S – Sumpor (sumpor) u čelicima, karakteristike

Sumpor (S) u čeliku – uticaj na svojstva, MnS, obradivost i primjenu

Sumpor (S) je jedan od elemenata čiji je sadržaj u čeliku strogo kontroliran. U većini vrsta čelika smatra se nepoželjnim elementom jer može smanjiti duktilnost, udarnu čvrstoću, otpornost na zamor i poprečna svojstva. Međutim, postoji važan izuzetak: čelici za obradu lakom i čelici sa povećanom obradivošću, u kojem se kontrolirani sadržaj sumpora namjerno koristi za proizvodnju sulfidnih inkluzija koje olakšavaju obradu.
Utjecaj sumpora na čelik ne može se procijeniti isključivo na osnovu njegovog procentualnog sadržaja. Sljedeće je također vrlo važno: mangan, odnos Mn/S, metoda deoksidacije čelika, sadržaj kisika, brzina skrućivanja i veličina, oblik i raspodjela nastalih sulfidnih inkluzija.

Sumpor – osnovne informacije

Sumpor je hemijski element sa simbolom S i atomski broj 16. U prirodi se javlja i u izvornom stanju i u brojnim mineralima, prvenstveno sulfidima i sulfatima. Sa metalurške tačke gledišta, najvažniji je njegov visoki hemijski afinitet za mnoge metale i sposobnost formiranja sulfida, uključujući željezni sulfid FeS i manganov sulfid MnS.
U proizvodnji čelika, sumpor se može dobiti iz metalurških sirovina, goriva, otpada i materijala koji se koriste u procesu topljenja. Kod modernih kvalitetnih čelika, njegova količina se smanjuje procesima rafiniranja i odsumporavanja, dok se kod čelika namijenjenih za mašinsku obradu može dodati ili ostaviti na namjerno povišenim nivoima.

Historija otkrića i upotrebe sumpora

Sumpor je jedan od elemenata poznatih čovjeku od davnina. Korišten je u Egiptu, Mezopotamiji, Grčkoj i Rimu, između ostalog, u medicinske, ritualne i dezinfekcijske svrhe. Njegovu upotrebu spominjali su antički autori, uključujući Homera i Plinija Starijeg.
Sumpor je dobio ogroman tehnološki značaj izumom crnog baruta, mješavine šalitre, drvenog uglja i sumpora. Ova tehnologija je prvo razvijena u Kini, a zatim se proširila na druge dijelove svijeta.
U 18. vijeku, Antoine Lavoisier je klasifikovao sumpor kao hemijski element, a razvoj moderne hemije omogućio je detaljnije razumijevanje njegovih spojeva i reakcija. U 19. vijeku, proizvodnja sumporne kiseline dobila je na posebnom značaju, postajući jedan od fundamentalnih proizvoda hemijske industrije.
Trenutno se sumpor i njegovi spojevi koriste u hemijskoj industriji, proizvodnji gnojiva, gume, farmaceutskih proizvoda, sredstava za zaštitu bilja i tehnologijama skladištenja energije, između ostalog. Međutim, važnost sumpora u crnoj metalurgiji je posebno značajna, jer čak i relativno male količine mogu značajno utjecati na tehnološka i funkcionalna svojstva čelika.

Sumpor u sistemu željezo-sumpor

Rastvorljivost sumpora u čvrstoj materiji željezo je mali. Stoga je sumpor prisutan u čeliku vezan prvenstveno u obliku sulfidnih inkluzija.
U slučaju nedovoljne količine mangana, može doći do njegovog formiranja željezni sulfid FeSPosebno je nepovoljno zbog mogućnosti stvaranja komponenti s niskom tačkom topljenja u intergranularnim područjima. Tokom vruće plastične obrade, to može dovesti do brzog smanjenja duktilnosti i stvaranja pukotina poznatih kao vruća kratkoća.
Ovaj fenomen je bio jedan od glavnih razloga za uvođenje mangan kao standardna komponenta većine čelika. Mangan ima veći afinitet za sumpor nego željezo i pogoduje njegovom vezivanju u obliku mnogo stabilnijeg mangan sulfida MnS.

Sumpor i mangan – formiranje MnS

Mangan sulfid (MnS) je najvažniji oblik sumpora koji se nalazi u mnogim čelicima. Prisustvo odgovarajuće količine mangana ograničava stvaranje nepovoljnog FeS, a sumpor se veže u obliku nemetalnih MnS inkluzija.
Međutim, to ne znači da je MnS potpuno neutralan prema svojstvima materijala. Ove inkluzije mogu se značajno izdužiti u smjeru plastične deformacije tokom valjanja i kovanja. To stvara karakteristične trake ili izdužene sulfidne inkluzije koje utiču na mehanička svojstva čelika.
Stoga se u modernoj metalurgiji ne kontroliše samo ukupni sadržaj sumpora, već i morfologija, veličina i distribucija MnS.

