耐磨钢球开裂原因分析

王艳丽 马 鹏 欧阳琦 高秋江 田伏庆 陈瑾瑜

(安阳钢铁股份有限公司)

0 前言

某厂生产的Ф125 mm 的耐磨钢球，主要用于球磨机的粉碎介质，用于粉碎球磨机中的物料。但客户在使用过程中发现，耐磨钢球破碎率高于行业平均值1%［1］，寿命明显低于钢球的常规使用寿命，影响了现场生产效率与质量控制，而且增加了生产成本。

为解决以上问题，找出耐磨钢球破裂的原因，提高其利用率，我们通过分析耐磨钢球的化学成分、断口形貌、金相组织、硬度等来查找钢球开裂的原因，为现场质量控制提供理论依据，切实解决耐磨钢球生产过程中存在的开裂问题。

图1 球磨机

图2 钢球

1 钢球制造工艺及服役状态

Ф125 mm 的钢球，其制造工艺为:圆钢定尺—圆钢加热—轧制—空冷—淬火—空冷—回火—时效—包装。

热轧钢球具备钢的一切优点，通过热处理后成为硬度高、金相组织细密、晶粒细小、抗变形、耐磨性好、冲击韧性好的钢球［2］，硬度达到56 HRC ～63 HRC。

在直径为3．2 m 的球磨机(如图1 所示)中进行研磨矿物，物料和钢球(如图2 所示)进行充分接触后，料粉通过卸料板排出，完成粉磨作业。钢球在服役状态下受到球磨机筒体高速旋转产生的离心力、矿物充分接触的磨檫力、钢球下落时的冲击力等作用。

2 试验分析

2．1 化学成分分析

在失效试样上取样，采用光电直读光谱仪进行成分分析，结果见表1。

表1 ． 送检试样的化学成分分析结果和规范要求

由表1 可知，标准钢球含碳量在0． 15% ～0．70%间波动，属于亚共析钢范畴，此发生开裂的钢球试样的成分符合标准要求，因此排除材料成分不符对钢球的影响。

2．2 断口分析

钢球断口形貌分析从宏观形貌与微观形貌两个方面进行分析，通过断口分析初步判断钢球开裂原因。

2．2．1 断口宏观形貌分析

破碎钢球的断口宏观形貌，如图3 所示。

图3 断口宏观形貌

从图3 可以看出，断口宏观形貌为典型的脆性断口，断裂面可分为三个区域:处于中心位置的纤维区(为裂纹起始源);由中心裂纹源向外呈放射花样状的放射区;由放射区向外扩展并导致最终断裂的剪切唇区。断裂面上粗大的纤维对光的反射能力弱(散射能力很强)，所以断口表面呈暗灰色［3］。该断口的中心纤维区所占面积比例适中，说明基体材料的塑性适中，整个断裂面呈现强烈的脆性变形痕迹。断口相对齐平并垂直于载荷方向。此外中心裂纹源向外扩展出较明显的放射区，这也是脆性断裂的宏观特征。断口的剪切唇区和放射区相邻，所占面积比例较小，放射区的每根放射花样均平行于裂纹扩展方向，垂直于断口轮廓线，并逆向指向中心裂纹源。

2．2．2 断口微观形态分析

在SEM 下观察断口的微观形貌，中心裂纹源区在不同放大倍数下的电镜图片如图4 所示。

从图4(b)可以看出，裂纹源区分布有小面积的“冰糖状”区域，说明存在晶间断裂，同时晶粒比较粗大，尺寸超过100 微米，沿晶晶粒表面光滑。从图4 (d)可以看出，局部能观察到小的韧窝，韧窝形态为交错分布的等轴韧窝［4］和拉长韧窝。

图4 裂纹源区微观形貌

放射区及剪切唇区微观形貌图如图5 所示。

图5 放射区及剪切唇区微观形貌

从图5 可以看出，放射区和剪切唇区以准解理穿晶断口为主，局部可见少量沿晶断口，沿晶断口位置通常可观察到垂直于断面的沿晶微裂纹，表明钢球材料局部区域存在晶界弱化甚至开裂的问题。放射区也观察到垂直于断面方向的穿晶裂纹。

