¿Alguna vez se ha preguntado por qué a veces el acero falla de forma inesperada? En esta interesante entrada de blog, nos adentraremos en el fascinante mundo de los defectos del acero. Como ingeniero mecánico experimentado, arrojaré luz sobre los distintos tipos de defectos que pueden comprometer la resistencia y el rendimiento del acero. Descubra las causas ocultas de estas imperfecciones y aprenda a identificarlas y prevenirlas. Prepárese para adquirir una valiosa perspectiva que cambiará para siempre su forma de ver el acero.
Los defectos del acero se refieren a diversas incidencias anormales en la superficie o el interior del acero durante su producción o uso que pueden afectar a su rendimiento y calidad.
Los defectos superficiales más comunes del acero son grietas, arañazos, pliegues, orejas, costras (piel gruesa), cicatrices de soldadura y rebabas en los extremos. Además, hay defectos superficiales típicos como óxidos de laminación, parches, hendiduras, superficies picadas e inclusiones.
Las causas de los defectos del acero son diversas, como daños graves o desgaste de la ranura del rodillo tipo agujero anterior, metales extraños que caen sobre las piezas laminadas y se introducen a presión en la superficie del acero, o defectos en la superficie de la pieza laminada en la pasada anterior. La atmósfera oxidante durante el calentamiento también provoca la oxidación del acero, formando óxidos como FeO, Fe2O3, Fe3O4 en la superficie de la pieza.
Las técnicas de detección de defectos del acero se dividen principalmente en detección visual manual tradicional y detección automatizada basada en visión por ordenador. En los últimos años, los métodos basados en el aprendizaje profundo, como YOLOv5 y YOLOv7, se han aplicado ampliamente en la detección automatizada de defectos superficiales del acero.
Algunos defectos específicos, como el banding, pueden eliminarse mediante el método de recocido por difusión a alta temperatura. Este proceso implica un calentamiento por encima de 1050℃ para permitir la difusión uniforme de átomos de carbono, eliminando así el banding.
Los defectos del acero no sólo afectan a sus propiedades físicas, sino que también pueden presentar riesgos para la seguridad durante su uso. Por lo tanto, la detección y el tratamiento de los defectos del acero son cruciales para garantizar su calidad y un uso seguro.
Las razones y mecanismos específicos de los defectos del acero incluyen principalmente los siguientes puntos:
Defectos superficiales: Estos defectos incluyen grietas, arañazos, pliegues, orejas, etc. La formación de grietas puede deberse a burbujas subsuperficiales en el lingote de acero, grietas sin limpiar e inclusiones no metálicas que se rompen o extienden durante el laminado, así como grietas internas en el lingote de acero que se expanden y exponen a la superficie durante el laminado. Además, factores como unas condiciones de enfriamiento incoherentes en ambos lados de la chapa de acero, una temperatura desigual de la pieza laminada, una deformación desigual durante el proceso de laminación y un enfriamiento desigual con agua pulverizada en la trayectoria del rodillo de la cinta de acero también pueden causar defectos superficiales.
Defectos internos: Entre ellos se incluyen los residuos de contracción, la delaminación, las manchas blancas, la segregación, las inclusiones no metálicas, la holgura, etc. Estos defectos se deben principalmente a motivos relacionados con el equipo, el proceso y el funcionamiento durante el proceso de fabricación del acero.
Defectos de forma y tamaño: Estos defectos pueden estar relacionados con problemas de control del tamaño durante la producción de acero. Aunque el mecanismo específico de generación no se detalla en la información que he buscado, se puede deducir que está relacionado con el control de la temperatura, la distribución de la presión y otros factores durante el proceso de producción.
Otros factores: Por ejemplo, las deficiencias causadas por el equipo, el proceso y las razones de funcionamiento durante el proceso de fundición y laminación (forja) del acero al carbono, incluidas las costras, las inclusiones no metálicas, etc. Además, el impacto de factores irresistibles como las propiedades de los materiales y la tecnología de procesamiento en la producción de acero también puede causar diferentes tipos de defectos en la superficie, como escamas de laminación, manchas, etc.
