Análise de falhas e pesquisa de otimização em martelos trituradores de manganês

Contexto

Nosso cliente nos EUA comprou 98 martelos trituradores de manganês (Mn18) para seus britadores verticais de cimento. Após seis meses de serviço, algumas peças quebraram e falharam. O cliente deseja que analisemos a causa da quebra e forneçamos produtos otimizados.

Análise das condições de trabalho

O martelo britador é o componente principal do britador de martelo e, devido às condições de trabalho de alto impacto no britador, aço de alto manganês é o material metálico mais adequado para o martelo. O martelo no triturador de clínquer de cimento é feito principalmente de aço manganês com alto teor de Mn18. Durante o processo de solidificação de um martelo de aço com alto teor de manganês, quando a soma da tensão interna gerada pela contração por resfriamento e a tensão térmica gerada pela diferença de temperatura entre o interior e o exterior da peça fundida excede a resistência da área afetada pela tensão, multa ocorrerão rachaduras na fundição. Estas fissuras finas podem ser preenchidas com elementos de soluto, por um lado, e por outro lado, podem causar o acúmulo de inclusões, ambas formando zonas descontínuas na matriz do aço. Estas fissuras e seus preenchimentos internos não podem ser eliminados durante o endurecimento com água. Nas duras e complexas condições de trabalho dentro do britador, a direção e a intensidade do impacto na cabeça do martelo durante sua operação têm uma certa aleatoriedade, levando à expansão contínua das diferenças nas características de endurecimento superficial e nas características microestruturais de várias partes do o martelo. Além disso, as fissuras finas existentes continuam a se propagar durante o processo de impacto de fadiga, eventualmente levando a acidentes de falha, como fraturas ou quebra de martelo, o que afeta o ciclo de vida geral do serviço.

Inspeção e análise de martelos trituradores com alto teor de manganês com falha

Teste de ingredientes

Diferentes peças fundidas foram levadas para inspeção de composição e os resultados são mostrados na Tabela 1.

Na Tabela 1 pode-se observar que existe uma ligeira diferença de composição entre a região central e a superfície, o que é atribuído à segregação durante o processo de solidificação. O cromo é um dos elementos adicionados em quantidades relativamente grandes ao aço com alto teor de manganês, e seu papel também é bastante claro. Após o tratamento de tenacidade com água, o cromo se dissolve principalmente na fase austenita do aço com alto teor de manganês, aumentando o limite de escoamento do aço e acelerando a precipitação de carbonetos durante o resfriamento, normalmente resultando em uma distribuição reticular contínua de carbonetos ao longo dos limites dos grãos. O aço com alto teor de manganês com adição de cromo apresenta melhor resistência ao desgaste quando submetido a forte abrasão por impacto, tornando-o adequado para fundições de martelo britador.

O titânio pertence à categoria de elementos redutores vitais no aço fundido. No aço Mn18 com alto teor de carbono e nitrogênio, ele pode se combinar com C e N para formar precipitados. Se partículas de alto ponto de fusão, como TiN e Ti (C, N), forem formadas antes da solidificação, elas podem atuar como locais de nucleação heterogêneos não espontâneos para a austenita, aumentando o número de grãos por unidade de volume e, assim, refinando o tamanho do grão. Portanto, tem havido considerável pesquisa e aplicação prática de microligas de titânio em aço com alto teor de manganês. No aço Mn18 descrito neste artigo, cerca de 0.5% de titânio foi adicionado durante a fase inicial do projeto.

Análise de interface de fratura de martelos britadores

Após inspeções relevantes, martelos trituradores Mn18 foram usados ​​em um triturador vertical de cimento. Após um período de serviço de 6 meses, alguns deles sofreram falhas por fratura. As amostras fraturadas foram analisadas e os resultados relevantes são mostrados nas Figuras 1 a 5.

