NO177503B - Bainittisk malelegeme - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et malelegeme med forbedret slitasje og bruddbestandighet for anvendelse i en roterende kvern. Det anvendes i en konvensjonell roterende kvern eller stangmølle, der materialer så som malm, sten, kull o.l. blir pulverisert. Malelegemet ifølge oppfinnelsen er en karbon-eller stållegeringsstang som blir varmebehandlet for å gi en hard mikrostruktur på den ytre overflaten av legemet og en bløtere mikrostruktur i kjernen av legemet. Slitasjebestandigheten til et malelegeme av stål blir generelt forbedret med økende hardhet. Forsøk i de senere år for å øke hardheten ytterligere for å forbedre slitasjebestandigheten har ikke vært vellykkede, på grunn av at økningen i hardhet resulterte i større feilprosent. Mikrostrukturen til et konvensjonelt varmebehandlet malelegeme har en martensittoverflate og en perlittkjerne. Kjernen kan ha visse regioner bestående av bainitt og martensitt på grunn av segregering av kjernens midtlinje. Økning av hardheten til disse peralitt-malelegemene har resultert i høy grad av brudd på grunn av virkningen til legemene i en kvern. Feil som oppstår ved brudd kan være langsgående eller tverrgående. Et langsgående brudd starter vanligvis i en av endene til et malelegeme og utgår langs den langsgående aksen. Et tverrgående brudd kan begynne ved en hvilken som helst posisjon langs lengden av stangen, og utgår vinkelrett på den langsgående aksen. Stangsvikt i en kvern er uakseptabel på grunn av økte omkostninger forårsaket av legemeforbruket og dødtid for å fjerne legemer som er blitt brukket fra innsiden av møllen. Dermed optimaliserer stålfremstillere dybden og hardheten til martensittdanningen til tverrsnittet av legemet uten å øke hardheten til kjerrnen for dermed å unngå brudd.

US-patent 4.589.934 beskriver et stålmalelegeme med 0.6-1$ karbon, 0.7-1$ mangan, 0.1-.4$ silisium, 0.15-.35$ molybden, 0.2-0.4$ krom, jern for likevekt, hvori alle prosentangivelsene er i vekt-$. Den ytre overflaten av legemet har en martensittisk mikrostruktur med en hardhet som er større enn HRC 50 og en perlitt-kjerne med en hardhet på HRC 30-45. For å minimalisere brudd, er det foreslått at legemet har bløte endedeler med en hardhet på HRC 35-50. Etter oppvarming til en austenittiseringtemperatur, blir endedelene av legemet ikke herdet ved avkjøling av legemet for å forhindre dannelsen av en mikrostruktur med høy hardhet martensitt derpå.

Det er til tross for dette nødvendig med et langt felt for å forbedre slitasjebestandigheten til et malelegeme ved øking av overflatehardheten. Øking av legemets overflatehardhet til HRC 55 og høyere, mens en legemehardhet på omtrent HRC 40 opprettholdes, resulterer fortsatt i høy bruddgrad.

Vi har oppdaget at hardhetsprofilen til et malelegeme kan økes uten at brudd økes, ved å forsinke perlittdannelse i løpet av omvandlingsvarmebehandlingen ved avkjøling fra austenitt. Når perlitt i mikrostrukturen til kjernen av legemet blir minimalisert og erstattet med bainitt eller bainitt og martensitt, har legemet ikke bare forbedret slitasjebestandighet, men også forbedret bruddbestandighet. Den forbedrede slitasjebestandigheten oppstår på grunn av at hardhetsprofilen rundt tverrsnittet til legemet er øket. Det var overraskende at bruddbestandigheten var forbedret i forhold til konvensjonelle legemer med bløtere perlitt-kjerner.

En hensikt med foreliggende oppfinnelse er å øke tverr-snittshardheten til malelegemet uten økning av brudd av stangen i løpet av bruk.

