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[摘 要]在耐磨铸钢的钢液中添加适量的稀土元素有利于提高耐磨铸钢的强韧性及抗冲击性，同时还能优化耐磨铸钢的铸造性能。本文简单介绍了稀土元素，以及稀土元素在耐磨铸钢中的作用机理，分析了不同含量的稀土元素对耐磨铸钢的组织及性能的影响。
[关键词]稀土；耐磨铸钢；性能
中图分类号：TV91 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）17-0043-01
引言
在机械行业，大量的机械部件因为磨损而失效。磨损不仅造成了大量经济损失和钢材的消耗，还给生产过程带来了很多的安全隐患。在冲蚀、疲劳等工况条件下，机械部件由于强韧性不足，容易发生脆性剥落和断裂。铸造是机械部件的主要成型方式之一，在铸造的过程中要充分考虑影响机械部件耐磨性能的因素。
在耐磨铸钢的钢液中添加适量稀土元素有利于改善耐磨铸钢的组织及综合力学性能。我国稀土资源十分丰富，这为耐磨铸钢性能的提升提供了良好的便利条件。因此，通过研究在耐磨铸钢中添加稀土的含量与添加方法来增强机械部件的耐磨性能，具有广阔的发展前景。
一 稀土在耐磨铸钢中的作用机理
1、稀土元素的简单介绍
元素周期表中ⅢB族中元素序号 21 号的钪Sc、39 号的钇Y、57号的镧 La至71号的镥 Lu 等17个元素被称为稀土元素，简称稀土。稀土常常存在于矿物中，是非常活泼的金属，易形成稳定化合物。溶液萃取和离子交换是从矿物中获取稀土的有效方式，另外还可以使用电解法获取轻稀土。稀土具备特殊的化学特性与物理特性，应用广泛，化学、炼钢、农业生产中都用到稀土。稀土元素在钢中的作用机理稀土元素在耐磨铸钢中的作用机理包括以下四个方面：
（1）使钢液中的夹杂物变质。夹杂物会影响铸钢的性能，钢液精炼也不能有效去除夹杂物，只能降低其含量。钢液凝固后含硫化物，在钢液中添加稀土可以与硫化物反应。通过添加稀土的含量，可以控制钢液中夹杂物的状态。
（2）细化晶粒。稀土在钢液中形成化合物，在凝固过程中可以防止铸钢晶体变大，从而使晶粒细化，提高铸钢的性能。若钢液中含有较多的硫元素，则添加稀土元素后可以缩小结晶的间距。对于超低碳铸钢，在钢液中添加稀土也能缩小结晶之间的距离。铸钢的晶粒细化后，不容易生成裂缝，即使在有裂缝的情况下，也可以使裂缝缓慢扩展。
（3）净化钢液，减少钢液中的硫、氧、磷等有害元素的含量。稀土元素是活泼金属，很容易与硫、磷等有害元素反应，从而生成稳定化合物后浮出钢液，减少有害元素。有害元素含量降低后，能够提升钢液的纯净度。
（4）微合金化作用。微合金化作用是指稀土元素在晶界上偏聚，而且能够和其它元素发生交互作用。交互作用能够引起晶界的结构、化学成分、能量的改变，并且影响其它元素的扩散，最后导致铸钢的组织结构和应用性能发生改变。
二 不同稀土含量对耐磨铸钢的影响
1、对耐磨铸钢组织的影响
不同的稀土含量对耐磨铸钢的晶体有不同的影响，以高锰钢为例，当高锰钢中的稀土含量为0.035%时，晶体的平均大小大约为 182μm，晶体之间的大小相差比较大，晶体内部存在颗粒形状的碳化物，晶体之间也存在很多网格形状的碳化物。当高锰钢中的稀土含量为0.0445%时，晶体的平均大小大约为 189μm，晶体之间的大小相差比较小，晶体内部的碳化物含量也比较小，晶体之间的碳化物形状与稀土含量为0.035%时相同，都是网格形状的。当高锰钢中的稀土含量为 0.052%时，晶体的平均大小大约为 201μm，晶体与晶体之间大小差别比较小，晶体内部、晶体与晶体之间的碳化物含量的情况与稀土含量为0.0445%时相似。
