Analiza powstawania i pękania segregacji fosforu w stali konstrukcyjnej węglowej
Obecnie, typowe parametry walcówki i prętów ze stali konstrukcyjnej węglowej, dostarczane przez krajowe huty, to φ5,5-φ45, a starszy zakres to φ6,5-φ30. Istnieje wiele usterek jakościowych spowodowanych segregacją fosforu w surowcach do produkcji walcówki i prętów o małych rozmiarach. Porozmawiajmy o wpływie segregacji fosforu i analizie powstawania pęknięć.
Dodatek fosforu do żelaza może odpowiednio zamknąć obszar fazy austenitycznej na diagramie fazowym żelazo-węgiel. W związku z tym odległość między solidusem a likwidusem musi zostać zwiększona. Podczas schładzania stali zawierającej fosfor z fazy ciekłej do stałej, musi ona przejść przez szeroki zakres temperatur. Szybkość dyfuzji fosforu w stali jest niska. W tym czasie stopione żelazo o wysokim stężeniu fosforu (niska temperatura topnienia) wypełnia przestrzenie między pierwszymi zestalonymi dendrytami, tworząc w ten sposób segregację fosforu.
W procesie kucia na zimno lub wyciskania na zimno często obserwuje się spękane wyroby. Badania metalograficzne i analiza spękanych wyrobów wykazują, że ferryt i perlit są rozłożone pasmowo, a w osnowie wyraźnie widoczny jest pasek białego żelaza. W ferrycie występują przerywane, pasmowe, jasnoszare wtrącenia siarczkowe na tej pasmowej osnowie ferrytu. Ta pasmowa struktura, spowodowana segregacją fosforku siarki, nazywana jest „linią widmową”. Wynika to z faktu, że strefa bogata w fosfor w obszarze o silnej segregacji fosforu jest biała i błyszcząca. Ze względu na wysoką zawartość fosforu w pasie białym i błyszczącym, zawartość węgla w pasie białym i błyszczącym wzbogaconym w fosfor ulega zmniejszeniu lub jest bardzo mała. W ten sposób kryształy kolumnowe wlewka odlewanego w procesie ciągłego odlewania rozwijają się ku środkowi podczas ciągłego odlewania pasa wzbogaconego w fosfor. Gdy kęs jest krzepnięty, dendryty austenitu są najpierw wytrącane z roztopionej stali. Zawarte w tych dendrytach fosfor i siarka ulegają redukcji, ale ostatecznie zestalona roztopiona stal jest bogata w domieszki fosforu i siarki, które krzepną w Pomiędzy osią dendrytu, ze względu na wysoką zawartość fosforu i siarki, siarka utworzy siarczek, a fosfor rozpuści się w matrycy. Nie jest łatwy do dyfuzji i ma efekt rozładowania węgla. Węgla nie można stopić, więc wokół stałego roztworu fosforu (boki białego pasma ferrytu) mają wyższą zawartość węgla. Element węgla po obu stronach pasa ferrytowego, to znaczy po obu stronach obszaru wzbogaconego w fosfor, odpowiednio tworzą wąski, przerywany pas perlitu równoległy do pasa białego ferrytu, a sąsiednia normalna tkanka oddziela się. Po podgrzaniu i sprasowaniu wlewka, wałki będą się rozciągać wzdłuż kierunku walcowania. Dzieje się tak, ponieważ pasmo ferrytu zawiera dużo fosforu, co oznacza, że znaczna segregacja fosforu prowadzi do powstania wyraźnej, szerokiej i jasnej struktury pasmowej ferrytu, z wyraźnym żelazem. W szerokim i jasnym pasmie bryły elementu znajdują się jasnoszare paski siarczku. To bogate w fosfor pasmo ferrytu z długimi paskami siarczku jest tym, co potocznie nazywamy organizacją „linii widm” (patrz rysunek 1-2).
