一 前言

稀土在钢中的作用及其对钢性能的影响，国内外有过不少报导，前者是一个比较复杂的问题，由于稀土的强烈化学活性，可以和钢中有害杂质氧、硫、磷以及低熔点金属铅、锑、锡、铋、砷等发生激烈的相互作用。稀土的净化和变质作用，在于减轻以至消除上述微量杂质的危害，当氧硫等杂质含量低稀土加入量大时，有可能与钢中合金元素发生一定的交互作用。国产硼钢系列，同时加有微量稀土和硼。

钢中加入稀土的作用效果，与钢的成分、微量杂质含量、稀土加入量及稀土种类、加入方法以及钢的冶炼和浇注工艺等有密切关系。在不同的生产条件下如处理不当，有时会导致不同的甚至是相反的效果。

二 加稀土的方法

稀土添加剂的种类很多，但赣南铸锻厂采用的是钇基重稀土硅铁合金，这种合金比钢液轻，如处理不当，加入的稀土硅铁就很容易漂浮在钢液表面与钢渣、大气作用而氧化^﹝1﹞。因此，稀土加入方法是充分发挥稀土在钢中作用的保证，方法不当，不能改善稀土在铸钢中的作用，相反使铸件材质的机械性能波动较大。用户反映，即使是同一种产品，加入方法不同，在相同的工作条件下，开裂和变形等缺陷相差很大。

稀土加入方法以炉内和钢包内加入为主：由于炉内加入的烧损大，回收率不稳定且很低，因而很少使用。据用0.4—0.5%的钇基重稀土硅铁合金投入炉内熔化后立即取样，稀土残留量钢中为0.071%, 最末浇注完的铸件中为0.0072%，烧损约90%，稀土主要是在出钢过程中激烈反应，出钢后在镇静与浇注过程中耗损的，经化验分析，稀土残留量0.071—0.072%, 说明上述过程稀土耗损量相当大，且与钢液中氧硫及钢包中水口耐火材料化学反应直接相关，尤其是氧硫含量会加速稀土的耗损。因此，钢液应先经较充分的脱氧脱硫，再加入稀土合金，因稀土在钢液中是很强的脱氧剂，较之铝、钙尤甚，实践也证明了这一点。

将稀土合金随后投入钢包，易被钢渣裹住，或漂浮于钢渣表面，而氧化烧损，结果钢中稀土仅残留十万分之几；但也不宜在出钢前事先放在钢包底部，因合金粒径及钢液温度既未按规定严加控制，致使未完全熔化的合金易于粘在包底，且钢中稀土分布不均；如果出完钢再投入，会导致稀土合金与钢渣接触，合金漂浮在渣面燃烧。出钢后约20分钟，将稀土硅铁合金插入钢液，钢中稀土残留量回收率达40—70。稀土加入得当生产条件一定时，钢中残留量0.032%，浇注最终产品0.012%，烧注时间越长温度越高烧损越大。高品位稀土硅铁合金对铸钢件孕育效果最好，但含量50%以上稀土残留量也不一定理想。

笔者设想的加入法，一是将稀土合金置于铁皮盒内，该盒装在钢棒上，钢水冲至钢包左右压入，随钢液上升合金在钢包中间自行反应，可防止合金随钢液上浮影响加入效果。二是上端和下端分别用园钢焊成T型和用钢板焊成︿型，在︿型装入合金后用铝制自耗板固定，出钢完毕，扒开复盖在钢包面上的渣液，立即压至钢包中间上下左右移动，起到对钢水的搅拌作用，可避免稀土合金与空气在高温气氛下接触反应，能提高钢中稀土残留量的收率，脱硫效果好且稀土在钢中分布均匀。为防止钢在浇注过程中有时发生水口结瘤，给浇注带来困难，一是钢包离出钢前烘烤40—60分钟座砖，塞头砖附近一开始就用焦炭烤红；二是提高钢水温度，比一般碳钢高出50—100℃; 三是浇第一箱时速度要快，流量要大，以后递减且一次关死，及时铲除塞头砖下端的“挂瘤”，四是稀土合金不在钢包底加入，严格控制稀土合金粒度大小（10毫米左右），克服水口结瘤。目前稀土钢的稀土加入量，高出国内外1.5—2倍，收率又不理想，必要研究改进。