Utjecaj sumpora na obradivost čelika

Najvažnije korisno svojstvo sumpora je njegova sposobnost da poboljšanje obradivosti čelikaOvaj efekat je prvenstveno povezan sa prisustvom inkluzija MnS.
Tokom rezanja, inkluzije mangan sulfida olakšavaju lokalizaciju deformacije i loma materijala u zoni formiranja strugotine. To rezultira:

• strugotine mogu biti kraće i lakše se uklanjaju,
• smanjuju se sile rezanja,
• trenje između strugotine i alata može se smanjiti,
• moguće je povećati brzinu obrade,
• izdržljivost alata se može poboljšati,
• Efikasnost serijske proizvodnje na automatskim strugovima i CNC centrima se povećava.

Stoga, inkluzije MnS nisu doslovno "lubrikant" koji se nalazi u čeliku. Njihov učinak je složeniji i prvenstveno uključuje olakšavanje nastanka i širenja mikropukotina u zoni smicanja, promjenu uvjeta trenja i olakšavanje lomljenja strugotine.

Čelici za obradu lakom i čelici sa povećanim sadržajem sumpora

W čelici za obradu lakom Povećani sadržaj sumpora je namjerni element hemijskog sastava. Ovi materijali su prvenstveno namijenjeni brzoj i efikasnoj proizvodnji velikih serija obrađenih dijelova.
U zavisnosti od klase i standarda, sadržaj sumpora može biti mnogo puta veći nego kod tipičnih konstrukcijskih ili kvalitetnih čelika. Međutim, jedna univerzalna vrijednost sadržaja sumpora ne bi trebala biti usvojena za sve lakorezne čelike – njen dozvoljeni ili potrebni raspon zavisi od specifične klase.
Čelici sa povećanom obradivošću koriste se, između ostalog, za proizvodnju:

• vijci i matice,
• klinovi i vijci,
• rukavi,
• valjci,
• konektori i navojni elementi,
• dijelovi izrađeni na automatskim tokarilicama,
• visokoserijski precizni dijelovi.

Negativan uticaj sumpora na mehanička svojstva

Tehnološka prednost MnS-a ima svoju cijenu. Kod čelika koji zahtijevaju visoku udarnu čvrstoću, duktilnost, otpornost na zamor ili vrlo dobru zavarljivost, sadržaj sumpora je obično ograničen.
Izdužene MnS inkluzije mogu djelovati kao mjesta koncentracije napona i mjesta nastanka mikropukotina. Posljedično, povećani sadržaj sumpora ili nepovoljna morfologija sulfida mogu uzrokovati:

• smanjenje udarne čvrstoće,
• pogoršanje duktilnosti u poprečnom smjeru,
• smanjena otpornost na pucanje,
• pogoršanje svojstava otpornosti na zamor,
• povećanje anizotropije mehaničkih svojstava.

Sumpor i anizotropija svojstava čelika

Tokom valjanja, plastični MnS inkluzije mogu se značajno izdužiti u smjeru valjanja. Kao rezultat toga, svojstva materijala mjerena u uzdužnom smjeru mogu se razlikovati od onih u poprečnom i kratkom poprečnom smjeru.

Ovo je posebno važno za debele ploče, otkivke, strukturne komponente i dijelove izložene višeosnim opterećenjima. Stoga se kod čelika namijenjenih za kritične konstrukcije prati ne samo sadržaj S, već i metalurška čistoća i priroda nemetalnih inkluzija.

Sumpor i zavarljivost čelika

Povećani sadržaj sumpora je također nepovoljan sa stanovišta zavarljivostSumpor može povećati podložnost materijala vrućim pukotinama tokom skrućivanja zavara, posebno kada se istovremeno javljaju nepovoljan hemijski sastav, segregacija elemenata i naponi skupljanja.
Iz tog razloga, čelici namijenjeni za kritične zavarene konstrukcije obično imaju strogo ograničen sadržaj sumpora. Nizak sadržaj sumpora jedan je od ključnih elemenata za postizanje visoke metalurške čistoće.

Sumpor i udarna čvrstoća i otpornost na zamor

Sulfidne inkluzije mogu djelovati kao mjesta nastanka pukotina pod statičkim i cikličkim opterećenjem. Veliki i jako izduženi MnS su posebno nepovoljni.
Učinak sumpora stoga ne zavisi samo od njegovog sadržaja već i od geometrije inkluzija. Manje i kuglastije inkluzije obično proizvode manju anizotropiju od dugih MnS traka formiranih tokom plastične obrade.

