2. Causas del cristal mixto.
Hay dos razones básicas para la aparición de cristales mixtos:
A. Segregación de elementos de aleación (distribución desigual de elementos de aleación)
B. Deformación crítica (acero deformado, fibra alterada)
Centrándonos en estos dos motivos, parte de la fundición de acero.
1. Fundición de acero:
Es bien sabido que el proceso de fundición de acero implica el uso de mineral de hierro y diversas materias primas para eventualmente producir acero fundido a través de una compleja serie de pasos, que luego se moldea en lingotes. Las acerías son las más profesionales en el proceso de formación de acero fundido y, dado que el acero fundido en la fase líquida es naturalmente uniforme, no se realizará ninguna evaluación aquí. En cambio, nos centraremos en el proceso de solidificación del acero líquido en lingotes.
La segregación de lingotes es la forma más común de segregación.
En términos simples, la causa de la segregación en el lingote es simple: los elementos de aleación tienden a solidificarse primero durante el proceso de solidificación, mientras que las áreas con menos elementos de aleación se solidifican más tarde, lo que provoca una distribución desigual de los elementos de aleación.
La estructura metalúrgica más típica producida por este proceso es la segregación dendrítica.
También hay impurezas presentes, como inclusiones de escoria que se acumulan en un lugar específico durante el proceso de laminación y enfriamiento del acero fundido.
El principal problema de la segregación es que da como resultado una distribución desigual de los elementos de aleación, incluidos el carbono, el cromo, el níquel, el molibdeno, el aluminio y otros.
Esta distribución desigual forma regiones separadas con composiciones químicas distintas, cada una de las cuales puede considerarse un tipo distinto de acero.
En esta etapa, estas regiones pueden identificarse como granos separados, distintos de los granos mixtos. ¿Está esto más claro ahora?
2. Laminación de acero:
La laminación es un proceso que transforma un lingote en su forma final, como una barra, placa, alambrón o perfil de acero.
El lingote de acero primero se recalienta y luego se somete a múltiples pasadas de laminación hasta que cumple con las especificaciones deseadas.
Antes de laminar, el acero normalmente se somete a recocido por difusión.
El propósito del recocido por difusión es homogeneizar los elementos de aleación del acero. Como se analizó anteriormente, la segregación de elementos de aleación durante la solidificación da como resultado una composición desigual, lo que genera problemas potenciales.
Para resolver este problema, el acero se somete a recocido por difusión a una temperatura de aproximadamente 1200°C.
A esta temperatura, la actividad de los elementos de aleación aumenta y se produce difusión dentro del acero, pasando de áreas de alta concentración a áreas de baja concentración, mejorando así la uniformidad del acero.
Al mismo tiempo, el acero permanece en estado sólido y aún no ha entrado en fase líquida.
Aunque los elementos de aleación se han movido, sólo mejoran la uniformidad del acero y no pueden eliminar por completo la segregación.
El laminado es similar a los procesos de forja y extrusión.
Durante este proceso, el acero pasa por calentamiento, forjado, extrusión, enfriamiento, recristalización, recocido, reextrusión, entre otros procedimientos.
Algunos defectos en el acero original se reducen gradualmente durante este proceso y también disminuye el grado de segregación de los elementos de aleación.
En un escenario ideal, estos procesos eliminan defectos y reducen la segregación, pero en realidad, los fabricantes de acero priorizan el ahorro de costos y la eficiencia.
Para lograr esto, pueden disminuir la temperatura y el tiempo de recocido por difusión, omitir el proceso de recocido o aumentar la velocidad de forjado durante el proceso de laminación, lo que puede cubrir, pero no erradicar, los defectos y conducir a un mayor grado de segregación durante el proceso de laminación. proceso de laminación. .
Este cambio se describe en detalle en la siguiente sección.
3. Problemas de deformación (forja, extrusión):
Después de recibir el acero, la planta de procesamiento mecánico normalmente utiliza métodos de forjado en caliente y extrusión en frío para formar la pieza, y luego completa el mecanizado, el tratamiento térmico y el rectificado para producir el producto final.
