Φώσφορος στη μεταλλουργία – ιστορία, επιπτώσεις στον χάλυβα και μέθοδοι ελέγχου
Ιστορικό περίγραμμα
Ο φώσφορος ως χημικό στοιχείο ανακαλύφθηκε το 1669 από τον Γερμανό αλχημιστή Χένινγκ Μπραντ . Αυτή η ανακάλυψη έγινε κατά τη διάρκεια πειραμάτων που επιχειρούσαν να δημιουργήσουν τη φιλοσοφική λίθο , η οποία, σύμφωνα με τις πεποιθήσεις των αλχημιστών, θα μετέτρεπε τα βασικά μέταλλα σε χρυσό. Ο Μπραντ ενδιαφερόταν για τις χημικές διεργασίες που συμβαίνουν στα ούρα, κάτι που τον οδήγησε στην απόκτηση φωσφόρου με θέρμανση και απόσταξη ούρων . Ως αποτέλεσμα, απέκτησε μια ουσία που έλαμπε στο σκοτάδι λόγω φωσφορισμού - εξ ου και το όνομα του στοιχείου, που προέρχεται από την ελληνική λέξη «φώσφορος », που σημαίνει «αυτός που φέρνει το φως ».
Με την ανάπτυξη της μεταλλουργίας τον 18ο και 19ο αιώνα, ξεκίνησαν οι πρώτες μελέτες σχετικά με την επίδραση του φωσφόρου στις ιδιότητες του χάλυβα. Ανακαλύφθηκε ότι η περιεκτικότητα σε χημικά μείγματα στον χάλυβα θα μπορούσε να επηρεάσει σημαντικά τη μηχανική του λειτουργία. Ερευνητές στη Μεγάλη Βρετανία και τη Γερμανία άρχισαν να αναπτύσσουν μεθόδους για τον έλεγχο της ποσότητας φωσφόρου στα κράματα σιδήρου, αναγνωρίζοντας τόσο τις ευεργετικές όσο και τις αρνητικές του επιδράσεις.
Τον 20ό αιώνα, οι πρόοδοι στην μεταλλουργική τεχνολογία οδήγησαν στην ανάπτυξη ακριβών μεθόδων για τον έλεγχο της περιεκτικότητας σε φώσφορο στους χάλυβες , επιτρέποντας τη συνειδητή διαχείριση της παρουσίας του ανάλογα με την εφαρμογή του υλικού. Ανακαλύφθηκε ότι μικρές ποσότητες φωσφόρου βελτίωσαν την αντοχή στην ατμοσφαιρική διάβρωση , αλλά η περίσσεια φωσφόρου θα μπορούσε να οδηγήσει σε ευθραυστότητα, ειδικά σε χαμηλές θερμοκρασίες.
Επί του παρόντος, ο έλεγχος της περιεκτικότητας σε φώσφορο στους χάλυβες αποτελεί βασικό στοιχείο των μεταλλουργικών διεργασιών και η έρευνα σχετικά με αυτό το στοιχείο επικεντρώνεται στην περαιτέρω βελτιστοποίηση της επίδρασής του στις ιδιότητες των υλικών.
Η επίδραση του φωσφόρου στις ιδιότητες του χάλυβα
Ο φώσφορος παίζει διττό ρόλο στη μεταλλουργία του χάλυβα – σε ορισμένες περιπτώσεις είναι μια επιθυμητή προσθήκη, ενώ σε άλλες η περίσσεια του είναι εξαιρετικά ανεπιθύμητη. Η παρουσία του επηρεάζει ιδιότητες όπως η αντοχή, η σκληρότητα, η μηχανική κατεργασία και η αντοχή στη διάβρωση , αλλά μπορεί επίσης να προκαλέσει ευθραυστότητα και να μειώσει την ολκιμότητα του υλικού.
Διαλυτότητα φωσφόρου στον χάλυβα
Ο φώσφορος διαλύεται εύκολα στη δομή του σιδήρου:
- Σε σίδηρο α (φερρίτη) – η διαλυτότητα είναι περίπου 2,5%,
- Σε γ-σίδηρο (ωστενίτη) – η διαλυτότητα είναι μόνο 0,5%.
Για το λόγο αυτό, ο φώσφορος βρίσκεται συχνότερα στους χάλυβες σε διαλυμένη μορφή σε φερρίτη, γεγονός που έχει σημαντικό αντίκτυπο στις μηχανικές τους ιδιότητες.
Θετικές επιδράσεις της παρουσίας φωσφόρου στον χάλυβα
Βελτιωμένη αντοχή στην ατμοσφαιρική διάβρωση – ειδικά σε χάλυβες χαμηλής περιεκτικότητας σε κράματα που χρησιμοποιούνται σε περιβάλλοντα που απαιτούν προστασία από τις καιρικές συνθήκες.
Αυξημένη σκληρότητα και αντοχή – ο φώσφορος βελτιώνει τις ιδιότητες αντοχής, ειδικά σε χάλυβες χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα.
Καλύτερη σκληρότητα – ο χάλυβας με την προσθήκη φωσφόρου σκληραίνει ευκολότερα, κάτι που αποτελεί πλεονέκτημα σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλή επιφανειακή αντοχή.