Sumpor i otpornost nehrđajućeg čelika na koroziju

U slučaju nehrđajući čelik Važnost sumpora je posebno zanimljiva. Inkluzije MnS mogu biti mjesta preferencijalne inicijacije. rupičasta korozija.
U agresivnim okruženjima, posebno onima koja sadrže hloride, rastvaranje MnS inkluzija može dovesti do lokalne destabilizacije pasivnog sloja i stvaranja okruženja pogodnog za razvoj tačkaste korozije.
Stoga, nehrđajući čelici s poboljšanom obradivošću mogu pokazati slabiju otpornost na koroziju uslijed rupičastog djelovanja u odnosu na odgovarajuće klase s nižim sadržajem sumpora. Ovo je klasičan kompromis između obradivost i otpornost na koroziju.

Morfologija MnS inkluzija

Svojstva čelika uveliko zavise od oblika sulfidnih inkluzija. Metalurška literatura razlikuje različite morfološke tipove MnS, povezane s faktorima kao što su metoda deoksidacije, sadržaj kisika i uslovi skrućivanja.
Nakon plastične obrade, stepen izduženja sulfida je posebno važan. Duge MnS trake mogu značajno narušiti transverzalna svojstva, dok su globularne inkluzije povoljnije za izotropiju materijala.

Modifikacija sulfida kalcijem

Jedna od metoda za ograničavanje štetnih efekata produženog MnS-a je modifikacija inkluzija kalcijemTretman tekućeg čelika kalcijem može dovesti do stvaranja složenijih inkluzija koje sadrže, između ostalog, CaS i (Mn,Ca)S.
Kalcijumom modificirani inkluziji su obično manje podložni izduženju tokom valjanja nego čisti MnS. To smanjuje anizotropiju i poboljšava neka od funkcionalnih svojstava materijala. Kontrola takvih inkluzija trenutno je važan element metalurgije visokokvalitetnog čelika.
Drugi elementi sa visokim afinitetom za sumpor, uključujući rijetkozemne elemente, magnezijum ili cirkonijum, takođe se mogu koristiti za modifikaciju inkluzija.

Desulfurizacija čelika

Visokokvalitetni čelici teže ka što nižem sadržaju sumpora. Redukcija sumpora počinje tokom pripreme sirovog željeza i nastavlja se kroz naredne faze procesa proizvodnje čelika.
Desulfurizacija koristi reakciju sumpora sa komponentama osnovne troske i elementima sa visokim afinitetom za sumpor. Odgovarajući sastav i alkalnost troske, niska aktivnost kisika i intenzivno miješanje tekućeg čelika i troske su ključni.
Moderna sekundarna metalurgija omogućava postizanje vrlo niskog sadržaja sumpora potrebnog, između ostalog, kod čelika namijenjenih za odgovornu gradnju, energetiku, industriju pod pritiskom i druge primjene koje zahtijevaju visoku metaluršku čistoću.

Da li je sumpor u čeliku koristan ili štetan?

Nema jednog odgovora. Sve zavisi od namjene materijala.

Važnost sumpora u modernoj metalurgiji

Sumpor je dobar primjer elementa čiji se utjecaj na čelik ne može jednostavno definirati kao "dobar" ili "loš". Kod konstrukcijskih čelika, čelika otpornih na pritisak, alatnih čelika i mnogih specijalnih čelika, obično se ulažu napori da se ograniči njegov sadržaj. Međutim, kod lakoreznih čelika, povećani sadržaj S se namjerno koristi kako bi se poboljšala obradivost.
Čak i važnije od samog sadržaja sumpora može biti oblik u kojem se on javlja u materijalu. FeS, izduženi MnS i fine, prikladno modificirane inkluzije sulfida mogu proizvesti potpuno različite tehnološke efekte. Stoga se moderna metalurgija ne fokusira samo na odsumporavanje već i na inženjerstvo nemetalnih inkluzija – kontrolisanje njihovog sastava, veličine, oblika i distribucije.
Konačni sadržaj sumpora u čeliku je stoga kompromis između zahtjeva za obradivost, duktilnost, udarnu žilavost, otpornost na zamor, zavarljivost i otpornost na koroziju.
Ukratko, sumpor je dvostruki element u metalurgiji čelika. Kod lako obradivih čelika, njegovo prisustvo je ključno za poboljšanje njihovih tehnoloških svojstava, dok je kod drugih vrsta čelika potrebna precizna kontrola ili potpuno uklanjanje. Pravilno upravljanje sadržajem sumpora u proizvodnim procesima omogućava prilagođavanje svojstava čelika specifičnim industrijskim potrebama, uz minimiziranje njegovog negativnog utjecaja na mehanička i tehnološka svojstva materijala.

Iron Vengiel hrom Nikl Vanadijum mangan Krzem molibden volfram Bakar Tytan Glin kobalt niobij fosfor Siarka Kiseonik azot