Фосфор в металургията – история, въздействие върху стоманата и методи за контрол
Исторически очерк
Фосфорът като химичен елемент е открит през 1669 г. от немския алхимик Хенинг Бранд . Това откритие се случва по време на експерименти, опитващи се да създадат философския камък , който според вярванията на алхимиците би преобразувал неблагородните метали в злато. Бранд се интересува от химичните процеси, протичащи в урината, което го кара да получи фосфор чрез нагряване и дестилиране на урина . В резултат на това той получава вещество, което свети в тъмното поради фосфоресценция – откъдето идва и името на елемента, произлизащо от гръцката дума „phōsphoros “, което означава „носител на светлина “.
С развитието на металургията през 18-ти и 19-ти век започват първите изследвания върху влиянието на фосфора върху свойствата на стоманата. Установява се, че съдържанието на химически примеси в стоманата може значително да повлияе на нейната механика. Изследователи във Великобритания и Германия започват да разработват методи за контрол на количеството фосфор в железните сплави, като осъзнават както неговите полезни, така и отрицателни ефекти.
През 20-ти век напредъкът в металургичните технологии доведе до разработването на прецизни методи за контрол на съдържанието на фосфор в стоманите , което позволи съзнателно управление на неговото присъствие в зависимост от приложението на материала. Установено е, че малки количества фосфор подобряват устойчивостта на атмосферна корозия , но излишъкът от фосфор може да доведе до крехкост, особено при ниски температури.
В момента контролирането на съдържанието на фосфор в стоманите е ключов елемент от металургичните процеси, а изследванията върху този елемент са насочени към по-нататъшно оптимизиране на неговия ефект върху свойствата на материалите.
Влиянието на фосфора върху свойствата на стоманата
Фосфорът играе двойна роля в металургията на стоманата – в някои случаи е желана добавка, докато в други излишъкът му е силно нежелан. Неговото присъствие влияе върху свойства като якост, твърдост, обработваемост и устойчивост на корозия , но може също така да причини крехкост и да намали пластичността на материала.
Разтворимост на фосфор в стомана
Фосфорът се разтваря лесно в желязната структура:
- В α желязо (ферит) – разтворимостта е приблизително 2,5%,
- В γ желязо (аустенит) – разтворимостта е само 0,5%.
Поради тази причина фосфорът най-често се среща в стоманите в разтворена форма във ферит, което оказва значително влияние върху механичните им свойства.
Положителни ефекти от наличието на фосфор в стоманата
Подобрена устойчивост на атмосферна корозия – особено в нисколегирани стомани, използвани в среди, изискващи защита от атмосферни условия.
Повишена твърдост и здравина – фосфорът подобрява якостните свойства, особено при нисковъглеродните стомани.
По-добра закаляемост – стоманата с добавка на фосфор се втвърдява по-лесно, което е предимство в приложения, изискващи висока повърхностна якост.
Подобрена обработваемост – в автоматните стомани фосфорът улеснява машинната обработка, което повишава ефективността на производствените процеси.
Отрицателни ефекти от излишния фосфор в стоманата
Крехкост при ниски температури – прекомерните количества фосфор намаляват устойчивостта на стоманата на удар и динамични натоварвания.
Намалена пластичност – фосфорът увеличава крехкостта, което може да доведе до пукнатини в стоманените конструкции.
Отрицателно въздействие върху динамичните свойства – стоманата с прекомерни количества фосфор може да е податлива на умора на материала, което съкращава експлоатационния ѝ живот.
Контрол на съдържанието на фосфор в различни марки стомана
Конструкционни стомани и високо качество
В стоманите, използвани в строителството, аерокосмическата индустрия и прецизните механизми, съдържанието на фосфор е строго контролирано . При тези марки се полагат усилия за минимизиране на съдържанието на фосфор до под 0,03% , а в някои случаи дори до 0,01% , за да се избегнат неблагоприятни ефекти като нискотемпературно крехкост.
Автоматни стомани
В автоматните стомани, предназначени за лесна машинна обработка, фосфорът се добавя целенасочено в количества до 0,1%, за да се подобри машинната им обработка. Това позволява прецизната обработка на компоненти като винтове, валове, гайки и втулки , което е от съществено значение за масовото производство.
Корозионноустойчиви стомани
Някои неръждаеми стомани могат да съдържат и малки количества фосфор, за да подобрят обработваемостта и да увеличат устойчивостта си на корозивни среди. В тези стомани обаче съдържанието на фосфор е строго контролирано, за да се гарантира, че не влияе отрицателно върху структурата на сплавта.
Методи за намаляване на фосфора в стоманите
Наличието на фосфор в стоманите може да бъде намалено на различни етапи от производството:
Процес на доменна пещ – по време на топенето на чугун се използват специални шлаки, които свързват фосфора и го отстраняват от метала.
Правилно рафиниране – в кофражните пещи и конверторите се използват технологии за дегазация и добавки за шлака, които намаляват фосфора до ниво, съответстващо на изискванията за качество.
Вторични металургични процеси - като например вакуумно дегазиране (VOD, VIM) позволяват по-нататъшно пречистване на стоманата от излишен фосфор.
Фосфорът е ключов легиращ елемент , който може да подобри или влоши свойствата на стоманата в зависимост от количеството му и приложението на материала.
W нисковъглеродни и леснорежещи се стомани подобрява устойчивост на корозия, обработваемост и нрав.
W високовъглеродни стомани i конструкционни стомани Излишъкът му причинява крехкост и намалява пластичността.
Следователно, прецизният контрол на съдържанието на фосфор в стоманите е ключов елемент от съвременната металургия. Подходящите технологии за отстраняване или целенасочено добавяне на фосфор позволяват получаването на материали с оптимални механични параметри , съобразени със специфичните индустриални изисквания.
Желязо въглища Chrom Никел Ванадий Манган Силиций молибден волфрам Мед Титан Алуминий Kobalt ниобий фосфор Сяра Кислород азот