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稀土在金属表面处理工艺中的应用与发展研究发布时间：2021-09-06T13:28:35.513Z 来源：《中国电力企业管理》2021年5月 作者： 金浩星[导读] 稀土元素电子结构特殊，化学活性极强，同时又有较大的电子半径，基于它的这些优势对于一般的金属以及合金具有优异的改良性能，所以它被广泛的应用到机械、冶金、化工以及轻纺等行业，促进了工业企业的建设和发展。深圳市和胜金属技术有限公司 11****7 金浩星 深圳 518000摘要：稀土元素电子结构特殊，化学活性极强，同时又有较大的电子半径，基于它的这些优势对于一般的金属以及合金具有优异的改良性能，所以它被广泛的应用到机械、冶金、化工以及轻纺等行业，促进了工业企业的建设和发展。在金属表面处理工程中，稀土在处理工艺中也得到了相当的应用，所以本文主要就稀土在金属表面处理工艺中的应用与发展展开讨论，并分析了稀土的相关概述、稀土在金属表面处理工艺中的应用以及行业发展条件等内容，希望给我国相关的单位和企业提供一定的借鉴价值，充分发挥稀土的作用，促进金属表面处理工艺的发展。关键词：稀土；金属表面处理工艺；应用与发展 一、稀土的相关概述 （一）稀土元素的概念 稀土是元素周期表中的镧系元素和钪、钇共十七种金属元素的总称。自然界中有250 种稀土矿。根据稀土元素原子电子层结构和物理化学性质以及它们在矿物中共生情况和不同的离子半径可以产生不同性质的特征，按照萃取分离的不同可以分为以下三类，第一类是轻稀土，包括镧、铈、镨、钕；第二类是中稀土，包括钐、铕、钆、铽和镝;第三类是重稀土，包括钬、铒、铥、镱、镥、钇。 （二）稀土的原子结构和特征 稀土元素是周期表中十分活泼的元素，稀土元素内层4f轨道具有不充满性,留有填充电子的空位,这就是稀土元素具有独特性质的根源。稀土离子半径越小，导电率越大,吸附电子的能力越强,活动性能越好，这是由于稀土离子半径越小，产生的空位越多，稀土离子容易移动的缘故[1]。 （三）稀土的广泛用途 1.冶金工业 稀土在冶金领域行业中具有30多年的应用历史，目前冶金领域对于稀土的应用也达到了炉火纯青的地步，并且稀土还被广泛的应用到钢铁和有色金属的加工生产中，具有广阔的前景。稀土金属添加至镁、铝、铜、锌、镍等有色合金中，可以改善合金的物理化学性能，并提高合金及高温机械性能。冶金行业是促进我国社会经济发展的重要行业，在冶金领域中加强对稀土元素的开发和利用，可以为社会生产更多的金属制品，满足了当前人们对金属的需求。 金属表面处理工程在传统古老的冶金工业中一枝独秀，是近几十年来获得突飞猛进的方兴未艾的工业领域，属于新材料、新工艺等跨学科性、综合性的前沿技术。作为稀土资源大国和开发大国，在金属表面处理技术的研发中、生产的实践中，研究好、运用好稀土元素的作用，加快产业的发展，是我国金属表面处理业界无可讳言的职责和光荣。 2.军事领域 军队战斗力是提升我国综合国力和综合实力的重要评价指标，要想提高我国的军队战斗力，必须保障武器的质量和安全。随着国际局势的日益严峻，人们开始加大对稀土的研究力度，并在研究中发现稀土具有良好的光电磁场等物理特性，可以与其他的材料组成功能各异、品种繁多的新型材料，有效地提升了新型材料的质量。在军队作战工具制作中对材料的安全性和质量有着极高的要求，而稀土的性能刚好满足了作战装备对钢材的需求，所以坦克、飞机以及导弹的钢材中都可以看到稀土的影子。其次，稀土除了能够被制作成战斗装备的钢材之外，还能够用于电子、激光以及核工业等高科技的润滑剂，从中可以看出稀土在军事领域中发挥的重要作用。 3.石油化工 石油化工是我国的支柱产业，我国交通运输等行业的发展都离不开石油化工行业的支持。稀土的巨大应用价值还体现在石油化工领域，稀土在石油化工领域中可以制成分子筛催化剂，具有活性高、选择性好以及抗重金属能力强的特点。基于它的优势，人们开始将其取代曾经的硅酸铝催化剂用于石油催化裂化的过程。复合稀土氧化物还可以用作内燃机尾气净化催化剂，环烷酸铈还可用作油漆催干剂等。 二、稀土在金属表面处理工艺中的应用 （一）稀土在电镀工艺中的应用
