稀土元素在轴承钢中的微合金化作用及其性能影响研究

稀土元素在轴承钢中的微合金化作用及其性能影响研究

郑维勇 夏齐锋

上海市轴承技术研究所有限公司 上海市 201801

摘要：在技术创新与研究方向上，稀土元素在轴承钢中的微合金化领域展现出了巨大的潜力和前景。随着科技的不断进步，人们对于材料性能的要求也日益提高，稀土元素的引入为轴承钢的性能提升开辟了新的途径。通过深入研究稀土元素与轴承钢的相互作用机制，我们可以进一步优化微合金化工艺，提高轴承钢的力学性能、耐蚀性能和热稳定性。

关键词：稀土元素；轴承钢；微合金化；作用；性能影响研究

1.稀土元素在轴承钢中的微合金化作用

稀土元素在轴承钢中的微合金化作用具有显著的影响。这些元素以其独特的化学和物理性质，为轴承钢的性能提升开辟了新的途径。

首先，稀土元素在轴承钢中能有效细化晶粒，提高钢的致密性。通过微合金化，稀土元素能够改变钢中晶粒的生长行为，使晶粒尺寸更加细小，从而提高钢的强度和硬度。这种细化晶粒的效果有助于增强轴承钢的耐磨性和抗疲劳性，延长轴承的使用寿命。

其次，稀土元素还能提高轴承钢的抗氧化性能。在高温环境下，轴承钢容易发生氧化反应，导致性能下降。稀土元素的加入可以有效抑制氧化反应的发生，提高轴承钢的抗氧化性能，使其在高温环境下仍能保持良好的性能。

此外，稀土元素还能改善轴承钢的抗腐蚀性。在潮湿或腐蚀性环境中，轴承钢容易受到腐蚀的影响，导致性能降低。稀土元素的加入可以形成一层致密的保护膜，防止腐蚀介质对轴承钢的侵蚀，提高轴承钢的抗腐蚀性能。

2.稀土元素在轴承钢中的微合金化性能影响

稀土元素在轴承钢中的微合金化性能影响是一个备受关注的领域。稀土元素，以其独特的电子结构和化学性质，为轴承钢的性能提升提供了广阔的可能性。这些元素在微合金化过程中能够显著影响轴承钢的力学性能、耐蚀性、耐磨性和热处理性能。

在力学性能方面，稀土元素的加入能够细化轴承钢的晶粒结构，提高钢的强度和硬度。这有助于轴承承受更高的载荷和更长的使用寿命。同时，稀土元素还能改善钢的韧性和塑性，使其具有更好的抗冲击和抗疲劳性能。这些综合效应使得轴承在高速运转和重负荷条件下仍能保持良好的稳定性。

在耐蚀性方面，稀土元素通过提高轴承钢的耐腐蚀性能，有效延长了轴承的使用寿命。稀土元素能够与钢中的杂质元素结合，形成稳定的化合物，减少有害元素对钢基体的腐蚀作用。此外，稀土元素还能提高钢的钝化能力，使其表面形成一层致密的氧化物保护膜，进一步增强了轴承钢的耐蚀性。

在耐磨性方面，稀土元素的加入可以显著提高轴承钢的耐磨性。这得益于稀土元素对钢中碳化物的细化作用，使得碳化物分布更加均匀，提高了钢的耐磨性能。此外，稀土元素还能改善钢的润滑性能，降低摩擦系数，减少磨损。

在热处理性能方面，稀土元素能够提高轴承钢的热处理敏感性，使得钢在热处理过程中更易于获得理想的组织和性能。稀土元素能够促进钢的奥氏体形成和长大，使钢的淬火组织更加均匀细小。同时，稀土元素还能提高钢的淬透性，使得轴承在淬火过程中能够获得更深的淬硬层。

3.稀土元素在轴承钢中的应用

3.1 稀土金属

中国拥有丰富的稀土资源，主要集中在我国的内蒙古包头、赣南、粤北、四川凉山等地方，共占全国总量的98%[1] 。稀土分轻稀土和重稀土两种，共有 17 种，轻稀土金属指原子序数较小的 57号元素镧 La 到 63 号元素铕 Eu，重稀土金属则是除轻稀土金属以外的 10 种稀土元素。表 1.1 列出了稀土元素和铁元素的物理性质[2] 。轻稀土存量大，应用领域较广，价值相对低廉，多存在于北方；中重稀土资源稀少，但价值独特，大多分布在南方。

