耐磨鋼球開裂原因分析

王艷麗 馬 鵬 歐陽琦 高秋江 田伏慶 陳瑾瑜

(安陽鋼鐵股份有限公司)

0 前言

某廠生產(chǎn)的Ф125 mm 的耐磨鋼球，主要用于球磨機(jī)的粉碎介質(zhì)，用于粉碎球磨機(jī)中的物料。但客戶在使用過程中發(fā)現(xiàn)，耐磨鋼球破碎率高于行業(yè)平均值1%［1］，壽命明顯低于鋼球的常規(guī)使用壽命，影響了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)效率與質(zhì)量控制，而且增加了生產(chǎn)成本。

為解決以上問題，找出耐磨鋼球破裂的原因，提高其利用率，我們通過分析耐磨鋼球的化學(xué)成分、斷口形貌、金相組織、硬度等來查找鋼球開裂的原因，為現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制提供理論依據(jù)，切實(shí)解決耐磨鋼球生產(chǎn)過程中存在的開裂問題。

圖1 球磨機(jī)

圖2 鋼球

1 鋼球制造工藝及服役狀態(tài)

Ф125 mm 的鋼球，其制造工藝為:圓鋼定尺—圓鋼加熱—軋制—空冷—淬火—空冷—回火—時(shí)效—包裝。

熱軋鋼球具備鋼的一切優(yōu)點(diǎn)，通過熱處理后成為硬度高、金相組織細(xì)密、晶粒細(xì)小、抗變形、耐磨性好、沖擊韌性好的鋼球［2］，硬度達(dá)到56 HRC ～63 HRC。

在直徑為3．2 m 的球磨機(jī)(如圖1 所示)中進(jìn)行研磨礦物，物料和鋼球(如圖2 所示)進(jìn)行充分接觸后，料粉通過卸料板排出，完成粉磨作業(yè)。鋼球在服役狀態(tài)下受到球磨機(jī)筒體高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力、礦物充分接觸的磨檫力、鋼球下落時(shí)的沖擊力等作用。

2 試驗(yàn)分析

2．1 化學(xué)成分分析

在失效試樣上取樣，采用光電直讀光譜儀進(jìn)行成分分析，結(jié)果見表1。

表1 ． 送檢試樣的化學(xué)成分分析結(jié)果和規(guī)范要求

由表1 可知，標(biāo)準(zhǔn)鋼球含碳量在0． 15% ～0．70%間波動(dòng)，屬于亞共析鋼范疇，此發(fā)生開裂的鋼球試樣的成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，因此排除材料成分不符對(duì)鋼球的影響。

2．2 斷口分析

鋼球斷口形貌分析從宏觀形貌與微觀形貌兩個(gè)方面進(jìn)行分析，通過斷口分析初步判斷鋼球開裂原因。

2．2．1 斷口宏觀形貌分析

破碎鋼球的斷口宏觀形貌，如圖3 所示。

圖3 斷口宏觀形貌

從圖3 可以看出，斷口宏觀形貌為典型的脆性斷口，斷裂面可分為三個(gè)區(qū)域:處于中心位置的纖維區(qū)(為裂紋起始源);由中心裂紋源向外呈放射花樣狀的放射區(qū);由放射區(qū)向外擴(kuò)展并導(dǎo)致最終斷裂的剪切唇區(qū)。斷裂面上粗大的纖維對(duì)光的反射能力弱(散射能力很強(qiáng))，所以斷口表面呈暗灰色［3］。該斷口的中心纖維區(qū)所占面積比例適中，說明基體材料的塑性適中，整個(gè)斷裂面呈現(xiàn)強(qiáng)烈的脆性變形痕跡。斷口相對(duì)齊平并垂直于載荷方向。此外中心裂紋源向外擴(kuò)展出較明顯的放射區(qū)，這也是脆性斷裂的宏觀特征。斷口的剪切唇區(qū)和放射區(qū)相鄰，所占面積比例較小，放射區(qū)的每根放射花樣均平行于裂紋擴(kuò)展方向，垂直于斷口輪廓線，并逆向指向中心裂紋源。

2．2．2 斷口微觀形態(tài)分析

在SEM 下觀察斷口的微觀形貌，中心裂紋源區(qū)在不同放大倍數(shù)下的電鏡圖片如圖4 所示。

從圖4(b)可以看出，裂紋源區(qū)分布有小面積的“冰糖狀”區(qū)域，說明存在晶間斷裂，同時(shí)晶粒比較粗大，尺寸超過100 微米，沿晶晶粒表面光滑。從圖4 (d)可以看出，局部能觀察到小的韌窩，韌窩形態(tài)為交錯(cuò)分布的等軸韌窩［4］和拉長(zhǎng)韌窩。

圖4 裂紋源區(qū)微觀形貌

放射區(qū)及剪切唇區(qū)微觀形貌圖如圖5 所示。

圖5 放射區(qū)及剪切唇區(qū)微觀形貌

從圖5 可以看出，放射區(qū)和剪切唇區(qū)以準(zhǔn)解理穿晶斷口為主，局部可見少量沿晶斷口，沿晶斷口位置通?？捎^察到垂直于斷面的沿晶微裂紋，表明鋼球材料局部區(qū)域存在晶界弱化甚至開裂的問題。放射區(qū)也觀察到垂直于斷面方向的穿晶裂紋。

