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稀土到处都有用,为什么偏偏没有钢?| 袁岚峰

袁岚峰 风云之声 2022-10-04

导言:


罪魁祸首在于氧,而且包括两个来源的氧!

众所周知,稀土是我国有优势的战略资源。稀土在许多领域都有重要应用,例如磁性材料、制冷、电力、化工、建筑、冶金、信息存储以至国防(稀土与磁性材料 | 墨子沙龙)。

有人把稀土比作现代工业的“维生素”,意思是添加少量的稀土就能产生神奇的效果。然而大家有没有想过,为什么最常见的材料——钢铁,从来没听说跟稀土拉上关系?

最近我才知道,稀土钢早在二十世纪二十年代就有人研究过,发现微量稀土添加就能显著提高钢的韧塑性、耐磨、耐热、耐蚀性能等。然而真到工业应用时就发现问题了:工艺不顺行,存在浇口严重堵塞的问题;稀土在钢中添加后,钢的性能剧烈波动,存在稳定性问题。这些难题一直没有得到有效解决,导致稀土钢的研究与应用逐渐冷下去了。

然而,最近有突破了!中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心先进钢铁材料研究部李殿中研究员团队,发现了稀土钢问题的根源。好嘛,从这么一长串的名字就能明白,这是个强者!(https://www.cas.cn/zkyzs/2022/09/363/kyjz/202209/t20220920_4848160.shtml

李殿中老师的团队经过十余年的机理研究和工业实验,发现稀土钢性能波动、浇口堵塞问题的根源在于氧含量。这话是什么意思呢?所有人都能想到,钢液中会含有氧。然而以前学界和产业界长期忽视了,稀土金属本身也会含有氧。稀土金属极为活泼,在稀土金属电解制备时就容易形成大尺寸稀土氧化物。这些稀土氧化物加入到钢液中,带入的大尺寸稀土夹杂物难以上浮去除,就导致稀土钢性能波动,以及与耐火材料反应堵塞浇口。原来罪魁祸首在于氧,而且包括两个来源的氧!

因此,这项研究的关键就是降低钢液和稀土金属中的氧含量。通过与金属所相关研究团队合作,结合实验、计算和表征,他们揭示了稀土在钢中的关键作用机制,控制夹杂物和稀土固溶,制备出性能优越、稳定的低氧稀土钢。2022年9月8日,论文在线发表于《自然·材料学》(Nature Materials),标题是《低氧稀土钢》(Low-oxygen rare earth steels)。

他们开发了“双低氧稀土钢”技术,即钢液和稀土金属都低氧的控制技术,有效解决了稀土钢工业应用中的问题。在高纯净度的GCr15轴承钢中应用后,与不加稀土的轴承钢相比,稀土轴承钢±800 MPa拉压疲劳寿命提升了40倍,滚动接触疲劳寿命提升了40%。另一个比较对象是添加现有的商业稀土金属的样品,稀土金属中氧含量为270 ppm,没有经过控制,这时它的疲劳寿命会出现明显波动,即质量不稳定。

他们还发明了一种新的夹杂物萃取三维表征技术,以此分析了稀土GCr15轴承钢和进口的某轴承钢中的夹杂物形貌。他们发现在三维尺度上进口轴承钢中的夹杂物主要是氧化铝和大尺寸硫化锰,而稀土轴承钢中的夹杂物主要是细小的球状稀土氧硫化物。稀土氧硫化物的硬度仅为氧化铝的1/5左右,略高于轴承钢基体硬度。与脆硬的氧化铝夹杂物相比,尺寸细小、与基体硬度匹配性良好的稀土氧硫化物在疲劳加载过程中可以发生塑性变形,引发夹杂物周围应力集中显著减小,有效延缓了疲劳裂纹的萌生。

这项研究不仅本身实现了很大的进步,还为进一步的进步提供了可能。这个进一步的进步叫做稀土微合金化,即稀土在钢中成为固溶体。以往研究通过对比一些钢种添加稀土后的性能变化,推测部分稀土可能以固溶形式存在于钢中,发挥了微合金化的作用,但始终没有直接的实验证据,而且难以获得稳定的效果。现在通过第一性原理计算发现——请注意,第一性原理计算就属于我的专业“理论与计算化学”,意思是不需要任何经验参数,完全基于量子力学原理做数值计算,就可以预测材料的性质,——他们通过第一性原理计算发现,当钢中存在铁空位时,空位与稀土原子交互作用可以大幅降低稀土的固溶焓,也就是说极大地有利于稀土固溶。同时计算发现,与钢中常见的合金元素相比,稀土更易在晶界偏聚。研究使用球差校正电镜观察到钢中的固溶稀土团簇,从而证实了钢中确实存在一定数量的固溶稀土。

第一性原理计算进一步揭示了固溶的稀土元素显著提高了钢中碳的扩散激活能。在稀土偏聚晶界和提高碳扩散激活能的共同作用下,使用双低氧技术在钢中添加ppm量级的稀土,即可显著降低钢中扩散型相变的相变开始温度。研究进一步设计了扩散偶实验,证实了稀土显著降低钢中碳的扩散系数,展示出稀土强烈的微合金化能力,这为通过调控碳扩散优化钢的显微组织和力学性能提供了新途径。大家如果听不懂这些说的是什么,也没关系,只要明白一点,这些成果表现了第一性原理计算的威力,我就很开心了!

最后,沈阳金属所的总结是:该研究揭示了稀土钢性能波动的根源在于氧,只有在低氧条件下稀土才能在钢中稳定发挥出深度净化钢液、细化改变夹杂物和强烈微合金化的作用。该研究表明,吨钢只需添加百余克的镧铈轻稀土,在成本基本不增加、工艺流程基本不改变的条件下即可显著提升钢的性能。这对于发挥我国稀土资源优势,平衡稀土资源利用,提升优特钢的品质,具有重要意义。

■ 扩展阅读:

稀土与磁性材料 | 墨子沙龙

稀土功能材料2035发展战略 | 中国工程院院刊

美国防备中国卡脖子,重整稀土供应链 | 瞿立建

外媒很惊讶,中国为何增产稀土?答案是...... | 余鹏鲲



■ 作者简介:本文作者袁岚峰,中国科学技术大学化学博士,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员,中国科学技术大学科技传播系副主任,中国科学院科学传播研究中心副主任,科技与战略风云学会会长,“科技袁人”节目主讲人,安徽省科学技术协会常务委员,中国青少年新媒体协会常务理事,中国科普作家协会理事,入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物,微博@中科大胡不归,知乎@袁岚峰(https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8)。
■ 责任编辑:羊羊

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