Análise da formação e fissuração da segregação de fósforo em aço estrutural de carbono
Atualmente, as especificações comuns de vergalhões e barras de aço carbono estruturais fornecidas pelas siderúrgicas nacionais são de φ5,5 a φ45, sendo a faixa mais consolidada de φ6,5 a φ30. Muitos problemas de qualidade são causados pela segregação de fósforo em matérias-primas de vergalhões e barras de pequeno diâmetro. Vamos discutir a influência da segregação de fósforo e a análise da formação de trincas para sua referência.
A adição de fósforo ao ferro pode, correspondentemente, fechar a região da fase austenítica no diagrama de fases ferro-carbono. Portanto, a distância entre o solidus e o liquidus deve ser ampliada. Quando o aço contendo fósforo é resfriado do estado líquido para o sólido, ele precisa passar por uma ampla faixa de temperatura. A taxa de difusão do fósforo no aço é lenta. Nesse momento, o ferro fundido com alta concentração de fósforo (baixo ponto de fusão) preenche os espaços entre as primeiras dendritas solidificadas, formando assim a segregação de fósforo.
No processo de conformação a frio ou extrusão a frio, é comum observar produtos trincados. A inspeção e análise metalográfica desses produtos trincados mostram que a ferrita e a perlita se distribuem em faixas, e uma faixa de ferro branco pode ser claramente vista na matriz. Na ferrita, há inclusões intermitentes de sulfeto cinza-claro em forma de faixa sobre essa matriz ferrítica. Essa estrutura em forma de faixa, causada pela segregação de sulfeto de enxofre, é chamada de "linha fantasma". Isso ocorre porque a zona rica em fósforo na área com segregação severa de fósforo apresenta uma coloração branca e brilhante. Devido ao alto teor de fósforo na faixa branca e brilhante, o teor de carbono nessa faixa enriquecida com fósforo é reduzido ou muito baixo. Dessa forma, os cristais colunares da placa de lingotamento contínuo se desenvolvem em direção ao centro durante o lingotamento contínuo da faixa enriquecida com fósforo. Quando o tarugo se solidifica, as dendritas de austenita são precipitadas inicialmente do aço fundido. O fósforo e o enxofre contidos nessas dendritas são reduzidos, mas o aço fundido solidificado final é rico em impurezas de fósforo e enxofre, que se solidificam entre os eixos das dendritas. Devido ao alto teor de fósforo e enxofre, o enxofre forma sulfeto e o fósforo se dissolve na matriz. A difusão do enxofre dificulta a liberação do carbono, que não se funde. Portanto, a solução sólida de fósforo ao redor (nas laterais da faixa branca de ferrita) apresenta um teor de carbono mais elevado. O carbono em ambos os lados da faixa de ferrita, ou seja, em ambos os lados da área rica em fósforo, forma uma faixa estreita e intermitente de perlita paralela à faixa branca de ferrita, separando o tecido normal adjacente. Quando o tarugo é aquecido e prensado, as dendritas se estendem ao longo da direção do processo de laminação. É precisamente porque a banda de ferrita contém alto teor de fósforo, ou seja, a segregação acentuada de fósforo leva à formação de uma estrutura de banda de ferrita larga e brilhante, com faixas cinza-claras de sulfeto de ferro evidentes na banda larga e brilhante do elemento. Essa banda de ferrita rica em fósforo com longas faixas de sulfeto é o que comumente chamamos de organização de "linha fantasma" (ver Figura 1-2).
Figura 1: Fio fantasma em aço carbono SWRCH35K 200X
Figura 2: Fio fantasma em aço carbono simples Q235 500X
Quando o aço é laminado a quente, enquanto houver segregação de fósforo no tarugo, é impossível obter uma microestrutura uniforme. Além disso, devido à segregação severa de fósforo, forma-se uma estrutura de "fio fantasma", que inevitavelmente reduz as propriedades mecânicas do material.
A segregação de fósforo no aço carbono é comum, mas varia em grau. Quando o fósforo se segrega severamente (aparecendo a estrutura de "linhas fantasmas"), isso acarreta efeitos extremamente adversos para o aço. Obviamente, a segregação severa de fósforo é a principal causa de trincas no material durante o processo de conformação a frio. Como diferentes grãos no aço possuem diferentes teores de fósforo, o material apresenta diferentes resistências e durezas; por outro lado, isso também gera tensões internas no material, tornando-o mais propenso a trincas internas. No material com estrutura de "linhas fantasmas", ocorre justamente a redução da dureza, resistência, alongamento após a fratura e redução da área, especialmente a redução da tenacidade ao impacto, o que leva à fragilidade a frio do material. Portanto, o teor de fósforo e as propriedades estruturais do aço têm uma relação muito estreita.
Detecção metalográfica: Na "linha fantasma" do tecido no centro do campo de visão, observa-se um grande número de sulfetos alongados de cor cinza claro. As inclusões não metálicas em aço estrutural existem principalmente na forma de óxidos e sulfetos. De acordo com a norma GB/T10561-2005 "Método de Inspeção Microscópica com Classificação Padrão para o Teor de Inclusões Não Metálicas em Aço", as inclusões do Tipo B são vulcanizadas neste momento. O nível do material atinge 2,5 ou superior. Como se sabe, as inclusões não metálicas são fontes potenciais de trincas. Sua presença prejudica seriamente a continuidade e a compactação da microestrutura do aço e reduz significativamente a resistência intergranular do aço. Infere-se, portanto, que a presença de sulfetos na "linha fantasma" da estrutura interna do aço é o local mais provável para o surgimento de trincas. Portanto, trincas de forjamento a frio e trincas de têmpera em tratamento térmico em um grande número de locais de produção de fixadores são causadas por uma grande quantidade de sulfetos finos cinza-claros. O aparecimento desses filamentos defeituosos destrói a continuidade das propriedades do metal e aumenta o risco de danos durante o tratamento térmico. O "fio fantasma" não pode ser removido por normalização, etc., e os elementos de impureza devem ser rigorosamente controlados desde o processo de fundição ou antes da entrada das matérias-primas na fábrica.
As inclusões não metálicas são divididas em alumina (tipo A), silicato (tipo C) e óxido esférico (tipo D) de acordo com sua composição e deformabilidade. Sua presença interrompe a continuidade do metal, podendo causar a formação de cavidades ou trincas após o descascamento. Elas são muito propensas a gerar novas trincas durante o recalcamento a frio e a causar concentração de tensões durante o tratamento térmico, resultando em trincas de têmpera. Portanto, as inclusões não metálicas devem ser rigorosamente controladas. As normas atuais para aço GB/T700-2006 "Aço Carbono Estrutural" e GB/T699-2016 "Aço Carbono Estrutural de Alta Qualidade" não estabelecem requisitos claros para inclusões não metálicas. Para peças importantes, os espaçamentos entre os espaçamentos grosso e fino dos tipos A, B e C geralmente não ultrapassam 1,5, e os espaçamentos entre os espaçamentos grosso e fino dos tipos D e Ds não ultrapassam 2.
Data da publicação: 21 de outubro de 2021
