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矿用耐磨钢球冲击疲劳强度偏低原因分析

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019-2-20     浏览次数:    
    矿用耐磨钢球冲击疲劳强度偏低原因分析
    摘要:通过宏观形貌观察、扫描电镜分析、能谱分析和显微组织分析等手段对落球疲劳试验时耐磨钢球冲击疲劳强度偏低的原因进行了研究。结果表明:断口平直较规则,无明显塑性变形;裂纹源处呈现“冰糖块”形貌,且部分晶粒尺寸超过100μm,为典型的沿晶界脆性断裂;断口附近存在少量的屈氏体组织,且沿着原奥氏体晶界分布;钢球近表面到断口处的晶粒尺寸明显不均匀,而且断口附近的晶粒较粗大。结合钢球生产工艺分析可知,钢球冲击疲劳强度偏低的主要原因是淬火组织粗大,另一重要原因是回火工序没有有效降低淬火内应力。
    随着全球富矿储量的日益减少,以及市场对金属需求的逐步增加,需要处理的矿石量逐年增长,这要求选矿设备规模不断扩大,性能不断提高[1]。选矿的关键流程之一是磨矿[2],磨矿工艺不断地朝着更加优化的加工流程演变,其明显的趋势是采用大型半自磨机流程,取代传统的碎磨流程,使流程简化,基础建设投资费用降低,生产成本降低,生产效率提高[3]。半自磨设备大型化,成为国内外大型矿山的发展趋势[4-5]。
    钢球作为半自磨机中的主要研磨介质,起到物料破碎研磨的作用。随着半自磨机向大型化的发展,对耐磨钢球的抗破碎性能和耐磨性能提出了更高的要求[6];然而,常规的冲击韧性值不能充分反映出钢球的抗碎裂能力,新发展的落球疲劳试验近似模拟实际工况条件下半自磨机中的钢球运动规律,用于表征耐磨钢球的冲击疲劳强度,而冲击疲劳强度与钢球的抗碎裂性能有密切关系[7-11]。当前,国内外耐磨钢球生产企业普遍采用落球疲劳试验的方法,测试钢球的冲击疲劳强度值。

    本文对落球疲劳试验时钢球提前开裂的原因进行失效分析,以期为钢球冲击疲劳强度提升和现场质量控制提供有益指导,切实解决耐磨钢球使用时出现开裂的质量问题。

    2.2。钢球的断口分析
    钢球断口分析从宏观形貌和微观形态2个方面进行探讨,初步判断钢球提前开裂原因。
    2.2.1。断口宏观形貌分析
    开裂钢球的宏观形貌如图1所示。从图1可见,开裂钢球碎片有多处明显的“白亮区”裂纹源,断口平直较规则;另外,断口附近无明显塑性变形,表面呈银灰色,整体起伏不大,初步判断为脆性开裂[12-14]。断裂面可分为3个区域:纤维状的裂纹源区;由裂纹源区向外呈放射状的放射区;由放射区向外扩展并导致最终断裂的剪切唇区。
    断口从起裂源位置处起裂,沿图中箭头所示方向向四周发散扩展,在扩展区调整入射光线可见一块块毫米量级状的反光面,显示出晶粒粗大的特征。
    2.2.2。断口微观形态分析
    对钢球断口的3个典型区域进行扫描电镜分析。图2所示为裂纹源区的微观形貌,图2(a)中用圆圈标记出了裂纹源的位置,图2(b)为裂纹源处的放大图,呈现“冰糖块”形貌,说明存在晶间断裂[15],同时部分晶粒比较粗大,尺寸超过100μm,且沿晶晶粒表面较为光滑,为典型的沿晶脆性断裂方式。
    同时对裂纹源区域的夹杂物进行分析,如图3所示。用扫描电镜-能谱仪对夹杂物进行元素的无标样定性能谱分析,结果如图4所示。由分析可知,裂纹源区域存在尺寸超过10μm的夹杂物,能谱结果显示含有S、Ca、Si、Al、O等元素,且部分夹杂物位于微裂纹处,如图3(a)和(b)所示。夹杂物的存在增加了疲劳裂纹源,夹杂物与基体的连接处易引起应力集中,在循环冲击应力和相变应力的作用下导致裂纹的萌生与扩展,进而导致磨球失效。

    放射区和剪切唇区的微观形貌如图5所示,从图中可以看出,放射区和剪切唇区以准解理穿晶断裂为主,剪切唇区局部观察到沿晶微裂纹,表明材料在三向应力作用下发生沿晶开裂。


    3。结论
    (1)开裂钢球的断口附近主要为粗针状马氏体+屈氏体(黑色区域)+残余奥氏体,且屈氏体沿着原奥氏体晶界分布,这种组织的存在说明钢球在热处理过程中淬火不均匀。
    (2)开裂钢球的断口附近、次生裂纹附近及钢球表面附近的奥氏体实际晶粒度分别为2.5级、5.5级、7.0级,可见,钢球晶粒尺寸明显不均匀,且开裂钢球断口附近的晶粒粗大。
    (3)开裂钢球裂纹源处呈现“冰糖块”形貌,为典型的沿晶脆性断口特征,部分晶粒粗大且尺寸超过100μm。粗大的晶粒组织会形成较大的晶间内应力,内应力作用在晶界薄弱区域,产生沿晶裂纹,此外,晶界弱化也是粗大晶粒沿晶开裂的原因之一。
    (4)原材料加热温度偏高,奥氏体晶粒长大,造成淬火组织粗大,是钢球发生沿晶脆性开裂的主要原因;钢球入水温度偏高,导致淬火内应力较高,回火工序没有有效降低淬火内应力也是导致落球开裂的重要原因;此外,基体中尺寸超过10μm的夹杂物也可能是降低钢球性能的一个因素。


本文由 球磨机耐磨钢球 整理编辑。


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