稀土材料的主要应用

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1、稀土在冶金工业中的应用稀土在冶金领域应用已有 30 多年的历史，目前已形成了较为成 熟的技术与工艺，稀土在钢铁、有色金属中的应用，是一个量大面广 的领域，有广阔的前景，对国民经济建设具有重要意义。一、稀土在钢中的应用稀土在钢中的应用有近 30 年的历史，经过对稀土金属在钢中作用 规律和机理的研究， 搞清楚了稀土在钢中的作用； 通过添加工艺方法 的实验研究， 掌握了稀土加入的工艺条件、 添加稀土金属的品种和加 入量。至八十年代末期，稀土在钢中的应用已没有技术方面的障碍。 我国稀土钢产量从 1985 年的 11 万吨增长到 1997 年的近 60 万吨， 品种 80 多个。仅武钢一家， “八五 ”

2、期间就生产了 160 万吨稀土钢， 创造经济效益 3.2 亿元，社会效益 18.3 亿元，节约外汇 5000 万美元。稀土加入钢中， 可起到脱氧、脱硫、改变夹杂物形态等净化和变 质作用，在某些钢中还能有微合金化的作用， 稀土能够提高钢的抗氧 化能力，高温强度和塑性、疲劳寿命、耐腐蚀性及抗裂性等。 1.稀土加入钢中的主要作用化铝和硅铝酸盐夹杂物中的氧与硫， 形成稀土化合物。 这些化合物中 有部分从钢液中上浮进入渣中， 从而使钢液中的夹杂物减少， 钢液得 到净化，这就是稀土对钢的净化作用。细化组织：由于稀土在钢中同夹杂物反应生成的稀土化合物熔点 较高，在钢液凝固前析出， 这些细小的质点， 可作为非

3、均质形核中心， 降低结晶过程的过冷度， 因此，不但可以减少偏析还可细化钢的凝固 组织。对夹杂物的形态控制： 钢中加入稀土后， 硫化锰将被在高温塑性 变形能力较小的稀土氧化物或硫化物取代， 这些化合物在轧制过程中 不随钢一起变形，仍保持为球状，它们对钢的机械性能影响较小，所 以钢中加入稀土可以提高钢的韧性，改善钢的抗疲劳性能。在耐大气腐蚀钢中加入稀土， 使钢的内锈层致密， 而且与基体的 结合力变强，不易脱离，可以阻止大气中 O2 和 H2O 的扩散，从而 降低了腐蚀速度，加稀土的钢的耐腐蚀性比不加稀土的钢提高0.32.4倍。在MnNb系低合金高强度钢中加入稀土可以显著改善钢的冷 弯性能、冲击性能

4、、低温冲击性和耐磨性，大大改善了钢的加工性能 并提高其使用寿命。 在铁路钢轨中加入稀土， 可显著提高钢轨的耐磨 性、抗剥离性，经多年使用证明钢轨寿命提高 1.5 倍。 2我国主要稀土钢种80 多个牌号，年生产总量 60 万吨。但大量 应用稀土的钢种只有十几种， 主要钢种包括铜磷系耐大气腐蚀钢、 锰 铌系列低合金高强度钢、 X 系管线钢、铌稀土重轨钢，此外还有齿轮 钢、轴承钢、弹簧钢、模具钢、工程机械用钢、低碳微合金深冲钢、 不锈钢和耐热钢等。耐蚀低合金钢，经过稀土处理耐蚀率提高近 10 倍。用它制成的耐候货车使用寿命提高 1 倍，返厂进行大修的周期由 6年延长至10年。1988年武钢生产了 1

5、8万吨09CuPTiRE钢，可 制造车皮2万辆，直接获利润4383万元，吨钢利润为243元，节省 车皮的维修费用1.7亿元，而二次效益（用户效益）为 944元/吨钢。目前稀土钢新品种的开发，取得了重大成绩。包钢、北京钢铁研究总院、铁道部科研院联合研制的稀土铌重轨，耐磨寿命比U74、U71Mn重轨提高50%以上，1997年通过了冶金部和铁道部的联合 鉴定，成为我国重轨的主要升级换代产品。另外，经二年的铺轨试验， 攀钢和武钢生产的加稀土的管线钢，性能优异受到了石油部门的青 睐。目前我国主要稀土钢种用途及生产厂家见表1。表1我国主要稀土谢种序号用途生产厂家1OgCuPTi (RE)09CuTiEE铁

