【知識】鈰和釔在鋼鐵工業中的應用

氧化鈰用於鋼鐵塗層可防止氧化和腐蝕，而添加釔可增強不銹鋼的高溫性能和抗氧化性。在美國，約8％的稀土消費用在冶金添加劑和合金方面。世界大約28％的稀土用於冶金。

一、鈰的應用

鈰是稀土中豐度最高的元素，由於其對氧和硫有很強的化學親合力而廣泛用於鋼鐵工業中。鈰的氧化還原電位為十1.74，很容易在三價(Ce3+)態和四價(Ce4+)態之間變化。以鈰作塗層和添加劑能改善高溫合金和不銹鋼的抗氧化、熱腐蝕、水腐蝕和硫化性能。因此，可將氧化鈰或二氧化鈰用作製造鎂矽鐵合金的添加劑，也用作球墨鑄鐵的孕育劑。鈰還廣泛用於鋁基和鎂基軸承合金與鎳鉻高溫合金中。

鈰塗層防止氧化和腐蝕的最好例證是從二氧化鈰用於形成氧化鉻氧化皮的合金開始的。將氧化鈰塗敷於合金上有許多種技術，包括噴塗、在硝酸鈰溶液中浸漬、濺射、電泳、應用氧化鈰泥漿於乙醇懸浮液中等。然而，塗料工業已發現“溶膠-凝膠”技術是最好的方法。用這種方法得到的結果證實鈰捕獲鉻氧化物的能力很強，從而防止了氧化物在基體金屬合金表面上的粘附。

道氏鎂公司生產了一種高溫模鑄鎂合金。含鉛3．5％～4．5％、鈰化合物2％～3％和錳0．27％。這種高抗腐蝕合金的抗張強度幾乎達到140MPa，在溫度高達177℃時仍然有效。

富鈰混合稀土首次加入鎂基合金，以減少鑄件中的微孔。1984年美國鋁業公司開發出一種高溫鋁合金，取代了高科技航太領域使用的較重的鋼和鈦合金，這種合金叫Cu78，含鋁88％、鐵8％、鈰4％。添加鐵和鈰提高了其高溫下的抗腐蝕性。Cu78可在高達260℃～316℃下仍保持其強度，而傳統的鋁合金只能在135℃～149℃保持其強度。

鈰不但對氧具有很高的親合力，對硫亦有很強的親合力。向高強度低合金和不銹鋼中加入少量鈰可以改進晶粒間界穩定性，並使鋼製造過程中硫化物的形狀得以控制。軟的非金屬夾雜物硫化物或氧化物會使鋼在熱軋過程中產生弱層，因而導致產品的機械性能下降。鈰經常以富鈰混合稀土金屬形式加入熔融鋼中，這時鈰跟氧和硫結合生成高熔點高硬度的鈰氧化物和鈰硫氧化物，以免形成性能差的其他氧化物和硫化物。這種稀土夾雜物在軋製時不會變形，因此賦予細晶粒化的最終產品以良好性能。

二、釔的應用

釔能改善不銹鋼在氣體氛圍中的高溫性能和抗氧化性能。另外，釔能增強鋁膜的強度，並有助於與金屬表面緊密結合。

釔加入某些特殊應用而研製的超合金中，要求高溫(通常超過817℃)耐久性，以及高抗張強度和抗氧化性。通常，超合金中釔的加入量很少(0.3％～1.3％)。另外，在鉑合金中加入釔，可以阻止晶粒長大，改善時效穩定性和蠕變強度。

不銹鋼是鐵基合金，通常含有釔，通稱FeCr合金鋼。FeCr合金鋼最初是由美國通用電氣公司和英國原子能機構研製出來的，通常含釔0.5％～4％、鉻15％～22％、鋁4％～5％。釔可以提高不銹鋼的抗氧化性和塑性。

1987年英國鎂公司研製了一種含釔鑄造鎂合金，牌號為WE54，含釔4.75％～5.5％，含其他稀土3.5％(釹1.5％～2.0％、重稀土1.5％～2.0％)和鋯0.5％。由於這種熱處理合金的成本高，所以其使用僅限於先進技術的應用，如汽車引擎的活塞。1989年推出了這種合金的改型WE43。WE43使用低含量的釔3.75％～4.．25％和2％～2.5％的釹、0.75％～1.25％的重稀土及0．3％的鋯。這種新合金滿足了高強度和抗腐蝕應用的需要，如高級的航空飛機設計。


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