• A Figura 1 mostra que a fratura ocorreu ao redor do orifício de conexão do pino do martelo, indicando uma fratura frágil transversal.
• A Figura 2 revela que a superfície de fratura em diferentes posições exibe características típicas de fratura por clivagem, indicando baixa tenacidade ao martelo. Além disso, inclusões irregulares em forma de bloco estão amplamente distribuídas em diferentes seções, indicando um número total relativamente alto de tais inclusões.
• Conforme mostrado na Figura 3, na seção normal da estrutura, os grãos são relativamente grossos e os carbonetos em blocos são precipitados ao longo dos limites dos grãos. No entanto, os limites gerais dos grãos de austenita parecem normais.
• As Figuras 3 e 4 mostram que os grãos na seção normal do tubarão-martelo estão aproximadamente no nível 0.5. Em contraste, os grãos próximos à superfície de fratura são maiores, com diâmetro médio de grão superior a 400 μm. Carbonetos reticulares contínuos se formaram ao longo dos limites dos grãos, e muitos carbonetos aciculares cresceram dos limites dos grãos para os grãos. A superfície de fratura exibe características claras de fratura intergranular. Ao contrário dos carbonetos esféricos, que possuem uma estrutura cúbica de face centrada, os carbonetos aciculares possuem uma estrutura cúbica de corpo centrado. As diferentes características estruturais levam a diferenças significativas em suas propriedades físicas. Carbonetos aciculares finos (comprimento ≤20 μm) são benéficos para estabilizar os limites dos grãos e otimizar as propriedades mecânicas do aço com alto teor de manganês, especialmente a tenacidade ao impacto. No entanto, na Figura 4, carbonetos ultralongos e de cor cinza profundo penetrando nos grãos indicam que a transformação da perlita ocorrerá dentro deles. Isso ocorre porque sob certas condições de super-resfriamento, áreas com precipitação concentrada de carbonetos formarão uma estrutura mista composta por Fe3C lamelar e uma pequena quantidade de ferrita (formada pela precipitação local de carbonetos para criar uma região de baixo carbono), conhecida como perlita. Esta estrutura mista possui ligação fraca, resultando em menor energia de absorção de impacto do que uma matriz uniforme de austenita. Quando submetidos a fortes forças externas, tanto a ferrita acicular quanto os limites de grão nos quais ela está localizada tornam-se zonas de concentração de tensão, levando a defeitos como fraturas e rasgos, resultando em última análise na falha por fratura do martelo após um certo período de serviço.
• A Figura 5 mostra que o TiN e o Ti(C,N) se agregam contínua e extensivamente em uma determinada área, formando regiões descontínuas na matriz do aço. Nesta área, tanto a resistência quanto a tenacidade caem drasticamente. Durante o processo de trabalho do tubarão-martelo, esses tipos de inclusões tornam-se zonas óbvias de concentração de tensão. Eles atuam diretamente como origem de trincas, expandindo-se e estendendo-se gradualmente, levando à formação generalizada de trincas e causando falha por fratura do martelo.

 

Análise e Discussão

 

Efeito da composição química

O carbono é um dos elementos mais importantes do aço com alto teor de manganês. Sua presença facilita a formação de uma estrutura de austenita monofásica. Uma grande quantidade de carbono dissolvido na austenita também ajuda a aumentar a resistência do aço com alto teor de manganês. Além disso, carbonetos formados por carbono e elementos de liga como o Cr contribuem para melhorar a resistência ao desgaste do aço com alto teor de manganês. No entanto, um teor excessivamente elevado de carbono aumentará a tendência de precipitação de carbonetos nos contornos dos grãos, o que, nas mesmas condições, é prejudicial à estabilização dos contornos dos grãos. Portanto, é aconselhável reduzir o teor de carbono de forma adequada com base na Tabela 1.

A adição de Mo ao aço com alto teor de manganês pode reduzir a precipitação de carbonetos na estrutura fundida e diminuir a tendência de formar uma rede de carbonetos nos limites dos grãos da austenita. O molibdênio também pode diminuir a taxa de precipitação de carbonetos em forma de agulha no aço, diminuindo sua temperatura de precipitação. Esses efeitos são benéficos para melhorar a plasticidade e a resistência do aço com alto teor de manganês no estado fundido. Eles podem compensar as deficiências causadas pela adição de elementos de cromo. Portanto, o Mo deve ser adicionado de forma adequada para funcionar em conjunto com o Cr, potencializando os efeitos benéficos de ambos os elementos.

