高锰钢铸件裂纹产生的原因及预防措施
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高锰钢构件在经受强烈的冲击或重力的挤压下, 其表面发生加工硬化, 硬度达到 450~ 550 H B 左右, 而铸件内部仍保持良好韧性的奥氏体组织的特点, 从 而使得高锰钢即具有良好的抗磨性又有良好韧性的优 良特性。目前高锰钢铸件仍被广泛在冶金、 矿山机械、 [ 1] 履带式拖拉机等重要机械设备上采用 。高锰钢铸件 在铸造生产过程中, 裂纹废品常常占废品率的首位 , 一 般在 50% 以上。承受高冲击载荷的高锰钢铸件 , 往往
收稿日期 :Байду номын сангаас2005 10 28; 作者简介 : 张军强 ( 1969 修订日期 : 2006 02 07 ) , 陕西渭南人 , 工程师 . 从事生产管理工作 .
因裂纹造成非正常失效, 导致产品寿命降低。因此研 究高锰钢铸件裂纹产生的原因, 从而采取有效的预防 措施, 便成为铸造工作者的重要课题。本文根据生产 实践经验 , 试图阐明高锰钢铸件产生裂纹的机理, 从而 找到有效的预防措施 , 以求推动该课题的发展。 1 高锰钢铸件裂纹产生的原因分析 1. 1 在铸造生产过程中高锰钢铸件裂纹产生的原因 分析 高锰钢铸件产生裂纹的内在 原因主要有 3 个方 面: 高锰钢线收缩值高达 2. 4% ~ 3. 0% 是碳钢线收 缩值的 2 倍, 因此当高锰钢铸件在凝固收缩过程中收
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铸造技术 F OU N DRY T ECH NO LO GY
V ol. 27 N o. 4 A pr. 2006
高锰钢铸件裂纹产生的原因及预防措施
张军强 , 张文斌 , 王红旗
农科股份有限公司, 陕西 渭南 714100)
摘要 : 根据高锰钢生产的实践经验 , 提出了高锰钢铸 件在铸造生产过程中裂纹产生的 机理及受大 冲击载荷 高锰钢铸件 在使用 过程中裂纹产生发展的机理 。 认为铸件在使用过程中 的非正 常失效 的原因 主要是 由于铸件 内部存 在着显 微裂纹 、 碳化 物孔 洞、 晶界上的磷共晶 、 非金属夹杂物 、 缩孔 、 缩松等缺陷造成 。 从铸件的 结构设计 、 化学成分的选取 、 冶炼 、 浇注 、 造型 、 清理及热 处理各个环节中根据高锰钢的特点 , 制订出合理的工 艺并严 格执行 而获得优 质的铸 件 。 通过 采取细化 晶粒 、 强化 脱氧 、 脱磷 来预防铸件产生裂纹 。 生产实践证明 : 以上措施是消除或减小高锰钢铸件裂纹的有效手段 。 关键词 : 高锰钢 ; 裂纹 ; 预防措施
[ 3]
。
高锰钢铸件浇注系统的设计应注意 3 个方面, 首 先浇道面 积比一般铸钢 件大 20% 左右, 保证 快速浇 注, 同时浇注系统要光滑拐角少, 对较大铸件要用浇道 砖以免浇注过程中金属液 对浇道冲刷造成 夹杂。其 次, 内浇道的长短要合适 , 太长会在铸件和浇道连接处 出现缩孔 , 太短时, 在用氧乙炔切割浇道时 , 由于切口 离铸件太近 , 热应力使铸件产生裂纹。具体长短要根 据冒口位置, 铸件结构全面考虑。最后 , 分散导入的多 条内浇道往往因阻碍收缩 , 使铸件在与内浇道联结处 开裂。在保证铸件致密的条件下选用同时凝固原则有 利于防止裂纹的产生 [ 4] 。 高锰钢铸件一般不要采用顶冒口, 最好采用侧冒 口及易割冒口, 因为用氧乙炔切割冒口时, 容易造成裂 纹。采用氧乙炔切割冒口及浇道时, 要在距铸件一定 距离处( ∋20 mm ) 进行 , 残留的内浇道或冒口颈对受 冲击不大的铸件在水韧化处理后用氧乙炔切割即可, 而对冲击较大的铸件必须用机械加工或电加工的方法 去掉。 冷铁和浇冒口配合能防止铸件产生裂纹 , 消除缩 孔、 缩松。如图 2, 在接头设置了冷铁, 可使接头的冷 却与相邻断面的冷却均衡 , 因此, 减少了接头产生热裂
中图分类号 : TG 269 文献标识码 : A 文章编号: 1000 8365( 2006) 04 0310 03
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( 1. 陕西华山工程机械有限公司, 陕西 西安 710021; 2. 陕西国防工业职业技术学院 , 陕西 西安 710302; 3. 渭通
Reasons of High Manganese Steel Cast Crack Formed and Preventive Measures
[ 2]
图1 F ig . 1
