Analyse van de vorming en scheurvorming van fosforsegregatie in koolstofconstructiestaal
Momenteel zijn de gangbare specificaties voor koolstofstaaldraad en -profielen die door binnenlandse staalfabrieken worden geleverd φ5,5-φ45 mm, terwijl φ6,5-φ30 mm een meer gangbare maat is. Er doen zich veel kwaliteitsincidenten voor als gevolg van fosforsegregatie in de grondstoffen voor draad en profielen met een kleinere diameter. Laten we de invloed van fosforsegregatie en de analyse van scheurvorming eens nader bekijken.
Door de toevoeging van fosfor aan ijzer kan het austenietfasegebied in het ijzer-koolstoffasediagram dienovereenkomstig kleiner worden. Daardoor moet de afstand tussen de solidus en de liquidus worden vergroot. Wanneer fosforhoudend staal afkoelt van vloeibaar naar vast, moet het een breed temperatuurbereik doorlopen. De diffusiesnelheid van fosfor in staal is laag. Gedurende deze tijd vult gesmolten ijzer met een hoge fosforconcentratie (laag smeltpunt) de ruimtes tussen de eerst gestolde dendrieten, waardoor fosforsegregatie ontstaat.
Bij koudvervorming of koudextrusie worden vaak gebarsten producten waargenomen. Metallografisch onderzoek en analyse van deze producten tonen aan dat ferriet en perliet in banden verdeeld zijn en dat een strook wit ijzer duidelijk zichtbaar is in de matrix. In het ferriet bevinden zich intermitterende, bandvormige, lichtgrijze sulfide-insluitingen op deze bandvormige ferrietmatrix. Deze bandvormige structuur, veroorzaakt door de segregatie van zwavelfosfide, wordt "spooklijn" genoemd. Dit komt doordat de fosforrijke zone in het gebied met sterke fosforsegregatie wit en helder lijkt. Door het hoge fosforgehalte van de witte en heldere band is het koolstofgehalte in de fosforverrijkte witte en heldere band verlaagd of zeer laag. Op deze manier ontwikkelen de kolomvormige kristallen van de continu gegoten plak zich tijdens het continu gieten van de fosforverrijkte band naar het midden toe. Wanneer de staaf stolt, slaan eerst austenietdendrieten neer uit het gesmolten staal. Het fosfor en de zwavel in deze dendrieten worden gereduceerd, maar het uiteindelijk gestolde gesmolten staal is rijk aan fosfor- en zwavelverontreinigingen. Deze stollen tussen de dendrietassen. Door het hoge gehalte aan fosfor en zwavel vormt zwavel sulfide en lost fosfor op in de matrix. Het diffundeert niet gemakkelijk en heeft als effect dat koolstof wordt afgevoerd. Koolstof kan niet smelten, waardoor de vaste fosforoplossing (aan de zijkanten van de ferrietwitte band) een hoger koolstofgehalte heeft. Het koolstofelement aan weerszijden van de ferrietband, dat wil zeggen aan weerszijden van het fosforverrijkte gebied, vormt respectievelijk een smalle, onderbroken perlietband parallel aan de ferrietwitte band, gescheiden van het aangrenzende normale weefsel. Wanneer de staaf wordt verhit en geperst, zullen de assen zich uitstrekken in de richting van het walsen. Dit komt doordat de ferrietband een hoog fosforgehalte bevat, wat betekent dat de sterke fosforsegregatie leidt tot de vorming van een brede en heldere ferrietbandstructuur, met duidelijk zichtbare lichtgrijze sulfidestrepen in de brede en heldere band van het element. Deze fosforrijke ferrietband met lange sulfidestrepen noemen we gewoonlijk de "spooklijn"-structuur (zie figuur 1-2).
