Viden

Højmanganstål refererer primært til et materiale, der hurtigt hærder på overfladen af ​​stålkonstruktioner under store stødbelastninger og har slidstyrke. Jo langsommere revneudbredelseshastigheden er under langvarig brug, desto lavere er sandsynligheden for sikkerhedsulykker. I øjeblikket anvendes højmanganstålstøbegods i vid udstrækning i flere industrier. På grund af den større lineære krympeparameter og den mindre varmeoverføringskoefficient for højmanganstål sammenlignet med kulstofstål, genereres der let høj termisk spænding under størkning og varmebehandling af højmanganstålstøbegods på grund af ujævn temperaturfordeling og store temperaturforskelle i støbegodset, hvilket forårsager revneproblemer. Især for komplekse højmanganstålstøbegods med en tykkelse på over 120 mm er det vanskeligt at kontrollere revneproblemet under produktionen.

 

1. Revneanalyse af støbegods med højt manganindhold

I øjeblikket findes der mange undersøgelser af mekanismen bag hærdningsbehandling, varmebehandlingsprocesser og støbeprocesser for højmanganstål, men få om revneproblemer i støbegods af højmanganstål. Under brug af støbegods af højmanganstål opstår der dog ofte forskellige sikkerhedsrisici på grund af revneproblemer i støbegodset. Blandt dem er støbegods af højmanganstål, der er en central del af gravemaskinens elektriske skovl, og dets kvalitet og størrelse vil påvirke den efterfølgende brug af udstyret. På grund af den komplekse struktur af støbegods af højmanganstål og den maksimale vægtykkelse på 142 mm er kontrollen af ​​revneproblemer under produktionen ikke ideel. Under produktionen af ​​komplekse, tykke støbegods af højmanganstål blev det efter forbehandling af støbegodset ved hjælp af radiografisk testteknologi konstateret, at der var revner i forskellige størrelser på begge sider af de to huller og buens position. Den faktiske længde af de fleste revner var 25 mm, og nogle få var omkring 50 mm, som vist i figur 1, hvilket påvirkede levetiden og udbyttet af støbegods af højmanganstål. Derfor er det nødvendigt at analysere og studere årsagerne til revnedannelse i støbegods af højt manganindhold i den tidlige diagnoseperiode.

 

2. Eksperimentelle materialer og metoder

2.1 Eksperimentelle materialer

I løbet af denne undersøgelsesperiode var det primære forskningsmateriale ZG100Mn13 støbegods af højmanganstål. Efter smeltning i en elektrisk ovn blev der udført vakuumraffinering for at kontrollere iltindholdet i stålvandet og oxidationstendensen af ​​legeringselementerne. Derefter blev der taget prøver fra støbetestblokkene, og efter kemisk analyse blev der udarbejdet en detaljeret tabel over den kemiske sammensætning, som vist i tabel 1. I henhold til bestemmelserne i den nationale standard GB/T 5680—2023 "Austenitisk manganstålstøbegods" blev den kemiske sammensætning af støbegodset klassificeret.

2.2 Testmetoder

For at udføre en detaljeret inspektion af revneprøver fra støbegods med højt manganindhold er det nødvendigt at bruge PT-farvestof på støbegodsets overflade for nøjagtigt at vise placeringen og retningen af ​​overfladerevner. Derefter skæres en revneprøve på 20 mm × 25 mm × 20 mm på revnestedet. Hvis der er en komplet revne på støbegodsets overflade, skal revneprøvens størrelse justeres passende, normalt inden for området 30 mm × 30 mm × 20 mm. Efter polering af prøven nedsænkes den i en 4% salpetersyrealkoholopløsning i 6 sekunder, tages derefter ud og placeres under linsen på et optisk mikroskop eller andet scanningsudstyr for at observere støbegodsets mikrostruktur og revneforhold og for at analysere og bestemme årsagerne til revnedannelse i detaljer.

