Fejlanalyse og optimeringsforskning på manganknuserhammere

Baggrund

Vores kunde i USA købte 98 manganknuserhamre (Mn18) til sine lodrette cementknusere. Efter seks måneders service gik nogle dele i stykker og svigtede. Kunden ønsker, at vi analyserer årsagen til bruddet og leverer optimerede produkter.

Arbejdstilstandsanalyse

Knuserhammeren er kernekomponenten i hammerknuseren, og på grund af de kraftige arbejdsforhold i knuseren, højt manganstål er det bedst egnede metalmateriale til hammeren. Hammerhovedet i cementklinkerknuseren er hovedsageligt lavet af Mn18-højt manganstål. Under størkningsprocessen af ​​en høj manganstålhammer, når summen af ​​den indre spænding genereret af kølesvind og den termiske spænding genereret af temperaturforskellen mellem indersiden og ydersiden af ​​støbningen overstiger styrken af ​​det spændingspåvirkede område, fint vil der opstå revner i støbningen. Disse fine revner kan være fyldt med opløste elementer på den ene side, og på den anden side kan de forårsage akkumulering af indeslutninger, som begge vil danne diskontinuerlige zoner i stålmatrixen. Disse revner og deres indre fyldninger kan ikke fjernes under vandhærdningen. Under de barske og komplekse arbejdsforhold inde i knuseren har retningen og intensiteten af ​​påvirkningen på hammerhovedet under dets drift en vis tilfældighed, hvilket fører til en kontinuerlig udvidelse af forskellene i overfladearbejdes hærdningsegenskaber og mikrostrukturegenskaber i forskellige dele af hammeren. Derudover fortsætter de eksisterende fine revner med at forplante sig under træthedspåvirkningsprocessen, hvilket i sidste ende fører til fejlulykker såsom brud eller brud på hammeren, hvilket påvirker den overordnede levetidscyklus.

Inspektion og analyse af fejlslagne knuserhamre med højt manganindhold

Ingrediens test

Forskellige støbedele blev taget til sammensætningsinspektion, og resultaterne er vist i tabel 1.

I tabel 1 kan det observeres, at der er en lille forskel i sammensætning mellem det centrale område og overfladen, hvilket tilskrives segregation under størkningsprocessen. Chrom er et af de grundstoffer, der tilsættes i relativt store mængder til stål med højt manganindhold, og dets rolle er også ganske klar. Efter vandhærdende behandling opløses krom for det meste i austenitfasen af ​​stål med højt manganindhold, hvilket øger stålets flydespænding og accelererer karbidudfældning under afkøling, hvilket typisk resulterer i en kontinuerlig retikulær fordeling af karbider langs korngrænserne. Højt manganstål med tilsat krom udviser forbedret slidstyrke, når det udsættes for kraftig slagafslidning, hvilket gør det velegnet til knuserhammerstøbegods.

Titanium tilhører kategorien af ​​vitale reducerende elementer i smeltet stål. I Mn18-stål med højt kulstofindhold og højt nitrogenindhold kan det kombineres med C og N for at danne bundfald. Hvis partikler med højt smeltepunkt, såsom TiN og Ti(C, N) dannes før størkning, kan de fungere som ikke-spontane heterogene nukleeringssteder for austenit, hvilket øger antallet af korn pr. volumenhed og dermed forfiner kornstørrelsen. Derfor har der været betydelig forskning og praktisk anvendelse af titanium mikrolegering i stål med højt manganindhold. I Mn18-stålet beskrevet i denne artikel blev omkring 0.5 % titanium tilsat i den indledende designfase.

Knuser hamre fraktur interface analyse

Efter relevante inspektioner blev der brugt Mn18 knuserhammere i en cement lodret knuser. Efter en tjenesteperiode på 6 måneder oplevede nogle af dem brudsvigt. Sprækkede prøver blev analyseret, og de relevante resultater er vist i figur 1 til 5.

