稀土元素对精密铸钢裂纹形成的影响

张红霞，杨体升，吴建刚

（1.湖北汽车工业学院 材料工程系,湖北 十堰 442002；2.东风精密铸造有限公司，湖北 十堰 442000）

稀土元素对精密铸钢裂纹形成的影响

张红霞1，杨体升2，吴建刚2

（1.湖北汽车工业学院 材料工程系,湖北 十堰 442002；2.东风精密铸造有限公司，湖北 十堰 442000）

设计了精密铸件裂纹敏感试样，通过在铸件成分中添加不同比例的稀土元素，探讨稀土元素对铸件产生裂纹倾向的影响。试验结果表明：合适的稀土添加量的增加，铸件裂纹率显著降低；金相组织分析表明，稀土元素添加能较好地细化晶粒，并有效改善夹杂物的数量、尺寸和分布，从而降低了铸钢的裂纹倾向。

裂纹；稀土；夹杂物；精密铸件

热裂是精铸中碳钢件、合金钢件最常见和危害较大的缺陷之一［1］，是铸件在凝固末期或终凝后不久，尚处于强度和塑性很低状态下，因固态收缩受阻而引起的裂纹［2］。铸件裂纹中70%属于热裂。据不完全统计，约半数以上的废品铸件与造型原材料和熔炼原材料有关。合金熔炼的质量，直接与铸件质量相关,铸造金属材质改进是精密铸造主要技术中的一种重要方法［3］。本课题对某公司生产中精铸件裂纹率较高的问题进行了研究，主要针对材料环节进行改善，以期获得合适的稀土含量用以改善铸件的裂纹情况，分析稀土添加量对组织和夹杂物的影响，从而找出稀土添加量对裂纹产生的影响规律。

1 裂纹敏感结构设计及试验方案

1.1 裂纹敏感结构设计方案

设计了裂纹敏感产品模型见图1，在模型的不同部位设计不同的壁厚以及不同的过渡圆角，通过改变稀土的添加量统计不同部位的裂纹率，从而得出稀土对于裂纹的影响规律。同时，通过此模型来验证圆角大小对于裂纹的影响规律。设计中选用Pro/ENGINEER 2000i2进行三维造型，应用Procast 2008对零件进行CAE分析，所分析的应力场图见图2，热裂倾向图见图3。从图2看出，此模型的应力集中部位较多，图2中表明其应力更明显，热裂倾向大，图3的热裂纹模拟分析也表明个部位热裂倾向不同，有3个部位热裂倾向较大 （圆圈处）。CAE分析结果说明该模型热裂敏感度较高，且各部位热裂倾向有所不同。

图1 裂纹敏感产品模型

图2 裂纹敏感产品模型应力场图

图3 裂纹敏感产品模型热裂倾向图

1.2 工艺试验方案

1.2.1 试验材料及稀土添加

铸件选用材料为30CrMnSi，化学成分见表1。浇注时添加稀土铈，采用钢包中加入的方法［4］，稀土的添加见表 2。选择型壳焙烧温度为 950～1050℃，焙烧时间为3.5h，热壳停留时间为5min。熔炼设备为 100 kg中频感应炉，熔炼温度为1050℃，熔炼时间50min，用铝块脱氧。脱氧后加入稀土硅铁合金。浇注温度1540～1560℃，型壳温度为650～800℃。

1.2.2 试验检测设备

表1 30CrMnSi化学成分

表2 稀土的添加比例与添加量

成分检测采用QS7500型直读光谱仪检测各元素的含量，裂纹检测采用CXG-2500型磁粉探伤机对铸件进行磁粉探伤，金相检测采用用XJP-100型金相显微镜对铸态组织和正火态组织进行观察，硬度检测采用MH-5显微硬度计对铸态、正火态的组织进行测量。

2 试验结果与分析

2.1 裂纹的统计与分析

对浇注冷却清砂后的铸件进行磁粉探伤［5］，观察到试样的某些部位出现图3所示裂纹，从外观看裂纹形态多为曲折而不规则（图4a），显微分析（图4b）可观察到裂纹两侧有明显的氧化脱碳层，属于典型的热裂纹。统计5组试样不同部位的裂纹数量得到裂纹率统计见表3。从表中数据可见随着稀土的加入，试样的裂纹率逐渐降低。稀土添加比例为0.09%时，试样的裂纹率最低。但当稀土添加比例达到0.12%时，裂纹率反而会升高。