飞边引起裂纹示意图 Diag ram of the crack
砂箱设计时 , 要有足够的吃砂量, 避免箱带对铸件 的收缩产生阻碍、 锁箱机构不可靠等。 ( 2) 砂型和砂芯的影响 用石英砂造型时一定要刷镁砂粉或锆英涂料, 防 止铸件产生粘砂 , 粘砂增加铸件在凝固收缩过程中与 铸型的磨擦力, 从而使铸件内应力增大 , 裂纹倾向性增 大。由于水玻璃石英砂退让性比石灰石砂差 , 选用石 灰石砂作为高锰钢铸件造型较为理想。砂芯的退让性 是影响高锰钢铸件产生裂纹的重要因素 , 选用良好退 让性的芯砂是减少铸件裂纹的重要手段 , 如选用树脂 砂等。砂型要排气畅通 , 浇注时要注意引气以防抬箱 产生飞边。特别强调的是铸型退让性对产生裂纹的影 响不仅与退让性的大小有关 , 更重要的还是与退让的 时刻有关 , 必须采用好的手段使铸型在高锰钢产生裂 纹的温度区间具有高的退让性。粘土砂在 1 100 & 以 上才开始有较好的退让性 , 采用粘土砂造型时一定要 提高其退让性。如加入一些有机物 ( 3) 浇注系统的影响
Abstract: According to the practice experience of high manganese steel production, it was put forward that the mechanism of forming crack in the production and growing crack in using with high punch load. The author think that the cast non normal losing effectiveness in use is caused by microcrack, carbide hole, iron phosphide eutectic in grain boundary, non metallic inclusion, shrinkage cavity, porosity in the inside cast. For prevention cast crack in the course of production, we should consider different characteristic of high manganese steel on each sectors, such as structure design, the chemical composition selection, smetery, cast, molding, cleaning and heat treatment, and work out scientific technology and strictly implement. This can obtain high cast. Cast crack of castings is prevented by grain refinement, strengthening deoxygen and dephosphorization. The practice experiences show that the above measures are effective ways of removing and fading cracks of high manganese steel casting. Key words: High manganese steel; Crack; Preventive measures
∀ 铸造技术# 04/ 2006
张军强等 : 高锰钢铸件裂纹产生的原因及预防措施
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缩受阻时 , 便会产生很大内应力; ∃ 高锰钢的导热系数 很小 , 为碳钢的 1/ 4~ 1/ 6。当铸件在冷却或加热过程 中, 铸件不同部位温差很大, 会在铸件内产生巨大的热 应力 ; % 高锰钢铸件在结晶的过程中, 容易形成粗粒晶 及柱状晶 , 在晶界上存在的脆性碳化物及非金属夹杂 物使铸件变脆。高锰钢铸件在凝固冷却的过程中, 收缩 产生的内应力和铸件由于温差造成热应力之和大于铸 件这时应力作用部位的强度时, 铸件将会产生裂纹 。 同时在生产实践中还发现在铸件内部存在缩孔、 缩松、 偏析及树枝状晶发达的部位也是裂纹常出现的 地方。由于缩孔、 缩松往往是裂纹产生的源头 , 而偏析 部位一般都是铸件强度薄弱的部位, 同时发达的枝晶 阻碍了钢液对裂纹的充满 , 使裂纹形成的可能性增加。 1. 