Los materiales son la base de la fabricación de herramientas duraderas. Durante la producción real, es frecuente encontrar diversos tipos de defectos en los materiales.
Hoy le explicaremos los 16 tipos de defectos del acero para que sea precavido a la hora de seleccionar las materias primas.
Tras realizar una prueba de grabado ácido en acero, se descubrió que algunas regiones de la superficie de la muestra no eran densas y mostraban huecos visibles.
Estos vacíos, que aparecen como manchas oscuras con tonos de color desiguales en comparación con otras zonas, se conocen como porosidad.
Cuando la porosidad se concentra en la parte central de la muestra, se denomina porosidad central, mientras que si se distribuye uniformemente en la superficie, se denomina porosidad general.
Tanto la norma GB/T9943-2008 para el acero rápido para herramientas como la GB/T1299-2014 para el acero para herramientas tienen normas específicas sobre la porosidad del acero, pero los suministros suelen superar la norma.
La porosidad tiene un impacto significativo en la resistencia del acero, y sus principales peligros son los siguientes:
Dado que la porosidad afecta al rendimiento del acero, el acero para herramientas tiene requisitos estrictos en cuanto a los niveles de porosidad admisibles.
Las figuras 1 y 2 muestran φ90mm W18Cr4V (abreviado como W18) materias primas de acero, mostrando patrones de porosidad y agrietamiento por porosidad tras un tratamiento de grabado térmico con HCl 1:1.
La figura 3 muestra una imagen de una fresa ranurada de acero W18Cr4V que sufrió un agrietamiento severo debido al esparcimiento durante el tratamiento térmico, como se representa a través del grabado térmico con 1:1HCl.
Figura 1 Porosidad central
Figura 2 Grietas del acero de porosidad central durante el forjado de tochos
Figura 3 Grietas en el material de la fresa de ranurar debidas a la porosidad durante el tratamiento térmico
Durante la colada de un lingote, el acero líquido se condensa y se contrae en la parte central, formando un agujero tubular conocido como contracción.
Normalmente, la contracción se encuentra cerca del alimentador en la cabeza del lingote y debe eliminarse al conformar el tocho.
Sin embargo, la parte que no puede eliminarse por completo se denomina residuo de contracción.
Aunque lo ideal es eliminar por completo la contracción, las acerías suelen dar prioridad a la eficacia de la producción y dejan un residuo, lo que tiene consecuencias irreversibles para los procesos posteriores.
La figura 4 muestra acero W18 de φ70mm con residuos de contracción y porosidad severa, tal y como se representa mediante grabado térmico con HCl 1:1.
La figura 5 muestra acero φ70mm W18 con residuos de contracción que han formado grietas después del laminado, como se representa mediante grabado térmico con HCl 1:1.
Hace unos años, una empresa se encontró con residuos de contracción al serrar acero M2 de φ75 mm.
Figura 4
Figura 5: Grietas causadas por la contracción del acero W18
Las grietas longitudinales en la superficie de las materias primas de acero rápido son un fenómeno habitual.
Esto puede deberse a varias causas, como:
(1) Durante el laminado en caliente, puede producirse una concentración de tensiones durante el proceso de enfriamiento, lo que da lugar a grietas a lo largo de las líneas de rayado debido a la eliminación incompleta de las grietas superficiales o los arañazos causados por los agujeros de la matriz.
(2) Los agujeros de matriz deficientes o las grandes velocidades de avance durante el laminado en caliente pueden provocar pliegues, que causan grietas a lo largo de las líneas de pliegue en el procesamiento posterior.
(3) Pueden producirse grietas durante la laminación en caliente si la temperatura de parada de la laminación es demasiado baja o la velocidad de enfriamiento es demasiado rápida.
(4) Se observan con frecuencia grietas superficiales en el acero plano W18 de 13 mm × 4,5 mm laminado en frío invierno, lo que indica que las grietas también pueden estar influidas por las condiciones climáticas.
