Fosfor metallurgias – ajalugu, mõju terasele ja kontrollimeetodid
Ajalooline ülevaade
Fosfori kui keemilise elemendi avastas 1669. aastal saksa alkeemik Henning Brand . See avastus tehti katsete käigus, mille eesmärk oli luua tarkade kivi , mis alkeemikute uskumuste kohaselt muudaks baasmetallid kullaks. Brandi huvitasid uriinis toimuvad keemilised protsessid, mis ajendasid teda fosfori saamiseni uriini kuumutamise ja destilleerimise teel . Selle tulemusena sai ta aine, mis helendas pimedas fosforestsentsi tõttu – sellest ka elemendi nimetus, mis on tuletatud kreekakeelsest sõnast "phōsphoros ", mis tähendab "valgusekandja ".
Metallurgia arenguga 18. ja 19. sajandil alustati esimeseid uuringuid fosfori mõju kohta terase omadustele. Avastati, et terase keemiliste lisandite sisaldus võib oluliselt mõjutada selle mehaanikat. Suurbritannia ja Saksamaa teadlased hakkasid välja töötama meetodeid fosfori hulga kontrollimiseks rauasulamites, tunnistades nii selle kasulikke kui ka negatiivseid mõjusid.
20. sajandil viisid metallurgiatehnoloogia edusammud teraste fosforisisalduse täpsete kontrollimeetodite väljatöötamiseni , mis võimaldasid selle olemasolu teadlikku reguleerimist olenevalt materjali rakendusest. Avastati, et väikesed fosforikogused parandasid vastupidavust atmosfäärikorrosioonile , kuid liigne fosfor võis põhjustada haprust, eriti madalatel temperatuuridel.
Praegu on terase fosforisisalduse kontrollimine metallurgiliste protsesside võtmeelement ning selle elemendi uuringud keskenduvad selle mõju edasisele optimeerimisele materjali omadustele.
Fosfori mõju terase omadustele
Fosforil on terasetallurgias kahetine roll – mõnel juhul on see soovitav lisand, samas kui teistel juhtudel on selle liig väga ebasoovitav. Selle olemasolu mõjutab selliseid omadusi nagu tugevus, kõvadus, töödeldavus ja korrosioonikindlus , kuid see võib põhjustada ka rabedust ja vähendada materjali venivust.
Fosfori lahustuvus terases
Fosfor lahustub raua struktuuris kergesti:
- α-rauas (ferriidis) – lahustuvus on ligikaudu 2,5%,
- Γ-rauas (austeniit) – lahustuvus on ainult 0,5%.
Sel põhjusel leidub fosforit terastes kõige sagedamini ferriidi lahustunud kujul, millel on oluline mõju nende mehaanilistele omadustele.
Fosfori olemasolu positiivne mõju terasele
Parem vastupidavus atmosfääri korrosioonile – eriti madallegeeritud teraste puhul, mida kasutatakse ilmastikutingimuste eest kaitsmist vajavates keskkondades.
Suurem kõvadus ja tugevus – fosfor parandab tugevusomadusi, eriti madala süsinikusisaldusega teraste puhul.
Parem karastatavus – fosforilisandiga terast on kergem karastada, mis on eeliseks rakendustes, mis nõuavad suurt pinnatugevust.
Parem töödeldavus – automaaditerasestes hõlbustab fosfor töötlemist, mis suurendab tootmisprotsesside efektiivsust.
Liigse fosfori negatiivne mõju terasele
Haprus madalatel temperatuuridel – liigne fosforikogus vähendab terase vastupidavust löökidele ja dünaamilistele koormustele.
Vähendatud plastilisus – fosfor suurendab rabedust, mis võib teraskonstruktsioonides pragusid tekitada.
Negatiivne mõju dünaamilistele omadustele – liiga fosforisisaldusega teras võib olla vastuvõtlik materjali väsimusele, mis lühendab selle kasutusiga.
Fosforisisalduse kontroll erinevates teraseklassides
Konstruktsiooniterased ja kõrge kvaliteet
Ehituses, lennunduses ja täppismehhanismides kasutatavate teraste fosforisisaldust kontrollitakse rangelt . Nendes klassides püütakse fosforisisaldust minimeerida alla 0,03% ja mõnel juhul isegi 0,01%ni , et vältida ebasoodsaid mõjusid, näiteks madalatemperatuurset haprust.
Automaatlõikelised terased
Lihtsasti töödeldavate automaaditeraste puhul lisatakse tahtlikult fosforit kuni 0,1% ulatuses , et parandada töödeldavust. See võimaldab komponente, nagu kruvid, võllid, mutrid ja puksid, täpselt töödelda, mis on masstootmise jaoks hädavajalik.
Korrosioonikindlad terased
Mõned roostevabad terased võivad sisaldada ka väheses koguses fosforit, et parandada töödeldavust ja suurendada vastupidavust söövitavale keskkonnale. Nendes terastes kontrollitakse fosforisisaldust aga rangelt, et see ei mõjutaks negatiivselt sulami struktuuri.
Meetodid fosfori vähendamiseks terases
Fosfori sisaldust terases saab vähendada tootmise eri etappides:
Kõrgahju protsess – malmi sulatamisel kasutatakse spetsiaalseid räbusid, mis seovad fosforit ja eemaldavad selle metallist.
Nõuetekohane rafineerimine – kulpides ja konverterites kasutatakse degaseerimistehnoloogiaid ja räbulisandeid, mis vähendavad fosforit kvaliteedinõuetele vastavale tasemele.
Teisese metallurgiaprotsessid - näiteks vaakumdegaseerimine (VOD, VIM) võimaldavad terase edasist puhastamist liigsest fosforist.
Fosfor on peamine legeerelement , mis võib terase omadusi parandada või halvendada olenevalt selle kogusest ja materjali kasutusotstarbest.
W madala süsinikusisaldusega ja automaatse lõikamise terased poprawia korrosioonikindlus, töödeldavus ja temperament.
W kõrge süsinikusisaldusega terased i konstruktsiooniterased selle liig põhjustab rabedust ja vähendab plastilisust.
Seetõttu on terase fosforisisalduse täpne kontroll tänapäevase metallurgia võtmeelement. Sobivad fosfori eemaldamise või tahtliku lisamise tehnoloogiad võimaldavad saada optimaalsete mehaaniliste parameetritega materjale , mis on kohandatud konkreetsetele tööstuslikele nõuetele.
Raud Kivisüsi chrom Nikkel Vanaadium Mangaan Räni molübdeeni Wolfram Vask Titaan Alumiinium Kobalt Niob fosfor Väävel Hapnik lämmastik