2 高锰钢铸件在使用过程中裂纹产生的原因分析 受高冲击载荷的高锰钢铸件, 如大型球磨机衬板、 破碎机鄂板、 铁路上的高锰钢辙叉等, 这些铸件正常的 失效原因应是磨损失效 , 但是目前有相当数量的铸件 却因裂纹及接触疲劳而失效, 大大降低产品的寿命。 这些铸件产生裂纹的原因主要是由于铸件内部有 缺陷和不良的组织状态。当铸件内部有缩孔、 缩松等 时, 在冲击载荷作用下缩孔及缩松周边会萌发裂纹 , 经 疲劳扩展发展为外裂纹。铸件由于热处理不良 , 有碳 化物在晶界析出及磷共晶都会削弱晶 界的强度及韧 性, 在高冲击下它们都是裂纹的发源地。 接触疲劳失效是在铸件承受高接触应力区 , 经常 出现表面剥落掉块, 这是表面接触疲劳的结果 , 也是一 种裂纹产生与发展的过程。在高冲击载荷作用下, 铸 件表面首先产生冷作硬化 , 从而产生位错及硬度升高, 当冷作硬化发展到一定程度时, 由于位错积塞而在表 面下赫氏应力最大区萌生裂纹 , 裂纹进一步发展, 铸件 表面首先产生麻点, 最终导致剥落掉块而使铸件失效。 2 裂纹产生的因素及预防措施 2. 1 铸造工艺过程中裂纹产生的因素及预防措施 2. 1. 1 铸件结构设计的影响 由于高锰钢铸件工艺性能差, 在设计铸件时, 应尽 量使壁厚均匀, 合理的过渡圆角, 以减少热节。 2. 1. 2 工艺因素的影响 ( 1) 工艺装备的影响 手工造型的车间要尽量采用型板造型 , 以保证分 型面平整 , 尽量避免铸件在分型面上产生飞边 , 飞边会 使铸件产生裂纹 , 如图 1: B 为铸件, 其厚度为 a; A 为 飞边 , 厚度为 b; a > b。当铸件凝固时 , 由于飞边冷却 快; 而铸件冷却的慢 , 这时铸件的收缩将受到飞边的阻 碍, 在铸件内部产生内应力, 这种内应力达到一定程度 时, 就会在铸件上产生裂纹。
ZHANG Jun qiang , ZHANG Wen bin , WANG Hong qi
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( 1. Shaanxi Huashan Engineering and Machine Limited Company, Xi an 710021, China; 2. Insititute of Shaanxi National Defense and Professional Technology, Xi an 710302, China; 3. Weitong Agriculture and Science Limited Company, Weinan 714100, China)
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Vol. 27 No . 4 Apr . 2006
的危险。
受冲击不太大 , 主要 是抗磨铸 件, 含 碳量应选 0. 9~ 1. 2% , 一般情况下 , 高锰钢铸件含碳量不要超过 1. 2% 。 同时要有合适的碳锰比。磷的含量应小于0. 05% [ 2] 。 高锰钢的冶炼工艺对高锰钢铸件产生裂纹影响很 大, 特别要强调在还 原精炼期, 要严格 控制炉渣中的 FeO+ MnO 之和不大于 1. 2% , 因炉渣中的 FeO+ MnO 的含量决定钢液中的 F eO+ MnO 的含量, 除了对炉渣 进行化验外, 在炉前应浇注弯折试样, 作弯折试验, 弯折 角小于 90 (时不应有裂纹, 这对防止铸件产生裂纹是非 常必要的。 浇注温度对高锰钢铸件裂纹有明显的影响 , 主要是 因为随着浇注温度的升高 , 铸件收缩应力增大 , 更重要 的是晶粒粗大, 柱状晶发达 , 大大削弱了钢的强度。 低温快速浇注是防止高锰钢铸件产生裂纹的很好 方法。浇注温度应根据铸件的大小、 壁厚及复杂程度控 制在 1 430~ 1 460 & 为好。钢液出炉后温度高时, 应静 置一段时间 , 这样既可以使钢液中的杂质上浮 , 同时可 调整浇注温度。浇注时先浇小件后浇大件。 钢液中加入稀土元素能有效的防止高锰钢铸件开 裂, 稀土元素加入钢中主要通过 2 个作用防止铸件开 裂。首先是脱氧、 脱硫, 降低钢液中的 FeO+ MnO 使钢 液净化; 其次, 稀土元素加入钢液中起到孕育作用, 稀土 元素脱氧、 脱硫而形成的高溶点化合物高度弥散地分布 在钢液中成为外来晶核, 使晶粒细化, 提高铸件的抗裂 纹能力。稀土元素以稀土硅铁的形式加入钢液 , 通常是
收稿日期 :Байду номын сангаас2005 10 28; 作者简介 : 张军强 ( 1969 修订日期 : 2006 02 07 ) , 陕西渭南人 , 工程师 . 从事生产管理工作 .