Sin embargo, no se observan grietas cuando se lamina el mismo grado y especificación de acero en otras ocasiones.
La figura 6 muestra la grieta superficial de φ30mm de acero W18, con una profundidad de 6mm, tal y como se representa mediante grabado térmico con HCl 1:1.
Figura 6 Grieta superficial
Durante el proceso de laminación en caliente del acero rápido, una deformación excesiva puede hacer que la temperatura central aumente en lugar de disminuir. Esto puede provocar la formación de grietas en el centro del material debido a la tensión térmica.
La figura 7 muestra la grieta central en acero W18 de φ35mm (grabado con HCl 1:1).
Las grietas centrales en las materias primas de acero rápido son habituales en las fábricas de herramientas, pero resultan perjudiciales porque son invisibles y no pueden detectarse al tacto. La única forma de observar estas grietas es mediante la detección de defectos.
Figura 7 Grieta central
La distribución desigual de los elementos químicos dentro de una aleación durante el proceso de solidificación se conoce como segregación. Esto puede tener un impacto significativo en el rendimiento del acero, especialmente si hay una distribución desigual de impurezas como el carbono.
La segregación puede dividirse a su vez en microsegregación, segregación por densidad y segregación regional.
La segregación por densidad se produce debido a las diferencias en la densidad de las fases constituyentes de la aleación, lo que provoca que los elementos más pesados se hundan y los más ligeros floten durante la solidificación. La segregación regional se produce por la acumulación local de impurezas en lingotes o piezas fundidas.
La figura 8 muestra una muestra metalográfica templada de acero W18 (grabada con una solución alcohólica de HNO3 4%), que revela un patrón en forma de cruz.
Un análisis más detallado de la composición química mostró que la parte de la matriz tenía una menor contenido en carbonomientras que la parte en forma de cruz tenía un mayor contenido de carbono.
Esta forma de cruz es el resultado de la segregación cuadrada causada por la segregación de los componentes de carbono y aleación durante el proceso de laminación.
Una segregación regional grave puede debilitar la resistencia del acero y hacerlo más susceptible al agrietamiento durante el trabajo en caliente.
Figura 8 Segregación en forma de cruz (3×)
El grado de descomposición de los carburos eutécticos en el acero rápido (HSS) durante el prensa caliente se denomina no uniformidad del carburo. Cuanto mayor sea la deformación, mayor será el grado de fractura del carburo y menor el nivel de no uniformidad del carburo.
Cuando los carburos del acero están muy descompuestos, por ejemplo en forma de cintas gruesas, mallas o grandes acumulaciones de carburo, esto tiene un impacto significativo en la calidad del acero. Por lo tanto, es crucial controlar cuidadosamente la no uniformidad del carburo para garantizar la calidad de las herramientas HSS.
La figura 9 muestra el efecto de la falta de uniformidad del carburo en la resistencia a la flexión del acero W18.
Como puede verse en la figura, la resistencia a la flexión en los grados 7-8 con no uniformidad es sólo 40-50% de los grados 1-2, lo que reduce la resistencia a 1200-1500MPa, que sólo es equivalente al nivel de los grados de mayor tenacidad en carburos cementados. El rendimiento horizontal es de alrededor de 85% del rendimiento vertical.
La concentración y la distribución en bandas de los carburos también pueden dar lugar a granos enfriados desiguales y a una disolución desigual de los carburos, lo que conduce a una mayor tendencia al sobrecalentamiento y a una reducción de la capacidad de endurecimiento secundario, respectivamente.
La figura 9 muestra el impacto de la falta de uniformidad del carburo en la resistencia a la flexión del acero rápido W18Cr4V.
Se puede observar que la falta de uniformidad del metal duro puede provocar grietas y sobrecalentamiento durante el trabajo en caliente, haciendo que la herramienta acabada falle durante su uso.
La figura 10 ilustra la grieta de enfriamiento causada por carburos zonales gruesos en el acero W18 (grabado con una solución alcohólica de HNO3 4%).
