Знание - Sanxin

Високомангановата стомана се отнася главно до материал, който бързо се втвърдява по повърхността на стоманените конструкции при големи ударни натоварвания и е износоустойчив. Колкото по-бавна е скоростта на разпространение на пукнатини по време на дългосрочната ѝ употреба, толкова по-малка е вероятността от инциденти, свързани с безопасността. В момента отливките от високоманганова стомана се използват широко в множество индустрии. Поради по-големия параметър на линейно свиване и по-малкия коефициент на топлопреминаване на високоманганова стомана в сравнение с въглеродната стомана, по време на втвърдяването и термичната обработка на отливките от високоманганова стомана, лесно се генерира високо термично напрежение поради неравномерно разпределение на температурата и големи температурни разлики в отливките, което причинява проблеми с пукнатини. Особено при сложни отливки от високоманганова стомана с дебелина над 120 мм е трудно да се контролира проблемът с пукнатини по време на производството.

 

1. Анализ на пукнатини в отливки от високоманганова стомана

В момента има много изследвания върху механизма на обработката за втвърдяване, процеса на термична обработка и процеса на леене на високоманганова стомана, но малко са за проблема с пукнатините в отливките от високоманганова стомана. Въпреки това, по време на използването на отливки от високоманганова стомана, често се срещат различни рискове за безопасността поради проблеми с пукнатини в отливките. Сред тях е отливката от високоманганова стомана за водещо колело, като ключова част от електрическия багер на багера, чието качество и размер ще повлияят на последващата употреба на оборудването. Поради сложната структура на отливката от високоманганова стомана за водещо колело и максималната дебелина на стената от 142 мм, контролът на проблемите с пукнатини по време на производството не е идеален. По време на производството на сложни дебели отливки от високоманганова стомана, след предварителна обработка на отливките чрез радиографска технология за изпитване, беше установено, че има пукнатини с различни размери от двете страни на двата отвора и позицията на дъгата. Действителната дължина на повечето пукнатини е 25 мм, а някои са около 50 мм, както е показано на Фигура 1, което влияе върху експлоатационния живот и процента на добив на отливките от високоманганова стомана. Следователно, по време на периода на ранна диагностика е необходимо да се анализират и проучат причините за образуването на пукнатини в отливките от високоманганова стомана.

 

2. Експериментални материали и методи

2.1 Експериментални материали

По време на изследователския период на това проучване, основният изследователски материал беше отливката от високоманганова стомана ZG100Mn13. След топене в електрическа пещ беше извършено вакуумно рафиниране, за да се контролира съдържанието на кислород в стоманената вода и склонността на легиращите елементи към окисление. След това бяха взети проби от тестовите блокове за отливки и след химичен анализ беше получена подробна таблица за химичния състав, както е показано в Таблица 1. Съгласно разпоредбите на националния стандарт GB/T 5680—2023 „Отливки от аустенитна манганова стомана“, химичният състав на отливките беше класифициран.

2.2 Методи за изпитване

За да се извърши подробна проверка на пробите от пукнатини на отливки от високоманганова стомана, е необходимо да се използва PT багрило върху повърхността на отливките, за да се покаже точно местоположението и посоката на повърхностните пукнатини. След това се изрязва проба от пукнатина с размери 20 мм × 25 мм × 20 мм на мястото на пукнатината. Ако по повърхността на отливката има пълна пукнатина, размерът на пробата от пукнатина трябва да се регулира по подходящ начин, обикновено в диапазона 30 мм × 30 мм × 20 мм. След полиране пробата се потапя в 4% разтвор на азотна киселина и алкохол за 6 секунди, след което се изважда и поставя под лещата на оптичен микроскоп или друго сканиращо оборудване, за да се наблюдават микроструктурата и състоянието на пукнатините в отливката, както и да се анализират и определят подробно причините за образуването на пукнатини.

