Los defectos del acero se refieren a diversos sucesos anormales en la superficie o el interior del acero durante su producción o uso que pueden afectar su rendimiento y calidad.
Los defectos superficiales comunes en el acero incluyen grietas, rayones, dobleces, orejas, costras (piel gruesa), cicatrices de soldadura y rebabas en los bordes. Además, existen defectos superficiales típicos como óxidos, manchas, grietas, superficies picadas e inclusiones.
Las causas de los defectos del acero son diversas, como daños graves o desgaste de la ranura de laminación anterior tipo orificio, metales extraños que caen dentro de las piezas laminadas y son presionados sobre la superficie del acero, o defectos en la superficie de la pieza laminada anterior. La atmósfera oxidativa 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 de acero se dividen principalmente en detección visual manual tradicional y detección automatizada basada en visión por computadora. En los últimos años, los métodos basados en aprendizaje profundo como YOLOv5 y YOLOv7 se han aplicado ampliamente en la detección automatizada de defectos en la superficie del acero.
Para ciertos defectos específicos, como las bandas, se pueden eliminar mediante el método de recocido por difusión a alta temperatura. Este proceso implica calentar por encima de 1050 ℃ para permitir la difusión uniforme del átomo de carbono, eliminando así las bandas.
Los defectos del acero no sólo afectan las propiedades físicas del acero, sino que también pueden presentar riesgos de seguridad durante su uso. Por lo tanto, detectar y tratar los defectos del acero es crucial para garantizar la calidad del acero y su uso seguro.
¿Cuáles son las razones y mecanismos específicos de los defectos del acero?
Las razones y mecanismos específicos de los defectos del acero incluyen principalmente los siguientes puntos:
Defectos superficiales: Estos defectos incluyen grietas, rayones, dobleces, orejas, etc. La formación de grietas puede deberse a burbujas subterráneas en el lingote de acero, grietas sin limpiar e inclusiones no metálicas que se rompen o se extienden durante el laminado, así como grietas internas en el lingote de acero que se expanden y quedan expuestas a la superficie durante la laminación. Además, factores como condiciones de enfriamiento desiguales en ambos lados de la placa de acero, temperatura desigual de la pieza laminada, deformación desigual durante el proceso de laminación y enfriamiento desigual del agua rociada sobre la trayectoria de los rodillos de la correa de acero también pueden causar defectos en la superficie. .
Defectos internos: Esto incluye residuos de contracción, delaminación, manchas blancas, segregación, inclusiones no metálicas, holguras, etc. Estos defectos son causados principalmente por razones operativas, de proceso y de equipo durante el proceso de fabricación del acero.
Defectos de forma y tamaño: estos defectos pueden implicar problemas de control de tamaño durante la producción de acero. Aunque el mecanismo de generación específico no está detallado en la información que busqué, se puede inferir que está relacionado con el control de temperatura, distribución de presión y otros factores durante el proceso de producción.
Otros factores: por ejemplo, deficiencias causadas por equipos, procesos y razones operativas durante el procesamiento de fundición y laminación (forja) de acero al carbono, incluidas incrustaciones, inclusiones no metálicas, etc. La tecnología en la producción de acero también puede provocar diversos tipos de defectos en la superficie, como escamas de laminación, manchas, etc.
Tipos de defectos del acero
Los materiales forman la base para producir herramientas duraderas. Durante la producción real, a menudo se encuentran varios tipos de defectos materiales.
Hoy te informaremos sobre los 16 tipos de defectos del acero para que tengas cuidado al seleccionar la materia prima.
01. Porosidad de las materias primas
Después de realizar una prueba de grabado ácido en el acero, se descubrió que algunas regiones de la superficie de la muestra no eran densas y tenían huecos visibles.
Estos vacíos, que aparecen como manchas oscuras con tonos de color desiguales en comparación con otras áreas, 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 GB/T9943-2008 para acero para herramientas de alta velocidad como GB/T1299-2014 para acero para herramientas tienen regulaciones específicas con respecto a la porosidad del acero, pero los suministros a menudo exceden el estándar.
La porosidad tiene un impacto significativo en la resistencia del acero y sus principales peligros son los siguientes:
- La porosidad debilita significativamente el acero, haciéndolo susceptible a agrietarse durante procesos de trabajo en caliente como la forja, y también durante el tratamiento térmico.
