Двох ролей Sulfur і фосфору в сталевій металургії

Стала не єдина речовина, але сім'я сплавів, які виконуються її хімічним відбитком пальців. Серед десятків елементів, які можуть з'явитися в спеку сталі, сірки і фосфору, є двома найбільш впливовими - і найбільш невідповідними. Протягом десятиліть обидва були оброблені як небажані домішки, щоб бути з мінімумом. Yet сучасна сталева виготовлення показали, що, коли ретельно контролюється, кожен може служити цінною функцією. Ця стаття досліджує металургійну науку за сіркою і фосфором, їх вплив на механічні властивості, і практичні стратегії, які використовуються для балансування їх для конкретних марок сталі.

Сульфур в сталі: Від детермінативної домішки до корисної добавки

Сульфур (S) входить в сталь з сировини, що використовується в печі з пластику або печі електричної дуги. У більшості конструкційних і інженерних сталей вона зберігається нижче 0.05%, щоб уникнути проблем. Однак в вільній обробці сортах сірка може бути навмисно додано до близько 0,35%. Розуміння чому вимагає погляду на те, як сірка породила в мікроструктурі сталі.

Як відключення Sulfur Forms

Sulfur має дуже низьку розчинність в твердому прасці. Під час твердості він поєднує з марганцем для формування марганцю сульфіду (MnS) інклюзивних включень. Ці включення м'які і подовжені під час гарячого прокатування, створення струнних машин. Форма, розмір і розподіл включеньних MnS безпосередньо впливають на механічну механічні властивості.

Позитивні ефекти Sulfur: Покращена механізованість

Основна перевага сірки є драматичним поліпшенням в механізованих умовах. MnS включає дію як стрес-підсилювачі, які сприяють розбиття чіпа, зменшення ріжучих сил і продовження терміну служби інструменту. Сталь з 0,08-0,5% сірки класифікуються як , безкоштовні сталі] і широко використовуються для гвинтових машин, болтів, автомобільних компонентів, де потрібна швидкісна токарність і буріння. У цих додатках торгівля-відключенням при зниженій протоку.

Негативні ефекти Sulfur: Гаряча Короткість і зменшення обов'язків

Надмірна сірка — надходить про 0.05% у більшості вуглецевих сталей—запобіжники гаряча корочення]. Під час гарячої роботи (загортання, прокатки), сірка утворює низькоплаваючі точкові залізні сульфиди (FeS) на межі зерна. Ці плівки плавають при температурі добре нижче температури обробки сталі, що призводить до міжгранірового розтріскування. Саме тому рівні сірки суворо обмежені структурними сталями, які повинні бути зварені або гарячеформовані. Навіть при помірних рівнях сірка знижує міцність і протоки, зокрема через подовжені струми.

Sulfur Control в сталевому виробництві

Сталі виробники знімають сірку через десульфуризація лікування, як правило, використовують кальційовані флюси або магнію в льодовій металургії. Для сталей, які вимагають дуже низької сірки (повільняють 0.005%), такі як труба або арктична пластина, необхідна вторинна рафінована станція. Зовні, для вільних сортів сірка додається після деокислення, щоб забезпечити утворення сприятливих лобальних MnS включень, а не детриментальних FeS.

Фосфор у сталі: Зміцнення та амбрикати

Фосфор (P) є потужним твердорозчинним кремом у сталі. Він приблизно в десяти разів ефективніший, ніж кремній при підвищенні міцності врожайності на ваговий відсоток. Так само це також один з найбільш небезпечних елементів, коли присутній у надлишку. Історія виробництва сталі наповнена збої, простеженими з неконтрольованої фосфору, найвідомішо лібераючі кораблі, які зламаються в холодну погоду під час Другої світової війни.

Як Phosphorus Зміцнює сталь

Фосфорні атоми замінюють залізоподібні атоми в феритній решітці, спотворюючи кристалічну структуру і перешкоджаючи руху розвантаження. Це підвищує міцність і міцність на розрив, особливо в низьковуглецевих сталей. У певних високоміцних низьколегованих (HSLA) сортів, фосфор навмисно додається на рівні до 0.10-0.12%, щоб досягти міцних цілей без додавання дорогих сплавів елементів, таких як ваніль або ніобію. Фосфор також покращує атмосферну корозійну стійкість, що є чому погоджена сталь (наприклад, COR-TEN) містить 0.07-0.15%.

Непристойні ефекти: холодна крихта і сегрегація

Найбільша проблема з фосфором є його сильною схильністю до розбирання зернових меж при твердих умовах. Це викликає , що дозволяє розмаховуватися і зварена крихкість], різко зменшуючи міцність впливу при низьких температурах. Ефект найбільш сильний при броньованих і в важких ділянках, де охолодження повільне. З цих причин фосфор зазвичай обмежується 0.03-0.04% в структурних сталей і навіть нижніх рівнях в лінійних трубах і напірних суднах.

