Анализ образования и растрескивания фосфорной сегрегации в углеродистой конструкционной стали.
В настоящее время стандартные характеристики проволоки и прутков из углеродистой конструкционной стали, поставляемых отечественными металлургическими заводами, составляют φ5,5-φ45, а наиболее распространенный диапазон — φ6,5-φ30. Многие дефекты качества вызваны сегрегацией фосфора в мелкогабаритной проволоке и прутках. Рассмотрим влияние сегрегации фосфора и проведем анализ образования трещин для вашего ознакомления.
Добавление фосфора к железу может, соответственно, сузить область аустенитной фазы на диаграмме фазового состояния железо-углерод. Следовательно, расстояние между солидусом и ликвидусом должно увеличиться. При охлаждении фосфорсодержащей стали из жидкого состояния в твердое необходимо пройти через широкий температурный диапазон. Скорость диффузии фосфора в стали низкая. В это время расплавленное железо с высокой концентрацией фосфора (низкой температурой плавления) заполняет зазоры между первыми затвердевшими дендритами, образуя тем самым сегрегацию фосфора.
В процессе холодной высадки или холодной экструзии часто наблюдаются трещиноватые изделия. Металлографический осмотр и анализ трещиноватых изделий показывают, что феррит и перлит распределены полосами, а в матрице отчетливо видна полоса белого железа. В феррите на этой полосатой ферритной матрице присутствуют прерывистые полосообразные светло-серые сульфидные включения. Эта полосообразная структура, вызванная сегрегацией фосфида серы, называется «призрачной линией». Это связано с тем, что богатая фосфором зона в области с сильной сегрегацией фосфора выглядит белой и блестящей. Из-за высокого содержания фосфора в белой и блестящей полосе содержание углерода в обогащенной фосфором белой и блестящей полосе снижается или становится очень малым. Таким образом, в процессе непрерывной разливки обогащенной фосфором полосы столбчатые кристаллы непрерывнолитой заготовки развиваются к центру. При затвердении заготовки из расплавленной стали сначала осаждаются аустенитные дендриты. Содержание фосфора и серы в этих дендритах снижается, но в конечном затвердевшем расплавленном состоянии сталь богата примесями фосфора и серы, которые затвердевают между осями дендритов. Из-за высокого содержания фосфора и серы сера образует сульфид, а фосфор растворяется в матрице. Диффузия затруднена, что приводит к удалению углерода. Углерод не может расплавиться, поэтому вокруг твердого раствора фосфора (по бокам ферритной белой полосы) содержание углерода выше. Элемент углерода по обеим сторонам ферритной полосы, то есть по обеим сторонам обогащенной фосфором области, соответственно образует узкую, прерывистую перлитную полосу, параллельную ферритной белой полосе, и прилегающую нормальную ткань. При нагреве и прессовании заготовки стержни будут распространяться вдоль направления прокатки. Именно из-за высокого содержания фосфора в ферритной полосе, то есть из-за сильной сегрегации фосфора, формируется широкая и яркая ферритная полосная структура с отчетливыми полосами железа и светло-серыми полосами сульфида в основной структуре элемента. Эта богатая фосфором ферритная полоса с длинными полосами сульфида представляет собой то, что мы обычно называем «призрачной линией» (см. рисунок 1-2).
Рисунок 1. Призрачная проволока в углеродистой стали SWRCH35K 200X.
Рисунок 2. Призрачная проволока в обычной углеродистой стали Q235 500X.
При горячей прокатке стали, пока в заготовке наблюдается сегрегация фосфора, невозможно получить однородную микроструктуру. Более того, из-за сильной сегрегации фосфора образуется структура типа «призрачной проволоки», что неизбежно снижает механические свойства материала.
Сегрегация фосфора в углеродистой стали — распространенное явление, но степень ее различна. При сильной сегрегации фосфора (появление структуры «призрачных линий») это оказывает крайне негативное воздействие на сталь. Очевидно, что сильная сегрегация фосфора является причиной растрескивания материала в процессе холодной высадки. Поскольку разные зерна стали имеют разное содержание фосфора, материал обладает разной прочностью и твердостью; с другой стороны, это также создает внутренние напряжения в материале, что повышает его склонность к внутреннему растрескиванию. В материале со структурой «призрачной проволоки» именно снижение твердости, прочности, удлинения после разрушения и уменьшение площади поперечного сечения, особенно снижение ударной вязкости, приводит к холодной хрупкости материала, поэтому содержание фосфора и структурные свойства стали имеют очень тесную взаимосвязь.
Металлографическое исследование. В «призрачной линии» в центре поля зрения обнаруживается большое количество светло-серых вытянутых сульфидов. Неметаллические включения в конструкционной стали в основном существуют в виде оксидов и сульфидов. Согласно GB/T10561-2005 «Стандартная классификационная таблица метода микроскопического контроля содержания неметаллических включений в стали», включения типа B вулканизированы при уровне материала 2,5 и выше. Как известно, неметаллические включения являются потенциальными источниками трещин. Их наличие серьезно нарушает целостность и плотность микроструктуры стали и значительно снижает межзеренную прочность стали. Из этого следует, что наличие сульфидов в «призрачной линии» внутренней структуры стали является наиболее вероятным местом образования трещин. Таким образом, трещины холодной ковки и трещины закалки при термообработке на большом количестве участков производства крепежных изделий вызваны большим количеством тонких светло-серых сульфидов. Появление таких дефектных волокон нарушает целостность свойств металла и увеличивает риск повреждения при термообработке. «Призрачные нити» невозможно удалить нормализацией и т. д., а примеси следует строго контролировать еще на этапе плавки или до поступления сырья на завод.
Неметаллические включения подразделяются на алюмооксидные (тип А), силикатные (тип С) и сферические оксидные (тип D) в зависимости от их состава и деформируемости. Их наличие нарушает целостность металла, и после отслаивания образуются ямки или трещины. Они очень легко образуют источник трещин при холодной высадке и вызывают концентрацию напряжений при термообработке, что приводит к закалочному растрескиванию. Поэтому содержание неметаллических включений должно строго контролироваться. Действующие стандарты GB/T700-2006 «Углеродистая конструкционная сталь» и GB/T699-2016 «Высококачественная углеродистая конструкционная сталь» не содержат четких требований к неметаллическим включениям. Для важных деталей, как правило, крупнозернистость и мелкозернистость включений типов А, В и С не превышают 1,5, а крупнозернистость и мелкозернистость включений типов D и D не превышают 2.
Дата публикации: 21 октября 2021 г.