Βελτιωμένη μηχανική κατεργασία – στους χάλυβες ελεύθερης κοπής, ο φώσφορος διευκολύνει την κατεργασία, γεγονός που αυξάνει την αποτελεσματικότητα των διαδικασιών παραγωγής.
Αρνητικές επιπτώσεις της περίσσειας φωσφόρου στον χάλυβα
Kruchość w niskich temperaturach – οι υπερβολικές ποσότητες φωσφόρου μειώνουν την αντοχή του χάλυβα σε κρούσεις και δυναμικά φορτία.
Μειωμένη πλαστικότητα – ο φώσφορος αυξάνει την ευθραυστότητα, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε ρωγμές στις χαλύβδινες κατασκευές.
Αρνητική επίδραση στις δυναμικές ιδιότητες – ο χάλυβας με υπερβολικές ποσότητες φωσφόρου μπορεί να είναι ευαίσθητος στην κόπωση του υλικού, η οποία μειώνει τη διάρκεια ζωής του.
Έλεγχος περιεκτικότητας σε φώσφορο σε διάφορες ποιότητες χάλυβα
Δομικοί χάλυβες i wysokiej jakości
Στους χάλυβες που χρησιμοποιούνται στις κατασκευές, την αεροδιαστημική βιομηχανία και τους μηχανισμούς ακριβείας, η περιεκτικότητα σε φώσφορο ελέγχεται αυστηρά . Σε αυτές τις ποιότητες, καταβάλλονται προσπάθειες για την ελαχιστοποίηση της περιεκτικότητας σε φώσφορο κάτω από 0,03% και, σε ορισμένες περιπτώσεις, ακόμη και στο 0,01% , για την αποφυγή δυσμενών επιπτώσεων όπως η ευθραυστότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες.
Χάλυβες ελεύθερης κοπής
Στους χάλυβες ελεύθερης κοπής που προορίζονται για εύκολη κατεργασία, ο φώσφορος προστίθεται σκόπιμα σε ποσότητες έως και 0,1% για βελτίωση της κατεργασιμότητας. Αυτό επιτρέπει την ακριβή κατεργασία εξαρτημάτων όπως βίδες, άξονες, παξιμάδια και δακτύλιοι , κάτι που είναι απαραίτητο για τη μαζική παραγωγή.
Χάλυβες ανθεκτικοί στη διάβρωση
Ορισμένοι ανοξείδωτοι χάλυβες ενδέχεται επίσης να περιέχουν μικρές ποσότητες φωσφόρου για τη βελτίωση της μηχανικής κατεργασίας και την αύξηση της αντοχής σε διαβρωτικά περιβάλλοντα. Ωστόσο, σε αυτούς τους χάλυβες, η περιεκτικότητα σε φώσφορο ελέγχεται αυστηρά για να διασφαλιστεί ότι δεν επηρεάζει αρνητικά τη δομή του κράματος.
Μέθοδοι μείωσης του φωσφόρου σε χάλυβες
Η παρουσία φωσφόρου στους χάλυβες μπορεί να μειωθεί σε διάφορα στάδια της παραγωγής:
Διαδικασία υψικαμίνου – κατά την τήξη χυτοσιδήρου, χρησιμοποιούνται ειδικές σκωρίες που δεσμεύουν τον φώσφορο και τον απομακρύνουν από το μέταλλο.
Σωστή διύλιση – σε φούρνους με κάδο και μετατροπείς, χρησιμοποιούνται τεχνολογίες απαερίωσης και πρόσθετα σκωρίας, τα οποία μειώνουν τον φώσφορο σε επίπεδο που συνάδει με τις απαιτήσεις ποιότητας.
Δευτερογενείς μεταλλουργικές διεργασίες - όπως απαέρωση κενού (VOD, VIM) επιτρέπουν τον περαιτέρω καθαρισμό του χάλυβα από την περίσσεια φωσφόρου.
Ο φώσφορος είναι ένα βασικό στοιχείο κράματος που μπορεί να βελτιώσει ή να επιδεινώσει τις ιδιότητες του χάλυβα ανάλογα με την ποσότητά του και την εφαρμογή του υλικού.
W χάλυβες χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα και ελεύθερης κοπής poprawia αντοχή στη διάβρωση, μηχανική κατεργασία και ιδιοσυγκρασία.
W χάλυβες υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα i δομικοί χάλυβες η περίσσειά του προκαλεί ευθραυστότητα και μειώνει την πλαστικότητα.
Συνεπώς, ο ακριβής έλεγχος της περιεκτικότητας σε φώσφορο στους χάλυβες αποτελεί βασικό στοιχείο της σύγχρονης μεταλλουργίας. Οι κατάλληλες τεχνολογίες για την αφαίρεση ή την σκόπιμη προσθήκη φωσφόρου επιτρέπουν την απόκτηση υλικών με βέλτιστες μηχανικές παραμέτρους , προσαρμοσμένων στις συγκεκριμένες βιομηχανικές απαιτήσεις.
Σίδερο Κάρβουνο χρώμιο Νικέλιο Βανάδιο Μαγγάνιο Πυρίτιο μολυβδαίνιο βολφράμιο χαλκός Τιτάνιο Αλουμίνιο κοβάλτιο Νιόβ Φώσφορος σιάρκα Οξυγόνο άζωτο