S – גופרית (sulphur) בפלדות, מאפיינים

גופרית (S) בפלדה - השפעה על תכונות, MnS, יכולת עיבוד שבבי ויישום

גופרית (S) הוא אחד היסודות שתכולתם בפלדה נשלטת בקפדנות. ברוב סוגי הפלדה, הוא נחשב ליסוד לא רצוי משום שהוא יכול להפחית את הגמישות, חוזק ההשפעה, עמידות לעייפות ותכונות רוחביות. עם זאת, ישנו יוצא מן הכלל חשוב: פלדות חיתוך חופשי ופלדות עם יכולת עיבוד משופרת, שבו נעשה שימוש מכוון בתכולת גופרית מבוקרת לייצור תכלילים גופרית המקלים על עיבוד שבבי.
לא ניתן להעריך את השפעת הגופרית על פלדה אך ורק על סמך תכולתה באחוזים. חשוב מאוד גם להלן: מַנגָן, יחס Mn/S, שיטת דחמצון הפלדה, תכולת חמצן, קצב התמצקות וגודל, צורה ופיזור תכלילים סולפידים שנוצרו.

גופרית - מידע בסיסי

גופרית היא יסוד כימי עם הסמל S ומספר אטומי 16. הוא מופיע בטבע הן במצבו המקורי והן במינרלים רבים, בעיקר סולפידים וסולפטים. מנקודת מבט מטלורגית, החשוב ביותר הוא הזיקה הכימית הגבוהה שלו למתכות רבות והיכולת ליצור סולפידים, כולל ברזל גופרתי FeS ומנגן גופרתי MnS.
בייצור פלדה, ניתן להפיק גופרית מחומרי גלם מתכתיים, דלקים, גרוטאות וחומרים המשמשים בתהליך ההתכה. בפלדות איכותיות מודרניות, כמותה מצטמצמת באמצעות תהליכי זיקוק והסרת גופרית, בעוד שבפלדות המיועדות לעיבוד שבבי, ניתן להוסיף אותה או להשאירה ברמות מוגברות במכוון.

ההיסטוריה של גילוי הגופרית והשימוש בה

גופרית היא אחד היסודות המוכרים לאדם מאז ימי קדם. היא שימשה במצרים, מסופוטמיה, יוון ורומא למטרות רפואיות, פולחן וחיטוי, בין היתר. השימוש בה הוזכר על ידי סופרים קדומים, כולל הומרוס ופליניוס הזקן.
גופרית צברה משמעות טכנולוגית עצומה עם המצאת אבק השחור, תערובת של מלח, פחם וגופרית. טכנולוגיה זו פותחה לראשונה בסין ולאחר מכן התפשטה לחלקים אחרים של העולם.
במאה ה-18, אנטואן לבואזייה סיווג גופרית כיסוד כימי, ופיתוח הכימיה המודרנית אפשר הבנה מפורטת יותר של תרכובותיה ותגובותיה. במאה ה-19, ייצור חומצה גופרתית קיבל חשיבות מיוחדת, והפך לאחד המוצרים הבסיסיים של התעשייה הכימית.
כיום, גופרית ותרכובותיה משמשות בתעשייה הכימית, בייצור דשנים, גומי, תרופות, מוצרים להגנת הצומח וטכנולוגיות אחסון אנרגיה, בין היתר. עם זאת, חשיבותה של גופרית במטלורגיה של ברזל משמעותית במיוחד, שכן אפילו כמויות קטנות יחסית יכולות להשפיע באופן משמעותי על התכונות הטכנולוגיות והפונקציונליות של פלדה.

גופרית במערכת ברזל-גופרית

מסיסות גופרית במוצק בַּרזֶל קטן. לכן, הגופרית הקיימת בפלדה קשורה בעיקר בצורת תכלילים גופריתיים.
במקרה של כמות לא מספקת של מנגן, הוא עלול להיווצר ברזל גופרתי FeSזה במיוחד לא טוב בגלל האפשרות ליצור רכיבים בעלי התכה נמוכה באזורים הבין-גרגיריים. במהלך עיבוד פלסטי חם, זה יכול להוביל לירידה מהירה בגמישות ולהיווצרות סדקים המכונים קוצר חם.
תופעה זו הייתה אחת הסיבות העיקריות להכנסה מַנגָן כמרכיב סטנדרטי ברוב הפלדות. למנגן יש זיקה גדולה יותר לגופרית מאשר לברזל והוא מעדיף את קישורו בצורה של גופרתי מנגן, MnS, שהוא הרבה יותר יציב.