Foreliggende oppfinnelse vedrører følgelig et malelegeme med forbedret slitasje og bruddbestandighet for anvendelse i en roterende kvern, kjennetegnet ved at det innbefatter et varmebehandlet stål med 0,70-1,2 vekt-$ C, 0,70-1,5 vekt-$ Mn, 0,25-1,0 vekt-$ Cr, 0,25-1,0 vekt-$ Mo og forøvrig Fe til totalt 100$ og med en overflate og en kjerne hvor nevnte kjerne har en mikrostruktur med uunngåelig 10 vekt-$ perlitt og en hardhet på > 45 HRC.

Videre er det beskrevet et malelegeme med hardhet på HRC60 og der kjernen har en mikrostruktur med minst 50$ bainitt med en hardhet på HRC45 som angitt ovenfor, kjennetegnet ved at det innbefatter et malelegeme av varmebehandlet karbon eller stållegering med en overflate og én kjerne, i det nevnte malelegeme innbefatter minst 0,7$ karbon, minst 0,30$ molybden, 0,30$ krom, mindre enn 0,7$ mangan, hvor alle prosentangivelsene er i vekt, i det nevnte overflate har en mikrostruktur som utgjøres av martensitt.

Et trekk med oppfinnelsen er å forsinke perlittdannelsen i mikrostrukturen til kjernen i løpet av omvandlingsvarmebehandlingen av legemet. Et annet trekk ved oppfinnelsen er i vesentlig grad å eliminere perlitt fra mikrostrukturen av kjernen til et varmebehandlet malelegeme.

Et annet trekk ved oppfinnelsen er å danne et varmebehandlet malelegeme med en kjerne hvori mikrostrukturen minst omtrent er 50$ bainitt.

Et annet trekk ved oppfinnelsen er å danne et varmebehandlet malelegeme med en martensittoverflate med en hardhet på minst HRC 55 og en kjerne med en mikrostruktur av bainitt, martensitt og eventuelt uunngåelig perlitt med en hardhet på minst HRC 40.

En fordel med oppfinnelsen er å reduserte omkostninger på grunn av øket slitasjebestandighet og lengere brukstid uten økning av antall brudd i løpet av driften.

Stålmalelegemene ifølge foreliggende oppfinnelse har en forlenget levetid og kan bli fremstilt fra karbon eller stållegering kontinuerlig støpt til en barre, rund, eller lignende eller støpt i blokk. Diametere varierer vanligvis fra 75-125 og lengdene kan variere fra 3-6,5 meter.

Når mikrostrukturen og hardheten beskrives, har tverrsnittet til malelegemet en ytre overflate og en kjerne. Overflaten innbefatter den ringformede ytre regionen som utgjør omtrent 40-80$ av det tverrsnittlige arealet til malelegemet. Kjernen innbefatter den gjenværende ringformede indre regionen på 60-20$ av det tverrsnittlige arealet av malelegemet .

Forskjellige stålsammensetninger kan bli anvendt for å oppnå de forbedrede resultatene ifølge oppfinnelsen. Hovedbetingel-sen for et eutektoid eller delvis hypereutektoidstål er å velge en legeringssammensetning hvori den kontinuerlige avkjølingskurven fra austenitt fremviser tydelig bainitt. Når stål avkjøles fra austenitt, er det fra før kjent at molybden forsinker perlittdannelsen i temperaturområdet på 650 til 500°C og krom forsinker perlittdannelsen i temperaturområdet på 550-500°C. Vi har oppdaget at perlittdannelsen kan minimaliseres eller unngåes ved saktere avkjølingshas-tigheter ved herding av et malelegeme fra en austenit-tiseringstemperatur. Ved riktig valg av molybden og krom, utgjør mikrostrukturen til legemekjernen bainitt eller bainitt og martensitt med minimalt eller uten perlitt. Dermed utgjør vår foretrukkede sammensetning minst 0.25 vekt-$ molybden og minst 0.25 vekt-$ krom. En mere foretrukket sammensetning for å forhindre perlittomvandling innbefatter minst 0.30 vekt-$ molybden og minst 0.40 vekt-$ krom. Det er en selvfølge at perlitt ikke behøver å være fullstendig fjernet fra kjernen. For eksempel har stenger produsert fra støpinger med midtlinjesegregering ofte spor av uunngåelig perlitt, f.eks. mindre enn 10$.

