Fehleranalyse und Optimierungsforschung an Mangan-Brecherhämmern

Hintergrund

Unser US-amerikanischer Kunde kaufte 98 Mangan-Brecherhämmer (Mn18) für seine Zement-Vertikalbrecher. Nach sechs Monaten Betrieb gingen einige Teile kaputt und versagten. Der Kunde möchte, dass wir die Bruchursache analysieren und optimierte Produkte liefern.

Analyse der Arbeitsbedingungen

Der Brecherhammer ist die Kernkomponente des Hammerbrechers und aufgrund der harten Arbeitsbedingungen im Brecher hoher Manganstahl ist das am besten geeignete Metallmaterial für den Hammer. Der Hammerkopf im Zementklinkerbrecher besteht hauptsächlich aus Mn18-Hochmanganstahl. Wenn während des Erstarrungsprozesses eines Hammers aus hochmanganhaltigem Stahl die Summe der inneren Spannungen, die durch die Schrumpfung beim Abkühlen erzeugt werden, und der thermischen Spannungen, die durch den Temperaturunterschied zwischen der Innenseite und der Außenseite des Gussstücks erzeugt werden, die Festigkeit des von Spannungen betroffenen Bereichs übersteigt, ist das in Ordnung Es entstehen Risse im Gussstück. Diese feinen Risse können einerseits mit gelösten Elementen gefüllt sein und andererseits zur Ansammlung von Einschlüssen führen, die beide diskontinuierliche Zonen in der Stahlmatrix bilden. Diese Risse und ihre inneren Füllungen können bei der Wasserhärtung nicht beseitigt werden. Unter den rauen und komplexen Arbeitsbedingungen innerhalb des Brechers weisen die Richtung und Intensität des Aufpralls auf den Hammerkopf während seines Betriebs eine gewisse Zufälligkeit auf, was zu einer kontinuierlichen Vergrößerung der Unterschiede in den Oberflächenverfestigungseigenschaften und Mikrostrukturmerkmalen verschiedener Teile des Brechers führt der Hammer. Darüber hinaus breiten sich die vorhandenen feinen Risse während des Ermüdungsschlagprozesses weiter aus, was schließlich zu Ausfallunfällen wie Brüchen oder Hammerbruch führt, was sich auf die gesamte Lebensdauer auswirkt.

Inspektion und Analyse ausgefallener Brecherhämmer mit hohem Mangangehalt

Zutatenprüfung

Zur Prüfung der Zusammensetzung wurden verschiedene Gussteile herangezogen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.

In Tabelle 1 ist zu erkennen, dass zwischen dem zentralen Bereich und der Oberfläche ein geringfügiger Unterschied in der Zusammensetzung besteht, der auf eine Entmischung während des Erstarrungsprozesses zurückzuführen ist. Chrom ist eines der Elemente, die in relativ großen Mengen zu Stahl mit hohem Mangangehalt hinzugefügt werden, und seine Rolle ist ebenfalls ziemlich klar. Nach der Wasserhärtebehandlung löst sich Chrom größtenteils in der Austenitphase von Stahl mit hohem Mangangehalt auf, wodurch die Streckgrenze des Stahls erhöht und die Karbidausfällung während des Abkühlens beschleunigt wird, was typischerweise zu einer kontinuierlichen netzartigen Verteilung von Karbiden entlang der Korngrenzen führt. Hochmanganstahl mit Chromzusatz weist eine verbesserte Verschleißfestigkeit auf, wenn er starkem Schlagabrieb ausgesetzt wird, wodurch er für Brechhammergussteile geeignet ist.

Titan gehört zu den lebenswichtigen Reduktionselementen in geschmolzenem Stahl. In Mn18-Stahl mit hohem Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt kann es sich mit C und N verbinden, um Ausscheidungen zu bilden. Wenn hochschmelzende Partikel wie TiN und Ti(C, N) vor der Erstarrung gebildet werden, können sie als nicht spontane heterogene Keimbildungsstellen für Austenit wirken, wodurch die Anzahl der Körner pro Volumeneinheit erhöht und somit die Korngröße verfeinert wird. Daher gab es umfangreiche Forschung und praktische Anwendung der Titan-Mikrolegierung in Stählen mit hohem Mangangehalt. Dem in diesem Artikel beschriebenen Mn18-Stahl wurden in der ersten Entwurfsphase etwa 0.5 % Titan zugesetzt.

