Morfología microscópica de las manchas blancas en acero y su relación con las inclusiones y segregación
Morfología microscópica de las manchas blancas en acero y su relación con las inclusiones y segregación
Las manchas blancas son defectos internos de fisuras que no deben existir en el acero. Su presencia reduce significativamente las propiedades mecánicas del acero, destruye la continuidad del material, disminuye su plasticidad y representa un gran peligro. Actualmente, las empresas utilizan comúnmente métodos de inspección con baja magnificación para detectar la presencia de manchas blancas. Según GB/T1979-2001 «Diagrama de clasificación de defectos en la microestructura de acero estructural», se define una mancha blanca como una pequeña fisura con forma de diente de sierra, que puede presentarse en forma radial, concéntrica o irregular. Sin embargo, durante la inspección práctica, es difícil distinguir y caracterizar las fisuras con forma de diente de sierra observadas macroscópicamente, las pequeñas fisuras con características poco evidentes y las pequeñas fisuras causadas por otras razones. Para proporcionar un método de identificación más científico y preciso, el autor describe detalladamente las características microscópicas de las manchas blancas en diferentes estados y su relación con las inclusiones y segregación de carburos, lo que ayuda a determinar correctamente las manchas blancas.
- Materiales y métodos experimentales
Los materiales seleccionados fueron acero NAK80 para moldes, acero estructural 22CrMoH y acero 5CrNiMo para moldes. Se utilizó el método de inmersión ácida con ácido clorhídrico concentrado para inspecciones con baja magnificación; un microscopio electrónico de barrido Zeiss EVO18 para observaciones de alta magnificación de la morfología de la fractura; y un espectrómetro de dispersión energética Inca250 de la compañía Oxford para analizar la composición química de la fractura.
- Morfología microscópica de las manchas blancas en diferentes tipos de acero y estados
2.1 Manchas blancas en acero NAK80 para moldes en estado preendurecido
El proceso de producción del acero NAK80 para moldes en estado preendurecido incluye: horno de conversión/electrohorno/horno de frecuencia intermedia → horno LF de refinamiento → desgasificación VD + fundición continua → enfriamiento lento → remelt con electroslag → enfriamiento lento o remelt caliente → calentamiento y forja → enderezamiento → prueba de daños, acabado → endurecimiento preliminar → acabado, inspección, almacenamiento.
Un módulo de acero NAK80 para moldes en estado preendurecido con dimensiones de 3000 mm x 400 mm x 370 mm fue sometido a prueba de daños antes de su salida y se detectaron defectos. Para determinar la causa de los defectos, se realizó una disección de las muestras no conformes. Después de la inmersión ácida con baja magnificación, se observaron numerosas pequeñas fisuras curvas en la superficie transversal. Al abrir una de estas fisuras, la morfología de la fractura longitudinal mostró un punto elíptico blanco brillante con un borde claramente definido (figura 1a). El punto mostraba una estructura de ruptura similar a azúcar de roca y fragmentada (figura 1b, 1c). La estructura de ruptura fragmentada se distribuía alrededor de los granos cristalinos de azúcar de roca (figura 1e), mientras que la superficie libre de la ruptura de azúcar de roca contenía numerosos pequeños orificios causados por la formación de poros debido a un alto contenido de gas (figura 1f). La matriz mostraba una ruptura de tipo fisuración (figura 1g). Estas son las características microscópicas de las manchas blancas en un módulo de acero NAK80 para moldes en estado preendurecido.
2.2 Manchas blancas en acero estructural 22CrMoH en estado de laminado caliente
El proceso de producción del acero estructural 22CrMoH en estado de laminado caliente incluye: horno de conversión/electrohorno + horno LF de refinamiento + desgasificación RH/VD → fundición continua → calentamiento, formación de lingote, laminado → enfriamiento lento → acabado → inspección → empaquetado.
