34Cr2Ni2Mo鋼法蘭叉頭異常現象成因分析

俄 馨, 史 偉, 楊 莉, 齊紅梅(蘭州蘭石檢測技術有限公司, 蘭州 730314)

34Cr2Ni2Mo鋼法蘭叉頭異常現象成因分析

俄 馨, 史 偉, 楊 莉, 齊紅梅
(蘭州蘭石檢測技術有限公司, 蘭州 730314)

某批34Cr2Ni2Mo鋼法蘭叉頭在調質處理后的機加工過程中，在軸承孔內靠近法蘭一面發現多條白色帶狀異常區域，通過低倍檢驗、化學成分分析、硬度試驗和金相檢驗等方法對其成因進行了分析。結果表明：在34Cr2Ni2Mo鋼法蘭叉頭鑄造過程中，由于20鋼內冷鐵支架固定不穩，澆鑄時受鋼液的沖刷作用坍塌堆積于鑄件內，并在隨后機加工過程中在軸承孔內靠近法蘭一面露出表面，從而形成異于基體的白色帶狀異常區域。

34Cr2Ni2Mo鋼；異常現象；內冷鐵

34Cr2Ni2Mo鋼具有高的強度、韌性以及良好的淬透性和抗過熱穩定性[1]。某公司生產的34Cr2Ni2Mo鋼法蘭叉頭(圖1)，經鑄造成型及調質處理后進行機加工，在加工過程中發現軸承孔內靠近法蘭一面存在多條白色帶狀區域(圖2)。為了查明該白色帶狀異常區域產生的原因，筆者進行了相關的檢驗與分析。

1 理化檢驗

1.1 低倍檢驗

自法蘭叉頭白色帶狀異常區域取樣，經磨制、冷酸腐蝕后進行低倍檢驗。從圖3可以清晰地看出，在試樣表面存在數條顏色不同于基體的白色帶狀異常區域。

圖1 法蘭叉頭全貌Fig.1 Whole morphology of the flange fork

1.2 化學成分分析

分別在白色帶狀異常區域和正常區域取樣，利用德國OBLF公司QSN-750直讀光譜儀進行化學成分分析。分析結果顯示：法蘭叉頭白色帶狀異常區域的化學成分與20鋼的化學成分接近，而正常區域的化學成分與34Cr2Ni2Mo鋼的化學成分接近，如表1所示。

圖2 白色帶狀異常區域宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the white banded abnormal area

圖3 白色帶狀異常區域低倍形貌Fig.3 Macro structure morphology of the white banded abnormal area

表1 化學成分分析結果(質量分數)Tab.1 Chemical composition analysis results (mass) %

1.3 硬度試驗

采用452SVD型自動轉塔數顯維氏硬度計在金相試樣上進行硬度檢測，分別測試白色帶狀異常區域和正常區域的顯微維氏硬度，然后依據GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強度換算值》將維氏硬度換算為布氏硬度，結果見表2。由表2可以看出，正常區域的硬度明顯高于白色帶狀異常區域的。

表2 硬度試驗結果Tab.2 Hardness test results HB

1.4 金相檢驗

圖4(a)為白色帶狀異常區域的顯微組織形貌，為針狀或塊狀鐵素體+珠光體；圖4(b)為正常區域的顯微組織形貌，為均勻的回火索氏體。另外還發現，異常區域和正常區域之間存在明顯的分界線，如圖5所示。

圖4 異常區域和正常區域的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of the(a) abnormal area and (b) normal area

圖5 異常區域和正常區域分界處顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of boundary of abnormal area and normal area: (a) at low magnification; (b) at high magnification

2 分析與討論

從鑄造工藝來看，對于厚壁大鑄件，在鑄造過程中，為了加速鑄件的凝固速率，細化晶粒組織，提高鑄件的力學性能，常會在厚大部位加設冷鐵。冷鐵分內冷鐵和外冷鐵兩種:內冷鐵是留在鑄件中的，使合金激冷并與鑄件熔為一體;外冷鐵則置于鑄件外壁，一般在落砂時就脫離鑄件。內冷鐵的激冷作用比外冷鐵要強，通常是在外冷鐵作用不足時才使用內冷鐵，主要用于厚壁而技術要求不高(不承受高溫、高壓和質量要求不高)的鑄件上[2]。內冷鐵的熔接過程可分為以下4個階段[3]：第一階段，澆鑄后，在很短的時間內，冷鐵吸熱升溫，使靠近冷鐵表面的金屬液過冷，產生類似純金屬組織的粒狀等軸晶；第二階段，自粒狀等軸晶表面陸續生長樹枝晶，隨著時間的延長，結晶速率減小，直到結晶前沿停止前進，此時，冷鐵的溫度已上升到固相線附近；第三階段，冷鐵作用區溫度升高，冷鐵周圍已形成的樹枝晶重新熔化，冷鐵表面達到熔點；第四階段，內冷鐵表面開始熔化，最后由于鑄件外壁結晶前沿向中心推進而使凝固結束。