Bruchschnittstellenanalyse von Brechhämmern

Nach entsprechenden Inspektionen wurden Mn18-Brecherhämmer in einem Zement-Vertikalbrecher eingesetzt. Nach einer Einsatzdauer von 6 Monaten kam es bei einigen von ihnen zu Bruchausfällen. Bruchproben wurden analysiert und die relevanten Ergebnisse sind in den Abbildungen 1 bis 5 dargestellt.

• Abbildung 1 zeigt, dass der Bruch um das Bolzenverbindungsloch des Hammers auftrat, was auf einen Quersprödbruch hinweist.
• Abbildung 2 zeigt, dass die Bruchfläche an verschiedenen Stellen typische Spaltbrucheigenschaften aufweist, was auf eine schlechte Hammerzähigkeit hinweist. Darüber hinaus sind unregelmäßige blockförmige Einschlüsse weit über verschiedene Abschnitte verteilt, was auf eine relativ hohe Gesamtzahl solcher Einschlüsse hinweist.
• Wie in Abbildung 3 dargestellt, sind die Körner im Normalschnitt der Struktur relativ grob und entlang der Korngrenzen werden blockartige Karbide ausgeschieden. Die gesamten Austenitkorngrenzen erscheinen jedoch normal.
• Die Abbildungen 3 und 4 zeigen, dass die Körner im Normalschnitt des Hammerhais etwa auf dem 0.5-Niveau liegen. Im Gegensatz dazu sind die Körner in der Nähe der Bruchfläche größer und haben einen durchschnittlichen Korndurchmesser von über 400 μm. Entlang der Korngrenzen haben sich kontinuierliche netzförmige Karbide gebildet, und viele nadelförmige Karbide sind von den Korngrenzen in die Körner hineingewachsen. Die Bruchfläche weist deutliche intergranulare Bruchmerkmale auf. Im Gegensatz zu kugelförmigen Karbiden, die eine kubisch-flächenzentrierte Struktur haben, haben nadelförmige Karbide eine kubisch-raumzentrierte Struktur. Die unterschiedlichen Strukturmerkmale führen zu erheblichen Unterschieden in ihren physikalischen Eigenschaften. Feine nadelförmige Karbide (Länge ≤20 μm) sind vorteilhaft für die Stabilisierung der Korngrenzen und die Optimierung der mechanischen Eigenschaften von Hochmanganstahl, insbesondere der Schlagzähigkeit. In Abbildung 4 weisen jedoch ultralange, tiefgraue Karbide, die in die Körner eindringen, darauf hin, dass in ihnen eine Perlitumwandlung stattfinden wird. Dies liegt daran, dass Bereiche mit konzentrierter Karbidausscheidung unter bestimmten Unterkühlungsbedingungen eine gemischte Struktur aus lamellarem Fe3C und einer kleinen Menge Ferrit (das durch die lokale Ausscheidung von Karbiden entsteht, um einen kohlenstoffarmen Bereich zu erzeugen) bilden, das sogenannte Perlit. Diese gemischte Struktur weist eine schwache Bindung auf, was zu einer geringeren Stoßabsorptionsenergie führt als eine gleichmäßige Austenitmatrix. Wenn es starken äußeren Kräften ausgesetzt wird, werden sowohl das nadelförmige Ferrit als auch die Korngrenzen, in denen es sich befindet, zu Spannungskonzentrationszonen, die zu Defekten wie Brüchen und Rissen führen und schließlich nach einer bestimmten Betriebszeit zum Bruchversagen des Hammerkopfes führen.
• Abbildung 5 zeigt, dass TiN und Ti(C,N) in einem bestimmten Bereich kontinuierlich und umfassend aggregieren und diskontinuierliche Bereiche in der Stahlmatrix bilden. In diesem Bereich nehmen sowohl die Festigkeit als auch die Zähigkeit stark ab. Während des Arbeitsprozesses des Hammerhais werden solche Einschlüsse zu offensichtlichen Spannungskonzentrationszonen. Sie wirken direkt als Ursprung von Rissen, die sich allmählich ausdehnen und ausdehnen, was letztendlich zu einer ausgedehnten Rissbildung und zum Bruchversagen des Hammerkopfes führt.

