Karbon Yapısal Çeliklerde Fosfor Ayrışmasının Oluşumu ve Çatlamasının Analizi
Şu anda, yerli çelik fabrikaları tarafından sağlanan karbon yapısal çelik tel çubuk ve profillerin yaygın özellikleri φ5.5-φ45'tir ve daha olgunlaşmış aralık φ6.5-φ30'dur. Küçük boyutlu tel çubuk ve profil hammaddelerinde fosfor ayrışmasından kaynaklanan birçok kalite sorunu yaşanmaktadır. Fosfor ayrışmasının etkisini ve çatlak oluşumunun analizini referans olarak ele alalım.
Demire fosfor eklenmesi, demir-karbon faz diyagramındaki östenit faz bölgesini kapatabilir. Bu nedenle, katılaşma ve sıvılaşma noktaları arasındaki mesafe genişlemelidir. Fosfor içeren çelik sıvıdan katıya soğutulduğunda, geniş bir sıcaklık aralığından geçmesi gerekir. Çelikte fosforun difüzyon hızı yavaştır. Bu sırada, yüksek fosfor konsantrasyonuna sahip (düşük erime noktalı) erimiş demir, ilk katılaşmış dendritler arasındaki boşlukları doldurarak fosfor ayrışmasına neden olur.
Soğuk şekillendirme veya soğuk ekstrüzyon işleminde sıklıkla çatlak ürünler görülür. Çatlak ürünlerin metalografik incelemesi ve analizi, ferrit ve perlitin bantlar halinde dağıldığını ve matriste beyaz demir şeridinin açıkça görülebildiğini göstermektedir. Ferrit içinde, bu bant şeklindeki ferrit matrisi üzerinde aralıklı bant şeklinde açık gri sülfür inklüzyonları bulunur. Kükürt fosfitin ayrışmasından kaynaklanan bu bant şeklindeki yapıya "hayalet çizgi" denir. Bunun nedeni, şiddetli fosfor ayrışmasının olduğu bölgedeki fosforca zengin bölgenin beyaz ve parlak görünmesidir. Beyaz ve parlak şeridin yüksek fosfor içeriği nedeniyle, fosforca zengin beyaz ve parlak şeritteki karbon içeriği azalır veya karbon içeriği çok küçüktür. Bu şekilde, fosforca zengin şeridin sürekli dökümü sırasında, sürekli döküm levhasının sütunlu kristalleri merkeze doğru gelişir. Kütük katılaştığında, erimiş çelikten önce östenit dendritleri çökelir. Bu dendritlerde bulunan fosfor ve kükürt indirgenir, ancak son katılaşmış erimiş çelik, fosfor ve kükürt safsızlık elementleri bakımından zengindir. Bu elementler, dendrit ekseni arasında katılaşır ve yüksek fosfor ve kükürt içeriği nedeniyle kükürt sülfür oluştururken, fosfor matriste çözünür. Yayılması zor olduğundan karbonun dışarı atılması etkisi vardır. Karbon eriyemez, bu nedenle fosfor katı çözeltisinin etrafında (ferrit beyaz bandının kenarları) daha yüksek karbon içeriği bulunur. Ferrit bandının her iki tarafındaki, yani fosforca zenginleştirilmiş alanın her iki tarafındaki karbon elementi, ferrit beyaz bandına paralel dar, aralıklı perlit bantları ve bitişik normal dokuyu oluşturur. Kütük ısıtılıp preslendiğinde, şaftlar haddeleme işleme yönü boyunca uzanır. Ferrit bandının yüksek oranda fosfor içermesi, yani ciddi fosfor ayrışması, belirgin demir içeren geniş ve parlak bir ferrit bant yapısının oluşmasına yol açar. Bu geniş ve parlak bantta, element gövdesinin içinde açık gri sülfür şeritleri bulunur. Uzun sülfür şeritlerine sahip bu fosforca zengin ferrit bandına genellikle "hayalet çizgi" organizasyonu diyoruz (bkz. Şekil 1-2).
