Perché alcuni prodotti in acciaio si guastano inaspettatamente nonostante i processi di produzione di alta qualità? La risposta sta nelle inclusioni non metalliche. Queste minuscole impurità, che si formano durante il processo di produzione dell'acciaio, possono influire significativamente sulla durata, sulla tenacità e sulla resistenza alla corrosione dell'acciaio. La comprensione dei loro tipi e dei loro effetti è fondamentale per migliorare la qualità dell'acciaio. In questo articolo esploreremo come si formano queste inclusioni, le loro classificazioni e il loro profondo impatto sulle prestazioni dell'acciaio in varie applicazioni. Imparate a mitigare queste minacce nascoste e a garantire che i vostri prodotti in acciaio raggiungano prestazioni ottimali.
1. Inclusione endogena
Durante il processo di fusione dell'acciaio, si verifica una reazione di disossidazione che porta alla produzione di ossidi e altri prodotti. Se questi prodotti non salgono in superficie prima che l'acciaio fuso si solidifichi, rimangono intrappolati nell'acciaio. Si verificano le seguenti reazioni:
La presenza di impurità come ossigeno, zolfo e azoto nell'acciaio fuso porta alla loro precipitazione nella soluzione solida durante il raffreddamento e la solidificazione, rimanendo infine intrappolate nel lingotto. La distribuzione di queste inclusioni, note come inclusioni endogene, è tipicamente uniforme e caratterizzata da piccole particelle.
Sebbene un funzionamento corretto e l'implementazione di misure di processo appropriate possano ridurre il numero di inclusioni e alterarne la composizione, le dimensioni e la distribuzione, la loro presenza è generalmente inevitabile.
2. Inclusioni straniere
Le scorie che galleggiano sulla superficie dell'acciaio fuso durante il processo di fusione e colata, così come i materiali refrattari o altri detriti che possono staccarsi dalle pareti interne del forno per la produzione dell'acciaio, dalla vasca di spillatura e dalla siviera, non sempre vengono rimossi prima che l'acciaio fuso si solidifichi, con conseguente presenza nell'acciaio.
Queste inclusioni si formano in seguito al contatto del metallo con sostanze esterne durante il processo di fusione.
In genere, queste inclusioni hanno una forma irregolare, sono di grandi dimensioni e hanno un aspetto non uniforme, tanto da meritare il soprannome di "inclusioni grossolane".
Tuttavia, queste inclusioni possono essere prevenute grazie a tecniche operative adeguate.
Classe A (solfuro): Singole inclusioni grigie con elevata duttilità e un'ampia gamma di rapporti morfologici, generalmente con estremità arrotondate.
Classe B (Allumina): La maggior parte delle particelle non è deformata, è angolare, ha un rapporto morfologico ridotto (generalmente inferiore a 3) ed è di colore nero o blu. Devono essere presenti almeno tre particelle in fila lungo la direzione di laminazione.
Classe C (Silicato): Singole inclusioni nere o grigio scuro con elevata duttilità e un'ampia gamma di rapporti morfologici (generalmente maggiori o uguali a 3), generalmente con un angolo acuto all'estremità.
Classe D (ossido sferico): Particelle non deformate, angolari o circolari con piccoli rapporti morfologici (generalmente inferiori a 3), nere o bluastre e distribuite irregolarmente.
Classe Ds (Particella singola sferica): Inclusioni di particelle singole rotonde o quasi rotonde con un diametro di 13 μm o superiore.
Tabella 1 limiti di rating (minimo)
| Tabella di valutazione livello i | Categoria di inclusione | ||||
| A. Lunghezza totale (um) | B lunghezza totale (um) | C Lunghezza totale (um) | Quantità D | Diametro 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 lunghezza totale delle inclusioni di classe A, B e C di cui sopra viene calcolata in base alla formula riportata nell'Appendice D e viene preso il numero intero più vicino. | |||||
Tabella 2 larghezza di inclusione
| Categoria | Sistema fine | Sistema grossolano | ||
| Larghezza minima (um) | Larghezza massima (um) | Larghezza minima (um) | Larghezza massima (um) | |
| A | 2 | 4 | >4 | 12 |
| B | 2 | 9 | >9 | 15 |
| 2 | 5 | >5 | 12 | |
| D | 3 | 8 | >8 | 13 |
| Nota: la dimensione massima delle inclusioni di classe D è definita come diametro. | ||||
La presenza di inclusioni di dimensioni inferiori a 10μm favorisce la nucleazione della struttura e la crescita dei grani avviene durante la saldatura.
