כיצד משפיעה סגסוגת זרחן ברזל על תכונות הפלדה?

סגסוגות פררופופורוס מורכבות בעיקר מברזל (Fe) וזרחן (P), עם תכולת זרחן שנעה בדרך כלל בין 15% ל-25%. הם מופיעים כגושים או גרגירים, עם נקודת התכה של כ-1100-1200 מעלות וצפיפות של 7.2-7.5 גרם/ס"מ³. השפעתם המרכזית על תכונות הפלדה נובעת מ:

 המסיסות המוצקה המוגבלת של זרחן בפלדה (כ-0.02% בלבד בטמפרטורת החדר), וכמויות מופרזות משקעים בקלות כפוספידים כגון Fe₃P;

 ההבדל ברדיוס בין אטומי זרחן וברזל גורם לעיוות סריג לאחר תמיסה מוצקה, וכתוצאה מכך אפקט מחזק;

 לזרחן יש נטייה חזקה להפרד, מצטבר בקלות בגבולות התבואה ומשבש את התקשרות גבול התבואה.

(1) חוזק וקשיות משופרים משמעותית (אפקט מחזק פתרון מוצק)

זרחן הוא אלמנט מחזק יעיל ביותר, המשפר את התכונות המכניות של פלדה באמצעות מנגנון חיזוק פתרון מוצק:

לאחר שאטומי זרחן מתמוססים בסריג הברזל, הם גורמים לעיוות הסריג, מעכב את תנועת העקירה ומשפרים משמעותית את החוזק והקשיות של הפלדה. הנתונים מראים כי על כל עלייה של 0.01% בזרחן בפלדת פחמן נמוכה-, חוזק המתיחה עולה ב-6-10 MPa, וחוזק התפוקה עולה ב-5-8 MPa.

 יישומים מתאימים:משמש בחיזוק מבנים-בחוזק גבוה (כגון HRB500E) ופלדה מבנית רגילה. על ידי הוספת כמות מתאימה של סגסוגת פרופוספורית (שליטה בתכולת הזרחן בפלדה ל-0.02%-0.04%), ניתן לעמוד בדרישות החוזק של פרויקטים הנדסיים מבלי להגדיל את עלויות הסגסוגת.

(2) עמידות בפני קורוזיה אטמוספירית משופרת (אפקט סינרגיסטי של סרט פסיביות)

זרחן יכול לשפר באופן סינרגטי את עמידות בפני קורוזיה אטמוספרי עם אלמנטים כמו נחושת וכרום בפלדה:
זרחן יכול ליצור סרט תחמוצת מרוכב Fe₂O₃-P₂O₅ צפוף על פני הפלדה, להפריע לחדירה של מדיה קורוזיבית (מים, חמצן) ולשפר את עמידות הקורוזיה האטמוספרית;
 יישום אופייני:בייצור פלדת בליה (כגון Q450NQR1), מוסיפים בכוונה סגסוגת ברזל-זרחן (תכולת זרחן בפלדה 0.06%-0.12%), הפועלת באופן סינרגטי עם נחושת (0.20%-0.50%) וכרום (0.30%-12%) ליצירת שכבה יציבה לחלודה. עמידות הקורוזיה האטמוספרית שלו היא פי 2-3 מזו של פלדת פחמן רגילה, מה שהופך אותו מתאים לגשרים, מכולות ומבני פלדה חיצוניים.

(3) מיטוב ביצועי עיבוד שבבי (אפקט שבירת שבבים)

כמויות מתאימות של זרחן יכולות לשפר את יכולת העיבוד של פלדה: תמיסת זרחן מוצקה מגבירה מעט את שבירות הפלדה, מה שהופך את שבבי קל יותר לשבור במהלך החיתוך, מפחית את הסתבכות הכלים ומשפר את יעילות העיבוד.
 תרחישי יישום מתאימים:עבור-חיתוך חופשי של פלדות (כגון Y15) המשמשות מחרטות אוטומטיות, שליטה בתכולת הזרחן בפלדה ל-0.08%-0.15%, בשילוב עם גופרית, יכולה להגדיל את מהירות החיתוך ב-20%-30% ולהאריך את חיי הכלי ב-15%-20%.

