稀土元素铈在不锈钢中的应用及研究进展.pdf

第6 3 卷第1 期 20l1 年2 月 有色金属 N o n f e I T O U SM e t a l s V o L 6 3 ，N o ．1 F e b ．20Il D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 0 2 1 1 ．2 0 1 1 ．0 1 ．0 1 8 稀土元素铈在不锈钢中的应用及研究进展 郑锋，程挺宇，张巧云 宝钢工程技术集团有限公司，上海2 0 1 9 0 0 摘要阐述稀土元索铈在铁索体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢中的应用。铈能显著提高不锈钢的耐蚀性、塑性、抗拉 强度等各项性能，因I f l 『含铈不锈钢具有广阔的应用前景。 关键词金属材料；不锈钢；综述；铈；耐蚀性能；力学性能 中图分类号T G | 4 2 ．7 1 文献标识码 文章编号1 0 0 1 0 2 1 l 2 mJ 0 1 0 0 7 8 0 3 铈是稀土中丰度最高的元素，由于其对氧和硫 有很强的化学亲合力，故对钢材的性能有重要影 响⋯。铈涂层能阻止腐蚀介质 尤其是C l 。1 与不 锈钢的相互作用，阻止阳极金属的溶解、电子的传 输，增加阴极的极化作用，使不锈钢得到有效的保 护旧1 。铈是不锈钢中优良的脱氧脱硫剂，可改变不 锈钢中夹杂物的形态和分布，使不锈钢中气体及非 金属夹杂物明湿降低，净化晶界，尤其是提高不锈钢 的耐腐蚀性抗氧化性及高温蠕变塑性有独到的功 效1 。近年来，国内外冶金工作者开展了许多含铈 不锈钢的相关研究工作，取得了不少研究成果。就 铈在目前不锈钢的应用情况进行阐述。 1铈在铁素体不锈钢中的应用 2 C r l 3 不锈钢中加入稀土元素C e 后，夹杂物形 态得到了改善，基本接近球形一1 ，随着C e 加入量的 增加，不规则夹杂物基本消失，同时，其腐蚀电位逐 步升高，腐蚀电流密度逐渐降低，耐蚀性能逐步提 高。 4 3 0 铁素体不锈钢由于不含金属镍，因而成本 低廉．同时它具有比奥氏体不锈钢更好的耐氯化物 和苛性碱等应力腐蚀性能，被广泛于轻工、纺织、建 筑、交通和食品等行业。在发达国家，其产量约占整 个不锈钢产量2 0 ％以上，而在国内产量还不到整个 不锈钢产量的l ％，原因是4 3 0 不锈钢存在室温及 低温韧性差、脆性转变温度高、缺口敏感性高、焊后 耐蚀性下降等缺点，从而影响了4 3 0 铁索体不锈钢 收稿日期2 0 0 8 1 l 一1 8 作者简介郏锋 1 9 7 9 一 ，男。土家族。湖北利川县人，工程师．硬 士．主要从事金属材辩等方血的研究。 的生产和应用。研究发现”1 ，铈的质量分数为 5 1 ．9 4 ％的混合稀土能大幅提高4 3 0 铁素体不锈钢 的冲击韧性，最高可提高5 倍，原因为稀土在4 3 0 铁 素不锈钢中通过大量吸附碳原子，使铁素体不锈钢 析出碳化物的总量减少，同时改变了不锈钢的断裂 机制，不加稀土不锈钢为解理断裂，而加稀土不锈钢 为韧性断裂。 2铈对奥氏体不锈钢性能的影响 2 ．1 舍铈奥氏体不锈钢的耐蚀性 稀土能明显提高C r ．N i 奥氏体不锈钢的耐蚀性 能。陆世英等。6 1 研究了稀土元素对O O C r l 8 N i l 4 M 0 2 不锈钢耐孔蚀性能的影响。试验结果表明，由于稀 土元素的加入，不仅使非金属硫化物变性，氧化物也 变性，同时改善了夹杂物的大小与分布。使夹杂物的 平均直径显著减小、细化。合适的铈含量可提高 o o C r l 8 N 订4 M 0 2 的耐孔蚀电位1 0 0 1 5 0 m V 。丁晖 等川研究了稀土对铬锰氮奥氏体不锈钢的腐蚀性 能及腐蚀磨损性能的影响，发现加入0 ．0 2 ％一 0 ．0 6 ％的稀土可使铬锰氮不锈钢的腐蚀电位正移， 维钝电流降低，热力学稳定性增加，耐蚀性能提高， 抗晶间腐蚀和抗点蚀能力增强。稀土也能使铬锰氮 不锈钢的抗磨性得到一定程度改善，加之耐蚀性的 显著提高，使其在腐蚀磨损过程中腐蚀与磨损的交 互作用减轻，从而获得了良好的抗腐蚀磨损性能。 2 ．2 含铈奥氏体不锈钢力学性能 稀土元素使铸态和轧态l C r l 8 N i 9 T i 不锈钢中 的a 相减小0 ．