稀土元素是一個大家族，其中包含十六、七種性質相近的金屬元素。由于它們的性質相近、不易分離，通常都將其統稱為‘稀土元素’， 以下簡稱為‘稀土’。
 稀土具有多種特有的性能，最近半個世紀以來，隨著科學技術的快速發展，稀土在多種高科技領域中都具有非常重要的地位，其發展的遠景真是不可估量。
 稀土在鑄造生產中的應用也是非常重要的，在球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、鋁合金和鎂合金等方面都有良好的作用，最近，在各類鑄鋼方面的應用也出現了非常好的苗頭，為今后的創新和發展工作開拓了廣闊的領域。
 當然，要認真地用好稀土，首先要對稀土的特點有一點了解。


1 稀土的一些特點
 稀土是一個大家族，包括元素周期表中Ⅲ B 族鑭系中的鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、钷（Pm）、釤（Sm）、銪（Eu）、釓（Gd）、鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）、鐿（Yb）、镥（Lu） 等15 個元素，再加上Ⅲ B 族中的鈧（Sc）和釔（Y）， 共 17 個元素。
 稀土家族中，只有鈧的性質比較特殊，與其他元素不太一樣，因而也有人主張不把鈧列入稀土家族，如果這樣，稀土家族中就只有 16 個元素了。一開始，我們說家族中包含十六、七種金屬元素，就是考慮到這個特點。
 為了研究方便，人們往往按化學性質和礦物易于聚集存在的特點、將稀土元素（除鈧外） 分為兩組：
 鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪等 7 元素稱為輕稀土；
 釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、釔等9元素稱為重稀土。
 這里所謂的‘輕’和‘重’，并不完全是按金屬的密度或原子量來區分的。
 所謂稀土，實際上并不‘稀’。地殼中含稀土的礦物有二百多種，它們的蘊藏量，與常用的錫、鋅、鉛、鉬、鎢和貴金屬等相比，要多幾十倍，乃至幾百倍。
 各種稀土元素都是典型的金屬元素，不是‘土’，而且，稀土廣泛用于多種高科技領域， 一點也不‘土氣’。‘ 稀土’ 命名的由來， 是與其問世的歷程有關的。


1.1稀土問世歷程的概要
 稀土元素都是活性很強的金屬，這類金屬的化學活性，僅次于周期表Ⅰ A 族中的堿金屬和 Ⅱ A 族中的堿土金屬。
 地殼中稀土礦雖然很多，但是迄今還沒有發現某種稀土元素比較集中的礦藏，都是多種性質相近的稀土的化合物混在一起的礦物。因為各種稀土化合物的性質相近，將其分離的難度很大，由稀土礦提取精礦很不容易；由于稀土的氧化物很穩定，冶煉精礦、制取稀土金屬也不容易。因而，稀土的問世很晚，問世至今還不到 250 年，早期制得的稀土金屬當然也就很少，所以得到了一個‘稀’字。
 1794 年，芬蘭化學家加多林在瑞典的依特堡附近發現了一種罕見的黑色礦石，對其進行研究時，從中發現了一種新的金屬氧化物。18 世紀當時，人們習慣于將不溶于水的氧化物稱為‘土’，為了紀念發現礦石的地方，加多林就將新的金屬氧化物稱為‘釔土’，構成的金屬稱為釔。
 1803年，德國、瑞典的化學家在瑞典又發現了一種淡黃色的新型金屬氧化物，他們將其命名為‘鈰土’。 
 ‘釔土’和‘鈰土’的內含都非常復雜， 早期，研究了二十多年并沒有探查明白。
到 1839 年，瑞典的莫桑徳爾從鈰土中分離得到了‘鑭土’。1843 年，莫桑徳爾又從釔土中分離出來了‘鋱土’和‘鉺土’。
 19世紀末，人們相繼從鉺土中分離出來了‘鐿土’、‘ 鈧土’、‘ 鈥土’和 銩土’， 隨后，又從‘鈥土’中分離出了‘鏑土’。
 20世紀初，又從‘鐿土’分出了‘镥土’， 這時，大家才明白，早期所謂的‘釔土’，實際上是釔、鋱、鉺、鐿、鈧、鈥、銩、鏑、镥等 9 種稀土元素氧化物的混合體。
 后來，隨著分析技術不斷地改善，加以光譜分析的應用，人們又對鈰土進行了深入的研究，在鑭土之后，又得到了‘鐠土’、‘ 釹土’、‘ 釤土’、‘ 銪土’和‘ 釓土’。原來所謂的‘鈰土’，實際上是鑭、鈰、釤、銪、釓、鐠、釹等 7 種稀土元素氧化物的混合體。
 稀土中的‘土’字，就是因為它們陸續問世的過程中離不開‘土’字而得名的。
 稀土家族中，只有‘钷’的來歷非同一般。
 1942年，第一座原子反應堆建成后，發現燃燒過的廢鈾棒中含有大量放射性同位素，包括原子序數 30 的鋅到 66 的鏑都有。其中原子序數為 57 ～ 66 的都是稀土元素。
 1947 年，處理鈾核裂變生成的放射性同位素時，發現了屬于鑭系、原子序數為 61 的元素， 取名為钷。后來，用中子轟擊釹也可以得到钷。
 早期，一直認為 17 個稀土元素中，钷是從反應堆裂變產物中得到的人造元素。1972 年，處理高品位鈾礦時發現了钷，此后，就不再認為钷是人造元素了。


