Mekanik aşınma birçok yönü içerir; bunların arasında aşındırıcı aşınma, tüm endüstriyel aşınmanın %50'sinden fazlasını oluşturur. Almanya ve İngiltere gibi ülkeler aşındırıcı aşınma nedeniyle her yıl milyarlarca dolar zarara uğrarken, Avustralya'da madencilik sektörü aşındırıcı aşınma nedeniyle her yıl mineral ürün satış gelirinin %2'sini kaybediyor. Bu aşındırıcı aşınmanın önemli bir kısmı bilyalı değirmen gömleklerinde meydana gelir. Bu sorunu çözmeye yönelik iki ana yaklaşım vardır: birincisi, malzemelerin aşınma direncinin arttırılması; ve ikincisi, süreç optimizasyonu yoluyla aşınma ortamının iyileştirilmesi. Bu araştırma öncelikle maddi boyuta odaklanmaktadır.
Bilyalı değirmenlerde kullanılan geleneksel malzeme ZGMn13:
ZGMn13, Hadfield tarafından 1882'de icat edilen yüksek-manganezli bir çeliktir. Çeliğe yaklaşık %13 Mn eklenerek, çeliğin S-eğrisinin "burnunu" sağa kaydırmak ve Ms ve Mf çizgilerini düşürmek için Mn'nin karakteristiğinden yararlanılarak yapılır. Tamamen östenitik bir yapı, 1000-1050 derecede uzun süreli tutma ve ardından cebri soğutma yoluyla elde edilir. Bu tamamen östenitik yapı, işlenerek sertleşme özellikleri sergiler. Bilyalı değirmen astarı olarak kullanılması, taşlama bilyalarının ve aşındırıcı malzemelerin astar üzerindeki etkisi yoluyla iş sertleşmesini sağlamayı amaçlamaktadır. Ancak bilyalı değirmenin çalışması sırasında öğütücü bilyalar ve aşındırıcı malzemeler silindirin dönmesiyle yüksek bir noktaya taşınır ve ardından çağlayan şeklinde düşer. Yüksekten düşen taşlama bilyaları ve aşındırıcı malzemeler, malzeme yığınının tabanındaki taşlama topları ve aşındırıcı malzemelere yalnızca doğrudan etki eder ve taşlama topları ve aşındırıcı malzemelerin birikmiş katmanı yoluyla astarı dolaylı olarak etkiler. Bu, daha düşük bir darbe yoğunluğuna ve daha az önemli iş sertleşmesine neden olur. Pratik deneyimler, enerji santrallerindeki kömür değirmenlerinde östenitik yüksek manganez çeliğinin işlenerek sertleştirilmiş sertliğinin HB230 ile 250 arasında olduğunu ve cevher işleme fabrikalarında HB300'ü aşmadığını, yani yüksek manganez çeliği için HB500'ün işlenerek sertleştirme sınırının çok altında olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, bilyalı değirmen gömlekleri üretmek için yüksek{23}}manganezli çelik kullanmak uygun değildir çünkü yüksek manganezli çeliğin aşınmaya dayanıklı özelliklerinden faydalanamaz.
Astar Malzemelerinin Gelişim Durumu
Bilyalı değirmen gömleklerinde ZGMn13 malzemesinin uygunsuz uygulaması göz önüne alındığında, dünya çapındaki metalurji uzmanları 1960'lardan bu yana yeni astar malzemeleri araştırıyor ve birçok sonuç elde ediyor.
(1) ZGMn13'teki Yeni Gelişmeler
Araştırmacılar, (FeCr)3C ve VC gibi kararlı, dağılmış granüler ve ada-şekilli yüksek-sertlikli alaşım karbürler oluşturmak için Cr, Mo ve V gibi elementler ekleyerek ZGMn13'ü geliştirdiler. Bu, suyla söndürme işlemi sırasında östenit taneciklerinin büyümesini engeller, dağılmış karbür sert noktalarına sahip bir östenitik yapıya neden olur, böylece malzemenin iş sertleştirme kabiliyetini ve sertleştirme etkisini geliştirir.
Amerika Birleşik Devletleri %1,5~%2,5 Cr içeren standart yüksek-manganlı döküm çelik (C sınıfı) ve %0,9~%1,2 veya %1,8~%2,1 Mo içeren standart yüksek-manganlı döküm çelik (E-1 ve E-2 kaliteleri) üretmektedir.
Japonya, %1,5~%2,5 Cr içeren standart yüksek-manganezli çelik döküm (SCMnH11 sınıfı) ve %2,0~%3,0 Cr ve %0,4~%0,7 V (SCMnH12 kalite) içeren standart yüksek-manganlı döküm çelik üretir. İç Moğolistan Döküm ve Dövme Araştırma Enstitüsü, %1,5~%2,5 Cr içeren yüksek-manganez içeren krom-çeliği geliştirdi ve erimiş çeliği nadir toprak elementleriyle işlemden geçirdi. Yüksek manganez çeliği içeren bu krom-yüzey katmanı (0,01 mm), bilyalı değirmende işlenerek sertleştirildikten sonra HB390 sertliğine ulaşabilir; bu, sıradan yüksek-manganezli çeliğin 1,5 katıdır ve hizmet ömrü, sıradan yüksek-manganezli çeliğinkinden 1,5 ila 2 kat daha uzundur.
