تحليل تكوين وتصدع فصل الفوسفور في الفولاذ الإنشائي الكربوني
تتراوح المواصفات الشائعة لأسلاك وقضبان الصلب الكربوني الإنشائي التي توفرها مصانع الصلب المحلية حاليًا بين 5.5 و45 ملم، بينما يتراوح النطاق الأكثر شيوعًا بين 6.5 و30 ملم. وتتسبب عملية فصل الفوسفور في المواد الخام لأسلاك وقضبان الصلب ذات الأحجام الصغيرة في العديد من مشاكل الجودة. لذا، سنتناول تأثير فصل الفوسفور وتحليل تكوّن الشقوق كمرجع لكم.
تؤدي إضافة الفوسفور إلى الحديد إلى إغلاق منطقة طور الأوستنيت في مخطط طور الحديد والكربون. لذا، يجب زيادة المسافة بين خطي التصلب والسيولة. عند تبريد الفولاذ المحتوي على الفوسفور من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة، فإنه يمر عبر نطاق واسع من درجات الحرارة. معدل انتشار الفوسفور في الفولاذ بطيء. في هذه الحالة، يملأ الحديد المنصهر ذو التركيز العالي من الفوسفور (نقطة الانصهار المنخفضة) الفراغات بين التفرعات المتصلبة الأولى، مما يؤدي إلى تكوين تجمعات الفوسفور.
في عملية التشكيل على البارد أو البثق على البارد، غالباً ما تُلاحظ المنتجات المتشققة. يُظهر الفحص والتحليل المعدني للمنتجات المتشققة أن الفريت والبيرلايت يتوزعان في نطاقات، ويمكن رؤية شريط من الحديد الأبيض بوضوح في المادة الأساسية. في الفريت، توجد شوائب كبريتيد رمادية فاتحة متقطعة على شكل نطاقات ضمن هذه المادة الأساسية. يُطلق على هذا التركيب النطاقي، الناتج عن انفصال فوسفيد الكبريت، اسم "الخط الشبح". وذلك لأن المنطقة الغنية بالفوسفور في المنطقة التي تعاني من انفصال شديد للفوسفور تظهر بيضاء لامعة. وبسبب المحتوى العالي من الفوسفور في الحزام الأبيض اللامع، ينخفض محتوى الكربون فيه أو يكون ضئيلاً للغاية. وبهذه الطريقة، تتطور البلورات العمودية للوح الصب المستمر باتجاه المركز أثناء عملية الصب المستمر للحزام الغني بالفوسفور. عند تصلب البليت، تترسب أولاً تفرعات الأوستنيت من الفولاذ المنصهر. يقل محتوى الفوسفور والكبريت في هذه التفرعات، لكن الفولاذ المنصهر المتصلب النهائي يكون غنيًا بشوائب الفوسفور والكبريت. تتصلب هذه الشوائب بين محاور التفرعات، وبسبب ارتفاع محتواها من الفوسفور والكبريت، يتشكل الكبريتيد، بينما يذوب الفوسفور في المادة الأساسية. يصعب انتشاره، مما يؤدي إلى تفريغ الكربون. لا يمكن إذابة الكربون، لذا فإن المنطقة المحيطة بمحلول الفوسفور الصلب (جوانب الشريط الأبيض للفريت) تحتوي على نسبة أعلى من الكربون. يشكل عنصر الكربون على جانبي شريط الفريت، أي على جانبي المنطقة الغنية بالفوسفور، شريطًا ضيقًا متقطعًا من البيرلايت موازيًا لشريط الفريت الأبيض، ويفصل النسيج الطبيعي المجاور. عند تسخين السبيكة وضغطها، تمتد الأعمدة على طول اتجاه عملية الدرفلة. ويعود ذلك تحديدًا إلى احتواء نطاق الفريت على نسبة عالية من الفوسفور، حيث يؤدي الفصل الشديد للفوسفور إلى تكوين بنية نطاق فريت عريضة ولامعة، مع وجود خطوط رمادية فاتحة من الكبريتيدات ضمن هذا النطاق العريض واللامع. يُعرف نطاق الفريت الغني بالفوسفور هذا، المصحوب بخطوط طويلة من الكبريتيدات، باسم بنية "الخط الشبح" (انظر الشكل 1-2).
