Hợp kim phốt pho sắt ảnh hưởng đến tính chất của thép như thế nào?

Hợp kim sắt phốt pho chủ yếu bao gồm sắt (Fe) và phốt pho (P), với hàm lượng phốt pho thường dao động từ 15% đến 25%. Chúng xuất hiện dưới dạng cục hoặc hạt, có nhiệt độ nóng chảy khoảng 1100-1200 độ và mật độ 7,2-7,5 g/cm³. Ảnh hưởng cốt lõi của chúng đến tính chất thép bắt nguồn từ:

 Khả năng hòa tan rắn của phốt pho trong thép bị hạn chế (chỉ khoảng 0,02% ở nhiệt độ phòng) và lượng quá nhiều dễ kết tủa dưới dạng photphua như Fe₃P;

 Sự chênh lệch bán kính giữa nguyên tử phốt pho và sắt gây ra sự biến dạng mạng sau dung dịch rắn, dẫn đến hiệu ứng tăng cường;

 Phốt pho có xu hướng phân ly mạnh, dễ tích tụ ở ranh giới hạt và phá vỡ liên kết ranh giới hạt.

(1) Độ bền và độ cứng được cải thiện đáng kể (Tác dụng tăng cường dung dịch rắn)

Phốt pho là nguyên tố tăng cường hiệu quả cao, cải thiện tính chất cơ học của thép thông qua cơ chế tăng cường dung dịch rắn:

Sau khi các nguyên tử phốt pho hòa tan trong mạng sắt, chúng gây biến dạng mạng, cản trở chuyển động trật khớp và cải thiện đáng kể độ bền và độ cứng của thép. Dữ liệu cho thấy rằng cứ tăng 0,01% lượng phốt pho trong thép-cacbon thấp, độ bền kéo tăng 6-10 MPa và cường độ chảy tăng 5-8 MPa.

 Ứng dụng phù hợp:Được sử dụng trong cốt thép cường độ cao-của tòa nhà (chẳng hạn như HRB500E) và thép kết cấu thông thường. Bằng cách thêm một lượng hợp kim sắt phốt pho thích hợp (kiểm soát hàm lượng phốt pho trong thép đến 0,02% -0,04%), có thể đáp ứng yêu cầu về cường độ của các dự án kỹ thuật mà không làm tăng chi phí hợp kim.

(2) Cải thiện khả năng chống ăn mòn khí quyển (Tác dụng hiệp đồng của màng thụ động)

Phốt pho có thể tăng cường hiệp lực khả năng chống ăn mòn trong khí quyển với các nguyên tố như đồng và crom trong thép:
Phốt pho có thể tạo thành màng oxit hỗn hợp Fe₂O₃-P₂O₅ dày đặc trên bề mặt thép, cản trở sự xâm nhập của môi trường ăn mòn (nước, oxy) và tăng cường khả năng chống ăn mòn trong khí quyển;
 Ứng dụng điển hình:Trong quá trình sản xuất thép chịu thời tiết (chẳng hạn như Q450NQR1), hợp kim sắt phốt pho-(hàm lượng phốt pho trong thép 0,06%-0,12%) được cố tình thêm vào, hợp kim này hoạt động hiệp đồng với đồng (0,20%-0,50%) và crom (0,30%-1,20%) để tạo thành lớp gỉ ổn định. Khả năng chống ăn mòn trong khí quyển của nó gấp 2-3 lần so với thép carbon thông thường, khiến nó phù hợp với cầu, container và kết cấu thép ngoài trời.

(3) Tối ưu hóa hiệu suất gia công (Hiệu ứng bẻ chip)

Lượng phốt pho thích hợp có thể cải thiện khả năng gia công của thép: Dung dịch rắn phốt pho làm tăng nhẹ độ giòn của thép, khiến phoi dễ vỡ hơn trong quá trình cắt, giảm sự vướng víu của dụng cụ và nâng cao hiệu quả gia công.
 Các kịch bản ứng dụng phù hợp:Đối với các loại thép-cắt tự do (chẳng hạn như Y15) được sử dụng trong máy tiện tự động, việc kiểm soát hàm lượng phốt pho trong thép đến 0,08%-0,15%, kết hợp với lưu huỳnh, có thể tăng tốc độ cắt lên 20%-30% và kéo dài tuổi thọ dụng cụ thêm 15%-20%.