(1) L'aggiunta di elementi in lega come Nb, V, Ti e altri possono provocare la precipitazione di composti di C e N (un tipo di microinclusioni) durante la colata continua e il riscaldamento.
(2) I solfuri di calcio, i silicati e l'ossido ferroso fine possono affinare i nuclei cristallini, a vantaggio della tenacità, della plasticità e della resistenza del prodotto. lamiera d'acciaio.
Tuttavia, quando la dimensione di non metallico supera i 50μm, la plasticità, la tenacità e la resistenza alla fatica dell'acciaio si riducono e le proprietà di lavorazione a freddo e a caldo, così come alcune proprietà fisiche, si deteriorano.
In generale, le dimensioni delle inclusioni nell'acciaio fuso superano i 50μm, riducendo la tenacità, la plasticità e la resistenza della lamiera.
Oltre a queste proprietà, le inclusioni hanno anche un impatto negativo sulla resistenza agli acidi, sulle prestazioni a fatica, sulla finitura superficiale e sulle prestazioni di saldatura.
1. È facile che si crepi durante la forgiatura, la lavorazione a freddo, la tempra, il riscaldamento e la saldatura.
2. La qualità della superficie dopo la laminazione e la rugosità della superficie dei pezzi dopo la rettifica sono ridotti.
Quando le particelle di inclusione sono relativamente grandi, con dimensioni superiori a 10 μm, in particolare quando il contenuto di inclusione è basso, il processo di formazione delle particelle di inclusione è molto più complesso. resistenza allo snervamento e la resistenza alla trazione dell'acciaio si riducono notevolmente.
Tuttavia, se le particelle di inclusione sono piccole e misurano meno di 10 μm, il carico di snervamento e la resistenza alla trazione dell'acciaio migliorano.
All'aumentare della quantità di piccole particelle nell'acciaio, aumentano anche il carico di snervamento e la resistenza alla trazione, ma si registra una leggera diminuzione dell'allungamento.
È ampiamente accettato che le inclusioni siano la causa principale di rottura per fatica in acciaio.
Le inclusioni fragili e sferiche con deboli forze di legame e grandi dimensioni hanno un impatto significativo sulle prestazioni a fatica, con una maggiore resistenza che porta a maggiori rischi, come illustrato nella Figura 1.
Per gli acciai ad alta resistenza, se la superficie del componente è ben lavorata, l'innesco della cricca e l'inclusione diventano la modalità dominante di cricca da fatica.
Le piccole inclusioni possono avere un impatto minimo sulla nucleazione delle cricche, ma svolgono un ruolo benefico nella propagazione delle cricche da fatica.
La Figura 2 è una rappresentazione schematica della formazione e della crescita dei vuoti attorno a piccole inclusioni.
Si ritiene che le fossette siano associate a inclusioni di dimensioni inferiori a 0,5 mm.
Fig. 1 Dimensione dell'inclusione e vita a fatica con lo stesso livello di sollecitazione
Fig. 2 Schema della formazione di microvuoti tra inclusioni non adiacenti
Esempi di fallimento:
L'albero elastico di un motore di un'apparecchiatura si rompe dopo un periodo di utilizzo. La Figura 3 mostra l'aspetto macroscopico della frattura.
Dalla direzione delle linee di fatica macroscopiche sulla superficie di frattura e delle linee radiali, si può notare che la cricca ha origine dalla superficie dell'albero elastico e corrisponde a una linea longitudinale sulla superficie dell'albero.
Tuttavia, le caratteristiche morfologiche della superficie di frattura originale non sono chiare a causa della forte usura della superficie di frattura nel punto di innesco della cricca.
Come mostrato nella Figura 4, un esame macroscopico e microscopico di un albero elastico che non ha ceduto rivela la presenza di vari gradi di cricche longitudinali sulla superficie dell'albero e di inclusioni non metalliche nell'area in cui si verificano le cricche.
I risultati dell'analisi dello spettro energetico indicano che le inclusioni non metalliche nelle cricche sono ossido di alluminio. Le inclusioni sferiche di ossido e le inclusioni sferiche di una singola particella dell'albero elastico del motore sono valutate 2,0.
La causa principale del cedimento prematuro dell'albero elastico è frattura da fatica risultante dal fatto che l'inclusione agisce come fonte di fatica del nucleo sotto l'influenza di una sollecitazione alternata.
Fig. 3 Aspetto macroscopico della frattura dell'albero elastico del motore fratturato
Fig. 4 Analisi al SEM delle inclusioni nell'albero elastico
La presenza di inclusioni non metalliche nell'acciaio può ridurne significativamente la resistenza alla corrosione.
