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耐磨钢球落球试验开裂原因分析

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019-2-21     浏览次数:    
    耐磨钢球落球试验开裂原因分析
    董登超,张珂,吴园园,洪慧敏
    摘要:为查明落球试验中耐磨钢球未达到规定次数而开裂的原因,对开裂钢球的化学成分、显微组织、断口形貌、非金属夹杂物以及洛氏硬度等进行试验分析。结果表明:开裂钢球断口处实际奥氏体晶粒粗大,且晶粒大小不均匀;开裂钢球基体及断口裂纹源处发现大尺寸的非金属夹杂物,其主要成分为含钙镁铝等元素的硅酸盐。基于试验分析,推测开裂原因为:应用余热淬火工艺对钢球进行热处理时,加热温度不易控制,导致奥氏体晶粒粗大与不均匀,加剧材料淬火应力分布不均,导致局部应力集中,在落球试验过程中,形成裂纹源而导致开裂。在采取适当降低原材料的加热温度,缩短钢球出水到回火炉的时间间隔等改进措施后,单颗钢球10m落球次数成功达到5000次以上的测试要求。

    耐磨钢球是球磨机粉碎物料的重要介质。为了保证成品钢球的使用寿命,钢球在出厂前需要进行落球试验,以测试钢球抵抗冲击和疲劳破坏的能力,满足要求后才能出厂[1]。

    某厂某牌号成品钢球生产工艺为:步进式加热炉—斜轧—余热淬火—低温回火—时效处理。其中,热处理工艺为:钢材加热温度约980~1020℃,高温段加热时间约40min,钢球入水温度约820℃,出水温度约150~170℃,回火温度约180~200℃,回火时间约.5h。在对成品钢球进行10m落球试验时,有单颗落球次数≤1800次,远远小于单颗钢球落球次数要达到5000次的协议要求。作者通过对开裂钢球进行一系列理化分析,寻找钢球落球疲劳试验不合格的原因,并为钢球生产厂家提供改进建议。


    1。试验检测
    .1)化学成分在开裂钢球上切取一块平整样,采用型的直读光谱仪进行化学成分分析,结果如表1所示,符合技术协议要求。
    .2)硬度对开裂钢球样用Wilson2001T型洛氏硬度计进行硬度分析,硬度值为61.2HRC,而该牌号钢球的技术协议要求硬度值≥60HRC,因此,开裂钢球的硬度值符合技术协议要求。
    .3)断口分析图1为开裂钢球宏观形貌,在球磨钢球开裂面发现多处白亮区,在白亮区周围有发散状辉纹,由此,可判断该白亮区为裂纹源。对1号白亮区用EVO18型的扫描电镜进行观察,该区呈“冰糖状”断口形貌,为典型的沿晶断裂特征,可以看出晶粒较粗大,尺寸超过μm,除此之外,该区域还观察到微裂纹,如图所示。同时,在裂纹源区中心还发现夹杂物,如图所示,对夹杂物进行能谱分析,其主要元素有O、、Ca、Al、Mg等,结果如表2所示。
    .4)非金属夹杂物对开裂钢球使用Labotom-3型的手动切割机进行切割、用CitoPress-20型的热镶嵌机进行镶嵌、用型的磨抛机进行磨抛后进行非金属夹杂物观察,多处观察到较大尺寸的非金属夹杂物,有的尺寸超过100μm,如图3(a)所示,用能谱对夹杂物成分进行分析,成分主要为O、Al、Ca、Si、Mg等元素。在金相显微镜下,对断口向基体延伸的微裂纹进行观察,发现裂纹内存在夹杂物,如图3(b)所示,对夹杂物成分进行能谱分析,成分也主要为O、Al、Ca、Si等元素。金相检验与电镜断口分析获得的信息基本一致,说明开裂钢球中存在较大尺寸的含钙镁铝等元素的硅酸盐夹杂物,且这些夹杂物与钢球的开裂存在一定关系。
    .5)显微组织在开裂钢球断口裂纹源附近、次生裂纹附近及钢球表面附近进行取样,磨抛后,使用加入适量洗涤剂的饱和苦味酸水溶液在70℃温度条件下进行侵蚀,对侵蚀后的样品进行奥氏体晶粒度观察,如图4所示,并按照GB/T6394—2002《金属平均晶粒度测定方法》标准进行评级。图4(a)为断口裂纹源附近的晶粒形貌,奥氏体晶粒度约为2.5级,晶粒粗大,这与断口观察结果一致,说明钢球在热处理过程中淬火温度过高。图为次生裂纹附近的晶粒形貌,奥氏体晶粒度约为.5级,与断口处晶粒尺寸相差较大,这说明淬火温度极不均匀。由图4(a)、(b)均可以看出,裂纹沿晶界扩展,呈沿晶断裂特征,说明钢球局部区域存在晶界弱化甚至部分晶界已经具有裂纹特征[2]。

