Rikki- ja fosforin kaksoisroolit teräsmetallurgiassa

Teräs ei ole yksi aine, vaan seosten ryhmä, jonka suorituskyky määräytyy sen kemiallisen sormenjäljen perusteella. Niistä kymmenistä elementeistä, jotka voivat esiintyä teräksen, rikki ja fosforin kuumuudessa, ovat kaksi vaikutusvaltaisinta. Vuosikymmenten ajan molempia käsiteltiin ei-toivotuina epäpuhtauksina, joita on minimoitava. Silti moderni teräksenvalmistus on osoittanut, että huolellisesti hallittuna jokainen voi palvella arvokasta tehtävää. Tässä artikkelissa tutkitaan rikki- ja fosforin taustalla olevaa metallurgista tiedettä, niiden vaikutuksia mekaanisiin ominaisuuksiin ja käytännön strategioita, joita käytetään niiden tasapainottamiseksi tiettyihin teräslaatuihin.

Teräsrikkinen: Epäpuhtaudesta hyödylliseen aineeseen

Rikki (S) tulee teräsraaka-aineista, joita käytetään masuunissa tai sähkökaariuunissa. Useimmissa rakenne- ja koneteräksissä sitä pidetään alle 0,05 prosentissa ongelmien välttämiseksi. Vapaan koneistamisen laaduissa rikkiä voidaan kuitenkin tarkoituksellisesti lisätä noin 0,35 prosenttiin. Ymmärtäminen vaatii, miten rikki käyttäytyy teräsmikrorakenteessa.

Miten rikkimuodot sisältyvät

Rikki on hyvin alhainen liukoisuus kiinteä rauta. Kiinteiden raudan aikana se yhdistää mangaanin muodostaa mangaanin rikki (MnS) inclusions. Nämä inclusionit ovat pehmeitä ja pitkäikäisiä aikana kuumavalssauksen, luoda merkkijonoja. Muoto, koko ja jakautuminen MnS inclusions suoraan vaikuttaa koneellisuus ja mekaaniset ominaisuudet.

Rikkipitoisuuden positiiviset vaikutukset: Parempi koneistuskyky

Rikkiä käytetään pääasiassa koneistamiseen. MnS-liitokset toimivat jännityksen nostajina, jotka edistävät sirujen murtumista, vähentävät leikkausvoimia ja pidentävät työkalujen käyttöikää. Teräs, jossa on 0,08...0,35 prosenttia rikkiä, luokitellaan [-vapaaksi koneteräkseksi, ja niitä käytetään laajalti ruuvikoneissa, pulteissa ja autonosissa, joissa tarvitaan nopeaa kääntymistä ja poraamista. Näissä sovelluksissa voidaan hyväksyä pelkistetty kanavakäyttö.

Rikkipitoisuuden kielteiset vaikutukset: Kuumat horrosuudet ja vähentynyt hilpeys

Ylimääräinen rikki . Yli 0,05% useimmissa hiiliteräksissä.Kaaviossa []kuuma lyhykkyys[]. Kuuman työskentelyn aikana (forging, valssaus), rikki muodostaa matalan sulavan rautasulfidin (FES) kalvoja viljarajalla. Nämä kalvot sulavat selvästi alle teräksen . Nämä kalvot sulavat lämpötiloissa, mikä johtaa granulaarien väliseen krakkaus. Tämän vuoksi rikkipitoisuudet ovat tiukasti rajoitettuja rakenneteräksissä, jotka on hitsattava tai kuumamuokattava. Jopa kohtalaisella tasolla, rikki vähentää iskun sitkeyttä ja kanavattomuutta, erityisesti läpikiristyssuunnassa johtuen pitkitetyistä MnS-sietureista.

Terästeollisuuden rikkipäästöjen valvonta

Teräsvalmistajat poista rikkiä rikkinpoistokäsittelyjen kautta, tyypillisesti käyttämällä kalsium-pohjaisia flukseja tai magnesiumin ruiskutusta ladlen metallurgiassa. Terästen, jotka vaativat hyvin vähän rikkiä (alle 0,005%), kuten putkijohto tai arktinen-laatuinen levy, toissijainen jalostusasema on välttämätön. Toisaalta, vapaa-koneistus laatuja, rikki lisätään jälkeen deoksidaatio varmistaa muodostumista suotuisan pallomainen MnS inclusion sijaan haitallisia FeS.

