稀土元素對(duì)精密鑄鋼裂紋形成的影響

張紅霞，楊體升，吳建剛

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

稀土元素對(duì)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(xué)院 材料工程系,湖北 十堰 442002；2.東風(fēng)精密鑄造有限公司，湖北 十堰 442000）

設(shè)計(jì)了精密鑄件裂紋敏感試樣，通過(guò)在鑄件成分中添加不同比例的稀土元素，探討稀土元素對(duì)鑄件產(chǎn)生裂紋傾向的影響。試驗(yàn)結(jié)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(xì)化晶粒，并有效改善夾雜物的數(shù)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(jiàn)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(qiáng)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(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，約半數(shù)以上的廢品鑄件與造型原材料和熔煉原材料有關(guān)。合金熔煉的質(zhì)量，直接與鑄件質(zhì)量相關(guān),鑄造金屬材質(zhì)改進(jìn)是精密鑄造主要技術(shù)中的一種重要方法［3］。本課題對(duì)某公司生產(chǎn)中精鑄件裂紋率較高的問(wèn)題進(jìn)行了研究，主要針對(duì)材料環(huán)節(jié)進(jìn)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(duì)組織和夾雜物的影響，從而找出稀土添加量對(duì)裂紋產(chǎn)生的影響規(guī)律。

1 裂紋敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案

1.1 裂紋敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)了裂紋敏感產(chǎn)品模型見(jiàn)圖1，在模型的不同部位設(shè)計(jì)不同的壁厚以及不同的過(guò)渡圓角，通過(guò)改變稀土的添加量統(tǒng)計(jì)不同部位的裂紋率，從而得出稀土對(duì)于裂紋的影響規(guī)律。同時(shí)，通過(guò)此模型來(lái)驗(yàn)證圓角大小對(duì)于裂紋的影響規(guī)律。設(shè)計(jì)中選用Pro/ENGINEER 2000i2進(jìn)行三維造型，應(yīng)用Procast 2008對(duì)零件進(jìn)行CAE分析，所分析的應(yīng)力場(chǎng)圖見(jiàn)圖2，熱裂傾向圖見(jiàn)圖3。從圖2看出，此模型的應(yīng)力集中部位較多，圖2中表明其應(yīng)力更明顯，熱裂傾向大，圖3的熱裂紋模擬分析也表明個(gè)部位熱裂傾向不同，有3個(gè)部位熱裂傾向較大 （圓圈處）。CAE分析結(jié)果說(shuō)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(chǎn)品模型

圖2 裂紋敏感產(chǎn)品模型應(yīng)力場(chǎng)圖

圖3 裂紋敏感產(chǎn)品模型熱裂傾向圖

1.2 工藝試驗(yàn)方案

1.2.1 試驗(yàn)材料及稀土添加

鑄件選用材料為30CrMnSi，化學(xué)成分見(jiàn)表1。澆注時(shí)添加稀土鈰，采用鋼包中加入的方法［4］，稀土的添加見(jiàn)表 2。選擇型殼焙燒溫度為 950～1050℃，焙燒時(shí)間為3.5h，熱殼停留時(shí)間為5min。熔煉設(shè)備為 100 kg中頻感應(yīng)爐，熔煉溫度為1050℃，熔煉時(shí)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(yàn)檢測(cè)設(shè)備

表1 30CrMnSi化學(xué)成分

表2 稀土的添加比例與添加量

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

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 裂紋的統(tǒng)計(jì)與分析

對(duì)澆注冷卻清砂后的鑄件進(jìn)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(cè)有明顯的氧化脫碳層，屬于典型的熱裂紋。統(tǒng)計(jì)5組試樣不同部位的裂紋數(shù)量得到裂紋率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。從表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)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(shí)，試樣的裂紋率最低。但當(dāng)稀土添加比例達(dá)到0.12%時(shí)，裂紋率反而會(huì)升高。

圖4 鑄件的裂紋形態(tài)

表3 裂紋數(shù)量及裂紋率

由于裂紋敏感試樣厚壁與薄壁相交處，設(shè)計(jì)了不同的圓角尺寸，試驗(yàn)中對(duì)所有裂紋試樣的裂紋形成部位進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，鑄件圓角尺寸與裂紋率的關(guān)系結(jié)果如表4所示。從表4可以看出圓角尺寸越小，裂紋的產(chǎn)生的幾率越高。在圓角尺寸為1mm時(shí)，裂紋產(chǎn)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(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋。統(tǒng)計(jì)也發(fā)現(xiàn)裂紋出現(xiàn)部位均在厚壁與薄壁過(guò)渡位置，應(yīng)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(yīng)力集中，造成裂紋的分布不同。這些結(jié)果說(shuō)明了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于鑄件裂紋有著顯著的影響。

