Analyse der Entstehung und Rissbildung von Phosphorsegregationen in kohlenstoffhaltigem Baustahl
Die gängigen Spezifikationen für Walzdraht und -stäbe aus Kohlenstoffbaustahl, die derzeit von inländischen Stahlwerken angeboten werden, liegen im Bereich von φ5,5 bis φ45 mm, wobei der Bereich von φ6,5 bis φ30 mm als ausgereifter gilt. In Walzdraht und -stäben mit kleinen Durchmessern kommt es häufig zu Qualitätsmängeln aufgrund von Phosphorsegregation. Im Folgenden werden die Auswirkungen der Phosphorsegregation und die Analyse der Rissbildung erläutert.
Die Zugabe von Phosphor zu Eisen kann den Austenitphasenbereich im Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm entsprechend verkleinern. Daher muss der Abstand zwischen Solidus und Liquidus vergrößert werden. Beim Abkühlen von phosphorhaltigem Stahl vom flüssigen in den festen Zustand durchläuft dieser einen weiten Temperaturbereich. Die Diffusionsgeschwindigkeit von Phosphor im Stahl ist gering. Dabei füllt flüssiges Eisen mit hoher Phosphorkonzentration (niedrigem Schmelzpunkt) die Zwischenräume der zuerst erstarrten Dendriten und führt so zur Phosphorsegregation.
Beim Kaltumformen oder Kaltfließpressen treten häufig Risse im Gefüge auf. Die metallografische Untersuchung und Analyse dieser Risse zeigt, dass Ferrit und Perlit bandförmig verteilt sind und ein Streifen aus weißem Eisen in der Matrix deutlich erkennbar ist. Im Ferrit finden sich vereinzelt bandförmige, hellgraue Sulfideinschlüsse. Diese durch die Ausscheidung von Schwefelphosphid verursachte Bandstruktur wird als „Geisterlinie“ bezeichnet. Grund dafür ist, dass die phosphorreiche Zone im Bereich starker Phosphorausscheidung weiß und glänzend erscheint. Aufgrund des hohen Phosphorgehalts dieser weißen und glänzenden Zone ist der Kohlenstoffgehalt in diesem Bereich reduziert oder sehr gering. Dadurch wachsen die Säulenkristalle der Stranggießplatte beim Stranggießen der phosphorreichen Zone zum Zentrum hin. Beim Erstarren des Strangs scheiden sich zunächst Austenitdendriten aus dem flüssigen Stahl ab. Der in diesen Dendriten enthaltene Phosphor und Schwefel werden reduziert, jedoch ist der erstarrte, flüssige Stahl reich an Phosphor- und Schwefelverunreinigungen, die sich zwischen den Dendritenachsen ablagern. Aufgrund des hohen Phosphor- und Schwefelgehalts bildet Schwefel Sulfide, während Phosphor in der Matrix gelöst wird. Da er sich nur schwer diffundieren lässt, wird Kohlenstoff verdrängt. Dieser kann nicht einschmelzen, sodass der Kohlenstoffgehalt in der Umgebung der Phosphor-Mischkristalle (an den Rändern des Ferrit-Weißbandes) höher ist. Kohlenstoff bildet beidseits des Ferritbandes, also beidseits des phosphorreichen Bereichs, jeweils ein schmales, unterbrochenes Perlitband parallel zum Ferrit-Weißband und trennt sich vom angrenzenden Normalgestein. Beim Erhitzen und Pressen des Rohlings dehnen sich die Wellen in Walzrichtung aus. Da das Ferritband einen hohen Phosphorgehalt aufweist, führt die starke Phosphorsegregation zur Ausbildung einer ausgeprägten, breiten und hellen Ferritbandstruktur mit deutlich sichtbaren, hellgrauen Sulfidstreifen innerhalb des Elementkörpers. Diese phosphorreiche Ferritbandstruktur mit ihren langen Sulfidstreifen wird gemeinhin als „Geisterlinien“-Struktur bezeichnet (siehe Abbildung 1-2).
