Ferrofosforlegeringar består huvudsakligen av järn (Fe) och fosfor (P), med en fosforhalt som vanligtvis sträcker sig från 15 % till 25 %. De visas som klumpar eller granulat, med en smältpunkt på cirka 1100-1200 grader och en densitet på 7,2-7,5 g/cm³. Deras centrala inflytande på stålegenskaper härrör från:
Den begränsade fasta lösligheten av fosfor i stål (endast ca 0,02% vid rumstemperatur) och överdrivna mängder fälls lätt ut som fosfider såsom Fe3P;
Skillnaden i radie mellan fosfor- och järnatomer orsakar gitterförvrängning efter fast lösning, vilket resulterar i en förstärkande effekt;
Fosfor har en stark tendens att segregera, ackumuleras lätt vid korngränserna och stör korngränsbindningen.
Positiva effekter av FeP-legeringar på stålegenskaper
(1) Avsevärt förbättrad styrka och hårdhet (förstärkande effekt av fast lösning)
Fosfor är ett mycket effektivt förstärkningselement som förbättrar stålets mekaniska egenskaper genom en solid lösningsförstärkningsmekanism:
Efter att fosforatomer lösts upp i järngittret, orsakar de gitterförvrängning, vilket hindrar dislokationsrörelse och avsevärt förbättrar stålets hållfasthet och hårdhet. Data visar att för varje 0,01 % ökning av fosfor i låg-kolstål ökar draghållfastheten med 6-10 MPa, och sträckgränsen ökar med 5-8 MPa.
Lämpliga applikationer:Används i hög-byggnadsarmering (som HRB500E) och vanligt konstruktionsstål. Genom att tillsätta en lämplig mängd ferrofosforlegering (kontrollera fosforhalten i stålet till 0,02%-0,04%) kan hållfasthetskraven för ingenjörsprojekt uppfyllas utan att legeringskostnaderna ökar.
(2) Förbättrad atmosfärisk korrosionsbeständighet (synergistisk effekt av passiveringsfilm)
Fosfor kan synergistiskt förbättra atmosfärens korrosionsbeständighet med element som koppar och krom i stål:
Fosfor kan bilda en tät Fe₂O₃-P₂O₅-kompositoxidfilm på stålytan, vilket hindrar inträngning av korrosiva medier (vatten, syre) och förbättrar atmosfärisk korrosionsbeständighet;
Typisk tillämpning:Vid tillverkning av väderbeständigt stål (som Q450NQR1) tillsätts avsiktligt fosfor-järnlegering (fosforhalt i stål 0,06%-0,12%), som synergistiskt fungerar med koppar (0,20%-0,50%) och krom (0,30%-120%) för att bilda ett stabilt rostskikt. Dess atmosfäriska korrosionsbeständighet är 2-3 gånger högre än vanligt kolstål, vilket gör den lämplig för broar, containrar och utomhusstålkonstruktioner.
(3) Optimera bearbetningsprestanda (spånbrytande effekt)
Lämpliga mängder fosfor kan förbättra stålets bearbetbarhet: Fast fosforlösning ökar sprödheten hos stål något, gör spån lättare att bryta under skärning, minskar verktygsintrassling och förbättrar bearbetningseffektiviteten.
Lämpliga tillämpningsscenarier:För fri-skärning av stål (som Y15) som används i automatiska svarvar kan en kontroll av fosforhalten i stålet till 0,08 %-0,15 %, kombinerat med svavel, öka skärhastigheten med 20 %-30 % och förlänga verktygets livslängd med 15 %-20 %.
