稀土元素在鋼中的作用及機制

來源：津鈉儀器（上海）有限公司 2025年07月30日 07:28

自上世紀60年代起，國內外冶金學者就有關稀土在鋼中的作用做了大量的相關研究，也取得了較多重要的成果，并成功地應用于稀土重軌、稀土耐侯等鋼種的生產中。但由于稀土元素具有的化學活性，在不潔凈鋼中盲目添加大量稀土，反而會造成鋼液的污染，有時還造成水口結瘤等問題。而隨著鋼鐵冶煉控制技術與鋼的潔凈度不斷提高，稀土在鋼中的作用將能得到更有效的發揮與控制。因此在當今時代，正確認識稀土在鋼中的作用與作用機制十分重要。

鋼中稀土通常以固溶狀態和非金屬夾雜物或金屬間化合物三種形式存在。且鋼中的稀土基本存在于夾雜物中，待鋼中的稀土超過固濃度時，可以觀察到少量的稀土金屬間化合物(如Fe17Ce2等)沿晶界析出。當鋼中加入稀土后，稀土可置換原先鋼中可能存在硅酸鹽、氧化鋁、鋁鹽酸及硫化物中相應的金屬元素，形成熔點更高的稀土化合物。

1、凈化作用

稀土在鋼中的凈化作用主要表現在：深度降低氧、硫的含量，并降低硫、磷、氫、砷、錫、銻、鉍、鉛等低熔點元素的有害作用。

鋼中加入稀土后，會首先與鋼液中的氧、硫反應生成稀土氧化物、氧硫化物、硫化物以降低其含量。采用俄歇能譜與離子探針對高速鋼晶界上硫的偏聚進行研究表明，硫含量僅為20ppm時，硫在晶界的偏聚仍明顯，加入稀土后，晶界上硫會隨之減少。當加入Ce0.03%～0.05%時，奧氏體晶界上的硫會消失。此外，稀土也同樣可以減少晶界上磷的偏聚。一定量的稀土可以與鋼中的砷、錫、銻、鉍、鉛等雜質作用形成熔點較高的化合物，如La4Sb3(1690℃)，LaSb(1540℃);La4Bi3(1670℃)，LaBi(1615℃);Y5Pb3(1760℃)，Y5Sn(1940℃)等。

另一方面，稀土也能抑制這些殘余元素在晶界上的偏聚，如在低氧硫純鐵中加入少量的稀土與銻反應，可使富集在晶界的銻轉移到晶內，減少銻在α-Fe晶界上的偏聚。而且，稀土可降低氫的擴散，延緩其在裂紋塑性區的富集，從而使裂紋擴展的孕育期以及斷裂時間延長。

2、變質作用

稀土也可以改變夾雜物的性質、形態以及分布，從而提高鋼的各項性能。如稀土可控制氧化物、硫化物的形態，使鋼中群聚的Al2O3夾雜與長條狀的MnS消失，并使之球化并轉變為稀土復合夾雜物，但要控制好鋼中稀土含量以及RE/S參數(Re代表稀土元素)。由于稀土夾雜物的熱膨脹系數與鋼接近，從而可以避免鋼材熱加工冷卻時在夾雜物周圍產生較大的附加應力，有利于提高鋼的疲勞強度，增加夾雜物與晶界抵抗裂紋形成與擴展的能力。而對于硫化物的形態變質則可明顯改善鋼的高溫塑性、橫向韌性、疲勞與焊接性能以及耐大氣腐蝕性能等等。日本冶金學者報道了在Si-Mn簾線鋼中用微量稀土改善夾雜物的組分和形態，提高了熱軋過程中夾雜物的塑性指標。其中控制溶解鋁為2×10-4%，溶解稀土為1.59×10-4%，SiO2-MnO-Al2O3夾雜物組分中RE氧化物含量在10%。

3、凝固組織控制作用

稀土在鋼中形成較高熔點的化合物，在鋼液凝固前析出，呈細小的質點分布在鋼液中，作為非均質形核中心，降低鋼液結晶的過冷度，因而可細化鋼的凝固組織并減少偏析。另外，稀土作為表面活性元素可以使鋼液表面張力降低，從而降低了形成臨界尺寸的晶核所需的功，使結晶核心增加。

4、微合金化作用

稀土的微合金化包括微量稀土元素的固溶強化，稀土元素與其它溶質元素或化合物的交互作用，稀土原子的存在狀態(原子、夾雜物或化合物)、大小、形狀和分布，特別是在晶界的偏聚，以及稀土對鋼表面和基體組織結構的影響等。

4.1固溶強化
稀土元素在鐵水中與鐵原子是互溶的，但在鐵水凝固過程中，由于稀土在鐵基固溶體中的分配系數極小，稀土會被固液界面推移并*后富集在枝晶間或晶界。而稀土在鋼中的固溶量一般只有幾個到幾十個ppm，極少達到幾百個ppm，由于稀土原子半徑比鐵原子大，故也能對鋼起到一定的固溶強化作用。

4.2抑制局部弱化，改善和強化晶界

鋼中固溶稀土通過擴散機制富集于晶界，可以減少其它雜質元素在晶界的偏聚，強化晶界，并改善與晶界相關的性能，如高溫強度、晶界腐蝕、疲勞性能、低溫脆性和回火脆性等。如稀土可減少磷的區域偏析，使其不再富集于晶界，可明顯強化10MnP(RE)鋼的奧氏體，提高抗可逆回火脆性能力，并在低溫沖擊打斷后不發生晶界斷裂。

4.3影響雜質元素的溶解度，減少其脫溶量

稀土可降低碳、氮的活度，增加其在鋼中的溶解度，減少其脫溶量，使之不能脫溶進入內應力區和晶體缺陷中，提高鋼的塑性和韌性。此外，稀土也可影響碳化物的大小、形態、數量、分布及結構，從而可提高鋼的相關機械性能。

4.4影響相變和改善組織

稀土對相變的影響包括影響鋼的臨界點，淬火鋼回火以及馬氏體和殘余奧氏體分解熱力學與動力學等。稀土還可影響鋼的相變溫度，并改變相變產物的組織結構。此外，在不同的稀土鋼中，稀土還可起到細化滲碳體，細化板條馬氏體亞結構或位錯馬氏體結構，改變鐵素體的含量和尺寸，抑制碳化物的聚集粗化等作用。

4.5稀土元素與其它微量合金元素的交互作用

例如，稀土鈰分別與鈮、釩、銅、鈦的活度相互作用系數為負值，彼此降低活度和增加溶解度，有利于提高這些合金元素的利用率。而鈰與磷的活度相互作用系數為正值，彼此增加活度，降低溶解度。

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