Молотки из легированной стали

Зачем исследовать молотки из легированной стали?

Молотковые мельницы широко используются в горнодобывающей, металлургической, электроэнергетической, строительной, химической и других отраслях промышленности для измельчения различных видов сырья. Молоток является основной шлифовальной частью станка, и в рабочих условиях он имеет большую скорость и инерционную силу. Следовательно, материал, необходимый для изготовления молота, должен иметь не только достаточную ударопрочность, чтобы предотвратить поломку, но и отличную износостойкость.

В настоящее время большинство молотов, используемых в Китае, представляют собой молоты малого и среднего размера, как правило, весят около 10 кг, а более крупные - от 50 до 90 кг, и материал в основном состоит из высокомарганцевой стали. После обработки для закалки в воде высокомарганцовистая сталь имеет аустенитную структуру с очень высокой ударной вязкостью, которая представляет собой материал с низкой твердостью и высокой ударной вязкостью. Однако в условиях слабого удара эффект деформационного упрочнения слабый, а срок службы невелик. В развитых странах, таких как Европа и США, большие молотковые дробилки используются для измельчения сломанных автомобилей. Вес измельчителя-молота составляет около 200-500 кг. Как правило, по мере увеличения размера крупных деталей труднее гарантировать прокаливаемость, тем труднее контролировать однородность твердости, и ударная вязкость значительно снижается. Следовательно, при производстве этого сверхбольшого молота выбор материала и контроль процесса его производства будут более строгими.

Чтобы отливать эти большие молотковые дробилки или измельчители, Qiming Casting исследовала молоты из легированной стали, которые, очевидно, увеличивают срок службы.

Эксперимент по изготовлению молотков из легированной стали 250 кг

Анализ материала

При разработке состава сплава необходимо полностью учитывать его эксплуатационные характеристики. Принцип конструкции - обеспечить достаточную прокаливаемость, высокую твердость и ударную вязкость.

Углеродный элемент. Углерод - ключевой элемент, влияющий на микроструктуру и характеристики износостойких сталей с низким и средним содержанием легированных металлов. При разном количестве углерода можно получить разные соотношения соответствия между твердостью и ударной вязкостью. Низкоуглеродистые сплавы имеют более высокую вязкость и низкую твердость, а высокоуглеродистые сплавы имеют высокую твердость и недостаточную вязкость. Углеродные сплавы имеют более высокую твердость и хорошую вязкость. Чтобы получить более высокую ударную вязкость для соответствия условиям использования тяжелых и крупных износостойких деталей с большей ударной силой, диапазон углеродных элементов выбран от 0.2 до 0.3%.
Кремниевый элемент. Кремний в основном играет роль в упрочнении стали твердым раствором, но слишком высокое содержание Si увеличивает хрупкость стали, поэтому его содержание составляет от 0.2 до 0.4%.
Элемент марганца. С одной стороны, марганец в стали играет роль в упрочнении твердого раствора, улучшая прочность и твердость стали, а с другой стороны, улучшая прокаливаемость стали, но слишком высокое содержание марганца увеличивает количество остаточного аустенита, поэтому содержание марганца составляет от 1.0 до 2.0%.
Элемент хрома. Cr играет ведущую роль в низколегированной износостойкой литой стали. Cr может быть частично растворен в аустените для упрочнения матрицы без снижения ударной вязкости, замедления превращения аустенита и повышения прокаливаемости стали. Разумное сочетание хрома, марганца и кремния может значительно улучшить прокаливаемость. Cr имеет более высокое сопротивление отпуску и может сделать работу толстой торцевой поверхности однородной. Таким образом, его содержание составляет от 1.5 до 2.0%.
Элемент молибдена. Молибден в стали может эффективно улучшить структуру после литья, улучшить однородность сечения, предотвратить возникновение отпускной хрупкости, улучшить стабильность стали при отпуске, улучшить ударную вязкость, значительно повысить прокаливаемость стали и увеличить прочность стали, поэтому ее содержание от 0.1 до 0.3%.
Никелевый элемент. Никель является основным легирующим элементом, который образует и стабилизирует аустенит. Добавление определенного количества Ni может улучшить закаливаемость и заставить структуру сохранять небольшое количество остаточного аустенита при комнатной температуре, чтобы улучшить ее ударную вязкость. Его содержание от 0.1 до 0.3%.
Медный элемент. Медь не образует карбидов и находится в матрице в состоянии твердого раствора, что может улучшить ударную вязкость стали. Кроме того, Cu также имеет функцию, аналогичную Ni, которая может улучшить прокаливаемость и электродный потенциал подложки, а также повысить коррозионную стойкость стали. Это особенно важно для износостойких деталей, работающих в условиях мокрого шлифования. Добавление меди в легированную сталь составляет от 0.8 до 1.00%.
Микроэлементы. Добавление микроэлементов в низколегированную износостойкую сталь - один из наиболее эффективных способов улучшения ее характеристик. Он может улучшить структуру после литья, очистить границы зерен, улучшить морфологию и распределение карбидов и включений, а также сделать низколегированную износостойкую сталь, сохраняющую достаточную вязкость.
Элемент сера и фосфор. Сера и фосфор являются вредными элементами, которые легко образуют включения на границах зерен в стали, увеличивают хрупкость стали и увеличивают склонность отливок к растрескиванию во время литья и термообработки. Следовательно, как P, так и S должны быть менее 0.04%.

