Felanalys och optimeringsforskning på mangankrosshammare

Bakgrund

Vår kund i USA köpte 98 mangankrosshammare (Mn18) till sina vertikala cementkrossar. Efter sex månaders service gick vissa delar sönder och misslyckades. Kunden vill att vi analyserar orsaken till brottet och tillhandahåller optimerade produkter.

Arbetstillståndsanalys

Krosshammaren är kärnkomponenten i hammarkrossen, och på grund av de kraftiga arbetsförhållandena i krossen, högt manganstål är det mest lämpliga metallmaterialet för hammaren. Hammarhuvudet i cementklinkerkrossen är huvudsakligen gjord av Mn18-högt manganstål. Under stelningsprocessen för en hammare av högt manganstål, när summan av den inre spänningen som genereras av kylkrympning och den termiska spänningen som genereras av temperaturskillnaden mellan insidan och utsidan av gjutgodset överstiger styrkan hos det spänningspåverkade området, fint sprickor kommer att uppstå i gjutningen. Dessa fina sprickor kan vara fyllda med lösta element å ena sidan, och å andra sidan kan de orsaka ackumulering av inneslutningar, som båda kommer att bilda diskontinuerliga zoner i stålmatrisen. Dessa sprickor och deras inre fyllningar kan inte elimineras under vattenhärdningen. I de hårda och komplexa arbetsförhållandena inuti krossen har riktningen och intensiteten av påverkan på hammarhuvudet under dess drift en viss slumpmässighet, vilket leder till en kontinuerlig expansion av skillnaderna i ytbearbetningshärdningsegenskaper och mikrostrukturegenskaper hos olika delar av hammaren. Dessutom fortsätter de befintliga fina sprickorna att fortplanta sig under utmattningsprocessen, vilket så småningom leder till haveriolyckor som sprickor eller hammarbrott, vilket påverkar den totala livscykeln.

Inspektion och analys av misslyckade högmangankrosshammare

Ingredienstestning

Olika gjutdelar togs för sammansättningsinspektion, och resultaten visas i tabell 1.

I tabell 1 kan det observeras att det finns en liten skillnad i sammansättning mellan den centrala regionen och ytan, vilket tillskrivs segregation under stelningsprocessen. Krom är ett av de grundämnen som tillsätts i relativt stora mängder till stål med hög manganhalt, och dess roll är också ganska tydlig. Efter vattenhärdningsbehandling löses krom mestadels i austenitfasen av stål med hög manganhalt, vilket ökar stålets sträckgräns och accelererar karbidutfällning under kylning, vilket vanligtvis resulterar i en kontinuerlig retikulär fördelning av karbider längs korngränserna. Högt manganstål med tillsatt krom uppvisar förbättrad slitstyrka när det utsätts för kraftig stötnötning, vilket gör det lämpligt för krosshammargjutgods.

Titan tillhör kategorin vitala reducerande element i smält stål. I Mn18-stål med hög kolhalt och hög kvävehalt kan den kombineras med C och N för att bilda fällningar. Om partiklar med hög smältpunkt som TiN och Ti(C, N) bildas före stelning kan de fungera som icke-spontana heterogena kärnbildningsställen för austenit, vilket ökar antalet korn per volymenhet och därmed förfinar kornstorleken. Därför har det förekommit avsevärd forskning och praktisk tillämpning av mikrolegering av titan i stål med hög manganhalt. I Mn18-stålet som beskrivs i denna artikel tillsattes cirka 0.5 % titan under den inledande designfasen.

Krosshammare frakturgränssnittsanalys

Efter relevanta inspektioner användes Mn18 krosshammare i en vertikal cementkross. Efter en tjänstgöringstid på 6 månader upplevde några av dem frakturfel. Frakturerade prover analyserades och de relevanta resultaten visas i figurerna 1 till 5.

