稀土元素電子結(jié)構(gòu)獨特，具有優(yōu)異的磁、光、電等物理和化學(xué)特性，在多種材料中發(fā)揮著重要作用。自20世紀20年代稀土在鋼中加入以來，國內(nèi)外大量研究表明，微量稀土添加顯著提高了鋼的韌塑性、耐磨、耐熱、耐蝕性能等。
通過長達十余年的機理研究和工業(yè)實驗，近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心研究團隊受前期氧致偏析新機制的啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)稀土鋼性能波動、澆口堵塞問題的根源在于氧含量。他們通過降低鋼液和稀土金屬中的氧含量，結(jié)合實驗、計算和表征揭示了稀土在鋼中的關(guān)鍵作用機制，控制夾雜物和稀土固溶，制備出性能優(yōu)越、穩(wěn)定的低氧稀土鋼。相關(guān)研究結(jié)果日前在《自然》雜志子刊《自然材料》上發(fā)表。
某進口軸承鋼(左)與雙低氧稀土軸承鋼(右)中的夾雜物對比研究發(fā)現(xiàn)，不僅鋼液中的氧含量影響稀土鋼的性能，更為重要的是，長期被學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界忽視的稀土金屬中的氧含量，對稀土鋼的性能具有十分重要的影響。因為稀土金屬極為活潑，在稀土金屬電解制備時容易形成大尺寸稀土氧化物，這些稀土氧化物隨稀土金屬加入鋼液中，帶入的大尺寸稀土夾雜物難以上浮去除，從而導(dǎo)致稀土鋼性能波動并與耐火材料反應(yīng)堵塞澆口。
基于上述發(fā)現(xiàn)，研究人員進一步開發(fā)了“雙低氧稀土鋼”技術(shù)，即鋼液低氧和稀土金屬低氧的控制技術(shù)，從而有效解決了稀土鋼工業(yè)應(yīng)用中的瓶頸問題。在高純凈的GCr15軸承鋼中應(yīng)用后，與不加稀土的軸承鋼相比，稀土軸承鋼±800MPa拉壓疲勞壽命提升了40倍，4.2GPa接觸應(yīng)力下滾動疲勞壽命提升了40%。
研究揭示了稀土鋼性能波動的根源，發(fā)現(xiàn)只有在低氧條件下稀土才能在鋼中穩(wěn)定發(fā)揮深度凈化鋼液、細化改變夾雜物和強烈微合金化的作用。該研究工作表明，噸鋼只需添加百余克的鑭鈰輕稀土，在成本基本不增加、工藝流程基本不改變的條件下即可顯著提升鋼的性能，這對于發(fā)揮我國稀土資源優(yōu)勢，平衡稀土資源利用，提升優(yōu)特鋼的品質(zhì)具有重要意義。
(總臺央視記者 帥俊全)