גופרית ומנגן - יצירת MnS

מנגן גופרתי (MnS) היא הצורה החשובה ביותר של גופרית הנמצאת בפלדות רבות. נוכחות של כמות מתאימה של מנגן מגבילה את היווצרות FeS שלילי, והגופרית קשורה בצורת תכלילים לא מתכתיים של MnS.
עם זאת, אין פירוש הדבר ש-MnS ניטרלי לחלוטין לתכונות החומר. תכלילים אלה יכולים לעבור התארכות משמעותית בכיוון של דפורמציה פלסטית במהלך גלגול וחישול. זה יוצר פסים אופייניים או תכלילים גופרידים מוארכים המשפיעים על התכונות המכניות של הפלדה.
לכן, במטלורגיה המודרנית, לא רק תכולת הגופרית הכוללת נשלטת, אלא גם מורפולוגיה, גודל ופיזור של MnS.

השפעת הגופרית על יכולת העיבוד של פלדה

התכונה המועילה החשובה ביותר של גופרית היא יכולתה שיפור יכולת העיבוד של פלדההשפעה זו קשורה בעיקר לנוכחות של תכלילים MnS.
במהלך החיתוך, תכלילים של מנגן גופרתי מקלים על מיקום עיוות ושבר בחומר באזור היווצרות השבב. התוצאה היא:

• שבבים יכולים להיות קצרים יותר וקלים יותר להסרה,
• כוחות החיתוך יורדים,
• החיכוך בין השבב לכלי עשוי לרדת,
• ניתן להגביר את מהירות העיבוד,
• עמידות הכלים עשויה להשתפר,
• יעילות הייצור הסדרתי במחרטות אוטומטיות ובמרכזי CNC הולכת וגוברת.

לכן, תכלילים של MnS אינם פשוטו כמשמעו "חומר סיכה" המצוי בפלדה. השפעתם מורכבת יותר וכוללת בעיקר הקלה על ייזום והתפשטות של סדקים קטנים באזור הגזירה, שינוי תנאי החיכוך והקלה על שבירת שבבים.

פלדות חיתוך חופשי ופלדות עם תכולת גופרית מוגברת

W פלדות חיתוך חופשי תכולת הגופרית המוגברת היא מרכיב מכוון בהרכב הכימי. חומרים אלה מיועדים בעיקר לייצור מהיר ויעיל של קבוצות גדולות של חלקים מעובדים.
בהתאם לדרגה ולתקן, תכולת הגופרית יכולה להיות גבוהה פי כמה מאשר בפלדות מבניות או איכותיות טיפוסיות. עם זאת, אין לאמץ ערך תכולת גופרית אוניברסלי יחיד עבור כל פלדות החיתוך החופשי - הטווח המותר או הנדרש שלו תלוי בדרגה הספציפית.
פלדות בעלות יכולת עיבוד משופרת משמשות, בין היתר, לייצור:

• ברגים ואומים,
• פינים וברגים,
• שרוולים,
• גלילים,
• מחברים ואלמנטים מושחלים,
• חלקים המיוצרים במחרטות אוטומטיות,
• חלקים מדויקים בנפח גבוה.

ההשפעה השלילית של גופרית על תכונות מכניות

היתרון הטכנולוגי של MnS מגיע גם במחיר. בפלדות הדורשות חוזק פגיעה גבוה, גמישות, עמידות לעייפות או יכולת ריתוך טובה מאוד, תכולת הגופרית מוגבלת בדרך כלל.
תכלילים מוארכים של MnS יכולים לשמש כאתרי ריכוז מאמץ ואתרי התחלת סדקים מיקרוסקופיים. כתוצאה מכך, תכולת גופרית מוגברת או מורפולוגיה סולפידית שלילית עלולות לגרום ל:

• הפחתה בעוצמת הפגיעה,
• הידרדרות הגמישות בכיוון הרוחבי,
• עמידות מופחתת בפני סדקים,
• הידרדרות של תכונות עייפות,
• הגדלת האניסוטרופיה של תכונות מכניות.

