マンガンクラッシャーハンマーの故障解析と最適化研究

経歴

当社の米国の顧客は、セメント垂直クラッシャー用に 98 個のマンガンクラッシャー ハンマー (Mn18) を購入しました。半年使用後、いくつかの部品が壊れて故障しました。お客様は破損の原因を解析し、最適な製品を提供して欲しいと考えています。

作動状況分析

クラッシャーハンマーはハンマークラッシャーの中核部品であり、クラッシャー内での衝撃の大きい作業条件により、 高マンガン鋼 ハンマーに最適な金属素材です。セメントクリンカークラッシャーのハンマーヘッドは主に Mn18 高マンガン鋼で作られています。高マンガン鋼ハンマーの凝固過程において、冷却収縮により発生する内部応力と鋳物内外の温度差により発生する熱応力の和が応力影響部の強度を超えると、微細な鋳物にクラックが発生します。これらの微細な亀裂は、一方では溶質元素で満たされる可能性があり、他方では介在物の蓄積を引き起こす可能性があり、その両方が鋼マトリックス内に不連続ゾーンを形成します。これらの亀裂とその内部の充填物は、水強化中に除去することはできません。破砕機内の過酷で複雑な作業条件では、作動中にハンマーヘッドに加わる衝撃の方向と強さには一定のランダム性があり、その結果、破砕機の各部の表面加工硬化特性や微細組織特性の差異が拡大し続けます。ハンマー。さらに、既存の微細な亀裂は疲労衝撃過程で伝播し続け、最終的には破断やハンマー折損などの破損事故につながり、寿命全体に影響を与えます。

故障した高マンガン破砕ハンマーの検査と分析

成分検査

さまざまな鋳造部品を組成検査のために採取しました。結果を表 1 に示します。

表 1 では、中心領域と表面の間に組成にわずかな違いがあることが観察できますが、これは凝固プロセス中の偏析に起因すると考えられます。クロムは高マンガン鋼に比較的多量に添加される元素の一つであり、その役割も極めて明らかです。水強化処理後、クロムの大部分は高マンガン鋼のオーステナイト相に溶解し、鋼の降伏強度が増加し、冷却中の炭化物の析出が促進され、通常、結晶粒界に沿って炭化物の連続的な網状分布が生じます。クロムを添加した高マンガン鋼は、強い衝撃摩耗に対して耐摩耗性が向上し、クラッシャーハンマーの鋳物に適しています。

チタンは、溶鋼中の重要な還元元素のカテゴリーに属します。高炭素、高窒素の Mn18 鋼では、C および N と結合して析出物を形成することがあります。 TiN や Ti(C,N) などの高融点粒子が凝固前に形成される場合、それらはオーステナイトの非自然発生核生成サイトとして機能し、単位体積あたりの粒子の数が増加し、粒子サイズが微細化されます。したがって、高マンガン鋼におけるチタンマイクロ合金化のかなりの研究と実用化が行われてきました。この記事で説明する Mn18 鋼では、初期設計段階で約 0.5% のチタンが添加されました。

クラッシャーハンマーの破面解析

関連する検査の後、Mn18 クラッシャーハンマーがセメント縦型クラッシャーで使用されました。 6 か月の勤務期間の後、一部の人は骨折故障を経験しました。破壊されたサンプルが分析され、関連する結果が図 1 ～ 5 に示されています。

• 図 1 は、ハンマーのスタッド接続穴の周囲で破壊が発生したことを示しており、横方向脆性破壊を示しています。
• 図 2 は、さまざまな位置の破断面が典型的なへき開破壊特性を示し、ハンマー靱性が低いことを示しています。さらに、不規則なブロック状の介在物がさまざまなセクションに広く分布しており、そのような介在物の総数が比較的多いことを示しています。
• 図３に示すように、組織の正常断面では、結晶粒は比較的粗大であり、粒界に沿ってブロック状の炭化物が析出している。ただし、全体的なオーステナイト粒界は正常に見えます。
• 図 3 と図 4 は、ハンマーヘッドの通常の部分の粒子が約 0.5 レベルであることを示しています。対照的に、破断面付近の結晶粒は大きくなり、平均粒径は 400 μm を超えます。連続した網状炭化物が粒界に沿って形成されており、多くの針状炭化物が粒界から粒内に成長している。破面は明確な粒界破壊特性を示します。面心立方構造を有する球状炭化物とは異なり、針状炭化物は体心立方構造を有する。構造特性の違いにより、物理的特性に大きな違いが生じます。微細な針状炭化物（長さ ≤ 20 μm）は、粒界を安定化し、高マンガン鋼の機械的特性、特に衝撃靱性を最適化するのに有益です。ただし、図 4 では、粒子を貫通する超長い濃い灰色の炭化物が、内部でパーライト変態が起こることを示しています。これは、特定の過冷却条件下では、炭化物が集中して析出する領域が、パーライトとして知られる層状のFe3Cと少量のフェライト（低炭素領域を形成するために炭化物が局所的に析出することによって形成される）からなる混合組織を形成するためである。この混合組織は結合が弱いため、均一なオーステナイト母材よりも衝撃吸収エネルギーが低くなります。強い外力を受けると、アシキュラーフェライトとアシキュラーフェライトが存在する粒界の両方が応力集中部となり、割れや引き裂きなどの欠陥が発生し、最終的には一定期間の使用後にハンマーヘッドの破壊破壊につながります。
• 図 5 は、TiN と Ti(C,N) が特定の領域で連続的かつ広範囲に凝集し、鋼マトリックス内に不連続領域を形成していることを示しています。この領域では、強度と靭性の両方が急激に低下します。ハンマーヘッドの加工プロセス中、この種の介在物は明らかな応力集中ゾーンになります。これらは亀裂の起点として直接作用し、徐々に拡大して広がり、最終的に広範囲にわたる亀裂の形成につながり、ハンマーヘッドの破壊破壊を引き起こします。

