¿Por qué algunos productos de acero fallan inesperadamente a pesar de los procesos de fabricación de alta calidad? La respuesta está en las inclusiones no metálicas. Estas pequeñas impurezas, que se forman durante el proceso de fabricación del acero, pueden afectar significativamente a su durabilidad, tenacidad y resistencia a la corrosión. Comprender sus tipos y efectos es crucial para mejorar la calidad del acero. En este artículo exploraremos cómo se forman estas inclusiones, sus clasificaciones y su profundo impacto en el rendimiento del acero en diversas aplicaciones. Aprenda a mitigar estas amenazas ocultas y asegúrese de que sus productos de acero alcanzan un rendimiento óptimo.
1. Inclusión endógena
Durante el proceso de fundición del acero, se produce una reacción de desoxidación que da lugar a la producción de óxidos y otros productos. Si estos productos no suben a la superficie antes de que el acero fundido se solidifique, quedarán atrapados dentro del acero. Se producen las siguientes reacciones:
La presencia de impurezas como oxígeno, azufre y nitrógeno en el acero fundido provoca su precipitación en la solución sólida durante el enfriamiento y la solidificación, quedando finalmente atrapadas en el lingote. La distribución de estas inclusiones, conocidas como inclusiones endógenas, es típicamente uniforme y se caracteriza por partículas pequeñas.
Aunque un funcionamiento adecuado y la aplicación de medidas de proceso apropiadas pueden reducir el número de inclusiones y alterar su composición, tamaño y distribución, su presencia suele ser inevitable.
2. Inclusiones extrañas
Las escorias que flotan en la superficie del acero fundido durante el proceso de fundición y colada, así como los materiales refractarios u otros restos que puedan desprenderse de las paredes interiores del horno de fabricación del acero, la artesa de colada y la cuchara, no siempre se eliminan antes de que el acero fundido se solidifique, lo que provoca su presencia dentro del acero.
Estas inclusiones se forman como resultado del contacto entre el metal y sustancias externas durante el proceso de fundición.
Normalmente, estas inclusiones tienen una forma irregular, son de gran tamaño y presentan un aspecto irregular, lo que les ha valido el apodo de "inclusiones gruesas".
Sin embargo, estas inclusiones pueden evitarse mediante técnicas de funcionamiento adecuadas.
Clase A (Sulfuro): Inclusiones grises simples con alta ductilidad y una amplia gama de relaciones morfológicas, generalmente con extremos redondeados.
Clase B (Alúmina): La mayoría de las partículas no están deformadas, son angulosas, tienen una relación morfológica pequeña (generalmente inferior a 3) y son negras o azules. Debe haber al menos tres partículas seguidas a lo largo de la dirección de laminación.
Clase C (Silicato): Inclusiones simples de color negro o gris oscuro, de gran ductilidad y con una amplia gama de relaciones morfológicas (generalmente mayores o iguales a 3), generalmente con un ángulo agudo en el extremo.
Clase D (Óxido esférico): Partículas no deformadas, angulosas o circulares, con proporciones morfológicas pequeñas (generalmente inferiores a 3), de color negro o azulado y distribuidas irregularmente.
Clase Ds (partícula única esférica): Inclusiones de una sola partícula redonda o casi redonda con un diámetro de 13 μm o superior.
Tabla 1 límites de clasificación (mínimo)
| Cuadro de clasificación nivel i | Categoría de inclusión | ||||
| A. Longitud total (um) | B longitud total (um) | C Longitud total (um) | Cantidad D | Diámetro S (um) | |
| 0.5 | 37 | 17 | 81 | 1 | 3 |
| 1 | 127 | 777 | 6 | 41 | 9 |
| 1.5 | 261 | 84 | 769 | 2 | 7 |
| 2 | 436 | 43 | 201 | 63 | 8 |
| 2.5 | 649 | 555 | 102 | 55 | 3 |
| 3 | 898（<1181）822（<1147） | 46（<1029）3 | 6（<49）7 | 6（<107） | |
| Nota: la longitud total de las inclusiones de las clases A, B y C antes mencionadas se calcula según la fórmula que figura en el apéndice D, y se toma el número entero más próximo. | |||||
Tabla 2 anchura de inclusión
| Categoría | Sistema fino | Sistema grueso | ||
| Anchura mínima(um) | Anchura máxima (um) | Anchura mínima(um) | Anchura máxima(um) | |
| A | 2 | 4 | >4 | 12 |
| B | 2 | 9 | >9 | 15 |
| 2 | 5 | >5 | 12 | |
| D | 3 | 8 | >8 | 13 |
| Nota: el tamaño máximo de las inclusiones de clase D se define como el diámetro. | ||||
La presencia de inclusiones con un tamaño inferior a 10μm favorece la nucleación de la estructura, y el crecimiento del grano se produce durante la soldadura.
