Els aliatges de ferrofòsfor es componen principalment de ferro (Fe) i fòsfor (P), amb un contingut de fòsfor que normalment oscil·la entre el 15% i el 25%. Apareixen en forma de grumolls o grànuls, amb un punt de fusió d'aproximadament 1100-1200 graus i una densitat de 7,2-7,5 g/cm³. La seva influència bàsica en les propietats de l'acer prové de:
La limitada solubilitat sòlida del fòsfor a l'acer (només al voltant del 0,02% a temperatura ambient) i les quantitats excessives precipiten fàcilment com a fosfurs com el Fe₃P;
La diferència de radi entre els àtoms de fòsfor i ferro provoca una distorsió de la xarxa després de la solució sòlida, donant lloc a un efecte d'enfortiment;
El fòsfor té una forta tendència a segregar-se, acumulant-se fàcilment als límits del gra i alterant l'enllaç del límit del gra.
Efectes positius dels aliatges de FeP sobre les propietats de l'acer
(1) Resistència i duresa significativament millorades (efecte de reforç de la solució sòlida)
El fòsfor és un element d'enfortiment altament eficient, millorant les propietats mecàniques de l'acer mitjançant un mecanisme de reforç de solució sòlida:
Després que els àtoms de fòsfor es dissolguin a la xarxa de ferro, provoquen una distorsió de la gelosia, dificultant el moviment de dislocació i millorant significativament la resistència i la duresa de l'acer. Les dades mostren que per cada augment del 0,01% de fòsfor a l'acer de baix-carboni, la resistència a la tracció augmenta entre 6 i 10 MPa i la resistència elàstica augmenta entre 5 i 8 MPa.
Aplicacions adequades:S'utilitza en reforços d'edificis-d'alta resistència (com ara HRB500E) i acer estructural normal. Afegint una quantitat adequada d'aliatge de ferrofòsfor (controlant el contingut de fòsfor a l'acer al 0,02%-0,04%), es poden complir els requisits de resistència dels projectes d'enginyeria sense augmentar els costos de l'aliatge.
(2) Resistència a la corrosió atmosfèrica millorada (efecte sinèrgic de la pel·lícula de passivació)
El fòsfor pot millorar de manera sinèrgica la resistència a la corrosió atmosfèrica amb elements com el coure i el crom a l'acer:
El fòsfor pot formar una pel·lícula d'òxid compost de Fe₂O₃-P₂O₅ densa a la superfície d'acer, dificultant la penetració de medis corrosius (aigua, oxigen) i millorant la resistència a la corrosió atmosfèrica;
Aplicació típica:En la producció d'acer per a la intempèrie (com ara Q450NQR1), s'afegeix intencionadament un aliatge de fòsfor-ferro (contingut de fòsfor a l'acer 0,06%-0,12%), que funciona de manera sinèrgica amb coure (0,20%-0,50%) i crom (0,30%-1,20%) formant una capa d'oxidació estable. La seva resistència a la corrosió atmosfèrica és de 2 a 3 vegades la de l'acer al carboni normal, el que el fa adequat per a ponts, contenidors i estructures d'acer a l'aire lliure.
(3) Optimització del rendiment del mecanitzat (efecte trencament d'encenall)
Les quantitats adequades de fòsfor poden millorar la mecanització de l'acer: la solució sòlida de fòsfor augmenta lleugerament la fragilitat de l'acer, facilitant la ruptura de les estelles durant el tall, reduint l'enredament de l'eina i millorant l'eficiència del mecanitzat.
Escenaris d'aplicació adequats:Per als acers de tall lliure-(com ara Y15) utilitzats en torns automàtics, controlar el contingut de fòsfor a l'acer a un 0,08%-0,15%, combinat amb sofre, pot augmentar la velocitat de tall entre un 20% i un 30% i allargar la vida útil de l'eina entre un 15% i un 20%.