Şekil 1 Karbon çelikten yapılmış hayalet tel SWRCH35K 200X
Şekil 2 Düz karbon çelik Q235 500X'te hayalet tel
Çelik sıcak haddelendiğinde, kütükte fosfor ayrışması olduğu sürece, homojen bir mikro yapı elde etmek imkansızdır. Dahası, şiddetli fosfor ayrışması nedeniyle "hayalet tel" yapısı oluşur ki bu da malzemenin mekanik özelliklerini kaçınılmaz olarak azaltır.
Karbon çeliğinde fosfor ayrışması yaygındır, ancak derecesi farklılık gösterir. Fosfor ciddi şekilde ayrıştığında ("hayalet çizgi" yapısı ortaya çıktığında), çeliğe son derece olumsuz etkiler getirir. Açıkçası, fosforun ciddi şekilde ayrışması, soğuk şekillendirme işlemi sırasında malzemenin çatlamasının sorumlusudur. Çelikteki farklı tanelerin farklı fosfor içeriğine sahip olması nedeniyle, malzemenin mukavemeti ve sertliği farklıdır; öte yandan, malzemenin iç gerilme üretmesine neden olur ve bu da malzemenin iç çatlamaya yatkınlığını artırır. "Hayalet tel" yapısına sahip malzemede, sertlik, mukavemet, kırılma sonrası uzama ve kesit alanının azalması, özellikle darbe dayanıklılığının azalması, malzemenin soğuk kırılganlığına yol açar; bu nedenle fosfor içeriği ve çeliğin yapısal özellikleri arasında çok yakın bir ilişki vardır.
Metalografik incelemede, görüş alanının merkezindeki "hayalet çizgi" dokusunda çok sayıda açık gri uzunlamasına sülfür bulunmaktadır. Yapısal çelikteki metalik olmayan inklüzyonlar esas olarak oksitler ve sülfürler şeklinde bulunur. GB/T10561-2005 "Çelikte Metalik Olmayan İnklüzyonların İçeriğinin Mikroskobik İnceleme Yöntemi Standart Sınıflandırma Tablosu"na göre, B tipi inklüzyonlar bu aşamada vulkanize olmuş malzeme seviyesinde 2,5 ve üzeri değerlere ulaşır. Hepimizin bildiği gibi, metalik olmayan inklüzyonlar çatlakların potansiyel kaynaklarıdır. Varlıkları, çelik mikroyapısının sürekliliğini ve yoğunluğunu ciddi şekilde bozacak ve çeliğin taneler arası mukavemetini büyük ölçüde azaltacaktır. Buradan, çeliğin iç yapısının "hayalet çizgisinde" sülfürlerin varlığının çatlama için en olası yer olduğu sonucuna varılmaktadır. Bu nedenle, çok sayıda bağlantı elemanı üretim tesisinde soğuk dövme çatlakları ve ısıl işlem su verme çatlakları, çok sayıda açık gri ince sülfürden kaynaklanmaktadır. Bu tür kötü dokuların ortaya çıkması, metal özelliklerinin sürekliliğini bozmakta ve ısıl işlem riskini artırmaktadır. "Hayalet iplik" normalleştirme vb. işlemlerle giderilemez ve safsızlık elementleri, ergitme işleminden veya hammaddeler fabrikaya girmeden önce sıkı bir şekilde kontrol edilmelidir.
Metalik olmayan inklüzyonlar, bileşimlerine ve deforme edilebilirliklerine göre alümina (A tipi), silikat (C tipi) ve küresel oksit (D tipi) olarak ayrılır. Varlıkları metalin sürekliliğini keser ve soyulma sonrasında çukurlar veya çatlaklar oluşur. Soğuk presleme sırasında çatlak kaynağı oluşturmak ve ısıl işlem sırasında gerilim yoğunlaşmasına neden olarak su verme çatlamasına yol açmak çok kolaydır. Bu nedenle, metalik olmayan inklüzyonlar kesinlikle kontrol edilmelidir. Mevcut GB/T700-2006 "Karbon Yapısal Çelik" ve GB/T699-2016 "Yüksek Kaliteli Karbon Yapısal Çelik" standartları, metalik olmayan inklüzyonlar için net gereksinimler belirlememektedir. Önemli parçalar için, A, B ve C'nin kaba ve ince çizgileri genellikle 1,5'ten fazla olmamalı ve D ve Ds'nin kaba ve ince çizgileri 2'den fazla olmamalıdır.
Yayın tarihi: 21 Ekim 2021
