Análisis de la formación y el agrietamiento de la segregación de fósforo en acero estructural al carbono.
Actualmente, las especificaciones comunes de las barras y varillas de acero estructural al carbono suministradas por las acerías nacionales oscilan entre φ5,5 y φ45 mm, siendo el rango más consolidado el de φ6,5 a φ30 mm. La segregación de fósforo en las barras y varillas de pequeño diámetro provoca numerosos problemas de calidad. A continuación, analizaremos la influencia de la segregación de fósforo y la formación de grietas para su referencia.
La adición de fósforo al hierro puede, en consecuencia, cerrar la región de la fase austenítica en el diagrama de fases hierro-carbono. Por lo tanto, la distancia entre el solidus y el liquidus debe aumentar. Cuando el acero que contiene fósforo se enfría de líquido a sólido, debe atravesar un amplio rango de temperaturas. La velocidad de difusión del fósforo en el acero es lenta. En este proceso, el hierro fundido con una alta concentración de fósforo (bajo punto de fusión) llena los espacios entre las primeras dendritas solidificadas, formando así una segregación de fósforo.
En el proceso de conformado en frío o extrusión en frío, a menudo se observan productos agrietados. La inspección y el análisis metalográfico de los productos agrietados muestran que la ferrita y la perlita se distribuyen en bandas, y se puede observar claramente una franja de hierro blanco en la matriz. En la ferrita, hay inclusiones intermitentes de sulfuro gris claro en forma de banda sobre esta matriz de ferrita en forma de banda. Esta estructura en forma de banda causada por la segregación de fosfuro de azufre se denomina "línea fantasma". Esto se debe a que la zona rica en fósforo en el área con segregación severa de fósforo aparece blanca y brillante. Debido al alto contenido de fósforo de la banda blanca y brillante, el contenido de carbono en la banda blanca y brillante enriquecida con fósforo se reduce o es muy bajo. De esta manera, los cristales columnares de la losa de colada continua se desarrollan hacia el centro durante la colada continua de la banda enriquecida con fósforo. Cuando el tocho se solidifica, primero precipitan dendritas de austenita del acero fundido. El fósforo y el azufre contenidos en estas dendritas se reducen, pero el acero fundido solidificado final es rico en elementos de impurezas de fósforo y azufre, que se solidifican entre el eje dendrítico, debido al alto contenido de fósforo y azufre, el azufre formará sulfuro, y el fósforo se disolverá en la matriz. No es fácil de difundir y tiene el efecto de descarga de carbono. El carbono no puede fundirse, por lo que alrededor de la solución sólida de fósforo (los lados de la banda blanca de ferrita) tiene un mayor contenido de carbono. El elemento carbono en ambos lados del cinturón de ferrita, es decir, en ambos lados del área enriquecida con fósforo, forma respectivamente un cinturón de perlita estrecho e intermitente paralelo al cinturón blanco de ferrita, y el tejido normal adyacente separado. Cuando el tocho se calienta y se prensa, los ejes se extenderán a lo largo de la dirección del proceso de laminación. Precisamente debido a que la banda de ferrita contiene un alto contenido de fósforo, es decir, la grave segregación de fósforo conduce a la formación de una estructura de banda de ferrita ancha y brillante, con evidentes franjas de sulfuro de hierro de color gris claro en la banda ancha y brillante del cuerpo del elemento. Esta banda de ferrita rica en fósforo con largas franjas de sulfuro es lo que comúnmente llamamos organización de "línea fantasma" (véase la Figura 1-2).
Figura 1. Alambre fantasma en acero al carbono SWRCH35K 200X
Figura 2. Alambre fantasma en acero al carbono simple Q235 500X
Cuando el acero se lamina en caliente, mientras exista segregación de fósforo en la palanquilla, es imposible obtener una microestructura uniforme. Además, debido a la severa segregación de fósforo, se forma una estructura de "alambre fantasma", lo que inevitablemente reduce las propiedades mecánicas del material.
La segregación de fósforo en el acero al carbono es común, pero su grado varía. Cuando la segregación es severa (aparece la estructura de "líneas fantasma"), tiene efectos extremadamente adversos en el acero. Evidentemente, la segregación severa de fósforo es la causa del agrietamiento del material durante el proceso de conformado en frío. Debido a que los distintos granos de acero tienen diferente contenido de fósforo, el material presenta diferente resistencia y dureza; por otro lado, también genera tensiones internas, lo que lo hace propenso al agrietamiento interno. En el material con estructura de "líneas fantasma", es precisamente la reducción de la dureza, la resistencia, la elongación después de la fractura y la reducción del área, especialmente la reducción de la tenacidad al impacto, lo que conduce a la fragilidad en frío del material. Por lo tanto, existe una relación muy estrecha entre el contenido de fósforo y las propiedades estructurales del acero.
Detección metalográfica En el tejido de "línea fantasma" en el centro del campo de visión, hay una gran cantidad de sulfuros alargados de color gris claro. Las inclusiones no metálicas en el acero estructural existen principalmente en forma de óxidos y sulfuros. Según GB/T10561-2005 "Método de inspección microscópica de la tabla de clasificación estándar para el contenido de inclusiones no metálicas en el acero", las inclusiones de tipo B se vulcanizan en este momento. El nivel del material alcanza 2,5 o más. Como todos sabemos, las inclusiones no metálicas son fuentes potenciales de grietas. Su existencia daña gravemente la continuidad y la compacidad de la microestructura del acero y reduce considerablemente la resistencia intergranular del acero. De esto se infiere que la presencia de sulfuros en la "línea fantasma" de la estructura interna del acero es la ubicación más probable para el agrietamiento. Por lo tanto, las grietas de forjado en frío y las grietas de temple por tratamiento térmico en un gran número de sitios de producción de sujetadores son causadas por una gran cantidad de sulfuros delgados de color gris claro. La aparición de estas irregularidades en el tejido destruye la continuidad de las propiedades del metal y aumenta el riesgo durante el tratamiento térmico. Estas "impurezas" no se pueden eliminar mediante procesos como la normalización, y los elementos contaminantes deben controlarse rigurosamente desde el proceso de fundición o antes de que las materias primas ingresen a la fábrica.
Las inclusiones no metálicas se dividen en alúmina (tipo A), silicato (tipo C) y óxido esférico (tipo D) según su composición y deformabilidad. Su existencia interrumpe la continuidad del metal y se forman picaduras o grietas después del pelado. Es muy fácil que se forme una fuente de grietas durante el recalcado en frío y cause concentración de tensiones durante el tratamiento térmico, lo que resulta en agrietamiento por temple. Por lo tanto, las inclusiones no metálicas deben controlarse estrictamente. Las normas actuales de acero GB/T700-2006 "Acero estructural al carbono" y GB/T699-2016 "Acero estructural al carbono de alta calidad" no establecen requisitos claros para las inclusiones no metálicas. Para las partes importantes, las líneas gruesas y finas de A, B y C generalmente no son más de 1,5, y las líneas gruesas y finas de D y Ds no son más de 2.
Fecha de publicación: 21 de octubre de 2021
