Mangaanimurskainvasaroiden vikaanalyysi- ja optimointitutkimus

Tausta

Yhdysvaltalainen asiakkaamme osti 98 mangaanimurskainvasaraa (Mn18) sementtimurskaimiinsa. Kuuden kuukauden palvelun jälkeen jotkut osat rikkoutuivat ja epäonnistuivat. Asiakas haluaa, että analysoimme rikkoontumisen syyn ja tarjoamme optimoidut tuotteet.

Toimintakunnon analyysi

Murskainvasara on vasaramurskaimen ydinkomponentti, ja murskaimen voimakkaiden työolosuhteiden vuoksi korkea mangaaniteräs on sopivin metallimateriaali vasaralle. Sementtiklinkkerimurskaimen vasarapää on valmistettu pääasiassa mangaanipitoisesta teräksestä, jossa on korkea Mn18. Runsasmangaaniteräsvasaran jähmettymisprosessin aikana, kun jäähtymisen kutistumisen aiheuttaman sisäisen jännityksen ja valukappaleen sisä- ja ulkopuolen lämpötilaeron synnyttämän lämpöjännityksen summa ylittää jännityksen vaikutuksen alaisen alueen lujuuden, hieno valussa syntyy halkeamia. Nämä hienot halkeamat voivat toisaalta täyttyä liuenneilla aineilla, toisaalta ne voivat aiheuttaa sulkeumien kerääntymistä, jotka molemmat muodostavat epäjatkuvia vyöhykkeitä teräsmatriisiin. Näitä halkeamia ja niiden sisäisiä täytteitä ei voida poistaa vesikarkaisun aikana. Kovissa ja monimutkaisissa työolosuhteissa murskaimen sisällä vasaran päähän sen käytön aikana kohdistuvan iskun suunnalla ja voimakkuudella on tietty sattumanvaraisuus, mikä johtaa jatkuvaan pintatyön kovettumisominaisuuksien ja eri osien mikrorakenteen ominaisuuksien erojen laajenemiseen. vasara. Lisäksi olemassa olevat hienot halkeamat jatkavat etenemistä väsymisiskuprosessin aikana, mikä johtaa lopulta vikaonnettomuuksiin, kuten murtumiin tai vasaran rikkoutumiseen, mikä vaikuttaa koko käyttöikään.

Viallisten runsaan mangaanipitoisten murskainvasaroiden tarkastus ja analysointi

Ainesosien testaus

Koostumustarkastukseen otettiin erilaisia ​​valuosia, ja tulokset on esitetty taulukossa 1.

Taulukosta 1 voidaan havaita, että keskialueen ja pinnan koostumuksessa on pieni ero, mikä johtuu jähmettymisprosessin aikana tapahtuvasta segregaatiosta. Kromi on yksi alkuaineista, joita lisätään suhteellisen suuria määriä runsasmangaanipitoiseen teräkseen, ja sen rooli on myös melko selvä. Vesikarkaisukäsittelyn jälkeen kromi liukenee enimmäkseen runsasmangaanipitoisen teräksen austeniittifaasiin, mikä lisää teräksen myötörajaa ja kiihdyttää karbidin saostumista jäähdytyksen aikana, mikä tyypillisesti johtaa karbidien jatkuvaan retikulaariseen jakautumiseen raereajoilla. Runsasmangaaniteräs, johon on lisätty kromia, parantaa kulutuskestävyyttä voimakkaassa iskuhankauksessa, mikä tekee siitä sopivan murskausvasaravaluihin.

Titaani kuuluu sulan teräksen tärkeiden pelkistysaineiden luokkaan. Hiilipitoisessa ja typpipitoisessa Mn18-teräksessä se voi yhdistyä C:n ja N:n kanssa muodostaen sakkaa. Jos korkean sulamispisteen hiukkasia, kuten TiN ja Ti(C,N), muodostuu ennen kiinteytymistä, ne voivat toimia ei-spontaaniina heterogeenisina austeniitin ydintymiskohtina, mikä lisää raemäärää tilavuusyksikköä kohti ja jalostaa siten raekokoa. Siksi titaanin mikroseoksesta on tehty paljon tutkimusta ja käytännön soveltamista runsasmangaanipitoisessa teräksessä. Tässä artikkelissa kuvattuun Mn18-teräkseen lisättiin suunnitteluvaiheessa noin 0.5 % titaania.

