Fosforin erottumisen muodostumisen ja halkeilun analyysi hiilirakenteisissa teräksissä
Tällä hetkellä kotimaisten terästehtaiden toimittamien hiiliteräsrakenteisten terästankojen ja -tankojen yleisimmät eritelmät ovat φ5,5–φ45, ja kypsempi alue on φ6,5–φ30. Pienten valssitankojen ja -tankojen raaka-aineissa fosforin erottuminen aiheuttaa monia laatuonnettomuuksia. Puhutaanpa fosforin erottumisen vaikutuksesta ja analysoidaan halkeamien muodostumista.
Fosforin lisääminen rautaan voi vastaavasti sulkea austeniittifaasialueen rauta-hiili-faasidiagrammissa. Siksi soliduksen ja likviduksen välistä etäisyyttä on suurennettava. Kun fosforia sisältävä teräs jäähdytetään nesteestä kiinteäksi, sen on kuljettava laajan lämpötila-alueen läpi. Fosforin diffuusionopeus teräksessä on hidas. Tällöin korkean fosforipitoisuuden omaava (alhaisen sulamispisteen) sula rauta täyttää ensimmäisten jähmettyneiden dendriittien väliset aukot, jolloin muodostuu fosforin segregaatio.
Kylmäpuristusprosessissa tai kylmäpuristusprosessissa havaitaan usein halkeilevia tuotteita. Halkeilevien tuotteiden metallografinen tarkastus ja analyysi osoittavat, että ferriitti ja perliitti ovat jakautuneet vyöhykkeisiin, ja matriisissa on selvästi havaittavissa valkoisen raudan kaistale. Ferriitissä on tällä vyöhykkeellä ajoittaisia vaaleanharmaita sulfidisulkeumia. Tätä rikkifosfidin erottumisen aiheuttamaa vyöhykettä kutsutaan "haamuviivaksi". Tämä johtuu siitä, että fosforirikas vyöhyke alueella, jolla on voimakas fosforin erottuminen, näyttää valkoiselta ja kirkkaalta. Valkoisen ja kirkkaan vyöhykkeen korkean fosforipitoisuuden vuoksi fosforilla rikastetun valkoisen ja kirkkaan vyöhykkeen hiilipitoisuus on pienentynyt tai hyvin pieni. Tällä tavoin jatkuvavalun laatan pylväsmäiset kiteet kehittyvät kohti keskustaa fosforilla rikastetun vyöhykkeen jatkuvavalun aikana. Kun aihio jähmettyy, sulasta teräksestä saostuu ensin austeniittidendriittejä. Näiden dendriittien sisältämä fosfori ja rikki pelkistyvät, mutta lopullinen jähmettynyt sula teräs on runsaasti fosforia ja rikkiä sisältäviä epäpuhtauksia, jotka jähmettyvät dendriittiakselin väliin. Korkean fosfori- ja rikkipitoisuuden vuoksi rikki muodostaa sulfidia, ja fosfori liukenee matriisiin. Se ei diffundoidu helposti, ja sillä on hiilen vapautuminen. Hiili ei voi sulaa, joten fosforiliuoksen ympärillä (ferriittivalkoisen nauhan reunoilla) on korkeampi hiilipitoisuus. Ferriittinauhan molemmilla puolilla, eli fosforilla rikastetun alueen molemmilla puolilla, olevat hiilielementit muodostavat vastaavasti kapean, katkonaisen perliittinauhan, joka on yhdensuuntainen ferriittivalkoisen nauhan kanssa, ja viereinen normaali kudos erottuu toisistaan. Kun aihiota kuumennetaan ja puristetaan, akselit ulottuvat valssausprosessin suuntaan. Juuri siksi, että ferriittinauha sisältää paljon fosforia, voimakas fosforin erottuminen johtaa vakavan leveän ja kirkkaan ferriittinauharakenteen muodostumiseen, jossa on havaittavissa rautaa. Leveässä ja kirkkaassa nauhassa on vaaleanharmaita sulfidinauhoja. Tätä fosforirikasta ferriittivyöhykettä pitkine sulfidisuikaleineen kutsumme yleisesti "haamuviiva"-organisaatioksi (katso kuva 1-2).