2．3 鋼球基體組織分析

從鋼球上取樣，制取金相試樣，經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后，光學(xué)顯微鏡下的金相組織如圖6 所示。

圖6 金相組織形貌

從圖6 可以看出，圖6(a)為竹葉狀的貝氏體組織;圖6(a)、(b)中均觀察到大量的沿晶界分布的屈氏體組織［2］，屈氏體本質(zhì)上是極細(xì)的層片狀珠光體組織，片層間距較索氏體更小，在光學(xué)顯微鏡下只能看到如墨菊狀的黑色形態(tài)，如圖中箭頭所指處。由此可見，鋼球基體組織為回火索氏體+貝氏體+屈氏體組織，基體組織回火索氏體比較粗大，低倍下仍可見枝晶狀偏析。圖6(c)為在高倍下觀察，部分原奧氏體［5］晶界上可見一層薄的碳化物析出，這種沿晶碳化物的存在會(huì)弱化晶界，導(dǎo)致異常的沿晶開裂。

經(jīng)苦味酸鹽酸腐蝕后，做晶粒度檢測(cè)，晶粒形貌如圖7 所示。

圖7 晶粒形貌

從圖7 可以看出，鋼球材料平均晶粒度僅為1．0級(jí)，鋼球材料晶粒粗大，大小分布均勻，遠(yuǎn)無法滿足用戶技術(shù)協(xié)議要求的≥6 級(jí)。

2．3 硬度檢測(cè)

在金相試樣上，分別測(cè)試材料回火索氏體基體和屈氏體組織部位的顯微維氏硬度［6］，每個(gè)組織區(qū)域打5 個(gè)點(diǎn)，取算術(shù)平均值，結(jié)果見表2。根據(jù)GB/T 1172 －1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》換算獲得洛氏硬度值。

表2 顯微維氏硬度(HV0．5)測(cè)試結(jié)果

由表2 可知，晶界上的屈氏體區(qū)域硬度為52．5 HRC，明顯低于基體硬度(60 HRC)。

3 分析與討論

掃描電鏡微觀形貌顯示斷口中心裂紋源區(qū)域存在小的韌窩(如圖4 所示)，而韌窩為金屬材料斷裂的主要微觀特征，分析其原因?yàn)?鋼球加工原材料為熱軋圓鋼，一般來說大直徑的圓鋼心部均存在一定的疏松;后續(xù)在鋼球的加工過程中由于回火溫度控制的不當(dāng)，導(dǎo)致鋼球晶粒粗大不均勻(如圖7 所示)。這兩種因素導(dǎo)致鋼球的中心區(qū)域存在一些微小的空洞，而韌窩形成的先天條件為基體材料內(nèi)部存在一些空洞，在鋼球服役過程中，受到正應(yīng)力、沖擊應(yīng)力、剪切應(yīng)力的作用，小的空洞開始滑移、聚集、長(zhǎng)大、連接、斷裂并最終導(dǎo)致韌窩斷口的形成，宏觀表征為開裂斷口。

正常調(diào)質(zhì)后的鋼球金相組織為均勻致密的回火索氏體組織，鋼球試樣金相組織為回火索氏體+貝氏體+屈氏體，分析其原因?yàn)闊崽幚砉に囐|(zhì)量控制不當(dāng)［7］。首先，粗大的晶粒會(huì)導(dǎo)致馬氏體界面會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，會(huì)加劇材料淬火時(shí)應(yīng)力分布不均，導(dǎo)致局部出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中甚至出現(xiàn)沿晶脆性開裂，并降低導(dǎo)致材料晶界部位強(qiáng)度［8］。其次，大小分布不一的晶粒，在鋼球受外力時(shí)，其晶粒交界面聚合力減弱，導(dǎo)致其抗沖擊、抗剪切性能均遠(yuǎn)低于合格鋼球。另外沿晶析出的碳化物和沿晶分布的屈氏體組織，也會(huì)大大降低材料晶界部位強(qiáng)度，在外力作用下，這些晶界弱化的位置更易于出現(xiàn)沿晶開裂，導(dǎo)致鋼球失效。

顯微硬度結(jié)果顯示，屈氏體組織的硬度遠(yuǎn)低于正?；鼗鹚魇象w的硬度(相差近10 HRC)，受外力時(shí)，兩種組織應(yīng)力分布不均勻間接導(dǎo)致了鋼球開裂失效。另外，若鋼球整體硬度降低，在球磨機(jī)內(nèi)物料硬度高于鋼球硬度時(shí)，加大鋼球的開裂傾向。

4 結(jié)論

(1)鋼球晶粒組織粗大不均勻，導(dǎo)致局部出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中甚至出現(xiàn)沿晶脆性開裂，惡化鋼球力學(xué)性能;沿晶析出的碳化物和沿晶分布的屈氏體組織，都會(huì)導(dǎo)致材料晶界部位強(qiáng)度降低。晶粒粗大和晶界弱化是導(dǎo)致鋼球發(fā)生開裂的原因之一;

(2)韌性斷口的形成與鋼球心部區(qū)域的空洞有直接的聯(lián)系。

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