因裂纹造成非正常失效, 导致产品寿命降低。因此研 究高锰钢铸件裂纹产生的原因, 从而采取有效的预防 措施, 便成为铸造工作者的重要课题。本文根据生产 实践经验 , 试图阐明高锰钢铸件产生裂纹的机理, 从而 找到有效的预防措施 , 以求推动该课题的发展。 1 高锰钢铸件裂纹产生的原因分析 1. 1 在铸造生产过程中高锰钢铸件裂纹产生的原因 分析 高锰钢铸件产生裂纹的内在 原因主要有 3 个方 面: 高锰钢线收缩值高达 2. 4% ~ 3. 0% 是碳钢线收 缩值的 2 倍, 因此当高锰钢铸件在凝固收缩过程中收
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高锰钢铸件裂纹产生的原因及预防措施
张军强 , 张文斌 , 王红旗
农科股份有限公司, 陕西 渭南 714100)
摘要 : 根据高锰钢生产的实践经验 , 提出了高锰钢铸 件在铸造生产过程中裂纹产生的 机理及受大 冲击载荷 高锰钢铸件 在使用 过程中裂纹产生发展的机理 。 认为铸件在使用过程中 的非正 常失效 的原因 主要是 由于铸件 内部存 在着显 微裂纹 、 碳化 物孔 洞、 晶界上的磷共晶 、 非金属夹杂物 、 缩孔 、 缩松等缺陷造成 。 从铸件的 结构设计 、 化学成分的选取 、 冶炼 、 浇注 、 造型 、 清理及热 处理各个环节中根据高锰钢的特点 , 制订出合理的工 艺并严 格执行 而获得优 质的铸 件 。 通过 采取细化 晶粒 、 强化 脱氧 、 脱磷 来预防铸件产生裂纹 。 生产实践证明 : 以上措施是消除或减小高锰钢铸件裂纹的有效手段 。 关键词 : 高锰钢 ; 裂纹 ; 预防措施
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高锰钢铸件浇注系统的设计应注意 3 个方面, 首 先浇道面 积比一般铸钢 件大 20% 左右, 保证 快速浇 注, 同时浇注系统要光滑拐角少, 对较大铸件要用浇道 砖以免浇注过程中金属液 对浇道冲刷造成 夹杂。其 次, 内浇道的长短要合适 , 太长会在铸件和浇道连接处 出现缩孔 , 太短时, 在用氧乙炔切割浇道时 , 由于切口 离铸件太近 , 热应力使铸件产生裂纹。具体长短要根 据冒口位置, 铸件结构全面考虑。最后 , 分散导入的多 条内浇道往往因阻碍收缩 , 使铸件在与内浇道联结处 开裂。在保证铸件致密的条件下选用同时凝固原则有 利于防止裂纹的产生 [ 4] 。 高锰钢铸件一般不要采用顶冒口, 最好采用侧冒 口及易割冒口, 因为用氧乙炔切割冒口时, 容易造成裂 纹。采用氧乙炔切割冒口及浇道时, 要在距铸件一定 距离处( ∋20 mm ) 进行 , 残留的内浇道或冒口颈对受 冲击不大的铸件在水韧化处理后用氧乙炔切割即可, 而对冲击较大的铸件必须用机械加工或电加工的方法 去掉。 冷铁和浇冒口配合能防止铸件产生裂纹 , 消除缩 孔、 缩松。如图 2, 在接头设置了冷铁, 可使接头的冷 却与相邻断面的冷却均衡 , 因此, 减少了接头产生热裂
中图分类号 : TG 269 文献标识码 : A 文章编号: 1000 8365( 2006) 04 0310 03
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( 1. 陕西华山工程机械有限公司, 陕西 西安 710021; 2. 陕西国防工业职业技术学院 , 陕西 西安 710302; 3. 渭通
Reasons of High Manganese Steel Cast Crack Formed and Preventive Measures
[ 2]
图1 F ig . 1
飞边引起裂纹示意图 Diag ram of the crack