5 一l 级，对热加工塑性有重要影响的 第二相 O t 相 的分布形态也由于稀土的加入得到 明显改善，铸态和轧态1 C r l 8 N i 9 T i 钢中加入稀土 后，晶粒得到了细化，增加了金属变形时的滑移面， 万方数据 第1 期郑锋等稀土元素铈在不锈钢中的应用及研究进展 7 9 钢的塑性得到了提高【8 1 。试验还证明加稀土可提 高1C r l 8 N i 9 T i 的抗拉强度，减少热加工废品，提高 成材率。 2 ．3 含铈奥氏体不锈钢抗菌性能 自2 0 世纪7 0 年代以来，中国开展了稀土毒理 学研究，证明稀土元素属低毒性物质，具有比较好的 抗菌、抗肿瘤、防护艾滋病等生物活性。三价c e 盐 对细菌和真菌均有杀灭作用，特别是对革兰氏阴性 细菌的杀灭作用更强。三价c e 盐作为局部烧伤的 治疗药物对G 一细菌效果很好。添加稀土元素C e 能赋予不锈钢以抗菌性能。当C e 含量为0 ．0 1 ％ 时，不锈钢有一定的抗菌性能。当c e 含量达到 0 ．1 l ％时，不锈钢中出现弥散点状分布的富C e 区， 且显示出优异的抗菌性能。继续增加C e 含量到 3 ．2 5 ％，钢中出现枝晶状分布的富c e 区，但对不锈 钢的抗菌性能提高不大，并有可能损害材料的基本 性能‘⋯。与传统含铜抗菌不锈钢相比，含C e 不锈 钢不经特殊热处理即具有优异的抗菌性能，制备工 名 喜 蚕 晕 ； U 艺相对简单。 3铈在双相不锈钢中的应用 3 ．1 铈对双相不锈钢耐蚀性能的影响 c e 是强奥氏体元素，固溶微合金化不仅可以延 缓M 2 3 C 6 型为主的碳化物在a 相析出，而且对a 相 的腐蚀过程和电化学特性产生明显的影响，能显著 提高双相不锈钢的耐蚀性能。从表l 川可知加C e 的S G 5 2 型双相不锈钢耐蚀性能明显优于3 1 6 L 和 0 C r l 8 N i l 2 M 0 2 T i ，也优于2 2 0 7 型双相不锈钢。 表1 不同不锈钢的腐蚀速率 T a b l elC o r r o s i o nr a t eo fd i f i e r e n tk i n d so fs t a i n l e s ss t e e l s 钢号 堕丝垄皇 C ／ g m ～h 一1 V ／ m m a 一‘ 手 童 茜 童 “ 罢 0 图lC e 的质量分数对铸态双相不锈钢腐蚀电位和腐蚀速率的影响‘1 F i g ．1 E f f e c to fC e r i u mm a s sf r a c t i o no nc o r r o s i o np o t e n t i a la n dc o r r o s i o nr a t eo fa s - c a s td u p l e xs t a i n l e s ss t e e l s 3 ．2 铈对双相不锈钢力学性能的影响 C e 是极有效的非自发形核剂，加入钢中可细化 晶粒，减少钢中有害气体和杂质含量，改变钢中夹杂 物的性质、形态和分布，因而对双相不锈钢的力学性 能产生有益的影响。加C e 的双相不锈钢S G 2 具有 优良的力学性能，其脚服强度大约足奥氏体不锈钢 3 1 6 L 的二倍，比0 C r l 8 N i l 2 M 0 2 T i 提高约2 0 0 M P a 。 并具有良好的延性、塑性和常温、低温冲击韧性“。 S G 5 2 双相小锈钢由于其优异的耐蚀性能、良好的力 学性能，广泛应用于尿素合成塔中的高温高压耐蚀 阀芯、化工厂管道、转鼓和搅拌桨、冷凝器和光化反 应塔、陆上和海上石油平台、化学品运输船和槽车、 核电站冷凝器、烟尘通风管以及石油化工、酸碱工业 的反应器等。 4结语 C e 在不锈钢中的应用前景是非常广阔，我国目 前正处在不锈钢生产和消费的快速发展重要时期。 作为稀土资源大国，开发具有我国资源特色新型高 品质稀土不锈钢，把稀土的资源优势转化为不锈钢 钢材的品种优势和经济优势，对综合利用优势资源 具有十分重要的意义。 万方数据 有色金属 第6 3 卷 参考文献 [ 1 ] 李鑫德．铈和钇在钢铁工业中的应用[ J ] ．稀七信息，2 0 0 0 ， 5 1 4 1 6 ． [ 2 ] 杜康，梁燕萍，贺格平，等．不锈钢稀土铈转化膜的研究[ J ] ．表面技术，2 0 0 7 ，3 6 2 3 2 3 4 ． [ 3 ] 段汉桥，魏伯康，林汉同．我国铸造不锈钢应用现状及发展趋势[ J ] ．