Prevención de grietas en lingotes de acero 1Cr17Ni2 en forja: Consejos de expertos

1. Prefacio

Dos lingotes de acero de 4,6 t fabricados con 1Cr17Ni2 desarrollaron graves grietas transversales durante el proceso de forja y uno de ellos también presentó graves grietas longitudinales, lo que tuvo un impacto significativo en los productos del lote. Para evitar problemas similares en futuras producciones, se llevó a cabo un análisis para determinar las causas del agrietamiento de los lingotes.

El proceso de calentamiento del lingote consistía en mantenerlo a 500℃ durante 2 horas, aumentar después la temperatura a 850℃ a un ritmo de 100℃ por hora y mantener esa temperatura durante 2 horas. A continuación se elevó la temperatura a 1180℃ y se mantuvo durante 6 horas antes de sacar el lingote del horno para forjarlo.

Sin embargo, se produjeron grietas graves durante la primera compactación al fuego.

2. Observación in situ

La superficie del lingote presenta numerosas grietas transversales con amplias aberturas. La grieta longitudinal recorre toda la longitud del lingote y está situada en el centro del tocho. La abertura de la grieta es estrecha y ambos extremos del lingote, la cabeza y la cola, están rotos, como se muestra en las figuras 1 a 4.

La fractura original se ha oxidado y aparece de color negro grisáceo, una morfología causada por la alta temperatura típica de las fracturas.

3. Análisis de las pruebas

3.1 Análisis de las pruebas a bajo aumento

La probeta transversal de la grieta del lingote se sometió a una prueba de lixiviación ácida en caliente. Los resultados se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1 ensayo de lixiviación ácida en caliente de la probeta transversal

Porosidad general / gradoPorosidad central / gradoSegregación/clasificación de lingotesMorfología del defecto
1.52.53.5Hay muchas grietas, la más larga mide unos 6 cm.

La probeta transversal del lingote de acero tiene esencialmente forma cuadrada, con una grieta abierta situada en el centro de uno de los lados. La grieta tiene una profundidad de aproximadamente 6 mm, que corresponde a la profundidad vertical de la macrofisura longitudinal del lingote de acero.

El borde de la probeta presenta un patrón cristalino columnar y varias grietas pequeñas, con una longitud máxima de unos 10 mm, como se muestra en las figuras 5 a 7.

Los resultados de las pruebas indican que el lingote presenta una grave segregación de forma tras someterse a forja (sólo plaza de prensado), lo que lo hace no apto. Las pequeñas grietas observadas están relacionadas con la altura de los cristales columnares en el lingote fundido.

3.2 análisis de las pruebas de fractura

La fractura artificial es una típica fractura de concha, como se muestra en la Fig. 8.

Fig. 8 Morfología de fractura en forma de concha

Los resultados de las pruebas revelan que la fractura del caparazón es una fractura anormal, y su formación requiere un análisis más detallado.

3.3 Análisis de la composición química

Se tomaron muestras de la superficie del lingote de acero y de un lugar R/2 para analizar la composición química. Los resultados se presentan en la Tabla 2. Se comprobó que la composición química cumplía los requisitos técnicos del acero 1Cr17Ni2.

Tabla 2 composición química del acero 1Cr17Ni2 (fracción másica) (%)

ElementoCMnSPSiCrNiAl
Superficie0.150.520.0120.0130.4816.71.740.018
R / 20.150.530.0120.0130.4916.81.770.018

3.4 Detección de inclusiones no metálicas

Se tomó una muestra de gran aumento de la probeta para la detección de no metálico inclusiones, y se evaluó de acuerdo con el método de inspección microscópica para determinar el contenido de inclusiones no metálicas en el acero, tal como se especifica en la tabla de clasificación de la norma GB/T10561-2005. Los resultados pueden verse en la Tabla 3.

Tabla 3 resultados de las pruebas de inclusiones no metálicas (grado)

PosiciónClase AClase BClase CTipo DClase D
borde0.51.00.50.50.5
R / 21.01.50.50.50.5
núcleo1.01.00.50.50.5

El lingote resultó ser de pureza cualificada, pero contenía muchas inclusiones de alúmina de clase B.

3.5 Análisis metalográfico

Se comprobó la estructura metalográfica y el tamaño de grano de muestras tomadas de diferentes posiciones, y los resultados se muestran en la Tabla 4.

Tabla 4 estructura metalográfica y prueba granulométrica

PosiciónGranulometría / gradoEstructura metalográfica
Borde5.0Ferrita de bajo contenido en carbono + ferrita + carburo intergranular + estructura laminar
R / 23.5Ferrita de bajo contenido en carbono + ferrita + carburo intergranular + estructura laminar
Núcleo3.5Ferrita de bajo contenido en carbono + ferrita + carburo intergranular + estructura laminar
Región cristalina columnar3.5Ferrita de bajo contenido en carbono + ferrita + carburo intergranular + estructura laminar (la distribución de la estructura conserva la morfología cristalina columnar)

Los resultados de las pruebas indican que la microestructura consiste en un bajo contenido de carbono martensitaLos carburos se distribuyen uniformemente a lo largo de los límites de grano y precipitan a lo largo de los cristales columnares originales. Los carburos se distribuyen uniformemente a lo largo de los límites de grano y precipitan a lo largo de los cristales columnares originales, lo que provoca un aumento de la fragilidad y una disminución de las propiedades mecánicas del acero. La estructura metalográfica de cada pieza se representa en las figuras 9 a 14.

