冶金稀土添加劑運(yùn)用

1、冶金稀土添加劑運(yùn)用1黑色冶金中的應(yīng)用1.1鑄鐵中的應(yīng)用稀土在鑄鐵中的應(yīng)用始于20世紀(jì)40年代。鐵水中加入稀土，稀土能與氧、硫作用，起到脫硫去氧的作用，鐵水澆鑄時(shí)，能促進(jìn)石墨向蠕蟲狀或球狀轉(zhuǎn)變1。高鉻白口鑄鐵中加入0.8%1.0%稀土硅鐵合金，稀土促使鑄鐵中長(zhǎng)條狀碳化物趨于變短、細(xì)化并均勻分布，鑄態(tài)組織改善，鑄鐵沖擊韌性和抗磨性顯著提高2。普通灰鑄鐵（c2.5%3.6%）里添加不超過0.1%的混合稀土，稀土元素與鐵液中硫、氧反應(yīng)，生成稀土化合物，清除石墨棱面上的表面活性元素，促使石墨向蠕球狀轉(zhuǎn)化，鑄鐵金相組織細(xì)化、均勻，材料的抗拉強(qiáng)度、硬度及耐磨性得到顯著提高3。稀土在鑄鐵中的突出作用表現(xiàn)為使石

2、墨向球形轉(zhuǎn)變；稀土元素易與fe中o、s等有害雜質(zhì)形成稀土化合物，減少鐵水澆鑄時(shí)氣孔和裂紋的產(chǎn)生；稀土加入鐵水中能顯著提高鐵水的流動(dòng)性，減少冷卻時(shí)偏析現(xiàn)象，改善鑄態(tài)組織，改變非金屬夾雜物的形狀和分布。因而，稀土鑄鐵強(qiáng)度提高，韌性改善，材質(zhì)綜合機(jī)械性能獲得提升。在鑄鐵中的應(yīng)用已成為稀土最大應(yīng)用領(lǐng)域之一。稀土鑄鐵主要應(yīng)用于冶金行業(yè)的軋輥、鋼錠模；機(jī)械行業(yè)的各種齒輪、凸輪軸、各種機(jī)座；汽車行業(yè)的曲軸、氣缸體、變速箱、履帶；建筑行業(yè)的輸水、輸氣管線。在我國(guó)，隨著汽車行業(yè)不斷壯大以及“南水北調(diào)”、“西氣東輸”工程的展開，還將進(jìn)一步促進(jìn)稀土鑄鐵，稀土鑄鐵管的開發(fā)與應(yīng)用。1.2鋼中的應(yīng)用稀土大規(guī)模在鋼中的應(yīng)用

3、，始于20世紀(jì)50年代。隨后，人們逐漸認(rèn)識(shí)到稀土對(duì)鋼的顯微組織、夾雜物等均有良好的影響。稀土加入彈簧鋼中能起到除氣，改變夾雜物形態(tài)，減小夾雜物粒度的作用，能提高鋼的抗疲勞強(qiáng)度4。耐熱鋼中加入0.01%0.01%的la或ce，稀土原子容易富集在晶界，減少晶界雜質(zhì)元素，可提高鋼的高溫強(qiáng)度5。重軌鋼中稀土加入量約為0.01，鋼中的奧氏體晶粒尺寸明顯細(xì)化，熱軋態(tài)奧氏體晶粒尺寸由34.4m減小到30.3m，鋼的沖擊韌度得到顯著改善6。2cr13不銹鋼中加入不超過0.1%的單質(zhì)ce，可使不規(guī)則夾雜物向球形轉(zhuǎn)化，不銹鋼自腐蝕電位逐步升高，腐蝕電流密度逐漸降低，提高了不銹鋼的抗腐蝕性7。fe-cr-2mo合金