 

Analyse und Diskussion

 

Wirkung der chemischen Zusammensetzung

Kohlenstoff ist eines der wichtigsten Elemente in hochmanganhaltigem Stahl. Sein Vorhandensein erleichtert die Bildung einer einphasigen Austenitstruktur. Eine große Menge an im Austenit gelöstem Kohlenstoff trägt auch dazu bei, die Festigkeit von Stahl mit hohem Mangangehalt zu erhöhen. Darüber hinaus tragen aus Kohlenstoff und Legierungselementen wie Cr gebildete Karbide zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Stahl mit hohem Mangangehalt bei. Ein zu hoher Kohlenstoffgehalt erhöht jedoch die Tendenz zur Karbidausfällung an den Korngrenzen, was sich unter den gleichen Bedingungen nachteilig auf die Stabilisierung der Korngrenzen auswirkt. Daher ist es ratsam, den Kohlenstoffgehalt entsprechend Tabelle 1 zu reduzieren.

Die Zugabe von Mo zu Stahl mit hohem Mangangehalt kann die Ausfällung von Karbiden in der Gussstruktur verringern und die Tendenz zur Bildung eines Karbidnetzwerks an den Korngrenzen des Austenits verringern. Molybdän kann auch die Ausfällungsrate nadelförmiger Karbide im Stahl verlangsamen und so deren Ausscheidungstemperatur senken. Diese Effekte sind vorteilhaft für die Verbesserung der Plastizität und Festigkeit von Stahl mit hohem Mangangehalt im Gusszustand. Sie können die durch den Zusatz von Chromelementen verursachten Mängel ausgleichen. Daher sollte Mo in geeigneter Weise hinzugefügt werden, um in Verbindung mit Cr zu wirken und die vorteilhaften Wirkungen beider Elemente zu nutzen.

Die in diesem Artikel diskutierten vorteilhaften Auswirkungen der Titan-Mikrolegierung in Stählen mit hohem Mangangehalt werden bestätigt. Wenn jedoch der Titangehalt zu hoch ist, während der Stickstoffgehalt relativ stabil bleibt, beginnen TiN und Ti(C, N) bei 1400 °C auszufallen. Sie bilden sich kontinuierlich und großflächig innerhalb der Metallschmelze bzw. in der Fest-Flüssigkeits-Zweiphasenzone. Mit fortschreitender Erstarrung aggregieren sie ständig in Richtung der Korngrenzen, mit einer höheren Konzentration an gelösten Elementen und Phasen mit relativ niedrigerem Schmelzpunkt. Diese Aggregation geht über das Ausmaß hinaus, das für ihren Pinning-Effekt erforderlich ist, wodurch die anfängliche Bindungskraft an den Korngrenzen abnimmt und es sogar zu einer starken Ablösung zwischen der Stahlmatrix und den Korngrenzen kommt. Während des Arbeitsprozesses des Hammerkopfes wird die Ansammlung von Einschlüssen zu einem Bereich mit erheblicher Spannungskonzentration, der direkt als Ursprung von Rissen dient, die sich allmählich ausbreiten und weitreichende Risse verursachen, die letztendlich zum Versagen des Hammerkopfes führen.

Daher ist es aus zusammensetzungstechnischer Sicht notwendig, die vorteilhaften Wirkungen von TiN und Ti(C, N) in Mn18-Gussteilen voll auszuschöpfen und gleichzeitig die schädlichen Auswirkungen ihrer ausgedehnten und konzentrierten Ausfällung zu kontrollieren. Der Titangehalt kann durch Berücksichtigung der ausgereiften Anwendungspraxis von niedriglegierten Stählen und mittellegierten Stählen entsprechend reduziert werden.

