Analisi della formazione e della fessurazione della segregazione di fosforo nell'acciaio strutturale al carbonio
Attualmente, le specifiche comuni per le barre e i vergelle in acciaio al carbonio fornite dalle acciaierie nazionali sono comprese tra φ5,5 e φ45, con una gamma più consolidata tra φ6,5 e φ30. Si verificano numerosi problemi di qualità causati dalla segregazione del fosforo nelle materie prime per barre e vergelle di piccolo diametro. Analizziamo l'influenza della segregazione del fosforo e la formazione di cricche a scopo informativo.
L'aggiunta di fosforo al ferro può comportare la chiusura della regione di fase austenitica nel diagramma di fase ferro-carbonio. Pertanto, la distanza tra il solidus e il liquidus deve aumentare. Quando l'acciaio contenente fosforo viene raffreddato dallo stato liquido a quello solido, deve attraversare un ampio intervallo di temperature. La velocità di diffusione del fosforo nell'acciaio è lenta. In questa fase, il ferro fuso con un'elevata concentrazione di fosforo (basso punto di fusione) riempie gli spazi tra i primi dendriti solidificati, formando così una segregazione di fosforo.
Nel processo di stampaggio a freddo o estrusione a freddo, si osservano spesso prodotti fessurati. L'ispezione e l'analisi metallografica dei prodotti fessurati mostrano che la ferrite e la perlite sono distribuite in bande e che una striscia di ferro bianco è chiaramente visibile nella matrice. Nella ferrite, sono presenti inclusioni intermittenti di solfuro di colore grigio chiaro a forma di banda, all'interno di questa matrice ferritica a 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 in questa fascia arricchita di fosforo è ridotto o molto basso. In questo modo, i cristalli colonnari della lastra colata in continuo si sviluppano verso il centro durante la colata continua della fascia arricchita di fosforo. Quando la billetta si solidifica, i dendriti di austenite precipitano inizialmente dall'acciaio fuso. Il fosforo e lo zolfo contenuti in questi dendriti vengono ridotti, ma l'acciaio fuso solidificato finale è ricco di elementi di impurità di fosforo e zolfo, che solidificano tra gli assi dei dendriti. A causa dell'alto contenuto di fosforo e zolfo, lo zolfo formerà solfuro e il fosforo si dissolverà nella matrice. Non si diffonde facilmente e ha l'effetto di rilasciare carbonio. Il carbonio non può fondersi, quindi attorno alla soluzione solida di fosforo (ai lati della banda bianca di ferrite) c'è un contenuto di carbonio più elevato. L'elemento carbonio su entrambi i lati della fascia di ferrite, cioè su entrambi i lati dell'area arricchita di fosforo, forma rispettivamente una stretta fascia di perlite intermittente parallela alla fascia bianca di ferrite, e il tessuto normale adiacente è separato. Quando la billetta viene riscaldata e pressata, gli alberi si estenderanno lungo la direzione del processo di laminazione. È proprio perché la banda di ferrite contiene un alto contenuto di fosforo, ovvero la segregazione significativa del fosforo porta alla formazione di una struttura a banda di ferrite ampia e brillante, con evidenti strisce grigio chiaro di solfuro di ferro all'interno della banda ampia e brillante del corpo dell'elemento. 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 liscio Q235 500X
Durante la laminazione a caldo dell'acciaio, finché persiste la segregazione del fosforo nella billetta, è impossibile ottenere una microstruttura uniforme. Inoltre, a causa della grave segregazione del fosforo, si forma una struttura a "fili fantasma" che inevitabilmente riduce le proprietà meccaniche del materiale.
La segregazione del fosforo nell'acciaio al carbonio è comune, ma il suo grado varia. Quando il fosforo è fortemente segregato (con la comparsa della struttura a "linee fantasma"), ciò ha effetti estremamente negativi sull'acciaio. Ovviamente, la segregazione eccessiva del fosforo è la causa principale della fessurazione del materiale durante il processo di stampaggio a freddo. Poiché i diversi grani dell'acciaio hanno un contenuto di fosforo differente, il materiale presenta diversa resistenza e durezza; d'altra parte, la segregazione genera anche tensioni interne, che a loro volta favoriscono la formazione di cricche interne. Nel materiale con struttura a "linee fantasma", si osserva una riduzione della durezza, della resistenza, dell'allungamento a rottura e della sezione, in particolare della tenacità all'urto, che porta alla fragilità a freddo del materiale. Pertanto, il contenuto di fosforo e le proprietà strutturali dell'acciaio sono strettamente correlati.
Rilevamento metallografico Nel tessuto della "linea fantasma" al centro del campo visivo, sono presenti numerosi solfuri allungati di colore grigio chiaro. Le inclusioni non metalliche nell'acciaio strutturale si presentano principalmente sotto forma di ossidi e solfuri. Secondo la norma GB/T10561-2005 "Grafico di classificazione standard - Metodo di ispezione microscopica per il contenuto di inclusioni non metalliche nell'acciaio", le inclusioni di tipo B vulcanizzate in questa fase raggiungono un livello di materiale pari o superiore a 2,5. Come noto, le inclusioni non metalliche sono potenziali fonti di cricche. La loro presenza compromette seriamente la continuità e la compattezza della microstruttura dell'acciaio e riduce notevolmente la resistenza intergranulare. Da ciò si deduce che la presenza di solfuri nella "linea fantasma" della struttura interna dell'acciaio rappresenta il punto più probabile per la formazione di cricche. Pertanto, le cricche da forgiatura a freddo e le cricche da tempra del trattamento termico in un gran numero di siti di produzione di elementi di fissaggio sono causate da un gran numero di sottili solfuri di colore grigio chiaro. La comparsa di tali strutture difettose compromette la continuità delle proprietà del metallo e aumenta il rischio di danni durante il trattamento termico. Il "filo fantasma" non può essere eliminato mediante normalizzazione, ecc., e gli elementi impuri devono essere rigorosamente controllati fin dal processo di fusione o prima che le materie prime entrino in fabbrica.
Le inclusioni non metalliche si dividono in allumina (tipo A), silicati (tipo C) e ossidi sferici (tipo D) in base alla loro composizione e deformabilità. La loro presenza interrompe la continuità del metallo e, dopo la rimozione del materiale, si formano cavità o crepe. È molto facile che si formino cricche durante la deformazione plastica a freddo e che causino concentrazioni di stress durante il trattamento termico, con conseguente formazione di cricche da tempra. Pertanto, le inclusioni non metalliche devono essere rigorosamente controllate. Le attuali norme GB/T700-2006 "Acciaio strutturale al carbonio" e GB/T699-2016 "Acciaio strutturale al carbonio di alta qualità" non forniscono requisiti specifici per le inclusioni non metalliche. Per le parti importanti, le linee di grossolana e fine dei tipi A, B e C non superano generalmente 1,5, mentre le linee di grossolana e fine dei tipi D e Ds non superano 2.
Data di pubblicazione: 21 ottobre 2021
