Analyse der Bildung und Rissbildung von Phosphorabscheidungen in unlegiertem Baustahl
Derzeit liegen die üblichen Spezifikationen für Walzdrähte und Stäbe aus Kohlenstoffstahl, die von inländischen Stahlwerken angeboten werden, bei φ5,5–φ45, der ältere Bereich bei φ6,5–φ30. Phosphorabscheidung in kleinen Walzdrähten und Stäben führt häufig zu Qualitätseinbußen. Lassen Sie uns den Einfluss der Phosphorabscheidung und die Analyse der Rissbildung zu Ihrer Information besprechen.
Die Zugabe von Phosphor zu Eisen kann den Austenitphasenbereich im Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm entsprechend schließen. Daher muss der Abstand zwischen Solidus und Liquidus vergrößert werden. Beim Abkühlen von phosphorhaltigem Stahl vom flüssigen in den festen Zustand muss dieser einen weiten Temperaturbereich durchlaufen. Die Diffusionsrate von Phosphor im Stahl ist gering. Dabei füllt geschmolzenes Eisen mit hoher Phosphorkonzentration (niedriger Schmelzpunkt) die Lücken zwischen den ersten erstarrten Dendriten, wodurch sich eine Phosphorabscheidung bildet.
Beim Kaltstauchen oder Kaltfließpressen treten häufig Risse auf. Die metallografische Untersuchung und Analyse der Risse zeigt, dass Ferrit und Perlit bandförmig verteilt sind und in der Matrix deutlich ein Streifen aus weißem Eisen zu erkennen ist. Im Ferrit befinden sich vereinzelt bandförmige hellgraue Sulfideinschlüsse auf dieser bandförmigen Ferritmatrix. Diese bandförmige Struktur, die durch die Absonderung von Schwefelphosphid entsteht, wird als „Geisterlinie“ bezeichnet. Dies liegt daran, dass die phosphorreiche Zone in Bereichen mit starker Phosphorabsonderung weiß und hell erscheint. Aufgrund des hohen Phosphorgehalts des weiß und hellen Bandes ist der Kohlenstoffgehalt im phosphorangereicherten weiß und hellen Band reduziert oder sehr gering. Dadurch entwickeln sich die säulenförmigen Kristalle der Stranggussbramme beim Stranggießen des phosphorangereicherten Bandes zur Mitte hin. Beim Erstarren des Knüppels werden zunächst Austenitdendriten aus der Stahlschmelze abgeschieden. Der Phosphor- und Schwefelgehalt dieser Dendriten ist reduziert, die endgültig erstarrte Stahlschmelze ist jedoch reich an Phosphor- und Schwefelverunreinigungen, die zwischen den Dendritenachsen erstarren. Aufgrund des hohen Phosphor- und Schwefelgehalts bildet Schwefel Sulfid, und Phosphor löst sich in der Matrix auf. Dies diffundiert nicht leicht und führt zur Freisetzung von Kohlenstoff. Kohlenstoff kann nicht eingeschmolzen werden, daher ist der Bereich um die Phosphor-Feststofflösung (die Seiten des weißen Ferritbandes) kohlenstoffreich. Die Kohlenstoffelemente auf beiden Seiten des Ferritbandes, d. h. auf beiden Seiten des phosphorangereicherten Bereichs, bilden jeweils ein schmales, unterbrochenes Perlitband parallel zum weißen Ferritband und trennen sich vom angrenzenden normalen Gewebe. Wenn der Knüppel erhitzt und gepresst wird, erstrecken sich die Wellen entlang der Walzrichtung. Gerade weil das Ferritband einen hohen Phosphorgehalt aufweist, führt die starke Phosphorabscheidung zur Bildung einer ausgeprägten breiten und hellen Ferritbandstruktur mit deutlich sichtbarem Eisen. Im breiten und hellen Band des Elementkörpers befinden sich hellgraue Sulfidstreifen. Dieses phosphorreiche Ferritband mit langen Sulfidstreifen wird gemeinhin als „Geisterlinien“-Struktur bezeichnet (siehe Abbildung 1-2).
