Fosforo segregacijos susidarymo ir įtrūkimų analizė angliniame konstrukciniame pliene
Šiuo metu vietinių plieno gamyklų tiekiamų anglinio konstrukcinio plieno vielos strypų ir strypų įprastiniai specifikacijos yra φ5,5–φ45, o labiau brandus diapazonas – φ6,5–φ30. Dėl fosforo segregacijos mažose vielos strypų ir strypų žaliavose įvyksta daug kokybės sutrikimų. Pakalbėkime apie fosforo segregacijos įtaką ir įtrūkimų susidarymo analizę.
Fosforo pridėjimas prie geležies gali atitinkamai uždaryti austenito fazės sritį geležies-anglies fazių diagramoje. Todėl atstumas tarp solido ir likvido turi būti padidintas. Kai fosforą turintis plienas aušinamas iš skystos į kietą būseną, jis turi praeiti plačiame temperatūrų diapazone. Fosforo difuzijos greitis pliene yra lėtas. Šiuo metu išlydyta geležis su didele fosforo koncentracija (žema lydymosi temperatūra) užpildo tarpus tarp pirmųjų sukietėjusių dendritų, taip susidarant fosforo segregacijai.
Šaltojo presavimo arba šaltojo ekstruzijos procese dažnai matomi įtrūkę gaminiai. Metalografinė įtrūkusių gaminių apžiūra ir analizė rodo, kad feritas ir perlitas pasiskirstę juostelėmis, o matricoje aiškiai matyti baltojo geležies juostelė. Ferite ant šios juostelės formos ferito matricos yra pertraukiami juostiniai šviesiai pilki sulfido intarpai. Ši juostos formos struktūra, atsiradusi dėl sieros fosfido segregacijos, vadinama „vaiduoklių linija“. Taip yra todėl, kad fosforo turtinga zona toje srityje, kur yra stipri fosforo segregacija, atrodo balta ir šviesi. Dėl didelio fosforo kiekio baltoje ir šviesioje juostoje anglies kiekis fosforu praturtintoje baltoje ir šviesioje juostoje yra sumažėjęs arba labai mažas. Tokiu būdu, nuolat liejant fosforu praturtintą juostą, nuolatinio liejimo plokštės stulpeliniai kristalai vystosi link centro. Kai ruošinys sukietėja, iš išlydyto plieno pirmiausia nusėda austenito dendritai. Šiuose dendrituose esantis fosforas ir siera yra redukuoti, tačiau galutinis sukietėjęs išlydytas plienas yra gausus fosforo ir sieros priemaišų elementų, kurie sukietėja tarp dendritų ašių. Dėl didelio fosforo ir sieros kiekio siera sudaro sulfidą, o fosforas ištirpsta matricoje. Jis sunkiai difunduoja ir išskiria anglį. Anglis negali ištirpti, todėl aplink fosforo kietąjį tirpalą (ferito baltos juostos šonuose) yra didesnis anglies kiekis. Anglies elementas abiejose ferito juostos pusėse, t. y. abiejose fosforu praturtintos srities pusėse, atitinkamai sudaro siaurą, nutrūkstamą perlito juostą, lygiagrečią ferito baltai juostai, ir gretimą normalų audinį, kuris atsiskiria. Kaitinant ir presuojant ruošinį, velenai tęsiasi valcavimo proceso kryptimi. Būtent dėl didelio fosforo kiekio ferito juostoje yra daug fosforo, t. y. didelė fosforo segregacija lemia rimtos plačios ir ryškios ferito juostos struktūros susidarymą su aiškiai matomomis geležimi. Plačioje ir ryškioje elemento korpuso juostoje yra šviesiai pilkų sulfido juostų. Ši fosforo turtinga ferito juosta su ilgomis sulfido juostelėmis yra tai, ką mes paprastai vadiname „vaiduoklių linijos“ organizacija (žr. 1-2 pav.).