• Figur 1 visar att brottet inträffade runt hammarens stiftanslutningshål, vilket indikerar ett tvärgående sprödbrott.
• Figur 2 visar att brottytan vid olika positioner uppvisar typiska klyvningsbrottegenskaper, vilket indikerar dålig hammarseghet. Dessutom är oregelbundna blockformade inneslutningar vitt fördelade över olika sektioner, vilket indikerar ett relativt högt totalt antal sådana inneslutningar.
• Såsom visas i figur 3, i den normala sektionen av strukturen, är kornen relativt grova och blockartade karbider utfälls längs korngränserna. Emellertid verkar de övergripande austenitkorngränserna normala.
• Figurerna 3 och 4 visar att kornen i hammarhuvudets normala sektion är ungefär på 0.5-nivån. Däremot är kornen nära sprickytan större, med en medelkorndiameter på över 400 μm. Kontinuerliga retikulära karbider har bildats längs korngränserna, och många nålformade karbider har vuxit från korngränserna in i kornen. Sprickytan uppvisar tydliga intergranulära sprickegenskaper. Till skillnad från sfäriska karbider, som har en ansiktscentrerad kubisk struktur, har nålformade karbider en kroppscentrerad kubisk struktur. De olika strukturella egenskaperna leder till betydande skillnader i deras fysikaliska egenskaper. Fina nålformade karbider (längd ≤20 μm) är fördelaktiga för att stabilisera korngränserna och optimera de mekaniska egenskaperna hos stål med hög manganhalt, särskilt slagsegheten. I figur 4 indikerar dock ultralånga, djupgrå karbider som penetrerar kornen att perlitomvandling kommer att ske inuti dem. Detta beror på att områden med koncentrerad karbidutfällning under vissa förhållanden med underkylning kommer att bilda en blandad struktur bestående av lamellär Fe3C och en liten mängd ferrit (bildad av den lokala utfällningen av karbider för att skapa en region med låg kolhalt), känd som perlit. Denna blandade struktur har svag bindning, vilket resulterar i lägre stötabsorptionsenergi än en enhetlig austenitmatris. När den utsätts för starka yttre krafter blir både den nålformade ferriten och korngränserna i vilka den är belägen spänningskoncentrationszoner, vilket leder till defekter som sprickor och rivningar, vilket i slutändan resulterar i brott på hammarhuvudet efter en viss tjänsteperiod.
• Figur 5 visar att TiN och Ti(C,N) aggregerar kontinuerligt och omfattande i ett visst område och bildar diskontinuerliga områden i stålmatrisen. I detta område sjunker både styrka och seghet kraftigt. Under hammarhuvudets arbetsprocess blir dessa typer av inneslutningar uppenbara spänningskoncentrationszoner. De fungerar direkt som ursprunget till sprickor, expanderar och förlänger sig gradvis, vilket i slutändan leder till utbredd sprickbildning och orsakar brott på hammarhuvudet.

 

Analys och diskussion

 

Effekt av kemisk sammansättning

Kol är ett av de viktigaste elementen i högmanganstål. Dess närvaro underlättar bildandet av en enfas austenitstruktur. En stor mängd kol löst i austenit bidrar också till att öka hållfastheten hos stål med hög manganhalt. Dessutom bidrar karbider som bildas av kol och legeringselement som Cr till att förbättra slitstyrkan hos stål med hög manganhalt. En alltför hög kolhalt kommer dock att öka tendensen till karbidutfällning vid korngränserna, vilket under samma förhållanden är skadligt för att stabilisera korngränserna. Därför är det tillrådligt att minska kolhalten på lämpligt sätt baserat på tabell 1.

Att tillsätta Mo till stål med hög manganhalt kan minska utfällningen av karbider i den gjutna strukturen och minska tendensen att bilda ett nätverk av karbider på austenitens korngränser. Molybden kan också bromsa stålets utfällningshastighet av nålliknande karbider, vilket sänker deras utfällningstemperatur. Dessa effekter är fördelaktiga för att förbättra plasticiteten och styrkan hos stål med hög manganhalt i gjutet tillstånd. De kan kompensera för de brister som orsakas av tillsatsen av kromelement. Därför bör Mo läggas till på lämpligt sätt för att fungera tillsammans med Cr, vilket utnyttjar de fördelaktiga effekterna av båda elementen.