Kuva 1 Hiiliteräksestä valmistettu haamulanka SWRCH35K 200X
Kuva 2. Haamulanka tavallisesta hiiliteräksestä Q235 500X
Kun terästä kuumavalssataan, niin kauan kuin aihiossa on fosforin erottelua, on mahdotonta saada tasaista mikrorakennetta. Lisäksi voimakkaan fosforin erottelun vuoksi on muodostunut "haamulanka"-rakenne, joka väistämättä heikentää materiaalin mekaanisia ominaisuuksia.
Fosforin erottuminen hiiliteräksessä on yleistä, mutta aste vaihtelee. Kun fosfori on voimakkaasti erottunut ("haamuviiva"-rakenne), sillä on erittäin haitallisia vaikutuksia teräkseen. On selvää, että fosforin voimakas erottuminen on syynä materiaalin halkeiluun kylmätyssäysprosessin aikana. Koska teräksen eri rakeilla on erilainen fosforipitoisuus, materiaalilla on erilainen lujuus ja kovuus. Toisaalta se myös aiheuttaa materiaaliin sisäistä jännitystä, mikä edistää materiaalin alttiutta sisäisille halkeiluille. "Haamuviiva"-rakenteella varustetussa materiaalissa juuri kovuuden, lujuuden, murtovenymän ja pinta-alan pieneneminen, erityisesti iskunkestävyys, johtavat materiaalin kylmähaurauteen, joten fosforipitoisuudella ja teräksen rakenteellisilla ominaisuuksilla on hyvin läheinen suhde.
Metallografinen havaitseminen Näkökentän keskellä olevassa "haamuviivassa" on suuri määrä vaaleanharmaita pitkänomaisia sulfideja. Rakenneterästen epämetalliset sulkeumat esiintyvät pääasiassa oksidien ja sulfidien muodossa. GB/T10561-2005 "Standard Grading Chart Microscopic Inspection Method for the Content of Non-metallic Inclusions in Steel" -standardin mukaan B-tyypin sulkeumat vulkanoidaan tällä hetkellä, kun materiaalipitoisuus saavuttaa 2,5 tai yli. Kuten kaikki tiedämme, epämetalliset sulkeumat ovat mahdollisia halkeamien lähteitä. Niiden olemassaolo vahingoittaa vakavasti teräksen mikrorakenteen jatkuvuutta ja tiiviyttä ja vähentää huomattavasti teräksen rakeiden välistä lujuutta. Tästä päätellään, että sulfidien läsnäolo teräksen sisärakenteen "haamuviivassa" on todennäköisin halkeamien paikka. Siksi kylmätaontahalkeamat ja lämpökäsittelyn aiheuttamat sammutushalkeamat monissa kiinnittimien tuotantolaitoksissa johtuvat suuresta määrästä vaaleanharmaita ohuita sulfideja. Tällaisten huonojen kudosten esiintyminen tuhoaa metallin ominaisuuksien jatkuvuuden ja lisää lämpökäsittelyn riskiä. "Haamukastaa" ei voida poistaa normalisoimalla tms., ja epäpuhtauselementtejä on valvottava tarkasti sulatusprosessista tai ennen raaka-aineiden saapumista tehtaalle.
Epämetalliset sulkeumat jaetaan koostumuksensa ja muodonmuutoskykynsä mukaan alumiinioksidiin (tyyppi A), silikaaleihin (tyyppi C) ja pallomaisiin oksideihin (tyyppi D). Niiden olemassaolo katkaisee metallin jatkuvuuden, ja kuorinnan jälkeen muodostuu kuoppia tai halkeamia. Kylmäkäsittelyn aikana on erittäin helppo muodostaa halkeamia ja aiheuttaa jännityskeskittymiä lämpökäsittelyn aikana, mikä johtaa sammutushalkeiluun. Siksi epämetallisia sulkeumia on valvottava tarkasti. Nykyiset terässtandardit GB/T700-2006 "Hiilirakenteinen teräs" ja GB/T699-2016 "Korkealaatuinen hiilirakenteinen teräs" eivät aseta selkeitä vaatimuksia epämetallisille sulkeumille. Tärkeiden osien A:n, B:n ja C:n karkeat ja hienot viivat ovat yleensä enintään 1,5, ja D:n ja D:n karkeat ja hienot viivat ovat enintään 2.
Julkaisun aika: 21.10.2021