1 pav. Vaiduoklinė viela iš anglinio plieno SWRCH35K 200X
2 pav. Vaiduoklinė viela iš paprasto anglinio plieno Q235 500X
Karštai valcuojant plieną, jei ruošinyje yra fosforo segregacija, neįmanoma gauti vienodos mikrostruktūros. Be to, dėl stipraus fosforo segregacijos susidaro „vaiduoklinės vielos“ struktūra, kuri neišvengiamai sumažina medžiagos mechanines savybes.
Fosforo išskyrimas angliniame pliene yra įprastas reiškinys, tačiau jo laipsnis skiriasi. Kai fosforas yra stipriai išskirstytas (atsiranda „vaiduoklinės linijos“ struktūra), tai daro itin neigiamą poveikį plienui. Akivaizdu, kad stipri fosforo išskyrimas yra medžiagos įtrūkimų šaltojo presavimo proceso metu priežastis. Kadangi skirtingi plieno grūdeliai turi skirtingą fosforo kiekį, medžiaga turi skirtingą stiprumą ir kietumą; kita vertus, tai taip pat sukelia medžiagos vidinį įtempį, kuris skatina medžiagos polinkį į vidinius įtrūkimus. Medžiagoje su „vaiduoklinės vielos“ struktūra būtent kietumo, stiprumo, pailgėjimo po lūžio ir ploto sumažėjimas, ypač smūginio atsparumo sumažėjimas, lemia medžiagos šaltąjį trapumą, todėl fosforo kiekis ir plieno struktūrinės savybės yra labai glaudžiai susijusios.
Metalografinis aptikimas Regėjimo lauko centre esančioje „vaiduoklinės linijos“ audinyje yra daug šviesiai pilkų pailgų sulfidų. Nemetaliniai intarpai konstrukciniame pliene daugiausia yra oksidų ir sulfidų pavidalu. Pagal GB/T10561-2005 „Standartinis nemetalinių intarpų kiekio pliene mikroskopinio tikrinimo metodas“, B tipo intarpai šiuo metu vulkanizuojami, o medžiagos lygis siekia 2,5 ir daugiau. Kaip visi žinome, nemetaliniai intarpai yra potencialūs įtrūkimų šaltiniai. Jų buvimas rimtai pažeidžia plieno mikrostruktūros tęstinumą ir kompaktiškumą, o plieno tarpkristalinis stiprumas labai sumažėja. Iš to daroma išvada, kad sulfidų buvimas plieno vidinės struktūros „vaiduoklinėje linijoje“ yra labiausiai tikėtina įtrūkimų vieta. Todėl šaltojo kalimo ir terminio apdorojimo gesinimo įtrūkimai daugelyje tvirtinimo detalių gamybos vietų atsiranda dėl didelio kiekio šviesiai pilkų plonų sulfidų. Tokių blogų pynimų atsiradimas sunaikina metalo savybių tęstinumą ir padidina terminio apdorojimo riziką. „Vaiduoklių siūlų“ negalima pašalinti normalizuojant ir pan., o priemaišų elementai turėtų būti griežtai kontroliuojami nuo lydymo proceso arba prieš žaliavoms patenkant į gamyklą.
Nemetaliniai intarpai pagal savo sudėtį ir deformuojamumą skirstomi į aliuminio oksido (A tipo), silikato (C tipo) ir sferinio oksido (D tipo) intarpus. Jų buvimas nutraukia metalo vientisumą, o po lupimo susidaro duobutės arba įtrūkimai. Šaltojo deformavimo metu labai lengva susidaryti įtrūkimams, o terminio apdorojimo metu sukelti įtempių koncentraciją, dėl kurios atsiranda grūdinimo įtrūkimai. Todėl nemetaliniai intarpai turi būti griežtai kontroliuojami. Dabartiniai plieno standartai GB/T700-2006 „Anglies konstrukcinis plienas“ ir GB/T699-2016 „Aukštos kokybės anglinis konstrukcinis plienas“ nenustato aiškių reikalavimų nemetaliniams intarpams. Svarbių dalių A, B ir C šiurkščios ir smulkios linijos paprastai neviršija 1,5, o D ir D šiurkščios ir smulkios linijos – ne daugiau kaip 2.
Įrašo laikas: 2021 m. spalio 21 d.