Rysunek 1 Drut widmowy ze stali węglowej SWRCH35K 200X
Rysunek 2 Drut widmowy ze stali węglowej Q235 500X
W przypadku walcowania stali na gorąco, dopóki w wlewku występuje segregacja fosforu, uzyskanie jednorodnej mikrostruktury jest niemożliwe. Co więcej, z powodu silnej segregacji fosforu powstaje struktura „widmowego drutu”, która nieuchronnie obniża właściwości mechaniczne materiału.
Segregacja fosforu w stali węglowej jest powszechna, ale jej stopień jest różny. Silna segregacja fosforu (pojawiająca się struktura „widmowych linii”) ma bardzo niekorzystny wpływ na stal. Oczywiście, silna segregacja fosforu jest przyczyną pękania materiału podczas procesu kucia na zimno. Ponieważ różne ziarna w stali mają różną zawartość fosforu, materiał charakteryzuje się różną wytrzymałością i twardością; z drugiej strony, powoduje to również powstawanie naprężeń wewnętrznych, co sprzyja podatności materiału na pękanie wewnętrzne. W materiale o strukturze „widmowego drutu” to właśnie zmniejszenie twardości, wytrzymałości, wydłużenia po zerwaniu i zmniejszenie powierzchni, a zwłaszcza zmniejszenie udarności, prowadzi do kruchości materiału na zimno, dlatego zawartość fosforu i właściwości strukturalne stali są ze sobą ściśle powiązane.
Detekcja metalograficzna W tkance „widmowej” w centrum pola widzenia znajduje się duża liczba jasnoszarych, wydłużonych siarczków. Wtrącenia niemetaliczne w stali konstrukcyjnej występują głównie w postaci tlenków i siarczków. Zgodnie z normą GB/T10561-2005 „Standard Grading Chart Microscopic Inspection Method for the Content of Non-metallic Inclusions in Steel”, wtrącenia typu B ulegają wulkanizacji w tym czasie, gdy poziom materiału osiąga 2,5 i więcej. Jak wszyscy wiemy, wtrącenia niemetaliczne są potencjalnym źródłem pęknięć. Ich obecność poważnie narusza ciągłość i zwartość mikrostruktury stali oraz znacznie zmniejsza jej wytrzymałość międzykrystaliczną. Z tego wynika, że obecność siarczków w „widmowej linii” wewnętrznej struktury stali jest najbardziej prawdopodobnym miejscem pęknięć. W związku z tym pęknięcia powstałe w wyniku kucia na zimno i hartowania cieplnego w wielu zakładach produkcji elementów złącznych są spowodowane dużą ilością jasnoszarych, cienkich siarczków. Pojawienie się takich wadliwych splotów niszczy ciągłość właściwości metalu i zwiększa ryzyko obróbki cieplnej. „Widmowej nitki” nie da się usunąć poprzez normalizowanie itp., a zanieczyszczenia powinny być ściśle kontrolowane już na etapie wytopu lub przed wprowadzeniem surowców do fabryki.
Wtrącenia niemetaliczne dzieli się na tlenek glinu (typ A), krzemian (typ C) i tlenek sferyczny (typ D) w zależności od składu i odkształcalności. Ich obecność przerywa ciągłość metalu, a po odłuszczeniu powstają wżery lub pęknięcia. Podczas spęczania na zimno bardzo łatwo o powstanie źródła pęknięć i koncentrację naprężeń podczas obróbki cieplnej, co prowadzi do pęknięć hartowniczych. Dlatego wtrącenia niemetaliczne muszą być ściśle kontrolowane. Aktualne normy GB/T700-2006 „Stal konstrukcyjna węglowa” i GB/T699-2016 „Wysokiej jakości stal konstrukcyjna węglowa” nie określają jasnych wymagań dotyczących wtrąceń niemetalicznych. W przypadku ważnych elementów, linie grube i cienkie linii A, B i C są zazwyczaj nie większe niż 1,5, a linie grube i cienkie linii D i D nie są większe niż 2.
Czas publikacji: 21 października 2021 r.
