Analisi della formazione e della fessurazione della segregazione del fosforo nell'acciaio strutturale al carbonio
Attualmente, le specifiche comuni per vergelle e barre in acciaio strutturale al carbonio fornite dalle acciaierie nazionali sono φ5,5-φ45, mentre l'intervallo più maturo è φ6,5-φ30. Molti incidenti di qualità sono causati dalla segregazione del fosforo nelle materie prime per vergelle e barre di piccole dimensioni. A titolo di riferimento, analizziamo l'influenza della segregazione del fosforo e la formazione di cricche.
L'aggiunta di fosforo al ferro può di conseguenza chiudere la regione di fase austenite nel diagramma di fase ferro-carbonio. Pertanto, la distanza tra il solidus e il liquidus deve essere aumentata. Quando l'acciaio contenente fosforo viene raffreddato da liquido a solido, deve attraversare un ampio intervallo di temperatura. La velocità di diffusione del fosforo nell'acciaio è lenta. In questa fase, il ferro fuso con un'alta concentrazione di fosforo (basso punto di fusione) viene riempito negli spazi tra i primi dendriti solidificati, formando così la segregazione del fosforo.
Nei processi di stampaggio a freddo o estrusione a freddo, si osservano spesso prodotti criccati. L'ispezione metallografica e l'analisi dei prodotti criccati mostrano che la ferrite e la perlite sono distribuite a bande e che una striscia di ferro bianco è chiaramente visibile nella matrice. Nella ferrite, su questa matrice di ferrite a bande sono presenti inclusioni intermittenti di solfuro grigio chiaro a forma di bande. Questa struttura a bande, causata dalla segregazione del fosfuro di zolfo, è chiamata "linea fantasma". Questo perché la zona ricca di fosforo nell'area con forte segregazione di fosforo appare bianca e brillante. A causa dell'elevato contenuto di fosforo nella fascia bianca e brillante, il contenuto di carbonio nella fascia bianca e brillante arricchita di fosforo è ridotto o molto basso. In questo modo, i cristalli colonnari della bramma di colata continua si sviluppano verso il centro durante la colata continua della fascia arricchita di fosforo. Quando la billetta si solidifica, i dendriti di austenite vengono inizialmente precipitati dall'acciaio fuso. Il fosforo e lo zolfo contenuti in questi dendriti sono ridotti, ma l'acciaio fuso solidificato finale è ricco di elementi di impurità di fosforo e zolfo, che solidificano tra l'asse dei dendriti, a causa dell'elevato contenuto di fosforo e zolfo, lo zolfo formerà solfuro e il fosforo si dissolverà nella matrice. Non è facile da diffondere e ha l'effetto di scaricare carbonio. Il carbonio non può essere fuso, quindi attorno alla soluzione solida di fosforo (i lati della banda bianca di ferrite) hanno un contenuto di carbonio più elevato. L'elemento di carbonio su entrambi i lati della cintura di ferrite, cioè su entrambi i lati dell'area arricchita di fosforo, forma rispettivamente una stretta cintura di perlite intermittente parallela alla cintura bianca di ferrite e il tessuto normale adiacente si separa. Quando la billetta viene riscaldata e pressata, gli alberi si estenderanno lungo la direzione di lavorazione della laminazione. Proprio perché la banda di ferrite contiene un alto contenuto di fosforo, la segregazione del fosforo porta alla formazione di una struttura a bande di ferrite ampia e brillante, con ferro evidente. Nella banda ampia e brillante del corpo dell'elemento sono presenti strisce grigio chiaro di solfuro. Questa banda di ferrite ricca di fosforo con lunghe strisce di solfuro è ciò che comunemente chiamiamo organizzazione a "linea fantasma" (vedi Figura 1-2).
Figura 1 Filo fantasma in acciaio al carbonio SWRCH35K 200X
Figura 2 Filo fantasma in acciaio al carbonio semplice Q235 500X
Quando l'acciaio viene laminato a caldo, finché è presente segregazione di fosforo nella billetta, è impossibile ottenere una microstruttura uniforme. Inoltre, a causa della forte segregazione di fosforo, si forma una struttura a "filo fantasma", che inevitabilmente riduce le proprietà meccaniche del materiale.
La segregazione del fosforo nell'acciaio al carbonio è comune, ma il grado è variabile. Quando il fosforo è fortemente segregato (compare la struttura a "linea fantasma"), ciò avrà effetti estremamente negativi sull'acciaio. Ovviamente, la segregazione del fosforo è la causa della criccatura del materiale durante il processo di stampaggio a freddo. Poiché i diversi grani di acciaio presentano un diverso contenuto di fosforo, il materiale presenta resistenza e durezza diverse; d'altra parte, la segregazione del fosforo può anche causare stress interno nel materiale, rendendolo incline alla criccatura interna. Nel materiale con struttura a "filo fantasma", è proprio la riduzione di durezza, resistenza, allungamento dopo la frattura e la riduzione di area, in particolare la riduzione della resilienza, che porta alla fragilità a freddo del materiale, quindi il contenuto di fosforo e le proprietà strutturali dell'acciaio hanno una relazione molto stretta.
Rilevamento metallografico: nel tessuto della "linea fantasma" al centro del campo visivo, è presente un gran numero di solfuri allungati di colore grigio chiaro. Le inclusioni non metalliche nell'acciaio strutturale si presentano principalmente sotto forma di ossidi e solfuri. Secondo GB/T10561-2005 "Standard Grading Chart Microscopic Inspection Method for the Content of Non-metallic Inclusions in Steel", le inclusioni di tipo B vengono vulcanizzate in questa fase. Il livello del materiale raggiunge 2,5 e oltre. Come tutti sappiamo, le inclusioni non metalliche sono potenziali fonti di cricche. La loro presenza danneggerà gravemente la continuità e la compattezza della microstruttura dell'acciaio e ridurrà notevolmente la resistenza intergranulare dell'acciaio. Da ciò si deduce che la presenza di solfuri nella "linea fantasma" della struttura interna dell'acciaio è la posizione più probabile per la formazione di cricche. Pertanto, le cricche da forgiatura a freddo e le cricche da tempra dovute al trattamento termico in numerosi siti di produzione di elementi di fissaggio sono causate da un'elevata quantità di solfuri sottili di colore grigio chiaro. La comparsa di queste intrecciature di scarsa qualità compromette la continuità delle proprietà del metallo e aumenta il rischio di trattamento termico. Il "filo fantasma" non può essere rimosso mediante normalizzazione, ecc., e le impurità devono essere rigorosamente controllate durante il processo di fusione o prima che le materie prime entrino in fabbrica.
Le inclusioni non metalliche si dividono in allumina (tipo A), silicato (tipo C) e ossido sferico (tipo D) in base alla loro composizione e deformabilità. La loro presenza interrompe la continuità del metallo e, dopo la pelatura, si formano cavità o cricche. È molto facile che si formino cricche durante la ricalcatura a freddo e che si concentrino gli sforzi durante il trattamento termico, con conseguente criccatura da tempra. Pertanto, le inclusioni non metalliche devono essere rigorosamente controllate. Gli attuali standard GB/T700-2006 "Acciaio strutturale al carbonio" e GB/T699-2016 "Acciaio strutturale al carbonio di alta qualità" non stabiliscono requisiti chiari per le inclusioni non metalliche. Per le parti importanti, le linee grossolane e sottili di A, B e C non sono generalmente superiori a 1,5, e le linee grossolane e sottili di D e Ds non sono superiori a 2.
Data di pubblicazione: 21 ottobre 2021
