Analýza poruch a výzkum optimalizace manganových drtičů

Pozadí

Náš zákazník z USA zakoupil pro své vertikální drtiče cementu 98 manganových drticích kladiv (Mn18). Po šesti měsících služby se některé části rozbily a selhaly. Zákazník chce, abychom analyzovali příčinu poškození a poskytli optimalizované produkty.

Analýza pracovních podmínek

Drtící kladivo je základní součástí kladivového drtiče a vzhledem k vysoce rázovým pracovním podmínkám v drtiči, ocel s vysokým obsahem manganu je nejvhodnější kovový materiál pro kladivo. Hlava kladiva v drtiči cementového slínku je vyrobena převážně z manganové oceli s vysokým obsahem Mn18. Během procesu tuhnutí kladiva z vysoce manganové oceli, kdy součet vnitřního napětí generovaného smršťováním chladem a tepelného napětí generovaného teplotním rozdílem mezi vnitřkem a vnějškem odlitku převyšuje pevnost oblasti ovlivněné napětím, jemné v odlitku vzniknou trhliny. Tyto jemné trhliny mohou být na jedné straně vyplněny solutovými prvky a na druhé straně mohou způsobit akumulaci vměstků, z nichž oba budou tvořit nespojité zóny v ocelové matrici. Tyto trhliny a jejich vnitřní výplně nelze při tuhnutí vodou odstranit. V drsných a složitých pracovních podmínkách uvnitř drtiče má směr a intenzita dopadu na hlavu kladiva během jeho provozu určitou náhodnost, což vede k neustálému rozšiřování rozdílů v charakteristikách povrchového zpevňování a mikrostrukturních vlastnostech různých částí drtiče. kladivo. Kromě toho se během procesu únavového rázu dále šíří stávající jemné trhliny, které nakonec vedou k poruchám, jako jsou zlomeniny nebo zlomení kladiva, což ovlivňuje celkový cyklus životnosti.

Kontrola a analýza vadných vysokomanganových drticích kladiv

Testování přísad

Pro kontrolu složení byly odebrány různé odlitky a výsledky jsou uvedeny v tabulce 1.

V tabulce 1 lze pozorovat, že existuje nepatrný rozdíl ve složení mezi centrální oblastí a povrchem, což je připisováno segregaci během procesu tuhnutí. Chrom je jedním z prvků přidávaných v relativně velkém množství do oceli s vysokým obsahem manganu a jeho role je také zcela jasná. Po úpravě kalení vodou se chrom většinou rozpouští do austenitové fáze oceli s vysokým obsahem manganu, čímž se zvyšuje mez kluzu oceli a urychluje se precipitace karbidů během chlazení, což obvykle vede k kontinuální retikulární distribuci karbidů podél hranic zrn. Ocel s vysokým obsahem manganu s přídavkem chrómu vykazuje zlepšenou odolnost proti opotřebení, když je vystavena silnému rázovému otěru, takže je vhodná pro odlitky s drtícími kladivy.

Titan patří do kategorie životně důležitých redukčních prvků v roztavené oceli. V oceli Mn18 s vysokým obsahem uhlíku a dusíku se může kombinovat s C a N za vzniku sraženin. Pokud se před tuhnutím vytvoří částice s vysokým bodem tání, jako je TiN a Ti(C, N), mohou působit jako nespontánní heterogenní nukleační místa pro austenit, čímž se zvýší počet zrn na jednotku objemu a tím se zjemní velikost zrna. Proto byl proveden značný výzkum a praktická aplikace mikrolegování titanu v oceli s vysokým obsahem manganu. V oceli Mn18 popsané v tomto článku bylo během počáteční fáze návrhu přidáno přibližně 0.5 % titanu.

Analýza lomového rozhraní drticích kladiv

Po příslušných kontrolách byla ve vertikálním drtiči cementu použita drtící kladiva Mn18. Po servisní době 6 měsíců došlo u některých z nich k poruchám zlomenin. Zlomené vzorky byly analyzovány a příslušné výsledky jsou uvedeny na obrázcích 1 až 5.

