Ako ovplyvňuje zliatina železa a fosforu vlastnosti ocele?

Zliatiny ferofosforu sa skladajú hlavne zo železa (Fe) a fosforu (P), pričom obsah fosforu sa zvyčajne pohybuje v rozmedzí od 15 % do 25 %. Vyzerajú ako hrudky alebo granule s teplotou topenia približne 1100-1200 stupňov a hustotou 7,2-7,5 g/cm³. Ich hlavný vplyv na vlastnosti ocele pramení z:

 Obmedzená rozpustnosť fosforu v tuhom stave v oceli (iba asi 0,02 % pri teplote miestnosti) a nadmerné množstvá sa ľahko vyzrážajú ako fosfidy, ako je Fe3P;

 Rozdiel v polomere medzi atómami fosforu a železa spôsobuje deformáciu mriežky po pevnom roztoku, čo má za následok zosilňujúci účinok;

 Fosfor má silnú tendenciu k segregácii, ľahko sa hromadí na hraniciach zŕn a narúša väzbu na hranici zŕn.

(1) Výrazne zlepšená pevnosť a tvrdosť (efekt zosilnenia tuhého roztoku)

Fosfor je vysoko účinný spevňovací prvok, ktorý zlepšuje mechanické vlastnosti ocele prostredníctvom mechanizmu spevňujúceho tuhého roztoku:

Po rozpustení atómov fosforu v železnej mriežke spôsobujú deformáciu mriežky, bránia pohybu dislokácie a výrazne zlepšujú pevnosť a tvrdosť ocele. Údaje ukazujú, že pri každom zvýšení fosforu o 0,01 % v nízkouhlíkovej oceli sa pevnosť v ťahu zvýši o 6 až 10 MPa a medza klzu sa zvýši o 5 až 8 MPa.

 Vhodné aplikácie:Používa sa na vystuženie budov s vysokou{0}}pevnosťou (ako je HRB500E) a obyčajná konštrukčná oceľ. Pridaním vhodného množstva zliatiny ferofosforu (riadením obsahu fosforu v oceli na 0,02 % až 0,04 %) možno splniť požiadavky na pevnosť inžinierskych projektov bez zvýšenia nákladov na zliatinu.

(2) Zlepšená odolnosť proti atmosférickej korózii (Synergický efekt pasivačného filmu)

Fosfor môže synergicky zvýšiť odolnosť proti atmosférickej korózii s prvkami, ako je meď a chróm v oceli:
Fosfor môže na povrchu ocele vytvárať hustý kompozitný oxidový film Fe203-P2O5, ktorý bráni prenikaniu korozívnych médií (voda, kyslík) a zvyšuje odolnosť voči atmosférickej korózii;
 Typická aplikácia:Pri výrobe ocele odolnej voči poveternostným vplyvom (ako je Q450NQR1) sa zámerne pridáva fosfor-zliatina železa (obsah fosforu v oceli 0,06 % – 0,12 %), ktorá synergicky pôsobí s meďou (0,20 % – 0,50 %) a chrómom (0,30 % – 1,20 %) na vytvorenie stabilnej vrstvy hrdze. Jeho odolnosť proti atmosférickej korózii je 2-3 krát väčšia ako u bežnej uhlíkovej ocele, vďaka čomu je vhodná pre mosty, kontajnery a vonkajšie oceľové konštrukcie.

(3) Optimalizácia výkonu obrábania (efekt lámania triesok)

Vhodné množstvo fosforu môže zlepšiť obrobiteľnosť ocele: Tuhý roztok fosforu mierne zvyšuje krehkosť ocele, vďaka čomu sa triesky ľahšie lámu počas rezania, znižuje sa zapletenie nástrojov a zlepšuje sa účinnosť obrábania.
 Vhodné scenáre aplikácie:V prípade voľne{0}}rezných ocelí (napríklad Y15) používaných v automatických sústruhoch môže regulácia obsahu fosforu v oceli na 0,08 % – 0,15 % v kombinácii so sírou zvýšiť rýchlosť rezania o 20 % – 30 % a predĺžiť životnosť nástroja o 15 % – 20 %.

