धातुशास्त्रातील फॉस्फरस – इतिहास, पोलादावरील परिणाम आणि नियंत्रण पद्धती
ऐतिहासिक रूपरेषा
फॉस्फरस या रासायनिक मूलद्रव्याचा शोध १६६९ मध्ये जर्मन किमयागार हेनिंग ब्रँड यांनी लावला . हा शोध 'पारस' (philosopher's stone) तयार करण्याच्या प्रयोगांदरम्यान लागला , जो किमयागारांच्या श्रद्धेनुसार, सामान्य धातूंचे सोन्यात रूपांतर करेल. ब्रँड यांना मूत्रात होणाऱ्या रासायनिक प्रक्रियांमध्ये रस होता, ज्यामुळे त्यांनी मूत्र तापवून आणि त्याचे ऊर्ध्वपातन करून फॉस्फरस मिळवला . परिणामी, त्यांना एक असा पदार्थ मिळाला जो फॉस्फोरसेन्समुळे (phosphoresence) अंधारात चमकत असे – म्हणूनच या मूलद्रव्याचे नाव 'फॉस्फोरस' (phōsphoros ) असे पडले, जे ग्रीक शब्द असून त्याचा अर्थ 'प्रकाश आणणारा ' असा आहे.
१८व्या आणि १९व्या शतकात धातुशास्त्राच्या विकासाबरोबरच , पोलादाच्या गुणधर्मांवर फॉस्फरसच्या होणाऱ्या परिणामाबद्दल पहिले अभ्यास सुरू झाले. असे आढळून आले की पोलादामधील रासायनिक मिश्रणांचे प्रमाण त्याच्या यांत्रिक गुणधर्मांवर लक्षणीय परिणाम करू शकते. ग्रेट ब्रिटन आणि जर्मनीमधील संशोधकांनी फॉस्फरसचे फायदेशीर आणि नकारात्मक दोन्ही परिणाम ओळखून, लोखंडी मिश्रधातूंमधील त्याचे प्रमाण नियंत्रित करण्याच्या पद्धती विकसित करण्यास सुरुवात केली.
विसाव्या शतकात, धातुशास्त्रीय तंत्रज्ञानातील प्रगतीमुळे पोलादामधील फॉस्फरसचे प्रमाण नियंत्रित करण्याच्या अचूक पद्धती विकसित झाल्या , ज्यामुळे पदार्थाच्या उपयोगावर अवलंबून त्याच्या उपस्थितीचे जाणीवपूर्वक व्यवस्थापन करणे शक्य झाले. असे आढळून आले की फॉस्फरसच्या अल्प प्रमाणामुळे वातावरणीय क्षरणाला प्रतिकार सुधारतो , परंतु अतिरिक्त फॉस्फरसमुळे , विशेषतः कमी तापमानात, ठिसूळपणा येऊ शकतो.
सध्या, पोलादामधील फॉस्फरसचे प्रमाण नियंत्रित करणे हा धातुशास्त्रीय प्रक्रियांचा एक महत्त्वाचा घटक आहे, आणि या घटकावरील संशोधन पदार्थांच्या गुणधर्मांवरील त्याचा प्रभाव अधिक इष्टतम करण्यावर लक्ष केंद्रित करते.
स्टीलच्या गुणधर्मांवर फॉस्फरसचा प्रभाव
पोलाद धातुशास्त्रामध्ये फॉस्फरस दुहेरी भूमिका बजावतो – काही प्रकरणांमध्ये तो एक इष्ट घटक असतो, तर इतर प्रकरणांमध्ये त्याचे अतिरिक्त प्रमाण अत्यंत अनिष्ट ठरते. त्याच्या उपस्थितीमुळे मजबुती, कठीणपणा, यंत्रणक्षमता आणि क्षरण-प्रतिरोध यांसारख्या गुणधर्मांवर परिणाम होतो , परंतु त्यामुळे ठिसूळपणा देखील येऊ शकतो आणि पदार्थाची तन्यता कमी होऊ शकते.
स्टीलमध्ये फॉस्फरसची विद्राव्यता
फॉस्फरस लोखंडाच्या संरचनेत सहजपणे विरघळतो:
- अल्फा लोह (फेराइट) मध्ये – विद्राव्यता अंदाजे 2,5%,
- γ लोह (ऑस्टेनाइट) मध्ये – विद्राव्यता फक्त 0,5%.
या कारणामुळे, स्टीलमध्ये फॉस्फरस बहुतेकदा फेराइटमध्ये विरघळलेल्या स्वरूपात आढळतो, ज्याचा त्यांच्या यांत्रिक गुणधर्मांवर महत्त्वपूर्ण परिणाम होतो.
स्टीलमध्ये फॉस्फरसच्या उपस्थितीचे सकारात्मक परिणाम
वातावरणीय गंजण्यास सुधारित प्रतिकारशक्ती – विशेषतः हवामानापासून संरक्षणाची आवश्यकता असलेल्या वातावरणात वापरल्या जाणाऱ्या कमी-मिश्रधातूच्या पोलादामध्ये.
वाढलेली कडकपणा आणि ताकद – फॉस्फरसमुळे मजबुतीचे गुणधर्म सुधारतात, विशेषतः कमी कार्बन असलेल्या पोलादांमध्ये.
उत्तम कठीणता फॉस्फरस मिसळलेले स्टील लवकर कठीण होते, जे उच्च पृष्ठभागीय मजबुतीची आवश्यकता असलेल्या अनुप्रयोगांमध्ये फायदेशीर ठरते.