(1) קשיחות וגמישות מופחתת, גרימת פריכות קרה (אפקט הפרדת גבול התבואה)

זוהי ההשפעה השלילית הבולטת ביותר של סגסוגות פרופוספור ודורשת בקרה קפדנית:

 לזרחן יש נטייה חזקה להפרדה בגבול התבואה, מצטבר בקלות בגבולות התבואה ליצירת נקודת -התכה- נמוכה Fe₃P (נקודת התכה של 1050 מעלות), ומפחיתה את חוזק ההדבקה בגבול התבואה;

 בטמפרטורות נמוכות, פוספידים על גבול התבואה מגבירים באופן משמעותי את טמפרטורת המעבר השבירה של פלדה (למשל, כאשר תכולת הזרחן עולה מ-0.01% ל-0.05%, טמפרטורת המעבר השבירה של פלדת פחמן נמוכה- עולה מ--60 מעלות ל-20 מעלות), מה שמוביל ל"השפעה חדה-שבירה בטמפרטורה נמוכה", מה שמוביל ל"השפעה חדה-שבירה" נמוכה. שבר סביר יותר;

 אפקט סף: כאשר תכולת הזרחן בפלדה עולה על 0.04%, קשיחות הפגיעה (k) יורדת מלמעלה מ-100J/cm² מתחת ל-50J/cm², וההתארכות יורדת מ-25% ל-15%. הדברים הבאים אינם חלים על דרגות פלדה הנתונות לתנאי טמפרטורה- נמוכים או לעומסי פגיעה (כגון פלדת גשר ופלדת מכלי לחץ).

(2) הידרדרות ביכולת הריתוך (רגישות מוגברת לסדיקה חמה)

זרחן מגביר באופן משמעותי את הסיכון לסדיקה חמה של ריתוך בפלדה:

 במהלך הריתוך, זרחן מתפרק במהירות באזור הריתוך והחום-המושפע, ויוצר סרט נוזלי בנקודת -התכה- נמוכה, הנוטה להיסדק חם תחת לחץ ריתוך;
 נתונים מראים שכאשר תכולת הזרחן בפלדה עולה על 0.03%, השכיחות של פיצוח חם מרותך עולה יותר מפי 3, ומצריכה תוספת של מייצבי ריתוך (כגון Mn), ובכך מגדילות את עלויות הייצור.

(3) עודף זרחן מוביל לקורוזיה מקומית (אפקט מיקרו-תאים)

תכולת זרחן גבוהה משבשת את אחידות הקורוזיה של פלדה:

 העשרת זרחן בגבולות התבואה מובילה להרכב כימי לא אחיד על פני הפלדה, ויוצרת "אזורים עשירים-זרחן - זרחן-אזורים עניים" מיקרו-תאי תאים, מאיצים קורוזיה מקומית (כגון קורוזיה בור וקורוזיה בין-גרעינית);

 גבול מתאים: יש לשלוט על תכולת הזרחן בפלדת בליה מתחת ל-0.12%. חריגה מהגבול הזה מגדילה את שיעור הקורוזיה המקומית ביותר מ-50%, ומבטלת את ההשפעות החיוביות של עמידות בפני קורוזיה אטמוספרית.

מגבלות תכולת זרחן עבור דרגות פלדה שונות (עיין בתקן GB/T 222)

טכנולוגיות מפתח לבקרת הוספות

חישוב מדויק:

בהתבסס על תכולת הזרחן הראשונית של הפלדה המותכת והמגבלה עבור דרגת הפלדה היעד, כמות התוספת מחושבת באמצעות "נוסחת מאזן הזרחן" כדי למנוע תוספת יתר;

תוספת מפוזרת:

נעשה שימוש בסגסוגת פרופוספור גרגירית ומתווספת לפלדה המותכת בזרימה-דרך כדי להפחית את ההעשרה וההפרדה המקומית;

נִתוּך:

הוספת מנגן (Mn) יכולה לדכא הפרדת זרחן (Mn מתחבר עם S ליצירת MnS, מפחיתה אתרי העשרת זרחן בגבולות התבואה), בדרך כלל שולטת ב-Mn/P גדול מ-10 או שווה ל-10.