De mest anvendte diametrene på malelegemer er 76, 89 og

102 mm. I disse tre størrelsene er våre foretrukne forbindel-sesområder:

Evnen til hardhet og dybden til hardhet kan bli justert ved senking av mangan for å kompensere for øket molybden. Dermed bør mangan fortrinnsvis utgjøre mindre enn 0.7 vekt-$.

For å illustrere oppfinnelsen bedre, ble det eksperimentelt produsert 150 metriske ton elektrisk ovnvarmet charge med følgende sammensetning i vekt-$:

balanseresten er jern og uunngåelige urenheter.

Varmen ble støpt inn i 560 mm x 560 mm blokker og valset til legemer med 89 mm diameter. For testing ble legemene kuttet til lengder på 3800 mm og gitt to forskjellige konvensjonelle austenitiserings- og herdevarmebehandlinger. For sammenlig-ning ble en legering med en konvensjonell sammensetning innbefattet.

Resulterende Rockwell C hardhetprofiler langs tversnittet til legeringene var som følger:

Kjerne- 80-90$ perlitt >80$ bainitt >50$bainitt mikro- <20$ martensitt <20$ martensitt <50$ martensitt struktur sporperlitt

Gjennomsnittlig volumetrisk hardhet.

Kjernemikrostrukturen til konvensjonell prøve 1 utgjorde hovedsakelig perlitt med noe martensitt. Prøvene 2 og 3 er eksempler som anvender kjemien tilveiebragt ovenfor ifølge oppfinnelsen innbefattende tilstrekkelig molybden og krom for å legere en varmebehandlet malelegeme til en sammensatt mikrostruktur i kjernen bestående av bainitt, martensitt og uunngåelig perlitt. Kjernen utgjør fortrinnsvis hovedsakelig bainitt med balanse og hvori resten utgjør martensitt. Prøve 2 hadde en martensittoverflate med en hardhet på HRC 63.

Kjernen utgjorde hovedsakelig bainitt med mindre enn 20$ martensitt med en minimum hardhet på HRC 41. Testing av stenger fra prøve 2 i en virkelig produksjonsstangmølle viste en dramatisk reduksjon i slitasjehastighet på nesten 20$ i forhold til de konvensjonelle stengene til prøve 1. Prøve 3 hadde en kjerne med minst 50$ bainitt og hvori resten utgjør martensitt. Perlitt var ikke tilstedeværende. Begge prøvene har betraktelig høyere gjennomsnittlig volumetriske hardheter enn det konvensjonelle malelegemet i stål i prøve 1. Forsøk på å øke overflatehardheten til perlittiske malelegemer resulterte i mange brudd når legemene ble anvendt. Økende overflatehardhet øker ikke kjernehardheten på grunn av at en hardhet på omtrent HRC 40 er omtrent maksimalt for perlitt i en stållegering med 0.8 vekt-$ karbon.

For å ytterligere sammenligne effekten til den høyere hardhetsprofilen, ble stenger fra prøve 2 ifølge oppfinnelsen og prøve 1 med en perlittisk kjerne sammenlignet ved anvendelse av en standard 3-punkt bøyetest. Den gjennomsnittlige bruddbelastningen til legemene med en høyere hardhets-profil og en bainitt-martensitt-sammensetningskjerne ifølge oppfinnelsen, var 105800 kg og den gjennomsnittlige bruddbelastningen for stenger med en hovedsakelig perlittkjerne var 92.200 kg. Dette viser at legemer ifølge vår oppfinnelse hadde omtrent 15$ høyere bruddstyrke enn stenger fremstilt konvensjonelt med en hovedsakelig perlittisk mikrostruktur i kjernen.

Malelegemer i produksjonsstørrelse i henhold til oppfinnelsen (prøve 2) ble eksperimentelt vurdert i en markedslegemetest i en produksjonskvern som bearbeider kobbermalm. Etter 733 testtimer, var det gjennomsnittlige diametertapet til disse legemene 19,8$ mindre enn for konvensjonelt produserte legemer (prøve 1) tilstede i kvernen.

