硫磺和磷在钢冶金中的双重作用

钢不是单一的物质,而是合金家族,其性能由它的化学指纹决定。 在数十种能出现在钢、硫和磷热中的元素中,有两种最有影响力,而且最被误解。几十年来,两者都被视为不受欢迎的杂质,需要尽可能降低。然而现代钢制造揭示,在仔细控制下,每种元素都可以发挥宝贵的作用。 本条探讨了硫和磷背后的冶金学,其对机械特性的影响,以及平衡其具体钢级的实际策略。

钢中的硫:从减量化的不纯化到有用的添加剂

硫(S)从爆炸炉或电弧炉所用的原材料中进入钢,在大多数结构和工程钢材中,它都保持在0.05%以下以避免问题,但是,在自由制造的级中,硫磺可能会被故意加到0.35%左右。 理解为什么需要考察硫磺在钢质微结构中的表现。

如何将硫磺纳入其中

硫在固体铁中的溶解度非常低,在固化过程中,它与锰结合形成硫化锰(MnS)的包含物,这些包含物在热滚过程中是软的和延长的,产生串联器. MnS 包含物的形状,大小和分布直接影响到机械特性.

硫的积极影响:可改进的可变性

硫化物的主要好处是机械化的显著改善。 MnS 包含物起到催化芯片断裂、减少切割力和延长工具寿命的作用。 硫化物的0.08-0.35%的钢被归类为[自由机械钢[],并被广泛用于螺旋机产品、螺栓和汽车组件,因为需要高速转动和钻探。 在这些应用中,降低机能的权衡是可以接受的。

硫的消极影响:热短和减少密度

超量硫元素 — — 在大多数碳钢中大约超过0.05% — — 造成热短[. 在热工(forging,滚动)期间,硫元素在谷物边界形成低熔点硫化铁(FeS)薄膜。这些薄膜在远低于钢的加工温度下熔化,导致间质裂解。这就是硫元素水平严格限于必须焊接或热成型的结构钢的原因。即使在中等水平,硫元素也会降低强度和顺力,特别是在长的MnS串器导致的通向下。

钢铁制造中的硫化物控制

钢制器通过脱硫处理去除硫,典型的做法是在拉布尔冶金中采用钙基通量或镁注入法。 对于需要非常低硫的钢材(低于0.005 % ) , 如管道或北极级板材,必须有一个二级炼油站。 相反,对于自由加工级,硫磺在脱氧化后添加,以确保形成有利的光滑MnS包含物而不是有害的FeS。

钢中的磷:加强剂和安布利特勒

磷(P)是钢铁中强大的固溶强化剂。 它在提高每重量的产量强度方面比硅高十倍。 然而,它也是超量存在时最危险的元素之一。 钢铁制造的历史充满了无法控制的磷 — — 最著名的是二战期间在寒冷天气中断裂的自由船 — — 的失败。

磷如何加强钢

磷原子取代了铁原子在丝网中的原子,扭曲了晶体结构,阻碍了脱落运动。 这提高了产量强度和抗拉强度,特别是在低碳钢中。 在某些高强度低合金(HSLA)级中,磷原子被刻意添加到高达0.10–0.12%的水平,以实现强度目标,而不会添加像 ⁇ 或 ⁇ 这样的昂贵合金元素。 磷也提高了大气腐蚀阻力,这就是为什么风化钢(如COR-TEN)的强度为0.07–0.15% P的原因。

减退效应:冷淡和隔离

磷的最大问题是,磷在固化过程中有将磷分解到谷物边界的强烈倾向。 这造成了[]冷冻[冷冻,在低温下大幅降低撞击强度。 尤其是在压抑和冷却速度慢的重体区,磷在结构钢中通常被限制在0.03-0.4%,在管和压力容器级别上甚至更低。