砂箱设计时 , 要有足够的吃砂量, 避免箱带对铸件 的收缩产生阻碍、 锁箱机构不可靠等。 ( 2) 砂型和砂芯的影响 用石英砂造型时一定要刷镁砂粉或锆英涂料, 防 止铸件产生粘砂 , 粘砂增加铸件在凝固收缩过程中与 铸型的磨擦力, 从而使铸件内应力增大 , 裂纹倾向性增 大。由于水玻璃石英砂退让性比石灰石砂差 , 选用石 灰石砂作为高锰钢铸件造型较为理想。砂芯的退让性 是影响高锰钢铸件产生裂纹的重要因素 , 选用良好退 让性的芯砂是减少铸件裂纹的重要手段 , 如选用树脂 砂等。砂型要排气畅通 , 浇注时要注意引气以防抬箱 产生飞边。特别强调的是铸型退让性对产生裂纹的影 响不仅与退让性的大小有关 , 更重要的还是与退让的 时刻有关 , 必须采用好的手段使铸型在高锰钢产生裂 纹的温度区间具有高的退让性。粘土砂在 1 100 & 以 上才开始有较好的退让性 , 采用粘土砂造型时一定要 提高其退让性。如加入一些有机物 ( 3) 浇注系统的影响
Abstract: According to the practice experience of high manganese steel production, it was put forward that the mechanism of forming crack in the production and growing crack in using with high punch load. The author think that the cast non normal losing effectiveness in use is caused by microcrack, carbide hole, iron phosphide eutectic in grain boundary, non metallic inclusion, shrinkage cavity, porosity in the inside cast. For prevention cast crack in the course of production, we should consider different characteristic of high manganese steel on each sectors, such as structure design, the chemical composition selection, smetery, cast, molding, cleaning and heat treatment, and work out scientific technology and strictly implement. This can obtain high cast. Cast crack of castings is prevented by grain refinement, strengthening deoxygen and dephosphorization. The practice experiences show that the above measures are effective ways of removing and fading cracks of high manganese steel casting. Key words: High manganese steel; Crack; Preventive measures
∀ 铸造技术# 04/ 2006
张军强等 : 高锰钢铸件裂纹产生的原因及预防措施
! 311 !
缩受阻时 , 便会产生很大内应力; ∃ 高锰钢的导热系数 很小 , 为碳钢的 1/ 4~ 1/ 6。当铸件在冷却或加热过程 中, 铸件不同部位温差很大, 会在铸件内产生巨大的热 应力 ; % 高锰钢铸件在结晶的过程中, 容易形成粗粒晶 及柱状晶 , 在晶界上存在的脆性碳化物及非金属夹杂 物使铸件变脆。高锰钢铸件在凝固冷却的过程中, 收缩 产生的内应力和铸件由于温差造成热应力之和大于铸 件这时应力作用部位的强度时, 铸件将会产生裂纹 。 同时在生产实践中还发现在铸件内部存在缩孔、 缩松、 偏析及树枝状晶发达的部位也是裂纹常出现的 地方。由于缩孔、 缩松往往是裂纹产生的源头 , 而偏析 部位一般都是铸件强度薄弱的部位, 同时发达的枝晶 阻碍了钢液对裂纹的充满 , 使裂纹形成的可能性增加。 1. 2 高锰钢铸件在使用过程中裂纹产生的原因分析 受高冲击载荷的高锰钢铸件, 如大型球磨机衬板、 破碎机鄂板、 铁路上的高锰钢辙叉等, 这些铸件正常的 失效原因应是磨损失效 , 但是目前有相当数量的铸件 却因裂纹及接触疲劳而失效, 大大降低产品的寿命。 