    对样品再次磨抛、用4%硝酸酒精进行侵蚀,对样品基体、断口及次生裂纹附近显微金相组织进行观察,结合XRD分析结果可知,组织均主要为回火马氏体少量残留奥氏体组织,如图5所示,且在断口及次生裂纹处未观察到脱碳现象,如图5(b)所示,这说明断口裂纹是淬火裂纹[3],开裂是在淬火过程或淬火后发生的。


    2。开裂原因分析
    由理化分析结果知,钢球化学成分及硬度均满足技术协议要求。
    钢球断口主裂纹及次生裂纹边缘未发现脱碳现象,说明该裂纹是淬火裂纹[3],淬火裂纹断口一般是脆性沿晶断口[2],这与扫描电镜断口观察到的沿晶断图5开裂钢球显微组织基体;(b)断口及次生裂纹附近.口特征是相符的,说明钢球的开裂是在淬火过程或淬火后发生的。在淬火过程中,奥氏体转变为马氏体时,要发生体积膨胀,如果晶粒粗大或不均匀,会导致较大的不均匀应变,导致局部应力集中,在淬火宏观应力或外力作用下,便会出现沿晶断裂[3-4]。
    检测结果表明,开裂钢球断口处奥氏体晶粒粗大,奥氏体晶粒尺寸也极不均匀。导致奥氏体晶粒粗大的原因是轧制过程中加热温度或加热时间控制不当而造成过热。当奥氏体晶粒粗大时,易于形成粗大的片状马氏体组织,诱发显微淬火裂纹[5],由提供的生产工艺可知,该钢球在生产中使用余热淬火工艺,不易控制淬火温度,容易导致晶粒粗大和不均匀[6-7]。
    样品中检测到较大尺寸非金属夹杂物,说明钢球用钢的冶金质量存在一定缺陷。非金属夹杂物会提高淬火内应力分布的不均匀性,进而增加材料的淬火裂纹敏感性[8]。断口向基体伸展的微裂纹内检测出非金属夹杂物,以及裂纹源处发现类似成分的非金属夹杂物,这些非金属夹杂物易成为裂纹萌生的起点[8-10]。

    但有些发现大尺寸非金属夹杂物的区域并未发现裂纹,且通过对使用同样钢材进行钢球生产另一厂家进行了解,他们由于采用二次加热的热处理工艺,生产出的钢球并未发现落球疲劳试验不合格的情况,说明非金属夹杂物并不是导致钢球开裂的决定因素,热处理工艺不当才是导致钢球失效的主要因素。


    3。结论
    应用余热淬火工艺对钢球进行热处理时,由于出现加热温度过高或加热不均的情况,导致奥氏体晶粒粗大或不均匀,进而导致淬火时产生应力集中,最终引起淬火裂纹,这是导致钢球落球开裂的主要原因;另外,原材料中存在较大尺寸非金属夹杂物这一冶金质量缺陷,这是在热处理工艺不当的情况下,在落球试验过程中促使钢球提前开裂的一个因素,但不是主要因素。

    为了提高钢球落球试验合格率,钢球生产厂家结合生产实际,在满足斜轧机负荷的前提下,适当降低了原材料的加热温度,稳定钢球入水温度,提高辊道运动速度,缩短了钢球出水到回火炉的时间间隔以便及时回火。采取以上措施后,成品钢球在10m落球试验时,单颗钢球落球次数达到5000次以上。


本文由 球磨机耐磨钢球 整理编辑。

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