Contexte
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.
Tableau 1. Composition chimique du marteau brisé en Mn18 | |||||||||
Position | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Al | Ti |
Couche de surface | 1.42 | 0.36 | 17.62 | 0.019 | 0.014 | 1.02 | 0.07 | 0.09 | 0.48 |
partie coeur | 1.45 | 0.38 | 18.21 | 0.019 | 0.016 | 1.02 | 0.03 | 0.09 | 0.51 |
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
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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.