(2) Alaşımlı Beyaz Dökme Demir
① 15Cr-3Mo beyaz dökme demir ve gelişimi. Yüksek-manganezli çelik gömlekler için en temsili alternatif malzeme, %15 Cr + 3% Mo içeren martensitik beyaz dökme demirdir. Bu malzeme, süreksiz ötektik demir-krom karbürlerden (Cr, Fe)7C3 ve martensitik bir matris içinde dağıtılmış krom-zengin ikincil karbürlerden oluşur; karbürler toplamın yaklaşık %40 ila %50'sini oluşturur hacim. Bu krom karbürler, HV1200-1800'ün üzerinde, yaygın aşındırıcılardan kaynaklanan aşınmaya direnç göstermeye yeterli olan çok yüksek bir sertliğe sahiptir. Bununla birlikte, martensitik matrisin sertliği HRC50 civarındadır ve bu, bazı aşındırıcılardan daha yumuşaktır ve aşınarak karbürlerin yerinden çıkmasına neden olabilir. Bu nedenle karbürlerin olağanüstü aşınma direncinden yalnızca kısmen yararlanılır. Harbin Teknoloji Enstitüsü ayrıca 15Cr-3Mo yüksek-kromlu beyaz dökme demirin performansını iyileştirmek için kapsamlı çalışmalar yaptı. 15Cr-3Mo dökme demir üzerinde sprey modifikasyon işlemi gerçekleştirmek için K, Na, Mg ve Ca tuzları ve alaşımlarını kullandılar; böylece karbürlerin orijinal ağ dağılımını ortadan kaldırdılar ve onları solucan benzeri veya topaklı hale getirirken aynı zamanda karbürlerin boyutunu da küçülttüler. Bu, malzemenin sağlamlığını ve aşınma direncini önemli ölçüde artırdı. Çalışmalar, farklı modifiye edici elementlerle işlenmiş 15Cr-3Mo yüksek kromlu beyaz dökme demirin aşınma oranının, işlenmemiş malzemeye göre daha düşük olduğunu göstermiştir. Spesifik olarak, potasyumla modifiye edilmiş 15Cr-3Mo yüksek kromlu beyaz dökme demirin ortalama aşınma oranı, işlenmemiş malzemeninkinden %63,2 daha düşüktü ve optimal çözeltinin aşınma oranı, işlenmemiş malzemeninkinden %74,4 daha düşüktü.
② Cu-alaşımı içeren beyaz dökme demir. Shandong Xinwen Takım Fabrikası tarafından başarılı bir şekilde geliştirilen bu alaşımlı beyaz dökme demir, dökümden önce modifikasyon ve aşılama için %1,0 Cu ve %0,9 nadir toprak ferrosilikon alaşımı eklenerek, ardından 950 derece normalleştirme ve 600 derece temperleme işlemiyle üretilir; sonuçta dağılmış, ince ve eşit şekilde dağılmış karbürler elde edilir. Makine testleri, L1,83 m × 6,4 m'lik bir çimento değirmeninde, nadir toprak Cu-içeren alaşımlı beyaz dökme demir astarın bağıl aşınma direncinin, yüksek-manganezli çelik astarınkinden 2,4 kat daha fazla olduğunu gösterdi. (3) Orta ve Düşük Alaşımlı Çelikler
Alaşım elementleri eklenmiş yüksek-manganezli çelik veya alaşımlı beyaz dökme demir bilyalı değirmen gömlekleri, sıradan yüksek-manganezli çelik gömleklerle karşılaştırıldığında önemli ölçüde daha iyi aşınma direnci gösterse de, bu malzemeler, Cr, Ni ve Mo gibi büyük miktarlarda değerli metallerin dahil edilmesi nedeniyle daha pahalıdır ve üretim ve kullanım sırasında çatlamaya ve hatta kırılmaya eğilimlidir. Bu nedenlerden yola çıkarak Çinli metalurji uzmanları ve dökümhane çalışanları, ülkemin özel koşullarını göz önünde bulundurarak, orta ve düşük alaşımlı çeliklerin bilyalı değirmen gömleklerinde kullanımını araştırmaya başladılar ve cesaret verici sonuçlar elde ettiler.