6、路货车、客车、桥梁武汉钢铁公司;攀枝花钢铁公司2lOCuPCRE)建筑、化工、桥梁、洞结构十冈门窗上海钢铁一厂;上海钢铁研究所3OGCuPCRE)汽车、铁路车箱、隼装箱武汶问铁公司440帕HIRE晉渔石油套管x寂压支架、千斤顶包头f冈铁公司530MnNbKE抗K2S套管x抽油杆、髙压气範包头钢铁公司620REg巖炉用的管包头钢铁公司7普谨济体管包头钢铁公司618MnXb(KE)建筑结构11级螺纹钢筋包头钢铁公司9lSHriEE直船及结构厚板、压力容器、汽车板武汉钢铁公司;鞍山钢铁公司10K60H石油管线武汉钢铁公司11X42、152、X56、X60管线管涸宝山钢铁公司1220-25-30TiB

7、RE大冶洞铁厂1355S 训 nVBRE大冶洞按厂14H295煤气祖用钢衣原胡铁处哥1SBNbEE FE3EE铁路钢轨包头浪铁公司、鞍山泅铁处 司*攀枝花钢扶公司3.钢中加入稀土的主要方法钢中稀土加入方法以喂丝法为主，其次是稀土金属棒吊挂法，包内加入稀土硅铁合金法及包内喂入稀土硅铁合金包芯线法。各厂因钢种、浇铸工艺和设备不同选择合适的方法。在稀土喂丝机的研制方面，包钢稀土研究院和武钢二炼钢厂等单 位取得了长足的进步。稀土丝、棒和稀土硅化物合金、稀土硅铁包芯 线产品较好地满足了各钢厂生产稀土钢的需要。钢中加稀土的设备不但投资少，而且还能获得明显的经济效益和社会效益。 以喂丝法为例， 一台喂丝机仅

8、5万元，稀土加入量吨钢费用不超过 40元，而效果却 是事半功倍，能使钢材的横向冲击韧性提高一倍，改善热加工性能， 从而提高成材率。4.稀土钢的发展趋势最近国家冶金工业局制定了稀土在钢冶炼中的应用近期目标和 远景规划，预计到2000年稀土处理钢产量将达到300万吨，保守估 计1999年全国各类稀土钢产量将达到 90150万吨，稀土应用量将 达到500850吨，将超过1998年的1.32.3倍。19911997年 稀土在钢中消费量见表2。表2 1991-1997年我国稀土在洞中消费蚩（MO-吨年199219931994199519961997用重56671075030C300350372二、稀土在

9、铸铁中的应用铸铁是高碳硅铁合金的通称，其碳含量在1.84.5之间，铸铁以碳在合金中的分布状态可分为灰口铸铁、球墨铸铁、珠光体铸铁、 可锻铸铁和白口铁。我国从 60 年代中期开始研究稀土与铁的作用机 理和处理工艺，先后解决了稀土球化剂、孕育剂的冶炼制备、稀土加 入方法等问题。目前稀土处理的铸铁主要分三大类：球铁件、蠕铁件 和高强灰铸铁件以及稀土处理的合金铸铁件。1稀土加入铸铁中的主要作用变质作用：突出表现为使片状石墨变成球状石墨。石墨球化可以 减少应力集中，并细化铸态组织，改善非金属夹杂物的形状和分布， 有利于材质性能的提高，因而稀土球铁具有高于灰铸铁的机械性能， 其抗震性、耐磨性和切削加工性能

10、比钢还好。净化作用：铁水中经常含有氧、硫等有害杂质，这些杂质会使铸 件产生气孔、裂缝，并形成夹渣，使材质的强度、韧性和塑性降低。 而稀土元素与硫、氧的结合能力强，生成难熔化合物，在铁水中能起 脱硫除氧作用。同时稀土还能消除铁水中有害元素如 Pb、Zn 、Bi 等 的不良影响。改善铸造性能： 稀土加入铁水中能显著的提高铁水的流动性， 并 减少偏析和热裂等铸造缺陷。2稀土铸铁发展现状目前，我国年生产稀土铸铁约 150 万吨，其中球铁管 30 万吨。稀土在铸铁中的消费量占我国稀土消费总量的25%。19911997年稀土在铸铁中的用量见表3。表孑19911997年稀土在镭铁中用里（R0吨.年19911

11、99219931994199519961997用里12800297030003480350038503800稀土铸铁主要应用于冶金行业的轧辊、 钢锭模；汽车及拖拉机行业的 曲轴、气缸体、变速箱、履带；机械行业的各种齿轮、凸轮轴、各种 机座；建筑行业的各种口径的输水、气的管线和暖气片。我国稀土铸 铁的产量自1993年以来均以9%的年增长速度递增，1998年产量在 110万吨左右，其稀土用量为3800吨，占国内稀土总用量的1/4左 右，已成为国内稀土应用最大的领域。三、稀土在有色金属中的应用1.稀土加入到有色金属中的主要作用稀土具有很高的化学活性和较大的原子半径，加入到有色金属及其合金中，可细化晶

