Fosfor v metalurgii – história, vplyv na oceľ a metódy kontroly
Historický prehľad
Fosfor ako chemický prvok objavil v roku 1669 nemecký alchymista Henning Brand . K tomuto objavu došlo počas experimentov s cieľom vytvoriť kameň mudrcov , ktorý by podľa viery alchymistov premieňal základné kovy na zlato. Brand sa zaujímal o chemické procesy prebiehajúce v moči, čo ho viedlo k získaniu fosforu zahrievaním a destiláciou moču . Vďaka tomu získal látku, ktorá v tme žiarila vďaka fosforescencii – odtiaľ pochádza aj názov prvku, odvodený z gréckeho slova „phōsphoros “, čo znamená „prinášač svetla “.
S rozvojom metalurgie v 18. a 19. storočí sa začali prvé štúdie o vplyve fosforu na vlastnosti ocele. Zistilo sa, že obsah chemických prímesí v oceli môže významne ovplyvniť jej mechanické vlastnosti. Výskumníci vo Veľkej Británii a Nemecku začali vyvíjať metódy na kontrolu množstva fosforu v zliatinách železa, pričom si uvedomovali jeho priaznivé aj negatívne účinky.
V 20. storočí viedol pokrok v metalurgickej technológii k vývoju presných metód na reguláciu obsahu fosforu v oceliach , čo umožnilo vedomé riadenie jeho prítomnosti v závislosti od použitia materiálu. Zistilo sa, že malé množstvá fosforu zlepšujú odolnosť voči atmosférickej korózii , ale nadbytok fosforu môže viesť ku krehnutiu, najmä pri nízkych teplotách.
V súčasnosti je kontrola obsahu fosforu v oceliach kľúčovým prvkom metalurgických procesov a výskum tohto prvku sa zameriava na ďalšiu optimalizáciu jeho vplyvu na vlastnosti materiálov.
Vplyv fosforu na vlastnosti ocele
Fosfor hrá v metalurgii ocele dvojakú úlohu – v niektorých prípadoch je žiaducou prísadou, zatiaľ čo v iných je jeho nadbytok veľmi nežiaduci. Jeho prítomnosť ovplyvňuje vlastnosti ako pevnosť, tvrdosť, obrobiteľnosť a odolnosť proti korózii , ale môže tiež spôsobiť krehkosť a znížiť ťažnosť materiálu.
Rozpustnosť fosforu v oceli
Fosfor sa ľahko rozpúšťa v štruktúre železa:
- V α železe (ferite) – rozpustnosť je približne 2,5%,
- V γ železe (austenite) – rozpustnosť je iba 0,5%.
Z tohto dôvodu sa fosfor v oceliach najčastejšie nachádza v rozpustenej forme vo feritoch, čo má významný vplyv na ich mechanické vlastnosti.
Pozitívne účinky prítomnosti fosforu v oceli
Zlepšená odolnosť voči atmosférickej korózii – najmä v nízkolegovaných oceliach používaných v prostrediach vyžadujúcich ochranu pred poveternostnými vplyvmi.
Zvýšená tvrdosť a pevnosť – fosfor zlepšuje pevnostné vlastnosti, najmä u nízkouhlíkových ocelí.
Lepšia kaliteľnosť – oceľ s prídavkom fosforu sa ľahšie kalí, čo je výhodné v aplikáciách vyžadujúcich vysokú povrchovú pevnosť.
Zlepšená obrobiteľnosť – v automatových oceliach fosfor uľahčuje obrábanie, čo zvyšuje efektivitu výrobných procesov.
Negatívne účinky nadmerného množstva fosforu v oceli
Kruchość w niskich temperaturach – nadmerné množstvo fosforu znižuje odolnosť ocele voči nárazu a dynamickému zaťaženiu.
Znížená plasticita – fosfor zvyšuje krehkosť, čo môže viesť k prasklinám v oceľových konštrukciách.
Negatívny vplyv na dynamické vlastnosti – oceľ s nadmerným množstvom fosforu môže byť náchylná na únavu materiálu, čo skracuje jej životnosť.
Kontrola obsahu fosforu v rôznych druhoch ocele
Konštrukčné ocele a vysokej kvality
V oceliach používaných v stavebníctve, leteckom priemysle a presných mechanizmoch je obsah fosforu prísne kontrolovaný . V týchto akostiach sa vynakladá úsilie na minimalizáciu obsahu fosforu pod 0,03 % a v niektorých prípadoch dokonca na 0,01 % , aby sa predišlo nepriaznivým účinkom, ako je nízkoteplotné krehnutie.
Ľahko obrábateľné ocele
V automatových oceliach určených na ľahké obrábanie sa fosfor zámerne pridáva v množstvách až do 0,1 % , aby sa zlepšila obrobiteľnosť. To umožňuje presné obrábanie súčiastok, ako sú skrutky, hriadele, matice a puzdrá , čo je nevyhnutné pre hromadnú výrobu.
Ocele odolné voči korózii
Niektoré nehrdzavejúce ocele môžu tiež obsahovať malé množstvo fosforu na zlepšenie obrobiteľnosti a zvýšenie odolnosti voči korozívnemu prostrediu. V týchto oceliach je však obsah fosforu prísne kontrolovaný, aby sa zabezpečilo, že negatívne neovplyvní štruktúru zliatiny.
Metódy redukcie fosforu v oceliach
Prítomnosť fosforu v oceliach sa dá znížiť v rôznych fázach výroby:
Proces vo vysokej peci – počas tavenia surového železa sa používajú špeciálne trosky, ktoré viažu fosfor a odstraňujú ho z kovu.
Správna rafinácia – v panvových peciach a konvertoroch sa používajú odplyňovacie technológie a prísady do trosky, ktoré redukujú fosfor na úroveň zodpovedajúcu požiadavkám na kvalitu.
Sekundárne metalurgické procesy - ako napríklad vákuové odplyňovanie (VOD, VIM) umožňujú ďalšie čistenie ocele od prebytočného fosforu.
Fosfor je kľúčový legujúci prvok , ktorý môže zlepšiť alebo zhoršiť vlastnosti ocele v závislosti od jeho množstva a použitia materiálu.
W nízkouhlíkové a ľahko obrábateľné ocele opravuje odolnosť voči korozii, obrobiteľnosť a temperament.
W vysoko uhlíkové ocele i konštrukčné ocele jeho nadbytok spôsobuje krehkosť a znižuje plasticitu.
Preto je presná kontrola obsahu fosforu v oceliach kľúčovým prvkom modernej metalurgie. Vhodné technológie na odstraňovanie alebo zámerné pridávanie fosforu umožňujú získať materiály s optimálnymi mechanickými parametrami , prispôsobenými špecifickým priemyselným požiadavkám.
železo Uhlie chróm Nikel Vanád Mangán Kremík molybdén volfrám Meď titán Hliník kobalt niób fosfor Síra Kyslík dusík