Analyse des défaillances et recherche d'optimisation sur les marteaux concasseurs au manganèse

Présentation

Notre client américain a acheté 98 marteaux concasseurs de manganèse (Mn18) pour ses concasseurs verticaux de ciment. Après six mois de service, certaines pièces se sont cassées et sont tombées en panne. Le client souhaite que nous analysions la cause de la casse et lui fournissions des produits optimisés.

Analyse des conditions de travail

Le marteau du concasseur est le composant principal du concasseur à marteaux et, en raison des conditions de travail à fort impact dans le concasseur, acier au manganèse élevé est le matériau métallique le plus approprié pour le marteau. La tête de marteau du concasseur de clinker de ciment est principalement constituée d'acier au manganèse à haute teneur en Mn18. Au cours du processus de solidification d'un marteau en acier à haute teneur en manganèse, lorsque la somme de la contrainte interne générée par le retrait de refroidissement et de la contrainte thermique générée par la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur de la pièce moulée dépasse la résistance de la zone affectée par la contrainte, très bien des fissures se produiront dans le moulage. Ces fines fissures peuvent d'une part être remplies d'éléments solutés et d'autre part provoquer l'accumulation d'inclusions qui formeront toutes deux des zones discontinues dans la matrice de l'acier. Ces fissures et leurs remplissages internes ne peuvent être éliminés lors de la trempe à l'eau. Dans les conditions de travail difficiles et complexes à l'intérieur du concasseur, la direction et l'intensité de l'impact sur la tête du marteau pendant son fonctionnement présentent un certain caractère aléatoire, conduisant à une expansion continue des différences dans les caractéristiques d'écrouissage de surface et les caractéristiques de microstructure des diverses parties du concasseur. le marteau. De plus, les fines fissures existantes continuent de se propager au cours du processus d'impact par fatigue, conduisant finalement à des accidents de rupture tels que des fractures ou des bris de marteau, qui affectent le cycle de vie global.

Inspection et analyse des marteaux de concasseurs à haute teneur en manganèse en panne

Tests d'ingrédients

Différentes pièces moulées ont été prélevées pour l'inspection de la composition et les résultats sont présentés dans le tableau 1.

Dans le tableau 1, on peut observer qu'il existe une légère différence de composition entre la région centrale et la surface, attribuée à la ségrégation lors du processus de solidification. Le chrome est l'un des éléments ajoutés en quantités relativement importantes à l'acier à haute teneur en manganèse, et son rôle est également très clair. Après le traitement de trempe à l'eau, le chrome se dissout principalement dans la phase austénitique de l'acier à haute teneur en manganèse, augmentant la limite d'élasticité de l'acier et accélérant la précipitation des carbures pendant le refroidissement, ce qui entraîne généralement une distribution réticulaire continue des carbures le long des joints de grains. L'acier à haute teneur en manganèse additionné de chrome présente une résistance à l'usure améliorée lorsqu'il est soumis à une forte abrasion par impact, ce qui le rend approprié pour les pièces moulées avec marteaux de concasseur.

Le titane appartient à la catégorie des éléments réducteurs vitaux de l’acier en fusion. Dans l’acier Mn18 à haute teneur en carbone et en azote, il peut se combiner avec C et N pour former des précipités. Si des particules à point de fusion élevé telles que TiN et Ti (C, N) se forment avant la solidification, elles peuvent agir comme des sites de nucléation hétérogènes non spontanés pour l'austénite, augmentant le nombre de grains par unité de volume et affinant ainsi la taille des grains. Par conséquent, des recherches considérables ont été menées et des applications pratiques du micro-alliage de titane dans l’acier à haute teneur en manganèse. Dans l’acier Mn18 décrit dans cet article, environ 0.5 % de titane a été ajouté lors de la phase de conception initiale.

Analyse de l'interface de fracture des marteaux concasseurs

Après les inspections pertinentes, des marteaux concasseurs Mn18 ont été utilisés dans un concasseur vertical de ciment. Après une période de service de 6 mois, certains d'entre eux ont connu des ruptures de fracture. Des échantillons fracturés ont été analysés et les résultats pertinents sont présentés dans les figures 1 à 5.

