Analiza nastajanja in razpokanja segregacije fosforja v ogljikovem konstrukcijskem jeklu
Trenutno so običajne specifikacije žic in palic iz ogljikovega konstrukcijskega jekla, ki jih dobavljajo domače jeklarne, φ5,5-φ45, bolj zrelo območje pa je φ6,5-φ30. Zaradi segregacije fosforja v majhnih surovinah za žice in palice pride do številnih nesreč s kakovostjo. Za referenco si poglejmo vpliv segregacije fosforja in analizo nastajanja razpok.
Dodatek fosforja železu lahko ustrezno zapre območje avstenitne faze v faznem diagramu železo-ogljik. Zato je treba povečati razdaljo med solidusom in likvidusom. Ko se jeklo, ki vsebuje fosfor, ohladi iz tekočega v trdno stanje, mora preiti skozi široko temperaturno območje. Hitrost difuzije fosforja v jeklu je počasna. V tem času staljeno železo z visoko koncentracijo fosforja (nizko tališče) zapolni vrzeli med prvimi strjenimi dendriti, s čimer nastane segregacija fosforja.
Pri hladnem litju ali hladnem ekstrudiranju so pogosto vidni razpokani izdelki. Metalografski pregled in analiza razpokanih izdelkov pokaže, da sta ferit in perlit porazdeljena v pasovih, v matrici pa je jasno viden trak belega železa. V feritu so na tej feritni matrici v obliki pasu občasni svetlo sivi sulfidni vključki v obliki pasu. Ta pasovna struktura, ki jo povzroča segregacija žveplovega fosfida, se imenuje "linija duha". To je zato, ker je območje, bogato s fosforjem, na območju z močno segregacijo fosforja videti belo in svetlo. Zaradi visoke vsebnosti fosforja v belem in svetlem pasu se vsebnost ogljika v belem in svetlem pasu, obogatenem s fosforjem, zmanjša ali pa je vsebnost ogljika zelo majhna. Na ta način se med neprekinjenim litjem pasu, obogatenega s fosforjem, stebrasti kristali kontinuirnega litja razvijejo proti sredini. Ko se gredica strdi, se iz staljenega jekla najprej izločijo avstenitni dendriti. Fosfor in žveplo, ki ju vsebujejo ti dendriti, sta reducirana, vendar je končno strjeno staljeno jeklo bogato z nečistočami fosforja in žvepla, ki se strdijo med osjo dendritov. Zaradi visoke vsebnosti fosforja in žvepla bo žveplo tvorilo sulfid, fosfor pa se bo raztopil v matrici. Ni lahko difundirati in ima učinek sproščanja ogljika. Ogljik se ne more stopiti, zato je okoli trdne raztopine fosforja (strani feritnega belega pasu) večja vsebnost ogljika. Ogljikovi elementi na obeh straneh feritnega pasu, torej na obeh straneh območja, obogatenega s fosforjem, tvorijo ozek, prekinjajoč se perlitni pas, vzporeden z belim feritnim pasom, in sosednje normalno tkivo se loči. Ko se gredica segreje in stisne, se gredi raztezajo vzdolž smeri valjanja. Prav zaradi visoke vsebnosti fosforja v feritnem pasu močno segregiranje fosforja vodi do nastanka močne široke in svetle feritne pasovne strukture z očitnim železom. V širokem in svetlem pasu telesa elementa so svetlo sivi sulfidni trakovi. Ta feritni pas, bogat s fosforjem, z dolgimi sulfidnimi trakovi je tisto, kar običajno imenujemo organizacija "linije duha" (glej sliko 1-2).
Slika 1 Žica za fiksiranje iz ogljikovega jekla SWRCH35K 200X
Slika 2 Žica za privid iz navadnega ogljikovega jekla Q235 500X
Pri vročem valjanju jekla ni mogoče doseči enotne mikrostrukture, dokler je v gredici prisotna segregacija fosforja. Poleg tega se zaradi močne segregacije fosforja oblikuje struktura "fantomske žice", kar neizogibno zmanjša mehanske lastnosti materiala.
Segregacija fosforja v ogljikovem jeklu je pogosta, vendar je stopnja različna. Močna segregacija fosforja (pojav "strukture duhov") ima za jeklo izjemno negativne učinke. Očitno je močna segregacija fosforja vzrok za razpoke materiala med postopkom hladnega oblikovanja. Ker imajo različna zrna v jeklu različno vsebnost fosforja, ima material različno trdnost in trdoto; po drugi strani pa povzroča tudi notranje napetosti v materialu, kar povečuje nagnjenost materiala k notranjim razpokam. Pri materialu s strukturo "duhovne žice" se prav zmanjšanje trdote, trdnosti, raztezka po lomu in površine, zlasti zmanjšanje udarne žilavosti, zgodi, da material postane krhek na hladno, zato sta vsebnost fosforja in strukturne lastnosti jekla zelo tesno povezani.
Metalografska detekcija V tkivu "fantomske linije" v središču vidnega polja je veliko število svetlo sivih podolgovatih sulfidov. Nekovinski vključki v konstrukcijskem jeklu obstajajo predvsem v obliki oksidov in sulfidov. V skladu z GB/T10561-2005 "Standardna metoda mikroskopskega pregleda vsebnosti nekovinskih vključkov v jeklu" so vključki tipa B v tem času vulkanizirani, raven materiala pa doseže 2,5 ali več. Kot vsi vemo, so nekovinski vključki potencialni viri razpok. Njihova prisotnost bo resno poškodovala kontinuiteto in kompaktnost mikrostrukture jekla ter močno zmanjšala medkristalno trdnost jekla. Iz tega sklepamo, da je prisotnost sulfidov v "fantomski liniji" notranje strukture jekla najverjetnejše mesto za razpoke. Zato so razpoke pri hladnem kovanju in razpoke pri toplotni obdelavi in kaljenju na številnih mestih proizvodnje pritrdilnih elementov posledica velikega števila svetlo sivih vitkih sulfidov. Pojav takšnih slabih prepletov uniči kontinuiteto lastnosti kovine in poveča tveganje toplotne obdelave. "Fantomske niti" ni mogoče odstraniti z normalizacijo itd., nečistoče pa je treba strogo nadzorovati že od procesa taljenja ali preden surovine vstopijo v tovarno.
Nekovinski vključki se glede na njihovo sestavo in deformabilnost delijo na aluminijev oksid (tip A), silikat (tip C) in sferični oksid (tip D). Njihova prisotnost prekine kontinuiteto kovine, po luščenju pa nastanejo jamice ali razpoke. Med hladnim stiskanjem je zelo enostavno ustvariti vir razpok in med toplotno obdelavo povzročiti koncentracijo napetosti, kar povzroči razpoke zaradi gašenja. Zato je treba nekovinske vključke strogo nadzorovati. Trenutna standarda za jeklo GB/T700-2006 "Ogljikovo konstrukcijsko jeklo" in GB/T699-2016 "Visokokakovostno ogljikovo konstrukcijsko jeklo" ne določata jasnih zahtev za nekovinske vključke. Pri pomembnih delih grobe in fine črte A, B in C običajno niso večje od 1,5, grobe in fine črte D in D pa niso večje od 2.
Čas objave: 21. oktober 2021