Murskainvasaroiden murtumisrajapinnan analyysi

Asianmukaisten tarkastusten jälkeen Mn18-murskainvasaroita käytettiin sementtipystymurskaimessa. Kuuden kuukauden palvelujakson jälkeen osa heistä koki murtumia. Murtuneet näytteet analysoitiin, ja asiaankuuluvat tulokset on esitetty kuvissa 6-1.

• Kuvasta 1 näkyy, että murtuma tapahtui vasaran tapin liitosreiän ympärillä, mikä viittaa poikittaiseen hauraaseen murtumaan.
• Kuva 2 paljastaa, että murtumispinnalla eri kohdissa on tyypillisiä halkeamismurtumaominaisuuksia, mikä osoittaa vasaran huonoa sitkeyttä. Lisäksi epäsäännölliset lohkon muotoiset sulkeumat ovat jakautuneet laajalti eri osiin, mikä osoittaa tällaisten sulkeumien suhteellisen suuren kokonaismäärän.
• Kuten kuvasta 3 näkyy, rakenteen normaalissa osassa rakeet ovat suhteellisen karkeita ja raerajoja pitkin saostuu lohkomaisia ​​karbideja. Yleiset austeniitin raeraajat näyttävät kuitenkin normaaleilta.
• Kuvat 3 ja 4 osoittavat, että vasaranpään normaaliosassa olevat jyvät ovat noin 0.5 tasolla. Sitä vastoin murtumispinnan lähellä olevat rakeet ovat suurempia, ja niiden keskimääräinen raehalkaisija on yli 400 μm. Jatkuvia verkkomaisia ​​karbideja on muodostunut raerajoille, ja monet neulamaiset karbidit ovat kasvaneet raerajoilta rakeiksi. Murtumispinnalla on selkeät rakeiden väliset murtumisominaisuudet. Toisin kuin pallomaisilla karbidilla, joilla on kasvokeskeinen kuutiorakenne, neulamaisilla karbidilla on runkokeskeinen kuutiorakenne. Erilaiset rakenteelliset ominaisuudet johtavat merkittäviin eroihin niiden fysikaalisissa ominaisuuksissa. Hienot neulakarbidit (pituus ≤20 μm) ovat hyödyllisiä raerajojen stabiloinnissa ja korkeamangaanipitoisen teräksen mekaanisten ominaisuuksien, erityisesti iskunkestävyyden, optimoinnissa. Kuitenkin kuvassa 4 rakeiden läpi tunkeutuvat erittäin pitkät, syvänharmaat karbidit osoittavat, että perliitti muuttuu niiden sisällä. Tämä johtuu siitä, että tietyissä alijäähdytysolosuhteissa alueet, joissa on väkevää karbidisaostusta, muodostavat sekarakenteen, joka koostuu lamellisesta Fe3C:stä ja pienestä määrästä ferriittiä (joka muodostuu karbidien paikallisesta saostumisesta vähähiilisen alueen luomiseksi), joka tunnetaan nimellä perliitti. Tällä sekarakenteella on heikko sitoutuminen, mikä johtaa pienempään iskunvaimennusenergiaan kuin yhtenäisellä austeniittimatriisilla. Kun se altistuu voimakkaille ulkoisille voimille, sekä neulamainen ferriitti että raerajat, joissa se sijaitsee, muuttuvat jännityskeskittymisvyöhykkeiksi, mikä johtaa vaurioihin, kuten murtumiin ja repeytymiseen, mikä lopulta johtaa vasaranpään murtumiseen tietyn käyttöajan jälkeen.
• Kuvasta 5 näkyy, että TiN ja Ti(C,N) aggregoituvat jatkuvasti ja laajasti tietyllä alueella muodostaen epäjatkuvia alueita teräsmatriisiin. Tällä alueella sekä lujuus että sitkeys laskevat jyrkästi. Vasaranpään työskentelyprosessin aikana tämäntyyppisistä sulkeumuksista tulee ilmeisiä jännityskeskittymisvyöhykkeitä. Ne toimivat suoraan halkeamien alkulähteenä ja laajenevat vähitellen ja johtavat lopulta laajalle levinneeseen halkeamien muodostumiseen ja aiheuttavat vasaranpään murtuman.