将以上稀土含量分别为0.035%、0.0445%、0.052%的铸态高锰钢进行加热操作，加热到1090摄氏度后保温一段时间，然后用水冷却，可以看到晶体的尺寸大小有所变化，晶体内部、晶体与晶体之间的碳化物含量也发生了改变。在此实验条件下，稀土含量为0.035%的高锰钢中，高锰钢晶体的平均大小变成了163μm，且大小不平均，晶体内部、晶体与晶体之间的碳化物含量降为零。稀土含量为0.0445%的高锰钢中，晶体的平均大小变成了255μm，大小也比较平均，晶体内部、晶体与晶体之间不含碳化物。稀土含量为0.052%的高锰钢中，晶体的平均大小变成了203μm，晶体大小比较平均，晶体内部、晶体与晶体之间不存在碳化物。
2、对耐磨铸钢性能的影响
不同的稀土含量对耐磨铸钢的性能有很大影响，对铸钢的硬度、延伸性、抗冲击性等性能都有一定程度的影响。
耐磨铸钢的硬度值是其耐磨性能的指标之一，以高锰钢为例，当高锰钢中的稀土含量为0.035%时，钢材的硬度值处于250HB 左右；当高锰钢中的稀土含量为0.0445%时，钢材的硬度值处于220HB 左右；当高锰钢中的稀土含量为0.052%时，钢材的硬度值处于230HB 左右。
耐磨铸钢的延伸性能跟其中含有的夹杂物有关联，夹杂物的数量、种类与分布对耐磨铸钢的延伸性、拉伸性能有很大影响。将稀土添入耐磨铸钢的钢液中后，钢液中的夹杂物变成了稳定化合物。应在耐磨铸钢中添加适量的稀土元素，因为如果稀土元素的添加量过多，会使得夹杂物的化合物体积变得过大，最终使得铸钢性能变差。
稀土能够减弱耐磨铸钢中有害元素硫、磷等在晶界的偏析，提高晶界能，强化晶界。稀土对晶界的这种改善作用，能够减小在冲击过程中沿晶脆断现象，当晶界强度增加，裂纹沿晶脆断的可能性下降，则相应的穿晶断裂的倾向性增加，降低了裂纹的继续扩展，最终使耐磨铸钢的抗冲击性能增强。
以高锰钢为例，当高锰钢中的稀土含量为0.035%时，铸钢的断口的韧窝不十分显著，且存在着很多稀土夹杂物，在夹杂物四周的断裂痕迹十分明显。当高锰钢中的稀土含量为0.0445%时，铸钢的断口存在夹杂物，形状为点状，其四周的断裂痕迹比较显著。当高锰钢中的稀土含量为0.035%时，铸钢的断口的夹杂物为颗粒形状，其四周的断裂痕迹不十分明显。经过观察得知，当高锰钢中的稀土含量为0.035%时，铸钢断口的对冲击性低于稀土含量分别为0.0445%与0.035%的情况。然而，如果稀土添入量太多时，会使得夹杂物的化合物体积变得过大，高锰钢的对冲击性能也会变差。
3、对耐磨铸钢铸造性能的影响
稀土能够增强耐磨铸钢的流动性。这是因为稀土与钢液中的硫、氧等有害元素产生反应，生成稳定状态的稀土化合物能够全部溶于钢液中，从而有效增强钢液的流动性。另一方面，添加稀土可以使铸态组织的树枝晶壁变短，从而使钢液粘度降低，提高钢液流动性。
稀土能够提高耐磨铸钢的线收缩率。加入稀土后，耐磨铸钢中的铸态组织将由针状或网状组织的铁素体分布均匀，与此同时，铁素体数量增多，共析膨胀量减少，从而提高线收缩率。
此外，稀土还能够降低耐磨铸钢的铸造应力。稀土与铸钢中的低熔点元素反应后，将会增强铸钢的高温可塑性，从而降低铸钢的铸造应力。
结束语
将适量的稀土元素加入耐磨铸钢的钢液中能够起到细化晶粒，净化钢液的作用，并提高耐磨铸钢的硬度、强韧性、抗冲击性及铸造性能。
参考文献
[1] 王龙妹，杜挺，卢先利等.微量稀土元素在钢中的作用机理及应用研[J]，稀土，2001，22（4）：37-39.
[2] 尹燕.新型不锈钢中稀土强化及耐腐蚀性能机理研究[D]，南京：南京理工大学，2008.
[3] 梅志，万天敏，娄德春.稀土变质剂对超低碳钢铸态晶粒细化的研究[J]，特种铸造及有色合金，2002（2）：3-4.
