一、研究的背景與問題

稀土是我國特有的優勢資源，俗稱工業維生素。白云鄂博稀土儲量約占全國的83%，以鑭、鈰輕稀土為主，但其利用率不足20%，造成資源浪費，急需找到應用出口，解決稀土積壓難題，實現稀土資源平衡利用。稀土元素具有獨特的電子層結構和大原子尺寸，微量稀土元素就能夠顯著提升材料的品質和性能。研究表明，鋼中應用稀土后，可以起到細化變質夾雜、深度凈化鋼液和強烈微合金化作用，顯著提高鋼的韌、塑性和疲勞壽命，使鋼更加強韌、耐熱、耐磨、耐蝕。鑭、鈰輕稀土的開采和制備成本很低，電解分離后每噸價格不超過10萬元，低于鎳、鉬、鈮等貴金屬，物美價廉。稀土的加入量大約為噸鋼0.2～0.4公斤，真正起到了四兩撥千斤的作用！采用鑭、鈰輕稀土提升鋼鐵質量，是一條引領鋼鐵行業轉型升級的有效途徑。國際上，發達國家由于沒有稀土資源優勢，僅在特殊鋼中應用稀土，歐盟兩年前啟動了替代稀土的冶金工程項目，抓緊研究如何在冶金過程減少對稀土的依賴。美國在鋼鐵產量達到1億噸時，其中800萬噸鋼為稀土鋼。我國是世界第一產鋼大國，而稀土又是我國的優勢資源，卻沒有在國產鋼中大批量應用，實在是一大憾事！高峰時，中國稀土鋼的年產量僅約100萬噸。鋼鐵行業達成的共識是稀土作用明顯但是沒有用好。稀土鋼工業化應用有兩大瓶頸問題一直沒有解決：一是稀土加入鋼水中堵塞澆注系統，連鑄過程被迫中斷，嚴重影響工藝順行；二是稀土加入后，容易形成大尺寸、高密度的稀土夾雜物，導致鋼的性能時好時壞，不穩定。上述問題一直懸而未決，嚴重制約了稀土鋼的應用。除極個別鋼種外，中國鋼鐵行業稀土應用基本處于停滯狀態。

　　二、解決問題的思路與技術方案中國科學院金屬研究所自建所之初就部署了稀土鋼研究方向。2007年以來開展新一輪稀土鋼研究，經過多年持續攻關，深入生產企業進行實地考察，通過大量實驗室研究和工程化試驗，揭示了純凈度尤其是氧含量對稀土鋼性能提升的決定性作用，控制氧含量是實現高品質特殊鋼“高純、均質”的關鍵。受此啟發，中國科學院金屬研究所發現稀土金屬本身的純凈度和稀土加入前鋼液的純凈度，是影響稀土在鋼中發揮有益作用和工業化生產工藝不穩定的關鍵因素。研究結果表明，稀土金屬中即使含有幾百ppm少量的氧，也足以使稀土在鋼中的作用由正變負，而部分商業純稀土中的氧含量甚至高達1000ppm以上。因此，稀土金屬與鋼水雙純凈雙低氧是稀土鋼獲得穩定應用的前提和基礎。基于此，中國科學院金屬研究所研發了高純稀土金屬制備關鍵技術與鋼水純凈度控制工藝，通過控制稀土原料中的氧含量、稀土加入前鋼水中的氧含量和雜質元素，突破了生產工藝不能順行和性能不穩定兩大難題，成功細化夾雜物到亞微米尺度，制備出超高潔凈度亞微米夾雜物的稀土鋼。稀土鋼共性關鍵技術路線示意圖如圖1所示。中科院金屬所通過優化設計爐體結構、優化調整工藝參數、防氧化澆注和防氧化儲運等方式實現了高純低氧稀土金屬制備，稀土金屬的全氧含量低于100ppm；同時，通過采取低氧純凈化冶煉、創新稀土加入工藝、控氧自動化澆注、低偏析微缺陷控制等手段實現了全流程低氧鋼水純凈度控制，能夠保障千噸級稀土鋼連鑄生產順行，從而形成了稀土鋼工業化應用共性關鍵技術，實現了稀土在鋼中工業化應用的實質性突破。