 

Analyysi ja keskustelu

 

Kemiallisen koostumuksen vaikutus

Hiili on yksi runsaan mangaanipitoisen teräksen tärkeimmistä alkuaineista. Sen läsnäolo helpottaa yksivaiheisen austeniittirakenteen muodostumista. Suuri määrä austeniittiin liuennutta hiiltä auttaa myös lisäämään runsasmangaanipitoisen teräksen lujuutta. Lisäksi hiilen ja seosaineiden, kuten Cr:n, muodostamat karbidit parantavat korkeamangaanipitoisen teräksen kulutuskestävyyttä. Liian korkea hiilipitoisuus lisää kuitenkin taipumusta karbidin saostumiseen raerajoilla, mikä samoissa olosuhteissa on haitallista raerajojen vakauttamiseksi. Siksi on suositeltavaa vähentää hiilipitoisuutta asianmukaisesti taulukon 1 perusteella.

Mo:n lisääminen runsasmangaanipitoiseen teräkseen voi vähentää karbidien saostumista valurakenteessa ja vähentää taipumusta muodostaa karbidien verkosto austeniitin raerajoille. Molybdeeni voi myös hidastaa teräksen neulamaisten karbidien saostumisnopeutta ja alentaa niiden saostumislämpötilaa. Nämä vaikutukset ovat hyödyllisiä parannettaessa runsasmangaanipitoisen teräksen plastisuutta ja lujuutta valutilassa. Ne voivat kompensoida kromielementtien lisäämisen aiheuttamia puutteita. Siksi Mo:ta tulisi lisätä asianmukaisesti, jotta se toimisi yhdessä Cr:n kanssa hyödyntäen molempien alkuaineiden hyödyllisiä vaikutuksia.

Tässä artikkelissa käsitellyt titaanin mikroseoksen hyödylliset vaikutukset runsasmangaanipitoisessa teräksessä vahvistetaan. Kuitenkin, jos titaanipitoisuus on liian korkea ja typpipitoisuus pysyy suhteellisen vakaana, TiN ja Ti(C, N) alkavat saostua 1400°C:ssa. Ne muodostuvat ja sulautuvat jatkuvasti ja laajasti metallisulassa tai kiinteä-neste-kaksifaasivyöhykkeessä. Kiinteytymisen jatkuessa ne aggregoituvat jatkuvasti kohti raerajaa, jolloin liuenneen aineen pitoisuus on korkeampi ja sulamispistefaasit ovat suhteellisen alhaiset. Tämä aggregaatio ylittää niiden kiinnitysvaikutuksen vaatiman määrän, mikä vähentää alkuperäistä raerajaa sitovaa voimaa ja jopa vakavaa irtoamista teräsmatriisin ja raerajajen välillä. Vasaranpään työskentelyprosessin aikana sulkeumien aggregaatiosta tulee merkittävä jännityskeskittymisalue, joka toimii suoraan halkeamien lähtökohtana, jotka vähitellen leviävät ja laajenevat aiheuttaen laajalle levinneitä halkeamia, mikä lopulta johtaa vasaranpään vaurioitumiseen.

Siksi koostumuksen näkökulmasta on välttämätöntä hyödyntää täysimääräisesti TiN:n ja Ti(C, N):n hyödyllisiä vaikutuksia Mn18-valuissa samalla kun hallitaan niiden laajan ja keskittyneen saostumisen haitallisia vaikutuksia. Titaanipitoisuutta voidaan vähentää sopivasti ottamalla huomioon niukkaseosteisten ja keskiseosteisten terästen kypsät käyttötavat.