三 耐热抗氧化性能

稀土元素有许多优良特性，稀土钢以其脱氧、脱硫能力强，能改善钢中夹杂物的分布与形态，大大地提高了产品的机械性能。能否代替我国短缺的镍铬等合金元素生产合金钢，如耐热钢（含抗氧化钢、热强钢、汽阀钢），尚待进一步研究。洛阳第一拖拉机厂生产的稀土铁铝锰耐热钢，可代替高镍铬耐热钢，可供借鉴。

ZG15RE、ZE20RE等钢种的稀土，是用钇基重稀土硅铁合金作添加剂加入的，在还原性电炉、中性电炉、渗碳炉的气氛中使用，以总铸代替焊接的吊挂，全国独居一家，但在氧化性气氛、尤其在煤炉中使用，抗氧化、耐腐蚀还不理想。有一用户用ZG15RE和ZG20RE钢铸造的产品，经加工后于氧化性气氛炉中，由常温升至800℃，约6小时，产品全氧化逐层剥落和脱皮，有的产品虽未加工，在氧化性炉中使用，也出现上述现象，即使置于露天表面也极易氧化。主要原因：一是钢中不含Cr、Ni、N等元素，仅含微量或少量RE、Al、Si、Mn等元素，因而不能提高钢的抗氧化性，形成合金氧化膜更差，显然，在高温下就不具有良好的抗氧化和耐腐蚀能力；二是常温和高温氧化时，纯铁表面可以生成三层不同结构的氧化膜，依据铁一氧相图，由里向外大体上分为氧化亚铁（FeO)、磁性氧化铁（Fe₃O₄)和氧化铁（Fe₂O₃), 另从铁－氧相图可以看到，氧化亚铁含有较多的过剩氧含量，因而在晶体点阵中阳离子缺位浓度应该比较高。同时氧化亚铁在低温是一个不稳定相，它将转变为aFe和Fe₃O₄。从图 1可看出，在600℃以上温度，使氧化膜中FeO所占比例迅速增加；在700℃以上，铁的多层氧化膜的组成中，FeO所占的比例大于90以上。因此纯铁及其类似纯铁而含少量低合金的材质，由于生成了大量的FeO，在高温下便剧烈氧化；上述产品中稀土的残留含量在0.004—0.008%左右，这说明极微量稀土对钢的氧化影响强烈，其氧化增重，大约是纯铁氧化增重的两倍多，即钢中含有极微量的稀土会加快其在高温下的氧化速度。相反，当钢中合金元素含量较多时，比较活泼的合金元素将会取代铁的氧化，从而产生选择性氧化。在钢中添加铬、铝或硅等合金元素，可提高抗氧化能力，降低钢在高温下的氧化速度。铬、铝等是比较活泼性金属，钢中只要含有5—15%Al, 就能强烈地降低铁的氧化速度，且高温下所生成的氧化膜随铝含量的增加将会改变氧化膜的结构，在钢中加入较多这类元素于材料表面将生成一层完整致密的Al₂O₃(或Cr₂O₃)的保护层。而稀土元素的金属活泼性仅次于碱金属和碱土金属，变化规律由钪、钇至镧递增，由镧至镥递减，镧为最活泼者。从目前研究的结果来看，镧铈及钇等常用的稀土，在一些钢中其氧化过程有加速氧化铝（或氧化铬）形成的趋势，使氧化膜的粘附性也得到明显的提高。稀土元素是冶金工业的“维生素”，钢中有这些“维生素”能“添劲强身”、“延年益寿”。很显然，稀土作为微量元素按一定比例加到不锈钢、耐热钢、硅钢中，不仅加工性能得到改善，且高温下抗热腐蚀和抗氧化性能也能明显增强。

综上所述，耐热材料在实际使用中，经受着反复的热处理，作为耐热钢关键在于提高材料的抗氧化性，即提高氧化膜与合金基体间的粘附性。稀土元素因其优越的特性，是能达到上述目的的。

笔者设想用La、Ce及Sc、Y等稀土元素的共性，和各自的特性的混合稀土，与铝钙硅钛等元素，按一定配比组成合金，充分发挥上述稀土元素在ZG15RE、ZG20RE钢中的作用，研制出不含或含量少的紧缺的Cr、Ni元素冶炼出的高温度、高强度稀土耐热钢。