Ιστορικό
Ο πελάτης μας στις ΗΠΑ αγόρασε 98 σφυριά θραυστήρα μαγγανίου (Mn18) για τους κάθετους θραυστήρες τσιμέντου του. Μετά από έξι μήνες υπηρεσίας, κάποια εξαρτήματα έσπασαν και απέτυχαν. Ο πελάτης θέλει να αναλύσουμε την αιτία της θραύσης και να παρέχουμε βελτιστοποιημένα προϊόντα.
Ανάλυση συνθηκών εργασίας
Το σφυρί θραυστήρα είναι το βασικό συστατικό του σφυριού θραυστήρα και λόγω των συνθηκών εργασίας υψηλής πρόσκρουσης στον θραυστήρα, χάλυβας υψηλού μαγγανίου είναι το καταλληλότερο μεταλλικό υλικό για το σφυρί. Η σφυροκεφαλή στον θραυστήρα κλίνκερ τσιμέντου είναι κυρίως κατασκευασμένη από χάλυβα μαγγανίου υψηλής περιεκτικότητας σε Mn18. Κατά τη διαδικασία στερεοποίησης ενός σφυριού από χάλυβα υψηλής περιεκτικότητας σε μαγγάνιο, όταν το άθροισμα της εσωτερικής τάσης που δημιουργείται από τη συρρίκνωση ψύξης και της θερμικής τάσης που δημιουργείται από τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού του χυτού υπερβαίνει την αντοχή της περιοχής που επηρεάζεται από την τάση, θα προκύψουν ρωγμές στη χύτευση. Αυτές οι λεπτές ρωγμές μπορεί να γεμίσουν με στοιχεία διαλυμένης ουσίας από τη μια πλευρά, και από την άλλη, μπορεί να προκαλέσουν τη συσσώρευση εγκλεισμάτων, τα οποία και τα δύο θα σχηματίσουν ασυνεχείς ζώνες στη μήτρα του χάλυβα. Αυτές οι ρωγμές και τα εσωτερικά τους γεμίσματα δεν μπορούν να εξαλειφθούν κατά τη σκλήρυνση του νερού. Στις σκληρές και πολύπλοκες συνθήκες εργασίας μέσα στον θραυστήρα, η κατεύθυνση και η ένταση της κρούσης στην κεφαλή του σφυριού κατά τη λειτουργία του έχουν μια ορισμένη τυχαιότητα, οδηγώντας στη συνεχή επέκταση των διαφορών στα χαρακτηριστικά σκλήρυνσης της επιφανειακής εργασίας και στα χαρακτηριστικά μικροδομής διαφόρων τμημάτων του το σφυρί. Επιπλέον, οι υπάρχουσες λεπτές ρωγμές συνεχίζουν να διαδίδονται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας πρόσκρουσης κόπωσης, οδηγώντας τελικά σε ατυχήματα αστοχίας, όπως σπασίματα ή θραύση σφυριού, τα οποία επηρεάζουν τον συνολικό κύκλο ζωής.
Επιθεώρηση και ανάλυση αποτυχημένων σφυριών θραυστήρα υψηλής περιεκτικότητας σε μαγγάνιο
Δοκιμή συστατικών
Διαφορετικά μέρη χύτευσης ελήφθησαν για επιθεώρηση σύνθεσης και τα αποτελέσματα φαίνονται στον Πίνακα 1.
Πίνακας 1. Χημική σύνθεση σπασμένου σφυριού Mn18 | |||||||||
θέση | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Al | Ti |
επιφανειακό στρώμα | 1.42 | 0.36 | 17.62 | 0.019 | 0.014 | 1.02 | 0.07 | 0.09 | 0.48 |
μέρος της καρδιάς | 1.45 | 0.38 | 18.21 | 0.019 | 0.016 | 1.02 | 0.03 | 0.09 | 0.51 |
Στον Πίνακα 1, μπορεί να παρατηρηθεί ότι υπάρχει μια μικρή διαφορά στη σύνθεση μεταξύ της κεντρικής περιοχής και της επιφάνειας, η οποία αποδίδεται στον διαχωρισμό κατά τη διαδικασία στερεοποίησης. Το χρώμιο είναι ένα από τα στοιχεία που προστίθενται σε σχετικά μεγάλες ποσότητες στον χάλυβα υψηλής περιεκτικότητας σε μαγγάνιο και ο ρόλος του είναι επίσης αρκετά σαφής. Μετά την επεξεργασία σκλήρυνσης του νερού, το χρώμιο διαλύεται ως επί το πλείστον στη φάση ωστενίτη του χάλυβα υψηλής περιεκτικότητας σε μαγγάνιο, αυξάνοντας την αντοχή διαρροής του χάλυβα και επιταχύνοντας την κατακρήμνιση καρβιδίου κατά την ψύξη, συνήθως με αποτέλεσμα μια συνεχή δικτυωτή κατανομή καρβιδίων κατά μήκος των ορίων των κόκκων. Ο χάλυβας υψηλής περιεκτικότητας σε μαγγάνιο με πρόσθετο χρώμιο παρουσιάζει βελτιωμένη αντοχή στη φθορά όταν υποβάλλεται σε ισχυρή τριβή κρούσης, καθιστώντας τον κατάλληλο για χύτευση με σφυρί θραυστήρα.
