Ferrophosphorus מורכב בעיקר מברזל (Fe) וזרחן (P), עם תכולת זרחן של 15%-25%. הוא מופיע כגושים או גרגירים, עם נקודת התכה של כ-1100-1200 מעלות וצפיפות של 7.2-7.5 גרם/ס"מ³. השפעתו על פלדה/יציקות נובעת משני מאפיינים מרכזיים:
המסיסות המוצקה המוגבלת של זרחן בפלדה (כ-0.02% בלבד בטמפרטורת החדר), ועודף זרחן משקע בקלות כפוספידים כגון Fe₃P;
לזרחן יש נטייה חזקה להפרד, מצטבר בקלות בגבולות התבואה, מה שעשוי לשפר את הביצועים אך גם להוות סיכון להתפרקות.
יתרונות וחסרונות של FeP בייצור פלדה וגבולות היישום שלו
(1) יתרונות ליבה: ביצועים משופרים ואופטימיזציה של תהליכים
חוזק משופר ועמידות בפני שחיקה:
אטומי זרחן מתמוססים לתוך סריג הברזל, גורמים לעיוות סריג, מעכב את תנועת הנקע ומשיג חיזוק תמיסות מוצקות. מתאים למוטות פלדה לבנייה-חוזק גבוה וחלקים מכניים-עמידים בפני שחיקה, כאשר כמות התוספת נשלטת ב-0.02%-0.04%, עמידות הבלאי משתפרת ב-20%-30%.
ניקוי חמצון עזר והתאמת הרכב:
לזרחן יש אנרגיה חופשית נמוכה של תגובה עם חמצן והוא יכול לשמש כמסיר חמצון עזר. ניתן להשתמש בו בשילוב עם פרוסיליקון ופרומנגן כדי להפחית עוד יותר את תכולת החמצן של פלדה מותכת. בדרגות פלדה מסוימות (כגון פלדה בלייה), זרחן פועל באופן סינרגטי עם נחושת וכרום כדי לשפר את עמידות בפני קורוזיה אטמוספרית.
ביצועי חיתוך אופטימליים:
כמות מתאימה של זרחן (0.03%-0.06%) יכולה לשפר את יכולת העיבוד של הפלדה, להקל על שבירת השבבים ולהפחית את בלאי הכלים ב-15%-20%, מה שהופך אותו מתאים לפלדות המשמשות בעיבוד מחרטות אוטומטי.
(2) סיכונים עיקריים: מפגעי שבירות ותהליכים
גורם לשבירות קרה:
זרחן מתפרק בגבולות התבואה ויוצר נקודת -התכה- נמוכה Fe₃P, מפחית את התקשרות גבול הגרגרים ומגביר את טמפרטורת המעבר השבירה של הפלדה. כאשר תכולת הזרחן עולה על 0.04%, קשיחות ההשפעה של פלדת פחמן נמוכה- יורדת בחדות מתחת ל--20 מעלות, מה שהופך אותה לנטייה לשבר פתאומי ולא מתאימה לפלדת מיכל בטמפרטורה נמוכה, פלדת גשר וכו'.
הידרדרות של יכולת הריתוך:
זרחן מופרד באזור הריתוך והחום-והמושפע, ויוצר סרט נוזלי בנקודת-התכה-נמוכה, אשר מוביל בקלות לסדיקה חמה תחת לחץ ריתוך, ומפחית את קצב מעבר הריתוך מיותר מ-95% מתחת ל-85%; כאשר תכולת הזרחן עולה על 0.03%, הרגישות לפיצוח חם עולה באופן משמעותי.
הפחתת הפלסטיות:
כאשר תכולת הזרחן עולה על 0.05%, ההתארכות של הפלדה יורדת מ-25% מתחת ל-15%, והקטנת השטח פוחתת ב-40%, מה שמשפיע על תכונות היצירה והעיבוד של הפלדה (כגון כיפוף והטבעה).
יתרונות, חסרונות וגבולות יישום של פרופוספור ביציקה
(1) יתרונות ליבה: שיפור ברזל מותך ואיכות יציקה
שיפור נזילות הברזל:
זרחן מפחית את מתח הפנים של ברזל מותך, מפחית את הצמיגות ב-15%-20%, מקל על הברזל המותך למלא חללי עובש מורכבים ומפחית פגמים כמו "מילוי לא מספיק" ו"סגירה קרה". מנתונים של חברת יציקה מדויקת עולה כי הוספת 0.02%-0.03% זרחן (בצורת פרופוספור) מעלה את שיעור ההסמכה ליציקה מ-88% ל-95%.