 

3 Анализ на причините за пукнатини в отливки от високоманганова стомана

3.1 Материални и металургични фактори

Според тестовете и работата по откриване, неразумният контрол на химичния състав е основният фактор, причиняващ пукнатини в отливките от високоманганова стомана. Когато химичният състав е неразумен, характеристиките на високомангановата стомана се влошават, което води до видими пукнатини по повърхността на отливката. В настоящите анализи, когато съдържанието на въглерод и фосфор във високоманганова стомана надвишава стандартното, рискът от постепенно образуване на пукнатини се увеличава. Прекомерното съдържание на въглерод след термична обработка води до утаяване на карбиди по границите на зърната, увеличавайки риска от напукване по границите на зърната и е основен фактор, причиняващ пукнатини в отливките от високоманганова стомана. Освен това, когато съдържанието на фосфор в материала се увеличи, това лесно води до образуването на крехки фосфорни евтектики, намалявайки якостта и жилавостта на границите на зърната и понижавайки общите характеристики на стоманената отливка. Освен това, по време на металургичния процес на отливките от високоманганова стомана, съществуващите дефекти също са ключови фактори, влияещи върху характеристиките на материала. Дефекти като свиващи се кухини, газови дупки и шлакови включвания по време на металургията създават точки на концентрация на напрежение в материала, които са склонни към напукване под въздействието на външни сили. Освен това, ако съдържанието на FeO и MnO в разтопената стомана надвишава 2%, това допълнително влошава крехкостта на границите на зърната и увеличава вероятността от напукване на материала под напрежение.

 

3.2 Дефекти в процеса на леене

По време на производството на отливки от високоманганова стомана, ако температурата на леене не се контролира своевременно, това може лесно да повлияе на качеството на отливките. Ако температурата на леене е твърде висока по време на леенето, времето за втвърдяване след леенето ще се удължи, което ще доведе до груба кристална структура, което не само влияе върху цялостните характеристики на отливката, но и увеличава термичното напрежение на последващото леене, допълнително изостряйки проблема с пукнатините. Обратно, ако температурата на леене е твърде ниска, течливостта на разтопения метал отслабва, което затруднява осигуряването на ефекта на пълнене на формата, а по време на втвърдяване може да причини студено затваряне или недостатъчно подаване, което сериозно влияе на целостта и плътността на отливката. Освен това, в изследванията е установено, че неравномерното охлаждане след леене и недостатъчният допустим свиване също могат да причинят пукнатини в дебели и сложни отливки от високоманганова стомана. Обикновено времето за охлаждане на дебелите части от отливки от високоманганова стомана е по-дълго, докато скоростта на охлаждане на тънкостенните области е по-кратка. Поради разликата в дебелината, температурната разлика по време на охлаждане е твърде голяма и концентрацията на напрежение е по-очевидна, което води до постепенна деформация или напукване на високоманганова стомана. Под влияние на допустимото свиване на формата, препятствието по време на свиване при втвърдяване увеличава опънното напрежение, като по този начин увеличава риска от напукване на отливката. Освен това, повдигачите, които се използват за захранване на кухините от свиване, образувани по време на втвърдяване на отливките, ако имат неразумни конструктивни проблеми, като например диаметър по-малък от 1.5 до 2 пъти дебелината на горещата точка, или ако са изрязани при ниски температури, определено ще доведат до недостатъчен захранващ ефект на повдигача, което постепенно ще доведе до недостатъчно локално захранване и ще причини силна концентрация на напрежение. В тежки случаи това може дори да доведе до бракуване на отливката.

 

3.3 Дефекти в процеса на термична обработка

Понастоящем, при производството на дебели и сложни отливки от високоманганова стомана, недостатъчната скорост на нагряване и времето на задържане са често срещани проблеми в процеса на термична обработка и са основните фактори, причиняващи пукнатини в отливките от високоманганова стомана. По време на термична обработка, ако действителната скорост на нагряване е твърде бърза или отливките не се загряват предварително правилно и своевременно, това ще доведе до голяма температурна разлика между вътрешната и външната страна на отливките след предварителната обработка, което ще доведе до концентрирано термично напрежение. Това не само влияе върху стабилността и механичните свойства на отливките от високоманганова стомана, но и причинява качествени дефекти, като пукнатини. Освен това, поради високото съдържание на въглерод в материала по време на термична обработка, ще се образува голямо количество карбиди, което е вредно за качеството на отливките от високоманганова стомана. Тъй като карбидите имат твърда текстура, ако не се контролират по време на термична обработка, това определено ще доведе до намаляване на жилавостта на структурата на границите на зърната, ще увеличи риска от напукване на отливката и ще намали цялостните характеристики на отливката, причинявайки сериозни вреди на последващата обработка и употреба.