Abbildung 1 Geisterdraht in Kohlenstoffstahl SWRCH35K 200X
Abbildung 2: Geisterdraht in unlegiertem Kohlenstoffstahl Q235 500X
Beim Warmwalzen von Stahl ist es unmöglich, ein gleichmäßiges Mikrogefüge zu erzielen, solange Phosphorsegregation im Rohling vorliegt. Darüber hinaus bildet sich aufgrund starker Phosphorsegregation eine „Geisterdrahtstruktur“, die die mechanischen Eigenschaften des Materials zwangsläufig beeinträchtigt.
Die Phosphorsegregation in Kohlenstoffstahl ist ein häufiges Phänomen, dessen Ausmaß jedoch variiert. Bei starker Phosphorsegregation (Ausprägung einer „Geisterdrahtstruktur“) wirkt sich dies äußerst nachteilig auf den Stahl aus. Offensichtlich ist die starke Phosphorsegregation die Hauptursache für Materialrisse beim Kaltumformen. Da unterschiedliche Korngrößen im Stahl unterschiedliche Phosphorgehalte aufweisen, variieren Festigkeit und Härte des Materials. Zudem führt dies zu inneren Spannungen, die die Rissbildung begünstigen. Bei einer „Geisterdrahtstruktur“ kommt es insbesondere zu einer Verringerung von Härte, Festigkeit, Bruchdehnung und Bruchquerschnitt, vor allem aber der Kerbschlagzähigkeit, was die Kaltversprödung des Materials zur Folge hat. Daher besteht ein enger Zusammenhang zwischen dem Phosphorgehalt und den Gefügeeigenschaften von Stahl.
Metallographische Untersuchung: Im Bereich der „Geisterlinie“ im Zentrum des Sichtfelds finden sich zahlreiche hellgraue, längliche Sulfide. Nichtmetallische Einschlüsse in Baustahl liegen hauptsächlich in Form von Oxiden und Sulfiden vor. Gemäß GB/T10561-2005 „Standard-Klassifizierungstabelle – Mikroskopisches Prüfverfahren für den Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen in Stahl“ erreichen die Einschlüsse des Typs B bei Vulkanisation einen Materialgrad von 2,5 und darüber. Nichtmetallische Einschlüsse sind bekanntermaßen potenzielle Rissquellen. Sie beeinträchtigen die Kontinuität und Kompaktheit des Stahlgefüges und reduzieren die interkristalline Festigkeit erheblich. Daraus lässt sich schließen, dass die Sulfide in der „Geisterlinie“ des Stahlgefüges die wahrscheinlichste Stelle für Rissbildung darstellen. Daher werden Kaltumformungsrisse und Abschreckrisse an zahlreichen Verbindungselement-Produktionsstellen durch die große Anzahl hellgrauer, schlanker Sulfide verursacht. Das Auftreten solcher fehlerhafter Gefügestrukturen beeinträchtigt die Kontinuität der Metalleigenschaften und erhöht das Risiko bei der Wärmebehandlung. Die „Geisterfäden“ lassen sich nicht durch Normalisieren etc. entfernen, und Verunreinigungen müssen bereits im Schmelzprozess oder vor dem Wareneingang der Rohstoffe streng kontrolliert werden.
Nichtmetallische Einschlüsse werden nach ihrer Zusammensetzung und Verformbarkeit in Aluminiumoxid (Typ A), Silikat (Typ C) und sphärische Oxide (Typ D) unterteilt. Sie unterbrechen die Kontinuität des Metalls und führen nach dem Abschälen zur Bildung von Poren oder Rissen. Beim Kaltstauchen können sie leicht zu Rissbildung führen und während der Wärmebehandlung Spannungskonzentrationen verursachen, die wiederum zu Abschreckrissen führen. Daher müssen nichtmetallische Einschlüsse streng kontrolliert werden. Die aktuellen Stahlnormen GB/T700-2006 „Kohlenstoffbaustahl“ und GB/T699-2016 „Hochwertiger Kohlenstoffbaustahl“ enthalten keine eindeutigen Anforderungen an nichtmetallische Einschlüsse. Für wichtige Bauteile beträgt der Anteil an groben und feinen Linien der Typen A, B und C in der Regel maximal 1,5, der Anteil an groben und feinen Linien der Typen D und Ds maximal 2.
Veröffentlichungsdatum: 21. Oktober 2021
