代上億支的鎳鎘電 池外，還將取代機(jī)動(dòng)車(chē)上污染環(huán)境的鉛酸電池。有人估計(jì)，每替代萬(wàn)輛小型電動(dòng)車(chē)上的鉛酸電池就 需消費(fèi)3000t，混合稀土金屬。據(jù)資源報(bào)道，目前日本已建成年產(chǎn)數(shù)干噸貯氫合金的設(shè)備能力。1985年開(kāi)始推廣名叫加魯凡(Ga/fan)的熱浸鍍鋅合金，這種合金含稀土金屬0.05%、A15%，余量 為鋅，已在歐美一些國(guó)家及日本、南非及印度等國(guó)廣泛用于薄板、線(xiàn)材及管材的表面處理，使鋼產(chǎn) 品的使用壽命比一般鋅鍍層鋼材提高23倍。西方國(guó)家推廣加