1.2稀土資源的概況
 目前，已經知道含稀土的礦物有 200 多種， 但可供開采的不多，上世紀 50 年代以前，大約 98％的稀土都取自獨居石。目前，經濟上有開采價值的稀土礦基本上只是 3 種：輕稀土礦主要是氟碳鈰礦［（Ce、La、Pr…）FCO3］和獨居石（多種稀土的磷酸鹽），目前，世界各國所用的稀土 95％來自這兩種礦物［1］；重稀土礦則主要是磷釔礦。
按目前的認知，稀土資源有以下的特點：
 ●至今還沒有發現某種稀土元素集中形成的礦物，目前見到的礦物都是多種稀土的礦物群集在一起的，很難評估各種稀土金屬的儲量， 因而，評估稀土礦物的儲量和開采量，都按稀土氧化物計；
 ●雖然重稀土元素的數量多于輕稀土，但重稀土的儲量卻只是輕稀土的 1/20 左右［2］， 重稀土的價格當然要高于輕稀土；
 ●稀土礦中大都含有放射性元素，廣泛采用的稀土礦獨居石，同時也是主要的釷（Th）礦， 含釷高達 30％。此外，還含有鈾（U），含量可達 1％；
 我國是稀土資源最豐富的國家，各類稀土氧化物的總儲量約占世界總量的一半。對稀土資源的開發，我國也居世界首位。2010 年，我國各類稀土礦的產量占世界各國總產量的 97%以上。根據美國內務部和資源勘探部門 2011 年發布的資料《Mineral Commodity Summaries 2011》，2010 年世界各國已探明的稀土氧化物儲量和稀土礦物的產量見表 1。






1.3有關生產稀土的問題
 稀土礦是多種稀土化合物的混合體，由于它們的性質很相近，將其分離、提取精礦是非常困難的，需要用多種有害的強酸，如鹽酸、硝酸、氫氟酸等，同時，還要分離出釷、鈾之類的放射性元素。
 因此，生產稀土的工藝過程是很復雜的， 費用也很高。更為重要的是：排放的廢水中不僅有大量有害的酸，而且還含有釷、鈾等放射性元素，污染環境的問題非常嚴重。
 美國加州的山口（Mountain Pass）礦區， 原來是重要的稀土礦，但是，在開采稀土礦時， 要向加州荒漠排放大量有害的廢水，其中還含有釷、鈾等放射性元素，排放量每小時數百加侖。由于環保法規的要求，該礦已于 2002 年停產、關閉，轉而向中國購買稀土［1］。
 中國內蒙包頭市的白云鄂博，有世界最大的稀土礦，每年排放含酸量高、放射性強的廢水 1000 萬噸以上，而且都未經有效的處理。此外，還有一些精煉廠也排放有害的廢棄物。由于當地的水和農作物都受到污染，村民出現頭發、牙齒脫落問題，測試表明該地區水和土壤中都含有致癌物，村民只能逐步外遷［1］。