Impactes negatius dels aliatges de ferrofòsfor sobre les propietats de l'acer
(1) Reducció de la duresa i plasticitat, que indueix la fragilitat en fred (efecte de segregació del límit del gra)
Aquest és l'impacte negatiu més destacat dels aliatges de ferrofòsfor i requereix un control estricte:
El fòsfor té una forta tendència a la segregació del límit del gra, acumulant-se fàcilment als límits del gra per formar Fe₃P de baix -punt de fusió- (punt de fusió 1050 graus), reduint la força d'unió del límit del gra;
A baixes temperatures, els fosfurs del límit del gra augmenten significativament la temperatura de transició fràgil de l'acer (p. ex., quan el contingut de fòsfor augmenta del 0,01% al 0,05%, la temperatura de transició fràgil de l'acer de baix-carbon augmenta de -60 graus a -20 graus ), donant lloc a "fragilitat en fred": una disminució sobtada de l'impacte a la fractura és probable que la fractura sigui més sobtada;
Efecte llindar: quan el contingut de fòsfor a l'acer supera el 0,04%, la tenacitat a l'impacte (k) cau des de per sobre de 100J/cm² fins a menys de 50J/cm² i l'allargament cau del 25% al 15%. El següent no s'aplica als graus d'acer sotmesos a condicions de baixa-temperatura o càrregues d'impacte (com ara l'acer del pont i l'acer dels recipients a pressió).
(2) Deteriorament de la soldabilitat (augment de la susceptibilitat a les esquerdes en calent)
El fòsfor augmenta significativament el risc d'esquerdes en calent de soldadura a l'acer:
Durant la soldadura, el fòsfor es segrega ràpidament a la-zona afectada per la soldadura i la calor, formant una pel·lícula líquida de baix-punt de fusió-, que és propensa a esquerdes en calent sota l'esforç de soldadura;
Les dades mostren que quan el contingut de fòsfor a l'acer supera el 0,03%, la incidència d'esquerdes en calent de soldadura augmenta més de tres vegades, requerint l'addició d'estabilitzadors de soldadura (com ara Mn), augmentant així els costos de producció.
(3) L'excés de fòsfor provoca corrosió localitzada (efecte micro-cel·lular)
L'alt contingut de fòsfor altera la uniformitat de corrosió de l'acer:
L'enriquiment de fòsfor als límits del gra condueix a una composició química desigual a la superfície de l'acer, formant microcèl·lules de "-àrees riques en fòsfor - fòsfor-àrees pobres" -, accelerant la corrosió localitzada (com la corrosió per picats i la corrosió intergranular);
Límit adequat: el contingut de fòsfor en l'acer degradat s'ha de controlar per sota del 0,12%. Superar aquest límit augmenta la taxa de corrosió localitzada en més d'un 50%, negant els efectes positius de la resistència a la corrosió atmosfèrica.
Estratègies de control per a l'addició d'aliatges de ferrofòsfor i l'adaptació del grau d'acer
Límits de contingut de fòsfor per a diferents graus d'acer (consulteu l'estàndard GB/T 222)
| Grau d'acer | Contingut màxim de fòsfor admissible (P) | Quantitat d'addició recomanada d'aliatge de ferrofòsfor | Motiu de l'adaptació bàsica |
| Acer del contenidor criogènic (p. ex., 16MnDR) | Menor o igual al 0,025% | Es prohibeix l'addició activa. | Prevé la fragilitat del fred i garanteix la resistència a l'impacte a baixa-temperatura. |
| Pont d'acer (p. ex., Q370qE) | Menor o igual al 0,030% | Addició activa prohibida | Ha de suportar càrregues dinàmiques, evitar el risc de fractura |
| Acer per a la intempèrie (p. ex., Q450NQR1) | Menor o igual al 0,12% | 0.05%-0.10% | Millora sinèrgicament la resistència a la corrosió amb Cu i Cr |
| Reforç d'acer estructural-d'alta resistència (HRB500E) | Menor o igual al 0,045% | 0.02%-0.04% | Equilibrant força i duresa, controlant costos |
| Acer de tall-gratuït (p. ex., Y15) | Menor o igual al 0,15% | 0.08%-0.12% | Optimitza el rendiment de trencament d'encenalls i millora l'eficiència del mecanitzat |
Tecnologies clau per al control d'addicions
Càlcul precís:
A partir del contingut inicial de fòsfor de l'acer fos i del límit del grau d'acer objectiu, la quantitat d'addició es calcula mitjançant la "fórmula d'equilibri de fòsfor" per evitar una addició excessiva;
Addició dispersa:
L'aliatge de ferrofòsfor granular s'utilitza i s'afegeix a l'acer fos de manera fluïda-per reduir l'enriquiment i la segregació locals;
Aliatge:
L'addició de manganès (Mn) pot suprimir la segregació de fòsfor (Mn es combina amb S per formar MnS, reduint els llocs d'enriquiment de fòsfor als límits del gra), normalment controlant Mn/P superior o igual a 10.