• La figure 1 montre que la fracture s'est produite autour du trou de connexion du goujon du marteau, indiquant une fracture fragile transversale.
• La figure 2 révèle que la surface de fracture à différentes positions présente des caractéristiques typiques de fracture par clivage, indiquant une mauvaise ténacité au marteau. De plus, les inclusions irrégulières en forme de bloc sont largement réparties dans différentes sections, ce qui indique un nombre total relativement élevé de ces inclusions.
• Comme le montre la figure 3, dans la section normale de la structure, les grains sont relativement grossiers et des carbures en blocs sont précipités le long des joints de grains. Cependant, les limites globales des grains d’austénite semblent normales.
• Les figures 3 et 4 montrent que les grains dans la section normale du requin-marteau sont approximativement au niveau 0.5. En revanche, les grains proches de la surface de fracture sont plus gros, avec un diamètre moyen supérieur à 400 µm. Des carbures réticulaires continus se sont formés le long des joints de grains, et de nombreux carbures aciculaires se sont développés depuis les joints de grains jusque dans les grains. La surface de fracture présente des caractéristiques claires de fracture intergranulaire. Contrairement aux carbures sphériques, qui ont une structure cubique à face centrée, les carbures aciculaires ont une structure cubique centrée sur le corps. Les différentes caractéristiques structurelles conduisent à des différences significatives dans leurs propriétés physiques. Les carbures aciculaires fins (longueur ≤20 μm) sont bénéfiques pour stabiliser les joints de grains et optimiser les propriétés mécaniques de l'acier à haute teneur en manganèse, notamment la résistance aux chocs. Cependant, sur la figure 4, des carbures ultra longs et gris foncé pénétrant dans les grains indiquent qu'une transformation perlite se produira à l'intérieur de ceux-ci. En effet, dans certaines conditions de surfusion, les zones de précipitation concentrée de carbures formeront une structure mixte composée de Fe3C lamellaire et d'une petite quantité de ferrite (formée par la précipitation locale de carbures pour créer une région à faible teneur en carbone), connue sous le nom de perlite. Cette structure mixte a une faible liaison, ce qui entraîne une énergie d'absorption d'impact inférieure à celle d'une matrice austénitique uniforme. Lorsqu'elles sont soumises à de fortes forces externes, la ferrite aciculaire et les joints de grains dans lesquels elle se trouve deviennent des zones de concentration de contraintes, conduisant à des défauts tels que des fractures et des déchirures, aboutissant finalement à une rupture par fracture du marteau après une certaine période de service.
• La figure 5 montre que TiN et Ti (C, N) s'agrègent de manière continue et étendue dans une certaine zone, formant des régions discontinues dans la matrice en acier. Dans ce domaine, la résistance et la ténacité diminuent fortement. Au cours du processus de travail du requin-marteau, ces types d'inclusions deviennent des zones de concentration de contraintes évidentes. Ils agissent directement comme l'origine des fissures, s'étendant et s'étendant progressivement, conduisant finalement à la formation de fissures généralisées et provoquant une rupture par fracture du marteau.

 

Analyse et discussion

 

Effet de la composition chimique

Le carbone est l’un des éléments les plus importants de l’acier à haute teneur en manganèse. Sa présence facilite la formation d'une structure austénitique monophasée. Une grande quantité de carbone dissous dans l'austénite contribue également à augmenter la résistance de l'acier à haute teneur en manganèse. De plus, les carbures formés par le carbone et les éléments d'alliage tels que le Cr contribuent à améliorer la résistance à l'usure de l'acier à haute teneur en manganèse. Cependant, une teneur en carbone trop élevée va augmenter la tendance à la précipitation des carbures aux joints de grains, ce qui, dans les mêmes conditions, est préjudiciable à la stabilisation des joints de grains. Par conséquent, il est conseillé de réduire la teneur en carbone de manière appropriée sur la base du tableau 1.

L'ajout de Mo à l'acier à haute teneur en manganèse peut réduire la précipitation de carbures dans la structure brute de coulée et diminuer la tendance à former un réseau de carbures sur les joints de grains de l'austénite. Le molybdène peut également ralentir le taux de précipitation des carbures en forme d'aiguilles dans l'acier, abaissant ainsi leur température de précipitation. Ces effets sont bénéfiques pour améliorer la plasticité et la résistance de l’acier à haute teneur en manganèse à l’état brut de coulée. Ils peuvent compenser les défauts provoqués par l'ajout d'éléments en chrome. Par conséquent, Mo doit être ajouté de manière appropriée pour fonctionner en conjonction avec Cr, tirant ainsi parti des effets bénéfiques des deux éléments.