• Figur 1 viser, at bruddet opstod omkring hammerens studsforbindelseshul, hvilket indikerer et tværgående skørt brud.
• Figur 2 afslører, at brudfladen i forskellige positioner udviser typiske spaltningsbrudkarakteristika, hvilket indikerer dårlig hammersejhed. Derudover er uregelmæssige blokformede indeslutninger bredt fordelt på tværs af forskellige sektioner, hvilket indikerer et relativt højt samlet antal af sådanne indeslutninger.
• Som vist i figur 3 er kornene i den normale sektion af strukturen relativt grove, og blokformede karbider udfældes langs korngrænserne. De overordnede austenitkorngrænser forekommer dog normale.
• Figur 3 og 4 viser, at kornene i den normale del af hammerhovedet er cirka på 0.5 niveau. Derimod er kornene nær brudfladen større med en gennemsnitlig korndiameter på over 400 μm. Kontinuerlige retikulære karbider er dannet langs korngrænserne, og mange nåleformede karbider er vokset fra korngrænserne ind i kornene. Brudoverfladen udviser klare intergranulære frakturkarakteristika. I modsætning til sfæriske karbider, som har en ansigtscentreret kubisk struktur, har nåleformede karbider en kropscentreret kubisk struktur. De forskellige strukturelle karakteristika fører til betydelige forskelle i deres fysiske egenskaber. Fine nåleformede karbider (længde ≤20 μm) er gavnlige til at stabilisere korngrænserne og optimere de mekaniske egenskaber af stål med højt manganindhold, især slagstyrken. Men i figur 4 indikerer ultralange, dybgrå karbider, der trænger ind i kornene, at perlit-transformation vil forekomme inde i dem. Dette skyldes, at områder med koncentreret karbidudfældning under visse forhold med underafkøling vil danne en blandet struktur bestående af lamellær Fe3C og en lille mængde ferrit (dannet af den lokale udfældning af karbider for at skabe et kulstoffattigt område), kendt som perlit. Denne blandede struktur har svag binding, hvilket resulterer i lavere stødabsorberingsenergi end en ensartet austenitmatrix. Når den udsættes for stærke ydre kræfter, bliver både den nåleformede ferrit og korngrænserne, hvori den er placeret, til spændingskoncentrationszoner, hvilket fører til defekter såsom brud og rivning, hvilket i sidste ende resulterer i brudsvigt i hammerhovedet efter en vis tjenesteperiode.
• Figur 5 viser, at TiN og Ti(C,N) aggregeres kontinuerligt og udstrakt i et bestemt område og danner diskontinuerlige områder i stålmatrixen. På dette område falder både styrke og sejhed kraftigt. Under hammerhovedets arbejdsproces bliver disse typer indeslutninger åbenlyse spændingskoncentrationszoner. De virker direkte som ophav til revner, der gradvist udvider og udvider sig, hvilket i sidste ende fører til udbredt revnedannelse og forårsager brudsvigt i hammerhovedet.

 

Analyse og diskussion

 

Effekt af kemisk sammensætning

Kulstof er et af de vigtigste elementer i stål med højt manganindhold. Dens tilstedeværelse letter dannelsen af ​​en enkeltfaset austenitstruktur. En stor mængde kulstof opløst i austenit er også med til at øge styrken af ​​stål med højt manganindhold. Derudover bidrager karbider dannet af kulstof og legeringselementer såsom Cr til at forbedre slidstyrken af ​​stål med højt manganindhold. Et for højt kulstofindhold vil dog øge tendensen til karbidudfældning ved korngrænser, hvilket under samme forhold er til skade for at stabilisere korngrænserne. Derfor er det tilrådeligt at reducere kulstofindholdet passende baseret på tabel 1.

Tilsætning af Mo til stål med højt manganindhold kan reducere udfældningen af ​​karbider i den støbte struktur og mindske tendensen til at danne et netværk af karbider på austenitens korngrænser. Molybdæn kan også bremse stålets udfældningshastighed af nålelignende karbider, hvilket sænker deres udfældningstemperatur. Disse effekter er gavnlige til at forbedre plasticiteten og styrken af ​​stål med højt manganindhold i støbt tilstand. De kan kompensere for mangler forårsaget af tilsætning af chromelementer. Derfor bør Mo tilføjes passende for at fungere sammen med Cr, hvilket udnytter de gavnlige virkninger af begge elementer.

