I Doppio Ruolo di zolfo e Phosphorus in Metallurgy d'acciaio

L'acciaio non è una sola sostanza ma una famiglia di leghe le cui prestazioni sono determinate dalla sua impronta chimica. Tra le decine di elementi che possono apparire in un calore di acciaio, zolfo e fosforo sono due delle più influenti e più frainteso. Per decenni, entrambi sono stati trattati come impurità indesiderabili da minimizzare.

Zolfo in acciaio: dall'impurità del detrimentale all'additivo utile

Lo zolfo (S) entra in acciaio dalle materie prime utilizzate nel forno ad altoforno o nel forno ad arco elettrico. Nella maggior parte degli acciai strutturali e ingegneristici, viene mantenuto al di sotto dello 0,05% per evitare problemi. Tuttavia, nei gradi di lavoro libero, lo zolfo può essere deliberatamente aggiunto fino a circa lo 0,35%.

Come forma lo zolfo Inclusioni

Lo zolfo ha una solubilità molto bassa in ferro massiccio. Durante la solidificazione, si combina con il manganese per formare inclusioni di solforato manganese (MnS) che sono morbide e allungate durante la laminazione a caldo, creando corde. La forma, la dimensione e la distribuzione delle inclusioni MnS influiscono direttamente sulla macchinabilità e sulle proprietà meccaniche.

Effetti positivi dello zolfo: una migliore macchinabilità

Le inclusioni MnS agiscono come sollevitori di stress che promuovono la rottura del chip, riducono le forze di taglio e prolungano la vita degli utensili. Gli acciai con lo 0,08-0,35% di zolfo sono classificati come acciai liberi da macellazione[]] e sono ampiamente utilizzati per prodotti di macchine a vite, bulloni e componenti automobilistici dove la tornitura a bassa velocità è richiesta.

Effetti negativi dello zolfo: Caldo corto e Dutility ridotta

Il solforo eccessivo, che si attesta intorno allo 0,05% nella maggior parte degli acciai al carbonio, causa la mancanza di calore[]. Durante il lavoro a caldo (forgiatura, rotolamento), lo zolfo forma film a basso punto di fusione del solforato di ferro (FeS) a limiti di grano.

Controllo dello zolfo nella fabbricazione dell'acciaio

Per gli acciai che richiedono molto basso zolfo (sotto lo 0,0055%), come tubo di linea o piastra di livello artico, una stazione di raffinazione secondaria è essenziale.

Fosforo in acciaio: Rinforzante ed Embrittler

Il fosforo (P) è un potente rinforzatore a solida soluzione in acciaio, che è circa dieci volte più efficace del silicio nel sollevare la forza di resa per il peso per cento. Eppure è anche uno degli elementi più pericolosi quando presente in eccesso. La storia dell'industria siderurgica è riempita di fallimenti tracciati al fosforo incontrollato, soprattutto le navi Liberty che si sono fratturate in condizioni atmosferiche fredde durante la seconda guerra mondiale.

Come il fosforo rafforza l'acciaio

Gli atomi di fosforo sostituiscono gli atomi di ferro nel reticolo ferrite, distorcendo la struttura di cristallo e impedendo il movimento di dislocazione. Ciò aumenta la resistenza del rendimento e la resistenza alla trazione, specialmente negli acciai a basso tenore di carbonio. In alcuni gradi di alloy basso-alta resistenza (HSLA), il fosforo è volutamente aggiunto a livelli fino allo 0,10–0,1% per raggiungere obiettivi di resistenza senza aggiungere elementi di legatura costosi

Effetti di carattere: Brittleness Fredda e Segregazione

Il problema più grande del fosforo è la sua forte tendenza a separarsi dai confini del grano durante la solidificazione. Ciò provoca [ embrittlement e fragilità del freddo[, riducendo drasticamente la durezza dell'impatto a basse temperature. L'effetto è più grave nei casi di acciaio e temprato fosfosfosfosfosfosfosfosfosfosfo in sezioni pesanti, in cui il raffreddamento è limitato è limitato 0,03.

Controllo fosforo nel BOF e nel FEA

La rimozione del fosforo richiede condizioni di ossidazione e una scorie di base nel forno di ossigeno di base (BOF) o nel forno elettrico dell'arco (EAF). La reazione di defosforo si verifica a temperature relativamente basse (1550–1600°C). Se la temperatura del bagno aumenta troppo alta, il fosforo ritorna dalla scoria nell'acciaio.