 

3.4 Неразумна структура на дизайна

По време на структурното проектиране на дебели и сложни отливки от високоманганова стомана, поради фактори като прекомерни разлики в дебелината на стените, твърде малки радиуси на заобленията в преходните зони или внезапни промени в напречните сечения на конструкцията, проблемът с концентрацията на напрежение в отливките от високоманганова стомана е доста очевиден, което води до намаляване на крайното качество на продукцията. Концентрацията на напрежение е често срещан вреден проблем в строителната механика. След като една отливка има проблем с концентрацията на напрежение, това често води до прекомерни натоварвания и преждевременни повреди. Когато разликата в дебелината на стената е твърде голяма, разпределението на напрежението в тънките и дебелите зони на отливката от високоманганова стомана не е равномерно и тънките зони често трябва да поемат по-голямо напрежение, което води до пластична деформация или счупване. В същото време, ако радиусите на заобленията в преходните зони са твърде малки, напрежението в преходните зони непрекъснато ще се увеличава по време на употреба на отливката и локалното напрежение ще надвиши средното ниво на приемане на напрежение на отливката, което ще причини напукване. Освен това, по време на настоящото структурно проектиране на отливки от високоманганова стомана, генерирането на структури с форма "+" може също да причини концентрация на напрежение, което води до това, че отливките от високоманганова стомана са в силно напрегнато състояние за дълго време и са склонни към умора на материала или крехко счупване по време на употреба.

 

4 мерки за подобряване на пукнатини в отливки от високоманганова стомана

4.1 Оптимизиране на химичния състав на отливки от високоманганова стомана

Първо, за да се контролира ефективно проблемът с пукнатините при дебели и сложни отливки от високоманганова стомана, химичният състав може да бъде оптимизиран по време на леенето. Чрез стриктен контрол на съдържанието на въглеродни, сярни и фосфорни елементи може да се подобри жилавостта на отливките от високоманганова стомана, като по този начин се намали появата на пукнатини. Освен това, в съответствие с изискванията за употреба на дебели и сложни отливки от високоманганова стомана, съдържанието на въглеродни елементи трябва да се контролира, за да се контролира твърдостта на отливките и да се избегне прекомерно вътрешно напрежение в структурата на отливката, като по този начин се намали рискът от образуване на пукнатини. Второ, по време на топенето на отливки от високоманганова стомана могат да се използват техники за рафиниране, като вакуумно дегазиране и рафиниране в кофа, за да се отстранят ефективно въглеродните, серните и фосфорните елементи от материала. Ако съдържанието на сяра и фосфорни елементи в материала е твърде високо, това сериозно ще намали жилавостта на отливките от високоманганова стомана и ще увеличи вероятността от образуване на пукнатини. И накрая, въглеродът е основният легиращ елемент във високомангановата стомана и има важно влияние върху подобряването на твърдостта и жилавостта на отливките. За да се осигури ефектът от употребата на дебели и сложни отливки от високоманганова стомана, действителното съдържание на въглеродни елементи трябва да се контролира в съответствие с условията на употреба и изискванията за експлоатационни характеристики на отливките, като по този начин се подобрява балансът между твърдостта и жилавостта на отливките от високоманганова стомана и се повишава тяхното качество и експлоатационни характеристики.

 

4.2 Подобряване на процеса на леене на отливки от високоманганова стомана

Ефективното подобряване на размерите и дебелината на стените на отливките от високоманганова стомана и стриктният контрол на действителната температура на отливане по време на отливането може да осигури равномерно разсейване на топлината по време на втвърдяването на отливките. Поради неравномерното локално разсейване на топлината от конструкциите от високоманганова стомана, това може да доведе до прекомерни вътрешни температурни разлики и концентрация на напрежение. Следователно, прецизният контрол на температурата на отливане може да осигури равномерен охлаждащ ефект на отливките по време на втвърдяване и разсейване на топлината, като по този начин подобри качеството на производството на отливките. В същото време, по време на периода на охлаждане, е необходимо своевременно да се контролира скоростта на охлаждане и свиването на формата. Чрез контролиране на вида, дебита и температурата на охлаждащата среда може да се подобри контролният ефект на скоростта на охлаждане. В същото време, трябва да се направят подобрения в материала на формата и методите на проектиране, за да се подобри способността на отливките да се свиват свободно по време на охлаждане, като по този начин ефективно се намали вътрешното напрежение и образуването на пукнатини в отливките. Що се отнася до дизайна на системата за изливане, чрез оптимизиране на разположението и размерите на системата за изливане може да се подобри течливостта на разтопения метал, като се гарантира, че разтопеният метал тече гладко и равномерно в кухината на формата, избягвайки концентрацията на напрежение, причинена от локално прегряване, и подобрявайки капацитета на запълване на разтопения метал. Това може също така своевременно да подобри микроструктурата на отливките, постигайки пълно подобрение на механичните свойства на отливките от високоманганова стомана.