 

Die Auswirkungen der Prozesstechnologie

Um Stahl mit hohem Mangangehalt und guter Leistung und stabiler Lebensdauer herzustellen, sind die Kontrolle der Verfeinerung der Austenitkörner und der Morphologie der Karbide zwei wichtige Kontrollpunkte. Während des Abkühl- und Kristallisationsprozesses von Stahl mit hohem Mangangehalt scheiden sich typischerweise sowohl retikuläre als auch nadelförmige Karbide entlang der Korngrenzen aus, wobei die nadelförmigen Karbide nach innen wachsen. Wenn das Gussstück jedoch zu groß ist und die Zeit vom Erhitzen bis zur Vorbehandlung mit Wasser zu lang ist und die Kühldurchdringung während der Vorbehandlung mit Wasser nicht ausreicht, was zu einem längeren Aufenthalt in der Hochtemperaturzone (≥ 500 °C) führt, Dies führt zu einem kontinuierlichen Wachstum von Austenitkörnern, einer kontinuierlichen Ausfällung von Korngrenzenkarbiden und einem kontinuierlichen Wachstum von nadelförmigen Karbiden. Dies führt letztendlich zu übermäßigen Unterschieden in den inneren und äußeren Stresszuständen. Unter starken äußeren Kräften treten zunächst hochdichte Versetzungen und Deformationszwillinge auf der Oberfläche des Hammerkopfes auf, die seine Festigkeit und Härte rasch erhöhen. Der weitere Anstieg des Unterschieds zwischen innerer und äußerer Spannung führt zu einer Versprödung der inneren Korngrenzen, was zu Rissen und Brüchen führt, die sich als Bruchversagen des Hammerkopfes äußern.

Aus prozesstechnischer Sicht muss daher zunächst sichergestellt werden, dass die Erwärmungstemperatur vor der Wasserhärtungsbehandlung des Hammerkopfes angemessen und ausreichend ist, um sicherzustellen, dass die Karbide vollständig oder größtenteils im Austenit aufgelöst werden. Nachdem der Hammerkopf aus dem Heizofen entfernt wurde, ist die Zeit, in der die Karbidausfällung ihren Höhepunkt erreicht. Wenn die Zeit vom Entfernen bis zum Eintauchen in Wasser lang ist, werden Karbide in großen Mengen ausgefällt und es werden schnell nadelförmige Karbide erzeugt. Bei unzureichender Kühlfestigkeit und unzureichender innerer Kühlübertragungsrate kommt es zu inneren Alterungseffekten, die zu erheblichem Kornwachstum und übermäßiger Karbidausfällung während des Nutzungsprozesses führen, was zu Korngrenzenrissen und Hammerkopfversagen führt. Daher sollte die Eintauchzeit des Gussstücks stark verkürzt werden, um so schnell wie möglich stabilen Austenit zu bilden, die Menge an Karbidausfällung zu reduzieren, das Auftreten retikulärer Karbide zu vermeiden und gleichzeitig das Wasservolumen zu erhöhen, um die Unterkühlung aufrechtzuerhalten und die innere Abkühlung zu beschleunigen, um das Auftreten übermäßiger Karbide zu vermeiden Karbidausfällung und das Vorhandensein übergroßer nadelförmiger Karbide unter Alterungsbedingungen, wodurch die Konsistenz der inneren und äußeren Struktur, die Korngrenzeneigenschaften und die Leistung des Hammerkopfs verbessert und seine Lebensdauer verlängert werden.

 

Optimierungsmaßnahmen

Basierend auf der obigen Analyse und Diskussion werden folgende Optimierungsmaßnahmen formuliert:

1. Reduzieren Sie den Zielwert für den C-Gehalt von Brecherhammerköpfen mit hohem Mangangehalt auf 1.25 % und den Zielwert für den Ti-Gehalt auf 0.15 %.
2. Fügen Sie einen Zielwert von 0.5 % Molybdän hinzu.
3. Die Heiztemperatur der Wasserhärtebehandlung des Brechhammers wurde auf 1060 °C erhöht, der Betrieb wurde optimiert und die Zeit vom Herauskommen des Brechhammers aus dem Ofen bis zum Eintritt ins Wasser wurde auf weniger als 40 Sekunden verkürzt.
4. Optimieren Sie die Wasserabschreckbedingungen, erhöhen Sie das Wassertankvolumen oder verwenden Sie temperaturgesteuertes Umlaufwasser mit großem Durchfluss, um die Kühlintensität sicherzustellen.

