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耐磨钢球开裂原因分析

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/2/19     浏览次数:    
    耐磨钢球开裂原因分析
    摘要:耐磨钢球是一种用于球磨机中的粉碎介质,用于粉碎球磨机中的物料。耐磨钢球的使用寿命与钢球开裂息息相关,通过对钢球化学成分、断口形貌、金相组织、显微硬度等方面的分析,发现晶粒粗大、晶界弱化是导致钢球发生开裂的主要原因。当材料组织晶粒粗大时,马氏体界面会产生较大的残余应力,加剧材料淬火应力分布不均,导致局部严重的应力集中甚至出现沿晶脆性开裂。沿晶析出的碳化物和沿晶分布的屈氏体组织,会导致材料晶界部位强度降低,而这些晶界弱化的位置在应力作用下易于出现沿晶开裂,影响钢球寿命。
    前言
    某厂生产的Ф125mm的耐磨钢球,主要用于球磨机的粉碎介质,用于粉碎球磨机中的物料。但客户在使用过程中发现,耐磨钢球破碎率高于行业平均值1%[1],寿命明显低于钢球的常规使用寿命,影响了现场生产效率与质量控制,而且增加了生产成本。
    为解决以上问题,找出耐磨钢球破裂的原因,提高其利用率,我们通过分析耐磨钢球的化学成分、断口形貌、金相组织、硬度等来查找钢球开裂的原因,为现场质量控制提供理论依据,切实解决耐磨钢球生产过程中存在的开裂问题。
    钢球制造工艺及服役状态Ф125mm的钢球,其制造工艺为:圆钢定尺—圆钢加热—轧制—空冷—淬火—空冷—回火—时效—包装。
    热轧钢球具备钢的一切优点,通过热处理后成为硬度高、金相组织细密、晶粒细小、抗变形、耐磨性好、冲击韧性好的钢球[2],硬度达到56HRC~63HRC。

    在直径为3.2m的球磨机(如图1所示)中进行研磨矿物,物料和钢球(如图2所示)进行充分接触后,料粉通过卸料板排出,完成粉磨作业。钢球在服役状态下受到球磨机筒体高速旋转产生的离心力、矿物充分接触的磨檫力、钢球下落时的冲击力等作用。