Teräsfosfiini: vahvempi ja embrittler

Fosfori (P) on voimakas kiinteä-liuoksenvahvistaja teräs. Se on noin kymmenen kertaa tehokkaampi kuin pii nostaa tuottolujuus painoprosenttia. Silti se on myös yksi vaarallisimmista elementeistä, kun läsnä. Historia teräksen valmistus on täynnä virheitä, jotka ovat peräisin hallitsematon fosfori. Tunnetuin Liberty alukset, jotka murtuivat kylmässä säässä toisen maailmansodan.

Miten fosfori vahvistaa terästä

Fosforiatomit korvaavat rauta-atomeja ferriittihiilessä, vääristävät kristallirakennetta ja estävät sijoiltaanmenon. Tämä lisää tuotto- ja vetolujuutta, erityisesti vähähiilisissä terässä. Tietyissä korkean lujuustason matalaseoksissa (HSLA) fosforia lisätään tarkoituksellisesti tasolle 0,10.15%, jotta saavutetaan lujuustavoitteet lisäämättä kalliita seostuselementtejä, kuten vanadiinia tai niobiumia. Fosfori parantaa myös ilmakehän korroosionkestävyyttä, minkä vuoksi säänkestävä teräs (kuten COR-TEN) sisältää 0,07.15.15% P.

Detrimental vaikutukset: kylmä leväperäisyys ja eriytyminen

Suurin ongelma fosforin kanssa on sen voimakas taipumus eristää raerajat kiinteytymisen aikana. Tämä aiheuttaa [-simulaattorin kimmoisuuden[] ja -kylmä haurasuus[], vähentää merkittävästi iskun sitkeyttä alhaisissa lämpötiloissa. Vaikutus on kaikkein vakavin sammutetuilla ja kiivailla teräksillä ja raskailla paloilla, joissa jäähdytys on hidasta. Näistä syistä fosfori on tyypillisesti rajoitettu 0.03.04 prosenttiin rakenneteräksissä ja jopa alemmalle tasolle putki- ja paineastialaaduissa.

Fosforin valvonta BOF- ja EAF-alueilla

Fosforin poisto vaatii hapetusolosuhteita ja peruskuonan perushapetusuunissa (BOF) tai sähkökaariuunissa (EAF). Fosforinpoistoreaktio tapahtuu suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa (1550.1600 °C). Jos kylpylämpötila nousee liian korkeaksi, fosfori palautuu kuonasta takaisin teräkseen. Napauksen jälkeen sekundäärinen jalostus, jossa on liesiuunia sekoittamalla ja kuonakäsittely, voi saavuttaa erittäin alhaiset fosforipitoisuudet (alle 0,010%) kriittisissä sovelluksissa. Ruostumattoman teräksen tuotannossa fosforia on erityisen vaikea poistaa, koska korkea kromi vakauttaa sen sulassa.

Rikki- ja fosforitasapainotus erityisteräsluokkiin

Jokainen teräslaatua koskevat vaatimukset asettavat enimmäisrajat (ja joskus vähimmäisrajat) rikkille ja fosforille käyttötarkoituksen perusteella. Tuottajan on jongleerattava raaka-ainekustannuksia, prosessikapasiteettia ja lopullisia ominaisuuksia. Tässä on tarkastella, miten nämä rajat vaihtelevat yhteisten teräsperheiden välillä.

Hiili- ja seosteräs

Asteikot kuten A36, 1018 ja 4140 tyypillisesti määrittelevät S ≤ 0,05% ja P ≤ 0,04%. Nämä rajat takaavat riittävän hitsauksen, muodon ja sitkeyden. Raskasosioissa rikkiä pidetään usein alle 0,02 prosentissa, jotta minimoidaan lamellaarin repeytymisen riski hitsauksen aikana.

Vapaa-koneistavat terästuotteet

Standardit kuten AISI 1215 tai 12L14 sallivat rikkiä jopa 0,35 prosenttia ja fosforia jopa 0,07 prosenttia. Korkea rikkipitoisuus antaa erinomaisen sirusäädön, kun taas fosfori lisää lujuutta.Näitä teräksiä ei ole tarkoitettu hitsaukseen tai kriittisiin rakenteellisiin sovelluksiin, vaan ne ovat ihanteellisia suuren tilavuuden työstöyn.