3.6 Análisis de grietas

La micromorfología de las pequeñas grietas de bajo aumento se caracteriza por anchuras variables, un aspecto intermitente, límites difusos y puntas discontinuas. Además, hay grietas muy finas situadas cerca de las grietas pequeñas que se disponen en forma lineal intermitente o de isla.

Después de ser tratada con una solución acuosa de ácido clorhídrico con alto contenido en cloruro de hierro, la microestructura de las pequeñas grietas y microfisuras se encuentra principalmente a lo largo de la ferrita con una distribución de cristales columnares. No hay cambios significativos en la microestructura cerca de las grietas, como se demuestra en las figuras 15 a 18.

Los resultados indican que las pequeñas grietas y microgrietas en las piezas forjadas están estrechamente relacionadas con los carburos distribuidos a lo largo de los cristales columnares en el estado fundido.

3.7 Análisis de microfracturas

La fractura macroscópica en forma de concha se caracteriza por las plumas de clivaje y las líneas de cresta de desgarro que se forman entre los clivajes paralelos cuando se observan al microscopio electrónico de barrido. Se puede observar la superficie de cristal libre de colada y partículas e inclusiones de segunda fase localmente visibles, como se representa en las figuras 19 a 22.

El origen de las microfisuras de clivaje se localiza en la superficie libre del cristal en el límite de grano. El análisis del espectro de energía reveló que contiene principalmente elementos como C, Al, Si, Cr, Ni, entre los cuales Al, Si, Cr y otros elementos tienen una composición superior al nivel medio, mientras que el elemento Ni tiene una composición inferior. La composición de la microrregión de clivaje es similar a la composición química macro.

Los resultados indican que la fractura en forma de concha se debe a la microsegregación del aluminio en el acero.

4. Debate

Los resultados de la ensayo de composición química indican que el material del lingote cumple las especificaciones técnicas del acero 1Cr17Ni2. Sin embargo, la uniformidad de la estructura del lingote es deficiente y la segregación del lingote se ha calificado como de grado 3,5, lo que se considera no cualificado.

La segregación del lingote se debe a la acumulación de impurezas y a la segregación de componentes en la unión entre la región de cristales columnares y la región central de cristales equiaxiales. Además, hay numerosas grietas pequeñas en la región de cristales columnares a bajo aumento, con una morfología de microgrietas que se asemeja a la morfología de carburo de los cristales columnares fundidos.

La estructura posterior a la forja del lingote se compone de martensita de bajo contenido en carbono, ferrita, carburo y una estructura laminar, con un tamaño de grano de 3,5-5,0. La estructura en la región del cristal columnar sigue conservando su forma columnar, con un gran número de carburos distribuidos de forma continua en el límite del grano, lo que contribuye a la fragilidad de la estructura.

La fractura en forma de concha en la región del cristal columnar del lingote es una fractura anormal, con una microfisura que presenta crestas de hendidura y desgarro, lo que indica la fragilidad del lingote. El origen de la microfisura se encuentra en la superficie cristalina libre del límite de grano y está causado por la presencia de carburos que contienen Cr y una segunda fase que contiene Al.

Cuando el contenido de aluminio supera 0,09%, es más probable que se produzca la fractura en forma de concha en la región del cristal columnar. Durante el proceso de desoxidación del aluminio, si el contenido de aluminio no se controla estrictamente, puede producirse una cantidad significativa de residuos de aluminio. Aunque el contenido original de aluminio en el acero fundido cumpla las normas, debido al bajo punto de fusión del aluminio, la concentración de aluminio en el acero fundido residual aumenta significativamente, lo que provoca la precipitación de una segunda fase que contiene aluminio en forma de dendrita, que es un tipo de microsegregación.

Cuando el proceso de cristalización es lento, la segunda fase dendrítica que contiene aluminio precipita del acero fundido residual y es empujada hacia el límite de grano de la cristalización primaria. Si la velocidad de cristalización de la matriz supera una velocidad crítica, la segunda fase queda atrapada en el cristal en crecimiento y, con el tiempo, aumenta la sensibilidad a la fractura intergranular.

El proceso de calentamiento del lingote de acero consiste en calentarlo a 500°C durante 2 horas, después calentarlo a 850°C a un ritmo de 100°C por hora durante 2 horas, calentarlo a 1180°C durante 6 horas y, por último, sacarlo del horno para forjarlo.

El 1Cr17Ni2 es un acero inoxidable dúplex martensítico-ferrítico que presenta fragilidad a 475°C. Se aconseja evitar el calentamiento prolongado en el intervalo de temperaturas de 400-525°C. Cuando el acero 1Cr17Ni2 se calienta por encima de 900°C, aumenta su tendencia al crecimiento del grano, lo que provoca un aumento de la fragilidad y un empeoramiento de las condiciones de forja.

5. Conclusión

Los resultados del análisis de la composición química muestran que el material del lingote se ajusta a las especificaciones técnicas del acero 1Cr17Ni2. Sin embargo, la uniformidad de su microestructura es inadecuada, y la segregación del lingote es significativa.

La estructura posterior a la forja del lingote de acero es deficiente, siendo la causa principal un diseño inadecuado del proceso de calentamiento que aumenta el riesgo de fragilidad a 475°C. Además, el lento enfriamiento del lingote durante la colada provoca la precipitación de una fase que contiene aluminio en la región de los cristales columnares, lo que aumenta la sensibilidad a las fracturas intergranulares.

Estos dos factores se combinan para provocar grietas durante la forja.

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Shane
Autor

Shane

Fundador de MachineMFG

Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.

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