稀土元素在鑄鋼生產(chǎn)中的作用

為了提高鑄鋼的力學性能和改善鑄鋼的鑄造性能，對許多鋼種（碳鋼和合金鋼），特別是低、中、高合金鋼，除加人常見的合金元素外，用稀土處理可取得很好的效果。我國稀土元素礦床豐富，稀土元素在鑄鋼（特別是合金鋼）中的應用有著廣闊的前景。稀十元素是指元素周期表中原子序數(shù)57~71的鑭系元素，包括性能相近的鈧和釔共17個元素。它們性質(zhì)極相似，極難分離。在鑄鋼生產(chǎn)中常用的有三種。①稀土混合金屬：為45%~55%Ce（鈰），22%~80%La（鑭），15%~18%Nd（釹），約1%Pr（鐠），其他稀土元素2%，F(xiàn)e<3%，及Si、Ca、Al等微量。②稀+鐵合金：20%~40%Fe，其他為稀土混合物；或90%~96%Ce，其余為Fe。③稀土氧化物：80%左右的稀土氧化物，其余為雜質(zhì)。稀土元素在鋼中的作用有三個主要方面：凈化鋼液、改善鑄態(tài)組織和合金化。三者的綜合結(jié)果提高了鑄鋼的力學性能，改善了鑄鋼的鑄造性能。（1）稀土元素對鋼液的凈化作用指對鋼液中的脫硫去氣、去除非金屬夾雜物的作用。①脫硫作用。稀土元素是較活潑的金屬元素，對O和S有較大的親和力。生成的硫化物見表5-17。表5-17

生成硫化物表硫化物名稱熔點/%La2S32100~2150CeS2000~2200Ce2S32450硫化物名稱熔點/%Nd2S31925FeS1193Mns1620生成的氧化物見表5-18。表5-18