Таким образом, химический состав молотков из легированной стали представлен в следующей таблице:

Химический состав молотков из легированной стали (%)
Элемент	C	Si	Mn	Cr	Mo	Ni	Cu	В, Ре	P	S
Содержание	0.2-0.3	0.2-0.4	1.0-2.0	1.5-2.0	0.1-0.3	0.1-0.3	0.8-1.0	прослеживать	<0.04	<0.04

Производственный процесс

Процесс производства молотов из легированной стали весом 250 кг включает процесс плавления, процесс литья, процесс термообработки и эксплуатационные испытания.

Процесс плавления

Легированная сталь выплавлялась в индукционной печи промежуточной частоты емкостью 1 т, а сплавы были приготовлены из таких сырьевых материалов, как стальной лом, чугун, низкоуглеродистый феррохром, ферромарганец, ферромолибден, электролитический никель и редкоземельные сплавы. После плавления перед печью отбираются пробы для химического анализа, и по результатам анализа добавляются сплавы. Когда состав и температура достигают требований печи, вставляется алюминий и раскисляется; в процессе выпуска редкоземельные элементы Ti и V добавляются для модификации.

Процесс литья

В процессе формования используется литье в песчаные формы. После того, как жидкая сталь выйдет из печи, дайте ей постоять в ковше, а когда температура упадет до 1450 градусов Цельсия, начните разливку. Чтобы расплавленная сталь быстро заполняла песчаную форму, следует использовать более крупную литниковую систему (на 20% больше, чем у обычной углеродистой стали). Применяется метод последовательного затвердевания, при котором холодный чугун согласовывается с стояком, а на стояке применяется метод внешнего нагрева для улучшения времени подачи и возможности подачи стояка для получения плотной литой конструкции. Размер разливочного большого молота из легированной стали составляет 700 мм х 400 мм х 120 мм, а вес одной детали - 250 кг. После очистки отливка отжигается при высокой температуре, после чего вырезается разливочный стояк.

Термическая обработка

Применяется процесс термообработки закалка + отпуск, и для предотвращения трещин закалки в монтажных отверстиях применяется частичная закалка. Для нагрева отливок применяют печь сопротивления коробчатого типа, температура аустенизации составляет (900 ± 10) градусов Цельсия, сохранность тепла - 5 часов. При использовании специальной жидкости для закалки жидкого стекла скорость охлаждения находится между водой и маслом. Это очень полезно для предотвращения закалочных трещин и закалочной деформации, и эта закалочная среда имеет низкую стоимость, безопасность и практичность. После закалки используется процесс низкотемпературного отпуска, температура отпуска составляет (230 ± 10) градусов Цельсия, а сохранение тепла составляет 6 часов.