Abbildung 1 Geisterdraht aus Kohlenstoffstahl SWRCH35K 200X
Abbildung 2: Geisterdraht aus unlegiertem Kohlenstoffstahl Q235 500X
Beim Warmwalzen von Stahl ist es unmöglich, eine gleichmäßige Mikrostruktur zu erhalten, solange Phosphorabscheidungen im Knüppel vorhanden sind. Darüber hinaus bildet sich aufgrund der starken Phosphorabscheidung eine „Geisterdrahtstruktur“, die zwangsläufig die mechanischen Eigenschaften des Materials beeinträchtigt.
Phosphorabsonderung in Kohlenstoffstahl ist weit verbreitet, kann aber unterschiedlich ausgeprägt sein. Starke Phosphorabsonderung (z. B. durch die Bildung von Geisterlinien) wirkt sich extrem negativ auf den Stahl aus. Offensichtlich ist starke Phosphorabsonderung die Ursache für Materialrisse beim Kaltstauchprozess. Da Stahlkörner unterschiedliche Phosphorgehalte aufweisen, ergeben sich daraus unterschiedliche Festigkeiten und Härten. Andererseits entstehen dadurch innere Spannungen im Material, die die Rissbildung begünstigen. Bei Materialien mit Geisterlinienstruktur führen die Verringerung von Härte, Festigkeit, Bruchdehnung und Flächenverkleinerung, insbesondere die Verringerung der Schlagzähigkeit, zur Kaltversprödung des Materials. Daher stehen der Phosphorgehalt und die Struktureigenschaften von Stahl in engem Zusammenhang.
Metallografische Erkennung: Im „Geisterlinien“-Gewebe in der Mitte des Sichtfelds sind zahlreiche hellgraue, längliche Sulfide zu sehen. Nichtmetallische Einschlüsse in Baustahl kommen hauptsächlich als Oxide und Sulfide vor. Gemäß GB/T10561-2005 „Standard Grading Chart Microscopic Inspection Method for the Content of Non-metallic Inclusions in Steel“ werden Einschlüsse des Typs B zu diesem Zeitpunkt vulkanisiert. Der Materialgehalt erreicht 2,5 und mehr. Nichtmetallische Einschlüsse sind bekanntlich eine potenzielle Rissquelle. Ihr Vorhandensein beeinträchtigt die Kontinuität und Kompaktheit der Stahlmikrostruktur erheblich und verringert die interkristalline Festigkeit des Stahls erheblich. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass Sulfide in den „Geisterlinien“ der inneren Struktur des Stahls die wahrscheinlichste Stelle für Rissbildung sind. Daher werden Risse durch Kaltschmieden und durch Wärmebehandlungsabschrecken in vielen Produktionsstätten für Befestigungselemente durch eine große Anzahl hellgrauer, länglicher Sulfide verursacht. Das Auftreten solcher schlechten Webarten zerstört die Kontinuität der Metalleigenschaften und erhöht das Risiko einer Wärmebehandlung. Der „Geisterfaden“ kann nicht durch Normalisieren usw. entfernt werden, und Verunreinigungselemente sollten bereits beim Schmelzprozess oder vor dem Eintreffen der Rohstoffe in der Fabrik streng kontrolliert werden.
Nichtmetallische Einschlüsse werden je nach Zusammensetzung und Verformbarkeit in Aluminiumoxid (Typ A), Silikat (Typ C) und sphärische Oxide (Typ D) unterteilt. Ihre Existenz unterbricht die Kontinuität des Metalls, und nach dem Ablösen bilden sich Löcher oder Risse. Beim Kaltstauchen können sehr leicht Risse entstehen und bei der Wärmebehandlung Spannungskonzentrationen verursachen, die zu Abschreckrissen führen. Daher müssen nichtmetallische Einschlüsse streng kontrolliert werden. Die aktuellen Stahlnormen GB/T700-2006 „Kohlenstoff-Baustahl“ und GB/T699-2016 „Hochwertiger Kohlenstoff-Baustahl“ stellen keine klaren Anforderungen an nichtmetallische Einschlüsse. Bei wichtigen Teilen beträgt die grobe und feine Linie von A, B und C im Allgemeinen nicht mehr als 1,5 und die grobe und feine Linie von D und Ds nicht mehr als 2.
Veröffentlichungszeit: 21. Oktober 2021