- La porosidad da como resultado herramientas que se desgastan fácilmente y tienen un acabado superficial desigual.
Debido a que la porosidad afecta el rendimiento del acero, el acero para herramientas tiene requisitos estrictos para los niveles de porosidad permitidos.
Las Figuras 1 y 2 representan materias primas de acero W18Cr4V de φ90 mm (abreviado como W18), que muestran patrones de porosidad y grietas de porosidad después de un tratamiento de ataque térmico con HCl 1:1.
La Figura 3 muestra una imagen de una fresa ranurada de acero W18Cr4V que ha sufrido severos agrietamientos debido a la conservación durante el tratamiento térmico, representado mediante ataque térmico con HCl 1:1.
Figura 1 Porosidad central
Figura 2 Agrietamiento de acero centralmente poroso durante la forja de palanquillas
Figura 3 Grietas en el material de corte debido a la porosidad durante el tratamiento térmico
02. Residuos de contracción
Durante la fundición de un lingote, el acero líquido se condensa y se contrae en la parte central, formando un orificio tubular conocido como contracción.
Normalmente, la contracción se encuentra cerca del alimentador en el cabezal del lingote y debe eliminarse durante la formación de la palanquilla.
Sin embargo, la porción que no se puede eliminar por completo se llama residuo de contracción.
Si bien lo ideal es eliminar por completo la contracción, las acerías a menudo priorizan la eficiencia de la producción y dejan residuos, lo que tiene consecuencias irreversibles para los procesos posteriores.
La Figura 4 muestra acero W18 de φ70 mm con residuos de contracción y porosidad severa, representado por ataque térmico con HCl 1:1.
La Figura 5 muestra acero W18 de φ70 mm con residuos de contracción que formaron grietas después del laminado, como se representa mediante grabado térmico con HCl 1:1.
Hace unos años, una empresa encontró residuos de contracción al serrar acero M2 de φ75 mm.
Figura 4
Figura 5: Grietas causadas por la contracción del acero W18
03. Grieta superficial
Las grietas longitudinales en la superficie de las materias primas de acero rápido son una ocurrencia común.
Puede haber varias causas para esto, como por ejemplo:
(1) Durante el laminado en caliente, puede ocurrir una concentración de tensiones durante el proceso de enfriamiento, lo que provoca grietas a lo largo de las líneas marcadas debido a la eliminación incompleta de las grietas superficiales o rayones causados por los agujeros en la matriz.
(2) Los orificios de matriz de mala calidad o las altas velocidades de avance durante el laminado en caliente pueden provocar flexión, lo que provoca grietas a lo largo de las líneas de flexión en el procesamiento posterior.
(3) Se pueden producir grietas durante el laminado en caliente si la temperatura de parada del laminado es demasiado baja o la velocidad de enfriamiento es demasiado rápida.
(4) A menudo se observan grietas en la superficie del acero plano W18 de 13 mm × 4,5 mm que se lamina en el frío invierno, lo que indica que las grietas también pueden verse influenciadas por las condiciones climáticas.
Sin embargo, no se observan grietas cuando se lamina el mismo tipo y especificación de acero en otros momentos.
La Figura 6 muestra la fisura superficial de acero W18 de φ30 mm, con una profundidad de 6 mm, representada por ataque térmico con HCl 1:1.
Figura 6 Grieta superficial
04. Grietas en el centro de la materia prima.
Durante el proceso de laminación en caliente del acero rápido, una deformación excesiva puede hacer que la temperatura del núcleo aumente en lugar de disminuir. Esto puede provocar la formación de grietas en el centro del material debido al estrés térmico.
La Figura 7 muestra la grieta central en acero W18 de φ35 mm (grabado con HCl 1:1).
Las grietas en el núcleo de las materias primas del acero rápido son comunes en las fábricas de herramientas, pero son dañinas porque son invisibles y no pueden detectarse al tacto. La única forma de observar estas grietas es mediante la detección de defectos.
Figura 7 Fisura central
05. Segregación
La distribución desigual de 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 se puede dividir en microsegregación, segregación por densidad y segregación regional.
La segregación de densidad se produce debido a diferencias en la densidad de las fases constituyentes de la aleación, lo que hace que los elementos más pesados se hunda y los elementos más ligeros floten durante la solidificación. La segregación regional es causada por la acumulación local de impurezas en lingotes o piezas fundidas.