 

分析と考察

 

化学組成の影響

炭素は高マンガン鋼の最も重要な元素の 1 つです。その存在により、単相オーステナイト構造の形成が促進されます。オーステナイト中に溶け込んだ多量の炭素も高マンガン鋼の強度を高めるのに役立ちます。さらに、炭素およびCrなどの合金元素によって形成される炭化物は、高マンガン鋼の耐摩耗性の向上に貢献します。しかしながら、炭素含有量が高すぎると、粒界での炭化物析出の傾向が増大し、同じ条件下では粒界の安定化に有害となる。したがって、表 XNUMX に基づいて炭素含有量を適切に低減することが推奨されます。

高マンガン鋼に Mo を添加すると、鋳放し組織内の炭化物の析出が減少し、オーステナイトの粒界に炭化物のネットワークが形成される傾向が減少します。モリブデンはまた、鋼の針状炭化物の析出速度を遅くし、析出温度を下げることができます。これらの効果は、鋳放し状態の高マンガン鋼の塑性と強度を向上させるのに有益です。クロム元素の添加によって生じる欠点を補うことができます。したがって、Mo は Cr と連携して機能し、両方の元素の有益な効果を活用できるように適切に添加する必要があります。

この記事で説明した高マンガン鋼におけるチタンマイクロ合金化の有益な効果が確認されています。ただし、窒素含有量が比較的安定している一方でチタン含有量が多すぎると、TiN および Ti(C, N) が 1400°C で析出し始めます。それらは、金属溶融物内または固液二相ゾーン内で継続的かつ広範囲に形成および融合します。凝固が続くと、それらは常に粒界に向かって凝集し、より高い溶質元素濃度と比較的低い融点の相を伴います。この凝集は、ピン留め効果に必要な量を超え、初期の粒界結合力を低下させ、さらには鋼マトリックスと粒界の間の深刻な剥離を引き起こします。ハンマーヘッドの加工過程において、介在物の集合体は重大な応力集中領域となり、直接亀裂の起点となり、徐々に伝播・拡大して広範囲に亀裂が発生し、最終的にはハンマーヘッドの破損につながります。

したがって、組成の観点から、Mn18 鋳物における TiN および Ti(C, N) の有益な効果を十分に活用しながら、それらの広範で集中した析出による悪影響を制御する必要があります。チタン含有量は、低合金鋼および中合金鋼の成熟した適用慣行を考慮することで適切に減らすことができます。

 

プロセス技術の影響

優れた性能と安定した耐用年数を備えた高マンガン鋼を製造するには、オーステナイト粒の微細化と炭化物の形態を制御することが 500 つの重要な制御点です。高マンガン鋼の冷却および結晶化プロセス中に、通常、網状炭化物と針状炭化物の両方が粒界に沿って析出し、針状炭化物は内部に成長します。ただし、鋳物が大きすぎて加熱から水強化処理までの時間が長すぎ、水強化処理時の冷却浸透が不十分となり、高温域（≧XNUMX℃）での滞留時間が長くなる場合には、これにより、オーステナイト粒子の継続的な成長、粒界炭化物の継続的な析出、および針状炭化物の継続的な成長が引き起こされます。これは最終的に、内部および外部のストレス状態に過度の差異をもたらします。強い外力がかかると、ハンマーヘッドの表面に高密度の転位と変形双晶が最初に現れ、その強度と硬度が急速に増加します。内部応力と外部応力の差がさらに増大すると、内部粒界が脆化し、引き裂きや破壊が生じ、ハンマーヘッドの破壊破壊として現れます。

