34Cr2Ni2Mo钢法兰叉头异常现象成因分析

俄 馨, 史 伟, 杨 莉, 齐红梅(兰州兰石检测技术有限公司, 兰州 730314)

34Cr2Ni2Mo钢法兰叉头异常现象成因分析

俄 馨, 史 伟, 杨 莉, 齐红梅
(兰州兰石检测技术有限公司, 兰州 730314)

某批34Cr2Ni2Mo钢法兰叉头在调质处理后的机加工过程中，在轴承孔内靠近法兰一面发现多条白色带状异常区域，通过低倍检验、化学成分分析、硬度试验和金相检验等方法对其成因进行了分析。结果表明：在34Cr2Ni2Mo钢法兰叉头铸造过程中，由于20钢内冷铁支架固定不稳，浇铸时受钢液的冲刷作用坍塌堆积于铸件内，并在随后机加工过程中在轴承孔内靠近法兰一面露出表面，从而形成异于基体的白色带状异常区域。

34Cr2Ni2Mo钢；异常现象；内冷铁

34Cr2Ni2Mo钢具有高的强度、韧性以及良好的淬透性和抗过热稳定性[1]。某公司生产的34Cr2Ni2Mo钢法兰叉头(图1)，经铸造成型及调质处理后进行机加工，在加工过程中发现轴承孔内靠近法兰一面存在多条白色带状区域(图2)。为了查明该白色带状异常区域产生的原因，笔者进行了相关的检验与分析。

1 理化检验

1.1 低倍检验

自法兰叉头白色带状异常区域取样，经磨制、冷酸腐蚀后进行低倍检验。从图3可以清晰地看出，在试样表面存在数条颜色不同于基体的白色带状异常区域。

图1 法兰叉头全貌Fig.1 Whole morphology of the flange fork

1.2 化学成分分析

分别在白色带状异常区域和正常区域取样，利用德国OBLF公司QSN-750直读光谱仪进行化学成分分析。分析结果显示：法兰叉头白色带状异常区域的化学成分与20钢的化学成分接近，而正常区域的化学成分与34Cr2Ni2Mo钢的化学成分接近，如表1所示。

图2 白色带状异常区域宏观形貌Fig.2 Macro morphology of the white banded abnormal area

图3 白色带状异常区域低倍形貌Fig.3 Macro structure morphology of the white banded abnormal area

表1 化学成分分析结果(质量分数)Tab.1 Chemical composition analysis results (mass) %

1.3 硬度试验

采用452SVD型自动转塔数显维氏硬度计在金相试样上进行硬度检测，分别测试白色带状异常区域和正常区域的显微维氏硬度，然后依据GB/T 1172-1999《黑色金属硬度及强度换算值》将维氏硬度换算为布氏硬度，结果见表2。由表2可以看出，正常区域的硬度明显高于白色带状异常区域的。

表2 硬度试验结果Tab.2 Hardness test results HB

1.4 金相检验

图4(a)为白色带状异常区域的显微组织形貌，为针状或块状铁素体+珠光体；图4(b)为正常区域的显微组织形貌，为均匀的回火索氏体。另外还发现，异常区域和正常区域之间存在明显的分界线，如图5所示。

图4 异常区域和正常区域的显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology of the(a) abnormal area and (b) normal area

图5 异常区域和正常区域分界处显微组织形貌Fig.5 Microstructure morphology of boundary of abnormal area and normal area: (a) at low magnification; (b) at high magnification