Den nye mikrostrukturen til malelegemet beskrevet heri, ble tilveiebragt ved anvendelse av konvensjonell varmebe-handlingspraksis. For eksempel beskriver kolonne 5 og tabell 1 i US-patent 4.589.934; inkorporert heri ved referanse varmebehandlingen som ble anvendt for å fremstille vårt forbedrede malelegeme. Det er en selvfølge at utgangs-austeniseringstemperaturen og den endelige utligningstempera-turen kan variere avhengig av mengden av bainitt og ønsket grad av profilhardhet til legemet.

Det er innlysende at forskjellige modifikasjoner kan utføres på vår oppfinnelse uten å fravike fra rammen av oppfinnelsen. Sammensetningen kan varieres forutsatt at kjernen har en mikrostruktur av bainitt eller bainitt og martensitt dannet i løpet av omvandlingsavkjøl ingen fra austenittfasen. Utgangs-materialet for malelegemet bør være en som støpt krets som blir kontinuerlig støpt til den endelige diameter. Alternativt kan malelegemet bli rullet varmt fra opprinnelig kontinuerlig støpings- eller blokkstøpingsformer. Varmebehandling eller herding av legemet bør foregå etter kontinuerlig støping eller valsing. Alternativt kan legemet avkjøles, hvori påfølgende varmebehandling oppstår som et separat bearbeidingstrinn. Avhengig av den kjemiske sammensetningen og varmebehandlingen, bør mikrostrukturen til overflaten og kjernen til legemet begge utgjøre hovedsakelig bainitt.

Claims (9)

1. Malelegeme med forbedret slitasje og bruddbestandighet for anvendelse i en roterende kvern, karakterisert ved at det innbefatter et varmebehandlet stål med 0,70-1,2 vekt-$ C, 0,70-1,5 vekt-$ Mn, 0,25-1,0 vekt-$ Cr, 0,25-1,0 vekt-$ Mo og forøvrig Fe til totalt 100$ og med en overflate og en kjerne hvor nevnte kjerne har en mikrostruktur med uunngåelig < 10 vekt-$ perlitt og en hardhet på > 45 HRC.

2. Malelegeme ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte kjerne har en mikrostruktur med minst 50$ bainitt.

3. Malelegeme ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte overflate har en mikrostruktur som utgjør vesentlig martensitt, nevnte kjerne har en sammensatt mikrostruktur bestående hovedsakelig av bainitt og martensitt.

4. Malelegeme ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte overflate har en mikrostruktur som vesentlig utgjøres av martensitt med en hardhet på minst HRC 55, nevnte kjerne har en mikrostruktur bestående av minst 50$ bainitt med en hardhet på minst HRC 40.

5 . Malelegeme ifølge krav 1, karakterisert ved at det innbefatter minst 0,25 vekt-$ molybden.

6. Malelegeme ifølge krav 1, karakterisert ved at det innbefatter mindre enn 0,7 vekt-$ mangan.

7. Malelegeme ifølge krav 1, karakterisert ved at det innbefatter minst 0,7 vekt-$ karbon og minst 0,25 vekt-$ krom.

8. Malelegeme ifølge krav 1, karakterisert ved at det innbefatter minst 0,30 vekt-$ molybden, minst 0,40$ krom og mindre enn 0,7 vekt-$ mangan.

9. Malelegeme med hardhet på HRC60 og der kjernen har en mikrostruktur med minst 50$ bainitt med en hardhet på HRC45 ifølge krav 1, karakterisert ved at det innbefatter et malelegeme av varmebehandlet karbon eller stållegering med en overflate og en kjerne, i det nevnte malelegeme innbefatter minst 0,7$ karbon, minst 0,30$ molybden, 0,30$ krom, mindre enn 0,7$ mangan, hvor alle prosentangivelsene er i vekt, i det nevnte overflate har en mikrostruktur som utgjøres av martensitt.