תכונות גופרית ואניסוטרופיה של פלדה

במהלך גלגול, תכלילים מפלסטיק MnS יכולים להתארך באופן משמעותי בכיוון הגלגול. כתוצאה מכך, תכונות החומר הנמדדות בכיוון האורכי עשויות להיות שונות מאלה בכיוונים הרוחביים והרוחביים הקצרים.

זה חשוב במיוחד עבור לוחות עבים, חומרי חישול, רכיבים מבניים וחלקים הנתונים לעומסים רב-ציריים. לכן, בפלדות המיועדות למבנים קריטיים, מנוטרים לא רק תכולת ה-S אלא גם טוהר המתכת ואופי התכלילים הלא-מתכתיים.

גופרית ויכולת הריתוך של פלדה

תכולת גופרית מוגברת היא גם שלילית מנקודת מבט של רְתִיכוּתגופרית עשויה להגביר את הרגישות של החומר לסדיקה בחום במהלך התמצקות הריתוך, במיוחד כאשר מתרחשים בו זמנית מאמצי הרכב כימי שליליים, הפרדת אלמנטים והתכווצות.
מסיבה זו, פלדות המיועדות למבנים מרותכים קריטיים בדרך כלל מכילות תכולת גופרית מוגבלת ביותר. תכולת גופרית נמוכה היא אחד המרכיבים המרכזיים בהשגת טוהר מתכות גבוה.

גופרית, חוזק פגיעות ועמידות בפני עייפות

תכלילים סולפידיים יכולים לשמש כאתרי התחלת סדקים תחת עומס סטטי ומחזורי. MnS גדול ומוארך מאוד אינם רצויים במיוחד.
לכן, השפעת הגופרית תלויה לא רק בתכולתה אלא גם בגיאומטריה של התכלילים. תכלילים קטנים וכדוריים יותר בדרך כלל מייצרים פחות אניזוטרופיה מאשר רצועות MnS ארוכות שנוצרות במהלך עיבוד פלסטי.

גופרית ועמידות בפני קורוזיה של נירוסטה

במקרה נירוסטה חשיבותה של הגופרית מעניינת במיוחד. תכלילים של MnS עשויים להיות אתרים של התחלה מועדפת. קורוזיה בורית.
בסביבות אגרסיביות, במיוחד כאלה המכילות כלורידים, המסת תכלילים של MnS עלולה להוביל לחוסר יציבות מקומי של השכבה הפסיבית וליצירת סביבה התורמת להתפתחות גורים.
לכן, פלדות אל-חלד בעלות יכולת עיבוד משופרת עשויות להציג עמידות נמוכה יותר בפני קורוזיה גרועה יותר בהשוואה לפלדות אל-חלד מקבילות בעלות תכולת גופרית נמוכה יותר. זוהי פשרה קלאסית בין יכולת עיבוד ועמידות בפני קורוזיה.

מורפולוגיה של תכלילים של MnS

תכונות הפלדה תלויות במידה רבה בצורת תכלילי הסולפיד. הספרות המטלורגית מבחינה בין סוגים מורפולוגיים שונים של MnS, הקשורים לגורמים כגון שיטת דה-חמצון, תכולת חמצן ותנאי התמצקות.
לאחר עיבוד פלסטי, מידת ההתארכות של הסולפיד חשובה במיוחד. רצועות MnS ארוכות יכולות לפגוע משמעותית בתכונות הרוחביות, בעוד שתכלילים כדוריים יותר נוחים יותר לאיזוטרופיה של החומר.

