Аналіз утворення та розтріскування сегрегації фосфору в вуглецевій конструкційній сталі
Наразі загальні характеристики дротяних стрижнів та прутків з вуглецевої конструкційної сталі, що постачаються вітчизняними сталеливарними заводами, становлять φ5,5-φ45, а більш зрілий діапазон - φ6,5-φ30. Існує багато аварій якості, спричинених сегрегацією фосфору в дрібнорозмірній дротяній та прутковій сировині. Давайте поговоримо про вплив сегрегації фосфору та аналіз утворення тріщин для вашого ознайомлення.
Додавання фосфору до заліза може відповідно закрити область аустеніту на фазовій діаграмі залізо-вуглець. Тому відстань між солідусом та ліквідусом має бути збільшена. Коли сталь, що містить фосфор, охолоджується з рідкого стану у твердий, вона повинна пройти через широкий діапазон температур. Швидкість дифузії фосфору в сталі повільна. У цей час розплавлене залізо з високою концентрацією фосфору (низька температура плавлення) заповнює проміжки між першими затверділими дендритами, утворюючи тим самим сегрегацію фосфору.
У процесі холодного висадження або холодного екструзії часто спостерігаються продукти з тріщинами. Металографічний контроль та аналіз продуктів з тріщинами показує, що ферит і перліт розподілені смугами, а в матриці чітко видно смужку білого заліза. У фериті на цій стрічкоподібній феритовій матриці є періодичні стрічкоподібні світло-сірі сульфідні включення. Ця стрічкоподібна структура, спричинена сегрегацією фосфіду сірки, називається "лінією привида". Це пояснюється тим, що зона, багата на фосфор, у ділянці з сильною сегрегацією фосфору виглядає білою та світлою. Через високий вміст фосфору в білій та світлому поясі вміст вуглецю в збагаченому фосфором білому та світлому поясі знижений або вміст вуглецю дуже малий. Таким чином, стовпчасті кристали безперервнолитого залишку розвиваються до центру під час безперервного лиття збагаченого фосфором пояса. . Коли заготовка твердне, з розплавленої сталі спочатку виділяються дендрити аустеніту. Фосфор і сірка, що містяться в цих дендритах, відновлюються, але кінцева затверділа розплавлена сталь багата на домішкові елементи фосфору та сірки, які затвердівають між віссю дендритів. Через високий вміст фосфору та сірки сірка утворює сульфід, а фосфор розчиняється в матриці. Вона нелегко дифундує, що призводить до виділення вуглецю. Вуглець не розплавляється, тому навколо твердого розчину фосфору (боки феритової білої смуги) міститься вищий вміст вуглецю. Вуглецеві елементи з обох боків феритової смуги, тобто з обох боків збагаченої фосфором області, утворюють вузьку, переривчасту перлітову смугу, паралельну феритовій білій смузі, а сусідня нормальна тканина розділяється. Під час нагрівання та пресування заготовки валки розтягуються вздовж напрямку прокатки. Саме тому, що феритова смуга містить багато фосфору, серйозна сегрегація фосфору призводить до утворення серйозної широкої та яскравої феритової смугової структури з очевидним залізом. У широкій та яскравій смузі тіла елемента присутні світло-сірі смуги сульфіду. Цю багату на фосфор феритову смугу з довгими смугами сульфіду ми зазвичай називаємо організацією «лінії-привида» (див. рис. 1-2).
Рисунок 1. Дріт-привид з вуглецевої сталі SWRCH35K 200X
Рисунок 2. Дріт-привид з простої вуглецевої сталі Q235 500X
Під час гарячого прокату сталі, якщо в заготовці є сегрегація фосфору, неможливо отримати однорідну мікроструктуру. Більше того, через сильну сегрегацію фосфору утворюється структура "примарного дроту", що неминуче знижує механічні властивості матеріалу.
Сегрегація фосфору у вуглецевій сталі є поширеним явищем, але ступінь її різний. Сильна сегрегація фосфору (поява структури "примарної лінії") призводить до вкрай негативного впливу на сталь. Очевидно, що сильна сегрегація фосфору є причиною розтріскування матеріалу під час холодного видавлювання. Оскільки різні зерна сталі мають різний вміст фосфору, матеріал має різну міцність і твердість; з іншого боку, це також створює внутрішні напруги в матеріалі, що сприяє утворенню внутрішніх розтріскування. У матеріалі зі структурою "примарної дроту" саме зниження твердості, міцності, видовження після розриву та зменшення площі, особливо зменшення ударної в'язкості, призводить до холоднокрихкості матеріалу, тому вміст фосфору та структурні властивості сталі дуже тісно пов'язані.
Металографічне виявлення. У «лінії привида» в центрі поля зору знаходиться велика кількість світло-сірих видовжених сульфідів. Неметалеві включення в конструкційній сталі переважно існують у формі оксидів та сульфідів. Згідно з GB/T10561-2005 «Стандартний метод мікроскопічного контролю вмісту неметалевих включень у сталі», включення типу B вулканізуються в цей час. Рівень вмісту матеріалу досягає 2,5 і вище. Як відомо, неметалеві включення є потенційними джерелами тріщин. Їхня присутність серйозно пошкоджує безперервність та компактність мікроструктури сталі, а також значно знижує міжкристалітну міцність сталі. З цього випливає, що наявність сульфідів у «лінії привида» внутрішньої структури сталі є найбільш ймовірним місцем для розтріскування. Тому тріщини від холодного кування та тріщини від гартування термічної обробки на багатьох виробничих майданчиках кріплень спричинені великою кількістю світло-сірих тонких сульфідів. Поява таких поганих переплетень порушує безперервність властивостей металу та збільшує ризик термічної обробки. «Примарну нитку» неможливо видалити нормалізацією тощо, а домішкові елементи слід суворо контролювати, починаючи з процесу плавки або до того, як сировина надійде на завод.
Неметалеві включення за складом та деформованістю поділяються на глинозем (тип A), силікат (тип C) та сферичний оксид (тип D). Їхня наявність порушує суцільність металу, а після відшаровування утворюються ямки або тріщини. Під час холодного висадження дуже легко утворити джерело тріщин, що спричиняє концентрацію напружень під час термічної обробки, що призводить до розтріскування від гартування. Тому неметалеві включення необхідно суворо контролювати. Чинні стандарти на сталь GB/T700-2006 "Вуглецева конструкційна сталь" та GB/T699-2016 "Високоякісна вуглецева конструкційна сталь" не містять чітких вимог до неметалевих включень. Для важливих деталей грубі та тонкі лінії A, B та C зазвичай не перевищують 1,5, а грубі та тонкі лінії D та D не перевищують 2.
Час публікації: 21 жовтня 2021 р.
