זרחן במטלורגיה - היסטוריה, השפעה על פלדה ושיטות בקרה
מתווה היסטורי
זרחן כיסוד כימי התגלה בשנת 1669 על ידי האלכימאי הגרמני הנינג ברנד . תגלית זו התרחשה במהלך ניסויים שניסו ליצור את אבן החכמים , אשר, על פי אמונות האלכימאים, תהפוך מתכות בסיסיות לזהב. ברנד התעניין בתהליכים הכימיים המתרחשים בשתן, מה שהוביל אותו להשיג זרחן על ידי חימום וזיקוק שתן . כתוצאה מכך, הוא השיג חומר שזוהר בחושך עקב זרחני - ומכאן שמו של היסוד, הנגזר מהמילה היוונית "phōsphoros ", שפירושו "מביא אור ".
עם התפתחות המטלורגיה במאות ה-18 וה-19, החלו המחקרים הראשונים על השפעת הזרחן על תכונות הפלדה. התגלה כי תכולת התערובות הכימיות בפלדה יכולה להשפיע באופן משמעותי על המכניקה שלה. חוקרים בבריטניה ובגרמניה החלו לפתח שיטות לשליטה בכמות הזרחן בסגסוגות ברזל, תוך הכרה הן בהשפעותיו המועילות והן בהשפעות השליליות.
במאה ה-20, התקדמות בטכנולוגיית המתכת הובילה לפיתוח שיטות מדויקות לשליטה בתכולת הזרחן בפלדות , מה שאפשר ניהול מודע של נוכחותו בהתאם ליישום החומר. התגלה שכמויות קטנות של זרחן משפרות את העמידות בפני קורוזיה אטמוספרית , אך עודף זרחן עלול להוביל לשבירות, במיוחד בטמפרטורות נמוכות.
כיום, שליטה בתכולת הזרחן בפלדות היא מרכיב מפתח בתהליכים מטלורגיים, והמחקר על אלמנט זה מתמקד בייעול השפעתו על תכונות החומר.
השפעת הזרחן על תכונות הפלדה
זרחן ממלא תפקיד כפול במטלורגיה של פלדה - במקרים מסוימים הוא תוספת רצויה, בעוד שבמקרים אחרים עודפו אינו רצוי ביותר. נוכחותו משפיעה על תכונות כגון חוזק, קשיות, יכולת עיבוד ועמידות בפני קורוזיה , אך הוא יכול גם לגרום לשבירות ולהפחית את גמישות החומר.
מסיסות זרחן בפלדה
זרחן מתמוסס בקלות במבנה הברזל:
- בברזל α (פריט) – מסיסות היא בערך 2,5%,
- בברזל γ (אוסטניט) – מסיסות היא רק 0,5%.
מסיבה זו, זרחן נמצא לרוב בפלדות בצורה מומסת בפריט, דבר שיש לו השפעה משמעותית על התכונות המכניות שלהן.
השפעות חיוביות של נוכחות זרחן בפלדה
עמידות משופרת בפני קורוזיה אטמוספרית – במיוחד בפלדות סגסוגת נמוכה המשמשות בסביבות הדורשות הגנה מפני תנאי מזג אוויר.
קשיות וחוזק מוגברים – זרחן משפר את תכונות החוזק, במיוחד בפלדות דלות פחמן.
יכולת הקשחה טובה יותר – פלדה עם תוספת זרחן קלה יותר להתקשות, וזה יתרון ביישומים הדורשים חוזק פני שטח גבוה.
שיפור יכולת העיבוד – בפלדות חיתוך חופשי, זרחן מקל על עיבוד שבבי, מה שמגביר את יעילות תהליכי הייצור.
השפעות שליליות של עודף זרחן בפלדה
שבירות בטמפרטורות נמוכות – כמויות מוגזמות של זרחן מפחיתות את עמידות הפלדה בפני פגיעות ועומסים דינמיים.
פלסטיות מופחתת – זרחן מגביר את השבריריות, מה שעלול להוביל לסדקים במבני פלדה.
השפעה שלילית על מאפיינים דינמיים – פלדה עם כמויות מוגזמות של זרחן עלולה להיות רגישה לעייפות החומר, מה שמקצר את חיי השירות שלה.
בקרת תכולת זרחן בדרגות פלדה שונות
פלדות מבניות ואיכות גבוהה
בפלדות המשמשות בבנייה, בתעשיית התעופה והחלל ובמנגנונים מדויקים, תכולת הזרחן נשלטת בקפדנות . בפלדות אלו, נעשים מאמצים למזער את תכולת הזרחן מתחת ל-0,03% , ובמקרים מסוימים אף ל -0,01% , כדי למנוע השפעות שליליות כגון שבירות בטמפרטורה נמוכה.
פלדות חיתוך חופשי
בפלדות חיתוך חופשי המיועדות לעיבוד שבבי קל, מוסיפים זרחן במכוון בכמויות של עד 0,1% כדי לשפר את יכולת העיבוד. זה מאפשר לעבד רכיבים כגון ברגים, צירים, אומים ותותבים בצורה מדויקת, דבר החיוני לייצור המוני.
פלדות עמידות בפני קורוזיה
חלק מפלדות האל-חלד עשויות להכיל גם כמויות קטנות של זרחן כדי לשפר את יכולת העיבוד ולהגביר את העמידות בסביבות קורוזיביות. עם זאת, בפלדות אלו, תכולת הזרחן נשלטת בקפדנות על מנת להבטיח שלא תשפיע לרעה על מבנה הסגסוגת.
שיטות להפחתת זרחן בפלדות
ניתן להפחית את נוכחות הזרחן בפלדות בשלבי ייצור שונים:
תהליך תנור הפיצוץ – במהלך התכת ברזל חזיר, משתמשים בסיגים מיוחדים הקושרים זרחן ומסירים אותו מהמתכת.
זיקוק נכון – בכבשני מצקת ובממירים, נעשה שימוש בטכנולוגיות סילוק גזים ותוספי סיגים, אשר מפחיתים זרחן לרמה התואמת את דרישות האיכות.
תהליכים מטלורגיים משניים - כגון סילוק גזים בוואקום (VOD, VIM) לאפשר טיהור נוסף של פלדה מעודף זרחן.
זרחן הוא יסוד סגסוגת מרכזי שיכול לשפר או להחמיר את תכונות הפלדה בהתאם לכמותו ולשימוש החומר.
W פלדות דלת פחמן וחיתוך חופשי פופרוויה פורנו על קור, יכולת עיבוד שבבי ו מֶזֶג.
W פלדות פחמן גבוהות i פלדות מבניות עודף שלו גורם לשבירות ומפחית את הפלסטיות.
לכן, בקרה מדויקת של תכולת הזרחן בפלדות היא מרכיב מפתח במטלורגיה המודרנית. טכנולוגיות מתאימות להסרה או הוספה מכוונת של זרחן מאפשרות קבלת חומרים בעלי פרמטרים מכניים אופטימליים , המותאמים לדרישות תעשייתיות ספציפיות.
בַּרזֶל פֶּחָם Chrom ניקיאל ונדיום מנגן סִילִיקוֹן מוליבדן וולפרם נְחוֹשֶׁת טִיטָן אֲלוּמִינְיוּם קובלט ניוביום זרחן גוֹפרִית חַמצָן חנקן