張紅霞，楊體升，吳建剛

（1.湖北汽車工業(yè)學院 材料工程系,湖北 十堰 442002；2.東風精密鑄造有限公司，湖北 十堰 442000）

稀土元素對精密鑄鋼裂紋形成的影響

張紅霞1，楊體升2，吳建剛2

（1.湖北汽車工業(yè)學院 材料工程系,湖北 十堰 442002；2.東風精密鑄造有限公司，湖北 十堰 442000）

設計了精密鑄件裂紋敏感試樣，通過在鑄件成分中添加不同比例的稀土元素，探討稀土元素對鑄件產生裂紋傾向的影響。試驗結果表明：合適的稀土添加量的增加，鑄件裂紋率顯著降低；金相組織分析表明，稀土元素添加能較好地細化晶粒，并有效改善夾雜物的數量、尺寸和分布，從而降低了鑄鋼的裂紋傾向。

裂紋；稀土；夾雜物；精密鑄件

熱裂是精鑄中碳鋼件、合金鋼件最常見和危害較大的缺陷之一［1］，是鑄件在凝固末期或終凝后不久，尚處于強度和塑性很低狀態(tài)下，因固態(tài)收縮受阻而引起的裂紋［2］。鑄件裂紋中70%屬于熱裂。據不完全統(tǒng)計，約半數以上的廢品鑄件與造型原材料和熔煉原材料有關。合金熔煉的質量，直接與鑄件質量相關,鑄造金屬材質改進是精密鑄造主要技術中的一種重要方法［3］。本課題對某公司生產中精鑄件裂紋率較高的問題進行了研究，主要針對材料環(huán)節(jié)進行改善，以期獲得合適的稀土含量用以改善鑄件的裂紋情況，分析稀土添加量對組織和夾雜物的影響，從而找出稀土添加量對裂紋產生的影響規(guī)律。

1 裂紋敏感結構設計及試驗方案

1.1 裂紋敏感結構設計方案

設計了裂紋敏感產品模型見圖1，在模型的不同部位設計不同的壁厚以及不同的過渡圓角，通過改變稀土的添加量統(tǒng)計不同部位的裂紋率，從而得出稀土對于裂紋的影響規(guī)律。同時，通過此模型來驗證圓角大小對于裂紋的影響規(guī)律。設計中選用Pro/ENGINEER 2000i2進行三維造型，應用Procast 2008對零件進行CAE分析，所分析的應力場圖見圖2，熱裂傾向圖見圖3。從圖2看出，此模型的應力集中部位較多，圖2中表明其應力更明顯，熱裂傾向大，圖3的熱裂紋模擬分析也表明個部位熱裂傾向不同，有3個部位熱裂傾向較大 （圓圈處）。CAE分析結果說明該模型熱裂敏感度較高，且各部位熱裂傾向有所不同。

圖1 裂紋敏感產品模型

圖2 裂紋敏感產品模型應力場圖

圖3 裂紋敏感產品模型熱裂傾向圖

1.2 工藝試驗方案

1.2.1 試驗材料及稀土添加

鑄件選用材料為30CrMnSi，化學成分見表1。澆注時添加稀土鈰，采用鋼包中加入的方法［4］，稀土的添加見表 2。選擇型殼焙燒溫度為 950～1050℃，焙燒時間為3.5h，熱殼停留時間為5min。熔煉設備為 100 kg中頻感應爐，熔煉溫度為1050℃，熔煉時間50min，用鋁塊脫氧。脫氧后加入稀土硅鐵合金。澆注溫度1540～1560℃，型殼溫度為650～800℃。

1.2.2 試驗檢測設備

表1 30CrMnSi化學成分

表2 稀土的添加比例與添加量

成分檢測采用QS7500型直讀光譜儀檢測各元素的含量，裂紋檢測采用CXG-2500型磁粉探傷機對鑄件進行磁粉探傷，金相檢測采用用XJP-100型金相顯微鏡對鑄態(tài)組織和正火態(tài)組織進行觀察，硬度檢測采用MH-5顯微硬度計對鑄態(tài)、正火態(tài)的組織進行測量。

2 試驗結果與分析

2.1 裂紋的統(tǒng)計與分析

對澆注冷卻清砂后的鑄件進行磁粉探傷［5］，觀察到試樣的某些部位出現(xiàn)圖3所示裂紋，從外觀看裂紋形態(tài)多為曲折而不規(guī)則（圖4a），顯微分析（圖4b）可觀察到裂紋兩側有明顯的氧化脫碳層，屬于典型的熱裂紋。統(tǒng)計5組試樣不同部位的裂紋數量得到裂紋率統(tǒng)計見表3。從表中數據可見隨著稀土的加入，試樣的裂紋率逐漸降低。稀土添加比例為0.09%時，試樣的裂紋率最低。但當稀土添加比例達到0.12%時，裂紋率反而會升高。

圖4 鑄件的裂紋形態(tài)

表3 裂紋數量及裂紋率

由于裂紋敏感試樣厚壁與薄壁相交處，設計了不同的圓角尺寸，試驗中對所有裂紋試樣的裂紋形成部位進行了統(tǒng)計，鑄件圓角尺寸與裂紋率的關系結果如表4所示。從表4可以看出圓角尺寸越小，裂紋的產生的幾率越高。在圓角尺寸為1mm時，裂紋產生幾率大，隨圓角尺寸增加，裂紋幾率降低，圓角尺寸為5mm部位沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。統(tǒng)計也發(fā)現(xiàn)裂紋出現(xiàn)部位均在厚壁與薄壁過渡位置，應力集中使這些位置的裂紋傾向較大。這些位置的圓角尺寸也較小，使得這些位置的應力集中，造成裂紋的分布不同。這些結果說明了結構設計對于鑄件裂紋有著顯著的影響。