La Figura 8 muestra una muestra metalográfica endurecida de acero W18 (grabado con una solución de alcohol HNO3 al 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 un contenido de carbono más bajo, mientras que la parte en forma de cruz tenía un contenido de carbono más alto.
Esta forma de cruz es el resultado de la segregación cuadrada causada por la segregación de componentes de carbono y aleación durante el proceso de laminación.
Una segregación regional severa puede debilitar la resistencia del acero y hacerlo más susceptible a agrietarse durante el trabajo en caliente.
Figura 8 Segregación en forma de cruz (3×)
06. No uniformidad del carburo.
El grado en que los carburos eutécticos en el acero rápido (HSS) se descomponen durante el proceso de prensado en caliente se denomina falta de uniformidad del carburo. Cuanto mayor es la deformación, mayor es el grado de fractura del carburo y menor es el nivel de falta de uniformidad del carburo.
Cuando los carburos del acero se descomponen gravemente, como 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 fundamental controlar cuidadosamente la falta de uniformidad del carburo para garantizar la calidad de las herramientas HSS.
La Figura 9 muestra el efecto de la falta de uniformidad del carburo sobre la resistencia a la flexión del acero W18.
Como se puede ver en la figura, la resistencia a la flexión en los grados 7-8 con falta de uniformidad es solo del 40-50% de la de los grados 1-2, lo que reduce la resistencia a 1200-1500 MPa, que solo equivale al nivel de grado superior. Dureza en carburos cementados. El rendimiento horizontal es aproximadamente el 85% del rendimiento vertical.
La concentración y distribución en forma de bandas de los carburos también puede dar lugar a granos templados desiguales y a una disolución desigual de los carburos, lo que lleva 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 de alta velocidad W18Cr4V.
Se puede observar que una falta de uniformidad grave del carburo puede provocar grietas y sobrecalentamiento durante el trabajo en caliente, lo que provoca que la herramienta terminada falle durante su uso.
La Figura 10 ilustra la grieta por enfriamiento causada por carburos zonales gruesos en acero W18 (grabado con una solución de alcohol HNO3 al 4%).
Figura 10 Carburo zonal grueso
07. Carburo de red
El acero que ha sido laminado o recocido en caliente puede formar redes de carburos debido a las altas temperaturas de calentamiento, los tiempos de retención prolongados que provocan el crecimiento de los granos y los procesos de enfriamiento lentos que resultan en la precipitación de carburos a lo largo de los límites de los granos.
La presencia de carburos reticulados aumenta en gran medida la fragilidad de la herramienta, haciéndola más propensa a astillarse. En general, los carburos de red completa no son aceptables en el acero.
La inspección de carburos de red debe realizarse después del enfriamiento y revenido.
La Figura 11 muestra los carburos reticulados del acero T12A (atacados con una solución de alcohol HNO3 al 4%), mientras que la Figura 12 muestra la morfología de los carburos reticulados del acero 9SiCr (atacados con una solución de alcohol HNO3 al 4%), revelando un sobrecalentamiento severo durante proceso de recocido.
Figura 11 Carburo de malla de acero T12A (500×)
Figura 12 Carburo de malla de acero 9SiCr (500×)
08. Masilla de carburo endurecido
Los cortadores de herramientas que realizan torneado o fresado HSS pueden encontrar una sustancia dura y sufrir daños. Este defecto normalmente no se encuentra fácilmente durante el torneado a alta velocidad debido a la alta velocidad de corte y al ruido.
Sin embargo, durante el fresado se pueden observar grumos y un caos extraño, como por ejemplo un sonido chirriante y un desgaste severo de la herramienta al fresar canales con brocas helicoidales.
Tras la inspección, los bloques brillantes se pueden ver a simple vista y tienen una dureza extremadamente alta, alcanzando 1225HV, mientras que las áreas no duras se encuentran en un estado normal de recocido. Esto se conoce como “masa endurecida”.
La presencia de masas endurecidas daña la herramienta y dificulta el corte.
Se cree que la formación de estos grumos duros es causada por 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 endurecida en acero W18 (ataque con solución de alcohol HNO3 al 4%), siendo la sustancia blanca la masa endurecida y las áreas grises y negras representando las ranuras de perforación.
Figura 13 La macroestructura de la masa endurecida de acero W18 (20×)
09. Inclusiones
Las inclusiones son un defecto común en el acero que se puede clasificar en dos categorías: inclusiones metálicas e inclusiones no metálicas.