• Obrázek 1 ukazuje, že k lomu došlo kolem otvoru pro připojení čepu kladiva, což ukazuje na příčný křehký lom.
• Obrázek 2 ukazuje, že povrch lomu v různých polohách vykazuje typické charakteristiky štěpného lomu, což ukazuje na špatnou houževnatost kladiva. Kromě toho jsou nepravidelné blokové inkluze široce rozmístěny napříč různými sekcemi, což ukazuje na relativně vysoký celkový počet takových inkluzí.
• Jak je znázorněno na obrázku 3, v normálním řezu strukturou jsou zrna relativně hrubá a podél hranic zrn se vysrážejí blokové karbidy. Celkové hranice zrn austenitu se však zdají normální.
• Obrázky 3 a 4 ukazují, že zrna v normální části kladiva jsou přibližně na úrovni 0.5. Naproti tomu zrna v blízkosti lomové plochy jsou větší, s průměrným průměrem zrna přes 400 μm. Podél hranic zrn se vytvořily spojité retikulární karbidy a mnoho jehličkovitých karbidů vyrostlo z hranic zrn do zrn. Lomová plocha vykazuje jasné mezikrystalové lomové charakteristiky. Na rozdíl od sférických karbidů, které mají plošně centrovanou krychlovou strukturu, mají jehlicovité karbidy kubickou strukturu centrovanou na tělo. Rozdílné strukturní charakteristiky vedou k významným rozdílům v jejich fyzikálních vlastnostech. Jemné jehličkové karbidy (délka ≤20 μm) jsou výhodné pro stabilizaci hranic zrn a optimalizaci mechanických vlastností oceli s vysokým obsahem manganu, zejména rázové houževnatosti. Na obrázku 4 však ultra dlouhé, sytě šedé karbidy pronikající do zrn naznačují, že v nich dojde k přeměně perlitu. Je tomu tak proto, že za určitých podmínek přechlazení vytvoří oblasti s koncentrovanou precipitací karbidů smíšenou strukturu skládající se z lamelárního Fe3C a malého množství feritu (vzniklého lokálním vysrážením karbidů za účelem vytvoření nízkouhlíkové oblasti), známého jako perlit. Tato smíšená struktura má slabé spojení, což má za následek nižší energii absorpce nárazu než jednotná austenitová matrice. Při vystavení silným vnějším silám se jak jehličkovitý ferit, tak hranice zrn, ve kterých se nachází, stanou koncentračními zónami napětí, což vede k defektům, jako jsou lomy a roztržení, což má nakonec za následek selhání lomu hlavy kladiva po určité době provozu.
• Obrázek 5 ukazuje, že TiN a Ti(C,N) agregují kontinuálně a extenzivně v určité oblasti a tvoří nespojité oblasti v ocelové matrici. V této oblasti jak pevnost, tak houževnatost prudce klesá. Během pracovního procesu kladiva se tyto typy vměstků stávají zjevnými zónami koncentrace napětí. Působí přímo jako původce trhlin, postupně se rozšiřují a rozšiřují, což nakonec vede k rozsáhlé tvorbě trhlin a způsobuje lomové selhání hlavy kladiva.

 

Analýza a diskuse

 

Vliv chemického složení

Uhlík je jedním z nejdůležitějších prvků v oceli s vysokým obsahem manganu. Jeho přítomnost usnadňuje tvorbu jednofázové austenitové struktury. Velké množství uhlíku rozpuštěného v austenitu také pomáhá zvýšit pevnost oceli s vysokým obsahem manganu. Kromě toho karbidy tvořené uhlíkem a legujícími prvky, jako je Cr, přispívají ke zlepšení odolnosti proti opotřebení oceli s vysokým obsahem manganu. Příliš vysoký obsah uhlíku však zvýší tendenci srážení karbidů na hranicích zrn, což za stejných podmínek škodí stabilizaci hranic zrn. Proto je vhodné obsah uhlíku vhodně snížit na základě tabulky 1.

Přidání Mo do oceli s vysokým obsahem manganu může snížit precipitaci karbidů ve struktuře po odlití a snížit tendenci k vytváření sítě karbidů na hranicích zrn austenitu. Molybden může také zpomalit rychlost precipitace jehlovitých karbidů oceli a snížit jejich teplotu srážení. Tyto účinky jsou příznivé pro zlepšení plasticity a pevnosti oceli s vysokým obsahem manganu v odlitém stavu. Mohou kompenzovat nedostatky způsobené přidáním prvků chromu. Proto by měl být Mo přidán vhodným způsobem, aby fungoval ve spojení s Cr a využil příznivé účinky obou prvků.