BOF和EAF中的磷控制

磷的去除需要氧化条件和基本氧炉或电弧炉的基本炉渣。脱磷反应发生在相对较低的温度(1550-1600°C ) 。 如果浴温升高过高,磷从炉渣中返回到钢中。 在进行敲击后,用拉链炉的搅拌和炉渣调节进行二次提炼,可以达到极低的磷含量(低于0.010%),用于关键用途。 在不锈钢生产中,磷尤其难以去除,因为高铬在熔融中稳定。

特定钢级的平衡硫和磷

每一个钢品级规格都根据预定应用设定硫磺和磷的最高(有时是最低)限值。 生产商必须把原材料成本、加工能力和最终特性等因素结合起来。 下面是研究这些限值如何因常见钢系而异。

碳和合金结构钢

类似A36、1018和4140等级别通常规定S 0.05%和P 0.04%。 这些限制确保了适当的焊接性、可塑性和坚韧性。 在重质区,硫磺通常被扣在0.02%以下,以尽量减少焊接过程中的跛齿撕裂风险。

自由机械钢

AISI 1215 或 12L14 等标准允许硫磺含量高达 0.35%,磷含量高达 0.07%. 高硫含量提供了出色的芯片控制,而磷则增加了强度。 这些钢不是用于焊接或关键结构应用,而是用于高容量机械的的理想方法。

北极和近海地区

管道钢(API 5L X65,X70)和离岸结构钢需要非常低的硫磺(<0.005%)和磷磷(<0.015%)以保证在−40°C或更低的碳酸盐撞击能量. 极清洁的化学将串联的包含和谷物边界的内饰最小化.

风雨钢铁

ASTM A588等级别含有0.07–0.15%的磷,用于增强大气暴露时形成的保护性丙丁。 硫保持低温以避免热力在滚烫时出现短促。 组合提供了一种在很多环境中可自我防腐蚀的钢。

包容工程和清洁钢铁的现代进步

对硫和磷的理解已经远远超出了简单的极限。 如今,钢制造者和冶金家们在进行 包容工程 : 控制非金属成分、形态和分布以优化性能。 对于硫,这意味着用钙处理钢,将长长的MnS修改为小的、硬的硫化钙球体,使其不降低强度或焊化性。对于磷,它涉及在铸造过程中严格控制转录,并仔细选择废品和合金来源。

另一个前沿是使用计算热力学(CALPHAD)和动力学模型来预测包容形成和隔离模式,这些工具使工艺工程师能够设计出能够以最小的时间和能量达到期望的硫和磷水平的炼炉时间表.

工程师和指定者实用准则

在选择钢品级或写成购买规格时,考虑硫磺和磷的这些准则:

  • 关于焊接性: 指定硫含量低于0.010%,磷含量低于0.020%。对于关键的焊接关节,请使用低硫精-加成法。
  • 对于机械性:选择自由制造的等级,其硫磺含量为0.08–0.35%。 注意这些钢不适合焊接或低温服务。
  • 对于冷形成: 保持硫低(低于0.020%)以避免边缘裂解. 磷酸盐的强度可高达0.05%,但较高的含量会增加弹簧回弹.
  • 对于防腐蚀性: 风化钢将磷作为资产,确认服务环境是合适的(循环湿/干),因为磷对水下或污染严重的条件无济于事.
  • 对于硬度: 低温撞击性能对低磷(低于0.010%)的需求,特别是在压抑和压抑钢材中.

结论

硫和磷不仅仅是要消除的杂质,它们是具有明显优势和严重风险的活性合金元素。 硫以热电联结和通密性硬度为代价提高了机械性。 磷能增强强度和腐蚀性,但会导致冷脆和温带。 炼钢术在于控制这些元素,使之精确地达到与钢的预期用途相符的目标。 通过理解硫和磷背后的冶金,工程师和光谱师可以做出知情的决定,从而成功、可靠地生产钢产品。

欲进一步阅读,请参看美国钢铁研究所的技术资源[或ASM手册,第一卷:属性和选择:铁、钢和高性能合金。 关于钢制造工艺的实用指南见 Worldsteel的出版物。