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) inclusiones endógenas, causadas principalmente por sistemas de fundición sucios, eliminación de lodo refractario de los equipos o uso de materiales de carga sucios;
(2) inclusiones producidas y precipitadas debido a reacciones químicas durante el proceso de fundición. La Figura 14 muestra inclusiones metálicas encontradas en acero W18, mientras que la Figura 15 muestra inclusiones no metálicas que causan grietas durante el enfriamiento (ataque con una solución de alcohol HNO3 al 4%).
Figura 14 Inclusiones metálicas
Figura 15 Grietas causadas 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, lo que hace que el acero sea susceptible a 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.
10. Carburo a granel
En el proceso de fundición de acero, puede ocurrir una distribución desigual de los carburos debido a la segregación de componentes o cuando los carburos en la aleación de hierro no están completamente fundidos, lo que resulta en carburos angulares grandes que persisten sin ser aplastados después de la forja.
La presencia de estos carburos a granel aumenta la fragilidad de la herramienta y aumenta el riesgo de vuelco.
Durante el proceso de tratamiento térmico, estos grandes carburos y elementos de aleación pueden enriquecerse, lo que podría provocar defectos como sobrecalentamiento, revenido insuficiente e incluso grietas a lo largo de los límites de los granos.
La Figura 16 muestra el sobrecalentamiento durante el enfriamiento causado por la segregación de los componentes de carburo grandes circundantes (grabados en una solución de alcohol HNO3 al 4%).
Figura 16 Sobrecalentamiento causado por la segregación de componentes alrededor de carburos a granel durante el enfriamiento (500×)
11. Asentamiento de carburo
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 licuación, no se elimina fácilmente durante el procesamiento posterior y da como resultado la presencia de carburo zoster en masa en la dirección de laminación del acero.
La Figura 17 muestra la licuefacción de CrMn, registrada con una solución de alcohol HNO3 al 4%.
Figura 17 Asentamiento de carburo (500×)
Los aceros de licuefacción son muy frágiles ya que la matriz metálica continua se altera, lo que reduce la resistencia. Anteriormente, el asentamiento era común en los aceros CrWMn y CrMn, y su uso para fabricar calibres a menudo resultaba en dificultades para obtener una superficie lisa.
12. Grafito de carbono
Debido a que la temperatura de recocido es muy alta y el tiempo de retención es muy 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 grafito al carbono en acero T12A (atacado con una solución de alcohol ácido amargo al 4%).
Figura 18 Microestructura de carbono grafítico de acero T12A (500×)
La precipitación de grafito-carbono disminuye significativamente la resistencia y tenacidad del acero, haciéndolo inadecuado para la producción de cuchillos y componentes críticos. El acero muestra fracturas negras cuando contiene altos niveles de carbono grafito.
La presencia de carbono de grafito se puede determinar mediante análisis químicos para análisis tanto cualitativos como cuantitativos, y su forma y distribución se pueden observar mediante métodos metalográficos.
Además, habrá un aumento en el tejido de ferrita alrededor del grafito.
13. Fallo en la mezcla y composición.
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 mixtos pueden incluir tres aspectos: acero mixto, especificaciones mixtas y números de hornos mixtos.
Este último es especialmente frecuente y puede causar muchos problemas con falsos tratamientos térmicos sin recurso. De vez en cuando también se encuentran componentes de materiales de herramientas no calificados.
Algunos componentes de acero de alta velocidad no cumplen con el estándar de acero para herramientas de alta velocidad GB/T9943-2008, especialmente en lo que respecta al contenido alto o bajo de carbono. Por ejemplo, W6Mo5Cr4V2Co5 pertenece al tipo HSS-E, pero tiene un contenido de carbono inferior al límite inferior estándar.
A pesar de estar etiquetado como HSS de alto rendimiento, tras el tratamiento térmico la dureza no llega a los 67HRC. Las acerías deben asegurarse de que el acero pueda alcanzar una dureza de al menos 67 HRC si pertenece al tipo HSS-E.
Si una herramienta requiere una dureza tan alta es un asunto interno de la fábrica de herramientas y no es responsabilidad de la empresa siderúrgica.
Sin embargo, si la dureza no llega a 67HRC, es culpa de la empresa siderúrgica. También hay muchos casos de composición no calificada del acero de matriz, lo que da lugar a continuas disputas.
