一、稀土在鋼中的應(yīng)用

      稀土在鋼中的應(yīng)用有近30年的歷史，經(jīng)過(guò)對(duì)稀土金屬在鋼中作用規(guī)律和機(jī)理的研究，搞清楚了稀土在鋼中的作用；通過(guò)添加工藝方法的實(shí)驗(yàn)研究，掌握了稀土加入的工藝條件、添加稀土金屬的品種和加入量。至八十年代末期，稀土在鋼中的應(yīng)用已沒(méi)有技術(shù)方面的障礙。我國(guó)稀土鋼產(chǎn)量從1985年的11萬(wàn)噸增長(zhǎng)到1997年的近60萬(wàn)噸，品種80多個(gè)。僅武鋼一家，“八五”期間就生產(chǎn)了160萬(wàn)噸稀土鋼，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益3.2億元，社會(huì)效益18.3億元，節(jié)約外匯5000萬(wàn)美元。

      稀土加入鋼中，可起到脫氧、脫硫、改變夾雜物形態(tài)等凈化和變質(zhì)作用，在某些鋼中還能有微合金化的作用，稀土能夠提高鋼的抗氧化能力，高溫強(qiáng)度和塑性、疲勞壽命、耐腐蝕性及抗裂性等。

      （一）稀土加入鋼中的主要作用

      凈化作用：鋼中加入稀土，可以置換鋼中可能生成的硫化錳、氧化鋁和硅鋁酸鹽夾雜物中的氧與硫，形成稀土化合物。這些化合物中有部分從鋼液中上浮進(jìn)入渣中，從而使鋼液中的夾雜物減少，鋼液得到凈化，這就是稀土對(duì)鋼的凈化作用。

      細(xì)化組織：由于稀土在鋼中同夾雜物反應(yīng)生成的稀土化合物熔點(diǎn)較高，在鋼液凝固前析出，這些細(xì)小的質(zhì)點(diǎn)，可作為非均質(zhì)形核中心，降低結(jié)晶過(guò)程的過(guò)冷度，因此，不但可以減少偏析還可細(xì)化鋼的凝固組織。

      對(duì)夾雜物的形態(tài)控制：鋼中加入稀土后，硫化錳將被在高溫塑性變形能力較小的稀土氧化物或硫化物取代，這些化合物在軋制過(guò)程中不隨鋼一起變形，仍保持為球狀，它們對(duì)鋼的機(jī)械性能影響較小，所以鋼中加入稀土可以提高鋼的韌性，改善鋼的抗疲勞性能。

      在耐大氣腐蝕鋼中加入稀土，使鋼的內(nèi)銹層致密，而且與基體的結(jié)合力變強(qiáng)，不易脫離，可以阻止大氣中O2和H2O的擴(kuò)散，從而降低了腐蝕速度，加稀土的鋼的耐腐蝕性比不加稀土的鋼提高0.3～2.4倍。在MnNb系低合金高強(qiáng)度鋼中加入稀土可以顯著改善鋼的冷彎性能、沖擊性能、低溫沖擊性和耐磨性，大大改善了鋼的加工性能并提高其使用壽命。在鐵路鋼軌中加入稀土，可顯著提高鋼軌的耐磨性、抗剝離性，經(jīng)多年使用證明鋼軌壽命提高1.5倍。

      （二）我國(guó)主要稀土鋼種

      我國(guó)稀土處理鋼有80多個(gè)牌號(hào)，年生產(chǎn)總量60萬(wàn)噸。但大量應(yīng)用稀土的鋼種只有十幾種，主要鋼種包括銅磷系耐大氣腐蝕鋼、錳鈮系列低合金高強(qiáng)度鋼、X系管線鋼、鈮稀土重軌鋼，此外還有齒輪鋼、軸承鋼、彈簧鋼、模具鋼、工程機(jī)械用鋼、低碳微合金深沖鋼、不銹鋼和耐熱鋼等。耐蝕低合金鋼，經(jīng)過(guò)稀土處理耐蝕率提高近10倍。用它制成的耐候貨車使用壽命提高1倍，返廠進(jìn)行大修的周期由6年延長(zhǎng)至10年。1988年武鋼生產(chǎn)了18萬(wàn)噸09CuPTiRE鋼，可制造車皮2萬(wàn)輛，直接獲利潤(rùn)4383萬(wàn)元，噸鋼利潤(rùn)為243元，節(jié)省車皮的維修費(fèi)用1.7億元，而二次效益（用戶效益）為944元/噸鋼。