Sin embargo, pueden surgir problemas durante este proceso.
La forja en caliente es similar al laminado de acero mencionado en la sección 2, pero con diferentes equipos, relaciones de compresión y estructuras del producto.
La extrusión en frío, por otro lado, utiliza la dureza del acero para producir deformación plástica sin calentamiento.
Ambos procesos implican problemas de deformación plástica.
La tenacidad de un metal se refiere a su capacidad para sufrir deformación, que generalmente se considera su capacidad para estirarse o comprimirse.
Cuanto mejor sea la resistencia, mayor será la capacidad de estiramiento y menor la capacidad de compresión.
¿Qué les sucede a los granos durante la tensión o la compresión? Considere una banda elástica.
Inicialmente, si el diámetro de una banda elástica es de 10 mm y se estira 10 veces su longitud, ¿qué pasa con su diámetro?
Ciertamente no llega a 1 mm, pero para ilustrar el problema, todo el mundo sabe que se vuelve más delgado. Si continúas estirándolo, se adelgazará aún más hasta romperse.
La deformación del metal es un proceso de cambio de grano.
Antes de la deformación, los granos tienen una forma irregular, pero esencialmente tienen forma de bola.
Con la aplicación de fuerza externa, los granos se estiran como una banda elástica y su espacio se comprime. Se vuelven cada vez más delgados a medida que continúa la fuerza externa.
Alguna vez fueron un montón de patatas, pero ahora se han convertido en un manojo de tallos de trigo.
Durante este proceso, los granos parecen no haber cambiado, pero tras una inspección más cercana, su tamaño se ha vuelto mucho más pequeño.
Es importante tener en cuenta que las apariencias engañan y no dejarse engañar por lo que se ve en la superficie.
4. Tratamiento Térmico:
El tratamiento térmico es un proceso intermedio que no se puede ver ni tocar y no se puede detectar ni ajustar inmediatamente durante el proceso.
El estado del producto sólo puede determinarse mediante el control del proceso y la inspección final.
Sin embargo, los problemas que surgieron de todos los procesos anteriores se hacen evidentes durante el tratamiento térmico.
El proceso de tratamiento térmico requiere que la cementación y el enfriamiento se calienten por encima de la temperatura de austenitización del acero.
Por lo tanto, la pieza debe calentarse a una temperatura superior a AC3 para que funcione. Durante este proceso, se producen varios cambios importantes.
La red de ferrita cúbica centrada en el cuerpo se transforma en una red de austenita cúbica centrada en las caras, y durante este proceso se produce la cantidad de carbono disuelto, los elementos de aleación incorporados y la difusión de los elementos de aleación.
Los límites entre los granos también se rompen y recristalizan, lo que hace que los granos originales se desplacen y se reorganicen.
El proceso de recombinación de cereales es esencialmente una competencia energética, similar a la situación internacional actual, donde el tamaño de un país está determinado por su alta tecnología, armas nucleares y capacidades de combate.
Cuanto más fuerte es un país, más grande se vuelve, mientras que un país más débil es más propenso a la fragmentación.
Asimismo, los carburos formados por elementos de aleación actúan como retenes sobre los granos, dificultando su crecimiento.
En zonas donde los elementos de aleación escasean, son imparables y su territorio se expande provocando que crezcan los cereales.
Para garantizar el tamaño de deformación deseado del producto, la temperatura de calentamiento debe mantenerse a un nivel moderado para restringir el comportamiento de difusión de los elementos de aleación.
Si la temperatura de calentamiento es demasiado alta, puede provocar un fallo en la transformación de fase, y si la temperatura es demasiado baja para lograr la austenitización requerida, también provocará un fallo en la transformación de fase.
Por lo tanto, el problema del calentamiento en el tratamiento térmico requiere calentamiento a temperatura media, que es muy restringida.
Normalmente, la temperatura de cementación es de alrededor de 900-940°C y la temperatura de enfriamiento es de 30-50°C por encima de la temperatura AC3.
Estos son valores de libro de texto, y ahora consideremos las posibles consecuencias de las secciones anteriores a estas temperaturas.