Negativ inverkan av ferrofosforlegeringar på stålegenskaper
(1) Minskad seghet och plasticitet, inducerar kall sprödhet (korngränssegregationseffekt)
Detta är den mest framträdande negativa effekten av ferrofosforlegeringar och kräver strikt kontroll:
Fosfor har en stark tendens till korngränssegregering, ackumuleras lätt vid korngränserna för att bilda låg-smältpunkt-Fe₃P (smältpunkt 1050 grader), vilket minskar korngränsbindningsstyrkan;
Vid låga temperaturer ökar korngränsfosfider avsevärt stålets spröda övergångstemperatur (t.ex. när fosforhalten ökar från 0,01 % till 0,05 %, ökar den sköra övergångstemperaturen för låg-kolstål från -60 grader till -20 grader), vilket leder till "kallskärphet" vid låg temperatur, vilket ger en plötslig minskning av kollisionen - en plötslig sprödhet. fraktur mer sannolikt;
Tröskeleffekt: När fosforhalten i stål överstiger 0,04 % sjunker slagsegheten (k) från över 100J/cm² till under 50J/cm², och töjningen sjunker från 25 % till 15 %. Följande gäller inte stålsorter som utsätts för låga-temperaturförhållanden eller stötbelastningar (som brostål och tryckkärlsstål).
(2) Försämring av svetsbarheten (ökad känslighet för hetsprickbildning)
Fosfor ökar avsevärt risken för varmsvetssprickor i stål:
Under svetsning segregerar fosfor snabbt i den svets- och värmepåverkade zonen, och bildar en vätskefilm med låg-smältpunkt-, som är benägen att spricka under svetsning;
Data visar att när fosforhalten i stål överstiger 0,03 % ökar förekomsten av varmsprickor i svetsningen mer än tre gånger, vilket kräver tillsats av svetsstabilisatorer (som Mn), vilket ökar produktionskostnaderna.
(3) För mycket fosfor leder till lokal korrosion (mikro-celleffekt)
Högt fosforinnehåll stör stålets korrosionslikformighet:
Fosforanrikning vid korngränserna leder till ojämn kemisk sammansättning på stålytan och bildar "fosfor-rika områden - fosfor-fattiga områden" mikro-mikroceller, vilket accelererar lokal korrosion (som gropkorrosion och intergranulär korrosion);
Lämplig gräns: Fosforhalten i vittringsstål måste kontrolleras under 0,12 %. Att överskrida denna gräns ökar den lokala korrosionshastigheten med mer än 50 %, vilket förnekar de positiva effekterna av atmosfärisk korrosionsbeständighet.
Styrstrategier för tillsats av ferrofosforlegering och anpassning av stålkvalitet
Fosforhaltsgränser för olika stålkvaliteter (se GB/T 222 Standard)
| Stålkvalitet | Maximalt tillåtet fosforinnehåll (P) | Rekommenderad tillsatsmängd ferrofosforlegering | Anledning till Core Adaptation |
| Kryogent behållarestål (t.ex. 16MnDR) | Mindre än eller lika med 0,025 % | Aktivt tillägg är förbjudet. | Förhindrar köldsprödhet och säkerställer låg-temperaturseghet. |
| Brostål (t.ex. Q370qE) | Mindre än eller lika med 0,030 % | Aktivt tillägg förbjudet | Måste tåla dynamiska belastningar, förhindra brottrisk |
| Vitringsstål (t.ex. Q450NQR1) | Mindre än eller lika med 0,12 % | 0.05%-0.10% | Synergistiskt förbättrar korrosionsbeständigheten med Cu och Cr |
| Hög-hållfast konstruktionsstålförstärkning (HRB500E) | Mindre än eller lika med 0,045 % | 0.02%-0.04% | Balansera styrka och seghet, kontrollera kostnader |
| Gratis-skärande stål (t.ex. Y15) | Mindre än eller lika med 0,15 % | 0.08%-0.12% | Optimerar spånbrytningsprestanda och förbättrar bearbetningseffektiviteten |
Nyckelteknologier för tilläggskontroll
Noggrann beräkning:
Baserat på den initiala fosforhalten i det smälta stålet och gränsen för målstålkvaliteten, beräknas tillsatsmängden med hjälp av "fosforbalansformeln" för att undvika överdriven tillsats;
Dispergerad tillägg:
Granulär ferrofosforlegering används och läggs till det smälta stålet i ett -genomflöde för att minska lokal anrikning och segregering;
Legering:
Tillsats av mangan (Mn) kan undertrycka fosforsegregering (Mn kombineras med S för att bilda MnS, vilket minskar fosforanrikningsställen vid korngränserna), vanligtvis kontrollerar Mn/P större än eller lika med 10.