Durante la prueba de daños de una barra de acero estructural 22CrMoH en estado de laminado caliente con un diámetro de 160 mm, se detectaron defectos. Después de la inmersión ácida con baja magnificación, se observaron numerosas pequeñas fisuras en la superficie transversal. Al abrir una de estas fisuras y observar la morfología de la fractura longitudinal con un microscopio electrónico de barrido, se encontró un punto alargado con un borde claramente definido (figura 2a). El punto mostraba una estructura de ruptura de tipo fisuración, pero los patrones de fisuración en forma de río carecían de marcas de desgarro y láminas de desgarro claras, presentando una apariencia granular en la superficie de fisuración (figura 2c). En la zona granular de la ruptura se encontraban inclusiones en forma de banda, analizadas como inclusiones de sulfuro de manganeso (figura 2d). La matriz mostraba una típica estructura de ruptura de tipo fisuración (figura 2e). Estas son las características microscópicas de las manchas blancas en acero estructural 22CrMoH en estado de laminado caliente.
2.3 Manchas blancas en acero 5CrNiMo para moldes en estado de temple
El proceso de producción del acero 5CrNiMo para moldes en estado de temple incluye: horno de conversión → horno LF de refinamiento → desgasificación VD → fundición → remelt caliente → calentamiento y forja → enderezamiento → prueba de daños en superficie → mecanizado bruto → temple → prueba de daños → inspección → acabado → empaquetado → almacenamiento.
Después de la inmersión ácida con baja magnificación de un módulo de acero 5CrNiMo para moldes en estado de temple con dimensiones de 355 mm x 505 mm x 2500 mm, se observaron numerosas pequeñas fisuras curvas y bifurcadas en la superficie transversal. Al abrir una de estas fisuras y observar la morfología de la fractura longitudinal con un microscopio electrónico de barrido, se encontró un punto circular con un borde claramente definido (figura 3a). El punto mostraba una estructura de ruptura de tipo nubes flotantes (figura 3b). Alrededor del punto se observaba un patrón de fisuración similar a huellas de pollo (figura 3c). En el patrón de fisuración se encontraban inclusiones en forma de banda, analizadas como inclusiones de sulfuro de manganeso (figura 3d). La zona de transición mostraba pequeñas cavidades (figura 3e). La matriz mostraba una estructura de ruptura de tipo fisuración (figura 3f). Estas son las características microscópicas de las manchas blancas en acero 5CrNiMo para moldes en estado de temple.
2.4 Manchas blancas en acero 5CrNiMo para moldes en estado normalizado
El proceso de producción del acero 5CrNiMo para moldes en estado normalizado es el mismo que para el estado de temple. Un módulo de acero 5CrNiMo para moldes en estado normalizado con dimensiones de 455 mm x 805 mm x 2850 mm fue sometido a prueba de daños y se detectaron defectos. Después de la inmersión ácida con baja magnificación, se observaron numerosas pequeñas fisuras curvas en la superficie transversal. Al abrir una de estas fisuras y observar la morfología de la fractura longitudinal con un microscopio electrónico de barrido, se encontró un punto elíptico con un borde claramente definido (figura 4a). Al aumentar la magnificación del punto elíptico, se observó una estructura de ruptura fragmentada (figura 4b). En la zona de contacto entre el punto y la matriz no había una zona de transición, y en el punto se encontraban inclusiones en forma de banda y bloques irregulares, analizadas como inclusiones de sulfuro y carburos de vanadio, titanio y molibdeno (figura 4c). La matriz mostraba una estructura de ruptura de tipo fisuración. Estas son las características microscópicas de las manchas blancas en acero 5CrNiMo para moldes en estado normalizado.