Les effets bénéfiques du micro-alliage de titane dans l’acier à haute teneur en manganèse évoqués dans cet article sont confirmés. Cependant, si la teneur en titane est trop élevée alors que la teneur en azote reste relativement stable, TiN et Ti(C, N) commencent à précipiter à 1400°C. Ils se forment et fusionnent de manière continue et étendue au sein du métal fondu ou dans la zone biphasique solide-liquide. Au fur et à mesure que la solidification se poursuit, ils s'agrègent constamment vers les joints de grains, avec une concentration en éléments solutés plus élevée et des phases à point de fusion relativement plus bas. Cette agrégation dépasse la quantité requise pour leur effet de fixation, réduisant ainsi la force de liaison initiale des joints de grains et même un détachement important entre la matrice d'acier et les joints de grains. Au cours du processus de travail du marteau, l'agrégation des inclusions devient une zone de concentration de contraintes importante, servant directement d'origine aux fissures, qui se propagent et s'étendent progressivement pour provoquer des fissures généralisées, conduisant finalement à une rupture du marteau.

Par conséquent, du point de vue de la composition, il est nécessaire de tirer pleinement parti des effets bénéfiques du TiN et du Ti (C, N) dans les pièces moulées de Mn18 tout en contrôlant les effets néfastes de leurs précipitations étendues et concentrées. La teneur en titane peut être réduite de manière appropriée en tenant compte des pratiques d'application matures des aciers faiblement alliés et des aciers moyennement alliés.

 

L'impact de la technologie des procédés

Pour produire un acier à haute teneur en manganèse avec de bonnes performances et une durée de vie stable, le contrôle du raffinement des grains d'austénite et de la morphologie des carbures sont deux points de contrôle clés. Au cours du processus de refroidissement et de cristallisation de l'acier à haute teneur en manganèse, les carbures réticulaires et aciculaires précipitent généralement le long des joints de grains, les carbures aciculaires se développant vers l'intérieur. Cependant, si la pièce moulée est trop grande et que le temps entre le chauffage et le traitement de trempe à l'eau est trop long et que la pénétration du refroidissement pendant le traitement de trempe à l'eau est insuffisante, ce qui entraîne un séjour prolongé dans la zone à haute température (≥500°C), cela conduira à une croissance continue des grains d'austénite, à une précipitation continue des carbures intergranulaires et à une croissance continue des carbures aciculaires. Cela conduit finalement à des différences excessives entre les états de stress internes et externes. Sous l'effet de fortes forces externes, des dislocations à haute densité et des jumelages de déformation apparaissent d'abord à la surface du requin-marteau, augmentant rapidement sa résistance et sa dureté. L'augmentation supplémentaire de la différence de contrainte interne et externe conduit à une fragilisation des joints de grains internes, entraînant une déchirure et une fracturation, se manifestant par une rupture par fracture du marteau.

Par conséquent, du point de vue du processus, il est d'abord nécessaire de s'assurer que la température de chauffage avant le traitement de trempe à l'eau du marteau est raisonnable et suffisante, garantissant ainsi que les carbures sont complètement ou principalement dissous dans l'austénite. Une fois le marteau retiré du four de chauffage, c'est la période de pointe de précipitation du carbure. Si le temps écoulé entre le retrait et l'immersion dans l'eau est long, les carbures précipiteront en grandes quantités et des carbures aciculaires seront rapidement produits. Avec une force de refroidissement insuffisante et un taux de transfert de refroidissement interne inadéquat, des effets de vieillissement interne se produisent, entraînant une croissance importante des grains et une précipitation excessive de carbure pendant le processus d'utilisation, conduisant à des fissures aux limites des grains et à une défaillance de la tête de marteau. Par conséquent, le temps d'immersion de coulée doit être considérablement réduit pour former une austénite stable le plus rapidement possible, réduire la quantité de précipitation de carbure, éviter l'apparition de carbures réticulaires tout en augmentant le volume d'eau pour maintenir la surfusion et accélérer le refroidissement interne, évitant ainsi l'apparition d'un refroidissement excessif. la précipitation de carbure et la présence de carbures aciculaires surdimensionnés dans des conditions de vieillissement, améliorant ainsi la cohérence de la structure interne et externe, les caractéristiques des joints de grains et les performances du marteau, et prolongeant sa durée de vie.