      目前稀土鋼新品種的開(kāi)發(fā)，取得了重大成績(jī)。包鋼、北京鋼鐵研究總院、鐵道部科研院聯(lián)合研制的稀土鈮重軌，耐磨壽命比U74、U71Mn重軌提高50%以上，1997年通過(guò)了冶金部和鐵道部的聯(lián)合鑒定，成為我國(guó)重軌的主要升級(jí)換代產(chǎn)品。另外，經(jīng)二年的鋪軌試驗(yàn)，攀鋼和武鋼生產(chǎn)的加稀土的管線鋼，性能優(yōu)異受到了石油部門的青睞。目前我國(guó)主要稀土鋼種用途及生產(chǎn)廠家見(jiàn)表1。

表1  我國(guó)主要稀土鋼種

     （三）鋼中加入稀土的主要方法

      鋼中稀土加入方法以喂絲法為主，其次是稀土金屬棒吊掛法，包內(nèi)加入稀土硅鐵合金法及包內(nèi)喂入稀土硅鐵合金包芯線法。各廠因鋼種、澆鑄工藝和設(shè)備不同選擇合適的方法。

      在稀土喂絲機(jī)的研制方面，包鋼稀土研究院和武鋼二煉鋼廠等單位取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。稀土絲、棒和稀土硅化物合金、稀土硅鐵包芯線產(chǎn)品較好地滿足了各鋼廠生產(chǎn)稀土鋼的需要。鋼中加稀土的設(shè)備不但投資少，而且還能獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。以喂絲法為例，一臺(tái)喂絲機(jī)僅5萬(wàn)元，稀土加入量噸鋼費(fèi)用不超過(guò)40元，而效果卻是事半功倍，能使鋼材的橫向沖擊韌性提高一倍，改善熱加工性能，從而提高成材率。

      （四）稀土鋼的發(fā)展趨勢(shì)

      最近國(guó)家冶金工業(yè)局制定了稀土在鋼冶煉中的應(yīng)用近期目標(biāo)和遠(yuǎn)景規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2000年稀土處理鋼產(chǎn)量將達(dá)到300萬(wàn)噸，保守估計(jì)1999年全國(guó)各類稀土鋼產(chǎn)量將達(dá)到90～150萬(wàn)噸，稀土應(yīng)用量將達(dá)到500～850噸，將超過(guò)1998年的1.3～2.3倍。1991～1997年稀土在鋼中消費(fèi)量見(jiàn)表2。

表2  1991～1997年我國(guó)稀土在鋼中消費(fèi)量（REO，噸）

      二、稀土在鑄鐵中的應(yīng)用

      鑄鐵是高碳硅鐵合金的通稱，其碳含量在1.8～4.5之間，鑄鐵以碳在合金中的分布狀態(tài)可分為灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、珠光體鑄鐵、可鍛鑄鐵和白口鐵。我國(guó)從60年代中期開(kāi)始研究稀土與鐵的作用機(jī)理和處理工藝，先后解決了稀土球化劑、孕育劑的冶煉制備、稀土加入方法等問(wèn)題。目前稀土處理的鑄鐵主要分三大類：球鐵件、蠕鐵件和高強(qiáng)灰鑄鐵件以及稀土處理的合金鑄鐵件。

      （一）稀土加入鑄鐵中的主要作用

      變質(zhì)作用：突出表現(xiàn)為使片狀石墨變成球狀石墨。石墨球化可以減少應(yīng)力集中，并細(xì)化鑄態(tài)組織，改善非金屬夾雜物的形狀和分布，有利于材質(zhì)性能的提高，因而稀土球鐵具有高于灰鑄鐵的機(jī)械性能，其抗震性、耐磨性和切削加工性能比鋼還好。