 

3 Analyse af årsagerne til revner i støbegods med højt manganindhold

3.1 Materiale- og metallurgiske faktorer

Ifølge test- og detektionsarbejdet er urimelig kontrol af den kemiske sammensætning den vigtigste faktor, der forårsager revner i støbegods med højt manganindhold af stål. Når den kemiske sammensætning er urimelig, forringes ydeevnen af ​​højt manganindhold af stål, hvilket fører til tydelige revner på støbegodsets overflade. I nuværende analyser øges risikoen for gradvis revnedannelse, når kulstof- og fosforindholdet i højt manganindhold af stål overstiger standarden. For højt kulstofindhold fører efter varmebehandling til udfældning af karbider ved korngrænserne, hvilket øger risikoen for revner i korngrænsen og er en væsentlig faktor, der forårsager revner i støbegods med højt manganindhold af stål. Desuden fører fosforindholdet i materialet, når det stiger, let til dannelse af sprøde fosforeutektiske forbindelser, hvilket reducerer styrken og sejheden af ​​korngrænserne og sænker stålstøbegodsets samlede ydeevne. Derudover er eksisterende defektproblemer under den metallurgiske proces af støbegods med højt manganindhold af stål også nøglefaktorer, der påvirker materialets ydeevne. Defekter såsom krympehulrum, gashuller og slaggeindeslutninger under metallurgi skaber spændingskoncentrationspunkter i materialet, som er tilbøjelige til at revne under eksterne kræfter. Desuden, hvis indholdet af FeO₂ og MnO₂ i det smeltede stål overstiger 2%, forværrer det yderligere korngrænsernes sprødhed og øger sandsynligheden for, at materialet revner under belastning.

 

3.2 Fejl i støbeprocessen

Under produktionen af ​​støbegods af højmanganstål kan det nemt påvirke støbegodsets kvalitet, hvis støbetemperaturen ikke kontrolleres rettidigt. Hvis støbetemperaturen er for høj under støbning, vil størkningstiden efter støbning blive forlænget, hvilket resulterer i en grov krystalstruktur, som ikke kun påvirker støbegodsets samlede ydeevne, men også øger den termiske belastning i den efterfølgende støbning, hvilket yderligere forværrer revneproblemet. Omvendt, hvis støbetemperaturen er for lav, svækkes det smeltede metals flydeevne, hvilket gør det vanskeligt at sikre formens fyldningseffekt, og under størkning kan det forårsage koldlukning eller utilstrækkelig tilførsel, hvilket alvorligt påvirker støbegodsets integritet og densitet. Derudover har forskning vist, at ujævn afkøling efter støbning og utilstrækkelig krympningstolerance også kan forårsage revner i tykke og komplekse støbegods af højmanganstål. Generelt er køletiden for tykke dele af støbegods af højmanganstål længere, mens kølehastigheden for tyndvæggede områder er kortere. På grund af tykkelsesforskellen er temperaturforskellen under afkøling for stor, og spændingskoncentrationen er mere tydelig, hvilket fører til gradvis deformation eller revnedannelse i støbegods af højmanganstål. Under påvirkning af formens krympningstolerance øger hindringen under størkningskontraktionen trækspændingen, hvilket øger risikoen for revner i støbegodset. Desuden vil stigrør, der bruges til at fodre krympehulrummene, der dannes under størkning af støbegods, hvis de har urimelige designproblemer, såsom en diameter mindre end 1.5 til 2 gange tykkelsen af ​​hot spot, eller hvis de skæres ved lave temperaturer, helt sikkert føre til en utilstrækkelig tilførselseffekt af stigrøret, hvilket gradvist resulterer i utilstrækkelig lokal tilførsel og forårsager alvorlig spændingskoncentration. I alvorlige tilfælde kan det endda føre til kassering af støbegodset.

 

3.3 Fejl i varmebehandlingsprocessen

I øjeblikket er utilstrækkelig opvarmningshastighed og holdetid almindelige problemer i varmebehandlingsprocessen under produktionen af ​​tykke og komplekse støbegods med højt manganindhold af stål, og det er de vigtigste faktorer, der forårsager revner i støbegods med højt manganindhold. Hvis den faktiske opvarmningshastighed under varmebehandling er for hurtig, eller støbegodset ikke forvarmes korrekt og rettidigt, vil det føre til en stor temperaturforskel mellem indersiden og ydersiden af ​​støbegodset efter forbehandling, hvilket resulterer i koncentreret termisk belastning. Dette påvirker ikke kun stabiliteten og de mekaniske egenskaber af støbegods med højt manganindhold af stål, men forårsager også kvalitetsfejl såsom revner. Derudover vil der på grund af det høje kulstofindhold i materialet under varmebehandlingen produceres en stor mængde karbider, hvilket er skadeligt for kvaliteten af ​​støbegods med højt manganindhold af stål. Da karbider har en hård tekstur, vil det, hvis de ikke kontrolleres under varmebehandling, helt sikkert føre til et fald i sejheden af ​​korngrænsestrukturen, øge risikoen for revner i støbegodset og reducere støbegodsets samlede ydeevne, hvilket forårsager alvorlig skade på efterfølgende forarbejdning og brug.