2．3 钢球基体组织分析

从钢球上取样，制取金相试样，经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，光学显微镜下的金相组织如图6 所示。

图6 金相组织形貌

从图6 可以看出，图6(a)为竹叶状的贝氏体组织;图6(a)、(b)中均观察到大量的沿晶界分布的屈氏体组织［2］，屈氏体本质上是极细的层片状珠光体组织，片层间距较索氏体更小，在光学显微镜下只能看到如墨菊状的黑色形态，如图中箭头所指处。由此可见，钢球基体组织为回火索氏体+贝氏体+屈氏体组织，基体组织回火索氏体比较粗大，低倍下仍可见枝晶状偏析。图6(c)为在高倍下观察，部分原奥氏体［5］晶界上可见一层薄的碳化物析出，这种沿晶碳化物的存在会弱化晶界，导致异常的沿晶开裂。

经苦味酸盐酸腐蚀后，做晶粒度检测，晶粒形貌如图7 所示。

图7 晶粒形貌

从图7 可以看出，钢球材料平均晶粒度仅为1．0级，钢球材料晶粒粗大，大小分布均匀，远无法满足用户技术协议要求的≥6 级。

2．3 硬度检测

在金相试样上，分别测试材料回火索氏体基体和屈氏体组织部位的显微维氏硬度［6］，每个组织区域打5 个点，取算术平均值，结果见表2。根据GB/T 1172 －1999《黑色金属硬度及强度换算值》换算获得洛氏硬度值。

表2 显微维氏硬度(HV0．5)测试结果

由表2 可知，晶界上的屈氏体区域硬度为52．5 HRC，明显低于基体硬度(60 HRC)。

3 分析与讨论

扫描电镜微观形貌显示断口中心裂纹源区域存在小的韧窝(如图4 所示)，而韧窝为金属材料断裂的主要微观特征，分析其原因为:钢球加工原材料为热轧圆钢，一般来说大直径的圆钢心部均存在一定的疏松;后续在钢球的加工过程中由于回火温度控制的不当，导致钢球晶粒粗大不均匀(如图7 所示)。这两种因素导致钢球的中心区域存在一些微小的空洞，而韧窝形成的先天条件为基体材料内部存在一些空洞，在钢球服役过程中，受到正应力、冲击应力、剪切应力的作用，小的空洞开始滑移、聚集、长大、连接、断裂并最终导致韧窝断口的形成，宏观表征为开裂断口。

正常调质后的钢球金相组织为均匀致密的回火索氏体组织，钢球试样金相组织为回火索氏体+贝氏体+屈氏体，分析其原因为热处理工艺质量控制不当［7］。首先，粗大的晶粒会导致马氏体界面会产生较大的残余应力，会加剧材料淬火时应力分布不均，导致局部出现严重的应力集中甚至出现沿晶脆性开裂，并降低导致材料晶界部位强度［8］。其次，大小分布不一的晶粒，在钢球受外力时，其晶粒交界面聚合力减弱，导致其抗冲击、抗剪切性能均远低于合格钢球。另外沿晶析出的碳化物和沿晶分布的屈氏体组织，也会大大降低材料晶界部位强度，在外力作用下，这些晶界弱化的位置更易于出现沿晶开裂，导致钢球失效。

显微硬度结果显示，屈氏体组织的硬度远低于正常回火索氏体的硬度(相差近10 HRC)，受外力时，两种组织应力分布不均匀间接导致了钢球开裂失效。另外，若钢球整体硬度降低，在球磨机内物料硬度高于钢球硬度时，加大钢球的开裂倾向。

4 结论

(1)钢球晶粒组织粗大不均匀，导致局部出现严重的应力集中甚至出现沿晶脆性开裂，恶化钢球力学性能;沿晶析出的碳化物和沿晶分布的屈氏体组织，都会导致材料晶界部位强度降低。晶粒粗大和晶界弱化是导致钢球发生开裂的原因之一;

(2)韧性断口的形成与钢球心部区域的空洞有直接的联系。

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