El. Efecto de la segregación de elementos de aleación:
A medida que avanza el proceso de austenitización, diferentes áreas exhiben contenidos variables de elementos de aleación, lo que lleva a diferentes temperaturas de austenitización en esas áreas.
Incluso si la pieza alcanza la misma temperatura, algunas zonas ya han iniciado la transformación de austenita mientras que otras aún se encuentran en la fase de preparación.
Algunas áreas ya han completado la transformación de austenita, mientras que otras aún no lo han hecho, lo que resulta en un crecimiento continuo de grano en áreas que ya se han transformado a austenita y un crecimiento de grano fino en áreas que aún no han completado la transformación.
Si se detiene la austenitización en este punto y se enfría rápidamente, se producirá una coexistencia de granos grandes y pequeños y, en casos graves, se pueden formar granos mixtos.
La mayoría de los elementos de aleación como V, Ti, Nb, etc. dificultan el crecimiento del grano.
Elementos de aleación como Cr, Mo, W, etc. retrasará la formación de austenita.
Estos elementos pueden afectar el tamaño del grano y desempeñar un papel en el refinado del grano.
Por otro lado, existen algunos elementos, como el Mn y el P, que pueden favorecer el crecimiento del grano.
Si estos elementos se segregan seriamente en el acero, pueden aparecer cristales mixtos.
B. Influencia de la deformación durante la laminación, forja y trabajo en frío:
Durante el proceso de extracción y extrusión, los granos se deforman, lo que reduce la energía en los límites originales de los granos.
A medida que aumenta la temperatura de calentamiento, los granos se recombinarán cuando se alcance la temperatura de recristalización del acero.
En este momento, la energía del elemento de aleación aumenta y dos granos finos adyacentes pueden fusionarse fácilmente.
Los elementos que antes estaban restringidos al movimiento dentro de un solo grano ahora pueden atravesar los límites de los dos granos y tomar un atajo para fusionar los dos granos finos en uno grande en muy poco tiempo.
A medida que la temperatura y el tiempo de calentamiento continúan cambiando, estos granos continúan creciendo hasta que no hay energía para romper las restricciones de los límites de los granos.
En este punto se han formado muchos granos grandes.
Sin embargo, no todos los granos deformados alcanzan la tensión crítica necesaria para el crecimiento. Esto da como resultado algunos granos normales, lo que lleva a la formación de granos mixtos.
C. Efecto de la temperatura:
El proceso de forjado y la temperatura y tiempo del proceso de tratamiento térmico tienen un impacto significativo en el grano.
Cuando la temperatura es alta y el tiempo de espera es largo, los granos crecerán.
Este límite de temperatura depende del material y diferentes materiales tienen diferentes límites de temperatura.
Las temperaturas del tratamiento térmico generalmente son fijas y la temperatura de cementación típica no supera los 950°C.
A esta temperatura, la mayoría de los aceros de grano fino no sufren cambios significativos.
Sin embargo, una temperatura excesiva debido a errores de parámetros o una medición de temperatura inexacta puede dar como resultado un acero de grano grueso.
Los granos producidos por la forja a alta temperatura son gruesos y, a menudo, se encuentra una estructura de Widmanstatten en metalografía después de la forja.
Widmanstatten se puede eliminar normalizando varias veces y el cambio de grano causado por la temperatura se puede compensar mediante la normalización.
Sin embargo, generalmente no se recomienda utilizar una estructura de Widmanstatten si aparece en la realidad.
3. Resumen:
En resumen, la razón principal del cristal mixto es la segregación de elementos, y es un desafío eliminarla mediante el tratamiento térmico en los procesos posteriores.
Además, es fundamental prestar atención al tamaño del grano durante cualquier proceso que produzca deformación.
La mezcla granulométrica causada exclusivamente por la deformación se puede mejorar mediante tratamiento térmico.
Sin embargo, si el grano ya ha crecido y se ha estabilizado y los elementos de aleación se han precipitado en el límite del grano, puede resultar difícil resolver el problema.