 

3.4 Urimelig designstruktur

Under strukturel design af tykke og komplekse støbegods med højt manganindhold af stål er problemet med spændingskoncentration i støbegods med højt manganindhold ret tydeligt på grund af faktorer som for store forskelle i vægtykkelse, for små filetradier i overgangsområder eller pludselige ændringer i tværsnit i strukturen. Dette resulterer i et fald i den endelige produktionskvalitet. Spændingskoncentration er et almindeligt skadeligt problem i strukturmekanik. Når en støbestruktur har et spændingskoncentrationsproblem, fører det ofte til, at strukturen bærer for store belastninger og for tidlig skade. Når forskellen i vægtykkelse er for stor, er spændingsfordelingen i de tynde og tykke områder af støbegodset med højt manganindhold af stål ikke ensartet, og de tynde områder skal ofte bære mere belastning, hvilket fører til plastisk deformation eller brud. Samtidig, hvis filetradier i overgangsområder er for små, vil spændingen i overgangsområderne kontinuerligt stige under brugen af ​​støbegodset, og den lokale spænding vil overstige støbegodsets gennemsnitlige spændingsacceptansniveau og derved forårsage revner. Derudover kan dannelsen af ​​"+"-formede strukturer under den nuværende strukturelle design af støbegods med højt manganindhold også forårsage spændingskoncentration, hvilket fører til, at støbegods med højt manganindhold er i en meget belastet tilstand i lang tid, og de er tilbøjelige til udmattelsesskader eller sprødbrud under brug.

 

4 forbedringstiltag for revner i støbegods med højt manganindhold

4.1 Optimering af den kemiske sammensætning af støbegods med højt manganindhold

For det første kan den kemiske sammensætning optimeres under støbning for effektivt at kontrollere revneproblemet i tykke og komplekse støbegods af højmanganstål. Ved strengt at kontrollere indholdet af kulstof-, svovl- og fosforelementer kan sejheden af ​​støbegods af højmanganstål forbedres, hvorved forekomsten af ​​revner reduceres. Desuden bør indholdet af kulstofelementer kontrolleres i henhold til brugskravene til tykke og komplekse støbegods af højmanganstål for at kontrollere støbegodsets hårdhed og undgå overdreven indre spænding i støbestrukturen og derved reducere risikoen for revnedannelse. For det andet kan raffineringsteknikker som vakuumafgasning og øseraffinering anvendes under smeltning af støbegods af højmanganstål for effektivt at fjerne kulstof-, svovl- og fosforelementer fra materialet. Hvis indholdet af svovl- og fosforelementer i materialet er for højt, vil det reducere sejheden af ​​støbegods af højmanganstål betydeligt og øge sandsynligheden for revnedannelse. Endelig er kulstof det vigtigste legeringselement i højmanganstål og har en vigtig indflydelse på at forbedre støbegodsets hårdhed og sejhed. For at sikre brugseffekten af ​​tykke og komplekse støbegods med højt manganindhold af stål, bør det faktiske indhold af kulstofelementer kontrolleres i henhold til brugsmiljøet og støbegodsets ydeevnekrav, hvorved balancen mellem hårdhed og sejhed af støbegods med højt manganindhold forbedres, og deres kvalitet og ydeevne forbedres.

 

4.2 Forbedring af støbeprocessen for støbegods med højt manganindhold

Effektiv forbedring af dimensionerne og vægtykkelsen af ​​støbegods med højt manganindhold og streng kontrol af den faktiske støbetemperatur under støbning kan sikre ensartet varmeafledning under støbegodsets størkning. På grund af den ujævne lokale varmeafledning i støbegodskonstruktioner med højt manganindhold kan det føre til for store interne temperaturforskelle og spændingskoncentrationer. Derfor kan præcis kontrol af støbetemperaturen sikre en ensartet køleeffekt af støbegodset under størkning og varmeafledning og derved forbedre kvaliteten af ​​støbeproduktionen. Samtidig er det nødvendigt at kontrollere kølehastigheden og krympningen af ​​formen rettidigt under køleperioden. Ved at kontrollere kølemediets type, strømningshastighed og temperatur kan kontroleffekten af ​​kølehastigheden forbedres. Samtidig bør der foretages forbedringer af formmaterialet og designmetoderne for at forbedre støbegodsets frie krympningsevne under afkøling og derved effektivt reducere den interne spænding og revnedannelse i støbegodset. Hvad angår designet af hældesystemet, kan man ved at optimere hældesystemets layout og dimensioner forbedre det smeltede metals flydeevne, hvilket sikrer, at det smeltede metal flyder jævnt og jævnt ind i formhulrummet, undgår spændingskoncentration forårsaget af lokal overophedning og forbedrer det smeltede metals fyldningskapacitet. Dette kan også rettidigt forbedre støbegodsets mikrostruktur og opnå en fuldstændig forbedring af de mekaniske egenskaber ved støbegods med højt manganindhold.