したがって、プロセスの観点からは、まずハンマーヘッドの水強化処理前の加熱温度が合理的かつ十分であることを確認し、それによって炭化物が完全または大部分がオーステナイトに溶解することを保証する必要があります。ハンマーヘッドを加熱炉から取り出した後は、炭化物の析出がピークとなる時期となります。取り出してから水に浸漬するまでの時間が長いと炭化物が多量に析出し、針状炭化物が急速に生成してしまう。冷却強度が不十分で内部冷却伝達速度が不十分であると、内部時効効果が発生し、使用プロセス中に著しい粒成長と過剰な炭化物の析出が発生し、粒界割れやハンマーヘッド破損につながります。したがって、鋳物浸漬時間を大幅に短縮して、できるだけ早く安定したオーステナイトを形成し、炭化物の析出量を減らし、網状炭化物の発生を回避すると同時に、水量を増やして過冷却を維持し、内部冷却を促進し、過度の冷却の発生を回避する必要があります。時効条件下での炭化物の析出と過大な針状炭化物の存在により、ハンマーヘッドの内部および外部構造、粒界特性、および性能の一貫性が向上し、耐用年数が延長されます。

 

最適化施策

上記の分析と議論に基づいて、次の最適化手段が策定されます。

1. 高マンガンクラッシャーハンマーヘッドの C 含有量目標を 1.25% に、Ti 含有量目標を 0.15% に削減します。
2. 目標値の 0.5% モリブデンを追加します。
3. クラッシャーハンマー水強化処理の加熱温度を1060℃に高め、運転を最適化し、クラッシャーハンマーが炉から出て水に入るまでの時間を40秒未満に短縮しました。
4. 水焼入れ条件の最適化、水タンク容量の増加、または大流量の温度管理された循環水の使用により冷却強度を確保します。

 

実施効果

微細構造

最適化されたプロセスにより Mn18 クラッシャ ハンマーが製造されます。表 2 に実際の溶鋼の組成を示します。

表 2. 最適化された Mn18 ハンマーヘッドの化学組成 (wt%)
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Al	Ti
サンプルパーツ	1.18	0.36	17.87	0.018	0.012	1.04	0.51	0.11	0.14

表 2 から、成分は最適化目標範囲に達しています。

鋳造完了後、クラッシャハンマーを分解し、その構成を図6に示します。

図 6 は、組成とプロセスの両方を最適化した後、ハンマーヘッドの表面近くの構造がより均一になることを示しています。粒子サイズはレベル 2 ですが、コア領域の粒子はほぼレベル 1 であり、明確な粒界析出を示しています。しかし、析出物は主に塊状炭化物であり、針状炭化物の長さは10μm以内がほとんどであり、炭素含有量が適切に低減されていることがわかる。 Mo を Cr と組み合わせて添加すると、析出物の総量が減少し、その形態が最適化され、粒界の安定化につながります。さらに、析出物の間にシート状に凝集した TiN 状のブロック状介在物は観察されず、このような介在物の悪影響が制御可能な範囲内にあることを示唆しています。

18 か月間使用した後、このクラッシャー ハンマーのバッチには、表面端の通常の摩耗を除けば、破損は発生していません。これはクラッシャハンマーの内外品質が大幅に向上し、安定した寿命の延長につながることを示しています。

結論

1. Mn18クラッシャハンマー破壊の直接的な原因は断面の粒界に沿った亀裂であり、根本的な原因は冷却速度不足による粒界網状炭化物の析出である。
2. Ｔｉ含有量が多すぎると、粒界に角形ＴｉＮが多量に析出して凝集し、粒界結合力が低下し、外力の作用により粒界割れが促進される。
3. Cr と Mo の複合合金化を使用すると、粒界炭化物の析出を減らし、炭化物の形態を最適化し、過大な針状炭化物の析出を大幅に減らすことができます。
4. 組成の最適化に基づく水強化プロセスの最適化などの措置を採用して、Mn18ハンマーの結晶粒を微細化し、析出物の総量と形状を制御し、最終的に寿命を延長します。

マンガンクラッシャーハンマーの破面特性、形態、金属組織の分析に基づいて、粒界に沿った亀裂、過剰なTi含有量、および無理な製造プロセスが破損の原因であることが判明しました。 Ti含有量の低減、Mo元素の増加、製造プロセスの変更などにより、Mn18クラッシャーハンマーの微細組織特性、析出物の総量、形態が最適化され、ハンマーヘッドの使用サイクルと安定性が効果的に向上します。