4、鋼中添加0.1%的稀土后，組織中mn的s，o夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)橄⊥恋膕，o夾雜物，其形態(tài)由不規(guī)則的長(zhǎng)條狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)粒狀，稀土元素使鋼的耐磨性明顯提高8。稀土可與鋼液中夾雜的o、s形成稀土化合物，這些化合物有部分從鋼液中上浮入渣，可使鋼液中的夾雜物減少，鋼液得到凈化；鋼中的稀土原子易在晶界上偏聚，這種偏聚能仰制s、p及低熔點(diǎn)雜夾在晶界的偏析，并與這些夾雜形成高熔點(diǎn)的化合物，減少了低熔點(diǎn)夾雜的有害影響，凈化和強(qiáng)化了晶界，阻礙了晶間裂紋的形成和擴(kuò)展，利于鋼材的高溫塑性和耐腐蝕性。此外，稀土能使鋼液中以條狀存在的硫化物轉(zhuǎn)化成球狀稀土硫化物，這些球狀硫化物在軋制過程中不隨鋼一起變形，仍保持為球狀，從而提高鋼的韌

5、性，改善鋼的抗疲勞性能。從上世紀(jì)60年代至今，我國(guó)稀土鋼的研究和生成已經(jīng)有50年的歷史，但是，我國(guó)開發(fā)的稀土鋼品種并不多，品種級(jí)別也較低，這與我國(guó)鋼產(chǎn)量、稀土產(chǎn)量第一大國(guó)不相稱，隨著國(guó)際上對(duì)稀土鋼研究熱情持續(xù)高漲，以及我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，急需開發(fā)高附加值高品質(zhì)的稀土鋼新品種。2有色冶金中應(yīng)用2.1有色金屬合金中的應(yīng)用稀土在有色金屬合金中的應(yīng)用研究在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始，應(yīng)用已從鋁合金逐漸拓展到銅合金、鎂合金、硬質(zhì)合金等有色金屬合金中。稀土導(dǎo)電鋁合金可用作高壓輸電線。工業(yè)純鋁中加入的稀土la，會(huì)固溶于鋁中的si、fe等有害雜質(zhì)形成了穩(wěn)定的金屬間化臺(tái)物，并在晶界析出，降低了雜質(zhì)元素在基體

6、中的固溶度，可明顯提高鋁的導(dǎo)電性，稀土ce加入工業(yè)純鋁中可細(xì)化晶粒，顯著提高鋁的抗拉強(qiáng)度，加入0.2%0.3%混合稀土可使國(guó)產(chǎn)工業(yè)純鋁生產(chǎn)的鋁導(dǎo)線性能達(dá)到國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)要求9。6063鋁合金是一種最常用的變形合金，多用于工業(yè)和民用建筑，其成分為：mg0.76、si0.50，余為鋁。在該合金熔煉過程中加入0.25左右的sc元素對(duì)6063鋁合金的鑄態(tài)組織具有強(qiáng)烈細(xì)化作用，鋁合金耐腐蝕性能提高一倍，鋁合金材料的熱穩(wěn)定性，高溫下的強(qiáng)硬度指標(biāo)均得到改善10。導(dǎo)電銅中加0.04%的ce可凈化銅中殘存的雜質(zhì)，并細(xì)化銅組織，改善銅的拉絲性能和導(dǎo)電率11。錫青銅是礦井中作為罐籠罐耳內(nèi)襯套的主要材料，錫青銅高

7、溫熔煉時(shí)加入0.06%的稀土la，由于la化學(xué)活性高，能與合金中溶解的氫形成穩(wěn)定的彌散稀土氰化物，起到固定氫的作用，避免“氫脆”的產(chǎn)生，可提高銅合金的沖擊韌性，此外la還有細(xì)化枝晶的作用，從而提高了錫青銅的耐磨性12。mg-zn合金中，加入0.4%1.2%的nd能細(xì)化合金晶粒，提高合金的硬度，nd還能與合金中的氫結(jié)合成稀土氫化物，減少了氣孔、針孔等拉伸過程中裂紋源的形成，提高了合金的伸長(zhǎng)率和抗拉強(qiáng)度13，14。硬質(zhì)合金被稱為“工業(yè)的牙齒”，在難加工材料、精密模具加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。硬質(zhì)合金要獲得高耐磨性和高抗彎強(qiáng)度抑制燒結(jié)過程中wc晶粒的長(zhǎng)大是關(guān)鍵。在wc-co基硬質(zhì)合金中，添加0.20.8%