(1) La adición de elementos de aleación como el Nb, el V, el Ti y otros, pueden provocar la precipitación de compuestos de C y N (un tipo de microinclusiones) durante la colada continua y el calentamiento.
(2) Los sulfuros de calcio, los silicatos y los óxidos ferrosos finos pueden refinar los núcleos cristalinos, lo que es beneficioso para la dureza, la plasticidad y la resistencia del material. chapa de acero.
Sin embargo, cuando el tamaño de no metálico inclusiones supera los 50μm, se reducen la plasticidad, la tenacidad y la vida a fatiga del acero, y se deterioran las propiedades de trabajo en frío y en caliente, así como algunas propiedades físicas.
En general, el tamaño de las inclusiones en nuestro acero fundido supera los 50μm, lo que reduce la tenacidad, plasticidad y resistencia de la placa de acero.
Además de estas propiedades, las inclusiones también tienen un impacto negativo en la resistencia a los ácidos, el comportamiento a la fatiga, el acabado superficial y el rendimiento de la soldadura.
1. Es fácil que se agriete durante la forja, el trabajo en frío, el temple, el calentamiento y la soldadura.
2. La calidad de la superficie tras el laminado y la rugosidad superficial de las piezas tras el rectificado.
Cuando las partículas de inclusión son relativamente grandes, superando los 10 μm de tamaño, especialmente cuando el contenido de inclusión es bajo, la límite elástico y la resistencia a la tracción del acero se reducen considerablemente.
Sin embargo, si las partículas de inclusión son pequeñas y miden menos de 10 μm, mejoran el límite elástico y la resistencia a la tracción del acero.
A medida que aumenta la cantidad de partículas pequeñas en el acero, también aumentan el límite elástico y la resistencia a la tracción, pero se produce una ligera disminución del alargamiento.
Está ampliamente aceptado que las inclusiones son la causa principal de fallo por fatiga en acero.
Las inclusiones frágiles y esféricas con fuerzas de unión débiles y de gran tamaño tienen un impacto significativo en el comportamiento a la fatiga, ya que una mayor resistencia conlleva mayores riesgos, como se ilustra en la figura 1.
En el caso del acero de alta resistencia, si la superficie del componente está bien procesada, el inicio y la inclusión de grietas se convierten en el modo dominante de agrietamiento por fatiga.
Las pequeñas inclusiones pueden tener poco impacto en la nucleación de la grieta, pero desempeñan un papel beneficioso en la propagación de la grieta por fatiga.
La figura 2 es una representación esquemática de la formación y el crecimiento de huecos alrededor de pequeñas inclusiones.
Se cree que los hoyuelos están asociados a inclusiones menores de 0,5 mm.
Fig. 1 tamaño de inclusión y vida a fatiga bajo el mismo nivel de tensión
Fig. 2 Diagrama esquemático de la formación de microvacíos entre inclusiones no adyacentes
Ejemplos de fracaso:
El eje elástico del motor de un equipo falla tras un periodo de uso. La figura 3 muestra el aspecto macroscópico de la fractura.
A partir de la dirección de las líneas de fatiga macroscópicas en la superficie de fractura y de las líneas radiales, se observa que la grieta se origina en la superficie del eje elástico y corresponde a una línea longitudinal en la superficie del eje.
Sin embargo, las características morfológicas de la superficie de fractura original no están claras debido al fuerte desgaste de la superficie de fractura en el punto de inicio de la grieta.
Como se muestra en la figura 4, un examen macroscópico y microscópico de un eje elástico que no ha fallado revela la presencia de diversos grados de grietas longitudinales en la superficie del eje e inclusiones no metálicas en la zona donde se producen las grietas.
Los resultados del análisis del espectro de energía indican que las inclusiones no metálicas de las grietas son de óxido de aluminio. Las inclusiones esféricas de óxido y las inclusiones esféricas de una sola partícula del eje elástico del motor tienen una clasificación de 2,0.
La causa principal del fallo prematuro del eje elástico es fractura por fatiga resultante de que la inclusión actúe como fuente de fatiga del núcleo bajo la influencia de la tensión alterna.