1.4稀土的用途
 稀土除廣泛用于基礎產業的各種材料外， 還具有特殊的光、電、磁性能，在幾百種高、新科技領域中的應用都是十分重要的，是研發多種新型功能材料不可或缺的要素，例如：
 ●含稀土的永磁材料，是當前磁性最強的材料，已廣泛用于汽車、計算機、自動化組件、航空航天和軍工設備；
 ●稀土鎳氫電池的用途日益增多；
 ●稀土發光材料是彩色電視、各種顯示器和節能燈不可缺少的；
 ●稀土激光材料已廣泛用于光通信、精密加工、醫療和軍工等方面；
 ●在化工方面，稀土是重要的催化劑，用于石油裂化、汽車排氣的凈化等方面；
 ●稀土的氧化物有優異的拋光性能，用作高檔光學玻璃的拋光劑。
 由以上說到的幾點可見：稀土是非常珍貴的金屬材料，應用的范圍很廣，而且今后仍將不斷擴展，對這類金屬元素的需求量當然會與日俱增。
 地殼中稀土的蘊藏量雖然不算很少，但制取的難度很大，而且還在環保方面存在非常棘手的問題。
 在這種條件下，對于稀土的應用必須有全面的考量，應該將其用得恰到好處：既要加強研究，力求充分利用其有益作用、造福人類；又要遵循可持續發展的原則，珍惜資源、保護環境，能不用就不用，能少用就盡可能地少用。
 稀土在鑄造行業中的用途也是很寬廣的： 在球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵方面，處理劑中加
入稀土早已是常態工藝。在一定的條件下，也適用于灰鑄鐵、可鍛鑄鐵和某些特種鑄鐵；對于鎂合金，稀土是一種重要的合金元素。鎂合金中加入稀土，可以改善高溫力學性能、提高抗蠕變能力，這種作用已經受到了普遍的關注。此外，鎂的活性很強，熔煉過程中，合金液的阻燃是一個重要的問題，而稀土對鎂合金有一定的阻燃作用，這一點也受到了普遍的關注。
 在鋁合金方面，加入稀土也可以起細化晶粒和變質的作用。
 在鑄鋼方面，稀土對于各種鑄鋼都有凈化鋼液、細化晶粒的作用，可以顯著改善鋼的力學性能，目前這方面的研究工作已經有了重大的突破，前景非常看好。
 由于筆者的能力所限，在這里只能簡單地談談稀土在球墨鑄鐵和鑄鋼方面的應用。