 

Implementierungseffekt

Mikrostruktur

Der optimierte Prozess produziert Mn18-Brecherhämmer, und Tabelle 2 zeigt die tatsächliche Zusammensetzung der Stahlschmelze.

Tabelle 2. Optimierte chemische Zusammensetzung des Mn18-Hammerkopfes (Gew.-%)
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Al	Ti
Beispielteile	1.18	0.36	17.87	0.018	0.012	1.04	0.51	0.11	0.14

Aus Tabelle 2 erreichen die Inhaltsstoffe den Optimierungszielbereich.

Nach Abschluss des Gussvorgangs wird der Brechhammer zerlegt. Die Organisation ist in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6 zeigt, dass nach der Optimierung sowohl der Zusammensetzung als auch des Prozesses die Struktur nahe der Oberfläche des Hammerkopfs gleichmäßiger wird. Die Korngröße liegt auf Stufe 2, während die Körner im Kernbereich etwa auf Stufe 1 liegen und deutliche Korngrenzenausfällungen aufweisen. Allerdings handelt es sich bei den Ausscheidungen hauptsächlich um blockartige Karbide, und die Länge der nadelförmigen Karbide liegt meist innerhalb von 10 μm, was auf eine deutliche Reduzierung des Kohlenstoffgehalts hinweist. Die Zugabe von Mo in Kombination mit Cr reduziert die Gesamtmenge an Ausscheidungen und optimiert deren Morphologie, was der Stabilität der Korngrenzen zuträglich ist. Darüber hinaus wurden keine TiN-ähnlichen blockartigen Einschlüsse beobachtet, die sich in Schichten zwischen den Niederschlägen ansammelten, was darauf hindeutet, dass die nachteiligen Auswirkungen solcher Einschlüsse in einem kontrollierbaren Bereich liegen.

Nach 18-monatigem Einsatz sind bei dieser Charge von Brechhämmern außer normalem Verschleiß an den Oberflächenenden keine Bruchschäden aufgetreten. Dies deutet auf eine deutliche Verbesserung der inneren und äußeren Qualität der Brechhämmer hin, was zu einer stabilen Verlängerung ihrer Lebensdauer führt.

Fazit

1. Risse entlang der Korngrenze im Querschnitt sind die direkte Ursache für den Hammerbruch des Mn18-Brechers, und der Hauptgrund ist die Ausfällung von Karbiden im Korngrenzennetzwerk, die durch eine unzureichende Abkühlgeschwindigkeit verursacht wird.
2. Wenn der Ti-Gehalt zu hoch ist, fällt eine große Menge quadratisches TiN aus und aggregiert an den Korngrenzen, was auch die Korngrenzenbindungskraft verringert und die Rissbildung an den Korngrenzen unter Einwirkung äußerer Kräfte fördert.
3. Durch die Verwendung von Cr- und Mo-Verbundlegierungen kann die Ausfällung von Korngrenzenkarbiden reduziert, die Morphologie der Karbide optimiert und die Ausfällung übergroßer nadelförmiger Karbide deutlich reduziert werden.
4. Maßnahmen wie die Optimierung des Wasserhärtungsprozesses auf der Grundlage einer Optimierung der Zusammensetzung werden ergriffen, um die Körner des Mn18-Hammers zu verfeinern, die Gesamtmenge und Form der Ausscheidungen zu kontrollieren und letztendlich die Betriebszeit zu verlängern.

Basierend auf der Analyse der Bruchgrenzflächeneigenschaften, der Morphologie und der metallografischen Struktur von Mangan-Brecherhämmern wurde festgestellt, dass Risse entlang der Korngrenzen, ein übermäßiger Ti-Gehalt und unangemessene Produktionsprozesse die Gründe für das Versagen sind. Durch die Reduzierung des Ti-Gehalts, die Erhöhung des Mo-Elements, die Änderung des Produktionsprozesses und andere Maßnahmen werden die Mikrostruktureigenschaften, die Gesamtmenge und die Morphologie der Ausscheidungen von Mn18-Brecherhämmern optimiert und der Betriebszyklus und die Stabilität des Hammerkopfes effektiv verbessert.