Figura 10 Carburo grueso zonal
Acero laminado en caliente o recocido pueden formar carburos de red debido a las altas temperaturas de calentamiento, los tiempos de mantenimiento prolongados que provocan el crecimiento del grano y los procesos de enfriamiento lento que dan lugar a la precipitación de carburos a lo largo de los límites del grano.
La presencia de carburos en red aumenta considerablemente la fragilidad de la herramienta, haciéndola más propensa al astillado. En general, los carburos de red completos no son aceptables en el acero.
La inspección de carburos de red debe realizarse después de temple y revenido.
La figura 11 muestra la red de carburos del acero T12A (grabado con solución alcohólica 4% HNO3), mientras que la figura 12 muestra la morfología de la red de carburos del acero 9SiCr (grabado con solución alcohólica 4% HNO3), revelando un sobrecalentamiento severo durante el proceso de grabado. recocido proceso.
Figura 11 T12A Carburo de malla de acero (500×)
Figura 12 Malla de acero 9SiCr Carburo (500×)
Las fresas que realizan torneado o fresado con HSS pueden encontrar una sustancia dura y sufrir daños. Este defecto no suele detectarse fácilmente durante el torneado a alta velocidad, debido a la elevada velocidad de corte y al ruido.
Sin embargo, durante el fresado, pueden observarse bultos y caos extraños, como un chirrido y un grave desgaste de la herramienta al fresar ranuras con brocas helicoidales.
Al inspeccionarlos, los bloques brillantes pueden verse a simple vista y se ha comprobado que tienen una dureza extremadamente alta, que alcanza los 1225HV, mientras que las zonas no duras se encuentran en un estado de recocido normal. Esto se conoce como "masa apelmazada".
La presencia de masas apelmazadas provoca daños en la herramienta y dificulta el corte.
Se cree que la formación de estos grumos duros se debe a la segregación de componentes químicos durante el proceso de fundición y puede ser un tipo de carburo compuesto de alta dureza o el resultado de la adición de bloques de aleación refractaria durante la fundición.
La figura 13 muestra la macroestructura de una masa apelmazada en acero W18 (grabada con solución alcohólica de HNO3 4%), en la que la sustancia blanca es la masa apelmazada y las zonas gris y negra representan las ranuras de la broca.
Figura 13 Macroestructura de la masa apelmazada de acero W18 (20×)
Las inclusiones son un defecto común en el acero que puede clasificarse en dos categorías: inclusiones metálicas y no metálico inclusiones.
Las inclusiones metálicas se forman debido a la fusión incompleta de la ferroaleación durante el proceso de fundición o a la presencia de partículas metálicas extrañas que permanecen en el lingote de acero.
Las inclusiones no metálicas se dividen en dos tipos:
(1) Las inclusiones endógenas, que se deben principalmente a sistemas de vertido sucios, al desprendimiento de lodos refractarios de los equipos o al uso de materiales de carga impuros;
(2) inclusiones producidas y precipitadas debido a reacciones químicas durante el proceso de fundición. La figura 14 muestra inclusiones metálicas encontradas en el acero W18, mientras que la figura 15 muestra las inclusiones no metálicas causantes de grietas durante el enfriamiento (grabadas con solución alcohólica 4% HNO3).
Figura 14 Inclusiones metálicas
Figura 15 Fisuración causada por inclusiones no metálicas durante el enfriamiento (400 x)
Las inclusiones son perjudiciales para la calidad del acero. Segmentan la matriz del acero, disminuyen su plasticidad y resistencia, y hacen que el acero sea susceptible de agrietarse alrededor de las inclusiones durante el laminado, el forjado y el tratamiento térmico.
Las inclusiones también pueden provocar fatiga en el acero, así como dificultades durante el corte y el rectificado. Por lo tanto, el acero para herramientas debe tener requisitos específicos para las inclusiones.
En el proceso de fundición del acero, puede producirse una distribución desigual de los carburos debido a la segregación de los componentes, o cuando los carburos de la aleación de hierro no se funden completamente, lo que da lugar a grandes carburos angulares que persisten sin ser triturados después de la forja.
