Prevenção de rachaduras em lingotes de aço 1Cr17Ni2 no forjamento: dicas de especialistas

1. Prefácio

Dois lingotes de aço de 4,6t feitos de 1Cr17Ni2 desenvolveram sérias trincas transversais durante o processo de forjamento e um deles também apresentou sérias trincas longitudinais, o que teve um impacto significativo nos produtos em lote. Para evitar problemas semelhantes na produção futura, foi realizada uma análise para determinar as causas da quebra do lingote.

O processo de aquecimento do lingote envolveu manter o lingote a 500°C por 2 horas, depois aumentar a temperatura para 850°C a uma taxa de 100°C por hora e manter essa temperatura por 2 horas. A temperatura foi então elevada para 1180°C e mantida por 6 horas antes do lingote ser removido do forno para forjamento.

No entanto, ocorreram fissuras graves durante a primeira compactação pelo fogo.

2. Observação no local

A superfície do lingote apresenta numerosas fissuras transversais com amplas aberturas. A fissura longitudinal corre ao longo do comprimento do lingote e está situada no centro do tarugo. A abertura da fissura é estreita e ambas as extremidades do lingote, a cabeça e a cauda, ​​estão quebradas, conforme ilustrado nas Figuras 1 a 4.

A fratura original oxidou e apresenta coloração preto-acinzentada, morfologia causada pela alta temperatura típica das fraturas.

3. Análise de teste

3.1 Análise de teste de baixa ampliação

A peça de teste transversal na fissura do lingote foi submetida a um teste de lixiviação ácida a quente. Os resultados são exibidos na Tabela 1.

Tabela 1 teste de lixiviação com ácido quente da peça de teste de seção transversal

A seção transversal do corpo de prova do lingote de aço tem formato essencialmente quadrado, com uma fissura aberta localizada no centro de um dos lados. A fissura tem profundidade de aproximadamente 6mm, o que corresponde à profundidade vertical da fissura macro longitudinal no lingote de aço.

A borda do corpo de prova apresenta um padrão cristalino colunar e diversas pequenas fissuras, com comprimento máximo em torno de 10mm, conforme ilustrado nas Figuras 5 a 7.

Os resultados dos testes indicam que o lingote apresenta severa segregação de formato após ser forjado (apenas prensagem quadrada), tornando-o não qualificado. As pequenas fissuras observadas estão relacionadas com a altura dos cristais colunares no lingote fundido.

3.2 análise do teste de fratura

A fratura artificial é uma fratura típica em concha, conforme mostrado na Fig.

Os resultados do teste revelam que a fratura da casca é uma fratura anormal e sua formação requer uma análise mais aprofundada.

3.3 Análise da composição química

Amostras foram retiradas da superfície do lingote de aço e de um local R/2 para análise de composição química. Os resultados são apresentados na Tabela 2. A composição química atendeu aos requisitos técnicos para o aço 1Cr17Ni2.

Tabela 2 Composição química do aço 1Cr17Ni2 (fração mássica) (%)

3.4 Detecção de inclusão não metálica

Uma amostra de alta ampliação foi retirada da peça de teste para detecção de inclusões não metálicas e avaliada de acordo com o método de inspeção microscópica para determinação do teor de inclusão não metálica em aço, conforme especificado pela tabela de classificação padrão GB/T10561-2005. . Os resultados podem ser vistos na Tabela 3.

Tabela 3 resultados de testes de inclusões não metálicas (grau)

O lingote foi considerado de pureza qualificada, mas continha muitas inclusões de alumina classe B.

3.5 Análise metalográfica

A estrutura metalográfica e o tamanho dos grãos das amostras retiradas de diferentes posições foram testados e os resultados são apresentados na Tabela 4.

Tabela 4 Estrutura metalográfica e teste de tamanho de grão

Os resultados dos testes indicam que a microestrutura consiste em martensita de baixo carbono, ferrita, carbonetos intergranulares e uma estrutura lamelar. Os carbonetos são distribuídos uniformemente ao longo dos limites dos grãos e precipitados ao longo dos cristais colunares originais, resultando em aumento da fragilidade e diminuição das propriedades mecânicas do aço. A estrutura metalográfica de cada peça está representada nas Figuras 9 a 14.

3.6 Análise de fissuras

A micromorfologia das pequenas fissuras de baixa ampliação é caracterizada por larguras variadas, aparência intermitente, limites difusos e pontas descontínuas. Além disso, existem fissuras muito finas localizadas próximas às pequenas fissuras que estão dispostas em forma linear intermitente ou em ilha.

Após ser tratada com uma solução aquosa de ácido clorídrico com alto teor de cloreto de ferro, a microestrutura das pequenas fissuras e microfissuras é encontrada principalmente ao longo da ferrita com distribuição cristalina colunar. Não há alteração significativa na microestrutura próxima às fissuras, conforme demonstrado nas Figuras 15 a 18.