פגמי יציקה מופחתים:
תוספת של זרחן מעדן את גרגרי הגרפיט, וכתוצאה מכך מבנה יציקה אחיד יותר ומפחית את שכיחות פגמי הנקבוביות וההתכווצות ב-30%-40%; הוא מתאים לייצור יציקות רגילות העשויות מברזל יצוק אפור וברזל רקיע, משפר את איכות המראה ודיוק הממדים.
(2) סיכונים עיקריים: שבירות ופגיעה בביצועים
קשיחות יציקה מופחתת:
Excessive phosphorus (>0.05%) מגביר את שבירות היציקה, מפחית את קשיחות ההשפעה ב-25%-35%, במיוחד בטמפרטורות נמוכות, מה שהופך אותו לא מתאים ליציקות הנתונות לעומסי פגיעה (כגון בלוקים של מנוע וחלקי מכונות הנדסיות).
משפיע על ספרואידיזציה:
בברזל רקיע, תכולת זרחן העולה על 0.04% מעכבת כדוריות גרפיט, ומפחיתה את קצב הכדוריות מ-90% מתחת ל-70%, מה שמוביל לתנודות בחוזק היציקה וקצב הגרוטאות מוגבר.
גורם לסכנת פיצוח חם:
הפרדת זרחן יוצרת בקלות שלבים נמוכים בנקודות -התכה- בנקודות חמות ביציקות, ויוצרת סדקי מתח תרמיים במהלך התמצקות, במיוחד מגבירה את הסיכון לסדיקה חמה ב-20%-25% ביציקות מבניות מורכבות.
אסטרטגיות בקרה עיקריות לשימוש בפרופרופוספור
(1) בקרה מדויקת על כמות התוספת
| תרחישי יישום | תוכן זרחן מקסימלי המותר | כמויות תוספת זרחן וברזל מומלצות | יעדי בקרת ליבה |
| פלדת מיכל-נמוכה, פלדת גשר | פחות או שווה ל-0.025% | הוספה פעילה אסורה. | הימנע משבריריות קרה וסדקי ריתוך. |
| מוטות פלדה מבני חוזק- גבוה, פלדה עמידה- בפני שחיקה | פחות או שווה ל-0.045% | 0.02%-0.04% | איזון כוח וקשיחות |
| ברזל יצוק אפור רגיל, יציקות פשוטות | פחות או שווה ל-0.06% | 0.02%-0.03% | משפר את הנזילות ומפחית פגמים שנוצרים |
| ברזל רקיע, יציקות מדויקות | פחות או שווה ל-0.04% | 0.01%-0.02% | כדי להימנע מהשפעה על קצב הקשיחות והקשיחות |
(2) אמצעי ייעול תהליכים
תוספת מפוזרת:זרחן ברוני גרגירי מתווסף למתכת המותכת בזרימה-דרך כדי להפחית את ההעשרה וההפרדה המקומית;
סינרגיית אלמנטים:הוספת מנגן (Mn/P גדול מ-10 או שווה ל-10) יכולה לעכב הפרדת גבול גרגירי זרחן ולהקל על הסיכון להתפרקות;
זיקוק וטיהור:הסרת גופרית ושחרור זרחן מתבצעים באמצעות היווצרות סיגים של תנור LF כדי להבטיח שתכולת הזרחן עומדת במדויק בתקנים.
(3) בקרת סביבה ובטיחות
אבק שנוצר במהלך עיבוד סגסוגת פרופוספורו חייב להיאסף דרך מערכת סינון שקיות (ריכוז אבק נשלט מתחת ל-10mg/m³) כדי למנוע סכנות שאיפה;
כמות קטנה של גזים מזיקים כמו pH₃ תיווצר במהלך תהליך ההיתוך, לכן יש להבטיח אוורור טוב בבית המלאכה והמפעילים חייבים ללבוש מכשירי הנשמה.
יתרונות וחסרונות ועקרונות בחירה
הערך של סגסוגת FeP טמון ב"התאמה המדויקת שלה לתרחישים ספציפיים":בתרחישים בהם נדרשים חוזק, עמידות בפני שחיקה ונזילות, אך דרישות הקשיחות והריתוך אינן גבוהות (כגון פלדה מבנית רגילה ויציקות פשוטות), תוספת מתאימה יכולה לשפר משמעותית את איכות המוצר ויעילות הייצור.
הסיכונים המרכזיים טמונים ב"עודף ואי התאמה":עבור פלדה/יציקות תחת טמפרטורה נמוכה, עומס פגיעה ותנאי ריתוך, יש להגביל או לאסור לחלוטין את הוספת הפרו-פוספור.
מפתח ליישום מעשי:קבעו את הגבול העליון של תכולת הזרחן בהתאם לתקני המוצר, נצלו את היתרונות שלו באמצעות ניסוח מדויק ואופטימיזציה של תהליכים, והימנעו מהשפעות שליליות כמו שבירות.