      凈化作用：鐵水中經(jīng)常含有氧、硫等有害雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)使鑄件產(chǎn)生氣孔、裂縫，并形成夾渣，使材質(zhì)的強(qiáng)度、韌性和塑性降低。而稀土元素與硫、氧的結(jié)合能力強(qiáng)，生成難熔化合物，在鐵水中能起脫硫除氧作用。同時(shí)稀土還能消除鐵水中有害元素如Pb、Zn、Bi等的不良影響。

      改善鑄造性能：稀土加入鐵水中能顯著的提高鐵水的流動(dòng)性，并減少偏析和熱裂等鑄造缺陷。

      （二）稀土鑄鐵發(fā)展現(xiàn)狀

      目前，我國(guó)年生產(chǎn)稀土鑄鐵約150萬(wàn)噸，其中球鐵管30萬(wàn)噸。稀土在鑄鐵中的消費(fèi)量占我國(guó)稀土消費(fèi)總量的25%。1991～1997年稀土在鑄鐵中的用量見(jiàn)表3。

表3  1991～1997年稀土在鑄鐵中用量（REO，噸）

      稀土鑄鐵主要應(yīng)用于冶金行業(yè)的軋輥、鋼錠模；汽車及拖拉機(jī)行業(yè)的曲軸、氣缸體、變速箱、履帶；機(jī)械行業(yè)的各種齒輪、凸輪軸、各種機(jī)座；建筑行業(yè)的各種口徑的輸水、氣的管線和暖氣片。我國(guó)稀土鑄鐵的產(chǎn)量自1993年以來(lái)均以9%的年增長(zhǎng)速度遞增，1998年產(chǎn)量在110萬(wàn)噸左右，其稀土用量為3800噸，占國(guó)內(nèi)稀土總用量的1/4左右，已成為國(guó)內(nèi)稀土應(yīng)用最大的領(lǐng)域。

      三、稀土在有色金屬中的應(yīng)用

      （一）稀土加入到有色金屬中的主要作用

稀土具有很高的化學(xué)活性和較大的原子半徑，加入到有色金屬及其合金中，可細(xì)化晶粒、防止偏析、除氣、除雜和凈化以及改善金相組織等作用，從而達(dá)到改善機(jī)械性能、物理性能和加工性能等綜合目的。

由于稀土金屬的凈化、調(diào)質(zhì)作用，對(duì)這些有色金屬都能起到細(xì)化晶粒，提高再結(jié)晶溫度，從而對(duì)鑄造合金能顯著地改善工藝性能，對(duì)變型合金能顯著地提高加工性能；對(duì)鎳、鈷基的耐熱合金能提高抗氧化和抗高溫腐蝕的能力，對(duì)超硬合金可以改善韌性和耐磨性。這些性能的改善，都顯著地提高了生產(chǎn)企業(yè)及使用單位的經(jīng)濟(jì)效益，并能為國(guó)家減少這些寶貴資源的消耗。

      （二）稀土在有色金屬中的應(yīng)用

      1、稀土在鋁電線、電纜中的應(yīng)用

      目前我國(guó)的稀土鋁導(dǎo)線主要有高強(qiáng)度稀土鋁合金電纜，成份為Al－Mg－Si－RE，用于高壓輸電線路，它的抗拉強(qiáng)度達(dá)到26kg/mm²，弧垂性能和彎曲性能好，使用壽命長(zhǎng)。高導(dǎo)電鋁電線，成份為Al－RE，稀土的加入量為0.15～0.3%。在較高溫度下（＜150℃）使用的高導(dǎo)電稀土鋁導(dǎo)線其成份為Al－Zr－RE，其載流量為純鋁線的1.6～2.0倍，用作大電流導(dǎo)線。每年生產(chǎn)的稀土鋁電纜、電線不僅滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，還大量出口，經(jīng)濟(jì)效益顯著。稀土鋁高導(dǎo)電電線和稀土鋁合金電纜線產(chǎn)量預(yù)計(jì)1999年將達(dá)到50萬(wàn)噸左右，稀土消費(fèi)量在1000噸左右。

