近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心先進鋼鐵材料研究部研究員李殿中團隊受前期研究——氧致偏析新機制的啟發(fā)（Inclusion flotation- driven channel segregation in solidifying steels，Nature Communications，2014），通過10余年的機理研究和工業(yè)試驗，發(fā)現(xiàn)稀土鋼性能波動、澆口堵塞問題的根源在于氧含量。研究通過降低鋼液和稀土金屬中的氧含量，并與金屬所相關(guān)研究團隊合作，結(jié)合試驗、計算和表征揭示了稀土在鋼中的關(guān)鍵作用機制，控制夾雜物和稀土固溶，制備出性能優(yōu)越、穩(wěn)定的低氧稀土鋼。相關(guān)研究成果以Low-oxygen rare earth steels為題發(fā)表在Nature Materials上。

研究進一步開發(fā)了“雙低氧稀土鋼”技術(shù)即鋼液低氧和稀土金屬低氧的控制技術(shù)，有效解決了稀土鋼工業(yè)應(yīng)用中的問題。利用自主發(fā)明的夾雜物萃取三維表征技術(shù)，分析了稀土GCr15軸承鋼和進口的某軸承鋼中的夾雜物形貌，發(fā)現(xiàn)在三維尺度上進口軸承鋼中以氧化鋁和大尺寸硫化錳夾雜物為主，而稀土軸承鋼中夾雜物主要是細小的球狀稀土氧硫化物。

左圖為某進口軸承鋼（左）與雙低氧稀土軸承鋼（右）中的夾雜物對比。

研究通過第一性原理計算發(fā)現(xiàn)，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，促進稀土固溶，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(shù)在鋼中添加10-6量級的稀土，即可顯著降低鋼中擴散型相變的相變開始溫度。該研究揭示了稀土鋼性能波動的根源在于氧，只有在低氧條件下稀土才能在鋼中穩(wěn)定發(fā)揮出深度凈化鋼液、細化改變夾雜物和強烈微合金化的作用。研究表明，噸鋼只需添加百余克的鑭鈰輕稀土，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，這對于發(fā)揮我國稀土資源優(yōu)勢，平衡稀土資源利用，提升優(yōu)特鋼的品質(zhì)具有重要意義。