Arktiset ja offshore-luokat

Putkiterästä (API 5L X65, X70) ja offshore-rakenteesta terästä tarvitaan hyvin vähän rikkiä (< 0.005%) ja fosforia (< 0.015%), jotta voidaan taata Charpy-vaikutusenergia −40 °C:ssa tai sen alapuolella. Erittäin puhdas kemia minimoi nyörien sisäänsulautumisen ja raerajan.

Sääteräs

Astmaluokat kuten ASTM A588 sisältävät 0.07.15% fosforia, joka parantaa ilmakehälle altistuvaa suojaavaa patinaa. Rikki pysyy matalana, jotta kuumuus ei jäisi kuumina vierintäaikana. Yhdistelmä antaa itsesuojaavan teräksen monissa ympäristöissä.

Moderni Advance in Inclusion Engineering ja Clean Steel

Käsitys rikki ja fosfori on edennyt paljon pidemmälle kuin yksinkertaisia enimmäisrajoja. Nykyään teräksenvalmistajat ja metallilurgists käytännössä [ inclusion engineering[: valvoa koostumus, morfologia, ja jakelu ei-metallien inclusions optimoida suorituskykyä. Rikki, tämä tarkoittaa teräksen kanssa kalsiumin muuttaa pitkänomainen MnS pieniksi, kova kalsiumsulfidin aloilla, jotka eivät hajota sitkeys tai hitsattavuus. Fosforin, se edellyttää tiukkaa valvontaa reversion aikana valu ja huolellinen valinta romun ja metalliseoslähteiden.

Toinen rajapinta on tietokoneiden termodynamiikan (CALPHAD) ja kineettisten mallien käyttö inclusion muodostumista ja erottelua ennustavien mallien ennustamiseksi. Näiden työkalujen avulla prosessi-insinöörit voivat suunnitella uunien jalostusaikatauluja, jotka saavuttavat halutun rikki- ja fosforipitoisuuden mahdollisimman pienellä ajalla ja energialla.

Käytännön ohjeet insinööreille ja spekfioireille

Kun valitaan teräslaji tai kirjoitetaan osto-eritelmä, on tarkasteltava näitä rikkiä ja fosforia koskevia ohjeita:

  • Hitsaus:[ Määrittele rikki alle 0,01% ja fosfori alle 0,020%. Kriittisten hitsattujen liitosten osalta pyydä matalarikkistä hienon jyvän käyttöä.
  • Koneeseen:[ Valitse vapaa koneistus luokka rikki 0,08..0.35%. Huomaa, että nämä teräkset eivät sovellu hitsaukseen tai kryogeeniseen palveluun.
  • Välänmuodostamiseen:[ Pidä rikki matalalla (alle 0,020%) reunan halkeamisen välttämiseksi. Fosfori voi olla jopa 0,05% vahvuuden, mutta korkeampi taso lisää jousipyssyä.
  • korroosionkestävyys:[ Sääteräksissä käytetään fosforia voimavarana. Vahvista, että huoltoympäristö on sopiva (syklinen märkä/kuiva), koska fosfori ei auta veden alla tai erittäin saastuneissa olosuhteissa.
  • Kovaus:[ Vaadi matalaa fosforia (alle 0,010%) matalan lämpötilan iskutehon saavuttamiseksi, erityisesti sammutetuissa ja kuumassa teräksissä.

Päätelmät

Rikki ja fosfori eivät ole pelkästään epäpuhtauksia poistettavaksi. Ne ovat aktiivisia seostuselementtejä, joilla on erilliset edut ja vakavat riskit. Rikki parantaa koneistavuutta kuuman kanavaisuuden ja läpikiristys sitkeyden kustannuksella. Fosfori parantaa lujuus- ja korroosionkestävyys, mutta aiheuttaa kylmähaurautta ja temperamenttia. Teräksen valmistuksen taito on näiden osien hallinnassa täsmällisiin kohteisiin, jotka vastaavat terässeoksia suunniteltuun käyttöön. Ymmärtämällä rikin ja fosforin taustalla olevan metallurgian insinöörit ja spesialistit voivat tehdä tietoon perustuvia päätöksiä, jotka johtavat menestyksekkäisiin ja luotettaviin terästuotteisiin.

Lisätietoja saa American Iron and Steel Institute -laitokselta tai ASM-käsikirjasta, Nide 1: Ominaisuudet ja valinta: Irons, Steels ja High-Performance Selosteet[. Teräksenvalmistusprosesseja koskevat käytännön ohjeet löytyvät maailman teräsalan julkaisuista.