Fosfor u metalurgiji – historija, utjecaj na čelik i metode kontrole
Historijski pregled
Fosfor kao hemijski element otkrio je 1669. godine njemački alhemičar Henning Brand . Do ovog otkrića došlo je tokom eksperimenata u pokušaju stvaranja kamena mudraca , koji bi, prema vjerovanju alhemičara, pretvarao neplemenite metale u zlato. Brand je bio zainteresiran za hemijske procese koji se odvijaju u urinu, što ga je navelo da dobije fosfor zagrijavanjem i destilacijom urina . Kao rezultat toga, dobio je supstancu koja je svijetlila u mraku zbog fosforescencije – otuda i naziv elementa, izveden od grčke riječi "phōsphoros ", što znači "onaj koji donosi svjetlost ".
Razvojem metalurgije u 18. i 19. vijeku započela su prva istraživanja o uticaju fosfora na svojstva čelika. Otkriveno je da sadržaj hemijskih dodataka u čeliku može značajno uticati na njegovu mehaniku. Istraživači u Velikoj Britaniji i Njemačkoj počeli su razvijati metode za kontrolu količine fosfora u legurama željeza, prepoznajući i njegove korisne i negativne efekte.
U 20. vijeku, napredak metalurške tehnologije doveo je do razvoja preciznih metoda za kontrolu sadržaja fosfora u čelicima , omogućavajući svjesno upravljanje njegovim prisustvom u zavisnosti od primjene materijala. Otkriveno je da male količine fosfora poboljšavaju otpornost na atmosfersku koroziju , ali višak fosfora može dovesti do krhkosti, posebno na niskim temperaturama.
Trenutno je kontrola sadržaja fosfora u čelicima ključni element metalurških procesa, a istraživanje ovog elementa usmjereno je na daljnju optimizaciju njegovog utjecaja na svojstva materijala.
Utjecaj fosfora na svojstva čelika
Fosfor igra dvostruku ulogu u metalurgiji čelika – u nekim slučajevima je poželjan dodatak, dok je u drugima njegov višak krajnje nepoželjan. Njegovo prisustvo utiče na svojstva kao što su čvrstoća, tvrdoća, obradivost i otpornost na koroziju , ali također može uzrokovati krhkost i smanjiti duktilnost materijala.
Rastvorljivost fosfora u čeliku
Fosfor se lako rastvara u strukturi željeza:
- U α željezu (feritu) – rastvorljivost je približno 2,5%,
- U γ željezu (austenitu) – rastvorljivost je samo 0,5%.
Zbog toga se fosfor u čelicima najčešće nalazi u rastvorenom obliku u feritu, što ima značajan uticaj na njihova mehanička svojstva.
Pozitivni efekti prisustva fosfora u čeliku
Poboljšana otpornost na atmosfersku koroziju – posebno kod niskolegiranih čelika koji se koriste u okruženjima koja zahtijevaju zaštitu od vremenskih uslova.
Povećana tvrdoća i čvrstoća – fosfor poboljšava svojstva čvrstoće, posebno kod niskougljičnih čelika.
Bolja prokaljivost – čelik s dodatkom fosfora lakše se kali, što je prednost u primjenama koje zahtijevaju visoku površinsku čvrstoću.
Poboljšana obradivost – kod lakoreznih čelika, fosfor olakšava obradu, što povećava efikasnost proizvodnih procesa.
Negativni efekti viška fosfora u čeliku
Krhkost na niskim temperaturama – prekomjerne količine fosfora smanjuju otpornost čelika na udar i dinamička opterećenja.
Smanjena plastičnost – fosfor povećava krhkost, što može dovesti do pukotina u čeličnim konstrukcijama.
Negativan utjecaj na dinamička svojstva – čelik s prekomjernim količinama fosfora može biti podložan zamoru materijala, što skraćuje njegov vijek trajanja.
Kontrola sadržaja fosfora u različitim vrstama čelika
Konstrukcijski čelici i visoke kvalitete
Kod čelika koji se koriste u građevinarstvu, vazduhoplovnoj industriji i preciznim mehanizmima, sadržaj fosfora je strogo kontrolisan . Kod ovih vrsta čelika, ulažu se napori da se sadržaj fosfora svede na ispod 0,03% , a u nekim slučajevima čak i na 0,01% , kako bi se izbjegli nepovoljni efekti poput krhkosti na niskim temperaturama.
Čelici za slobodno rezanje
U lako obrađivanim čelicima namijenjenim za laku obradu, fosfor se namjerno dodaje u količinama do 0,1% kako bi se poboljšala obradivost. To omogućava preciznu obradu komponenti poput vijaka, osovina, matica i čahura , što je neophodno za masovnu proizvodnju.
Čelici otporni na koroziju
Neki nehrđajući čelici mogu sadržavati i male količine fosfora kako bi se poboljšala obradivost i povećala otpornost na korozivne okoline. Međutim, kod ovih čelika sadržaj fosfora je strogo kontroliran kako bi se osiguralo da ne utječe negativno na strukturu legure.
Metode smanjenja fosfora u čelicima
Prisustvo fosfora u čelicima može se smanjiti u različitim fazama proizvodnje:
Proces u visokoj peći – tokom topljenja sirovog željeza koriste se posebne troske koje vežu fosfor i uklanjaju ga iz metala.
Pravilno rafiniranje – u lončanim pećima i konvertorima koriste se tehnologije degazacije i aditivi za trosku, koji smanjuju fosfor na nivo koji je u skladu sa zahtjevima kvaliteta.
Sekundarni metalurški procesi - kao što su vakuumska degazacija (VOD, VIM) omogućavaju dalje prečišćavanje čelika od viška fosfora.
Fosfor je ključni legirajući element koji može poboljšati ili pogoršati svojstva čelika ovisno o njegovoj količini i primjeni materijala.
W niskougljični i lakorezni čelici poprawia otpornost na koroziju, obradivost i temperament.
W visokougljični čelici i konstrukcijski čelici Njegov višak uzrokuje krhkost i smanjuje plastičnost.
Stoga je precizna kontrola sadržaja fosfora u čelicima ključni element moderne metalurgije. Odgovarajuće tehnologije za uklanjanje ili namjerno dodavanje fosfora omogućavaju dobijanje materijala s optimalnim mehaničkim parametrima , prilagođenim specifičnim industrijskim zahtjevima.
Iron Vengiel hrom Nikl Vanadijum mangan Krzem molibden volfram Bakar Tytan Glin kobalt niobij fosfor Siarka Kiseonik azot