在电镀液中增加适量的性能活跃的稀土离子后，可以提高电解液中离子的活性和速度，从而改变电化学反应的物理和化学条件，提高了镀液的性能。例如添加稀土元素可降低铬酐的浓度、拓宽施镀温度范围及阴极电流密度范围，减低槽压，改善镀层的光亮度和硬度，使镀铬生产实现低温度、低能耗和高效率。又例如在三价铬电镀工艺中添加稀土添加剂，可以明显地改善镀层的色泽和颜色，从而使得镀层更加鲜亮，并使其更趋近于六价铬镀层的外观，所以越来越多的人开始在三价铬电镀工艺中添加稀土添加剂，改善电镀工艺，从而促进技术的进步和发展。其次，稀土元素还有较强的化学吸附能力，在镀锌应用中，稀土离子的较强化学吸附力可以使其与锌离子进行紧密的结合。镀层晶粒细小致密，可以提高镀层的耐腐蚀性。稀土具有很强的适应性，它能够适用于镀锌层的各种形式和各种颜色，比如低氰微氰和无氰，蓝白色、黑色以及彩虹色等等[2]。 （二）稀土在TD化学热处理工艺中的应用 TD处理作为化学热处理的一种，在国内以近20年的迅猛发展，在汽车模具表面强化领域表现突出。它是通过在高温熔融盐浴中以模具浸渍的形式，在模具表面被覆碳化物的方法。以在模具上形成碳化钒（VC）覆层为例，是在一定的处理温度下将模具置于熔融硼砂盐浴及特种介质中，通过在熔融盐浴中添加的含钒介质中还原出钒原子，在模具基材中析出固溶碳原子，由钒原子和碳原子在模具表面结合生成碳化钒分子，生成一层几微米至十几微米的碳化钒覆层。该覆层具有高硬度（可达维氏硬度Hv3200左右）、高耐磨耗、抗粘结、耐腐蚀、抗氧化、耐熔融金属、耐剥离、高韧性，再结合模具基体的强韧性，可以使模具寿命提高数倍十数倍甚或几十倍上百倍，从而满足汽车主机厂对大规模产能、品质及成本的需求，成为目前汽车车身轻量化事业中的关键技术之一。 在TD处理过程中，稀土元素在形成碳化钒覆层阶段发挥影响，具有明显的催渗效果。其作用机理，其一，稀土元素具有较强的还原能力，可以加速特种介质分解；其二，由于稀土元素独特的吸附能力，可加速基体表面对活性原子的吸收；其三，稀土元素渗入会引起较大的晶格畸变，可加速碳原子的扩散。从覆层组织结构上看，覆层晶粒被细化，从而降低了覆层脆性；也提高了覆层硬度。 （三）稀土在激光熔覆中的应用 激光熔覆技术是20世纪80年代兴起的一种表面处理技术，是以不同的涂覆料方式在被涂覆表面上放置经选择的涂层材料，经激光辐射使之和基体表面(极薄层)同时熔化，并快速凝结,凝固后形成稀释度极低,与基体材料成冶金结合的表面涂层。激光熔覆技术可以在低成本材料工件上制成高性能表面,代替大量的高级合金,以节约贵重、稀有的金属材料，降低能源消耗,因而具有非常广阔的工程应用前景，该技术越来越受到国、内外重视。同其他表面涂层技术相比，激光熔覆技术具有以下优点:①局部表层区域的快速熔覆对基体或被涂工件的热影响甚微，易实现选区涂层，材料消耗少,具有卓越的性能价格比；②热输入和畸变较小，涂层稀释度低(一般<5%)，涂层与基体的结合得到改善,结合带为冶金结合。 稀土元素作为活化成分，添加于熔覆料之中，在各自应用案例中获得了显著成效。比如含有稀土元素的熔覆料经激光作用后，可以有效抑制熔覆层产生裂纹、气孔等缺陷；加入适量稀土的熔覆合金组织得到细化，耐蚀性和抗高温氧化性能力都有较大提高。 三、稀土元素在金属表面处理工艺应用中的注意事项 稀土元素的种类多种多样，不同种类的稀土元素具有不同的特征和优势，所以在什么样的情况下用什么样的品种十分重要。为此，相关的技术人员必须充分地了解不同稀土品种的特性，在对其深入了解的基础上加以选择，例如对于电镀工艺根据电解质中金属离子电位差的正负来选择合适的稀土元素。