表4 圓角尺寸與裂紋率的關系

2.2 澆注后鑄件的化學成分分析

表5為澆注后檢測的不同組的試樣中各元素的成分含量，有4組檢測中有Ce存在，各組中Ce的含量均低于澆注前的添加量，其中E組稀土損耗量相對較大，說明在澆注中稀土有一定的損耗，可能以夾雜的方式漂在鋼水表面被除去。同時觀察到碳元素含量出現(xiàn)隨稀土添加量增加而降低的現(xiàn)象。A、B、C、D組的硫含量逐漸降低，裂紋率也逐漸減小，E組硫的含量升高，裂紋率同時也有所上升。由此說明加稀土后,稀土與C和S元素之間發(fā)生了反應［6］。

表5 試樣中元素含量

2.3 鑄態(tài)金相組織分析

圖5 鑄態(tài)金相組織圖

為了研究鑄態(tài)組織的晶粒特征及其組織特點，所以用金相顯微鏡在不同倍數下觀察晶粒特征和組織特征，圖5為鑄態(tài)試樣腐蝕后金相組織圖，組織中白色網狀的為先析出鐵素體，其余為珠光體。根據網狀鐵素體的特征可觀察到圖5a～b對應的A、B、C 3組的晶粒都十分粗大，但隨稀土添加量的增加，晶粒有所細化。圖5d～e中對應的D組和E組中晶粒的尺寸有較大程度的細化。研究表明［7］，晶粒越粗大越易產生熱裂裂紋，因此細化晶粒對于改善裂紋傾向有積極的意義，D組和E組中晶粒的尺寸有較大改善，因此裂紋傾向較小。本試驗的結果說明，在30CrMnSi中添加稀土是能夠起到細化晶粒的作用，而且當添加量為0.09%稀土細化晶粒的效果最佳。

2.4 夾雜物對比分析

非金屬夾雜物在高溫下或溶解于鋼液中，或單獨存在于鋼液中，但隨著溫度的下降及成分、氣體壓力等條件的改變，原來溶解于鋼液中的夾雜物將以獨立相分離出來，在結晶過程中聚集于晶界上，成為割斷鑄鋼基體連接的微小單元，形成裂紋的最初源頭，從而形成了裂紋的潛在隱患［8］。鋼液在冶煉過程中產生的夾雜物，是鑄鋼件產生裂紋的重要原因之一。

圖6 夾雜物的形態(tài)與分布

圖6為未經腐蝕的試樣在金相顯微鏡下拍下的圖片，夾雜物呈黑色球狀或點狀。從圖6中發(fā)現(xiàn)夾雜物構成枝晶的形狀，說明夾雜物主要存在于枝晶間隙中。隨著稀土量的增加，夾雜物的體積分數鑄件減小。A組的夾雜物顆粒較后4組大而且數量較多。B組添加微量的稀土后夾雜物尺寸較A組小，數量也少了很多。C組的夾雜物數量比B組的數量有所減少。D組的夾雜物顆粒較C組的夾雜物均勻而且細小。E組的夾雜物雖然數量少，但是夾雜物的顆粒較大。夾雜物的數量越少，夾雜物越均勻，越細小，就越能減少對組織的破壞，減少了裂紋產生的可能性。鋼在非金屬夾雜物中，使鑄鋼件產生裂紋的主要原因是硫化物夾雜，而且它常常和其他因素共同作用，使鑄鋼件裂紋傾向增大。加入稀土后，鑄態(tài)夾雜物的分布，組成和形狀發(fā)生了變化，從而減少對基體的割裂作用［9］。Warren M［10］指出隨著稀土量的增加，稀土/硫的比值越高，夾雜物的體積分數越小，這與本試驗中的觀察是相同的。

3 結論

1）裂紋主要存在于厚壁與薄壁交叉的地方和澆口附近，過渡圓角尺寸越小，裂紋的數量越多，圓角半徑為5mm，未出現(xiàn)裂紋。

2）隨著稀土添加比例增加，試樣的裂紋率逐漸降低，當添加的稀土比例為0.09%時，試樣的裂紋率最低，隨后稀土增加裂紋率反而會升高。

3）稀土含量變化對鑄件晶粒的尺寸、夾雜物的數量和形態(tài)尺寸有著顯著影響。

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Effect of Rare Earth Element on Crack Form of Cast Steel by Investment Casting

Zhang Hongxia1，Yang Tisheng2，Wu Jiangang2
（Department of Material Engineering,Hubei Automobile Industries Institute,Shiyan 442002,China）

A crack-sensitivity sample was designed for the study.The optimum rare-earth content was achieved by using rare-earth additions to the crack-sensitivity sample of investment castings.The results indicate that the cracks decrease with the increase of rare-earth additions.The steel with the right rare-earth additions has the least cracks.And the metallograph shows that RE can change the volume,size and distribution of the inclusions，decrease the grain size.Therefore，the cracks was reduced.

crack；rare earth（RE）；inclusion；investment casting

TG146.4+5

A

1008-5483（2011）02-0057-05

2011-05-14

湖北省自然科學基金（2007ABA406）；湖北省教育廳科學技術重點研究項目（D20102003）

張紅霞（1973-），女，湖北鐘祥人，副教授，從事材料表面處理和金屬復合材料的研究。