(1) Znížená húževnatosť a plasticita, vyvolávajúca krehkosť za studena (efekt segregácie na hranici zŕn)

Toto je najvýraznejší negatívny vplyv ferofosforových zliatin a vyžaduje si prísnu kontrolu:

 Fosfor má silnú tendenciu k segregácii na hraniciach zŕn, ľahko sa hromadí na hraniciach zŕn a vytvára nízky -bod topenia- Fe₃P (bod topenia 1050 stupňov), čím sa znižuje pevnosť spojenia na hraniciach zŕn;

 Pri nízkych teplotách fosfidy na hraniciach zŕn výrazne zvyšujú teplotu krehkého prechodu ocele (napr. keď sa obsah fosforu zvýši z 0,01 % na 0,05 %, teplota krehkého prechodu nízkouhlíkovej ocele sa zvýši zo -60 stupňov na -20 stupňov), čo vedie k „krehkosti za studena“ – prudkému zníženiu rázovej húževnatosti, pravdepodobnejšiemu náhlemu lomu pri nízkych teplotách

 Prahový efekt: Keď obsah fosforu v oceli prekročí 0,04 %, rázová húževnatosť (k) klesne z viac ako 100 J/cm² na menej ako 50 J/cm² a predĺženie klesne z 25 % na 15 %. Nasledujúce sa nevzťahujú na ocele vystavené nízkym-teplotám alebo nárazovým zaťaženiam (ako je mostná oceľ a oceľ pre tlakové nádoby).

(2) Zhoršenie zvariteľnosti (zvýšená náchylnosť k tvorbe trhlín za tepla)

Fosfor výrazne zvyšuje riziko praskania pri zváraní za tepla v oceli:

 Počas zvárania sa fosfor rýchlo segreguje vo zvare a v zóne ovplyvnenej teplom-, pričom vytvára tekutý film s nízkym-bodom topenia-, ktorý je náchylný na praskanie za tepla pri zváraní;
 Údaje ukazujú, že keď obsah fosforu v oceli presiahne 0,03 %, výskyt praskania pri zváraní za horúca sa zvýši viac ako trojnásobne, čo si vyžaduje pridanie stabilizátorov zvárania (ako je Mn), čím sa zvyšujú výrobné náklady.

(3) Nadmerné množstvo fosforu vedie k lokalizovanej korózii (efekt mikro-článkov)

Vysoký obsah fosforu narúša rovnomernosť korózie ocele:

 Obohatenie fosforom na hraniciach zŕn vedie k nerovnomernému chemickému zloženiu na povrchu ocele, pričom sa vytvárajú mikročlánky „-oblasti bohaté na fosfor - fosfor-oblasti chudobné na fosfor“, čím sa urýchľuje lokalizovaná korózia (ako je bodová korózia a medzikryštalická korózia);

 Primeraný limit: Obsah fosforu v oceli odolnej voči poveternostným vplyvom musí byť kontrolovaný pod 0,12 %. Prekročenie tohto limitu zvyšuje mieru lokalizovanej korózie o viac ako 50 %, čím sa negujú pozitívne účinky odolnosti proti atmosférickej korózii.

Limity obsahu fosforu pre rôzne druhy ocele (pozri normu GB/T 222)

Kľúčové technológie pre kontrolu pridávania

Presný výpočet:

Na základe počiatočného obsahu fosforu v roztavenej oceli a limitu pre cieľovú triedu ocele sa množstvo prídavku vypočíta pomocou "vzorca rovnováhy fosforu", aby sa zabránilo nadmernému pridávaniu;

Dispergovaný prídavok:

Používa sa granulovaná zliatina ferofosforu, ktorá sa pridáva do roztavenej ocele prietokovým-spôsobom, aby sa znížilo miestne obohatenie a segregácia;

Legovanie:

Pridanie mangánu (Mn) môže potlačiť segregáciu fosforu (Mn sa spája s S za vzniku MnS, čím sa redukujú miesta obohatenia fosforom na hraniciach zŕn), zvyčajne sa kontroluje Mn/P väčší alebo rovný 10.