金屬所低氧稀土鋼研究獲進(jìn)展

近日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心先進(jìn)鋼鐵材料研究部研究員李殿中團(tuán)隊(duì)受前期研究——氧致偏析新機(jī)制的啟發(fā)（Inclusion flotation- driven channel segregation in solidifying steels，Nature Communications，2014），通過(guò)10余年的機(jī)理研究和工業(yè)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)稀土鋼性能波動(dòng)、澆口堵塞問(wèn)題的根源在于氧含量。研究通過(guò)降低鋼液和稀土金屬中的氧含量，并與金屬所相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)合作，結(jié)合試驗(yàn)、計(jì)算和表征揭示了稀土在鋼中的關(guān)鍵作用機(jī)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)研究成果以Low-oxygen rare earth steels為題發(fā)表在Nature Materials上。

研究進(jìn)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)，有效解決了稀土鋼工業(yè)應(yīng)用中的問(wèn)題。利用自主發(fā)明的夾雜物萃取三維表征技術(shù)，分析了稀土GCr15軸承鋼和進(jìn)口的某軸承鋼中的夾雜物形貌，發(fā)現(xiàn)在三維尺度上進(jìn)口軸承鋼中以氧化鋁和大尺寸硫化錳夾雜物為主，而稀土軸承鋼中夾雜物主要是細(xì)小的球狀稀土氧硫化物。

左圖為某進(jìn)口軸承鋼（左）與雙低氧稀土軸承鋼（右）中的夾雜物對(duì)比。

研究通過(guò)第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼中存在鐵空位時(shí)，空位與稀土原子交互作用可以大幅降低稀土的固溶焓，促進(jìn)稀土固溶，固溶的稀土元素顯著提高了鋼中碳的擴(kuò)散激活能。在稀土偏聚晶界和提高碳擴(kuò)散激活能的共同作用下，使用雙低氧技術(shù)在鋼中添加10-6量級(jí)的稀土，即可顯著降低鋼中擴(kuò)散型相變的相變開始溫度。該研究揭示了稀土鋼性能波動(dòng)的根源在于氧，只有在低氧條件下稀土才能在鋼中穩(wěn)定發(fā)揮出深度凈化鋼液、細(xì)化改變夾雜物和強(qiáng)烈微合金化的作用。研究表明，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(duì)于發(fā)揮我國(guó)稀土資源優(yōu)勢(shì)，平衡稀土資源利用，提升優(yōu)特鋼的品質(zhì)具有重要意義。