1概述

稀土是指元素周期表中ⅲB族的镧系元素，钪和钇，化学性质与镧系元素相似，共有17种元素。它是由芬兰学者加多林在1794年发现的。当时，在瑞典矿石中也发现了类似的矿物成分& ldquo地球& rdquo然而，现存的钇土，被认为是稀有的，被命名为& ldquo稀土& rdquo(巴克斯地球).此后，许多类似的元素相继被发现，俗称稀土。但后来发现，地壳中稀土的丰度比人们想象的要多得多。比如铈比锡多很多，钇也比铅多，甚至最不丰富的稀土元素也比铂族元素多，可见稀土并不稀有。它不是& ldquo地球& rdquo，都是金属元素。

中国拥有丰富的稀土资源，这是世界上任何一个国家都无法比拟的。已探明工业储量3600万吨，约占世界总量的80%，种类繁多，分布集中。其中包头市白云鄂博矿储量占全国储量的95%以上。这就是为什么& ldquo世界稀土在中国，中国稀土在包头& rdquo说出来。目前包钢每年生产的稀土矿量为230-250万吨，这些稀土矿大多品位较高，可达7.25%以上。经过几十年的研发，生产技术不断完善，生产规模不断扩大。目前已形成年产稀土精矿6万吨、稀土合金1.5万吨、氧化物折合湿法稀土产品5800吨的世界最大稀土矿产品生产基地，品种83个，规格195个。包钢虽然稀土资源丰富，但在稀土处理钢的品种和处理效果上，仍远远落后于武钢、济钢、本钢。如何将稀土的资源优势转化为经济优势，还需要进一步研发。

稀土2在钢铁中的应用现状

近年来，国内外钢铁生产的实践表明，稀土处理能对钢的性能产生一系列影响。目前，我国稀土处理钢有80多个品种，年产量60万吨。预计2002年中国稀土钢产量将达到300万吨。是包钢稀土之乡，也开发了一些稀土处理钢，但只占包钢产量的0.5%。因此，开发应用稀土资源，研究稀土钢应提上日程。

包钢稀土在钢铁中的应用始于20世纪60年代。当时稀土被视为灵丹妙药，认为无论放什么钢进去都会有效果。甚至有人提出& ldquo用稀土代替镍和铬& rdquo到了70年代中期，对于稀土在钢铁中的应用，出现了两种完全不同的观点。一种观点认为，稀土在某些钢中发挥了明显的作用，应该继续进行实验研究。另一种意见认为，稀土对高硫含量的钢有一定作用，但随着生铁中硫含量的降低，稀土的作用会逐渐消失，所以稀土处理钢是没有前途的。到了20世纪80年代末，事实证明稀土确实有用，当然也不是万能的。如果钢中含有微量稀土元素，可以明显优化铸坯质量，提高钢的塑性和韧性，改善钢的横向性能和低温韧性。有了初步的定性概念。

20世纪90年代，随着钢铁工业的发展，出现了许多与稀土有关的话题。稀土在炉外精炼、压铸和连铸等不同工艺中的应用领域极大地促进了稀土处理钢生产的发展。进一步证实了稀土具有净化钢液、变性钢中夹杂物和微合金化的作用，有利于提高钢的冷冲压成形性、横向和低温韧性、高温强度、焊接性和耐腐蚀性，并进一步得到了定性的概念。由于缺乏量化，稀土钢的标准还没有制定，稀土处理的钢只能叫稀土钢。就某一钢种而言，不清楚钢中含有多少稀土，对其性能有多大影响。稀土钢的生产技术和控制手段没有完全掌握，也影响了稀土钢的发展。

3稀土的使用

稀土一般按性质不同和分离技术要求不同分为轻稀土和重稀土，其中La、Ce、Pr、nd、Ju、Sm、Eu为轻稀土。稀土元素是典型的金属元素。它们的金属活性仅次于碱金属和碱土金属，比其他金属元素更活跃。它们可以与许多元素结合。而且稀土金属的燃点很低，比如铈165℃，钕270℃，所以很容易和氧气发生反应。在空气体中，所有稀土金属在180℃-200℃都能被氧化成RE-203氧化物。稀土氧化物熔点很高，生成自由能负值很大，说明都是很稳定的化合物。由于稀土元素的特殊性质，决定了稀土元素的用途。稀土硅铁合金(含轻稀土混合金属20%-45%)、稀土硅铁镁合金(含稀土金属6%-25%，镁7%-12%)和重稀土硅铁合金(含钇混合稀土60%以上)主要用于钢铁工业。混合稀土金属(含轻稀土95%以上)、富含铈或镧的稀土硅铁合金(铈占70%或镧占50%以上)。其中炼钢生产常用的有两种。一种是稀土合金，块状稀土硅铁合金，以前用于钢包输入和钢包压制，粉末一般用于钢包喷粉和压铸喷粉。第二种是混合稀土金属制作丝绸(& phimm-& phi；Mm)或bar(& ge；& phiMm)，线材用在钢包、中注管或连铸结晶器中，用喂丝机喂钢，挂在结晶器内将棒熔入钢中。随着喂线技术在炼钢中的广泛应用，稀土包芯线作为一种新型线性添加材料将得到进一步发展。

稀土4在钢中的作用机理

4.1微合金化

稀土元素的微合金化作用初步确定为稀土原子偏聚在晶界上，与其他元素相互作用，导致晶界结构、化学成分和能量的变化，并影响其他元素的扩散和新相的形核和长大，最终导致钢的组织和性能的变化。钢中稀土金属含量因钢种、冶炼方式、稀土加入方式不同而差异很大。钢中稀土含量与微合金化的直接关系还有待研究。

