低氧稀土钢研究取得重要进展

稀土元素电子结构独特，具有优异的磁、光、电等物理和化学特性，在多种材料中发挥着重要的作用。自上世纪20年代稀土在钢中加入以来，国内外大量研究表明：微量稀土添加显著提高了钢的韧塑性、耐磨、耐热、耐蚀性能等。然而，稀土钢在工业应用时遭遇两大难题：一是工艺不顺行，存在浇口严重堵塞的问题；二是稀土在钢中添加后，钢的性能剧烈波动，存在稳定性问题。这两大难题一直未能有效解决，导致稀土钢的研究与应用由热变冷，逐步走入低谷。

通过长达十余年的机理研究和工业实验，近期，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心李殿中研究员团队受前期氧致偏析新机制的启发，发现稀土钢性能波动、浇口堵塞问题的根源在于氧含量。他们通过降低钢液和稀土金属中的氧含量，结合实验、计算和表征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。相关研究结果Low-oxygen rare earth steels于9月8日在线发表在《自然材料》（Nature Materials）上。

研究发现，不仅钢液中的氧含量影响稀土钢的性能，更为重要的是长期被学界和产业界忽视的稀土金属中的氧含量，对稀土钢的性能具有十分重要的影响。因为稀土金属极为活泼，在稀土金属电解制备时容易形成大尺寸稀土氧化物，这些稀土氧化物随稀土金属加入到钢液中，带入的大尺寸稀土夹杂物难以上浮去除，从而导致稀土钢性能波动并与耐火材料反应堵塞浇口。

基于上述发现，研究人员进一步开发了“双低氧稀土钢”技术，即钢液低氧和稀土金属低氧的控制技术，从而有效解决了稀土钢工业应用中的瓶颈问题。在高纯净的GCr15轴承钢中应用后，与不加稀土的轴承钢相比，稀土轴承钢±800MPa拉压疲劳寿命提升了40倍，4.2GPa接触应力下滚动疲劳寿命提升了40%，而添加现有的商业稀土金属（稀土金属中氧含量为270ppm）的对比样品疲劳寿命出现明显波动，如图1所示。

该研究揭示了稀土钢性能波动的根源，发现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。该研究工作表明，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。

（中国日报辽宁记者站）