12、粒、防止偏析、除气、除杂和净化以及改善金相 组织等作用，从而达到改善机械性能、物理性能和加工性能等综合目 的。由于稀土金属的净化、调质作用，对这些有色金属都能起到细化 晶粒，提高再结晶温度，从而对铸造合金能显著地改善工艺性能，对 变型合金能显著地提高加工性能；对镍、钻基的耐热合金能提高抗氧 化和抗高温腐蚀的能力， 对超硬合金可以改善韧性和耐磨性。 这些性 能的改善， 都显著地提高了生产企业及使用单位的经济效益， 并能为 国家减少这些宝贵资源的消耗。2稀土在有色金属中的应用（1）稀土在铝电线、电缆中的应用 目前我国的稀土铝导线主要有高强度稀土铝合金电缆，成份为AI-Mg-Si-RE，用于高压输电

13、线路，它的抗拉强度达到26 k g/mm2 ,弧垂性能和弯曲性能好， 使用寿命长。高导电铝电线， 成份为 Al-RE， 稀土的加入量为0.150.3%。在较高温度下（v 150C ）使用的高 导电稀土铝导线其成份为 AI-Zr-RE，其载流量为纯铝线的1.62.0 倍，用作大电流导线。每年生产的稀土铝电缆、电线不仅满足国内市 场的需求，还大量出口，经济效益显著。稀土铝高导电电线和稀土铝 合金电缆线产量预计 1999 年将达到 50 万吨左右，稀土消费量在 1000 吨左右。（ 2） 6063 稀土铝合金及应用这是一种最常用的变形合金， 多用于工业和民用建筑， 其成份（ %） 为 Mg0.67

14、0.70 , Si0.45 0.48 , Fe0.20 0.21，余为铝。在该合 金熔炼过程中加入 0.200.25%的稀土金属，抗拉强度提高 24%， 挤压速度提高 0.5 倍，成材率提高 3% ，并改善了表面质量。增加了 耐蚀性和着色性。另外还有添加稀土的 AI-Si-M（M=Cu,Mg,Mn） 合金 用于制造汽缸缸体和活塞。（ 3）稀土锌铝热镀合金为防止钢材腐蚀，通常用 Zn-Al 热镀合金（ Galfan ）比镀锌具有 更好的加工成形性和耐腐蚀性，但锌耗较高，耐蚀性也有待改善。近 年 Zn-Al-Mg-RE 热镀合金开发成功并投入生产。这种稀土热镀合金 的流动性、耐蚀性、镀层的形成性能

15、都优于锌和 Zn-Al 合金。 （4）稀土铜耐磨合金一般轴瓦材料用锡青铜 （即巴氏合金），但价格较贵。 稀土耐磨铅 青铜合金（ RPH ）的使用寿命是巴氏合金的 1.5 倍，而吨成本比后者 又降低了 5000 6000元。目前已在纺织机械中使用。（ 5）稀土硬质合金 硬质合金用于金属切削、钻头、模具等方面，其硬度大、强度高， 但抗弯性差、易打损。稀土添加剂同粘结剂与硬质相WC 、 TiC 一起球磨钛，制备硬质合金原料粉， 再经压型烧结工艺过程生产的硬质合 金，抗弯强度提高约 15% ，硬度提高 0.5RHA ，使用寿命提高一倍以 上。（6）稀土镁合金稀土镁合金比强度高，对减轻飞机重量，提高战术

16、性能具有广泛 的应用前景。中国航空工业总公司研制的稀土镁合金包括铸造镁合金 及变形镁合金约有 10 个牌号，很多牌号已用于生产，质量稳定。稀 土元素在镁合金中溶解度大， 因而有明显的热处理强化作用。 在铸造 和变型镁合金中加入金属钕、 钇显著地提高强度和工艺性能。 目前已 工业生产的铸造镁合金有 ZM2 、ZM4 、ZM6 ；变型稀土镁合金有 BM6、 BM25。另外稀土镁合金在医学工程上的应用也在研究中，目前该材 料正在做医学生物实验，有望用稀土镁合金作为人工骨接材料代替现 用金属夹具，减少病人第二次取出夹具的手术，这又将开辟稀土镁合 金一个新的广阔的应用天地。3.稀土在有色金属中的应用发展

17、现状稀土在有色金属及合金中应用开发潜力大，但开发的深度和广度不够。目前稀土在有色金属及其合金中应用研究表明，对加入稀土元素有明显效果的有铝、铜、镁、钛、钼、镍、钻、钽、铌及铂族金属 等，稀土金属在这些有色金属及合金中的添加量通常不少于0.5% ,但产生的效果极为显著。目前除稀土在铝导线和少部分铝合金上的应用开发达到工业化 规模外，在其它有色金属及合金中的应用，还未达到工业规模。我国 生产的稀土铝电缆年产约30万吨，稀土在有色金属中的用量呈逐年 递增的趋势，19911997年我国稀土在有色金属中的用量见表 4。*4 1991-1997年戏国稀土在有色金fg中的用里（HO-吨）年1991199219531994199519961997420440550600650750788