सुधारित यंत्रक्षमता – सहजपणे कापल्या जाणाऱ्या स्टीलमध्ये, फॉस्फरस मशीनिंग सुलभ करतो, ज्यामुळे उत्पादन प्रक्रियेची कार्यक्षमता वाढते.
स्टीलमधील अतिरिक्त फॉस्फरसचे नकारात्मक परिणाम
कमी तापमानात ठिसूळपणा – फॉस्फरसचे अतिरिक्त प्रमाण स्टीलचा आघात आणि गतिशील भारांना प्रतिकार करण्याची क्षमता कमी करते.
कमी झालेली लवचिकता फॉस्फरसमुळे ठिसूळपणा वाढतो, ज्यामुळे पोलादी संरचनांना तडे जाऊ शकतात.
गतिमान गुणधर्मांवर नकारात्मक परिणाम – फॉस्फरसचे प्रमाण जास्त असलेल्या स्टीलमध्ये मटेरियल फटीग होण्याची शक्यता असते, ज्यामुळे त्याचे सेवा आयुष्य कमी होते.
विविध स्टील ग्रेडमधील फॉस्फरसच्या प्रमाणाचे नियंत्रण
संरचनात्मक पोलाद आणि उच्च दर्जाचे
बांधकाम, अंतराळ उद्योग आणि अचूक यंत्रणांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या स्टीलमध्ये फॉस्फरसच्या प्रमाणावर काटेकोरपणे नियंत्रण ठेवले जाते. कमी तापमानामुळे होणारे ठिसूळपण यांसारखे प्रतिकूल परिणाम टाळण्यासाठी, या ग्रेडमध्ये फॉस्फरसचे प्रमाण ०.०३% पेक्षा कमी आणि काही प्रकरणांमध्ये तर ०.०१% पर्यंत कमी करण्याचे प्रयत्न केले जातात.
फ्री-कटिंग स्टील
सहज मशीनिंगसाठी बनवलेल्या फ्री-कटिंग स्टीलमध्ये, मशीनिंगक्षमता सुधारण्यासाठी ०.१% पर्यंत फॉस्फरस मुद्दाम मिसळला जातो . यामुळे स्क्रू, शाफ्ट, नट आणि बुशिंग यांसारख्या घटकांवर अचूकपणे मशीनिंग करणे शक्य होते, जे मोठ्या प्रमाणावरील उत्पादनासाठी अत्यावश्यक आहे.
गंजरोधक पोलाद
काही स्टेनलेस स्टीलमध्ये मशिनिबिलिटी सुधारण्यासाठी आणि क्षरणकारी वातावरणास प्रतिकारशक्ती वाढवण्यासाठी फॉस्फरसचे अल्प प्रमाण देखील असू शकते. तथापि, या स्टीलमध्ये, फॉस्फरसच्या प्रमाणावर काटेकोरपणे नियंत्रण ठेवले जाते जेणेकरून त्याचा मिश्रधातूच्या संरचनेवर कोणताही नकारात्मक परिणाम होणार नाही.
पोलादामधील फॉस्फरस कमी करण्याच्या पद्धती
उत्पादनाच्या विविध टप्प्यांवर पोलादामधील फॉस्फरसचे प्रमाण कमी केले जाऊ शकते:
ब्लास्ट फर्नेस प्रक्रिया – कच्च्या लोखंडाच्या प्रगलनादरम्यान, फॉस्फरसला बांधून धातूपासून वेगळे करण्यासाठी विशेष स्लॅगचा वापर केला जातो.
योग्य शुद्धीकरण – लाडल फर्नेस आणि कन्व्हर्टर्समध्ये, डिगॅसिंग तंत्रज्ञान आणि स्लॅग अॅडिटिव्ह्ज वापरले जातात, जे फॉस्फरसचे प्रमाण गुणवत्तेच्या आवश्यकतांशी सुसंगत पातळीपर्यंत कमी करतात.
दुय्यम धातूशास्त्रीय प्रक्रिया जसे की व्हॅक्यूम डिगॅसिंग (VOD, VIM) स्टीलमधील अतिरिक्त फॉस्फरसचे पुढील शुद्धीकरण करण्यास वाव द्या.
फॉस्फरस हा एक महत्त्वाचा संमिश्रण घटक आहे , जो त्याच्या प्रमाणावर आणि सामग्रीच्या उपयोगावर अवलंबून, स्टीलचे गुणधर्म सुधारू किंवा बिघडवू शकतो.
W कमी-कार्बन आणि फ्री-कटिंग स्टील सुधारणा होते क्षरण प्रतिरोधयंत्रक्षमता आणि स्वभाव.
W उच्च-कार्बन स्टील i संरचनात्मक पोलाद त्याच्या अतिरेकामुळे ठिसूळपणा येतो आणि लवचिकता कमी होते.
त्यामुळे, पोलादामधील फॉस्फरसच्या प्रमाणावर अचूक नियंत्रण ठेवणे हा आधुनिक धातुशास्त्राचा एक महत्त्वाचा घटक आहे. फॉस्फरस काढून टाकण्यासाठी किंवा जाणीवपूर्वक टाकण्यासाठीच्या योग्य तंत्रज्ञानामुळे, विशिष्ट औद्योगिक गरजांनुसार तयार केलेले आणि सर्वोत्तम यांत्रिक गुणधर्म असलेले साहित्य मिळवणे शक्य होते .
लोखंड कोळसा क्रोम निकेल व्हॅनेडियम मॅंगनीज सिलिकॉन मॉलिब्डेनम वुल्फ्राम तांबे टायटॅनियम ॲल्युमिनियम कोबाल्ट निओबियम फॉस्फरस सल्फर ऑक्सिजन नायट्रोजन