La presencia de estos carburos en masa aumenta la fragilidad de la herramienta e incrementa el riesgo de vuelco.
Durante el proceso de tratamiento térmico, estos carburos de gran tamaño y los elementos de aleación pueden enriquecerse, lo que puede provocar defectos como el sobrecalentamiento, un revenido insuficiente e incluso grietas a lo largo de los límites de grano.
La figura 16 muestra el sobrecalentamiento durante el enfriamiento provocado por la segregación de los componentes circundantes de los carburos grandes (grabados en solución alcohólica 4% HNO3).
Figura 16 Sobrecalentamiento causado por la segregación de componentes alrededor de carburos en masa durante el enfriamiento (500×)
En el proceso de solidificación del metal líquido, la segregación de carbono y elementos de aleación puede provocar la precipitación de grandes bloques de carburo durante el enfriamiento.
Esta segregación, conocida como licuefacción, no se elimina fácilmente durante el procesamiento posterior y da lugar a la presencia de carburo de zoster en masa en la dirección de laminación del acero.
La figura 17 muestra la licuefacción del CrMn, grabado con una solución alcohólica de HNO3 4%.
Figura 17 Licuefacción de carburo (500×)
Los aceros con licuefacción son muy quebradizos, ya que la matriz metálica continua se interrumpe, lo que reduce su resistencia. Anteriormente, la licuefacción era habitual en los aceros CrWMn y CrMn, y su uso para fabricar calibres solía dificultar la obtención de una superficie lisa.
Como la temperatura de recocido es demasiado alta y el tiempo de mantenimiento demasiado largo, durante el lento proceso de enfriamiento del acero, los carburos se descomponen fácilmente en carbono libre, conocido como grafito.
La figura 18 muestra la microestructura del carbono de grafito en el acero T12A (grabado con solución de alcohol ácido amargo 4%).
Figura 18 Microestructura de carbono grafítico del acero T12A (500×)
La precipitación de carbono grafítico disminuye significativamente la resistencia y tenacidad del acero, haciéndolo inadecuado para la producción de cuchillos y componentes críticos. El acero presenta fracturas negras cuando contiene altos niveles de carbono grafítico.
La presencia de carbono grafítico puede determinarse mediante análisis químicos cualitativos y cuantitativos, y su forma y distribución pueden observarse mediante métodos metalográficos.
Además, habrá un aumento del tejido de ferrita alrededor del grafito.
La mezcla de materiales en las empresas de fabricación de herramientas y moldes es un problema común, resultado de una mala gestión y un defecto de bajo nivel. Los materiales mezclados pueden incluir tres aspectos: acero mezclado, especificaciones mezcladas y números de horno mezclados.
Este último es especialmente frecuente y puede causar muchos problemas con falsos tratamientos térmicos sin posibilidad de recurso. De vez en cuando, también se encuentran componentes de material de herramientas no cualificados.
Algunos componentes de acero rápido no cumplen la norma GB/T9943-2008 de acero rápido para herramientas, especialmente en lo que se refiere al alto o bajo contenido de carbono. Por ejemplo, el W6Mo5Cr4V2Co5 pertenece al tipo HSS-E pero tiene un contenido de carbono inferior al límite inferior de la norma.
A pesar de estar etiquetado como HSS de alto rendimiento, tras el tratamiento térmico, la dureza no alcanza los 67HRC. Las acerías deben asegurarse de que el acero puede alcanzar una dureza de al menos 67HRC si pertenecen al tipo HSS-E.
Que una herramienta requiera una dureza tan elevada es una cuestión interna de la fábrica de herramientas y no es responsabilidad de la acería.
Sin embargo, si la dureza no alcanza los 67HRC, es un fallo de la acería. También hay muchos casos de acero para troqueles composición, lo que da lugar a continuas disputas.
El país ha establecido normas para la descarburación del aceroSin embargo, los proveedores de acero suelen suministrar materiales que superan estas normas, lo que supone importantes pérdidas económicas para las empresas fabricantes de herramientas.