Тест производительности

Измерение ударной вязкости. Согласно положениям национального стандарта GB / T 22951994, ударный образец имеет стандартный U-образный вырез по Шарпи. Измерьте энергию удара разрушения образца на маятниковой машине для испытания на ударную вязкость JB5 и измерьте размер ударного разрушения образца с помощью микрометра.
Измерение твердости. Измеритель твердости по Роквеллу HR6150D используется для измерения твердости образца по Роквеллу в соответствии с национальным стандартом GB / T 23071991. Для проверки твердости образца берется значение твердости образца размером 10 мм * 10 мм * 120 мм. EDM измеряется с интервалом 10 мм от одного конца до другого в продольном направлении.
Измерение растяжения. В соответствии с национальным стандартом GB / T 22881987 «Испытание на растяжение металла» используется 5-тонная испытательная машина на растяжение, измерительная длина составляет 30 мм, а нормальная стандартная скорость растяжения составляет 0.1 мм / с.

Экспериментальные результаты и анализ

1. Кривая ТТТ легированной стали

Кривая ТТТ легированной стали представляет собой следующую картину:

Кривая ТТТ легированной стали

Из кривой TTT:

Между кривыми превращения высокотемпературного феррита, перлита и среднетемпературного бейнита имеется четкая область пролива. Кривая C, которая вызывает перлитное превращение, и C-кривая превращения бейнита отделены друг от друга, показывая появление независимых C-кривых, принадлежащих к типу двух «носов», а область бейнита находится ближе к S-кривой. . Поскольку эта сталь содержит карбидообразующие элементы Cr, Mo и т. Д., Эти элементы при нагревании растворяются в аустенит, что может замедлить разложение переохлажденного аустенита и снизить скорость разложения. В то же время они также влияют на температуру разложения переохлажденного аустенита. Cr, Mo и т. Д. Заставляют зону превращения перлита двигаться к более высокой температуре и понижать температуру превращения бейнита. Таким образом, кривая превращения перлита и бейнита находится на кривой TTT. Разделение, есть переохлажденная метастабильная зона аустенита в средней части, которая находится между 500 ℃ и 600 ℃.
Температура кончика носа этой стали составляет около 650 ℃, температурная зона превращения феррита составляет 625 ℃ -750 ℃, температурная зона перлитного превращения составляет 600 ℃ -700 ℃, а температурная зона превращения бейнита составляет 350 -500 ℃.
На кончике носа при 650 ℃ в высокотемпературной переходной зоне самое раннее время осаждения феррита составляет 612 с, самый короткий период инкубации перлита составляет 7 270 с, а при 22 860 с степень превращения перлита достигает 50. %; при 400 с инкубационный период превращения в бейнит составляет около 20 с; при 340 ° С происходит мартенситное превращение. Видно, что эта сталь имеет хорошую закаливаемость.

2. Механические свойства

Образцы берутся из опытно изготовленного корпуса молотков из легированной стали, и образец длиной 10 мм * 10 мм * 120 мм вырезается снаружи с помощью линейной резки, и твердость измеряется от поверхности к центру. Образцы 1 # и 2 # отбираются из части корпуса молотка, а образцы 3 # отбираются в монтажном отверстии. Результаты измерения твердости приведены в таблице.

Твердость молотков из легированной стали
Образец	Расстояние от поверхности / мм					Средняя	Итого Среднее
Образец	5	15	25	35	45	Средняя	Итого Среднее
1#	52	54.5	54.3	50	52	52.6	48.5
2#	54	48.2	47.3	48.5	46.2	48.8
3#	46	43.5	43.5	44.4	42.5	44

Из таблицы твердости мы можем узнать:

Твердость HRC части корпуса молотка (1 #) превышает 48.8, в то время как твердость части монтажного отверстия (3 #) относительно ниже. Корпус молота - основная рабочая часть. Высокая твердость корпуса молота обеспечивает высокую износостойкость; низкая твердость монтажного отверстия может обеспечить высокую прочность. Это удовлетворяет различным требованиям к производительности различных деталей. Если вы посмотрите на один образец, вы можете обнаружить, что твердость поверхности обычно выше, чем твердость сердцевины, а диапазон колебаний твердости не очень велик.

