【知识】铈和钇在钢铁工业中的应用

氧化铈用于钢铁涂层可防止氧化和腐蚀，而添加钇可增强不锈钢的高温性能和抗氧化性。在美国，约8％的稀土消费用在冶金添加剂和合金方面。世界大约28％的稀土用于冶金。

一、铈的应用

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而广泛用于钢铁工业中。铈的氧化还原电位为十1.74，很容易在三价(Ce3+)态和四价(Ce4+)态之间变化。以铈作涂层和添加剂能改善高温合金和不锈钢的抗氧化、热腐蚀、水腐蚀和硫化性能。因此，可将氧化铈或二氧化铈用作制造镁硅铁合金的添加剂，也用作球墨铸铁的孕育剂。铈还广泛用于铝基和镁基轴承合金与镍铬高温合金中。

铈涂层防止氧化和腐蚀的最好例证是从二氧化铈用于形成氧化铬氧化皮的合金开始的。将氧化铈涂敷于合金上有许多种技术，包括喷涂、在硝酸铈溶液中浸渍、溅射、电泳、应用氧化铈泥浆于乙醇悬浮液中等。然而，涂料工业已发现“溶胶-凝胶”技术是最好的方法。用这种方法得到的结果证实铈捕获铬氧化物的能力很强，从而防止了氧化物在基体金属合金表面上的粘附。

道氏镁公司生产了一种高温模铸镁合金。含铅3．5％～4．5％、铈化合物2％～3％和锰0．27％。这种高抗腐蚀合金的抗张强度几乎达到140MPa，在温度高达177℃时仍然有效。

富铈混合稀土首次加入镁基合金，以减少铸件中的微孔。1984年美国铝业公司开发出一种高温铝合金，取代了高科技航天领域使用的较重的钢和钛合金，这种合金叫Cu78，含铝88％、铁8％、铈4％。添加铁和铈提高了其高温下的抗腐蚀性。Cu78可在高达260℃～316℃下仍保持其强度，而传统的铝合金只能在135℃～149℃保持其强度。

铈不但对氧具有很高的亲合力，对硫亦有很强的亲合力。向高强度低合金和不锈钢中加入少量铈可以改进晶粒间界稳定性，并使钢制造过程中硫化物的形状得以控制。软的非金属夹杂物硫化物或氧化物会使钢在热轧过程中产生弱层，因而导致产品的机械性能下降。铈经常以富铈混合稀土金属形式加入熔融钢中，这时铈跟氧和硫结合生成高熔点高硬度的铈氧化物和铈硫氧化物，以免形成性能差的其它氧化物和硫化物。这种稀土夹杂物在轧制时不会变形，因此赋予细晶粒化的最终产品以良好性能。

二、钇的应用

钇能改善不锈钢在气体氛围中的高温性能和抗氧化性能。另外，钇能增强铝膜的强度，并有助于与金属表面紧密结合。

钇加入某些特殊应用而研制的超合金中，要求高温(通常超过817℃)耐久性，以及高抗张强度和抗氧化性。通常，超合金中钇的加入量很少(0.3％～1.3％)。另外，在铂合金中加入钇，可以阻止晶粒长大，改善时效稳定性和蠕变强度。

不锈钢是铁基合金，通常含有钇，通称FeCr合金钢。FeCr合金钢最初是由美国通用电气公司和英国原子能机构研制出来的，通常含钇0.5％～4％、铬15％～22％、铝4％～5％。钇可以提高不锈钢的抗氧化性和塑性。

1987年英国镁公司研制了一种含钇铸造镁合金，牌号为WE54，含钇4.75％～5.5％，含其它稀土3.5％(钕1.5％～2.0％、重稀土1.5％～2.0％)和锆0.5％。由于这种热处理合金的成本高，所以其使用仅限于先进技术的应用，如汽车引擎的活塞。1989年推出了这种合金的改型WE43。WE43使用低含量的钇3.75％～4.．25％和2％～2.5％的钕、0.75％～1.25％的重稀土及0．3％的锆。这种新合金满足了高强度和抗腐蚀应用的需要，如高级的航空飞机设计。


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