Фосфорний контроль в BOF і EAF

Видалення фосфору вимагає окислення умов і базового лагу в базовій кисневій печі (BOF) або електричній печі дуги (EAF). Реакція дефосфоризації відбувається при порівняно низьких температурах (1550–1600°C). Якщо температура ванни піднімається занадто високою, фосфор відтворює від лагу назад в сталь. Після натискання вторинна обробка ковпачною розмішуючим і відлаговим кондиціонуванням може досягати дуже низьких рівнів фосфору (нижте 0.010%) для критичних додатків. У виробництві нержавіючої сталі фосфор особливо важко видалити, оскільки високохромний стабілізатор його в плаванні.

Балансування Sulfur і фосфор для конкретних марок сталі

Кожен специфікація марки сталі встановлює максимальні (і іноді мінімальні) ліміти для сірки і фосфору на основі призначеного застосування. Виробник повинен охопити вартість сировини, можливість процесу та кінцеві властивості. Ось погляд на те, як ці межі змінюються по відношенню до сімей з рідкими сталями.

вуглецево-зріджених конструкційних сталей

Сорти, такі як A36, 1018, і 4140, як правило, вказують S ≤ 0.05% і P ≤ 0.04%. Ці межі забезпечують достатню зварюваність, стійкість і міцність. У важких секціях сірка часто проводиться нижче 0.02%, щоб мінімізувати ризик розриву ламелі при зварюванні.

Безкоштовні обробки сталі

Стандарти, як AISI 1215 або 12L14 дозволяють сірки до 0,35% і фосфору до 0.07%. Високий вміст сірки дає відмінне управління чіпом, при цьому фосфор додає міцність. Ці сталі не призначені для зварювання або критичних конструкційних додатків, але ідеально підходять для високооб'ємного механічного обробки.

Арктики та офшори

Трубопровідні сталі (API 5L X65, X70) і сорочення конструкційних сталей вимагають дуже низької сірки (<0.005%) і фосфору (<0.015%) для забезпечення впливу на Charpy при температурі −40°C або нижній. Надзвичайно чистий хімія мінімує включення колонтитула і зрізання зернових меж.

Погода

Сорти, як ASTM A588, містять 0.07-0.15% фосфору для підвищення захисних відкладень, що утворюється на впливі на атмосферу. Sulfur зберігає низький, щоб уникнути гарячої нестачі під час гарячого прокатування. Поєднання надає сталь, яка самозахист від корозії в багатьох середовищах.

Сучасні досягнення в інкубації інженерно-чищаюча сталь

Розуміння сірки і фосфору має передові далеко за межі простих максимальних обмежень. Сьогодні, металургійні та металургійні практики інфункційне машинобудування: контроль складу, морфології та розподілу неметалічних включень для оптимізації продуктивності. Для сірки це означає, що обробка сталі з кальцій для зміни витягнутих MnS в невеликі, тверді сульфатні сфери кальцію, які не погіршують міцність або зварюваність. Для фосфору це передбачає тісний контроль реверсії при кастингу та ретельному підборі металобрухту та сплавів.

Ще один передній - це використання обчислювальної термодинаміки (CALPHAD) і кінетичних моделей для прогнозування включення і розбирання візерунків. Ці інструменти дозволяють обробляти інженери для проектування розкладу печі, що дозволяють досягти бажаного рівня сірки і фосфору з мінімальним часом і енергією.

Практичні рекомендації для інженерів та виводів

При виборі сталевого сорту або написання специфікації купівлі, враховуйте ці вказівки щодо сірки та фосфору:

  • Для зварюваності: Вказати сірку нижче 0.010% і фосфор нижче 0.020%. Для критичних зварених з'єднань запитайте на невелику сульфурську тонкозернову практику.
  • Для механічної обробки: Виберіть вільний сорт обробки з сіркою 0.08-0,5%. Уважайтеся, що ці сталі не підходять для зварювання або кріогенного обслуговування.
  • Для холодного формування: Тримайте сірку низькою (нижте 0.020%), щоб уникнути тріщин. Фосфор може бути до 0.05% для міцності, але вищі рівні підвищують весняний недолік.
  • Для корозійної стійкості:] Втрата сталей використовують фосфор як актив. Підтвердіть, що середовище обслуговування є відповідним (циклічний мокрий/сухий), оскільки фосфор не допомагає в занурених або високо забруднених умовах.
  • За затяжність: Деманд низькофосфатний (нижте 0.010%) для низькотемпературних ударних показників, особливо в броньованих і стемпперованих сталей.

Висновок

Сульфур і фосфор не просто неспроможності бути ліквідовані. Вони є активними сплавними елементами з відмінними перевагами і серйозні ризики. Сульфур покращує механічну стійкість при вартості гарячої протоки і через міцність. Фосфор підвищує міцність і корозійну стійкість, але викликає холодну ламкість і помірне роздратування. Мистецтво сталевого виробництва лежить в контролінгу цих елементів для точного використання сталі. З розумінням металургії за сіркою і фосфором, інженери і спекулятори можуть приймати поінформовані рішення, що призводять до успішного, надійного сталевого продукту.

Для подальшого читання консультуйтеся з американськими технічними ресурсами металургійного інституту або ASM Handbook, Volume 1: Властивості та вибору: Irons, Steels та High-Performance сплави. Практичне керівництво процесів виробництва сталі можна знайти в публікації Worldsteel.