 

Prosessiteknologian vaikutus

Korkean mangaanipitoisen teräksen tuottamiseksi, jolla on hyvä suorituskyky ja vakaa käyttöikä, austeniittirakeiden jalostuksen ja karbidien morfologian hallinta ovat kaksi keskeistä valvontapistettä. Runsaasti mangaanipitoisen teräksen jäähdytys- ja kiteytymisprosessin aikana sekä verkkomaiset että neulamaiset karbidit saostuvat tyypillisesti raerajoja pitkin neulamaisten karbidien kasvaessa sisäänpäin. Jos valu on kuitenkin liian suuri ja aika lämmittämisestä vesikarkaisukäsittelyyn on liian pitkä ja jäähdytyksen tunkeutuminen vesikarkaisukäsittelyn aikana on riittämätön, mikä johtaa pitkäaikaiseen oleskeluun korkean lämpötilan alueella (≥500 °C), se johtaa austeniittirakeiden jatkuvaan kasvuun, raerajakarbidien jatkuvaan saostumiseen ja neulamaisten karbidien jatkuvaan kasvuun. Tämä johtaa viime kädessä liiallisiin eroihin sisäisissä ja ulkoisissa jännitystiloissa. Voimakkaiden ulkoisten voimien vaikutuksesta vasaranpään pinnalle ilmaantuu ensin tiheästi dislokaatioita ja muodonmuutoksia, jotka lisäävät nopeasti sen lujuutta ja kovuutta. Sisäisen ja ulkoisen jännityksen eron lisääntyminen edelleen johtaa sisäisten raerajojen haurastumiseen, mikä johtaa repeytymiseen ja murtumiseen, joka ilmenee vasaranpään murtumisvauriona.

Siksi prosessin näkökulmasta on ensin varmistettava, että kuumennuslämpötila ennen vasaranpään vesikarkaisukäsittelyä on kohtuullinen ja riittävä, jolloin varmistetaan, että karbidit liukenevat kokonaan tai suurimmaksi osaksi austeniittiin. Kun vasaranpää on poistettu lämmitysuunista, on kovametallisaostumisen huippujakso. Jos aika poistamisesta veteen upottamiseen on pitkä, karbideja saostuu suuria määriä ja neulamaisia ​​karbideja muodostuu nopeasti. Riittämättömällä jäähdytysvoimalla ja riittämättömällä sisäisen jäähdytyksen siirtonopeudella esiintyy sisäisiä ikääntymisvaikutuksia, jotka johtavat merkittävään rakeiden kasvuun ja liialliseen kovametallisaostumiseen käyttöprosessin aikana, mikä johtaa raerajojen halkeilemiseen ja vasaranpään rikkoutumiseen. Siksi valun upotusaikaa tulisi lyhentää huomattavasti vakaan austeniitin muodostamiseksi mahdollisimman nopeasti, karbidin saostumisen vähentämiseksi, verkkomaisten karbidien esiintymisen välttämiseksi samalla, kun vesimäärää lisätään alijäähdytyksen ylläpitämiseksi ja sisäisen jäähdytyksen nopeuttamiseksi välttäen liiallisen jäähdytyksen esiintymistä. kovametallin saostuminen ja ylimitoitettu neulamainen karbidien esiintyminen vanhenemisolosuhteissa, mikä parantaa vasaranpään sisä- ja ulkorakenteen yhtenäisyyttä, raerajojen ominaisuuksia ja suorituskykyä sekä pidentää sen käyttöikää.

 

Optimointitoimenpiteet

Yllä olevan analyysin ja keskustelun perusteella muotoillaan seuraavat optimointitoimenpiteet:

1. Vähennä korkea mangaanipitoisten murskaimien vasaran päiden C-pitoisuustavoite 1.25 prosenttiin ja Ti-pitoisuuden tavoite 0.15 prosenttiin.
2. Lisää tavoitearvo 0.5 % molybdeeniä.
3. Murskausvasaran vesikarkistuskäsittelyn kuumennuslämpötila nostettiin 1060°C:een, toiminta optimoitiin ja aika murskaimen vasaran uunista ulostulosta veteen tuloon lyhennettiin alle 40 sekuntiin.
4. Optimoi veden sammutusolosuhteet, lisää vesisäiliön tilavuutta tai käytä suuren virtauksen lämpötilasäädeltyä kiertovettä jäähdytyksen tehokkuuden varmistamiseksi.

