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

34Cr2Ni2Mo鋼法蘭叉頭異常現(xiàn)象成因分析

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

某批34Cr2Ni2Mo鋼法蘭叉頭在調(diào)質(zhì)處理后的機(jī)加工過程中，在軸承孔內(nèi)靠近法蘭一面發(fā)現(xiàn)多條白色帶狀異常區(qū)域，通過低倍檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、硬度試驗(yàn)和金相檢驗(yàn)等方法對其成因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：在34Cr2Ni2Mo鋼法蘭叉頭鑄造過程中，由于20鋼內(nèi)冷鐵支架固定不穩(wěn)，澆鑄時(shí)受鋼液的沖刷作用坍塌堆積于鑄件內(nèi)，并在隨后機(jī)加工過程中在軸承孔內(nèi)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(qū)域。

34Cr2Ni2Mo鋼；異常現(xiàn)象；內(nèi)冷鐵

34Cr2Ni2Mo鋼具有高的強(qiáng)度、韌性以及良好的淬透性和抗過熱穩(wěn)定性[1]。某公司生產(chǎn)的34Cr2Ni2Mo鋼法蘭叉頭(圖1)，經(jīng)鑄造成型及調(diào)質(zhì)處理后進(jìn)行機(jī)加工，在加工過程中發(fā)現(xiàn)軸承孔內(nèi)靠近法蘭一面存在多條白色帶狀區(qū)域(圖2)。為了查明該白色帶狀異常區(qū)域產(chǎn)生的原因，筆者進(jìn)行了相關(guān)的檢驗(yàn)與分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 低倍檢驗(yàn)

自法蘭叉頭白色帶狀異常區(qū)域取樣，經(jīng)磨制、冷酸腐蝕后進(jìn)行低倍檢驗(yàn)。從圖3可以清晰地看出，在試樣表面存在數(shù)條顏色不同于基體的白色帶狀異常區(qū)域。

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

1.2 化學(xué)成分分析

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

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

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

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition analysis results (mass) %

1.3 硬度試驗(yàn)

采用452SVD型自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯維氏硬度計(jì)在金相試樣上進(jìn)行硬度檢測，分別測試白色帶狀異常區(qū)域和正常區(qū)域的顯微維氏硬度，然后依據(jù)GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》將維氏硬度換算為布氏硬度，結(jié)果見表2。由表2可以看出，正常區(qū)域的硬度明顯高于白色帶狀異常區(qū)域的。

表2 硬度試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Hardness test results HB

1.4 金相檢驗(yàn)

圖4(a)為白色帶狀異常區(qū)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(qū)域的顯微組織形貌，為均勻的回火索氏體。另外還發(fā)現(xiàn)，異常區(qū)域和正常區(qū)域之間存在明顯的分界線，如圖5所示。

圖4 異常區(qū)域和正常區(qū)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(qū)域和正常區(qū)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(xì)化晶粒組織，提高鑄件的力學(xué)性能，常會(huì)在厚大部位加設(shè)冷鐵。冷鐵分內(nèi)冷鐵和外冷鐵兩種:內(nèi)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(shí)就脫離鑄件。內(nèi)冷鐵的激冷作用比外冷鐵要強(qiáng)，通常是在外冷鐵作用不足時(shí)才使用內(nèi)冷鐵，主要用于厚壁而技術(shù)要求不高(不承受高溫、高壓和質(zhì)量要求不高)的鑄件上[2]。內(nèi)冷鐵的熔接過程可分為以下4個(gè)階段[3]：第一階段，澆鑄后，在很短的時(shí)間內(nèi)，冷鐵吸熱升溫，使靠近冷鐵表面的金屬液過冷，產(chǎn)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(xù)生長樹枝晶，隨著時(shí)間的延長，結(jié)晶速率減小，直到結(jié)晶前沿停止前進(jìn)，此時(shí)，冷鐵的溫度已上升到固相線附近；第三階段，冷鐵作用區(qū)溫度升高，冷鐵周圍已形成的樹枝晶重新熔化，冷鐵表面達(dá)到熔點(diǎn)；第四階段，內(nèi)冷鐵表面開始熔化，最后由于鑄件外壁結(jié)晶前沿向中心推進(jìn)而使凝固結(jié)束。

失效34Cr2Ni2Mo鋼法蘭叉頭鑄件在鑄造過程中使用的是內(nèi)冷鐵。內(nèi)冷鐵在鑄件或熱節(jié)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(fā)的熱量。因此，內(nèi)冷鐵的作用是使原鑄件或熱節(jié)的模數(shù)減小[4]。白色帶狀異常區(qū)域和正常區(qū)域的化學(xué)成分差異很大，異常區(qū)域的化學(xué)成分與20鋼的接近，而正常區(qū)域的化學(xué)成分與34Cr2Ni2Mo鋼的接近；兩區(qū)域的顯微組織也有明顯的差異，異常區(qū)域的顯微組織為針狀或塊狀鐵素體+珠光體，正常區(qū)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(nèi)冷鐵。由于焊接支架固定不穩(wěn)，致使在澆鑄過程中由于受鋼液的沖刷作用，內(nèi)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(zhuǎn)變曲線(C曲線)向右移動(dòng)，這就提高了過冷奧氏體的穩(wěn)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(jìn)行調(diào)質(zhì)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(nèi)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(chǎn)品上為外觀形貌的不同，即在法蘭叉頭加工過程中出現(xiàn)白色帶狀異常區(qū)域。

3 結(jié)論

34Cr2Ni2Mo鋼法蘭叉頭出現(xiàn)白色帶狀異常區(qū)域的主要原因是，焊接的20鋼內(nèi)冷鐵支架未安裝牢固，澆鑄時(shí)在鋼液的沖刷作用下發(fā)生坍塌，堆積于鑄件內(nèi)，鑄件經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后，由于化學(xué)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(xù)加工過程中20鋼部分露出表面，表現(xiàn)為不同于基體的白色帶狀異常區(qū)域。

[1] 劉樂,高凡,路無窮.34Cr2Ni2Mo鋼熱處理工藝研究[J].熱處理技術(shù)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(nèi)冷鐵對軋機(jī)類厚大截面鑄件鑄造質(zhì)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(jī)械工業(yè)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(jī)械裝備的失效分析工作，744175284@qq.com。

10.11973/lhjy-wl201702018

TG115

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1001-4012(2017)02-0147-03