Os efeitos benéficos da microliga de titânio em aço com alto teor de manganês discutidos neste artigo são confirmados. No entanto, se o teor de titânio for demasiado elevado enquanto o teor de azoto permanece relativamente estável, o TiN e o Ti(C, N) começam a precipitar a 1400°C. Eles se formam e se fundem contínua e extensivamente no metal fundido ou na zona bifásica sólido-líquido. À medida que a solidificação continua, eles agregam-se constantemente em direção aos limites dos grãos, com uma maior concentração de elementos de soluto e fases de ponto de fusão relativamente mais baixas. Esta agregação excede a quantidade necessária para o seu efeito de fixação, diminuindo a força de ligação inicial do contorno de grão e até mesmo o desprendimento severo entre a matriz de aço e os contornos de grão. Durante o processo de trabalho do martelo, a agregação de inclusões torna-se uma área significativa de concentração de tensões, servindo diretamente como origem de trincas, que gradualmente se propagam e se estendem para causar fissuras generalizadas, levando à falha do martelo.

Portanto, do ponto de vista composicional, é necessário aproveitar totalmente os efeitos benéficos do TiN e do Ti(C, N) nas peças fundidas de Mn18, ao mesmo tempo que controla os efeitos nocivos da sua precipitação extensa e concentrada. O teor de titânio pode ser reduzido de forma adequada considerando as práticas maduras de aplicação de aços de baixa liga e aços de liga média.

 

O impacto da tecnologia de processo

Para produzir aço com alto teor de manganês com bom desempenho e vida útil estável, controlar o refinamento dos grãos de austenita e a morfologia dos carbonetos são dois pontos de controle principais. Durante o processo de resfriamento e cristalização do aço com alto teor de manganês, tanto os carbonetos reticulares quanto os aciculares normalmente precipitam ao longo dos limites dos grãos, com os carbonetos aciculares crescendo para dentro. No entanto, se a peça fundida for muito grande, e o tempo desde o aquecimento até o tratamento de têmpera com água for muito longo, e a penetração de resfriamento durante o tratamento de têmpera com água for insuficiente, resultando em residência prolongada na zona de alta temperatura (≥500°C), isso levará ao crescimento contínuo de grãos de austenita, à precipitação contínua de carbonetos de contorno de grão e ao crescimento contínuo de carbonetos aciculares. Em última análise, isso leva a diferenças excessivas nos estados de estresse internos e externos. Sob fortes forças externas, discordâncias de alta densidade e geminação de deformação aparecem pela primeira vez na superfície do tubarão-martelo, aumentando rapidamente sua resistência e dureza. O aumento adicional na diferença nas tensões internas e externas leva à fragilização dos limites internos dos grãos, resultando em rasgos e fraturas, manifestados como falha por fratura do tubarão-martelo.

Portanto, do ponto de vista do processo, é primeiro necessário garantir que a temperatura de aquecimento antes do tratamento de tenacidade com água do martelo seja razoável e suficiente, garantindo assim que os carbonetos sejam completamente ou principalmente dissolvidos na austenita. Depois que o martelo é removido do forno de aquecimento, é o período de pico da precipitação de carboneto. Se o tempo desde a remoção até a imersão em água for longo, os carbonetos precipitarão em grandes quantidades e os carbonetos aciculares serão produzidos rapidamente. Com resistência de resfriamento insuficiente e taxa de transferência de resfriamento interna inadequada, ocorrem efeitos de envelhecimento interno, resultando em crescimento significativo de grãos e precipitação excessiva de carboneto durante o processo de uso, levando a rachaduras nos limites dos grãos e falha do martelo. Portanto, o tempo de imersão da fundição deve ser bastante reduzido para formar austenita estável o mais rápido possível, reduzir a quantidade de precipitação de carbonetos, evitar a ocorrência de carbonetos reticulares enquanto aumenta o volume de água para manter o super-resfriamento e acelerar o resfriamento interno, evitando a ocorrência de excesso precipitação de carboneto e presença de carbonetos aciculares superdimensionados sob condições de envelhecimento, melhorando assim a consistência da estrutura interna e externa, as características do limite de grão e o desempenho do tubarão-martelo, e estendendo sua vida útil.