 

Toteutusvaikutus

mikrorakenne

Optimoitu prosessi tuottaa Mn18 murskainvasaroita, ja taulukossa 2 on esitetty sulan teräksen todellinen koostumus.

Taulukko 2. Optimoitu Mn18-vasaran pään kemiallinen koostumus (paino-%)
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Al	Ti
Näyteosat	1.18	0.36	17.87	0.018	0.012	1.04	0.51	0.11	0.14

Taulukosta 2 alkaen ainesosat saavuttavat optimointitavoitealueen.

Kun valu on valmis, murskausvasara leikataan, ja organisaatio näkyy kuvassa 6.

Kuvassa 6 näkyy, että sekä koostumuksen että prosessin optimoinnin jälkeen rakenteesta vasaranpään pinnan lähellä tulee yhtenäisempi. Raekoko on tasolla 2, kun taas ydinalueen jyvät ovat noin tasolla 1, mikä osoittaa selkeää raerajojen sademäärää. Saostumat ovat kuitenkin pääasiassa lohkokarbideja, ja neulakarbidien pituus on enimmäkseen 10 μm:n sisällä, mikä viittaa asianmukaiseen hiilipitoisuuden vähenemiseen. Mo:n lisääminen yhdessä Cr:n kanssa vähentää saostumien kokonaismäärää ja optimoi niiden morfologiaa, mikä edistää raerajojen stabiilisuutta. Lisäksi ei havaittu TiN:n kaltaisten lohkeisten sulkeumien aggregoituvan levyiksi saostumien joukkoon, mikä viittaa siihen, että tällaisten sulkeumien haitalliset vaikutukset ovat hallittavissa olevilla alueilla.

18 kuukauden käytön jälkeen tämä murskausvasara-erä ei ole kokenut murtumisvaurioita, paitsi normaalin pinnan päiden kulumisen. Tämä osoittaa murskainvasaroiden sisäisen ja ulkoisen laadun parantuneen merkittävästi, mikä johtaa niiden käyttöiän vakaaseen pidentymiseen.

Yhteenveto

1. Halkeilu raerajaa pitkin poikkileikkauksella on suora syy Mn18 murskaimen vasaran murtumiseen ja perustavanlaatuinen syy on riittämättömän jäähdytysnopeuden aiheuttama raerajaverkoston karbidien saostuminen.
2. Jos Ti-pitoisuus on liian korkea, saostuu ja aggregoituu suuri määrä neliömäistä TiN:ää raerajoille, mikä myös vähentää raerajojen sidosvoimaa ja edistää raerajojen halkeilua ulkoisten voimien vaikutuksesta.
3. Cr- ja Mo-komposiittiseosten käyttö voi vähentää raerajakarbidien saostumista, optimoida karbidien morfologiaa ja vähentää merkittävästi ylimitoitettujen neulamaisten karbidien saostumista.
4. Toimenpiteitä, kuten koostumuksen optimointiin perustuva vesikarkaisuprosessin optimointi, käytetään Mn18-vasaran rakeiden jalostamiseksi, saostumien kokonaismäärän ja muodon hallitsemiseksi ja viime kädessä käyttöajan pidentämiseksi.

Mangaanimurskainvasaroiden murtumisrajapinnan ominaisuuksien, morfologian ja metallografisen rakenteen analyysin perusteella on todettu, että raerajoja pitkin tapahtuva halkeilu, liiallinen Ti-pitoisuus ja kohtuuttomat tuotantoprosessit ovat syynä epäonnistumiseen. Ti-pitoisuutta vähentämällä, Mo-elementtiä lisäämällä, tuotantoprosessia muuttamalla ja muilla toimenpiteillä optimoidaan Mn18-murskainvasaroiden saostumien mikrorakenteen ominaisuudet, kokonaismäärä ja morfologia sekä parannetaan tehokkaasti vasaran pään käyttösykliä ja vakautta.