 

4.3 Forbedring af varmebehandlingsprocessen

Under varmebehandlingsprocessen af ​​støbegods med højt manganindhold er materialeegenskaber og støbedimensioner de vigtigste faktorer, der påvirker varmebehandlingseffekten. Derfor er det under varmebehandlingen nødvendigt at kontrollere bratkølingstemperaturen og opvarmningshastigheden videnskabeligt og rimeligt. Under bratkølingsprocessen af ​​støbegodset skal teknikere sikre en ensartet varmeafledningseffekt af den indre struktur for at undgå problemer forårsaget af ujævn varmeafledning. Samtidig skal anløbningsprocessen kontrolleres og anløbningstemperatur-, tids- og atmosfæreparametrene justeres rettidigt for at sikre, at støbegodset fuldt ud kan frigive den indre spænding under anløbningen, forbedre støbegodsets sejhed og stabilitet og derved undgå deformations- eller arrangementsproblemer af støbegodset under efterfølgende brug, yderligere forbedre de omfattende mekaniske egenskaber og anvendeligheden af ​​tykke og komplekse støbegods med højt manganindhold og reducere sikkerhedsproblemer forårsaget af revnedannelse i støbegods med højt manganindhold.

 

Derudover er vandsejhedsbehandling og kølebehandling de vigtigste varmebehandlingsteknologier, der anvendes i øjeblikket. Under vandsejhedsbehandling skal tykke og komplekse støbegods med højt manganindhold holdes ved 650 °C for at sikre balance mellem interne og eksterne temperaturforskelle i støbegodset. Derefter hæves temperaturen til den krævede temperatur for vandsejhedsbehandling. Under køleprocessen, når tykke og komplekse støbegods med højt manganindhold bratkøles, bør voldsom afkøling undgås. Sprøjtekøling eller trinvise kølemetoder kan anvendes.

 

4.4 Svejse- og reparationsteknologi

Under fremstillingen af ​​tykke og komplekse støbegods af højmangan-stål har svejseteknologien en direkte indflydelse på støbegodsets kvalitet. Derfor skal revneområdet rengøres grundigt før svejsning for at sikre fjernelse af urenheder, der kan påvirke svejsekvaliteten og sikre kvaliteten af ​​støbesvejsningen. Under svejsning skal styrken og pålideligheden af ​​den svejsede samling analyseres for bedre at sikre den efterfølgende brugseffekt af støbegodset. For at sikre svejsekvaliteten skal der i øjeblikket anvendes svejsemetoder med lav varmetilførsel, såsom manuel lysbuesvejsning. Under manuel lysbuesvejsning kan varmeudviklingen under svejsning kontrolleres for at reducere hærdning og deformation forårsaget af svejsevarme og derved sikre de mekaniske egenskaber og korrosionsbestandigheden af ​​de svejsede samlinger i tykke og komplekse støbegods af højmangan-stål. Efter svejsearbejdet er der ikke behov for varmebehandling. Mellemlagstemperaturen bør kontrolleres for at undgå påvirkning af svejsesamlingens kvalitet på grund af varmeakkumulering. Gennem kontrol af svejse- og reparationsteknologi kan kvalitetsproblemerne ved de svejsede samlinger forbedres yderligere, hvilket forbedrer ydeevnen og kvaliteten af ​​tykke og komplekse støbegods af højmangan-stål.

 

5 Konklusion

Revner i tykke og komplekse støbegods med højt manganindhold er det uundgåelige resultat af de kombinerede effekter af materiale, proces og struktur. For bedre at forbedre produktionseffekten af ​​tykke og komplekse støbegods med højt manganindhold er det nødvendigt at forbedre den kemiske sammensætning i produktionsperioden på en rimelig måde, optimere støbeprocessen, styrke effekten af ​​varmebehandlingsprocessen, løbende forbedre produktionskvaliteten af ​​støbegods, yderligere kontrollere revner i tykke og komplekse støbegods med højt manganindhold, forbedre de mekaniske egenskaber af støbegods i brug og fremme fremskridt og udvikling af relaterede industrier.