- Análisis y discusión
La morfología microscópica de las fracturas de las manchas blancas está estrechamente relacionada con el proceso de tratamiento térmico. Observando la microestructura, en el acero normalizado, laminado caliente y en estado preendurecido, no se encontraron signos de deformación plástica cerca de las manchas blancas, lo que indica que son fisuras frágiles. En cambio, en el acero en estado de temple, se observaron signos de deformación plástica en los bordes de las manchas blancas, indicando fisuras dúctiles. En el acero laminado caliente, normalizado y en estado preendurecido, la morfología microscópica de las fracturas de las manchas blancas es de tipo fragmentado y fisuración. Después del tratamiento de temple, la característica de fisuración y la fisuración a lo largo de los granos se vuelven menos evidentes debido a la acción química del hidrógeno a altas temperaturas, lo que produce una apariencia de nubes flotantes (o patrones de huellas de pollo) a alta magnificación. Además, durante el tratamiento térmico, la expansión del gas dentro de las manchas blancas crea una gran presión interna que provoca una protuberancia en las manchas blancas y, al mismo tiempo, genera estrés de tracción en los bordes irregulares. En estas condiciones, la punta de la fisura tiene buena plasticidad a altas temperaturas, lo que resulta en la formación de numerosos micro-poros, que son erosionados por el hidrógeno a alta presión y se comunican entre sí. Debido a la tensión superficial, la presión y el vapor metálico, se forman áreas de ruptura dúctil, que se expanden en patrones similares a túneles. Por lo tanto, las manchas blancas en el acero en estado de temple son fisuras dúctiles con patrones de túneles, a diferencia de otros estados.
Las manchas blancas tienen una relación estrecha con las inclusiones y la segregación presentes en el acero. Se observó que las manchas blancas a menudo están acompañadas de inclusiones o segregación de carburos, lo que interrumpe la continuidad del metal. Las inclusiones y la segregación de carburos crean puntos de acumulación de hidrógeno durante el procesamiento bajo presión, que luego se desarrollan en núcleos de manchas blancas. Además, ciertas inclusiones, como el sulfuro de manganeso (MnS), pueden afectar la difusión del hidrógeno en el acero, aumentando la probabilidad de formación de manchas blancas.
Cuando el contenido de hidrógeno en el acero es inferior al 0.0002% (por peso), es improbable que se formen manchas blancas. En los aceros con manchas blancas detectadas, el contenido de hidrógeno después de la aparición de las manchas era inferior al 0.0002%, lo que indica que parte del hidrógeno ya se había escapado durante el proceso de prueba. La relación entre las manchas blancas y las inclusiones o la segregación de carburos requiere de investigaciones adicionales.
A partir del análisis anterior, no todas las manchas blancas contienen inclusiones o segregación de carburos. Los aceros que contienen cromo, níquel, molibdeno, manganeso, wolframio y otros elementos son más sensibles a la formación de manchas blancas. Generalmente, en las zonas de las manchas blancas es difícil encontrar inclusiones o segregación de carburos, ya que la formación de manchas blancas es resultado del efecto combinado del hidrógeno y el estrés, y algunos aceros son más sensibles a las manchas blancas, con estrés organizacional mayor y fácilmente concentrado, por lo que las manchas blancas tienden a formarse en zonas de estrés concentrado, ignorando el papel de las inclusiones o la segregación de carburos.
- Conclusión
(1) Las manchas blancas en acero laminado caliente, normalizado y en estado preendurecido suelen tener una morfología de tipo fragmentado y fisuración a lo largo de los granos; las manchas blancas en acero 5CrNiMo para moldes en estado de temple tienen una morfología única de tipo nubes flotantes y patrones de túneles. (2) Las manchas blancas en acero laminado caliente, normalizado y en estado preendurecido son fisuras frágiles; las manchas blancas en acero 5CrNiMo para moldes en estado de temple son fisuras dúctiles. (3) En los aceros sensibles a la formación de manchas blancas, es difícil encontrar inclusiones o segregación de carburos en las zonas de las manchas blancas. Sin embargo, la presencia de inclusiones o segregación de carburos aumenta la posibilidad de formación de manchas blancas. (4) Además de reducir el contenido de hidrógeno mediante técnicas razonables, es necesario minimizar el contenido de inclusiones y la segregación, evitar la formación de inclusiones y carburos grandes, y lograr que las inclusiones y carburos sean pequeñas y distribuidas uniformemente en el acero para prevenir la formación de manchas blancas.
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