 

Medidas de otimização

Com base na análise e discussão acima, são formuladas as seguintes medidas de otimização:

1. Reduzir a meta de teor de C das cabeças de martelo trituradoras com alto teor de manganês para 1.25% e a meta de teor de Ti para 0.15%.
2. Adicione um valor alvo de 0.5% de molibdênio.
3. A temperatura de aquecimento do tratamento de têmpera com água do martelo britador foi aumentada para 1060°C, a operação foi otimizada e o tempo desde a saída do martelo britador do forno até a entrada na água foi reduzido para menos de 40 segundos.
4. Otimize as condições de extinção de água, aumente o volume do tanque de água ou use água circulante com temperatura controlada de grande fluxo para garantir a intensidade de resfriamento.

 

Efeito de implementação

Microestrutura

O processo otimizado produz martelos britadores Mn18, e a Tabela 2 mostra a composição real do aço fundido.

Tabela 2. Composição química otimizada da cabeça do martelo Mn18 (% em peso)
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Al	Ti
Peças de Amostra	1.18	0.36	17.87	0.018	0.012	1.04	0.51	0.11	0.14

Na Tabela 2, os ingredientes atingem a faixa alvo de otimização.

Após a conclusão da fundição, o martelo britador é dissecado e a organização é mostrada na Figura 6.

A Figura 6 mostra que após otimizar a composição e o processo, a estrutura próxima à superfície do martelo torna-se mais uniforme. O tamanho do grão está no nível 2, enquanto os grãos na região central estão no nível 1, mostrando precipitação distinta nos limites dos grãos. No entanto, os precipitados são principalmente carbonetos em blocos, e o comprimento dos carbonetos aciculares está principalmente dentro de 10 μm, indicando uma redução adequada no teor de carbono. A adição de Mo em combinação com Cr reduz a quantidade total de precipitados e otimiza sua morfologia, o que contribui para a estabilidade dos limites dos grãos. Além disso, não foram observadas inclusões em blocos semelhantes a TiN agregadas em folhas entre os precipitados, sugerindo que os efeitos adversos de tais inclusões estão dentro de uma faixa controlável.

Após 18 meses de uso, este lote de martelos britadores não apresentou nenhuma falha de fratura além do desgaste normal nas extremidades superficiais. Isto indica uma melhoria significativa na qualidade interna e externa dos martelos britadores, levando a uma extensão estável do seu ciclo de vida útil.

Conclusão

1. A rachadura ao longo do limite de grão na seção transversal é a causa direta da fratura do martelo do britador Mn18, e a razão fundamental é a precipitação de carbonetos da rede de contorno de grão causada por uma taxa de resfriamento insuficiente.
2. Se o teor de Ti for muito alto, uma grande quantidade de TiN quadrado precipitará e agregará nos limites dos grãos, o que também diminuirá a força de ligação nos limites dos grãos e promoverá rachaduras nos limites dos grãos sob a ação de forças externas.
3. O uso de ligas compostas de Cr e Mo pode reduzir a precipitação de carbonetos de contorno de grão, otimizar a morfologia dos carbonetos e reduzir significativamente a precipitação de carbonetos em forma de agulha superdimensionados.
4. Medidas como a otimização do processo de endurecimento com água com base na otimização da composição são adotadas para refinar os grãos do martelo Mn18, controlar a quantidade total e a forma dos precipitados e, por fim, prolongar o tempo de serviço.

Com base na análise das características da interface de fratura, morfologia e estrutura metalográfica dos martelos trituradores de manganês, foi determinado que fissuras ao longo dos limites dos grãos, teor excessivo de Ti e processos de produção irracionais são as razões para a falha. Ao reduzir o teor de Ti, aumentar o elemento Mo, alterar o processo de produção e outras medidas, as características da microestrutura, a quantidade total e a morfologia dos precipitados dos martelos trituradores Mn18 são otimizadas e o ciclo de serviço e a estabilidade do martelo são efetivamente melhorados.