[4] 杜挺，乐可襄.稀土元素在铁液中与碳相互作用研究[J]，金属学报，1987，23 （4）：207-210.
[关键词]稀土；耐磨铸钢；性能
中图分类号：TV91 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）17-0043-01
引言
在机械行业，大量的机械部件因为磨损而失效。磨损不仅造成了大量经济损失和钢材的消耗，还给生产过程带来了很多的安全隐患。在冲蚀、疲劳等工况条件下，机械部件由于强韧性不足，容易发生脆性剥落和断裂。铸造是机械部件的主要成型方式之一，在铸造的过程中要充分考虑影响机械部件耐磨性能的因素。
在耐磨铸钢的钢液中添加适量稀土元素有利于改善耐磨铸钢的组织及综合力学性能。我国稀土资源十分丰富，这为耐磨铸钢性能的提升提供了良好的便利条件。因此，通过研究在耐磨铸钢中添加稀土的含量与添加方法来增强机械部件的耐磨性能，具有广阔的发展前景。
一 稀土在耐磨铸钢中的作用机理
1、稀土元素的简单介绍
元素周期表中ⅢB族中元素序号 21 号的钪Sc、39 号的钇Y、57号的镧 La至71号的镥 Lu 等17个元素被称为稀土元素，简称稀土。稀土常常存在于矿物中，是非常活泼的金属，易形成稳定化合物。溶液萃取和离子交换是从矿物中获取稀土的有效方式，另外还可以使用电解法获取轻稀土。稀土具备特殊的化学特性与物理特性，应用广泛，化学、炼钢、农业生产中都用到稀土。稀土元素在钢中的作用机理稀土元素在耐磨铸钢中的作用机理包括以下四个方面：
（1）使钢液中的夹杂物变质。夹杂物会影响铸钢的性能，钢液精炼也不能有效去除夹杂物，只能降低其含量。钢液凝固后含硫化物，在钢液中添加稀土可以与硫化物反应。通过添加稀土的含量，可以控制钢液中夹杂物的状态。
（2）细化晶粒。稀土在钢液中形成化合物，在凝固过程中可以防止铸钢晶体变大，从而使晶粒细化，提高铸钢的性能。若钢液中含有较多的硫元素，则添加稀土元素后可以缩小结晶的间距。对于超低碳铸钢，在钢液中添加稀土也能缩小结晶之间的距离。铸钢的晶粒细化后，不容易生成裂缝，即使在有裂缝的情况下，也可以使裂缝缓慢扩展。
（3）净化钢液，减少钢液中的硫、氧、磷等有害元素的含量。稀土元素是活泼金属，很容易与硫、磷等有害元素反应，从而生成稳定化合物后浮出钢液，减少有害元素。有害元素含量降低后，能够提升钢液的纯净度。
（4）微合金化作用。微合金化作用是指稀土元素在晶界上偏聚，而且能够和其它元素发生交互作用。交互作用能够引起晶界的结构、化学成分、能量的改变，并且影响其它元素的扩散，最后导致铸钢的组织结构和应用性能发生改变。
二 不同稀土含量对耐磨铸钢的影响
1、对耐磨铸钢组织的影响
不同的稀土含量对耐磨铸钢的晶体有不同的影响，以高锰钢为例，当高锰钢中的稀土含量为0.035%时，晶体的平均大小大约为 182μm，晶体之间的大小相差比较大，晶体内部存在颗粒形状的碳化物，晶体之间也存在很多网格形状的碳化物。当高锰钢中的稀土含量为0.0445%时，晶体的平均大小大约为 189μm，晶体之间的大小相差比较小，晶体内部的碳化物含量也比较小，晶体之间的碳化物形状与稀土含量为0.035%时相同，都是网格形状的。当高锰钢中的稀土含量为 0.052%时，晶体的平均大小大约为 201μm，晶体与晶体之间大小差别比较小，晶体内部、晶体与晶体之间的碳化物含量的情况与稀土含量为0.0445%时相似。