表 1.1 稀土元素和铁元素的物理性质与电子结构

稀土金属的化学性质极其活泼，可以与钢中的氧、硫等元素生成熔点较高的化合物，从而达到净化钢液的作用。稀土还会影响钢中第二相碳化物，及铌、钛、钒等元素的析出行为，对钢中其他微量元素也会产生一定影响，通过与杂质元素反应，减少其对钢材性能的危害。从稀土原子的电子结构讲，其内层电子结构与惰性气体原子的结构相同，处于稳定的状态，因此最外层电子或次外层电子结构将会影响稀土元素的化学性质。从上述表 1.1稀土元素的外层电子结构可以看出，稀土元素通常情况下价态都为正三价，因为它的最外层电子或次外层电子总有 3 个电子最易失去[3] 。但由于 17 种稀土元素最外层电子结构的不同，其价态有时还会呈正二价、正四价。

稀土是国家战略资源，作为微合金化元素在高附加值钢铁材料起到重要作用[4]。从上个世纪 20 年代开始，稀土已经在生铁中使用，之后逐渐发展到钢中使用，众多的学者在稀土处理钢方面做了大量研究，并且也有了很显著的成效[5] 。由于不同的钢种化学成分及含量不一样，稀土元素对钢材的作用也不同。根据对重点生产稀土钢的生产厂的统计，大约有 50 个牌号的钢已经添加稀土用以改善其性能[6]。目前稀土主要应用于弹簧钢、船板钢、电工钢、先进高强钢、耐候钢和耐热钢等，主要作用就是改善钢材的热塑性、耐磨性能、耐腐蚀性、各向异性，提高冲击韧性、疲劳寿命、塑性等。

3.2  稀土金属在轴承钢中的作用

有文献[7]表明，在高洁净度轴承钢中加入稀土 Ce，钢中 Al2O3 夹杂改性成铝酸稀土夹杂物，而铝酸铈夹杂物硬度较低。经热力学计算可得，想得到稀土钢中铝酸铈夹杂物， 钢中氧和硫含量要低，当钢中铝含量不同时，稀土 Ce含量也相应的变化。Ce 和 Al的活度应满足“(Ce)/ (Al)”=0.145 ，当钢中铝含量为 0.01 %~0.03 %时，为使生成铝酸铈，对应理论计算溶解的稀土铈含量应为 22× 10-4 %~67× 10-4 %。

在轴承钢加入镧铈混合稀土，通过加入稀土前后成分的对比，结果显示脱氧、脱硫效果均有提高，O 含量从 6.2 × 10-4 %降低至 5.7 × 10-4 %左右。如图1.2为轴承钢金相夹杂图，(a)和(b)为普通钢，(c)和(d)为稀土钢，可以看出加入稀土后长条形夹杂物变为椭圆形，钢水纯净度明显提高。但是稀土的添加方式及添加量，都需要加以研究，否则可能会起到相反的效果。

图 1.2 (a)和(b)为普通轴承钢金相夹杂图；

(c)和(d)为稀土轴承钢金相夹杂图

结束语

综上所述，稀土元素在轴承钢中的微合金化对环境的影响不容忽视。为了实现可持续发展，我们需要在提高轴承钢性能的同时，加强环保措施，降低稀土元素开采和加工过程中的环境污染，减少生产过程中的能源消耗和废气排放。只有这样，我们才能在保护环境的同时，充分发挥稀土元素在轴承钢微合金化中的优势。

参 考 文 献

[1]季根源, 张洪平, 李秋玲, 等. 中国稀土矿产资源现状及其可持续发展对策[J]. 中国矿业, 2018, 27(08): 9-16.

[2]王龙妹. 稀土在低合金就合金钢中的应用[M]. 北京:冶金工业出版社,2016.

[3]张辉. 稀土Ce在00 Cr17高纯铁素体不锈钢中作用机理研究[D]. 沈阳：东北大学, 2011.

[4]钟灵强, 汪志刚, 陈荣春, 等. 稀土在汽车用先进高强钢中的研究现状[J]. 有色金属科学与工程, 2020, 11(06): 114-123.

[5]杜挺. 稀土元素在金属材料中的一些物理化学作用[J]. 金属学报, 1997, (01): 69-77.

[6]夏国金. 稀土在钢铁中的应用现状和发展建议[J]. 稀土信息, 2008, (03): 9-13.

[7]杨晓红, 吴鹏飞, 吴铖川, 等. 特殊钢中稀土变质夹杂物行为研究[J]. 中国稀土学报, 2010, 28(05):612-              618.