我国学者在低氧稀土钢研究领域取得进展

2022-09-28

我国学者在低氧稀土钢研究领域取得进展


        来源:国家自然科学基金委员会


        相关研究成果以“低氧稀土钢(Low-oxygen rare earth steels)”为题,于2022年9月8日在《自然·材料》(Nature Materials)上在线发表 


  在国家自然科学基金项目(批准号:52031013、U1708252、51725103)等资助下,中国科学院金属研究所李殿中研究员率领其团队与所内相关课题组合作,在低氧稀土钢研究领域取得进展。相关研究成果以“低氧稀土钢(Low-oxygen rare earth steels)”为题,于2022年9月8日在《自然·材料》(Nature Materials)上在线发表。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41563-022-01352-9。


  国内外大量研究表明,在钢中添加微量的稀土即可显著提高钢的韧塑性、耐磨、耐热、耐蚀等性能。然而,由于稀土金属极为活泼,在其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或合金加入到钢液中,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。


  该工作利用自主发明的夹杂物萃取三维表征技术,分析了稀土GCr15轴承钢和进口某轴承钢中的夹杂物形貌,发现在三维尺度上进口轴承钢中以氧化铝和大尺寸硫化锰夹杂物为主(图1a),而稀土轴承钢中夹杂物主要是细小的球状稀土氧硫化物(图1b)。与氧化铝夹杂物相比,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,有效延缓疲劳裂纹的萌生。基于上述发现,研究人员阐明了氧的关键作用,开发了钢液低氧和稀土金属低氧的控制技术(“双低氧稀土钢”技术),有效解决了稀土钢工业应用中的瓶颈问题。研究表明,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±800MPa拉压疲劳寿命提升了40倍,滚动接触疲劳寿命提升了40%,而添加现有商业稀土金属(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(图2)。同时研究人员利用计算和表征证实了钢中存在一定数量的固溶稀土,固溶的稀土能够显著降低钢中碳的扩散系数,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。


  该工作揭示了稀土在钢中的关键作用机制,即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,吨钢只需添加百余克的镧铈轻稀土,即可在成本基本不增加、工艺流程基本不变的条件下显著提升钢的性能,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


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