De gavnlige virkninger af titanium mikrolegering i stål med højt manganindhold diskuteret i denne artikel er bekræftet. Men hvis titanindholdet er for højt, mens nitrogenindholdet forbliver relativt stabilt, begynder TiN og Ti(C, N) at udfælde ved 1400°C. De dannes kontinuerligt og omfattende og smelter sammen i metalsmelten eller i fast-flydende tofasezonen. Efterhånden som størkningen fortsætter, aggregeres de konstant mod korngrænserne med en højere koncentration af opløste grundstoffer og relativt lavere smeltepunktsfaser. Denne aggregering overstiger den mængde, der kræves til deres pinningseffekt, hvilket reducerer den indledende korngrænsebindingskraft og endda alvorlig løsrivelse mellem stålmatrixen og korngrænserne. Under hammerhovedets arbejdsproces bliver sammenlægningen af ​​indeslutninger et betydeligt spændingskoncentrationsområde, der direkte tjener som oprindelsen af ​​revner, som gradvist forplanter sig og strækker sig for at forårsage udbredt revnedannelse, hvilket i sidste ende fører til hammerhovedsvigt.

Derfor er det fra et kompositorisk perspektiv nødvendigt at udnytte de gavnlige virkninger af TiN og Ti(C, N) i Mn18-støbegods fuldt ud, samtidig med at man kontrollerer de skadelige virkninger af deres omfattende og koncentrerede nedbør. Titaniumindholdet kan reduceres passende ved at overveje den modne anvendelsespraksis for lavlegeret stål og mellemlegeret stål.

 

Effekten af ​​procesteknologi

For at producere stål med højt manganindhold med god ydeevne og stabil levetid er styring af forfining af austenitkorn og karbiders morfologi to vigtige kontrolpunkter. Under højmanganståls afkølings- og krystallisationsproces udfældes både retikulære og nåleformede karbider typisk langs korngrænserne, hvor de nåleformede karbider vokser indad. Men hvis støbningen er for stor, og tiden fra opvarmning til vandhærdningsbehandling er for lang, og kølegennemtrængningen under vandhærdningsbehandlingen er utilstrækkelig, hvilket resulterer i forlænget ophold i højtemperaturzonen (≥500°C), det vil føre til fortsat vækst af austenitkorn, kontinuerlig udfældning af korngrænsecarbider og kontinuerlig vækst af nåleformede karbider. Dette fører i sidste ende til for store forskelle i interne og eksterne stresstilstande. Under stærke ydre kræfter opstår dislokationer med høj tæthed og deformations-twinning først på overfladen af ​​hammerhovedet, hvilket hurtigt øger dets styrke og hårdhed. Den yderligere stigning i forskellen i indre og ydre spændinger fører til skørhed af de indre korngrænser, hvilket resulterer i rivning og brud, manifesteret som brudsvigt i hammerhovedet.

Ud fra et procesperspektiv er det derfor først nødvendigt at sikre, at opvarmningstemperaturen før vandhærdningsbehandlingen af ​​hammerhovedet er rimelig og tilstrækkelig, for derved at sikre, at karbider er helt eller for det meste opløst i austenitten. Efter at hammerhovedet er fjernet fra varmeovnen, er det spidsperioden for karbidudfældning. Hvis tiden fra fjernelse til nedsænkning i vand er lang, vil karbider udfældes i store mængder, og nåleformede karbider vil hurtigt blive produceret. Med utilstrækkelig kølestyrke og utilstrækkelig intern køleoverførselshastighed opstår interne ældningseffekter, hvilket resulterer i betydelig kornvækst og overdreven karbidudfældning under brugsprocessen, hvilket fører til korngrænserevner og hammerhovedsvigt. Derfor bør nedsænkningstiden for støbning reduceres kraftigt for at danne stabil austenit så hurtigt som muligt, reducere mængden af ​​karbidudfældning, undgå forekomsten af ​​retikulære karbider, mens vandvolumenet øges for at opretholde underkøling og accelerere intern afkøling, undgå forekomsten af ​​overdreven afkøling. karbidudfældning og tilstedeværelsen af ​​overdimensionerede nålekarbider under ældningsforhold, hvilket forbedrer konsistensen af ​​den indre og ydre struktur, korngrænseegenskaber og ydeevne af hammerhovedet og forlænger dets levetid.