الشكل 1: سلك شبحي من الفولاذ الكربوني SWRCH35K 200X
الشكل 2: سلك شبحي من الفولاذ الكربوني العادي Q235 500X
عند درفلة الفولاذ على الساخن، يستحيل الحصول على بنية مجهرية متجانسة طالما وُجد انفصال للفوسفور في البليت. علاوة على ذلك، وبسبب انفصال الفوسفور الشديد، تتشكل بنية "سلكية شبحية"، مما يؤدي حتماً إلى انخفاض الخواص الميكانيكية للمادة.
يُعدّ انفصال الفوسفور في الفولاذ الكربوني شائعًا، لكن بدرجات متفاوتة. فعندما يكون انفصال الفوسفور شديدًا (ظهور بنية "الخط الشبح")، فإنه يُلحق أضرارًا بالغة بالفولاذ. ومن الواضح أن هذا الانفصال الشديد هو السبب الرئيسي لتشقق المادة أثناء عملية التشكيل على البارد. ونظرًا لاختلاف محتوى الفوسفور بين حبيبات الفولاذ، فإن المادة تتمتع بقوى وصلابة متفاوتة؛ ومن جهة أخرى، يُؤدي ذلك إلى توليد إجهاد داخلي، مما يزيد من قابلية المادة للتشقق الداخلي. وفي المادة ذات بنية "الخط الشبح"، فإن انخفاض الصلابة والقوة والاستطالة بعد الكسر، وانخفاض المساحة، وخاصة انخفاض مقاومة الصدمات، هو ما يُؤدي إلى هشاشة المادة على البارد، ولذلك فإن محتوى الفوسفور والخواص البنيوية للفولاذ يرتبطان ارتباطًا وثيقًا.
في الفحص المعدني، يظهر في نسيج "الخط الوهمي" في مركز مجال الرؤية عدد كبير من الكبريتيدات الرمادية الفاتحة المتطاولة. تتواجد الشوائب غير المعدنية في الفولاذ الإنشائي بشكل رئيسي على هيئة أكاسيد وكبريتيدات. وفقًا للمعيار GB/T10561-2005 "مخطط التصنيف القياسي لطريقة الفحص المجهري لمحتوى الشوائب غير المعدنية في الفولاذ"، فإن شوائب النوع B تكون قد خضعت للمعالجة الحرارية عند مستوى يصل إلى 2.5 وما فوق. وكما هو معروف، تُعد الشوائب غير المعدنية مصادر محتملة للتشققات، إذ يُلحق وجودها ضررًا بالغًا باستمرارية وتماسك البنية المجهرية للفولاذ، ويُقلل بشكل كبير من قوة الترابط بين حبيباته. ويُستنتج من ذلك أن وجود الكبريتيدات في "الخط الوهمي" للبنية الداخلية للفولاذ هو الموقع الأكثر احتمالًا للتشقق. لذا، فإنّ تشققات التشكيل على البارد وتشققات التبريد السريع في العديد من مواقع إنتاج المثبتات ناتجة عن وجود كميات كبيرة من الكبريتيدات الرقيقة ذات اللون الرمادي الفاتح. ويؤدي ظهور هذه البنية غير المتجانسة إلى الإخلال بتجانس خواص المعدن وزيادة مخاطر المعالجة الحرارية. ولا يمكن إزالة هذه "الخيوط الوهمية" بالتطبيع أو غيره، لذا يجب مراقبة عناصر الشوائب بدقة منذ عملية الصهر أو قبل دخول المواد الخام إلى المصنع.
تُصنّف الشوائب غير المعدنية إلى ألومينا (النوع A) وسيليكات (النوع C) وأكاسيد كروية (النوع D) وفقًا لتركيبها وقابليتها للتشكيل. يؤدي وجودها إلى انقطاع استمرارية المعدن، وتكوّن حفر أو شقوق بعد التقشير. كما أنها تُشكّل مصدرًا للشقوق بسهولة أثناء التشكيل على البارد، وتُسبّب تركيزًا للإجهاد أثناء المعالجة الحرارية، مما يؤدي إلى تشقق التبريد السريع. لذلك، يجب التحكم بدقة في الشوائب غير المعدنية. لا تُحدّد معايير الصلب الحالية GB/T700-2006 "الفولاذ الإنشائي الكربوني" وGB/T699-2016 "الفولاذ الإنشائي الكربوني عالي الجودة" متطلبات واضحة للشوائب غير المعدنية. بالنسبة للأجزاء المهمة، لا تتجاوز الخطوط الخشنة والدقيقة للأنواع A وB وC عمومًا 1.5، بينما لا تتجاوز الخطوط الخشنة والدقيقة للنوعين D وDs 2.
تاريخ النشر: ٢١ أكتوبر ٢٠٢١