生成硫化物表氧化物名稱熔點/%La2O32315Ce2O31690Nb2O32272氧化物名稱熔點/%FeO1377Fe2O32050MnO1785稀土元素是強烈的脫硫劑，與硫的親和力比Fe、Mn大得多，即進行下列反應。3FeS+2Ce＝Ce2S3+3Fe3MnS+2Ce＝Ce2S3+3Mn反應生成高熔點、難溶的穩(wěn)定稀土硫化物和稀土硫化物的復合硅酸鹽，聚集上浮入渣，從而達到去除鋼液中硫的目的。其脫S率與鋼液中原始含S量、化學成分、稀土加入量和加入方法、爐渣成分、爐襯材料以及熔煉方法和熔煉制度有關，約在20%~80%范圍內(nèi)波動。如在酸性高頻感應電爐內(nèi)熔煉ZG35CrMnSi（其爐料原始S含量約為0.022%），加入占鋼液03%Ce-Fe（含Ce95%）處理，脫S率為30%左右。②去氣作用。稀土元素（R或RE）與H和N，特別是O的親和力很大，在鋼液中極易形成稀土氫化物、稀土氮化物、稀土氧化物，從而穩(wěn)定了鋼中氣體，減輕了氣體在鋼中的有害作用。RE具有強烈的脫O作用，能有效地降低鋼中O含量。如在電弧爐熔煉碳素鋼時，加入015%RE，可使O含量從0.01%降至0.003%以下，脫氧率為75%~85%；H可降到2~3mL/100g；去N的作用情況不一，多數(shù)認為對鋼中含N量的影響不大。③去除非金屬夾雜物。經(jīng)RE處理后，殘留鋼中的非金屬夾雜物數(shù)量減少尺寸變小、形狀也趨于圓球狀（球化）。如熔煉ZG15Mn時RE加人量為1.5kg/t鋼液，非金屬夾雜物量從0.0124%降到0.0014%。而對ZG37CrMnMoV，沒有用RE處理前，其夾雜形狀不規(guī)則，分布不均勻，沿晶界較粗大，大量為MnO、MnS、FeS、FeO、硅酸鹽等，加入RE（即0.5%Ce）處理后，夾雜成球狀，分布均勻、成群且細小，為稀土氧化物、稀土硫化物及硅酸鹽等復合化合物。正因為稀土元素和氧、硫形成稀土氧化物、稀土硫化物及硅酸鹽等復雜稀土化合物，它們的熔點高、相對密度大，且互不相溶，因而在鋼中呈細小均勻分布；同時，稀土氧化物和硫化物又可作為非金屬夾雜物長大的核心，其他非金屬夾雜物聚集到RE化合物核心上，因而逐步形成了復雜的、粗大的非金屬夾雜物，這些夾雜物易于上浮，進而渣化，然后被清除。此外，RE還能與鋼中的Pb、Sb、Bi、As等低熔點雜質(zhì)元素形成高熔點化合物，從而消除了這些元素沿晶界分布所造成的脆性傾向。（2）稀土元素的變質(zhì)作用稀土元素的處理對鋼的初次結(jié)晶有良好的影響在不同程度上細化了晶粒，清除了柱狀組織和魏氏組織。但其結(jié)果也不一樣，對鑄造碳鋼而言，稀土元素細化晶粒作用比較明顯，對低碳鋼尤為顯著。如ZG10未加稀土前，鑄態(tài)組織粗大，柱狀晶發(fā)達；加人0.2%RE處理之后，組織細化，柱狀晶基本消失。ZG35未加RE前，鑄件常出現(xiàn)魏氏組織；加人015%RE處理后，魏氏組織可消除。但對Cr25Ni20，鋼中加入<0.1%Ce時晶粒細化，Ce含量>0.5%時晶粒變粗；在ZGCr23Ni18中加入0.02%~0.03%Ce才有細化晶粒的作用；在Cr-Ni-Mo鋼中，加入0.3%RE時才有細化作用；ZG37Cr23MnSiMoV用RE處理，則加人Ce含量<0.1%時有明顯的細化晶粒作用，加入Ce含量為0.2%~0.3%時基本上沒有細化晶粒的作用，加人Ce含量為04%~0.5%時晶粒有明顯細化作用。同時，稀土元素對鋼中的非金屬夾雜物也有強烈的變質(zhì)作用，使夾雜物由不規(guī)則狀變成球狀。稀土元素起變質(zhì)作用的機理如下。①RE的脫氧、脫硫產(chǎn)物可以作為鋼液結(jié)晶夾雜物成長的核心。②RE是表面活性物質(zhì)，加入后使鋼液表面張力下降，因而晶核形成功減少。提高了成核率，同時阻礙晶粒、夾雜物成長。加人ZG37CrMnSiMoV鋼中的實踐結(jié)果表明：Ce含量在0.05%~0.10%內(nèi)，晶粒細化主要為外來核心作用；Ce含量在0.4%~0.5%內(nèi)，晶粒細化主要為表面活性作用；Ce含量在0.2%~0.3%內(nèi)，未使晶粒細化，其原因認為此時Ce不能起外來核心作用，而表面活性作用也未達到?？傊⊥猎氐淖冑|(zhì)效果與鋼的化學成分和稀土處理工藝的關系很大。（3）稀土元素的合金化作用這是一個新的題，目前據(jù)資料和研究結(jié)果表明：RE在Fe中有一定的溶解度，與Fe形成固溶體；RE又是強烈的碳化物形成元素，實驗證明，鋼中隨著RE加入量增加，鋼中組織珠光體數(shù)量減少而鐵素體數(shù)量增加，顯然RE與C發(fā)生了作用；此外，RE加入還導致鋼中其他金屬元素在固溶體和碳化物兩個基本相中的分配關系的改變，這種變化必然反映到鋼性能的變化，從而改善了鋼的力學性能。（4）稀元素對鑄鋼力學性能的影響實踐表明，各類鑄鋼經(jīng)加人適量的RE處理后，其塑性和韌性包括低溫沖擊韌性）有許多顯著的提高，抗拉強度和屈服極限基本上沒有變。最佳的RE人量各廠往往不一致，但大致都在01%~0.4%范圍內(nèi)，其效果與處理工藝關系很大。RE能提能高耐熱鋼和高溫合金的抗蠕變能力，如在Cr25Ni20鋼中加人混合RE1kg/t，可提高其650℃時持久強度的25%左右，在Cr13Ni16N6及Ni36CrTiAl等鋼中加人0.01%~0.03%的Ce，對其抗蠕變能力也有很大的提高。RE對鑄鋼力學性能的有利影響是RE各方面作用的綜合結(jié)果的反映，尤其是凈化作用的結(jié)果，由于脫S、脫O使得夾雜物減少，凈化了晶界，改善了基體組織，且形狀又趨于對塑性和韌性危害較小的球形，從而必然使塑性和韌性得到提高。（5）稀土元素對鑄鋼鑄造性能的影響實踐已證明，RE處理能改善鑄鋼的鑄造性能，尤其是使鋼的流動性和抗熱裂傾向得到提高。加入Ce對ZG35CrMnSi流動性的影響；加人0.1%Ce時，其流動性有明顯提高，Ce含量增加流動性也增加；加至0.3%Ce時，流動性為最高值；Ce含量為0.5%，此時其流動性變化不大。加人RE提高鋼液流動性是由于RE降低了鋼的最后凝固溫度，增大鋼液過冷度，細化初次晶粒，增大鋼液密度以及脫氧、除硫，改善了夾雜物的數(shù)量和特性等綜合作用的結(jié)果。鋼液流動性的提高對獲得優(yōu)質(zhì)鋼鑄件是大有好處的。一方面它可以完整清晰地澆出鑄件，甚至是大型薄壁鑄件；另一方面，對于一般鑄件，它可以降低澆注溫度，消除由高溫澆注而帶來的缺陷。如某廠生產(chǎn)ZG25CrMnSi熔模精鑄薄壁鑄件，鋼液經(jīng)0.3%Ce處理前，1600℃澆注，在澆口處常出現(xiàn)縮陷；鋼液經(jīng)0.3%Ce處理后，降低澆注溫度（1550℃），結(jié)果鑄件縮陷消除，輪廓也很清晰。鋼液經(jīng)RE處理后其抗熱裂性也有明顯提高。如在ZG35CrMnSi中加入0.1%Ce，其抗熱裂性得到明顯提高，Ce含量再