表4 圓角尺寸與裂紋率的關(guān)系

2.2 澆注后鑄件的化學(xué)成分分析

表5為澆注后檢測(cè)的不同組的試樣中各元素的成分含量，有4組檢測(cè)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(duì)較大，說(shuō)明在澆注中稀土有一定的損耗，可能以?shī)A雜的方式漂在鋼水表面被除去。同時(shí)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(shí)也有所上升。由此說(shuō)明加稀土后,稀土與C和S元素之間發(fā)生了反應(yīng)［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(diǎn)，所以用金相顯微鏡在不同倍數(shù)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(wǎng)狀的為先析出鐵素體，其余為珠光體。根據(jù)網(wǎng)狀鐵素體的特征可觀察到圖5a～b對(duì)應(yīng)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(xì)化。圖5d～e中對(duì)應(yīng)的D組和E組中晶粒的尺寸有較大程度的細(xì)化。研究表明［7］，晶粒越粗大越易產(chǎn)生熱裂裂紋，因此細(xì)化晶粒對(duì)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(yàn)的結(jié)果說(shuō)明，在30CrMnSi中添加稀土是能夠起到細(xì)化晶粒的作用，而且當(dāng)添加量為0.09%稀土細(xì)化晶粒的效果最佳。

2.4 夾雜物對(duì)比分析

非金屬夾雜物在高溫下或溶解于鋼液中，或單獨(dú)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(lái)溶解于鋼液中的夾雜物將以獨(dú)立相分離出來(lái)，在結(jié)晶過(guò)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(guò)程中產(chǎn)生的夾雜物，是鑄鋼件產(chǎn)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(jīng)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(diǎn)狀。從圖6中發(fā)現(xiàn)夾雜物構(gòu)成枝晶的形狀，說(shuō)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?jǐn)?shù)鑄件減小。A組的夾雜物顆粒較后4組大而且數(shù)量較多。B組添加微量的稀土后夾雜物尺寸較A組小，數(shù)量也少了很多。C組的夾雜物數(shù)量比B組的數(shù)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(xì)小。E組的夾雜物雖然數(shù)量少，但是夾雜物的顆粒較大。夾雜物的數(shù)量越少，夾雜物越均勻，越細(xì)小，就越能減少對(duì)組織的破壞，減少了裂紋產(chǎn)生的可能性。鋼在非金屬夾雜物中，使鑄鋼件產(chǎn)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(duì)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?jǐn)?shù)越小，這與本試驗(yàn)中的觀察是相同的。

3 結(jié)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(guò)渡圓角尺寸越小，裂紋的數(shù)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(dāng)添加的稀土比例為0.09%時(shí)，試樣的裂紋率最低，隨后稀土增加裂紋率反而會(huì)升高。

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

［1］中國(guó)鑄造協(xié)會(huì).熔模鑄造手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000:78.

［2］王鐵柱，張慧明.熔模鑄造長(zhǎng)條薄壁鑄件裂紋的防止措施［J］.特種鑄造及有色合金，2009（4）:52-53.

［3］余宗森，褚幼義，賀信萊，等.鋼中稀土［M］.1版.北京:冶金工業(yè)出版社，1982:85，105-106.

［4］周宏.稀土在鋼中的作用及加入方法 ［J］.鋼鐵研究，1994（5）：47-50.

［5］劉晴巖.液體滲透檢測(cè)的可靠性［J］.無(wú)損檢測(cè)，2002，24（9）：381-383.

［6］Son Y W，Luo Q S，Chen Q D.Effect of Re-B modifi-cation on the strength and toughness of 30CrMnS2i cast steel ［J］.Journal of Material Science，1994，29（6）: 1492-1494.

［7］黃進(jìn)峰，方鴻生，余貴春，等.稀土、鈦復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)貝氏體鋼鑄態(tài)晶粒細(xì)化的研究［J］.金屬熱處理,1999（9）：5-9.

［8］楊慶祥，高聿為，劉波，等.夾雜物在中高碳鋼堆焊金屬中成為初生奧氏體非均質(zhì)形核核心的探討［J］.中國(guó)稀土學(xué)報(bào)，2000，18（2）：138-141.

［9］張莉萍.淺談鋼中夾雜物的控制對(duì)鋼質(zhì)量的影響［J］.包鋼科技，2002（8）：85-87.

［10］張紅霞，趙紅利，吳觀虎.30CrMnTi合金鋼熱處理工藝研［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，25（1）：50-52.

［11］Warren M.Lanthanum additions and the toughness of ultra-high strength steels and the determination of appropriate lanthanum additions［J］.Materials Science and Engineering，2005（A403）：299-310.

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(xué)基金（2007ABA406）；湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)研究項(xiàng)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?gòu)?fù)合材料的研究。