    。试验分析
    化学成分分析在失效试样上取样,采用光电直读光谱仪进行成分分析,结果见表1。
    由表1可知,标准钢球含碳量在0.15%~.70%间波动,属于亚共析钢范畴,此发生开裂的钢球试样的成分符合标准要求,因此排除材料成分不符对钢球的影响。
    .2断口分析钢球断口形貌分析从宏观形貌与微观形貌两个方面进行分析,通过断口分析初步判断钢球开裂原因。
    .2.1断口宏观形貌分析破碎钢球的断口宏观形貌,如图3所示。
    从图3可以看出,断口宏观形貌为典型的脆性断口,断裂面可分为三个区域:处于中心位置的纤维区(为裂纹起始源);由中心裂纹源向外呈放射花样状的放射区;由放射区向外扩展并导致最终断裂的剪切唇区。断裂面上粗大的纤维对光的反射能力弱散射能力很强),所以断口表面呈暗灰色[3]。该断口的中心纤维区所占面积比例适中,说明基体材料的塑性适中,整个断裂面呈现强烈的脆性变形痕迹。
    断口相对齐平并垂直于载荷方向。此外中心裂纹源向外扩展出较明显的放射区,这也是脆性断裂的宏观特征。断口的剪切唇区和放射区相邻,所占面积比例较小,放射区的每根放射花样均平行于裂纹扩展方向,垂直于断口轮廓线,并逆向指向中心裂纹源。
    .2.2断口微观形态分析在SEM下观察断口的微观形貌,中心裂纹源区在不同放大倍数下的电镜图片如图4所示。
    从图4(b)可以看出,裂纹源区分布有小面积的比较粗大,尺寸超过100微米,沿晶晶粒表面光滑。
    从图4(d)可以看出,局部能观察到小的韧窝,韧窝形态为交错分布的等轴韧窝[4]和拉长韧窝。
    放射区及剪切唇区微观形貌图如图5所示。
    ××××图5放射区及剪切唇区微观形貌从图5可以看出,放射区和剪切唇区以准解理穿晶断口为主,局部可见少量沿晶断口,沿晶断口位置通常可观察到垂直于断面的沿晶微裂纹,表明钢球材料局部区域存在晶界弱化甚至开裂的问题。放射区也观察到垂直于断面方向的穿晶裂纹。
    .3钢球基体组织分析从钢球上取样,制取金相试样,经4%硝酸酒精溶液浸蚀后,光学显微镜下的金相组织如图6所示。
    从图5可以看出,放射区和剪切唇区以准解理穿晶断口为主,局部可见少量沿晶断口,沿晶断口位置通常可观察到垂直于断面的沿晶微裂纹,表明钢球材料局部区域存在晶界弱化甚至开裂的问题。放射区也观察到垂直于断面方向的穿晶裂纹。
    .3钢球基体组织分析从钢球上取样,制取金相试样,经4%硝酸酒精溶液浸蚀后,光学显微镜下的金相组织如图6所示。
    ×××图6金相组织形貌从图6可以看出,图6(a)为竹叶状的贝氏体组织;图6(a)、(b)中均观察到大量的沿晶界分布的屈氏体组织[2],屈氏体本质上是极细的层片状珠光体组织,片层间距较索氏体更小,在光学显微镜下只能看到如墨菊状的黑色形态,如图中箭头所指处。
    由此可见,钢球基体组织为回火索氏体+贝氏体屈氏体组织,基体组织回火索氏体比较粗大,低倍下仍可见枝晶状偏析。图6(c)为在高倍下观察,部分原奥氏体[5]晶界上可见一层薄的碳化物析出,这种沿晶碳化物的存在会弱化晶界,导致异常的沿晶开裂。
    经苦味酸盐酸腐蚀后,做晶粒度检测,晶粒形貌如图7所示。
    从图7可以看出,钢球材料平均晶粒度仅为1.级,钢球材料晶粒粗大,大小分布均匀,远无法满足用户技术协议要求的≥6级。
    .3硬度检测在金相试样上,分别测试材料回火索氏体基体和屈氏体组织部位的显微维氏硬度[6],每个组织区域打5个点,取算术平均值,结果见表2。根据-1999《黑色金属硬度及强度换算值》换算获得洛氏硬度值。
    表2显微维氏硬度(HV0.5)测试结果组织硬度值平均值转换值R回火索氏体屈氏体57053157455153955352.由表2可知,晶界上的屈氏体区域硬度为52.RC,明显低于基体硬度(60HRC)。
    。分析与讨论
    扫描电镜微观形貌显示断口中心裂纹源区域存在小的韧窝(如图4所示),而韧窝为金属材料断裂的主要微观特征,分析其原因为:钢球加工原材料为热轧圆钢,一般来说大直径的圆钢心部均存在一定的疏松;后续在钢球的加工过程中由于回火温度控制的不当,导致钢球晶粒粗大不均匀(如图7所示)。这两种因素导致钢球的中心区域存在一些微小的空洞,而韧窝形成的先天条件为基体材料内部存在一些空洞,在钢球服役过程中,受到正应力、冲击应力、剪切应力的作用,小的空洞开始滑移、聚集、长大、连接、断裂并最终导致韧窝断口的形成,宏观表征为开裂断口。
    正常调质后的钢球金相组织为均匀致密的回火索氏体组织,钢球试样金相组织为回火索氏体+贝氏体+屈氏体,分析其原因为热处理工艺质量控制不当[7]。首先,粗大的晶粒会导致马氏体界面会产生较大的残余应力,会加剧材料淬火时应力分布不均,导致局部出现严重的应力集中甚至出现沿晶脆性开裂,并降低导致材料晶界部位强度[8]。其次,大小分布不一的晶粒,在钢球受外力时,其晶粒交界面聚合力减弱,导致其抗冲击、抗剪切性能均远低于合格钢球。另外沿晶析出的碳化物和沿晶分布的屈氏体组织,也会大大降低材料晶界部位强度,在外力作用下,这些晶界弱化的位置更易于出现沿晶开裂,导致钢球失效。
    显微硬度结果显示,屈氏体组织的硬度远低于正常回火索氏体的硬度(相差近10HRC),受外力时,两种组织应力分布不均匀间接导致了钢球开裂失效。另外,若钢球整体硬度降低,在球磨机内物料硬度高于钢球硬度时,加大钢球的开裂倾向。
    。结论

    钢球晶粒组织粗大不均匀,导致局部出现严重的应力集中甚至出现沿晶脆性开裂,恶化钢球力学性能;沿晶析出的碳化物和沿晶分布的屈氏体组织,都会导致材料晶界部位强度降低。晶粒粗大和晶界弱化是导致钢球发生开裂的原因之一韧性断口的形成与钢球心部区域的空洞有直接的联系。


    参考文献
    [1]郭建红.耐磨贝氏体钢球开裂原因分析及工艺改进[J].金属热处理,2006,31(2):85-86.
    [2]周树根,薛小敏,颜色勇.高碳马氏体钢球淬火开裂失效分析 [J].金属热处理,2004,29(6):74-75.
    [3]尹志新,马常祥,李守新,等.超高强度钢靶板穿甲过程中层裂断口形貌分析[J].金属学报,2002,38(3):273-277.
    [4]王小增,杨久红等.大型轴承钢球热处理过程中瞬态温度和应力分布[J].热加工工艺,2014,4(20):199-201.
    [5]苏德达.奥氏体晶粒长大与晶界迁移[J].金属制品,2004,-54.
    [6]胡水江,李生初,杨航飞,等.金属材料维氏硬度测量不确定度的评定[J].金属制品,2009,35(1):59-60.
    [7]刘云旭.金属热处理原理[M].北京:机械工业出版社,-32.
    [8]季梅,党淑娥.高温形变热处理对20双相钢晶粒细化的影响[J].金属制品,2007,


本文由 球磨机耐磨钢球 整理编辑。

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