Fosfori metallurgiassa – historia, vaikutus teräkseen ja valvontamenetelmät
Historiallinen yleiskatsaus
Fosforin kemiallisena alkuaineena löysi saksalainen alkemisti Henning Brand vuonna 1669. Löytö tehtiin kokeiden aikana, jolloin yritettiin luoda viisasten kiveä , joka alkemistien uskomusten mukaan muuttaisi perusmetalleja kullaksi. Brand oli kiinnostunut virtsassa tapahtuvista kemiallisista prosesseista, mikä johti hänet fosforin hankkimiseen kuumentamalla ja tislaamalla virtsaa . Tuloksena hän sai aineen, joka hohti pimeässä fosforesenssin ansiosta – tästä juontuu alkuaineen nimi, joka on johdettu kreikan sanasta "phōsphoros ", joka tarkoittaa "valontuojaa ".
Metallurgian kehittyessä 1700- ja 1800-luvuilla aloitettiin ensimmäiset tutkimukset fosforin vaikutuksesta teräksen ominaisuuksiin. Havaittiin, että teräksen kemiallisten lisäaineiden pitoisuus voi vaikuttaa merkittävästi sen mekaniikkaan. Ison-Britannian ja Saksan tutkijat alkoivat kehittää menetelmiä fosforin määrän hallitsemiseksi rautaseoksissa tunnistaen sekä sen hyödylliset että haitalliset vaikutukset.
1900-luvulla metallurgisen teknologian kehitys johti tarkkojen menetelmien kehittämiseen terästen fosforipitoisuuden säätelemiseksi , mikä mahdollisti sen läsnäolon tietoisen hallinnan materiaalin käyttötarkoituksesta riippuen. Havaittiin, että pienet fosforimäärät paransivat kestävyyttä ilmakehän korroosiota vastaan , mutta liiallinen fosfori voi johtaa haurastumiseen, erityisesti matalissa lämpötiloissa.
Tällä hetkellä terästen fosforipitoisuuden hallinta on keskeinen osa metallurgisia prosesseja, ja tätä alkuainetta koskeva tutkimus keskittyy sen vaikutuksen optimointiin materiaalien ominaisuuksiin.
Fosforin vaikutus teräksen ominaisuuksiin
Fosforilla on teräsmetallurgiassa kaksoisrooli – joissakin tapauksissa se on toivottava lisäaine, kun taas toisissa sen liikamäärä on erittäin ei-toivottu. Sen läsnäolo vaikuttaa ominaisuuksiin, kuten lujuuteen, kovuuteen, lastutavuuteen ja korroosionkestävyyteen , mutta se voi myös aiheuttaa haurautta ja vähentää materiaalin sitkeyttä.
Fosforin liukoisuus teräkseen
Fosfori liukenee helposti rautarakenteeseen:
- Α-raudassa (ferriitti) – liukoisuus on noin 2,5%,
- Γ-raudassa (austeniitissa) – liukoisuus on vain 0,5%.
Tästä syystä fosforia esiintyy teräksissä useimmiten liuenneena ferriitissä, jolla on merkittävä vaikutus niiden mekaanisiin ominaisuuksiin.
Fosforin läsnäolon myönteiset vaikutukset teräksessä
Parannettu kestävyys ilmakehän korroosiota vastaan – erityisesti niukkaseosteisissa teräksissä, joita käytetään sääolosuhteilta suojaavissa ympäristöissä.
Lisääntynyt kovuus ja lujuus – fosfori parantaa lujuusominaisuuksia, erityisesti vähähiilisten terästen osalta.
Parempi karkenevuus – fosforilisäyksellä varustettu teräs on helpompi karkaista, mikä on eduksi sovelluksissa, jotka vaativat suurta pintalujuutta.
Parannettu työstettävyys – automaattiteräksissä fosfori helpottaa työstöä, mikä lisää tuotantoprosessien tehokkuutta.
Teräksen liiallisen fosforin kielteiset vaikutukset
Kruchość w niskich temperaturach – liiallinen fosforipitoisuus heikentää teräksen iskunkestävyyttä ja dynaamisten kuormien kestävyyttä.
Vähentynyt plastisuus – fosfori lisää haurautta, mikä voi johtaa halkeamiin teräsrakenteissa.
Negatiivinen vaikutus dynaamisiin ominaisuuksiin – liikaa fosforia sisältävä teräs voi olla altis materiaalin väsymiselle, mikä lyhentää sen käyttöikää.
Fosforipitoisuuden hallinta eri teräslajeissa
Rakenneteräkset ja korkealaatuinen
Rakentamisessa, ilmailuteollisuudessa ja tarkkuusmekanismeissa käytettävien terästen fosforipitoisuutta valvotaan tarkasti . Näissä laaduissa fosforipitoisuus pyritään minimoimaan alle 0,03 %:iin ja joissakin tapauksissa jopa 0,01 %: iin , jotta vältetään epäsuotuisat vaikutukset, kuten matalan lämpötilan haurastuminen.
Automaattiset teräkset
Helppoon työstöön tarkoitettuihin automaattiteräksiin lisätään tarkoituksella fosforia jopa 0,1 %:n määrinä työstettävyyden parantamiseksi. Tämä mahdollistaa komponenttien, kuten ruuvien, akseleiden, mutterien ja holkkien , tarkan työstön, mikä on olennaista massatuotannossa.
Korroosionkestävät teräkset
Joissakin ruostumattomissa teräksissä voi olla myös pieniä määriä fosforia, joka parantaa lastuttavuutta ja lisää kestävyyttä korroosioympäristöissä. Näissä teräksissä fosforipitoisuutta kuitenkin valvotaan tarkasti, jotta se ei vaikuta negatiivisesti seoksen rakenteeseen.
Menetelmät fosforin vähentämiseksi teräksissä
Fosforin määrää teräksissä voidaan vähentää tuotannon eri vaiheissa:
Masuuniprosessi – Harkkoraudan sulatuksessa käytetään erityisiä kuonia, jotka sitovat fosforia ja poistavat sitä metallista.
Asianmukainen jalostus – senkkauuneissa ja konverttereissa käytetään kaasunpoistotekniikoita ja kuonalisäaineita, jotka vähentävät fosforin laatuvaatimusten mukaiselle tasolle.
Toissijaiset metallurgiset prosessit - kuten tyhjiökaasunpoisto (VOD, VIM) mahdollistavat teräksen puhdistamisen edelleen ylimääräisestä fosforista.
Fosfori on tärkeä seosaine , joka voi parantaa tai huonontaa teräksen ominaisuuksia määrästä ja materiaalin käyttötarkoituksesta riippuen.
W vähähiiliset ja automaattiteräkset poprawia korroosiota, työstettävyys ja luonne.
W runsashiiliset teräkset i rakenneteräkset sen liikakäyttö aiheuttaa haurautta ja vähentää plastisuutta.
Siksi terästen fosforipitoisuuden tarkka hallinta on nykyaikaisen metallurgian keskeinen osa. Asianmukaiset teknologiat fosforin poistamiseksi tai tarkoitukselliseksi lisäämiseksi mahdollistavat optimaalisten mekaanisten parametreiden omaavien materiaalien saamisen , jotka on räätälöity tiettyihin teollisuuden vaatimuksiin.
Rauta Hiili kromi Nikkeli Vanadiini Mangaani Pii molybdeeni volframi kupari- Titaani Alumiini koboltti niobium Fosfori Rikki Happi typpi