图4 铸件的裂纹形态

表3 裂纹数量及裂纹率

由于裂纹敏感试样厚壁与薄壁相交处，设计了不同的圆角尺寸，试验中对所有裂纹试样的裂纹形成部位进行了统计，铸件圆角尺寸与裂纹率的关系结果如表4所示。从表4可以看出圆角尺寸越小，裂纹的产生的几率越高。在圆角尺寸为1mm时，裂纹产生几率大，随圆角尺寸增加，裂纹几率降低，圆角尺寸为5mm部位没有发现裂纹。统计也发现裂纹出现部位均在厚壁与薄壁过渡位置，应力集中使这些位置的裂纹倾向较大。这些位置的圆角尺寸也较小，使得这些位置的应力集中，造成裂纹的分布不同。这些结果说明了结构设计对于铸件裂纹有着显著的影响。

表4 圆角尺寸与裂纹率的关系

2.2 浇注后铸件的化学成分分析

表5为浇注后检测的不同组的试样中各元素的成分含量，有4组检测中有Ce存在，各组中Ce的含量均低于浇注前的添加量，其中E组稀土损耗量相对较大，说明在浇注中稀土有一定的损耗，可能以夹杂的方式漂在钢水表面被除去。同时观察到碳元素含量出现随稀土添加量增加而降低的现象。A、B、C、D组的硫含量逐渐降低，裂纹率也逐渐减小，E组硫的含量升高，裂纹率同时也有所上升。由此说明加稀土后,稀土与C和S元素之间发生了反应［6］。

表5 试样中元素含量

2.3 铸态金相组织分析

图5 铸态金相组织图

为了研究铸态组织的晶粒特征及其组织特点，所以用金相显微镜在不同倍数下观察晶粒特征和组织特征，图5为铸态试样腐蚀后金相组织图，组织中白色网状的为先析出铁素体，其余为珠光体。根据网状铁素体的特征可观察到图5a～b对应的A、B、C 3组的晶粒都十分粗大，但随稀土添加量的增加，晶粒有所细化。图5d～e中对应的D组和E组中晶粒的尺寸有较大程度的细化。研究表明［7］，晶粒越粗大越易产生热裂裂纹，因此细化晶粒对于改善裂纹倾向有积极的意义，D组和E组中晶粒的尺寸有较大改善，因此裂纹倾向较小。本试验的结果说明，在30CrMnSi中添加稀土是能够起到细化晶粒的作用，而且当添加量为0.09%稀土细化晶粒的效果最佳。

2.4 夹杂物对比分析

非金属夹杂物在高温下或溶解于钢液中，或单独存在于钢液中，但随着温度的下降及成分、气体压力等条件的改变，原来溶解于钢液中的夹杂物将以独立相分离出来，在结晶过程中聚集于晶界上，成为割断铸钢基体连接的微小单元，形成裂纹的最初源头，从而形成了裂纹的潜在隐患［8］。钢液在冶炼过程中产生的夹杂物，是铸钢件产生裂纹的重要原因之一。

图6 夹杂物的形态与分布

图6为未经腐蚀的试样在金相显微镜下拍下的图片，夹杂物呈黑色球状或点状。从图6中发现夹杂物构成枝晶的形状，说明夹杂物主要存在于枝晶间隙中。随着稀土量的增加，夹杂物的体积分数铸件减小。A组的夹杂物颗粒较后4组大而且数量较多。B组添加微量的稀土后夹杂物尺寸较A组小，数量也少了很多。C组的夹杂物数量比B组的数量有所减少。D组的夹杂物颗粒较C组的夹杂物均匀而且细小。E组的夹杂物虽然数量少，但是夹杂物的颗粒较大。夹杂物的数量越少，夹杂物越均匀，越细小，就越能减少对组织的破坏，减少了裂纹产生的可能性。钢在非金属夹杂物中，使铸钢件产生裂纹的主要原因是硫化物夹杂，而且它常常和其他因素共同作用，使铸钢件裂纹倾向增大。加入稀土后，铸态夹杂物的分布，组成和形状发生了变化，从而减少对基体的割裂作用［9］。Warren M［10］指出随着稀土量的增加，稀土/硫的比值越高，夹杂物的体积分数越小，这与本试验中的观察是相同的。

3 结论

1）裂纹主要存在于厚壁与薄壁交叉的地方和浇口附近，过渡圆角尺寸越小，裂纹的数量越多，圆角半径为5mm，未出现裂纹。

2）随着稀土添加比例增加，试样的裂纹率逐渐降低，当添加的稀土比例为0.09%时，试样的裂纹率最低，随后稀土增加裂纹率反而会升高。

3）稀土含量变化对铸件晶粒的尺寸、夹杂物的数量和形态尺寸有着显著影响。

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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

湖北省自然科学基金（2007ABA406）；湖北省教育厅科学技术重点研究项目（D20102003）

张红霞（1973-），女，湖北钟祥人，副教授，从事材料表面处理和金属复合材料的研究。