Το τιτάνιο ανήκει στην κατηγορία των ζωτικών αναγωγικών στοιχείων στον λιωμένο χάλυβα. Σε χάλυβα Mn18 υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα και αζώτου, μπορεί να συνδυαστεί με C και N για να σχηματίσει ιζήματα. Εάν σχηματιστούν σωματίδια υψηλού σημείου τήξης, όπως TiN και Ti(C, N) πριν από τη στερεοποίηση, μπορούν να λειτουργήσουν ως μη αυθόρμητες ετερογενείς θέσεις πυρήνωσης για τον ωστενίτη, αυξάνοντας τον αριθμό των κόκκων ανά μονάδα όγκου και επομένως καθαρίζοντας το μέγεθος των κόκκων. Ως εκ τούτου, έχει γίνει σημαντική έρευνα και πρακτική εφαρμογή μικροκράματος τιτανίου σε χάλυβα υψηλής περιεκτικότητας σε μαγγάνιο. Στον χάλυβα Mn18 που περιγράφεται σε αυτό το άρθρο, προστέθηκε περίπου 0.5% τιτάνιο κατά την αρχική φάση σχεδιασμού.
Ανάλυση διεπαφής θραύσης σφυριών θραυστήρα
Από τον Πίνακα 2, τα συστατικά φτάνουν στο εύρος στόχου βελτιστοποίησης.
Μετά την ολοκλήρωση της χύτευσης, το σφυρί θραυστήρα τεμαχίζεται και η οργάνωση φαίνεται στο Σχήμα 6.
Το σχήμα 6 δείχνει ότι μετά τη βελτιστοποίηση τόσο της σύνθεσης όσο και της διαδικασίας, η δομή κοντά στην επιφάνεια της σφυροκεφαλής γίνεται πιο ομοιόμορφη. Το μέγεθος των κόκκων είναι στο επίπεδο 2, ενώ οι κόκκοι στην περιοχή του πυρήνα είναι περίπου στο επίπεδο 1, εμφανίζοντας διακριτή οριακή κατακρήμνιση κόκκων. Ωστόσο, τα ιζήματα είναι κυρίως μπλοκ καρβίδια και το μήκος των βελονοειδή καρβιδίων είναι ως επί το πλείστον εντός 10 μm, υποδηλώνοντας σωστή μείωση της περιεκτικότητας σε άνθρακα. Η προσθήκη Mo σε συνδυασμό με Cr μειώνει τη συνολική ποσότητα των ιζημάτων και βελτιστοποιεί τη μορφολογία τους, η οποία συμβάλλει στη σταθερότητα των ορίων των κόκκων. Επιπλέον, δεν παρατηρήθηκαν μπλοκ εγκλείσματα τύπου TiN να συσσωματώνονται σε φύλλα μεταξύ των ιζημάτων, υποδηλώνοντας ότι οι δυσμενείς επιπτώσεις τέτοιων εγκλεισμάτων είναι εντός ελεγχόμενου εύρους.
Μετά από 18 μήνες χρήσης, αυτή η παρτίδα σφυριών θραυστήρα δεν έχει υποστεί καμία βλάβη θραύσης εκτός από την κανονική φθορά στα άκρα της επιφάνειας. Αυτό υποδηλώνει σημαντική βελτίωση στην εσωτερική και εξωτερική ποιότητα των σφυριών θραυστήρα, που οδηγεί σε σταθερή παράταση του κύκλου ζωής τους.
Συμπέρασμα
- Η ρωγμή κατά μήκος του ορίου των κόκκων στη διατομή είναι η άμεση αιτία της θραύσης του σφυριού θραυστήρα Mn18 και ο θεμελιώδης λόγος είναι η κατακρήμνιση καρβιδίων του δικτύου ορίων κόκκων που προκαλείται από ανεπαρκή ρυθμό ψύξης.
- Εάν η περιεκτικότητα σε Ti είναι πολύ υψηλή, μια μεγάλη ποσότητα τετραγωνικού TiN θα κατακρημνιστεί και θα συσσωματωθεί στα όρια των κόκκων, γεγονός που θα μειώσει επίσης την οριακή δύναμη σύνδεσης των κόκκων και θα προωθήσει τη ρωγμή των ορίων κόκκων υπό την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων.
- Η χρήση σύνθετων κραμάτων Cr και Mo μπορεί να μειώσει την κατακρήμνιση των καρβιδίων στα όρια των κόκκων, να βελτιστοποιήσει τη μορφολογία των καρβιδίων και να μειώσει σημαντικά την καθίζηση υπερμεγέθων καρβιδίων που μοιάζουν με βελόνες.
- Μέτρα όπως η βελτιστοποίηση της διαδικασίας σκλήρυνσης του νερού με βάση τη βελτιστοποίηση της σύνθεσης υιοθετούνται για τη βελτίωση των κόκκων του σφυριού Mn18, τον έλεγχο της συνολικής ποσότητας και του σχήματος των ιζημάτων και τελικά την παράταση του χρόνου λειτουργίας.
Με βάση την ανάλυση των χαρακτηριστικών διεπαφής θραύσης, τη μορφολογία και τη μεταλλογραφική δομή των σφυριών θραυστήρα μαγγανίου, έχει προσδιοριστεί ότι οι ρωγμές κατά μήκος των ορίων των κόκκων, η υπερβολική περιεκτικότητα σε Ti και οι παράλογες διαδικασίες παραγωγής είναι οι λόγοι για την αποτυχία. Με τη μείωση της περιεκτικότητας σε Ti, την αύξηση του στοιχείου Mo, την αλλαγή της διαδικασίας παραγωγής και άλλα μέτρα, βελτιστοποιούνται τα χαρακτηριστικά μικροδομής, η συνολική ποσότητα και η μορφολογία των ιζημάτων των σφυριών θραυστήρα Mn18 και βελτιώνονται αποτελεσματικά ο κύκλος λειτουργίας και η σταθερότητα της σφυροκεφαλής.