(1) Giảm độ dai và độ dẻo, gây ra độ giòn lạnh (Hiệu ứng phân chia ranh giới hạt)

Đây là tác động tiêu cực nổi bật nhất của hợp kim sắt photpho và cần được kiểm soát chặt chẽ:

 Phốt pho có xu hướng phân ly ranh giới hạt mạnh, dễ tích tụ ở ranh giới hạt tạo thành điểm-nóng chảy-Fe₃P thấp (điểm nóng chảy 1050 độ ), làm giảm cường độ liên kết ranh giới hạt;

 Ở nhiệt độ thấp, photphua biên hạt làm tăng đáng kể nhiệt độ chuyển tiếp giòn của thép (ví dụ: khi hàm lượng phốt pho tăng từ 0,01% lên 0,05%, nhiệt độ chuyển tiếp giòn của thép cacbon thấp-tăng từ -60 độ lên -20 độ ), dẫn đến "độ giòn nguội" - độ bền va đập giảm mạnh ở nhiệt độ thấp, khiến dễ bị gãy đột ngột hơn;

 Hiệu ứng ngưỡng: Khi hàm lượng phốt pho trong thép vượt quá 0,04%, độ bền va đập (k) giảm từ trên 100J/cm2 xuống dưới 50J/cm2 và độ giãn dài giảm từ 25% xuống 15%. Những điều sau đây không áp dụng cho các loại thép chịu-điều kiện nhiệt độ thấp hoặc tải trọng va đập (chẳng hạn như thép cầu và thép bình áp lực).

(2) Suy giảm khả năng hàn (tăng khả năng bị nứt nóng)

Phốt pho làm tăng đáng kể nguy cơ nứt nóng mối hàn trên thép:

 Trong quá trình hàn, phốt pho nhanh chóng phân tách trong mối hàn và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt, tạo thành màng chất lỏng-có điểm nóng chảy{2}}thấp, dễ bị nứt nóng dưới áp lực hàn;
 Dữ liệu cho thấy khi hàm lượng phốt pho trong thép vượt quá 0,03%, tỷ lệ nứt nóng mối hàn tăng hơn gấp ba lần, cần bổ sung chất ổn định hàn (như Mn), do đó làm tăng chi phí sản xuất.

(3) Quá nhiều phốt pho dẫn đến ăn mòn cục bộ (hiệu ứng tế bào vi mô)

Hàm lượng phốt pho cao phá vỡ tính đồng nhất ăn mòn của thép:

 Việc làm giàu phốt pho ở các ranh giới hạt dẫn đến thành phần hóa học không đồng đều trên bề mặt thép, hình thành các tế bào vi mô-"phốt pho-giàu phốt pho - phốt pho{2}}nghèo", làm tăng tốc độ ăn mòn cục bộ (chẳng hạn như ăn mòn rỗ và ăn mòn giữa các hạt);

 Giới hạn phù hợp: Hàm lượng lân trong thép phong hóa phải được kiểm soát dưới 0,12%. Vượt quá giới hạn này sẽ làm tăng tốc độ ăn mòn cục bộ lên hơn 50%, phủ nhận những tác động tích cực của khả năng chống ăn mòn trong khí quyển.

Giới hạn hàm lượng phốt pho cho các loại thép khác nhau (Tham khảo tiêu chuẩn GB/T 222)

Các công nghệ chính để kiểm soát bổ sung

Tính toán chính xác:

Dựa trên hàm lượng phốt pho ban đầu của thép nóng chảy và giới hạn đối với loại thép mục tiêu, lượng bổ sung được tính bằng "công thức cân bằng phốt pho" để tránh bổ sung quá mức;

Bổ sung phân tán:

Hợp kim sắt photpho dạng hạt được sử dụng và thêm vào thép nóng chảy theo dòng chảy-để giảm sự làm giàu và phân tách cục bộ;

Hợp kim:

Việc bổ sung mangan (Mn) có thể ngăn chặn sự phân chia phốt pho (Mn kết hợp với S để tạo thành MnS, làm giảm các vị trí làm giàu phốt pho ở ranh giới hạt), điển hình là kiểm soát Mn/P Lớn hơn hoặc bằng 10.