① Cr, Mo, Cu orta-karbonlu düşük-alaşımlı aşınmaya-dirençli çelik. Shenyang Teknoloji Üniversitesi tarafından geliştirilen, Cr, Mo ve Cu içeren ve nadir toprak elementleriyle işlenmiş orta-karbonlu düşük-alaşımlı-dirençli çelik, 950 derecede havayla söndürme ve 250 derecede temperleme sonrasında HRC50'nin üzerinde bir sertliğe ve 25-60 J/cm² darbe değerine ulaştı. Matrisi temperlenmiş martensittir ve taramalı elektron mikroskobu, çıta şeklindeki martensit demetlerinden oluşan bir yapıyı ortaya çıkarmıştır. Yüksek-büyütmeli transmisyon elektron mikroskobu altında yapı, martensit çıtaları arasında dağıtılmış kalan ostenit benzeri kesintili ince film- ile birlikte dislokasyon martenziti ve az miktarda ikizlenmiş martenzit karışımını açıkça gösterdi. Östenitin bu şekli ve dağılımı, çeliğin darbe dayanıklılığını ve göreceli aşınma direncini arttırdı. Bu çeliğin farklı darbe enerjileri altındaki aşınma direnci, yüksek manganezli çelikle çarpıcı bir kontrast sergiledi.
Artan darbe enerjisiyle birlikte, yüksek-manganezli çeliğin darbe aşınma direnci önemli ölçüde iyileşirken, yeni geliştirilen Cr, Mo, Cu çeliğinin aşınma direnci azaldı. Ancak karşılaştırmalı testlerde seçilen tüm darbe enerjisi koşullarında yeni çeliğin aşınma direnci, yüksek-manganezli çeliğinkinden daha yüksekti. Hebei Eyaletindeki Qian'an Demir Madeni'ndeki L1.83m × 3m bilyalı değirmende kullanılan bu malzemeden yapılan astarın ömrü 10-12 ay iken, ZGMn13 gömleklerinin ömrü yalnızca 3-5 aydı.
② Cr-Mo-V-Ti orta-karbonlu çok-elementli alaşımlı çelik. Hefei Çimento Araştırma ve Tasarım Enstitüsü tarafından geliştirilen, Cr, Mo ve eser miktarlarda V, Ti ve Nb içeren orta-karbonlu çok-karbonlu çok bileşenli alaşımlı çelik, nadir toprak (RE) işlemi ve özel ısı işleminden sonra temperlenmiş bir martensit + dağılmış karbür sert fazlarına sahip az miktarda düşük beynit matrisi elde eder. Testler, bu tip astarın yüksek sertliğe, iyi aşınma direncine, yüksek darbe dayanıklılığına ve bükülme mukavemetine sahip olduğunu ve sıradan yüksek{10}}manganlı çeliğin üç katından daha uzun bir kullanım ömrüne sahip olduğunu göstermektedir. Huaihai Çimento Fabrikası (L4,2m×12m), Kunming Çimento Fabrikası (L3,5m×11m) ve Sichuan Dukou Çimento Fabrikası'ndaki (L2,2m×13m) öğütme değirmenlerinde birinci bölmede 3,16 g/t ve ikinci bölmede 1,53 g/t ortalama aşınma oranıyla kullanılmıştır; yüksek manganezli çelik astarların ortalama aşınma oranı ise 13 g/t çimentodur.
③ Yüksek-karbonlu orta-krom alaşımlı çelik. Yine Hefei Çimento Araştırma ve Tasarım Enstitüsü tarafından geliştirilen, %4,5~%5,5 Cr ve %0,3~%0,7 Mo içeren ve RE aşılaması ile işlenmiş başka bir yüksek-karbonlu orta-krom alaşımlı çelik astar, bilyeli çimento değirmenlerinde başarıyla uygulanmıştır.
④ Cr-Ti orta-manganez çeliği. %5,5~%8,0 Mn, %1,5~%2,0 Cr, %0,05~%0,1 Ti içeren ve %0,02~%0,05 RE ile işlenen orta-manganezli çelik, 1100±30 derecede suyla söndürme yoluyla sıradan yüksek{12}}manganezli çelikten daha ince tanelere sahip tek bir östenit yapısı elde etti. Bu malzemeden yapılan gömlekler, Tonghua Çelik Fabrikası'nın Banshigou Demir Madeni ve Tonghua Bakır Madeni'ndeki bilyalı değirmenlerde iyi sonuçlar elde etti. Manyetit cevheri öğütülürken göreceli aşınma direnci, yüksek-manganezli çeliğin 1,64 katıdır; ve bakır cevheri öğütülürken yüksek{20}}manganezli çeliğin 1,48 katı. Bu malzemenin aşınma direncinin artmasının ana nedeni, sıradan yüksek manganezli çeliğe kıyasla bilyalı değirmenlerde daha iyi iş sertleştirme performansıdır.
⑤ Cr-Mo çok-fazlı düşük-alaşımlı çelik. %3 Cr ve %0,4 Mo içeren, incelenen çok fazlı düşük-alaşımlı, aşınmaya-dirençli çelik astar, bir beynit + martensit + tutulan ostenit mikroyapısı elde etmek için izotermal söndürme ısıl işlemine tabi tutuldu. Bu malzeme yüksek tokluğa ve yüksek sertliğe sahiptir, bu da darbeye, yorulmaya, deformasyona ve aşınmaya karşı mükemmel direnç sağlar. Saha uygulamaları, bu astarın sıradan yüksek manganezli çelikten 1 ila 2 kat daha uzun hizmet ömrüne sahip olduğunu göstermiştir.