这些铸件产生裂纹的原因主要是由于铸件内部有 缺陷和不良的组织状态。当铸件内部有缩孔、 缩松等 时, 在冲击载荷作用下缩孔及缩松周边会萌发裂纹 , 经 疲劳扩展发展为外裂纹。铸件由于热处理不良 , 有碳 化物在晶界析出及磷共晶都会削弱晶 界的强度及韧 性, 在高冲击下它们都是裂纹的发源地。 接触疲劳失效是在铸件承受高接触应力区 , 经常 出现表面剥落掉块, 这是表面接触疲劳的结果 , 也是一 种裂纹产生与发展的过程。在高冲击载荷作用下, 铸 件表面首先产生冷作硬化 , 从而产生位错及硬度升高, 当冷作硬化发展到一定程度时, 由于位错积塞而在表 面下赫氏应力最大区萌生裂纹 , 裂纹进一步发展, 铸件 表面首先产生麻点, 最终导致剥落掉块而使铸件失效。 2 裂纹产生的因素及预防措施 2. 1 铸造工艺过程中裂纹产生的因素及预防措施 2. 1. 1 铸件结构设计的影响 由于高锰钢铸件工艺性能差, 在设计铸件时, 应尽 量使壁厚均匀, 合理的过渡圆角, 以减少热节。 2. 1. 2 工艺因素的影响 ( 1) 工艺装备的影响 手工造型的车间要尽量采用型板造型 , 以保证分 型面平整 , 尽量避免铸件在分型面上产生飞边 , 飞边会 使铸件产生裂纹 , 如图 1: B 为铸件, 其厚度为 a; A 为 飞边 , 厚度为 b; a > b。当铸件凝固时 , 由于飞边冷却 快; 而铸件冷却的慢 , 这时铸件的收缩将受到飞边的阻 碍, 在铸件内部产生内应力, 这种内应力达到一定程度 时, 就会在铸件上产生裂纹。
ZHANG Jun qiang , ZHANG Wen bin , WANG Hong qi
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( 1. Shaanxi Huashan Engineering and Machine Limited Company, Xi an 710021, China; 2. Insititute of Shaanxi National Defense and Professional Technology, Xi an 710302, China; 3. Weitong Agriculture and Science Limited Company, Weinan 714100, China)
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Vol. 27 No . 4 Apr . 2006
的危险。
受冲击不太大 , 主要 是抗磨铸 件, 含 碳量应选 0. 9~ 1. 2% , 一般情况下 , 高锰钢铸件含碳量不要超过 1. 2% 。 同时要有合适的碳锰比。磷的含量应小于0. 05% [ 2] 。 高锰钢的冶炼工艺对高锰钢铸件产生裂纹影响很 大, 特别要强调在还 原精炼期, 要严格 控制炉渣中的 FeO+ MnO 之和不大于 1. 2% , 因炉渣中的 FeO+ MnO 的含量决定钢液中的 F eO+ MnO 的含量, 除了对炉渣 进行化验外, 在炉前应浇注弯折试样, 作弯折试验, 弯折 角小于 90 (时不应有裂纹, 这对防止铸件产生裂纹是非 常必要的。 浇注温度对高锰钢铸件裂纹有明显的影响 , 主要是 因为随着浇注温度的升高 , 铸件收缩应力增大 , 更重要 的是晶粒粗大, 柱状晶发达 , 大大削弱了钢的强度。 低温快速浇注是防止高锰钢铸件产生裂纹的很好 方法。浇注温度应根据铸件的大小、 壁厚及复杂程度控 制在 1 430~ 1 460 & 为好。钢液出炉后温度高时, 应静 置一段时间 , 这样既可以使钢液中的杂质上浮 , 同时可 调整浇注温度。浇注时先浇小件后浇大件。 钢液中加入稀土元素能有效的防止高锰钢铸件开 裂, 稀土元素加入钢中主要通过 2 个作用防止铸件开 裂。首先是脱氧、 脱硫, 降低钢液中的 FeO+ MnO 使钢 液净化; 其次, 稀土元素加入钢液中起到孕育作用, 稀土 元素脱氧、 脱硫而形成的高溶点化合物高度弥散地分布 在钢液中成为外来晶核, 使晶粒细化, 提高铸件的抗裂 纹能力。稀土元素以稀土硅铁的形式加入钢液 , 通常是