La dureza superficial de las herramientas disminuye y su resistencia al desgaste es escasa después del temple en el caso de materiales con una capa descarburada. Por lo tanto, es necesario eliminar por completo la capa descarburada durante el mecanizado para evitar posibles problemas de calidad.
La figura 19 ilustra la morfología de descarburación de la materia prima de acero W18 (grabada en solución alcohólica de HNO3 4%). La zona de descarburación es martensita templada en forma de aguja, mientras que la zona no descarburizada está compuesta por martensita templada, carburos y martensita retenida. austenita.
Las figuras 20 y 21 muestran la descarburación de los aceros M2 y T12, respectivamente (grabados en solución alcohólica 4% HNO3).
En el caso del acero T12, la capa totalmente descarburada es de ferrita, la zona de transición se compone de carbono-lean templado martensitay la zona no descarburada se compone de martensita templada y carburos.
Figura 19 Capa de descarburación austemplada (250×)
Figura 20 Descarburación del acero M2
Figura 21 Capa descarburada del acero T12A (después del templado→ revenido) (200×)
Seleccionamos una barra plana de acero W18 con dimensiones de 13 mm x 4,5 mm de una empresa específica y la templamos en un baño de sal a temperaturas de 1210℃, 1230℃ y 1270℃.
El tiempo de calentamiento fue de 200 segundos, y el tamaño de grano de 10,5, como se muestra en la Figura 22. La dureza después del temple estaba entre 65 y 65,5HRC, pero sorprendentemente, la dureza disminuyó después del revenido a 550℃ durante tres veces.
Esta anomalía se denomina "anécdota".
Figura 22 Temple del acero W18 Grado 10.5 (500×)
Parece que el carburo nos juega una mala pasada, es decir, que cuando se calienta el carburo no se disuelve en austenita ni precipitar durante el proceso de templado.
Esto se conoce simplemente como no poder entrar o salir, así que ¿dónde está el endurecimiento secundario?
La raíz del problema es que el carburo se está burlando, lo que significa que no se disuelve en la austenita durante el calentamiento y no hay precipitación durante el proceso de templado.
Se trata simplemente de no poder entrar o salir, así que ¿de dónde viene el endurecimiento secundario?
Los defectos superficiales son fácilmente visibles a simple vista, como:
Los efectos específicos de los defectos del acero sobre sus propiedades físicas incluyen principalmente los siguientes aspectos:
Cambios en la dureza y la plasticidad: Influido por determinados factores, la resistencia del acero puede aumentar, pero al mismo tiempo disminuyen la plasticidad y la tenacidad, lo que provoca un aumento de la fragilidad, fenómeno conocido como endurecimiento. Esto suele ocurrir bajo cargas repetidas, cuando el límite elástico aumenta y entra en la fase plástica.
Efectos sobre la resistencia al desgaste y a la fatiga: Los defectos de calidad superficial no sólo afectan al aspecto estético del acero en banda laminado en caliente, sino que también pueden tener efectos adversos sobre sus propiedades mecánicas y su resistencia a la corrosión, incluida la resistencia al desgaste y a la fatiga.
Desgaste de la herramienta y superficies no lisas: La presencia de holgura en el material puede provocar un desgaste excesivo y superficies poco lisas en las herramientas fabricadas con él. De ahí que el acero para herramientas tenga requisitos estrictos en cuanto al nivel aceptable de holgura.
Dispersión de microestructura y defectos: La tenacidad del acero depende principalmente de la dispersión de la microestructura y de los defectos (evitando los defectos concentrados), más que de la composición química. La tenacidad experimenta cambios significativos tras el tratamiento térmico.
Efectos del recocido y del tratamiento de normalización: El recocido puede reducir la dureza del acero, mejorar la plasticidad, afinar los granos, eliminar los defectos estructurales causados por la fundición, la forja y la soldadura, homogeneizar la estructura y la composición del acero y aliviar las tensiones internas y el endurecimiento por deformación del acero. El normalizado tiene efectos similares en grandes piezas fundidas, forjadas y soldadas.
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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