1.Warum muss der Phosphorgehalt (P) streng kontrolliert werden? Zu welchen schwerwiegenden Konsequenzen wird es führen?
Mechanismus: Phosphoratome haben eine starke Festlösungsverfestigungswirkung in Stahl und verbessern dessen Festigkeit erheblich. Sie entmischen sich jedoch stark an den Korngrenzen, wodurch die Bindungsenergie an den Korngrenzen verringert wird und die Plastizität und Zähigkeit des Stahls stark abnimmt.
Spezifische Erscheinungsformen: Dieser Rückgang der Zähigkeit ist bei niedrigen Temperaturen besonders ausgeprägt, wodurch der Stahl spröde wird und zum Sprödbruch neigt, ein Phänomen, das als „Kaltsprödigkeit“ bekannt ist.
Auswirkungen auf das Stanzen: Bei Teilen, die Kaltprägung erfordern, verringert das Vorhandensein von Phosphor die Kaltumformbarkeit des Materials erheblich. Da das Stanzen eine gute plastische Verformungsfähigkeit erfordert, führt die durch Phosphor verursachte Sprödigkeit dazu, dass Teile während der Verformung anfälliger für Risse werden, insbesondere bei niedrigen Temperaturen oder in komplexen Verformungsbereichen.
Quantitativer Effekt: Studien zeigen, dass bei herkömmlichem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt die Dehnung (Plastizitätsindex) des Materials stark abnimmt, wenn der Phosphorgehalt 0,15 % übersteigt. Daher ist der Phosphorgehalt von kaltgewalzten Coils, die zum Tiefziehen verwendet werden, typischerweise streng auf unter 0,035 % begrenzt.
2.Warum muss der Schwefelgehalt (S) streng kontrolliert werden? Zu welchen schwerwiegenden Konsequenzen wird es führen?
Mechanismus: Schwefel ist in Stahl nahezu unlöslich, verbindet sich jedoch mit Eisen zu Eisensulfid (FeS). FeS und Eisen bilden eine eutektische Struktur mit niedrigem -Schmelzpunkt-(ca. 985 Grad).
Spezifische Erscheinungsformen: Die Warmbearbeitungstemperaturen (z. B. Warmwalzen und Schmieden) von Stahl liegen typischerweise über 1150–1200 Grad. Wenn Stahl auf diesen Temperaturbereich erhitzt wird, schmilzt zuerst das an den Korngrenzen verteilte FeS mit niedrigem -Schmelz-punkt, wodurch die Bindungskraft zwischen den Körnern unterbrochen wird, was dazu führt, dass der Stahl während der Verarbeitung reißt; dies wird als „heiße Sprödigkeit“ bezeichnet.
Auswirkungen auf das Stanzen: Obwohl der Kaltwalzprozess selbst keine hohen Temperaturen erfordert, sind warm{0}gewalzte Coils das Rohmaterial für das Kaltwalzen. Wenn sich aufgrund des hohen Schwefelgehalts im warmgewalzten Coil Mikrorisse bilden, werden diese Defekte beim Kaltwalzen ausgeweitet und verstärkt, was letztendlich zu Porosität, Abblättern oder Prägerissen im fertigen kaltgewalzten Produkt führt.
3. Welchen Schaden verursacht das Vorhandensein von Phosphor und Schwefel an der inneren Qualität kaltgewalzter Coils?
Schwefel verursacht Delaminationsfehler: Dies ist eine der häufigsten Gefahren durch Schwefel. Schwefel in Stahl liegt in Form von Sulfiden (wie MnS) vor und dehnt sich während des Walzens entlang der Walzrichtung aus, wodurch bandförmige oder lamellare Strukturen entstehen. Diese bandförmigen Sulfide stören die Kontinuität der Metallmatrix und wirken wie Schichten von „Membranen“, die in den Stahl eingebettet sind. Bei der späteren Verarbeitung oder unter Belastung reißen diese bandförmigen Einschlüsse leicht und bilden Delaminationsfehler. Studien zeigen, dass eine Reduzierung des Schwefelgehalts im Stahl auf unter 0,02 % eine Delamination wirksam verhindern kann.
Phosphor induziert Spannungsrisskorrosion: Die Phosphorseigerung an Korngrenzen wird zu einem „aktiven Weg“ für die Rissausbreitung. Gleichzeitig fördert Phosphor den anodischen Auflösungsprozess von Stahl in bestimmten korrosiven Medien (z. B. Nitratlösungen), verhindert die Bildung von Passivierungsfilmen und erhöht dadurch die Anfälligkeit des Stahls für Spannungsrisskorrosion deutlich.
4. Welche nachteiligen Auswirkungen haben Phosphor und Schwefel auf die Weiterverarbeitung kalt-gewalzter Coils (z. B. Schweißen und Oberflächenbehandlung)?
Verschlechterung der Schweißbarkeit:
Phosphor: Erhöht die Kaltsprödigkeitsneigung des Schweißguts und führt zu Sprödbruch der Schweißverbindung beim Abkühlen oder Betrieb bei niedrigen Temperaturen.
Schwefel: Reduziert die Duktilität des Schweißguts und macht es anfällig für Heißrisse (Erstarrungsrisse) beim Schweißen, da die Schwefelseigerung den Erstarrungstemperaturbereich des Schweißguts senkt und es in späteren Erstarrungsstadien anfälliger für Risse macht.
Auswirkungen auf die Qualität der Oberflächenbehandlung:
Sowohl Schwefel als auch Phosphor sind stark entmischende Elemente. Bei der Wärmebehandlung (z. B. Glühen) können sie sich auf der Oberfläche von Stahlblechen ansammeln. Diese Oberflächenablagerungen können nachfolgende chemische Behandlungen stark beeinträchtigen, indem sie beispielsweise eine abnormale Kristallisation und eine schlechte Haftung des Phosphatierungsfilms (eine übliche Grundierung vor der Beschichtung) verursachen und letztendlich die Gesamtkorrosionsbeständigkeit nach der Beschichtung verringern.
5. Welche Kontrollstandards für Phosphor und Schwefel gelten in gewöhnlichen kalt-gewalzten Coils? Hochwertige-kalt-gewalzte Coils, die zum Stanzen verwendet werden, haben Phosphor- und Schwefelgehalte, die weit unter der Obergrenze für gewöhnlichen Stahl liegen. Dies dient genau dazu, sicherzustellen, dass das Material eine gute Plastizität, Zähigkeit und innere Qualität aufweist, um schwerwiegende Mängel wie Risse und Delaminationen bei der anschließenden Verarbeitung wie dem Stanzen zu vermeiden.