Os resultados indicam que as pequenas trincas e microfissuras nos forjados estão intimamente relacionadas aos carbonetos distribuídos ao longo dos cristais colunares no estado fundido.

3.7 Análise de microfraturas

A fratura macroscópica em forma de concha é caracterizada por penas de clivagem e linhas de cristas lacrimais que se formam entre clivagens paralelas quando vistas sob um microscópio eletrônico de varredura. A superfície do cristal livre de moldagem e as partículas e inclusões da segunda fase localmente visíveis podem ser vistas, conforme representado nas Figuras 19 a 22.

A fonte das microfissuras de clivagem está localizada na superfície do cristal livre no limite do grão. A análise do espectro de energia revelou que contém principalmente elementos como C, Al, Si, Cr, Ni, entre os quais Al, Si, Cr e outros elementos têm uma composição superior ao nível médio, enquanto o elemento Ni tem uma composição inferior. A composição da microrregião de clivagem é semelhante à composição macroquímica.

Os resultados indicam que a fratura tipo casca é causada pela microssegregação do alumínio no aço.

4. Discussão

Os resultados do teste de composição química indicam que o material do lingote atende às especificações técnicas do aço 1Cr17Ni2. No entanto, a uniformidade da estrutura do lingote é fraca e a segregação do lingote foi classificada como grau 3,5, o que é considerado não qualificado.

A segregação do lingote se deve ao acúmulo de impurezas e segregação de componentes na junção entre a região cristalina colunar e a região cristalina equiaxial central. Além disso, existem numerosas pequenas fissuras na região do cristal colunar de baixa ampliação, com uma morfologia de microfissuras que se assemelha à morfologia do carboneto dos cristais colunares fundidos.

A estrutura pós-forjamento do lingote é composta por martensita de baixo carbono, ferrita, carboneto e uma estrutura lamelar, com tamanho de grão de 3,5-5,0. A estrutura na região cristalina colunar ainda mantém seu formato colunar, com grande número de carbonetos distribuídos continuamente no contorno de grão, o que contribui para a fragilidade da estrutura.

A fratura em forma de concha na região cristalina colunar do lingote é uma fratura anormal, com uma microfratura que apresenta clivagem e cristas lacrimais, indicando a fragilidade do lingote. A fonte da trinca de microclivagem está localizada na superfície cristalina livre do contorno de grão e é causada pela presença de carbonetos contendo Cr e uma segunda fase contendo Al.

Quando o teor de alumínio excede 0,09%, é mais provável que a fratura em forma de casca ocorra na região do cristal colunar. Durante o processo de desoxidação do alumínio, se o teor de alumínio não for rigorosamente controlado, poderá resultar uma quantidade significativa de resíduos de alumínio. Embora o teor original de alumínio no aço fundido atenda aos padrões, devido ao baixo ponto de fusão do alumínio, a concentração de alumínio no aço fundido residual aumenta significativamente, levando à precipitação de uma segunda fase contendo alumínio na forma dendrítica, que é uma espécie de micro segregação.

Quando o processo de cristalização é lento, a segunda fase dendrítica contendo alumínio precipita do aço fundido residual e é empurrada para o limite de grão da cristalização primária. Se a velocidade de cristalização da matriz exceder uma velocidade crítica, a segunda fase fica presa no cristal em crescimento e eventualmente aumenta a sensibilidade à fratura intergranular.

O processo de aquecimento do lingote de aço envolve o aquecimento a 500°C durante 2 horas, depois o aquecimento a 850°C a uma taxa de 100°C por hora durante 2 horas, o aquecimento a 1180°C durante 6 horas e, finalmente, a remoção do lingote de aço. o forno para forjar.

1Cr17Ni2 é um aço inoxidável duplex martensítico-ferrítico que apresenta fragilidade a 475°C. É aconselhável evitar aquecimento prolongado na faixa de temperatura de 400-525°C. Quando o aço 1Cr17Ni2 é aquecido acima de 900°C, a tendência de crescimento de seus grãos aumenta, causando aumento na fragilidade e piorando as condições de forjamento.

5. Conclusão

Os resultados da análise da composição química mostram que o material do lingote está em conformidade com as especificações técnicas do aço 1Cr17Ni2. Porém, a uniformidade de sua microestrutura é inadequada e a segregação do lingote é significativa.

A estrutura pós-forjamento do lingote de aço é pobre, sendo a principal causa um projeto de processo de aquecimento inadequado que aumenta o risco de fragilidade a 475°C. Além disso, o resfriamento lento do lingote durante a fundição leva à precipitação de uma fase contendo alumínio na região cristalina colunar, o que aumenta a sensibilidade às fraturas intergranulares.

Esses dois fatores se combinam para causar rachaduras durante o forjamento.