Le differenze di composizione chimica tra le inclusioni non metalliche e la base d'acciaio rendono facile la formazione di una microcella tra di esse. In presenza di un mezzo corrosivo ambientale, ciò può provocare una corrosione elettrochimica che porta alla formazione di buche e cricche da corrosione. Nei casi più gravi, ciò può portare alla rottura.
Ad esempio, un tubo per l'acqua di riscaldamento in Q235B acciaio strutturale al carbonio ha subito una perdita prematura. La Fig. 5(a) mostra l'aspetto macroscopico del tubo dell'acqua che perde, con evidenze di corrosione in prossimità del punto di perdita. La Fig. 5(b) mostra che, dopo la rimozione dei prodotti di ossidazione e corrosione, sono presenti evidenti scanalature nelle saldature nel punto di perdita.
Un'analisi completa della metallografia, delle inclusioni, degli spettri energetici e dei test di corrosione accelerata simulata sia del tubo dell'acqua fuoriuscito che di quello originale ha rivelato che la presenza di inclusioni di ossido o di inclusioni di ossido composite che penetravano nella superficie interna del giunto di saldatura erano la causa principale della corrosione locale, della formazione di solchi di corrosione e della perdita prematura del tubo dell'acqua.
I mezzi corrosivi presenti nel tubo, come O2, S e Cl, hanno fatto sì che le inclusioni non metalliche formassero una cella di corrosione con il ferro adiacente, provocando la corrosione elettrochimica e, in ultima analisi, la perdita del tubo dell'acqua.
Fig. 5 Aspetto macroscopico del tubo dell'acqua che perde
L'infiltrazione di idrogeno in un materiale o la generazione di idrogeno attraverso l'interazione elettrochimica tra il mezzo e la superficie del materiale possono continuare a diffondersi in determinate condizioni e facilmente aggregarsi e combinarsi in molecole di idrogeno in trappole come le inclusioni.
Quando la pressione delle molecole di idrogeno in queste trappole supera il limite di resistenza del materiale, si formano nuclei di cricche.
Con la continua diffusione e aggregazione dell'idrogeno, il materiale finirà per subire una macro-frattura.
Sono molti i fattori che influenzano la criccatura indotta dall'idrogeno, ma per una specifica tipo di acciaioL'influenza delle inclusioni è la più importante, oltre a quella dei fattori di processo. Le inclusioni sono forti trappole per l'idrogeno e la pressione intorno alle inclusioni non metalliche (soprattutto quelle di grandi dimensioni) è molto elevata, con una forza di legame relativamente debole tra le inclusioni e la matrice.
Con l'aumento della pressione dell'idrogeno, si formeranno cricche all'interfaccia tra le inclusioni e la matrice. La probabilità di nucleazione di cricche indotte dall'idrogeno in corrispondenza delle inclusioni è elevata e quanto più alti sono il livello e la quantità di inclusioni, tanto maggiore è la suscettibilità alle cricche indotte dall'idrogeno.
Un esempio di fallimento è il serbatoio di stoccaggio di GPL da 200 m3 di un'azienda di GPL, realizzato in 16Mn con uno spessore della piastra di 24 mm e una pressione di esercizio di 1,18 MPa. Dopo molti anni di utilizzo, 54 rigonfiamenti sulla superficie del serbatoio sferico si erano fessurati, di cui 20 già incrinati. L'esame metallografico, il SEM e l'analisi dello spettro energetico hanno rivelato gravi inclusioni di MNS all'interno e intorno al tamburo, oltre al contenimento dell'idrogeno.
Il motivo del rigonfiamento era l'accumulo di idrogeno che si infiltrava nell'acciaio, formando rigonfiamenti in corrispondenza del difetto dell'interfaccia inclusione-matrice a causa della reazione di evoluzione catodica dell'idrogeno. La cricca superficiale del rigonfiamento era una frattura ritardata indotta dall'idrogeno sotto l'azione della tensione di trazione.
Le figure 6 e 7 mostrano l'aspetto macroscopico del rigonfiamento sulle superfici interne ed esterne del serbatoio di stoccaggio e la micro morfologia della superficie della parete interna del tamburo e la distribuzione superficiale degli elementi Mn e S, rispettivamente. La grave inclusione non metallica è stata il fattore materiale della formazione delle bolle di idrogeno e della fessurazione delle bolle.
Fig. 6 Aspetto macroscopico del tamburo del serbatoio
Fig. 7 Micro morfologia della superficie della parete interna del tamburo e diagramma di distribuzione degli elementi Mn e S
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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