 

Mesures d'optimisation

Sur la base de l'analyse et de la discussion ci-dessus, les mesures d'optimisation suivantes sont formulées :

1. Réduire l'objectif de teneur en C des têtes de marteaux de broyeur à haute teneur en manganèse à 1.25 % et l'objectif de teneur en Ti à 0.15 %.
2. Ajoutez une valeur cible de 0.5% de molybdène.
3. La température de chauffage du traitement de trempe à l'eau du marteau du concasseur a été augmentée à 1060 40 °C, le fonctionnement a été optimisé et le temps écoulé entre la sortie du marteau du concasseur et son entrée dans l'eau a été réduit à moins de XNUMX secondes.
4. Optimisez les conditions de trempe de l'eau, augmentez le volume du réservoir d'eau ou utilisez de l'eau en circulation à température contrôlée à grand débit pour garantir l'intensité du refroidissement.

 

Effet de mise en œuvre

Microstructure

Le processus optimisé produit des marteaux concasseurs Mn18 et le tableau 2 montre la composition réelle de l'acier fondu.

Tableau 2. Composition chimique optimisée de la tête de marteau Mn18 (% en poids)
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Al	Ti
Échantillon de pièces	1.18	0.36	17.87	0.018	0.012	1.04	0.51	0.11	0.14

D'après le tableau 2, les ingrédients atteignent la plage cible d'optimisation.

Une fois la coulée terminée, le marteau du concasseur est disséqué et l'organisation est illustrée à la figure 6.

La figure 6 montre qu'après avoir optimisé à la fois la composition et le processus, la structure près de la surface du requin-marteau devient plus uniforme. La taille des grains est au niveau 2, tandis que les grains dans la région centrale sont environ au niveau 1, montrant des précipitations distinctes aux limites des grains. Cependant, les précipités sont principalement des carbures en blocs et la longueur des carbures aciculaires est généralement inférieure à 10 µm, ce qui indique une réduction appropriée de la teneur en carbone. L'ajout de Mo en combinaison avec du Cr réduit la quantité totale de précipités et optimise leur morphologie, ce qui favorise la stabilité des joints de grains. De plus, aucune inclusion en bloc de type TiN n’a été observée s’agrégeant en feuilles parmi les précipités, ce qui suggère que les effets néfastes de telles inclusions se situent dans une plage contrôlable.

Après 18 mois d'utilisation, ce lot de marteaux broyeurs n'a connu aucune rupture par fracture en dehors de l'usure normale des extrémités superficielles. Cela indique une amélioration significative de la qualité interne et externe des marteaux concasseurs, conduisant à une prolongation stable de leur cycle de vie.

Conclusion

1. La fissuration le long de la limite des grains au niveau de la section transversale est la cause directe de la fracture du marteau du concasseur Mn18, et la raison fondamentale est la précipitation des carbures du réseau limite des grains causée par une vitesse de refroidissement insuffisante.
2. Si la teneur en Ti est trop élevée, une grande quantité de TiN carré précipitera et s'agrégera aux joints de grains, ce qui diminuera également la force de liaison aux joints de grains et favorisera la fissuration des joints de grains sous l'action de forces externes.
3. L'utilisation d'alliages composites Cr et Mo peut réduire la précipitation des carbures aux limites des grains, optimiser la morphologie des carbures et réduire considérablement la précipitation des carbures en forme d'aiguilles surdimensionnés.
4. Des mesures telles que l'optimisation du processus de trempe à l'eau basée sur l'optimisation de la composition sont adoptées pour affiner les grains du marteau Mn18, contrôler la quantité totale et la forme des précipités et, finalement, prolonger la durée de service.

Sur la base de l'analyse des caractéristiques de l'interface de fracture, de la morphologie et de la structure métallographique des marteaux concasseurs de manganèse, il a été déterminé que la fissuration le long des joints de grains, une teneur excessive en Ti et des processus de production déraisonnables sont les raisons de l'échec. En réduisant la teneur en Ti, en augmentant l'élément Mo, en modifiant le processus de production et d'autres mesures, les caractéristiques de microstructure, la quantité totale et la morphologie des précipités des marteaux concasseurs Mn18 sont optimisées, et le cycle de service et la stabilité du marteau sont efficacement améliorés.