      2、6063稀土鋁合金及應(yīng)用

      這是一種最常用的變形合金，多用于工業(yè)和民用建筑，其成份（%）為Mg 0.67～0.70，Si 0.45～0.48，F(xiàn)e 0.20～0.21，余為鋁。在該合金熔煉過(guò)程中加入0.20～0.25%的稀土金屬，抗拉強(qiáng)度提高24%，擠壓速度提高0.5倍，成材率提高3%，并改善了表面質(zhì)量。增加了耐蝕性和著色性。另外還有添加稀土的Al－Si－M(M=Cu,Mg,Mn)合金用于制造汽缸缸體和活塞。

      3、稀土鋅鋁熱鍍合金

      為防止鋼材腐蝕，通常用Zn－Al熱鍍合金（Galfan）比鍍鋅具有更好的加工成形性和耐腐蝕性，但鋅耗較高，耐蝕性也有待改善。近年Zn－Al－Mg－RE熱鍍合金開(kāi)發(fā)成功并投入生產(chǎn)。這種稀土熱鍍合金的流動(dòng)性、耐蝕性、鍍層的形成性能都優(yōu)于鋅和Zn－Al合金。

      4、稀土銅耐磨合金

一般軸瓦材料用錫青銅（即巴氏合金），但價(jià)格較貴。稀土耐磨鉛青銅合金（RPH）的使用壽命是巴氏合金的1.5倍，而噸成本比后者又降低了5000～6000元。目前已在紡織機(jī)械中使用。

      5、稀土硬質(zhì)合金

      硬質(zhì)合金用于金屬切削、鉆頭、模具等方面，其硬度大、強(qiáng)度高，但抗彎性差、易打損。稀土添加劑同粘結(jié)劑與硬質(zhì)相WC、TiC一起球磨鈦，制備硬質(zhì)合金原料粉，再經(jīng)壓型燒結(jié)工藝過(guò)程生產(chǎn)的硬質(zhì)合金，抗彎強(qiáng)度提高約15%，硬度提高0.5RHA，使用壽命提高一倍以上。

      6、稀土鎂合金

      稀土鎂合金比強(qiáng)度高，對(duì)減輕飛機(jī)重量，提高戰(zhàn)術(shù)性能具有廣泛的應(yīng)用前景。中國(guó)航空工業(yè)總公司研制的稀土鎂合金包括鑄造鎂合金及變形鎂合金約有10個(gè)牌號(hào)，很多牌號(hào)已用于生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定。稀土元素在鎂合金中溶解度大，因而有明顯的熱處理強(qiáng)化作用。在鑄造和變型鎂合金中加入金屬釹、釔顯著地提高強(qiáng)度和工藝性能。目前已工業(yè)生產(chǎn)的鑄造鎂合金有ZM2、ZM4、ZM6；變型稀土鎂合金有BM6、BM25。另外稀土鎂合金在醫(yī)學(xué)工程上的應(yīng)用也在研究中，目前該材料正在做醫(yī)學(xué)生物實(shí)驗(yàn)，有望用稀土鎂合金作為人工骨接材料代替現(xiàn)用金屬夾具，減少病人第二次取出夾具的手術(shù)，這又將開(kāi)辟稀土鎂合金一個(gè)新的廣闊的應(yīng)用天地。

      （三）稀土在有色金屬中的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

      稀土在有色金屬及合金中應(yīng)用開(kāi)發(fā)潛力大，但開(kāi)發(fā)的深度和廣度不夠。目前稀土在有色金屬及其合金中應(yīng)用研究表明，對(duì)加入稀土元素有明顯效果的有鋁、銅、鎂、鈦、鉬、鎳、鈷、鉭、鈮及鉑族金屬等，稀土金屬在這些有色金屬及合金中的添加量通常不少于0.5%，但產(chǎn)生的效果極為顯著。

      目前除稀土在鋁導(dǎo)線和少部分鋁合金上的應(yīng)用開(kāi)發(fā)達(dá)到工業(yè)化規(guī)模外，在其它有色金屬及合金中的應(yīng)用，還未達(dá)到工業(yè)規(guī)模。我國(guó)生產(chǎn)的稀土鋁電纜年產(chǎn)約30萬(wàn)噸，稀土在有色金屬中的用量呈逐年遞增的趨勢(shì)，1991～1997年我國(guó)稀土在有色金屬中的用量見(jiàn)表4。

表4 1991～1997年我國(guó)稀土在有色金屬中的用量（REO，噸）