失效34Cr2Ni2Mo鋼法蘭叉頭鑄件在鑄造過程中使用的是內冷鐵。內冷鐵在鑄件或熱節凝固過程中吸收的熱量，抵消了一部分金屬液需通過鑄型表面散發的熱量。因此，內冷鐵的作用是使原鑄件或熱節的模數減小[4]。白色帶狀異常區域和正常區域的化學成分差異很大，異常區域的化學成分與20鋼的接近，而正常區域的化學成分與34Cr2Ni2Mo鋼的接近；兩區域的顯微組織也有明顯的差異，異常區域的顯微組織為針狀或塊狀鐵素體+珠光體，正常區域的顯微組織為均勻的回火索氏體。在34Cr2Ni2Mo鋼法蘭叉頭鑄造過程中，將直徑為10 mm的20鋼焊接成支架固定在法蘭叉頭的厚大部位作為內冷鐵。由于焊接支架固定不穩，致使在澆鑄過程中由于受鋼液的沖刷作用，內冷鐵支架坍塌，下移至加工孔壁處堆積。20鋼與34Cr2Ni2Mo鋼相比合金元素含量較低，使得20鋼的過冷奧氏體等溫轉變曲線(C曲線)向右移動，這就提高了過冷奧氏體的穩定性，即20鋼形成馬氏體組織要比34Cr2Ni2Mo鋼形成馬氏體組織困難。失效34Cr2Ni2Mo鋼法蘭叉頭要進行調質處理，即先850 ℃油淬得到馬氏體；然后620 ℃高溫回火形成回火索氏體，而堆積的20鋼內冷鐵的合金元素含量較低，因此在34Cr2Ni2Mo鋼淬火工藝下20鋼無法形成馬氏體，只能形成鐵素體+珠光體。兩者微觀上組織形貌的差異反映在宏觀產品上為外觀形貌的不同，即在法蘭叉頭加工過程中出現白色帶狀異常區域。

3 結論

34Cr2Ni2Mo鋼法蘭叉頭出現白色帶狀異常區域的主要原因是，焊接的20鋼內冷鐵支架未安裝牢固，澆鑄時在鋼液的沖刷作用下發生坍塌，堆積于鑄件內，鑄件經調質熱處理后，由于化學成分的不同，20鋼形成了明顯異于34Cr2Ni2Mo鋼基體(回火索氏體)的鐵素體+珠光體組織，在后續加工過程中20鋼部分露出表面，表現為不同于基體的白色帶狀異常區域。

[1] 劉樂,高凡,路無窮.34Cr2Ni2Mo鋼熱處理工藝研究[J].熱處理技術與裝備,2013,34(1):15-16.

[2] 李光國.大型曲軸的鑄造工藝[J].金屬加工(熱加工),2010(11):67-69,72.

[3] 周飛.內冷鐵對軋機類厚大截面鑄件鑄造質量的影響[J].有色金屬加工,2012,41(4):16-18.

[4] 王君卿.鑄造手冊 第5卷 鑄造工藝[M].北京:機械工業出版社,2003:1-935.

Cause Analysis on Abnormal Phenomenon of 34Cr2Ni2Mo Steel Flange Forks

E Xin, SHI Wei, YANG Li, QI Hong-mei
(Lanzhou LS Test Technology Co., Ltd., Lanzhou 730314, China)

Multi white banded abnormal areas were found in the bearing hole close to the flange side of a batch of 34Cr2Ni2Mo steel flange forks in machining process after quenching and tempering, and the causes were analyzed by means of macro-etching test, chemical composition analysis, hardness test and metallographic examination. The results show in the casting process of 34Cr2Ni2Mo steel flange forks, due to fixing instability, the 20 steel internal chill frame collapsed and stored in the casting under the scouring action of molten steel. The 20 steel was exposed in the bearing hole close to the flange side in the following machining process, so white banded abnormal areas different from the matrix produced.

34Cr2Ni2Mo steel; abnormal phenomenon; internal chill

2015-11-27

俄 馨(1988-)，女，助理工程師，主要從事金屬材料的理化檢測及機械裝備的失效分析工作，744175284@qq.com。

10.11973/lhjy-wl201702018

TG115

B

1001-4012(2017)02-0147-03