Potvrzují se příznivé účinky mikrolegování titanu v oceli s vysokým obsahem manganu diskutované v tomto článku. Pokud je však obsah titanu příliš vysoký, zatímco obsah dusíku zůstává relativně stabilní, TiN a Ti(C,N) se začnou srážet při 1400 °C. Nepřetržitě a rozsáhle se tvoří a spojují v kovové tavenině nebo ve dvoufázové zóně pevná látka-kapalina. Jak pokračuje tuhnutí, neustále agregují směrem k hranicím zrn, s vyšší koncentrací rozpuštěných prvků a fázemi s relativně nižším bodem tání. Tato agregace překračuje množství požadované pro jejich efekt sešívání, snižuje počáteční vazebnou sílu na hranicích zrn a dokonce i závažné oddělení mezi ocelovou matricí a hranicemi zrn. Během pracovního procesu hlavy kladiva se agregace vměstků stává významnou oblastí koncentrace napětí, která přímo slouží jako původ trhlin, které se postupně šíří a rozšiřují a způsobují rozsáhlé praskání, což nakonec vede k selhání hlavy kladiva.

Z hlediska složení je proto nutné plně využít příznivé účinky TiN a Ti(C,N) v odlitcích Mn18 a zároveň kontrolovat škodlivé účinky jejich extenzivního a koncentrovaného srážení. Obsah titanu lze vhodně snížit zvážením vyspělých aplikačních postupů nízkolegovaných a středně legovaných ocelí.

 

Vliv procesní technologie

Pro výrobu vysoce manganové oceli s dobrým výkonem a stabilní životností jsou dva klíčové kontrolní body kontrola zjemnění austenitových zrn a morfologie karbidů. Během procesu chlazení a krystalizace oceli s vysokým obsahem manganu se retikulární i jehlicovité karbidy typicky vysrážejí podél hranic zrn, přičemž jehlicovité karbidy rostou směrem dovnitř. Pokud je však odlitek příliš velký a doba od zahřátí do úpravy tvrzení vodou je příliš dlouhá a průnik chlazení během úpravy tvrzení vodou je nedostatečný, což má za následek prodloužené setrvání ve vysokoteplotní zóně (≥500 °C), povede to k pokračujícímu růstu austenitových zrn, kontinuální precipitaci karbidů na hranicích zrn a kontinuálnímu růstu jehličkovitých karbidů. To v konečném důsledku vede k přílišným rozdílům ve vnitřních a vnějších stresových stavech. Pod silnými vnějšími silami se nejprve na povrchu kladiva objeví dislokace s vysokou hustotou a deformační dvojčata, které rychle zvyšují jeho pevnost a tvrdost. Další zvýšení rozdílu ve vnitřním a vnějším napětí vede ke křehnutí vnitřních hranic zrn, což má za následek trhání a lámání, projevující se jako lomové porušení kladiva.

Z procesního hlediska je proto nejprve nutné zajistit, aby teplota ohřevu před vodním kalením hlavy kladiva byla rozumná a dostatečná, čímž se zajistí, že karbidy jsou zcela nebo převážně rozpuštěny v austenitu. Poté, co je hlava kladiva vyjmuta z ohřívací pece, je vrcholná doba precipitace karbidu. Pokud je doba od odstranění do ponoření do vody dlouhá, karbidy se vysrážejí ve velkém množství a rychle se vytvoří jehlicovité karbidy. Při nedostatečné chladící síle a neadekvátní rychlosti přenosu vnitřního chlazení dochází k účinkům vnitřního stárnutí, které mají za následek výrazný růst zrn a nadměrné vysrážení karbidů během procesu používání, což vede k praskání na hranicích zrn a selhání kladiva. Proto by se doba ponoření odlitku měla výrazně zkrátit, aby se co nejrychleji vytvořil stabilní austenit, snížilo se množství srážení karbidů, zabránilo se výskytu retikulárních karbidů a zároveň se zvýšil objem vody, aby se udrželo podchlazení a urychlilo vnitřní chlazení, aby se zabránilo výskytu nadměrného precipitace karbidů a přítomnost nadrozměrných jehličkovitých karbidů za podmínek stárnutí, čímž se zlepšuje konzistence vnitřní a vnější struktury, charakteristiky hranic zrn a výkon hlavy kladiva a prodlužuje se její životnost.