Fig. 3 Aspecto macroscópico de la fractura del eje elástico del motor fracturado
Fig. 4 Análisis SEM de las inclusiones en el eje elástico
La presencia de inclusiones no metálicas en el acero puede disminuir significativamente su resistencia a la corrosión.
Las diferencias de composición química entre las inclusiones no metálicas y la base de acero facilitan la formación de una microcélula entre ellas. Esto puede dar lugar a corrosión electroquímica en presencia de un medio corrosivo ambiental, lo que conduce a la formación de picaduras de corrosión y grietas. En casos graves, esto puede provocar el fallo por fractura.
Por ejemplo, una tubería de agua caliente hecha de Q235B acero estructural al carbono se filtró prematuramente. La Fig. 5(a) muestra el aspecto macroscópico de la tubería de agua con fugas, con indicios de corrosión cerca del punto de fuga. La Fig. 5(b) muestra que, una vez eliminados los productos de oxidación y corrosión, existen claras ranuras en las soldaduras del punto de fuga.
Un análisis exhaustivo de la metalografía, las inclusiones, los espectros de energía y las pruebas de corrosión acelerada simuladas tanto de la tubería de agua con fugas como de la tubería de agua original reveló que la presencia de inclusiones de óxido o inclusiones de óxido compuesto que penetraban en la superficie interior en la junta de soldadura eran la causa principal de la corrosión local, la formación de surcos de corrosión y la fuga prematura de la tubería de agua.
Los medios corrosivos presentes en la tubería, como O2, S y Cl, provocaron que las inclusiones no metálicas formaran una célula de corrosión con el hierro adyacente, lo que dio lugar a la corrosión electroquímica y, en última instancia, provocó la fuga de la tubería de agua.
Fig. 5 Aspecto macroscópico de una tubería de agua con fugas
La infiltración de hidrógeno en un material o la generación de hidrógeno a través de la interacción electroquímica entre el medio y la superficie del material puede seguir difundiéndose en determinadas condiciones y agregarse y combinarse fácilmente en moléculas de hidrógeno en trampas como las inclusiones.
Cuando la presión de las moléculas de hidrógeno en estas trampas supera el límite de resistencia del material, se forman núcleos de grietas.
Con la continua difusión y agregación de hidrógeno, el material acabará experimentando una macrofractura.
Hay muchos factores que afectan al agrietamiento inducido por hidrógeno, pero para una tipo de aceroLa influencia de las inclusiones es la más importante, aparte de la influencia de los factores del proceso. Las inclusiones son fuertes trampas de hidrógeno y la presión alrededor de las inclusiones no metálicas (especialmente las grandes) es muy alta, con una fuerza de unión relativamente débil entre las inclusiones y la matriz.
Al aumentar la presión del hidrógeno, se formarán grietas en la interfaz entre las inclusiones y la matriz. La probabilidad de nucleación de grietas inducidas por hidrógeno en las inclusiones es alta, y cuanto mayor sea el nivel y la cantidad de inclusiones, mayor será la susceptibilidad a las grietas inducidas por hidrógeno.
Un ejemplo de fallo es el tanque de almacenamiento de GLP de 200 m3 de una empresa de GLP fabricado en 16Mn con un espesor de chapa de 24 mm y una presión de trabajo de 1,18 MPa. Tras muchos años de uso, se habían agrietado 54 protuberancias en la superficie esférica del tanque, 20 de ellas ya agrietadas. El examen metalográfico, el SEM y el análisis del espectro de energía revelaron graves inclusiones de MNS dentro y alrededor del tambor, junto con la contención de hidrógeno.
La razón del abombamiento era la acumulación de hidrógeno que se infiltraba en el acero, formando protuberancias en el defecto de la interfaz inclusión-matriz debido a la reacción catódica de evolución del hidrógeno. La grieta superficial del abombamiento era una fractura retardada inducida por hidrógeno bajo la acción de un esfuerzo de tracción.
Las figuras 6 y 7 muestran el aspecto macroscópico de la protuberancia en las superficies interior y exterior del tanque de almacenamiento y la micro morfología de la superficie de la pared interior del tambor y la distribución superficial de los elementos Mn y S, respectivamente. La grave inclusión no metálica fue el factor material de la formación de ampollas de hidrógeno y del agrietamiento de las ampollas.
Fig. 6 Aspecto macroscópico del bidón cisterna
Fig. 7 micro morfología de la superficie de la pared interior del tambor y diagrama de distribución de los elementos Mn y S
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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