BACKGROUND
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.
Tabela 1. Composição química do martelo quebrado Mn18 | |||||||||
Posição | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Al | Ti |
camada superficial | 1.42 | 0.36 | 17.62 | 0.019 | 0.014 | 1.02 | 0.07 | 0.09 | 0.48 |
parte do coração | 1.45 | 0.38 | 18.21 | 0.019 | 0.016 | 1.02 | 0.03 | 0.09 | 0.51 |
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
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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.