8、的稀土ce，由于ce非?；顫?，易與o、s、n等雜質(zhì)形成稀土化合物質(zhì)點(diǎn)分布在晶界上，阻止了wc與wc之間的晶界遷移，抑制了燒結(jié)時(shí)wc晶粒的不均勻長(zhǎng)大，wc晶粒變細(xì)，合金強(qiáng)度提高；另外，不添加ce時(shí)，合金中存在的s以粒徑約23m的脆性化合物coxsy存在，分布在wc-co的界面上，形成裂紋源，在外力作用下，極易沿界面斷裂，合金抗彎強(qiáng)度下降，而ce加入后，coxsy轉(zhuǎn)化成了粒徑約200300nm的球形ce2s3質(zhì)點(diǎn)，彌散在co相和wc-co的界面上，消除了coxsy的有害影響，合金的抗彎強(qiáng)度提高15。在有色金屬合金中，稀土元素與h等氣體和許多非金屬有較強(qiáng)的親和力，能生成熔點(diǎn)高的化合物，有一定的除h除

9、o等凈化作用，此外，稀土元素化學(xué)活性極強(qiáng)，它可以在長(zhǎng)大的晶粒界面上選擇性地吸附，阻礙晶粒的生長(zhǎng)，有細(xì)化晶粒，改善合金組織的作用，從而達(dá)到改善合金機(jī)械性能、物理性能和加工性能等效果。以上含稀土有色金屬合金都已工業(yè)生產(chǎn)，取得了良好社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益，但是有色金屬合金種類繁多，所以，稀土在有色金屬合金中的應(yīng)用開發(fā)潛力還很巨大。2.2電鍍中的應(yīng)用稀土在有色金屬電鍍中的研究始于20世紀(jì)80年代，添加稀土主要是基于改善鍍層性質(zhì)，提高電流效率的角度出發(fā)?，F(xiàn)在，稀土添加劑不僅應(yīng)用于cr、zn、ni、cu等單質(zhì)金屬的電鍍沉積，也應(yīng)用于鎳鐵、鎳鋅、鋅鐵、鋅鋁等合金電鍍沉積中，添加劑也由單一稀土發(fā)展至復(fù)合稀土化合物

10、。稀土添加劑加入到鍍鐵液中，部分稀土?xí)c鐵共沉積于鍍層中，鍍層內(nèi)應(yīng)力增加，相應(yīng)提高鍍層硬度；稀土陽(yáng)離子還會(huì)在陰極表面產(chǎn)生吸附，一方面抑制h的吸附和析出，從而抑制微裂紋的形成，鍍層耐腐蝕性提高，另一方面，由于析h變難，fe的沉積速度相對(duì)提高，電流效率升高16。將稀土作為鍍鉻添加劑鍍鉻，可以在較低溫度下得到更高的電流效率，而且鍍鉻液的分散能力、鍍層覆蓋能力以及耐腐蝕性都能得到明顯提高17。鋅鎳合金電鍍中，加入少量（約1.0gl）硫酸鈰可以提高鍍液的電流效率，使鍍層中的含ni量有所提高，含ce的鍍層在高溫高壓的鹽水中具有優(yōu)良的耐腐蝕性能18。在酸性鍍液中沉積鎳磷合金鍍層，加入稀土離子（la3+、y3+）和稀土氧化物（ceo2、y2o3）作復(fù)合添加劑，稀土離子起到細(xì)晶強(qiáng)化和微合金化的作用，稀土氧化物起到彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用，提高了鍍層硬度、耐磨性，鍍層與基體結(jié)合力增強(qiáng)19。綜合來看，鍍液中的稀土陽(yáng)離子，由于活性很強(qiáng)，可以：（1）影響陰極極化。稀土陽(yáng)離子在陰極表面吸附，提高陰極極化，使析h過電位增大，金屬或合金的沉積速度和電流效率相應(yīng)升高。（2）改變電結(jié)晶過程。稀土陽(yáng)離子易吸附在晶體生長(zhǎng)的活性點(diǎn)上，有效抑制晶體生長(zhǎng)，使鍍層晶粒細(xì)化，鍍層硬度提高，加之析氫困難，因析h產(chǎn)生的微裂紋減少，鍍層耐蝕性增強(qiáng)。稀土添加劑在電鍍行業(yè)中應(yīng)用廣泛，已從普通電鍍中轉(zhuǎn)移到復(fù)