2 稀土在球墨鑄鐵方面的應用
 稀土在鑄造生產中的應用，開先河者應該是英國鑄鐵研究學會（BCIRA）的 H. Morrogh 和 W. J. Williams。1947 年， 他們在英國發表的技術報告中，就談到了在鑄鐵中加入以鈰為主的稀土合金，可以使石墨的形態球狀化。1948 年 5 月，他們在美國鑄造學會的年會上發表了以鈰為球化劑、制成球墨鑄鐵的報告。
 同時，美國國際鎳公司（INCO）的 A. P. Gangnebin 和 K. Millis 等，也在年會上發表了以鎂為球化劑制成球墨鑄鐵的報告。他們還介紹情況說，INCO 公司 1943 年就初步完成了這項研究工作，但是，由于當時正處于二戰期間， 加以策略方面的多種考慮，沒有及時宣布。
 可以認為：1948 年是稀土在鑄造生產中應用的起點，也是球墨鑄鐵發展的起點。
在球墨鑄鐵的生產中，這兩種球化工藝各有其優、缺點，總體而言，以鎂為球化劑的工藝是占優勢的，主要有資源豐富、價格便宜、制成的球墨鑄鐵中石墨球的形態好等優點。當然，以稀土為球化劑也有其優點，如球化反應穩定易于控制、形成夾渣的傾向小等，特別重要的是，稀土在球墨鑄鐵中可以控制多種微量元素干擾石墨球化的作用。
 特別值得慶幸的是，在球墨鑄鐵發展的過程中，鑄造行業對于這兩種工藝，沒有出現偏重一方、排斥他方的態勢，而是采取相輔相成、互補增益、盡量發揮各自長處的方式，因而， 球墨鑄鐵問世以來，在短短的六十多年中，一直以罕見的高速度發展。2014 年，世界各國球墨鑄鐵件的總產量達 2568 萬噸，在各類鑄件的總產量中占 24.5％。
 在談到球墨鑄鐵的同時，不妨順便提一提有關蠕墨鑄鐵的情況。
 稀土在蠕墨鑄鐵生產中的重要性，比其在球墨鑄鐵生產中的重要性還要大一些。
六十多年前，BCIRA 的 H. Morrogh 等，在其研究稀土在鑄鐵中的作用的過程中，就已經發現：在一定的條件下，鑄鐵中可能出現蠕蟲狀石墨，而且，具有這種石墨組織的鑄鐵，力學性能接近于球墨鑄鐵。
 1968 年，奧地利的 W. Thury 等提出由加入混合稀土合金制取蠕墨鑄鐵的工藝，1970 年獲得奧地利專利。
 1976 年，美國國際鎳公司和英國鑄鐵研究學會合作，制造含少量稀土的商品蠕化劑“Foote”投放市場，此后，蠕墨鑄鐵才有了快速的發展。
 本世紀以來，蠕墨鑄鐵的應用范圍日益擴大，各國采用的蠕化劑都以含稀土的為多，不含稀土的蠕化劑用量很少。


2.1稀土在球墨鑄鐵中的作用
 鎂、稀土和鈣在鑄鐵中都有使石墨球化的作用，就對它們作用的綜合評價而言，鎂是居于首位的。但是，在以鎂作主要球化元素的條件下，如果配合以適當的稀土，就可以相得益彰、取得更好的球化效果。
 這里，只能簡單地談到稀土在與鎂配合使用作為球化劑時的一些作用。
2.1.1 脫硫、脫氧
 鎂、鈣和稀土，在鐵液中都有很強的脫硫、脫氧作用。
 就元素與硫、氧作用和生成硫化物、氧化物的自由能而言，稀土（鈰）和鈣脫硫、脫氧的能力都比鎂強。但是，鎂的沸點為 1107℃， 進入鐵液后迅速氣化，對鐵液有強烈的攪拌作用。同時，溶于鐵液中的氣體易于向氣泡中擴散、析出，從而被氣泡帶出。鐵液中的氧化物、硫化物夾雜也易于被氣泡吸附一并排出。如果考慮反應動力學的因素，鎂在鐵液中脫氧、脫硫的作用實際上強于稀土（鈰）和鈣。