De fördelaktiga effekterna av titanlegering i högmanganstål som diskuteras i denna artikel bekräftas. Men om titanhalten är för hög medan kvävehalten förblir relativt stabil, börjar TiN och Ti(C, N) att fällas ut vid 1400°C. De bildas kontinuerligt och i stor utsträckning och smälter samman i metallsmältan eller i tvåfaszonen i fast-vätskeform. När stelnandet fortsätter, aggregeras de ständigt mot korngränserna, med en högre koncentration av lösta element och relativt lägre smältpunktsfaser. Denna aggregering överstiger den mängd som krävs för deras stiftningseffekt, vilket minskar den initiala korngränsbindningskraften och till och med allvarlig lösgöring mellan stålmatrisen och korngränserna. Under hammarhuvudets arbetsprocess blir aggregationen av inneslutningar ett betydande spänningskoncentrationsområde, som direkt tjänar som ursprunget till sprickor, som gradvis fortplantar sig och sträcker sig för att orsaka utbredd sprickbildning, vilket i slutändan leder till hammarhuvudfel.

Ur ett sammansättningsperspektiv är det därför nödvändigt att fullt ut utnyttja de fördelaktiga effekterna av TiN och Ti(C, N) i Mn18-gjutgods samtidigt som man kontrollerar de skadliga effekterna av deras omfattande och koncentrerade nederbörd. Titaninnehållet kan reduceras på lämpligt sätt genom att överväga de mogna tillämpningsmetoderna för låglegerade stål och medellegerade stål.

 

Effekten av processteknik

För att producera stål med hög manganhalt med bra prestanda och stabil livslängd är kontroll av förfining av austenitkorn och karbiders morfologi två viktiga kontrollpunkter. Under högmanganståls kylnings- och kristallisationsprocess fälls både retikulära och nålformade karbider typiskt ut längs korngränserna, med de nålformade karbiderna som växer inåt. Men om gjutgodset är för stort och tiden från uppvärmning till vattenhärdningsbehandling är för lång, och kylpenetrationen under vattenhärdningsbehandlingen är otillräcklig, vilket resulterar i förlängd vistelse i högtemperaturzonen (≥500°C), det kommer att leda till fortsatt tillväxt av austenitkorn, kontinuerlig utfällning av korngränskarbider och kontinuerlig tillväxt av nålformade karbider. Detta leder i slutändan till alltför stora skillnader i inre och yttre stresstillstånd. Under starka yttre krafter uppstår först högdensitetsförskjutningar och deformationssammansättningar på hammarhuvudets yta, vilket snabbt ökar dess styrka och hårdhet. Den ytterligare ökningen av skillnaden i inre och yttre spänningar leder till försprödning av de inre korngränserna, vilket resulterar i sönderrivning och frakturering, manifesterat som brott på hammarhuvudet.

Ur ett processperspektiv är det därför först nödvändigt att säkerställa att uppvärmningstemperaturen före vattenhärdningsbehandlingen av hammarhuvudet är rimlig och tillräcklig, för att därigenom säkerställa att karbider helt eller till största delen löses upp i austeniten. Efter att hammarhuvudet har tagits bort från uppvärmningsugnen är det toppperioden för karbidutfällning. Om tiden från avlägsnande till nedsänkning i vatten är lång kommer karbider att fällas ut i stora mängder, och nålformade karbider kommer att produceras snabbt. Med otillräcklig kylstyrka och otillräcklig inre kylöverföringshastighet uppstår inre åldringseffekter, vilket resulterar i betydande korntillväxt och överdriven karbidutfällning under användningsprocessen, vilket leder till sprickor i korngränsen och hammarhuvudbrott. Därför bör nedsänkningstiden för gjutningen reduceras kraftigt för att bilda stabil austenit så snabbt som möjligt, minska mängden karbidutfällning, undvika förekomsten av retikulära karbider samtidigt som vattenvolymen ökar för att upprätthålla underkylning och påskynda inre kylning, undvika förekomsten av överdriven karbidutfällning och närvaron av överdimensionerade nålformade karbider under åldringsförhållanden, vilket förbättrar konsistensen hos den inre och yttre strukturen, korngränsegenskaper och prestanda hos hammarhuvudet och förlänger dess livslängd.

