Hochwertige Rohstoffe sind die Grundlage für die Herstellung hochwertiger Verbindungselemente. Dennoch weisen viele Produkte von Verbindungselementherstellern Risse auf. Woran liegt das?

Die gängigen Spezifikationen für Walzdraht aus Kohlenstoffbaustahl, die derzeit von inländischen Stahlwerken angeboten werden, liegen im Bereich von φ 5,5 bis φ 45 mm, wobei der Bereich φ 6,5 bis φ 30 mm als ausgereifter gilt. Phosphorsegregation, beispielsweise in dünnen Walzdrähten und Stangen, führt häufig zu Qualitätsmängeln. Der Einfluss der Phosphorsegregation und die Analyse der Rissbildung werden im Folgenden erläutert. Die Zugabe von Phosphor im Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm verringert den Austenitbereich und vergrößert zwangsläufig den Abstand zwischen Solidus und Liquidus. Beim Abkühlen von flüssig zu fest durchläuft phosphorhaltiger Stahl einen großen Temperaturbereich.

Die Diffusionsgeschwindigkeit von Phosphor in Stahl ist gering, und das flüssige Eisen mit hoher Phosphorkonzentration (niedrigem Schmelzpunkt) ist mit den ersten erstarrten Dendriten angereichert, was zu Phosphorsegregation führt. Bei Produkten, die häufig beim Kaltumformen oder Kaltfließpressen Risse aufweisen, zeigen metallografische Untersuchungen und Analysen, dass Ferrit und Perlit streifenförmig verteilt sind und in der Matrix weiß gebänderter Ferrit vorliegt. Auf der gebänderten Ferritmatrix finden sich vereinzelt hellgraue Sulfideinschlüsse. Die gebänderte Sulfidstruktur wird aufgrund der Sulfidegregation als „Geisterlinie“ bezeichnet.
Der Grund dafür ist, dass Bereiche mit starker Phosphorsegregation eine helle, weiße Zone aufweisen. Im Stranggießblock konzentrieren sich aufgrund des hohen Phosphorgehalts in diesen hellen Bereichen die säulenförmigen, phosphorreichen Kristalle und reduzieren so den Phosphorgehalt. Beim Erstarren des Strangs trennen sich zunächst die Austenitdendriten vom flüssigen Stahl. Der Phosphor und Schwefel in diesen Dendriten wird reduziert, der erstarrte flüssige Stahl enthält jedoch weiterhin Phosphor und Schwefel. Aufgrund des hohen Phosphor- und Schwefelgehalts erstarrt er zwischen den Dendritenachsen. Dabei bildet sich Sulfid, und Phosphor löst sich in der Matrix. Daher ist der Kohlenstoffgehalt in der Phosphor-Mischkristallphase aufgrund des hohen Phosphor- und Schwefelgehalts hoch. Beidseitig des kohlenstoffhaltigen Bereichs, d. h. beidseits der Phosphoranreicherungszone, bildet sich ein langer, schmaler, unterbrochener Perlitgürtel parallel zum Ferritgürtel, und angrenzendes normales Gewebe wird abgetrennt. Unter dem Erhitzungsdruck dehnt sich der Rohling zwischen den Schäften in Bearbeitungsrichtung aus, da der Ferritgürtel einen hohen Phosphorgehalt aufweist. Die Phosphorsegregation führt zur Bildung einer breiten, glänzenden Ferritgürtelstruktur. In diesem breiten, glänzenden Ferritgürtel sind hellgraue Sulfidstreifen zu erkennen, die sich entlang eines langen, sulfidreichen Phosphorferritgürtels erstrecken, der üblicherweise als „Geisterlinie“ bezeichnet wird. (Siehe Abbildung 1-2)

Flanschschraube

Beim Warmwalzen ist es unmöglich, ein gleichmäßiges Mikrogefüge zu erzielen, solange Phosphorsegregation auftritt. Noch wichtiger ist, dass die Phosphorsegregation eine sogenannte „Geisterlinienstruktur“ bildet, die die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs zwangsläufig verschlechtert. Phosphorsegregation ist in kohlenstoffgebundenem Stahl üblich, ihr Ausmaß variiert jedoch. Starke Phosphorsegregation (Geisterlinienstruktur) hat extrem negative Auswirkungen auf den Stahl. Offensichtlich ist starke Phosphorsegregation die Hauptursache für Kaltstauchen. Da der Phosphorgehalt in den verschiedenen Stahlkörnern unterschiedlich ist, weisen die Werkstoffe unterschiedliche Festigkeiten und Härten auf. Zudem führt Phosphorsegregation zu inneren Spannungen im Werkstoff, die die Rissbildung begünstigen. Bei Werkstoffen mit Geisterlinienstruktur ist es gerade die Abnahme von Härte, Festigkeit, Bruchdehnung und Bruchquerschnittsverringerung, insbesondere die Verringerung der Kerbschlagzähigkeit, die den Phosphorgehalt im Werkstoff eng mit der Struktur und den Eigenschaften des Stahls verknüpft.
Im Bereich der „Geisterlinie“ in der Mitte des Sichtfelds wurde metallografisch eine große Menge dünner, hellgrauer Sulfide nachgewiesen. Nichtmetallische Einschlüsse in Baustahl liegen hauptsächlich in Form von Oxiden und Sulfiden vor. Gemäß GB/T10561-2005 (Standardklassifizierungsdiagramm für den Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen in Stahl) beträgt der Sulfidgehalt von Einschlüssen der Klasse B 2,5 % oder mehr. Nichtmetallische Einschlüsse stellen eine potenzielle Rissquelle dar. Ihr Vorhandensein beeinträchtigt die Kontinuität und Kompaktheit des Stahlgefüges erheblich und reduziert somit die interkristalline Festigkeit stark.
Es wird vermutet, dass die Sulfide in der inneren Stahlstruktur, die sogenannte „Geisterlinie“, besonders rissanfällig sind. Daher kam es am Produktionsstandort beim Kaltstauchen und Abschrecken zu zahlreichen Rissen an Verbindungselementen, verursacht durch eine große Anzahl hellgrauer, länglicher Sulfide. Dieses Vlies beeinträchtigte die Kontinuität der Metalleigenschaften und erhöhte das Risiko bei der Wärmebehandlung. Die „Geisterlinie“ lässt sich weder durch Normalisieren noch durch andere Verfahren entfernen. Verunreinigungen müssen daher vor dem Schmelzen bzw. vor der Anlieferung der Rohstoffe in das Werk streng kontrolliert werden. Nichtmetallische Einschlüsse werden je nach Zusammensetzung und Verformbarkeit in Aluminiumoxid (Typ A), Silikat (Typ C) und sphärische Oxide (Typ D) unterteilt. Ihr Auftreten unterbricht die Metallkontinuität und führt nach dem Abschälen zu Poren oder Rissen. Diese können beim Kaltstauchen leicht zu Rissen führen und während der Wärmebehandlung Spannungskonzentrationen verursachen, was wiederum Abschreckrisse zur Folge haben kann. Daher müssen nichtmetallische Einschlüsse streng kontrolliert werden. Die aktuellen Normen GB/T700-2006 und GB T699-2016 für Baustähle legen Anforderungen an nichtmetallische Einschlüsse fest. Für wichtige Bauteile gelten im Allgemeinen folgende Korngrößen: Grobkorn der Typen A, B und C, Feinkorn der Typen D und Ds (maximal 1,5), Feinkorn der Typen D und Ds (maximal 2).

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