שינוי של סולפידים עם סידן

אחת השיטות להגביל את ההשפעות השליליות של MnS ממושך היא שינוי תכלילים עם סידןטיפול בפלדה נוזלית עם סידן יכול להוביל להיווצרות של תכלילים מורכבים יותר המכילים, בין היתר, CaS ו-(Mn,Ca)S.
תכלילים שעברו שינוי בסידן בדרך כלל פחות רגישים להתארכות במהלך גלגול מאשר MnS טהור. זה מפחית את האניסוטרופיה ומשפר חלק מהתכונות הפונקציונליות של החומר. שליטה בתכלילים כאלה היא כיום מרכיב חשוב במטלורגיה של פלדה באיכות גבוהה.
ניתן להשתמש גם ביסודות אחרים בעלי זיקה גבוהה לגופרית, כולל יסודות אדמה נדירים, מגנזיום או זירקוניום, כדי לשנות את התכלילים.

הסרת גופרית של פלדה

פלדות איכותיות שואפות לתכולת הגופרית הנמוכה ביותר האפשרית. הפחתת הגופרית מתחילה במהלך הכנת ברזל חזיר ונמשכת לאורך כל השלבים הבאים של תהליך ייצור הפלדה.
הסרת גופרית משתמשת בתגובה של גופרית עם רכיבי הסיגים הבסיסיים ויסודות בעלי זיקה גבוהה לגופרית. ההרכב והאלקליניות המתאימים של הסיגים, פעילות חמצן נמוכה וערבוב אינטנסיבי של הפלדה הנוזלית והסיגים הם קריטיים.
מטלורגיה משנית מודרנית מאפשרת להשיג תכולת גופרית נמוכה מאוד הנדרשת, בין היתר, בפלדות המיועדות לבנייה אחראית, אנרגיה, תעשיית הלחץ ויישומים אחרים הדורשים טוהר מתכות גבוה.

האם גופרית בפלדה מועילה או מזיקה?

אין תשובה אחת. הכל תלוי בשימוש המיועד של החומר.

חשיבות הגופרית במטלורגיה המודרנית

גופרית היא דוגמה טובה ליסוד שהשפעתו על פלדה אינה ניתנת להגדרה פשוטה כ"טובה" או "רעה". בפלדות מבניות, פלדות עמידות ללחץ, פלדות כלים ופלדות מיוחדות רבות, נעשים בדרך כלל מאמצים להגביל את תכולתה. בפלדות חיתוך חופשי, לעומת זאת, תכולת גופרית מוגברת משמשת במכוון לשיפור יכולת העיבוד.
חשובה אף יותר מתכולת הגופרית עצמה עשויה להיות הצורה שבה היא מופיעה בחומר. FeS, MnS מוארך ותכלילים גופריתיים עדינים שעברו שינוי מתאים יכולים לייצר השפעות טכנולוגיות שונות לחלוטין. לכן, מטלורגיה מודרנית מתמקדת לא רק בהסרת גופרית אלא גם ב... הנדסת הכללה לא מתכתית – שליטה בהרכבם, גודלם, צורתם ותפוצתם.
לכן, תכולת הגופרית הסופית בפלדה היא פשרה בין הדרישות לעיבוד שבבי, גמישות, חוזק פגיעות, עמידות לעייפות, יכולת ריתוך ועמידות בפני קורוזיה.
לסיכום, גופרית היא יסוד כפול במטלורגיה של פלדה. בפלדות הניתנות לעיבוד שבבי חופשי, נוכחותה חיונית לשיפור התכונות הטכנולוגיות שלהן, בעוד שבסוגי פלדה אחרים היא דורשת בקרה מדויקת או הסרה מוחלטת. ניהול נכון של תכולת הגופרית בתהליכי הייצור מאפשר להתאים את תכונות הפלדה לצרכים תעשייתיים ספציפיים תוך מזעור השפעתה השלילית על התכונות המכניות והטכנולוגיות של החומר.

בַּרזֶל פֶּחָם Chrom ניקיאל ונדיום מנגן סִילִיקוֹן מוליבדן וולפרם נְחוֹשֶׁת טִיטָן אֲלוּמִינְיוּם קובלט ניוביום זרחן גוֹפרִית חַמצָן חנקן