2.1.2 抑制干擾元素的作用
 球墨鑄鐵中，有一些元素起反球化的作用， 通常稱之為干擾元素。干擾元素大致可分為兩類：
 一類，有人稱之為消耗型干擾元素，如硫、氧等，都易于與當前廣泛應用的各種球化元素形成化合物。鎂、稀土和鈣都可以脫硫、脫氧， 消除它們的負面影響，當然其本身也要因此而消耗掉一部分。
 以鎂作球化劑，鎂的氧化物 MgO 的熔點高、穩定性好、在鐵液中的溶解度低，但粒度稍大， 可能上浮到表面成為浮渣，也可能被卷入鑄件內部成為夾渣。同時，硫化鎂（MgS）的密度低， 易于上浮到鐵液表面，但其穩定性較差，與氧接觸后會形成氧化鎂，將硫釋放回鐵液、再次與鐵液中的鎂反應。這種反應的不斷發生，是單用鎂作球化劑時球化易于衰退的主要原因之一。
 稀土作球化劑，衰退現象就不這么明顯， 形成夾渣的傾向也較小。
 鎂和稀土配合作球化劑時，稀土硫化物和氧化物穩定性很高，粒度細小，在鐵液中難以上浮，而且這些化合物與石墨晶格的失配度很小，可作為石墨析出的異質核心，因而兼有孕育的功能。
 另一類是偏析型反球化元素，如鉍、鉛、銻、鈦、錫、砷、鋁等，在鑄鐵發生共晶轉變時富集于共晶團之間，使石墨的形狀畸變。
 鎂抗干擾元素的能力差，而稀土元素抑制這類干擾元素有害作用的能力很強，鑄鐵中殘留鈰量為 0.008% 時，就能有效地抑制干擾元素的反球化作用。所以，以鎂為主的球化劑中配合用稀土，主要的目的在于抑制干擾元素的有害作用。
 關于多種微量干擾元素在球墨鑄鐵中的綜合作用，德國 T. Thielemann 于 1970 年提出了按各種干擾元素含量計算的反球化指數 K。
K ＝ 4.4（％ Ti）＋ 2.0（%As）＋ 2.4（%Sn）＋ 5.0（%Sb）＋290（% Pb）＋ 370（%Bi）＋ 1.6（%Al）
 目前，各國鑄造行業中仍然用反球化指數K 評估鐵液中各種干擾元素反石墨球化的綜合作用，當然我們也可以借鑒。


2.1.3 對鑄鐵白口傾向的影響有其兩面性
 溶于鐵液中的稀土，促進形成碳化物的作用很強，是反石墨化元素，但是，在以鎂為主的球化劑中配合以少量的稀土，因其具有增強孕育的作用，反而能使鑄鐵的白口傾向大為減輕。
 可是，如果鐵液中殘留稀土量過多，就有增強鑄鐵白口傾向的作用。
 這種看似矛盾的現象，實際上并不矛盾， 其原因是：稀土與硫、氧結合的能力很強，少量的稀土，很快就與鐵液中的硫和氧作用，形成大量細小的硫化物和氧化物，為鑄鐵的石墨化提供了大量異質晶核，使石墨球的數量大幅度增加，便于鐵中的碳向石墨球擴散，從而抑制白口的生成。如果稀土加入量多，除與氧和硫作用的以外，還有多余的溶于鐵液，這部分殘留稀土當然就會增強鑄鐵的白口傾向。


2.2 球墨鑄鐵中稀土用量的控制
 生產中，各單位的具體情況差別很大，稀土在球墨鑄鐵中的用量，應該根據鑄造廠所用爐料的狀況和鑄件質量綜合考慮，最佳用量還要在實際應用過程中逐步優化。這里不可能提供可直接應用的數據，只能提出一些籠統的想法，供參考。
 球化劑中配用稀土，主要是為了抑制各種干擾元素的反球化作用。反球化指數 K 比較全面地考慮了干擾元素的負面作用，可以參照。
 如果爐料所用的生鐵、廢鋼質量很差，原鐵液中K ＞ 2，不管采取何種措施，都不可能制得質量較好的球墨鑄鐵。
 如果爐料所用的生鐵、廢鋼質量較差，原鐵液中 K ＞ 1.2，球化劑中就必須配用稀土。
 如果原鐵液中 K 在 0.8 ～ 1.2 之間，稀土的用量可以減少。
 如果爐料采用高純生鐵、優質廢鋼和優質回爐料，原鐵液中 K ＜ 0.8，則不僅可以不用稀土，而且要避免混入含稀土的爐料。在這種條件下，如果鐵液中殘留稀土量＜ 0.01％，不僅球墨鑄鐵的石墨形態好，鑄件冷卻速率的影響也比較小；如果原鐵液中稀土含量＞ 0.02， 則生產碳化物的傾向增大，石墨的球化率也會較差。