 

4.3 Подобряване на процеса на термична обработка

По време на процеса на термична обработка на отливки от високоманганова стомана, свойствата на материала и размерите на отливките са основните фактори, влияещи върху ефекта от термичната обработка. Следователно, по време на термичната обработка е необходимо научно и разумно да се контролира температурата на закаляване и скоростта на нагряване. По време на процеса на закаляване на отливките, техниците трябва да осигурят равномерно разсейване на топлината от вътрешната структура, за да се избегнат проблеми, причинени от неравномерното разсейване на топлината. В същото време, контролирайте процеса на отпускане и своевременно коригирайте температурата, времето и параметрите на атмосферата за отпускане, за да се гарантира, че отливките могат напълно да освободят вътрешното напрежение по време на отпускане, да се подобри здравината и стабилността на отливките, като по този начин се избегнат проблеми с деформацията или разположението на отливките по време на последваща употреба, допълнително се подобрят комплексните механични свойства и приложимостта на дебели и сложни отливки от високоманганова стомана и се намалят проблемите с безопасността, причинени от образуването на пукнатини във високоманганови стоманени отливки.

 

Освен това, понастоящем основните технологии за термична обработка са обработката за повишаване на жилавостта във вода и обработката с охлаждане. По време на обработката за повишаване на жилавостта във вода, дебелите и сложни отливки от високоманганова стомана трябва да се държат при 650°C, за да се осигури баланс на вътрешните и външните температурни разлики на отливките. След това температурата се повишава до необходимата температура за обработка за повишаване на жилавостта във вода. По време на процеса на охлаждане, когато дебелите и сложни отливки от високоманганова стомана се закаляват, трябва да се избягва рязко охлаждане. Могат да се използват методи за охлаждане чрез разпръскване или поетапно охлаждане.

 

4.4 Технология за заваряване и ремонт

По време на производството на дебели и сложни отливки от високоманганова стомана, технологията на заваряване има пряко въздействие върху качеството на отливките. Следователно, преди заваръчни операции, зоната на пукнатините трябва да бъде старателно почистена, за да се осигури отстраняването на примеси, които могат да повлияят на качеството на заваряване, и да се гарантира качеството на заваряването на отливката. По време на заваряването е необходимо да се анализират здравината и надеждността на заварената връзка, за да се гарантира по-добре последващата употреба на отливките. Понастоящем, за да се гарантира качеството на заваряване, е необходимо да се използват методи за заваряване с ниско влагане на топлина, като например ръчно дъгово заваряване. При ръчно дъгово заваряване, генерирането на топлина по време на заваряване може да се контролира, за да се намали втвърдяването и деформацията, причинени от топлината на заваряване, като по този начин се гарантират механичните свойства и устойчивостта на корозия на заварените съединения на дебели и сложни отливки от високоманганова стомана. След завършване на заваръчните работи не се изисква термична обработка. Температурата на междинния слой трябва да се контролира, за да се избегне въздействието върху качеството на заварената връзка поради натрупване на топлина. Чрез контрол на технологията на заваряване и ремонт могат да се подобрят допълнително проблемите с качеството на заварените съединения, като се подобрят производителността и качеството на дебели и сложни отливки от високоманганова стомана.

 

5 Заключение

Пукнатините в дебелите и сложни отливки от високоманганова стомана са неизбежен резултат от комбинираното въздействие на материала, процеса и структурата. За да се подобри по-добре производственият ефект на дебелите и сложни отливки от високоманганова стомана, е необходимо разумно да се подобри химичният състав по време на производствения период, да се оптимизира процесът на леене, да се засили ефектът от процеса на термична обработка, непрекъснато да се подобрява качеството на производството на отливките, да се контролира допълнително пукнатините в дебелите и сложни отливки от високоманганова стомана, да се подобрят механичните свойства на използваните отливки и да се насърчи напредъкът и развитието на свързаните с тях индустрии.