Механические свойства молотов из легированной стали
Товар	1#	2#	3#
Ударная вязкость / Дж * см²	40.13	46.9	58.58
Предел прочности на разрыв / МПа	1548	1369	1350
Удлинение%	8	6.67	7
Усадка%	3.88	15	7.09

Данные по ударной вязкости, пределу прочности и удлинению образцов показаны в таблице выше. Из таблицы видно, что ударная вязкость U-образного молотка без образцов Шарпи превышает 40 Дж / см², а ударная вязкость монтажного отверстия - самая высокая - 58.58 Дж / см²; удлинение всех отсеченных образцов составляет> 6.6%, а предел прочности на разрыв All превышает 1360 МПа. Его пластическая вязкость более согласована, и она выше, чем ударная вязкость (20-40 Дж / см²) обычной низколегированной стали. Вообще говоря, чем выше твердость, тем меньше вязкость. Из приведенных выше экспериментальных результатов видно, что этот закон в основном соответствует.

Тест на износ

Для изучения износостойкости этой легированной стали были проведены испытания на износ на машине абразивного износа с динамической нагрузкой МЛД-10. Образцы ударного износа в этом испытании превращаются в образцы прямоугольного параллелепипеда размером 10 мм * 10 мм * 25 мм, и образцы помещаются в трехчастичную систему абразивного износа и высокую молотки из марганцевой стали используется в качестве сравнительного образца, все в одинаковых условиях проводят испытание на износ.

Энергия удара 0.2 кг / м
Время воздействия - 1 час.
Количество ударов 100 раз / мин.
Размер частиц используемого кварцевого песка составляет 8-10 меш, а расход - 120 кг / ч.

Чтобы исключить влияние исходного состояния образца на результаты испытания на истирание, образец предварительно измельчите за полчаса перед испытанием, очистите ацетоном и взвесьте после высыхания; затем формально носить его в течение 1 часа, постирать, высушить и взвесить; до и после износа Разница в качестве - это абсолютный износ. Испытание на истирание повторяли дважды. Взвесьте на прецизионных весах DT-100 и возьмите среднее из двух значений потери веса. Результаты показаны в таблице ниже ：

Результаты теста на износ
Образец товара	Первое ношение	Второй раз износ	Средняя потеря веса	Долговечность	Коэффициент относительного износа
Mn13	0.48063	0.40724	0.44394	2.25256	1.0
1#	0.32879	0.24499	0.28689	3.48566	1.55
2#	0.30906	0.34610	0.32758	3.05269	1.36
3#	0.46364	0.32143	0.39254	2.54751	1.13

Из таблицы видно, что при одинаковых условиях износа износостойкость рабочей части молотов из легированной стали увеличивается более чем в 1.55 раза по сравнению с обычными молотками из высокомарганцевой стали.

Сталь с высоким содержанием марганца широко используется при высоких ударных нагрузках. Его превосходная износостойкость обусловлена сильным наклепом и отличной ударной вязкостью, обеспечиваемой аустенитной структурой. В этом испытании плохая износостойкость в основном объясняется малой энергией удара при испытании и незначительным эффектом деформационного упрочнения.

Для стали порядок влияния структуры матрицы на износостойкость следующий: феррит, перлит, бейнит и мартенсит постепенно увеличиваются. Поскольку мартенсит имеет самую высокую твердость, самая высокая износостойкость принадлежит мартенситу и отпущенному мартенситу. Но при той же твердости нижний бейнит изотермического превращения намного лучше, чем отпущенный мартенсит. Структура матрицы образца 1 # в основном мартенситная, с высокой твердостью и хорошей износостойкостью.

Очевидно, что износостойкость молотов из легированной стали в разных положениях различается. Это связано с тем, что, когда материал подвергается ударно-абразивному износу, скорость износа складывается из двух частей: одна - это износ, вызванный режущим механизмом, и он в основном зависит от твердости материала; Одна часть - это износ, вызванный механизмом усталости, отражающий ударную вязкость материала. Следовательно, ударный износ связан с твердостью и ударной вязкостью материала. Образец 3 # имеет самую высокую вязкость, но его твердость значительно снижена, что снижает износостойкость. Образец 1 # имеет лучшую твердость, среднюю вязкость, наилучшие комплексные характеристики и лучшую износостойкость. Короче говоря, в условиях ударно-абразивного износа, чтобы получить высокую износостойкость стали, она должна иметь хорошее сочетание высокой твердости и высокой ударной вязкости.