Afbeelding 1. Spookdraad in koolstofstaal SWRCH35K 200X
Afbeelding 2. Spookdraad in gewoon koolstofstaal Q235 500X
Bij het warmwalsen van staal is het, zolang er fosforsegregatie in de staaf aanwezig is, onmogelijk om een uniforme microstructuur te verkrijgen. Bovendien ontstaat er door ernstige fosforsegregatie een "spookdraad"-structuur, die onvermijdelijk de mechanische eigenschappen van het materiaal vermindert.
De segregatie van fosfor in koolstofstaal komt vaak voor, maar de mate ervan verschilt. Wanneer de fosfor sterk gesegregeerd is (de zogenaamde "spookdraad"-structuur verschijnt), heeft dit zeer nadelige gevolgen voor het staal. Het is duidelijk dat de sterke segregatie van fosfor de oorzaak is van scheurvorming tijdens het koudvervormingsproces. Omdat verschillende korrels in staal een verschillend fosforgehalte hebben, verschilt de sterkte en hardheid van het materiaal. Bovendien veroorzaakt het interne spanningen in het materiaal, wat de kans op interne scheurvorming vergroot. In het materiaal met de "spookdraad"-structuur leidt de afname van hardheid, sterkte, rek na breuk en oppervlakte, met name de afname van de slagvastheid, tot brosheid bij lage temperaturen. Het fosforgehalte en de structurele eigenschappen van staal hebben dus een zeer nauw verband.
Metallografische analyse: In het "spooklijn"-weefsel in het midden van het beeldveld bevinden zich een groot aantal lichtgrijze, langwerpige sulfiden. De niet-metallische insluitsels in constructiestaal bestaan voornamelijk uit oxiden en sulfiden. Volgens GB/T10561-2005 "Standaardclassificatietabel: Microscopische inspectiemethode voor het gehalte aan niet-metallische insluitsels in staal" worden type B-insluitsels gevulkaniseerd wanneer het materiaalgehalte 2,5 of hoger is. Zoals bekend zijn niet-metallische insluitsels potentiële bronnen van scheuren. Hun aanwezigheid kan de continuïteit en compactheid van de staalmicrostructuur ernstig aantasten en de intergranulaire sterkte van het staal aanzienlijk verminderen. Hieruit kan worden afgeleid dat de aanwezigheid van sulfiden in de "spooklijn" van de interne structuur van het staal de meest waarschijnlijke locatie is voor scheurvorming. Koudvervormingsscheuren en afschrikscheuren tijdens warmtebehandeling in een groot aantal productielocaties voor bevestigingsmiddelen worden daarom veroorzaakt door een grote hoeveelheid lichtgrijze, slanke sulfiden. Het ontstaan van dergelijke ongewenste structuren verstoort de continuïteit van de metaaleigenschappen en verhoogt het risico tijdens de warmtebehandeling. De "spookdraad" kan niet worden verwijderd door normaliseren, enz., en onzuiverheden moeten strikt worden gecontroleerd vanaf het smeltproces of voordat de grondstoffen de fabriek binnenkomen.
Niet-metallische insluitsels worden, afhankelijk van hun samenstelling en vervormbaarheid, onderverdeeld in aluminiumoxide (type A), silicaat (type C) en bolvormig oxide (type D). Hun aanwezigheid onderbreekt de continuïteit van het metaal en leidt tot de vorming van putjes of scheuren na het afschilferen. Ze vormen gemakkelijk een bron van scheuren tijdens koudvervorming en veroorzaken spanningsconcentraties tijdens warmtebehandeling, wat resulteert in afschrikbarsten. Daarom moeten niet-metallische insluitsels strikt worden gecontroleerd. De huidige staalnormen GB/T700-2006 "Koolstofconstructiestaal" en GB/T699-2016 "Hoogwaardig koolstofconstructiestaal" stellen geen duidelijke eisen aan niet-metallische insluitsels. Voor belangrijke onderdelen geldt dat het aantal grove en fijne lijnen van A, B en C over het algemeen niet meer dan 1,5 mag bedragen, en dat het aantal grove en fijne lijnen van D en Ds niet meer dan 2 mag bedragen.
Geplaatst op: 21 oktober 2021
