Фосфор во металургијата – историја, влијание врз челикот и методи на контрола
Историски преглед
Фосфорот како хемиски елемент е откриен во 1669 година од страна на германскиот алхемичар Хенинг Бранд . Ова откритие се случило за време на експерименти во обид да се создаде каменот на филозофот , кој, според верувањата на алхемичарите, би ги трансформирал основните метали во злато. Бранд бил заинтересиран за хемиските процеси што се случуваат во урината, што го навело да добие фосфор со загревање и дестилација на урина . Како резултат на тоа, тој добил супстанца што свети во темница поради фосфоресценција - оттука и името на елементот, изведено од грчкиот збор „phosphoros “, што значи „носител на светлина “.
Со развојот на металургијата во 18 и 19 век, започнаа првите студии за влијанието на фосфорот врз својствата на челикот. Откриено е дека содржината на хемиски примеси во челикот може значително да влијае на неговата механика. Истражувачите во Велика Британија и Германија почнаа да развиваат методи за контрола на количината на фосфор во легурите на железо, препознавајќи ги и неговите корисни и негативни ефекти.
Во 20 век, напредокот во металуршката технологија доведе до развој на прецизни методи за контрола на содржината на фосфор во челиците , овозможувајќи свесно управување со неговото присуство во зависност од примената на материјалот. Откриено е дека мали количини на фосфор ја подобруваат отпорноста на атмосферска корозија , но вишокот фосфор може да доведе до кршливост, особено на ниски температури.
Во моментов, контролата на содржината на фосфор во челиците е клучен елемент на металуршките процеси, а истражувањето на овој елемент се фокусира на понатамошно оптимизирање на неговиот ефект врз својствата на материјалите.
Влијанието на фосфорот врз својствата на челикот
Фосфорот игра двојна улога во металургијата на челикот - во некои случаи е пожелно дополнување, додека во други неговиот вишок е многу непожелен. Неговото присуство влијае на својства како што се цврстина, тврдост, машинска обработка и отпорност на корозија , но може да предизвика и кршливост и да ја намали еластичноста на материјалот.
Растворливост на фосфор во челик
Фосфорот лесно се раствора во железната структура:
- Во α железо (ферит) – растворливоста е приближно 2,5%,
- Во γ железо (аустенит) – растворливоста е само 0,5%.
Поради оваа причина, фосфорот најчесто се наоѓа во челиците во растворена форма во ферит, што има значително влијание врз нивните механички својства.
Позитивни ефекти од присуството на фосфор во челикот
Подобрена отпорност на атмосферска корозија – особено кај нисколегирани челици што се користат во средини каде што е потребна заштита од временски услови.
Зголемена цврстина и сила – фосфорот ги подобрува цврстините својства, особено кај нискојаглеродните челици.
Подобра стврдливост – челикот со додавање на фосфор е полесен за стврднување, што е предност во апликациите каде што е потребна висока површинска цврстина.
Подобрена машинска обработка – кај челиците со слободно сечење, фосфорот го олеснува обработувањето, што ја зголемува ефикасноста на производствените процеси.
Негативни ефекти од вишокот фосфор во челикот
Кршливост на ниски температури – прекумерните количини на фосфор ја намалуваат отпорноста на челикот на удари и динамички оптоварувања.
Намалена пластичност – фосфорот ја зголемува кршливоста, што може да доведе до пукнатини во челичните конструкции.
Негативно влијание врз динамичките својства – челикот со прекумерни количини на фосфор може да биде подложен на замор на материјалот, што го скратува неговиот век на траење.
Контрола на содржината на фосфор во различни класи на челик
Конструкциски челици и висок квалитет
Кај челиците што се користат во градежништвото, воздухопловната индустрија и прецизните механизми, содржината на фосфор е строго контролирана . Кај овие класи, се прават напори содржината на фосфор да се минимизира под 0,03% , а во некои случаи дури и до 0,01% , за да се избегнат неповолни ефекти како што е кршливоста на ниски температури.
Челици со слободно сечење
Кај челиците со слободно сечење наменети за лесна обработка, фосфорот намерно се додава во количини до 0,1% за да се подобри обработливоста. Ова овозможува прецизно машинско обработување на компоненти како што се завртки, вратила, навртки и втулки , што е од суштинско значење за масовно производство.
Челици отпорни на корозија
Некои нерѓосувачки челици може да содржат и мали количини на фосфор за да се подобри обработливоста и да се зголеми отпорноста на корозивни средини. Сепак, кај овие челици, содржината на фосфор е строго контролирана за да се осигури дека нема негативно влијание врз структурата на легурата.
Методи за намалување на фосфорот во челиците
Присуството на фосфор во челиците може да се намали во различни фази од производството:
Процес на висока печка – за време на топењето на сурово железо се користат специјални згури кои го врзуваат фосфорот и го отстрануваат од металот.
Правилно рафинирање – во печките со црпалки и конверторите се користат технологии за дегасификација и адитиви за згура, кои го намалуваат фосфорот до ниво што е во согласност со барањата за квалитет.
Секундарни металуршки процеси - како на пример вакуумско дегасирање (VOD, VIM) овозможуваат понатамошно прочистување на челикот од вишокот фосфор.
Фосфорот е клучен легирачки елемент кој може да ги подобри или влоши својствата на челикот во зависност од неговата количина и примената на материјалот.
W нискојаглеродни и челици со слободно сечење поправија отпорност на корозија, машинска обработка и темперамент.
W високојаглеродни челици i конструктивни челици неговиот вишок предизвикува кршливост и ја намалува пластичноста.
Затоа, прецизната контрола на содржината на фосфор во челиците е клучен елемент на модерната металургија. Соодветните технологии за отстранување или намерно додавање на фосфор овозможуваат добивање материјали со оптимални механички параметри , прилагодени на специфичните индустриски барања.
Железо Јаглен Chrom Никел Ванадиум Манган Крзем молибден Волфрам Миеџе Титан Глин Кобалт ниобиум фосфор Сијарка Кислород азот