铸造，2 0 0 2 ，5 l 5 2 6 8 2 7 2 ． [ 4 ] 高学中。杨吉春，刘晓．稀土对2 C r l 3 不锈钢夹杂物形态和腐蚀性能的影响[ J ] ．科技情报开发与经济．2 0 0 7 ．1 7 1 8 1 5 0 一1 5 1 ． [ 5 ] 戚国平，葛强，徐飚，等．稀土元素对4 3 0 铁素体不锈钢冲击韧性的影响[ J ] ．中国稀土学报，2 0 0 6 ，2 4 专辑 4 9 7 5 0 0 ． [ 6 ] 陆世英．稀土对0 0 C r l 8 N i l 4 M 0 2 不锈钢耐孔蚀性能的影响[ c ] ／／不锈钢文集第一集．北京冶金部钢铁研究总院，1 9 8 5 2 1 8 2 1 9 ． [ 7 ] 丁晖，袁广银，余刚．稀土对铬锰氮不锈钢在稀硫酸介质中腐蚀磨损性能的影响[ J ] ．中国稀土学报，1 9 9 7 ，1 5 2 1 4 6 1 5 0 ． [ 8 ] 王龙妹，徐飙，朱京希．奥氏体不锈钢中稀土的作用研究及应用前景C J ] ．稀土，2 0 0 5 。2 6 5 4 2 4 7 ． [ 9 ] 敬和民，吴欣强，刘永前，等．含铈不锈钢的抗菌性能[ J ] ．中国稀土学报，2 0 0 6 ，2 4 2 2 2 3 2 2 6 ． [ 1 0 ] 孙文山，丁桂荣，冯建中，等．新型稀土双相不锈钢S G 5 2 在化学工业中的应用[ J ] ．硫酸工业，1 9 9 8 。 2 3 3 3 6 ． [ 1 1 ] 孙文山。丁桂荣．罗铭蔚，等．c e 在双相不锈钢中的作用[ J ] ．金属学报，1 9 9 6 ，3 2 3 2 4 5 2 4 8 ． [ 1 2 ] 孙文山，丁桂荣，宋爱荣，等．新型稀土双相不锈钢S G 5 [ J ] ．兵器材料科学与工程，2 0 0 4 ，2 7 5 6 0 一6 3 ． A p p l i c a t i o na n dD e v e l o p m e n to fC e r i u mi nS t a i n l e s sS t e e l Z H E N GF e n g ．C H E N GT i n g - y u ．Z H A N GQ i a o - y u n B a o s t e e lE n g i n e e r i n g T e c h n o l o g yG r o u pC o ．，L t d ，S h a n g h a i2 019 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h ea p p l i c a t i o no fc e r i u mi nF e r r i t es t a i n l e s ss t e e l ，a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e la n dd u p l e xs t a i n l e s ss t e e li s c o m p r e h e n s i v e l yd e s c r i b e d ．P e r f o r m a n c e so fs t a i n l e s ss t e e l ，s u c h a sc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，p l a s t i ca n dt e n s i l e s t r e n g t h ，c a nb es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e db ya d d i n gc e r i u m ．T h es t a i n l e s ss t e e lc o n t a i n i n gc e r i u mh a sw i d e a p p l i c a t i o np r o s p e c t s ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；s t a i n l e s ss t e e l ；r e v i e w ；c e r i u m ；c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y 万方数据