Solfur e fosforo di equilibratura per gradi specifici d'acciaio

Ogni specifica di grado d'acciaio fissa i limiti massimi (e talvolta minimi) per lo zolfo e il fosforo basati sull'applicazione prevista. Il produttore deve risolvere i costi della materia prima, la capacità di processo e le proprietà finali.

Acciaio strutturale del carbonio e della lega

I gradi come A36, 1018 e 4140 tipicamente specificano S ≤ 0,05% e P ≤ 0,04%, che garantiscono una saldabilità adeguata, formabilità e resistenza. Nelle sezioni pesanti, lo zolfo è spesso tenuto sotto lo 0,02% per ridurre al minimo il rischio di lacerazione lamellare durante la saldatura.

Acciaio per la lavorazione

Gli standard come AISI 1215 o 12L14 consentono lo zolfo fino allo 0,35% e il fosforo fino allo 0,07%. L'elevato contenuto di zolfo dà un eccellente controllo del chip, mentre il fosforo aggiunge forza. Questi acciai non sono destinati alla saldatura o alle applicazioni strutturali critiche, ma sono ideali per la lavorazione ad alto volume.

Gradi artici e offshore

Gli acciai per la pipelina (API 5L X65, X70) e gli acciai strutturali offshore richiedono uno zolfo molto basso (±0.005%) e un fosforo (±0.015%) per garantire l'energia da impatto Charpy a −40°C o inferiore. La chimica estremamente pulita minimizza le inclusioni di corder e l'embrittlement dei bordi del grano.

Acciaio per il meteorismo

Gradi come ASTM A588 contengono fosforo 0,07–0,15% per migliorare la patina protettiva che si forma sull'esposizione all'atmosfera. Lo zolfo è tenuto basso per evitare la mancanza di calore durante la la laminazione a caldo. La combinazione dà un acciaio che si autoprotegge contro la corrosione in molti ambienti.

Avanzamenti moderni in Ingegneria dell'inclusione e Acciaio pulito

Oggi, acciaierie e metallurgisti pratica ingegneria di inclusione[]: il controllo della composizione, morfologia e la distribuzione di inclusioni non metalliche per ottimizzare le prestazioni. Per lo zolfo, questo significa trattare l'acciaio con il calcio per modificare MnS allungato in piccole, dure sfere di solforo di calcio che non fanno i raschi di deformazione strettamente.

Un'altra frontiera è l'uso della termodinamica computazionale (CALPHAD) e dei modelli cinetici per prevedere la formazione e la segregazione dell'inclusione, che permettono agli ingegneri di processo di progettare programmi di raffinazione del forno che raggiungono i livelli desiderati di zolfo e fosforo con il tempo e l'energia minimi.

Linee guida pratiche per ingegneri e occhiali

Quando si seleziona un grado d'acciaio o si scrive una specifica di acquisto, prendere in considerazione queste linee guida per quanto riguarda lo zolfo e il fosforo:

  • Per saldabilità:[[] Specificare lo zolfo inferiore allo 0,010% e il fosforo inferiore allo 0,020%. Per le articolazioni saldate critiche, richiedere una pratica a basso zolfo della grana fine.
  • Per la lavorabilità:[] Scegli un grado di lavorazione gratuito con zolfo 0,08-0,35%.
  • Per la formazione a freddo:[] Tenere lo zolfo basso (sotto lo 0,020%) per evitare la crepatura dei bordi. Il fosforo può essere fino allo 0,05% per la forza, ma i livelli più alti aumentano il ritorno a molla.
  • Per la resistenza alla corrosione:[[] Gli acciai per il meteorismo usano il fosforo come risorsa. Confermare che l'ambiente di servizio è appropriato (umido/a secco ciclico), in quanto il fosforo non aiuta nelle condizioni sommerse o altamente inquinate.
  • Per tenacità:[] Richiedi un basso fosforo (sotto lo 0,010%) per prestazioni di impatto a bassa temperatura, soprattutto negli acciai temprati e induriti.

Conclusioni

Gli ingegneri di acciaio e di fosforo non sono semplicemente impurità da eliminare. Sono elementi attivi in lega con vantaggi distinti e rischi gravi. Lo zolfo migliora la lavorabilità a costo della duttilità calda e della durezza di spessore. Il fosforo migliora la resistenza e la corrosione, ma provoca la fragilità e l'embrionamento del metallo. L'arte dell'acciaio che fa uso di questi elementi per obiettivi precisi che corrispondono alle decisioni di successo dell'acciaio.

Per ulteriori informazioni, consultare il ]]Le risorse tecniche dell’Istituto di Ferro e d’acciaio[] o il Manuale ASM, Volume 1: Proprietà e Selezione: Ferro, Acciaio e Lega di Alta Performance[]].