　　圖1 稀土鋼共性關鍵技術路線示意圖

　　二、主要創新性成果中國科學院金屬研究所發現，稀土金屬可以將鋼中Al₂O₃和MnS兩類典型的有害夾雜物變質成為稀土反應產物。借助熱力學與動力學機制，可以使有害夾雜變質成尺寸細小、硬度與鋼基體接近、彌散分布的團球狀稀土氧硫化物，從而大幅度提升特殊鋼的韌塑性與疲勞性能。同時，在低氧純凈化條件下，鋼中加入高純稀土，能夠進一步深脫氧，大幅降低夾雜物總量，起到顯著細化、球化、變質夾雜的作用。此外，在低氧純凈化條件下，中國科學院金屬研究所還發現，稀土元素能夠以固溶態原子形式，偏聚晶界、提高晶界結合力，或者在晶內與空位形成穩定的稀土-空位對，從而影響擴散。在低氧純凈化冶煉、控氧自動化澆注、低偏析微缺陷控制等成套制備技術的基礎上，中國科學院金屬研究所突破了高溫鋼液和稀土金屬的“雙低氧”控制技術，開發了全流程控純的稀土添加技術，提出了適用于冶金行業使用的低氧高純稀土金屬技術條件，解決了稀土鋼工業化應用面臨“產品質量不穩定”和“生產工藝不順行”的技術瓶頸問題，為高品質稀土鋼自主品牌研發及產業化奠定了先決條件。 

　　四、應用情況與效果稀土鋼共性關鍵技術先后在國內十余家企業的軸承鋼、不銹鋼、齒輪鋼、模具鋼、重軌鋼、風電用鋼、汽車鋼等幾十個優特鋼品種上進行了批量試驗與應用，工藝穩定，效果顯著。高潔凈度稀土金屬在低氧鋼中加入使夾雜物總量減少50%以上，可以將大尺寸、不規則形狀的Al₂O₃和MnS兩類典型有害夾雜變質成為5μm以下的RE₂O₂S，形成硬度低、尺寸小、球形且均勻分布的稀土氧硫化物，且大多數RE₂O₂S尺寸介于亞微米級100～800nm，如圖2所示。利用上述技術制備的工業化稀土軸承鋼超高周疲勞壽命較國際先進水平提高一個數量級（圖3）、滾動接觸疲勞壽命提高40%。進一步的研究結果發現，稀土氧硫化物硬度小、與基體錯配度小，能夠協調變形，緩解應力集中，從而遲滯位錯的增殖、運動與重排，延遲疲勞裂紋萌生，如圖4所示。同時，稀土氧硫化物尺寸小，ΔK_I低，裂紋擴展驅動力小，擴展速度慢，因此還有利于抑制裂紋擴展。

圖2 潔凈GCr15與RE-GCr15鋼中夾雜物尺寸與形貌(a)潔凈GCr15; (b)RE-GCr15

　　圖3 超高周疲勞P-S-N曲線（10kHz）

圖4 疲勞斷口夾雜物毗鄰基體處位錯形貌(a)Al₂O₃; (b)RE₂O₂S

　　就不銹鋼中應用稀土而言，中國科學院金屬研究所前期與企業合作，在400系不銹鋼中進行稀土共性關鍵技術應用。工業化應用結果表明，鋼液中尺寸>10μm夾雜物由9個/cm²降低到3.5個/cm²；成品板材中尺寸>5μm的夾雜物數量減少約50%，夾雜物平均尺寸由5.2μm降低到3.9μm，延伸率由20%提高到25%。稀土在不銹鋼中的應用具有普適性，可以提升不銹鋼純凈度，提高耐蝕性與深沖性。此外，稀土鋼共性關鍵技術在其他品種鋼的工業化應用效果顯示，高純稀土金屬的加入能夠使優質碳素結構鋼及橋梁鋼的韌塑性提高40%以上，重軌鋼疲勞壽命提高30%，模具鋼等向性達到0.9以上的國際領先水平。中國科學院金屬研究所實現了稀土合金鋼千噸以上連鑄的率先突破，完全攻克了稀土在鋼中進行大規模工業化應用的瓶頸。 

　　來源：中國科學院金屬研究所