稀土到處都有用，為什麼偏偏沒有鋼？| 袁嵐峯_風聞

導言：

罪魁禍首在於氧，而且包括兩個來源的氧！

眾所周知，稀土是我國有優勢的戰略資源。稀土在許多領域都有重要應用，例如磁性材料、製冷、電力、化工、建築、冶金、信息存儲以至國防（稀土與磁性材料 | 墨子沙龍）。

有人把稀土比作現代工業的“維生素”，意思是添加少量的稀土就能產生神奇的效果。然而大家有沒有想過，為什麼最常見的材料——鋼鐵，從來沒聽説跟稀土拉上關係？

最近我才知道，稀土鋼早在二十世紀二十年代就有人研究過，發現微量稀土添加就能顯著提高鋼的韌塑性、耐磨、耐熱、耐蝕性能等。然而真到工業應用時就發現問題了：工藝不順行，存在澆口嚴重堵塞的問題；稀土在鋼中添加後，鋼的性能劇烈波動，存在穩定性問題。這些難題一直沒有得到有效解決，導致稀土鋼的研究與應用逐漸冷下去了。

然而，最近有突破了！中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家研究中心先進鋼鐵材料研究部李殿中研究員團隊，發現了稀土鋼問題的根源。好嘛，從這麼一長串的名字就能明白，這是個強者！（https://www.cas.cn/zkyzs/2022/09/363/kyjz/202209/t20220920_4848160.shtml）

李殿中老師的團隊經過十餘年的機理研究和工業實驗，發現稀土鋼性能波動、澆口堵塞問題的根源在於氧含量。這話是什麼意思呢？所有人都能想到，鋼液中會含有氧。然而以前學界和產業界長期忽視了，稀土金屬本身也會含有氧。稀土金屬極為活潑，在稀土金屬電解制備時就容易形成大尺寸稀土氧化物。這些稀土氧化物加入到鋼液中，帶入的大尺寸稀土夾雜物難以上浮去除，就導致稀土鋼性能波動，以及與耐火材料反應堵塞澆口。原來罪魁禍首在於氧，而且包括兩個來源的氧！

因此，這項研究的關鍵就是降低鋼液和稀土金屬中的氧含量。通過與金屬所相關研究團隊合作，結合實驗、計算和表徵，他們揭示了稀土在鋼中的關鍵作用機制，控制夾雜物和稀土固溶，製備出性能優越、穩定的低氧稀土鋼。2022年9月8日，論文在線發表於《自然·材料學》（Nature Materials），標題是《低氧稀土鋼》（Low-oxygen rare earth steels）。

他們開發了“雙低氧稀土鋼”技術，即鋼液和稀土金屬都低氧的控制技術，有效解決了稀土鋼工業應用中的問題。在高純淨度的GCr15軸承鋼中應用後，與不加稀土的軸承鋼相比，稀土軸承鋼±800 MPa拉壓疲勞壽命提升了40倍，滾動接觸疲勞壽命提升了40%。另一個比較對象是添加現有的商業稀土金屬的樣品，稀土金屬中氧含量為270 ppm，沒有經過控制，這時它的疲勞壽命會出現明顯波動，即質量不穩定。

他們還發明瞭一種新的夾雜物萃取三維表徵技術，以此分析了稀土GCr15軸承鋼和進口的某軸承鋼中的夾雜物形貌。他們發現在三維尺度上進口軸承鋼中的夾雜物主要是氧化鋁和大尺寸硫化錳，而稀土軸承鋼中的夾雜物主要是細小的球狀稀土氧硫化物。稀土氧硫化物的硬度僅為氧化鋁的1/5左右，略高於軸承鋼基體硬度。與脆硬的氧化鋁夾雜物相比，尺寸細小、與基體硬度匹配性良好的稀土氧硫化物在疲勞加載過程中可以發生塑性變形，引發夾雜物周圍應力集中顯著減小，有效延緩了疲勞裂紋的萌生。

這項研究不僅本身實現了很大的進步，還為進一步的進步提供了可能。這個進一步的進步叫做稀土微合金化，即稀土在鋼中成為固溶體。以往研究通過對比一些鋼種添加稀土後的性能變化，推測部分稀土可能以固溶形式存在於鋼中，發揮了微合金化的作用，但始終沒有直接的實驗證據，而且難以獲得穩定的效果。現在通過第一性原理計算發現——請注意，第一性原理計算就屬於我的專業“理論與計算化學”，意思是不需要任何經驗參數，完全基於量子力學原理做數值計算，就可以預測材料的性質，——他們通過第一性原理計算發現，當鋼中存在鐵空位時，空位與稀土原子交互作用可以大幅降低稀土的固溶焓，也就是説極大地有利於稀土固溶。同時計算發現，與鋼中常見的合金元素相比，稀土更易在晶界偏聚。研究使用球差校正電鏡觀察到鋼中的固溶稀土團簇，從而證實了鋼中確實存在一定數量的固溶稀土。

第一性原理計算進一步揭示了固溶的稀土元素顯著提高了鋼中碳的擴散激活能。在稀土偏聚晶界和提高碳擴散激活能的共同作用下，使用雙低氧技術在鋼中添加ppm量級的稀土，即可顯著降低鋼中擴散型相變的相變開始温度。研究進一步設計了擴散偶實驗，證實了稀土顯著降低鋼中碳的擴散係數，展示出稀土強烈的微合金化能力，這為通過調控碳擴散優化鋼的顯微組織和力學性能提供了新途徑。大家如果聽不懂這些説的是什麼，也沒關係，只要明白一點，這些成果表現了第一性原理計算的威力，我就很開心了！

最後，瀋陽金屬所的總結是：該研究揭示了稀土鋼性能波動的根源在於氧，只有在低氧條件下稀土才能在鋼中穩定發揮出深度淨化鋼液、細化改變夾雜物和強烈微合金化的作用。該研究表明，噸鋼只需添加百餘克的鑭鈰輕稀土，在成本基本不增加、工藝流程基本不改變的條件下即可顯著提升鋼的性能。這對於發揮我國稀土資源優勢，平衡稀土資源利用，提升優特鋼的品質，具有重要意義。