 

Optimeringsforanstaltninger

På baggrund af ovenstående analyse og diskussion formuleres følgende optimeringsforanstaltninger:

1. Reducer C-indholdsmålet for knusehammerhoveder med højt manganindhold til 1.25 % og Ti-indholdsmålet til 0.15 %.
2. Tilføj en målværdi på 0.5 % molybdæn.
3. Opvarmningstemperaturen for knusehammerens vandhærdningsbehandling blev øget til 1060°C, driften blev optimeret, og tiden fra knuserhammeren kom ud af ovnen til den kom i vandet blev reduceret til mindre end 40 sekunder.
4. Optimer betingelserne for slukning af vand, øg vandbeholderens volumen, eller brug temperaturkontrolleret cirkulerende vand med stort flow for at sikre køleintensiteten.

 

Implementeringseffekt

mikrostruktur

Den optimerede proces producerer Mn18 knuserhamre, og tabel 2 viser den faktiske sammensætning af smeltet stål.

Tabel 2. Optimeret Mn18 hammerhoved kemisk sammensætning (vægt%)
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Al	Ti
Prøve dele	1.18	0.36	17.87	0.018	0.012	1.04	0.51	0.11	0.14

Fra tabel 2 når ingredienserne optimeringsmålområdet.

Efter at støbningen er afsluttet, dissekeres knusehammeren, og organisationen er vist i figur 6.

Figur 6 viser, at efter optimering af både sammensætningen og processen, bliver strukturen nær overfladen af ​​hammerhovedet mere ensartet. Kornstørrelsen er på niveau 2, mens kornene i kerneområdet er omkring niveau 1, der viser tydelig korngrænseudfældning. Bundfaldene er dog hovedsageligt blokformede karbider, og længden af ​​nåleformede karbider er for det meste inden for 10 μm, hvilket indikerer en ordentlig reduktion i kulstofindholdet. Tilsætning af Mo i kombination med Cr reducerer den samlede mængde bundfald og optimerer deres morfologi, hvilket er befordrende for stabiliteten af ​​korngrænser. Desuden blev der ikke observeret nogen TiN-lignende blokformede indeslutninger for at aggregere i ark blandt bundfaldene, hvilket tyder på, at de negative virkninger af sådanne indeslutninger er inden for et kontrollerbart område.

Efter 18 måneders brug har dette parti knusehammere ikke oplevet nogen brudfejl udover normalt slid på overfladenderne. Dette indikerer en væsentlig forbedring af den interne og eksterne kvalitet af knuserhammere, hvilket fører til en stabil forlængelse af deres levetid.

Konklusion

1. Revner langs korngrænsen ved tværsnittet er den direkte årsag til Mn18 knuserhammerbrud, og den grundlæggende årsag er udfældningen af ​​korngrænsenetværkskarbider forårsaget af en utilstrækkelig afkølingshastighed.
2. Hvis Ti-indholdet er for højt, vil en stor mængde kvadratisk TiN udfældes og aggregeres ved korngrænserne, hvilket også vil mindske korngrænsebindingskraften og fremme korngrænserevner under påvirkning af eksterne kræfter.
3. Brug af Cr- og Mo-kompositlegeringer kan reducere udfældningen af ​​korngrænsecarbider, optimere karbidernes morfologi og signifikant reducere udfældningen af ​​overdimensionerede nålelignende karbider.
4. Tiltag som optimering af vandhærdningsprocessen baseret på sammensætningsoptimering er vedtaget for at forfine kornene i Mn18-hammeren, kontrollere den samlede mængde og form af bundfald og i sidste ende forlænge servicetiden.

Baseret på analysen af ​​brudgrænsefladekarakteristika, morfologi og metallografiske struktur af manganknuserhamre er det blevet fastslået, at revner langs korngrænser, for højt Ti-indhold og urimelige produktionsprocesser er årsagerne til fejlen. Ved at reducere Ti-indholdet, øge Mo-elementet, ændre produktionsprocessen og andre foranstaltninger, optimeres mikrostrukturegenskaberne, den samlede mængde og morfologien af ​​bundfald af Mn18-knuserhammere, og hammerhovedets servicecyklus og stabilitet forbedres effektivt.