4.2与其他有害元素的相互作用

一定量(量需要进一步计算)的稀土能与钢中的磷、砷、锡、锑、铋、铅等低熔点有害元素反应。一方面，稀土可以与这些杂质形成熔点更高的化合物；另一方面也可以抑制这些夹杂物在晶界上的偏移。比如钢中有热脆性，是因为钢中有一些熔点低的金属元素。钢液中加入稀土，生成高熔点金属化合物，不在钢中熔化，进入渣中，起到净化作用，减少钢中杂质，从而克服热脆性。

4.3稀土元素的脱硫和脱氧

热力学分析和对钢中稀土夹杂物的大量研究表明，钢中[O]和[S]的含量在一定范围内，钢液中加入稀土时，容易生成稀土氧硫化物。当钢中氧含量降至201ppm以下时，加入钢水中的稀土首先形成RE203S型夹杂物，然后形成RE3S4或RES型硫化物。这些硫化物可能包裹在氧硫化物周围，形成复合包裹体或稀土硅酸盐化合物，熔点高，非常稳定，呈球形。在钢水被适当地冷却后，这些稀土氧化物、硫化物或稀土硅酸盐化合物将被从钢水中去除，从而净化钢水。稀土在钢中的作用90%是通过控制硫化物形态来实现的。当RE/S为2.7-3.0时，硫化物形态的控制效果达到最佳状态。

4.4氢气捕获

稀土可以吸收大量的氢，可以制成储氢材料。在钢中加入稀土可以抑制钢中氢引起的脆性和白点。研究表明，稀土可以降低氢的扩散系数，延缓氢在裂纹尖端塑性区的富集，从而延长裂纹扩展的孕育期和断裂时间。因此，稀土可以抑制钢的氢脆。

4.5分散硬化

向钢液中注入稀土氧化物(CeO2)粉末可以提高钢的强度和韧性，降低钢的韧脆转变温度，提高钢的持久强度。原因是一方面，Ce02可以作为晶核的细化铸态晶粒；另一方面，弥散的二氧化铈颗粒可以提高晶界对抗位错运动的能力。

4.6退化内含物

在钢液中加入稀土，产生球状稀土硫化物或硫氧化物，取代易形成的长MnS夹杂物，从而控制硫化物的形状，提高钢的热塑性，特别是横向冲击韧性，改善钢的各向异性。将高硬度的稀土角状氧化铝夹杂物转变为球状硫氧化物和稀土铝酸盐，有利于提高钢的疲劳性能。

稀土对钢性能的影响

目前开发的稀土钢品种有稀土铌重轨、高韧性压力容器钢、45公斤桥梁板、稀土船板钢、稀土车轴钢、大型桥梁型钢等。由于稀土的存在，这些钢的性能和应用得到了改善。说明稀土对钢性能的影响是独特的。

5.1稀土对钢轨钢的影响

当钢轨钢中稀土(铈、镧、镨和混合稀土)含量在0.029%以上时，可产生以下作用:①稀土可延缓钢轨钢中接触疲劳裂纹的萌生和扩展，延缓钢轨表面剥落的发生。

②稀土能明显降低钢轨钢的接触疲劳穿透角和穿透深度。

③稀土能减小钢轨钢接触疲劳表面的塑性变形范围，提高加工硬化效果。

④稀土具有净化钢液、变性夹杂物和微合金化的作用。

⑤既能减少应力集中区，又能细化组织，提高强度，增强钢轨钢的抗变形能力。

⑥稀土易氧化，氧化后形成氧化膜，附着在钢轨表面，导致& ldquo润滑既能降低摩擦系数，又能提高表面结合强度，从而改善钢轨的疲劳和磨损，耐磨性比普通钢轨提高一倍。

5.2稀土对60Cr Mn Mo的影响

稀土处理后，钢中稀土含量达到0.05% & mdash；0.07%，可明显提高热轧用钢的热疲劳寿命和塑性。

5.3稀土对16MnRE的影响

显著提高了钢材的韧性和塑性，尤其是钢材的横向韧性和塑性，具有良好的冲压性能。这种钢广泛用于汽车、桥梁、造船、集装箱和建筑行业。

5.4稀土对09MnRE的影响

显著提高汽车和车辆用钢的塑性。用于中型汽车发动机挡板、车架侧板等。

5.5稀土对石油钻杆钢的影响

钢中稀土元素的主要作用是去除钢液中的杂质元素，特别是钢中加入稀土元素后，硫含量可由0.025%降至0.01%，并可改变残余夹杂物(主要是硫化锰)的形状，从而提高钢的强度。这是因为残留的稀土夹杂物较硬，轧制时呈球形，而不是形成容易引起裂纹的细长薄片。其次，当钢中存在氢等有害气体时，稀土可以在钢中起到脱氢作用。这些特性对油井钻钢非常重要，加入混合稀土金属可以延长钻杆钢的使用寿命。

还有很多重要的方面需要讨论，如稀土纳米医用材料、传感器材料、磁存储材料等。将在后面描述；然而，仅从本文介绍的这些例子中，我们就可以看到稀土纳米粒子和技术在材料、能源、信息、环保等诸多领域发挥着创新作用。，用它们可以开发出无数的新材料。在应用中的作用和效果是不可估量的。我们应积极参与稀土纳米材料及其应用的研发，为将稀土资源优势转化为技术优势和产业优势做出应有的贡献。