2 分析与讨论

从铸造工艺来看，对于厚壁大铸件，在铸造过程中，为了加速铸件的凝固速率，细化晶粒组织，提高铸件的力学性能，常会在厚大部位加设冷铁。冷铁分内冷铁和外冷铁两种:内冷铁是留在铸件中的，使合金激冷并与铸件熔为一体;外冷铁则置于铸件外壁，一般在落砂时就脱离铸件。内冷铁的激冷作用比外冷铁要强，通常是在外冷铁作用不足时才使用内冷铁，主要用于厚壁而技术要求不高(不承受高温、高压和质量要求不高)的铸件上[2]。内冷铁的熔接过程可分为以下4个阶段[3]：第一阶段，浇铸后，在很短的时间内，冷铁吸热升温，使靠近冷铁表面的金属液过冷，产生类似纯金属组织的粒状等轴晶；第二阶段，自粒状等轴晶表面陆续生长树枝晶，随着时间的延长，结晶速率减小，直到结晶前沿停止前进，此时，冷铁的温度已上升到固相线附近；第三阶段，冷铁作用区温度升高，冷铁周围已形成的树枝晶重新熔化，冷铁表面达到熔点；第四阶段，内冷铁表面开始熔化，最后由于铸件外壁结晶前沿向中心推进而使凝固结束。

失效34Cr2Ni2Mo钢法兰叉头铸件在铸造过程中使用的是内冷铁。内冷铁在铸件或热节凝固过程中吸收的热量，抵消了一部分金属液需通过铸型表面散发的热量。因此，内冷铁的作用是使原铸件或热节的模数减小[4]。白色带状异常区域和正常区域的化学成分差异很大，异常区域的化学成分与20钢的接近，而正常区域的化学成分与34Cr2Ni2Mo钢的接近；两区域的显微组织也有明显的差异，异常区域的显微组织为针状或块状铁素体+珠光体，正常区域的显微组织为均匀的回火索氏体。在34Cr2Ni2Mo钢法兰叉头铸造过程中，将直径为10 mm的20钢焊接成支架固定在法兰叉头的厚大部位作为内冷铁。由于焊接支架固定不稳，致使在浇铸过程中由于受钢液的冲刷作用，内冷铁支架坍塌，下移至加工孔壁处堆积。20钢与34Cr2Ni2Mo钢相比合金元素含量较低，使得20钢的过冷奥氏体等温转变曲线(C曲线)向右移动，这就提高了过冷奥氏体的稳定性，即20钢形成马氏体组织要比34Cr2Ni2Mo钢形成马氏体组织困难。失效34Cr2Ni2Mo钢法兰叉头要进行调质处理，即先850 ℃油淬得到马氏体；然后620 ℃高温回火形成回火索氏体，而堆积的20钢内冷铁的合金元素含量较低，因此在34Cr2Ni2Mo钢淬火工艺下20钢无法形成马氏体，只能形成铁素体+珠光体。两者微观上组织形貌的差异反映在宏观产品上为外观形貌的不同，即在法兰叉头加工过程中出现白色带状异常区域。

3 结论

34Cr2Ni2Mo钢法兰叉头出现白色带状异常区域的主要原因是，焊接的20钢内冷铁支架未安装牢固，浇铸时在钢液的冲刷作用下发生坍塌，堆积于铸件内，铸件经调质热处理后，由于化学成分的不同，20钢形成了明显异于34Cr2Ni2Mo钢基体(回火索氏体)的铁素体+珠光体组织，在后续加工过程中20钢部分露出表面，表现为不同于基体的白色带状异常区域。

[1] 刘乐,高凡,路无穷.34Cr2Ni2Mo钢热处理工艺研究[J].热处理技术与装备,2013,34(1):15-16.

[2] 李光国.大型曲轴的铸造工艺[J].金属加工(热加工),2010(11):67-69,72.

[3] 周飞.内冷铁对轧机类厚大截面铸件铸造质量的影响[J].有色金属加工,2012,41(4):16-18.

[4] 王君卿.铸造手册 第5卷 铸造工艺[M].北京:机械工业出版社,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，助理工程师，主要从事金属材料的理化检测及机械装备的失效分析工作，744175284@qq.com。

10.11973/lhjy-wl201702018

TG115

B

1001-4012(2017)02-0147-03