 

Optimeringsåtgärder

Baserat på ovanstående analys och diskussion formuleras följande optimeringsåtgärder:

1. Minska C-haltsmålet för hammarhuvuden för högmangankrossar till 1.25 % och Ti-haltsmålet till 0.15 %.
2. Lägg till ett målvärde på 0.5 % molybden.
3. Uppvärmningstemperaturen för krosshammarens vattenhärdningsbehandling höjdes till 1060°C, driften optimerades och tiden från det att krosshammaren kom ut ur ugnen tills den gick in i vattnet reducerades till mindre än 40 sekunder.
4. Optimera vattensläckningsförhållandena, öka vattentankens volym eller använd temperaturkontrollerat cirkulerande vatten med stort flöde för att säkerställa kylningsintensiteten.

 

Implementeringseffekt

mikro

Den optimerade processen producerar Mn18 krosshammare, och Tabell 2 visar den faktiska sammansättningen av smält stål.

Tabell 2. Optimerad Mn18 hammarhuvudets kemiska sammansättning (vikt %)
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Al	Ti
Provdelar	1.18	0.36	17.87	0.018	0.012	1.04	0.51	0.11	0.14

Från tabell 2 når ingredienserna målet för optimering.

Efter att gjutningen är klar dissekeras krosshammaren och organisationen visas i figur 6.

Figur 6 visar att efter optimering av både sammansättningen och processen blir strukturen nära hammarhuvudets yta mer enhetlig. Kornstorleken är på nivå 2, medan kornen i kärnregionen är ungefär nivå 1, och visar distinkt korngränsnederbörd. Utfällningarna är dock huvudsakligen blockiga karbider, och längden på nålformade karbider är mestadels inom 10 μm, vilket indikerar en ordentlig minskning av kolhalten. Tillsats av Mo i kombination med Cr minskar den totala mängden fällningar och optimerar deras morfologi, vilket bidrar till stabiliteten hos korngränserna. Dessutom observerades inga TiN-liknande blockiga inneslutningar som aggregerade i ark bland fällningarna, vilket tyder på att de negativa effekterna av sådana inneslutningar ligger inom ett kontrollerbart område.

Efter 18 månaders användning har detta parti krosshammare inte upplevt några brottfel förutom normalt slitage på ytändarna. Detta indikerar en betydande förbättring av den inre och yttre kvaliteten på krosshammaren, vilket leder till en stabil förlängning av deras livscykel.

Slutsats

1. Sprickbildning längs korngränsen vid tvärsnittet är den direkta orsaken till Mn18-krosshammarbrott, och den grundläggande orsaken är utfällningen av korngränsnätkarbider orsakade av en otillräcklig kylningshastighet.
2. Om Ti-innehållet är för högt kommer en stor mängd kvadratiskt TiN att fällas ut och aggregeras vid korngränserna, vilket också kommer att minska korngränsbindningskraften och främja korngränssprickning under inverkan av yttre krafter.
3. Användning av Cr- och Mo-kompositlegeringar kan minska utfällningen av korngränskarbider, optimera karbidernas morfologi och avsevärt minska utfällningen av överdimensionerade nålliknande karbider.
4. Åtgärder som optimering av vattenhärdningsprocessen baserad på sammansättningsoptimering används för att förfina kornen i Mn18-hammaren, kontrollera den totala mängden och formen av utfällningar och i slutändan förlänga servicetiden.

Baserat på analysen av sprickgränssnittsegenskaperna, morfologin och metallografiska strukturen hos mangankrosshammare, har det fastställts att sprickbildning längs korngränserna, överdrivet Ti-innehåll och orimliga produktionsprocesser är orsakerna till misslyckandet. Genom att minska Ti-innehållet, öka Mo-elementet, ändra produktionsprocessen och andra åtgärder, optimeras mikrostrukturegenskaperna, den totala mängden och morfologin för utfällningar från Mn18-krosshammare, och hammarhuvudets servicecykel och stabilitet förbättras effektivt.