经过相关的调查显示，“一次添加多种稀土”并不科学，因为并不是所有的稀土元素在每种表面处理的特定条件下都能起到积极的促进作用，所以技术人员必须要慎重考虑。其次，技术人员在表面处理工艺中添加稀土添加剂的时候，要在量化的基础上稳定地保持稀土的使用量，根据最优情况控制使用量的多少。实践表明，无论是电镀还是TD处理等表面处理工艺，稀土使用量少了达不到理想的效果，用的过多反而阻碍渗速，达不到预期的状态，还增加了成本投入。最后，当稀土被用于电镀工艺中时，它并不能直接作用于电镀制程，必须有适合的激活剂作为辅助材料，所以还必须根据稀土的特点找到合适的激活剂，才能促进稀土在电镀工艺中发挥正确作用。 四、稀土元素在表面处理行业中的发展条件 （一）加大技术人员的培养 面对日新月异的稀土与表面处理技术的发展，技术研究人员在表面处理工艺中发挥着重要的作用。为此，首先，必须做好人才的培养工作，持续提升研究人员的工作能力。相关单位必须为表面处理技术人员搭建学习进步的平台，通过线上线下学习交流的形式，研究、追踪稀土技术、金属表面处理技术及其复合应用技术进展，建立一支持续成长的专业化人才队伍。其次，相关单位必须做好技术人员的评价、考核，提高他们的待遇条件，对取得优异成绩的给予表扬和物质鼓励奖励，使其能稳定地为制造业研究和应用长期贡献力量。 （二）加大对稀土元素的研究和实用化 知识的探究是无止境的，对于稀土元素的研发也是无止境的。虽然我国稀土储量丰富，学术界工业界也掌握了稀土的相关特性和知识，也将其广泛地应用到了工业实践中，但是目前对其形成机制作用理论还不十分深入，各种探索发现仍然不断涌出，不时会爆发新的突破。这就需要表面处理技术人员加强对稀土元素的研究和追踪，充分发挥它在表面处理工艺中的价值，促进表面处理工艺的发展。相信在已有基础上，伴随着稀土技术的不断创新发展，中国的表面处理工艺将会取得更大的进步。同时，稀土元素在工业发展中的重要作用毋庸置疑，目前需要以理论联系实际的方式开展一系列的工程化实验和生产化实践工作，确保它在金属表面处理的规模化生产中应用的有效性、稳定性和安全性，从而稳定提高金属表面处理批量工艺的质量，更好地为工业企业生产服务。 （三）加大对技术研发的投资力度
经济基础决定上层建筑，资金是一切工作顺利进行的重要保障，缺少资金的支持任何研究工作都难以正常的开展。为此，相关单位必须加大对金属表面处理工艺研究工作的投资力度，特别加大和保障稀土应用的份额。金属表面处理工艺是我国工业企业发展中的关键性、核心性技术和内容，所以只有从资金上给予其保障，才能从根本上改善当前金属表面处理工作进一步提高当中的问题点，促进我国金属表面处理行业的快速发展。无论是利用互联网、研讨会等平台给技术研究人员提供学习研究的机会，还是添置必要的研究仪器设备、改善实验条件，还是改善技术和生产人员队伍的生活待遇和绩效奖励，以及生产线的适应性改造，都需要资金的系统性投入。当然，加大对投入资金的监管力度，保障每一笔资金都用得其所，提高资金的利用率，也是促进我国金属表面处理行业健康发展的应有之义。 结语：稀土是我国十分珍贵的自然资源，它在不同的工业领域中都发挥了显著的价值。为此，我国的表面处理行业技术人员应该认识到稀土元素的重要性，做好对稀土元素应用的持续研究工作，使其在金属表面处理工艺中发挥更大的价值，促进我国工业企业的可持续发展。参考文献：[1]端木慧,李红玲,刘坤.稀土在金属表面处理工艺中的应用与发展[J].广州化工,2012,40(20):14-15+56.[2]杨胜奇.稀土在金属表面处理工艺中的应用技术(7)——稀土铝及其合金宽温耐蚀耐磨硫酸阳极氧化工艺技术[J].材料保护,2008(09):72-74+87.[3]杨胜奇.稀土在金属表面处理工艺中的应用技术(1)——稀土的概念和基本情况[J].材料保护,2008(04):76-77+8.[4]王华昌，常征，王洪福.稀土元素对T10钢盐浴渗钒覆层结构影响机理研究[J].热加工工艺，2008(12).VOL.37,NO.24
