Fosforus dalam metalurgi – sejarah, kesan terhadap keluli dan kaedah kawalan
Garis besar sejarah
Fosforus sebagai unsur kimia telah ditemui pada tahun 1669 oleh ahli alkimia Jerman, Henning Brand . Penemuan ini berlaku semasa eksperimen yang cuba mencipta batu ahli falsafah , yang, menurut kepercayaan ahli alkimia, akan mengubah logam asas menjadi emas. Brand berminat dengan proses kimia yang berlaku dalam air kencing, yang mendorongnya untuk mendapatkan fosforus dengan memanaskan dan menyuling air kencing . Hasilnya, beliau memperoleh bahan yang bercahaya dalam gelap akibat pendarfluor – oleh itu nama unsur itu, berasal daripada perkataan Yunani "phōsphoros ," yang bermaksud "pembawa cahaya . "
Dengan perkembangan metalurgi pada abad ke-18 dan ke-19, kajian pertama bermula mengenai kesan fosforus terhadap sifat keluli. Telah ditemui bahawa kandungan bahan tambahan kimia dalam keluli boleh mempengaruhi mekaniknya dengan ketara. Penyelidik di Great Britain dan Jerman mula membangunkan kaedah untuk mengawal jumlah fosforus dalam aloi besi, dengan mengenal pasti kedua-dua kesan bermanfaat dan negatifnya.
Pada abad ke-20, kemajuan dalam teknologi metalurgi telah membawa kepada pembangunan kaedah yang tepat untuk mengawal kandungan fosforus dalam keluli , yang membolehkan pengurusan sedar kehadirannya bergantung pada aplikasi bahan tersebut. Telah ditemui bahawa sejumlah kecil fosforus meningkatkan ketahanan terhadap kakisan atmosfera , tetapi fosforus berlebihan boleh menyebabkan kerapuhan, terutamanya pada suhu rendah.
Pada masa ini, mengawal kandungan fosforus dalam keluli merupakan elemen utama dalam proses metalurgi, dan penyelidikan mengenai elemen ini memberi tumpuan kepada pengoptimuman selanjutnya kesannya terhadap sifat bahan.
Pengaruh fosforus terhadap sifat keluli
Fosforus memainkan peranan ganda dalam metalurgi keluli – dalam beberapa kes, ia merupakan tambahan yang diingini, manakala dalam kes lain, lebihannya sangat tidak diingini. Kehadirannya mempengaruhi sifat seperti kekuatan, kekerasan, kebolehmesinan dan rintangan kakisan , tetapi ia juga boleh menyebabkan kerapuhan dan mengurangkan kemuluran bahan.
Keterlarutan fosforus dalam keluli
Fosforus mudah larut dalam struktur besi:
- Dalam besi α (ferit) – keterlarutan adalah lebih kurang 2,5% ,
- Dalam besi γ (austenit) – keterlarutan hanya 0,5% .
Atas sebab ini, fosforus paling kerap ditemui dalam keluli dalam bentuk terlarut dalam ferit, yang mempunyai kesan yang ketara terhadap sifat mekanikalnya.
Kesan positif kehadiran fosforus dalam keluli
Rintangan yang lebih baik terhadap kakisan atmosfera – terutamanya dalam keluli aloi rendah yang digunakan dalam persekitaran yang memerlukan perlindungan daripada keadaan cuaca.
Peningkatan kekerasan dan kekuatan – fosforus meningkatkan sifat kekuatan, terutamanya dalam keluli rendah karbon.
Kebolehkerasan yang lebih baik – keluli dengan penambahan fosforus lebih mudah dikeraskan, yang mana ia berfaedah dalam aplikasi yang memerlukan kekuatan permukaan yang tinggi.
Kebolehmesinan yang dipertingkatkan – dalam keluli pemotongan bebas, fosforus memudahkan pemesinan, yang meningkatkan kecekapan proses pengeluaran.
Kesan negatif fosforus berlebihan dalam keluli
Kerapuhan pada suhu rendah – jumlah fosforus yang berlebihan mengurangkan rintangan keluli terhadap hentaman dan beban dinamik.
Keplastikan yang berkurangan – fosforus meningkatkan kerapuhan, yang boleh mengakibatkan retakan pada struktur keluli.
Kesan negatif terhadap sifat dinamik – keluli dengan jumlah fosforus yang berlebihan mungkin terdedah kepada kelesuan bahan, yang memendekkan hayat perkhidmatannya.
Kawalan kandungan fosforus dalam pelbagai gred keluli
Keluli struktur dan berkualiti tinggi
Dalam keluli yang digunakan dalam pembinaan, industri aeroangkasa, dan mekanisme ketepatan, kandungan fosforus dikawal ketat . Dalam gred ini, usaha dilakukan untuk meminimumkan kandungan fosforus kepada di bawah 0,03% , dan dalam beberapa kes sehingga 0,01% , untuk mengelakkan kesan buruk seperti kerapuhan suhu rendah.
Keluli pemotongan bebas
Dalam keluli pemotongan bebas yang bertujuan untuk pemesinan mudah, fosforus sengaja ditambah dalam jumlah sehingga 0,1% untuk meningkatkan kebolehmesinan. Ini membolehkan komponen seperti skru, aci, nat dan sesendal dimesin dengan tepat, yang penting untuk pengeluaran besar-besaran.
Keluli tahan kakisan
Sesetengah keluli tahan karat juga mungkin mengandungi sedikit fosforus untuk meningkatkan kebolehmesinan dan meningkatkan ketahanan terhadap persekitaran yang menghakis. Walau bagaimanapun, dalam keluli ini, kandungan fosforus dikawal ketat untuk memastikan ia tidak menjejaskan struktur aloi secara negatif.
Kaedah mengurangkan fosforus dalam keluli
Kehadiran fosforus dalam keluli boleh dikurangkan pada pelbagai peringkat pengeluaran:
Proses relau bagas – semasa peleburan besi kasar, sanga khas digunakan yang mengikat fosforus dan mengeluarkannya daripada logam.
Penapisan yang betul – dalam relau senduk dan penukar, teknologi penyahgas dan bahan tambahan sanga digunakan, yang mengurangkan fosforus ke tahap yang selaras dengan keperluan kualiti.
Proses metalurgi sekunder - seperti penyahgas vakum (VOD, VIM) membolehkan penulenan keluli selanjutnya daripada fosforus berlebihan.
Fosforus ialah unsur pengaloi utama yang boleh menambah baik atau memburukkan sifat keluli bergantung pada jumlahnya dan aplikasi bahan tersebut.
W keluli rendah karbon dan pemotongan bebas poprawia odporność na korozję, kebolehmesinan dan perangai.
W keluli karbon tinggi i keluli struktur lebihannya menyebabkan kerapuhan dan mengurangkan keplastikan.
Oleh itu, kawalan kandungan fosforus yang tepat dalam keluli merupakan elemen utama metalurgi moden. Teknologi yang sesuai untuk membuang atau menambah fosforus secara sengaja membolehkan bahan diperoleh dengan parameter mekanikal yang optimum , yang disesuaikan dengan keperluan industri tertentu.
besi Węgiel chrom Nikel Vanadium mangan Silikon molibdenum Wolfram Tembaga Tytan Aluminium Kobalt Niob fosforus Sulfur Oksigen nitrogen