将以上稀土含量分别为0.035%、0.0445%、0.052%的铸态高锰钢进行加热操作，加热到1090摄氏度后保温一段时间，然后用水冷却，可以看到晶体的尺寸大小有所变化，晶体内部、晶体与晶体之间的碳化物含量也发生了改变。在此实验条件下，稀土含量为0.035%的高锰钢中，高锰钢晶体的平均大小变成了163μm，且大小不平均，晶体内部、晶体与晶体之间的碳化物含量降为零。稀土含量为0.0445%的高锰钢中，晶体的平均大小变成了255μm，大小也比较平均，晶体内部、晶体与晶体之间不含碳化物。稀土含量为0.052%的高锰钢中，晶体的平均大小变成了203μm，晶体大小比较平均，晶体内部、晶体与晶体之间不存在碳化物。
2、对耐磨铸钢性能的影响
不同的稀土含量对耐磨铸钢的性能有很大影响，对铸钢的硬度、延伸性、抗冲击性等性能都有一定程度的影响。
耐磨铸钢的硬度值是其耐磨性能的指标之一，以高锰钢为例，当高锰钢中的稀土含量为0.035%时，钢材的硬度值处于250HB 左右；当高锰钢中的稀土含量为0.0445%时，钢材的硬度值处于220HB 左右；当高锰钢中的稀土含量为0.052%时，钢材的硬度值处于230HB 左右。
耐磨铸钢的延伸性能跟其中含有的夹杂物有关联，夹杂物的数量、种类与分布对耐磨铸钢的延伸性、拉伸性能有很大影响。将稀土添入耐磨铸钢的钢液中后，钢液中的夹杂物变成了稳定化合物。应在耐磨铸钢中添加适量的稀土元素，因为如果稀土元素的添加量过多，会使得夹杂物的化合物体积变得过大，最终使得铸钢性能变差。
稀土能够减弱耐磨铸钢中有害元素硫、磷等在晶界的偏析，提高晶界能，强化晶界。稀土对晶界的这种改善作用，能够减小在冲击过程中沿晶脆断现象，当晶界强度增加，裂纹沿晶脆断的可能性下降，则相应的穿晶断裂的倾向性增加，降低了裂纹的继续扩展，最终使耐磨铸钢的抗冲击性能增强。
以高锰钢为例，当高锰钢中的稀土含量为0.035%时，铸钢的断口的韧窝不十分显著，且存在着很多稀土夹杂物，在夹杂物四周的断裂痕迹十分明显。当高锰钢中的稀土含量为0.0445%时，铸钢的断口存在夹杂物，形状为点状，其四周的断裂痕迹比较显著。当高锰钢中的稀土含量为0.035%时，铸钢的断口的夹杂物为颗粒形状，其四周的断裂痕迹不十分明显。经过观察得知，当高锰钢中的稀土含量为0.035%时，铸钢断口的对冲击性低于稀土含量分别为0.0445%与0.035%的情况。然而，如果稀土添入量太多时，会使得夹杂物的化合物体积变得过大，高锰钢的对冲击性能也会变差。
3、对耐磨铸钢铸造性能的影响
稀土能够增强耐磨铸钢的流动性。这是因为稀土与钢液中的硫、氧等有害元素产生反应，生成稳定状态的稀土化合物能够全部溶于钢液中，从而有效增强钢液的流动性。另一方面，添加稀土可以使铸态组织的树枝晶壁变短，从而使钢液粘度降低，提高钢液流动性。
稀土能够提高耐磨铸钢的线收缩率。加入稀土后，耐磨铸钢中的铸态组织将由针状或网状组织的铁素体分布均匀，与此同时，铁素体数量增多，共析膨胀量减少，从而提高线收缩率。
此外，稀土还能够降低耐磨铸钢的铸造应力。稀土与铸钢中的低熔点元素反应后，将会增强铸钢的高温可塑性，从而降低铸钢的铸造应力。
结束语
将适量的稀土元素加入耐磨铸钢的钢液中能够起到细化晶粒，净化钢液的作用，并提高耐磨铸钢的硬度、强韧性、抗冲击性及铸造性能。
参考文献
[1] 王龙妹，杜挺，卢先利等.微量稀土元素在钢中的作用机理及应用研[J]，稀土，2001，22（4）：37-39.
[2] 尹燕.新型不锈钢中稀土强化及耐腐蚀性能机理研究[D]，南京：南京理工大学，2008.
[3] 梅志，万天敏，娄德春.稀土变质剂对超低碳钢铸态晶粒细化的研究[J]，特种铸造及有色合金，2002（2）：3-4.
[4] 杜挺，乐可襄.稀土元素在铁液中与碳相互作用研究[J]，金属学报，1987，23 （4）：207-210.