 

Optimalizační opatření

Na základě výše uvedené analýzy a diskuse jsou formulována následující optimalizační opatření:

1. Snižte cílový obsah C u hlav drticích kladiv s vysokým obsahem manganu na 1.25 % a cílový obsah Ti na 0.15 %.
2. Přidejte cílovou hodnotu 0.5 % molybdenu.
3. Teplota ohřevu vodního kalení drtícího kladiva byla zvýšena na 1060°C, provoz byl optimalizován a doba od výstupu drtiče z pece do vstupu do vody byla zkrácena na méně než 40 sekund.
4. Optimalizujte podmínky pro kalení vody, zvyšte objem vodní nádrže nebo použijte cirkulační vodu s velkým průtokem s řízenou teplotou pro zajištění intenzity chlazení.

 

Efekt implementace

Mikrostruktura

Optimalizovaný proces produkuje Mn18 drtící kladiva a tabulka 2 ukazuje skutečné složení roztavené oceli.

Tabulka 2. Optimalizované chemické složení hlavy kladiva Mn18 (hmot. %)
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Al	Ti
Ukázkové díly	1.18	0.36	17.87	0.018	0.012	1.04	0.51	0.11	0.14

Z tabulky 2 složky dosahují cílového rozmezí optimalizace.

Po dokončení odlévání je drtící kladivo rozřezáno a uspořádání je znázorněno na obrázku 6.

Obrázek 6 ukazuje, že po optimalizaci složení i procesu se struktura v blízkosti povrchu kladiva stává jednotnější. Velikost zrna je na úrovni 2, zatímco zrna v oblasti jádra jsou přibližně na úrovni 1, což ukazuje zřetelnou precipitaci na hranicích zrn. Precipitáty jsou však převážně blokové karbidy a délka jehličkovitých karbidů je většinou do 10 μm, což ukazuje na správné snížení obsahu uhlíku. Přidání Mo v kombinaci s Cr snižuje celkové množství precipitátů a optimalizuje jejich morfologii, což přispívá ke stabilitě hranic zrn. Kromě toho nebyly pozorovány žádné blokové inkluze podobné TiN, které by agregovaly v listech mezi precipitáty, což naznačuje, že nepříznivé účinky takových inkluzí jsou v regulovatelném rozsahu.

Po 18 měsících používání tato šarže drticích kladiv nezaznamenala žádné lomové poruchy kromě běžného opotřebení na koncích povrchu. To svědčí o výrazném zlepšení vnitřní i vnější kvality drticích kladiv, což vede ke stabilnímu prodloužení jejich životnosti.

Závěr

1. Praskání podél hranice zrn na příčném řezu je přímou příčinou lomu kladiva drtiče Mn18 a zásadní příčinou je precipitace karbidů sítě na hranicích zrn způsobená nedostatečnou rychlostí ochlazování.
2. Pokud je obsah Ti příliš vysoký, velké množství čtvercového TiN se vysráží a agreguje na hranicích zrn, což také sníží vazebnou sílu na hranicích zrn a podpoří praskání hranic zrn působením vnějších sil.
3. Použití slitiny Cr a Mo kompozitu může snížit precipitaci karbidů na hranicích zrn, optimalizovat morfologii karbidů a významně snížit precipitaci nadrozměrných jehličkovitých karbidů.
4. Opatření, jako je optimalizace procesu kalení vodou na základě optimalizace složení, jsou přijata za účelem zjemnění zrn kladiva Mn18, řízení celkového množství a tvaru precipitátů a v konečném důsledku prodloužení provozní doby.

Na základě analýzy charakteristik lomového rozhraní, morfologie a metalografické struktury manganových drtičů bylo zjištěno, že příčinou selhání je praskání podél hranic zrn, nadměrný obsah Ti a nepřiměřené výrobní procesy. Snížením obsahu Ti, zvýšením prvku Mo, změnou výrobního procesu a dalšími opatřeními se optimalizují mikrostrukturní charakteristiky, celkové množství a morfologie precipitátů drtičů Mn18 a efektivně se zlepší provozní cyklus a stabilita hlavy kladiva.