14. Descarbonización de materias primas
El país ha establecido estándares para la descarburación del acero, sin embargo, los proveedores de acero a menudo suministran materiales que exceden estos estándares, lo que genera importantes pérdidas económicas para las empresas fabricantes de herramientas.
La dureza superficial de las herramientas disminuye y su resistencia al desgaste es baja después del templado para materiales con una capa descarburada. Por tanto, es necesario eliminar completamente 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 una solución de alcohol HNO3 al 4%). La zona de descarburación es martensita templada en forma de aguja, mientras que la zona de no descarburación está compuesta de martensita templada, carburos y austenita retenida.
Las Figuras 20 y 21 muestran la descarburación de aceros M2 y T12, respectivamente (grabados en solución de alcohol HNO3 al 4%).
En el caso del acero T12, la capa completamente descarburada es ferrita, la zona de transición está compuesta por martensita templada con bajo contenido de carbono y la zona no descarburada está compuesta por martensita templada y carburos.
Figura 19 Capa de descarburación austemperada (250×)
Figura 20 Descarburación del acero M2
Figura 21 Capa descarburada de acero T12A (después de templado → revenido) (200×)
15. Acero W18 sin efecto de tratamiento térmico evidente
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°C, 1230°C y 1270°C.
El tiempo de calentamiento fue de 200 segundos y el tamaño de grano fue de 10,5, como se muestra en la Figura 22. La dureza después del templado estuvo entre 65 y 65,5 HRC, pero sorprendentemente, la dureza disminuyó después del revenido a 550 °C tres veces.
Esta anomalía se conoce como “una broma”.
Figura 22 Revenido de acero W18 Grado 10,5 (500×)
Parece que el carburo nos está jugando una mala pasada, lo que significa que cuando el carburo se calienta, no se disuelve en austenita ni precipita durante el proceso de templado.
Esto se conoce simplemente como no poder entrar o salir, entonces, ¿dónde está el endurecimiento secundario?
La raíz del problema es que el carburo nos está provocando, lo que significa que no se disuelve en la austenita durante el calentamiento y no hay precipitación durante el proceso de templado.
Es simplemente un caso de no poder entrar o salir, entonces, ¿de dónde viene el endurecimiento secundario?
16. Calidad de la superficie
Los defectos superficiales son fácilmente visibles a simple vista, como por ejemplo:
- Dimensiones inconsistentes en el contrato;
- Desviación de longitud y tamaño de la oferta real;
- Imperfecciones de la superficie que incluyen picaduras ultrafinas en la superficie del acero, picaduras de corrosión, problemas de redondez, herraduras, irregularidades excesivas en la placa de acero y espesores desiguales.
¿Cuáles son los impactos específicos de los defectos del acero en las propiedades físicas del acero?
Los impactos específicos de los defectos del acero en las propiedades físicas del acero incluyen principalmente los siguientes aspectos:
Cambios en la dureza y la plasticidad: Influenciado por ciertos factores, la resistencia del acero puede aumentar, pero al mismo tiempo, la plasticidad y la tenacidad disminuyen, lo que resulta en un aumento de la fragilidad, fenómeno conocido como endurecimiento. Esto suele ocurrir bajo cargas repetidas cuando el límite elástico aumenta y entra en la etapa plástica.
Efectos sobre la resistencia al desgaste y la fatiga: Los defectos de calidad de la superficie no solo afectan la apariencia estética de las tiras de acero laminadas en caliente, sino que también pueden tener efectos adversos en sus propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión, incluida la resistencia al desgaste y la fatiga.
Desgaste de herramientas y superficies irregulares: La presencia de holgura en el material puede provocar un desgaste excesivo y superficies irregulares de las herramientas fabricadas con él. En consecuencia, el acero para herramientas tiene 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 defectos (evitando defectos concentrados), y no de la composición química. La tenacidad sufre cambios significativos después del tratamiento térmico.
Efectos del tratamiento de recocido y normalización: el recocido puede reducir la dureza del acero, mejorar la plasticidad, refinar el grano, eliminar defectos estructurales causados por la fundición, forja y soldadura, homogeneizar la estructura y composición del acero y aliviar las tensiones internas y el endurecimiento por trabajo del acero. La normalización tiene efectos similares en piezas fundidas, forjadas y soldaduras de gran tamaño.
