ПРОДУКЦИЯ

НИХРОМ

ФЕХРАЛЬ

НИХРОМ В ИЗОЛЯЦИИ

ТИТАН

ВОЛЬФРАМ

МОЛИБДЕН

КОБАЛЬТ

ТЕРМОПАРЫ

ТЕРМОПАРЫ НАГРЕВОСТОЙКИЕ

НИКЕЛЬ

МОНЕЛЬ

КОНСТАНТАН

МЕЛЬХИОР

ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

ПОРОШКИ МЕТАЛЛОВ

НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ

ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ

ФЕРРОСПЛАВЫ

ОЛОВО

ТАНТАЛ

НИОБИЙ

ВАНАДИЙ

ХРОМ

РЕНИЙ

ПРЕЦИЗИОННЫЕ СПЛАВЫ

ЦИРКОНИЙ


 
Внимание! Если Вы обнаружили ошибку на сайте, то выделите ее и нажмите Ctrl+Enter.

 

8 (800) 200-52-75
(499) 166-78-38
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95
logo
(800) 200-52-75
(499) 166-78-38
(495) 504-95-54

Промышленное применение хрома для легирования сталей, чугунов и сплавов

В статье рассматривается применение хрома в качестве легирующих элементов сталей, чугунов и сплавов различного назначения.

Легирование хромом сталей

Более 60% всего мирового потребления промышленного хрома используется для нужд черной металлургии, где он, благодаря относительной дешевизне и простоте получения, применяется в качестве одного из основных элементов для легирования сталей и чугунов. При этом легированные хромом стали, сохраняя базовые эксплуатационные характеристики, дополнительно обретают присущие Cr полезные свойства в виде высоких показателей:

  • твердости;
  • коррозиестойкости;
  • жаропрочности.

Легированными называются стали, содержащие, помимо С и других обычных примесей, добавки определенного количества легирующих металлов (Cr, Ni, Mo и др.), а также Mn и Si в дозировках 0,83…1,22 %.

Сообразно объемному содержанию легирующей композиции такие стали подразделяют на три большие группы:

  • низколегированные (суммарное количество легирующего компонента ≤ 2,51 %);
  • легированные (2,51…10,2 %);
  • высоколегированные (> 10 %).

В свою очередь, по признаку целевой эксплуатации, легированные стали могут быть:

  • конструкционными;
  • инструментальными;
  • принадлежать к категории сталей специального назначения.

Конструкционные легированные стали

маркируют при помощи цифр и буквенных аббревиатур (напр. 15Х, 10Г2СД, 20Х2Н4А и т.д.). Двузначное цифровое сочетание в начале марки отображает среднее содержание С в сотых долях %. Большой буквой русского алфавита обозначается название легирующего элемента, в частности: Б – (Nb), Н – (Ni), Ф – (V), В – (W), М – (Mo), Х – (Cr), Г – (Mn), П – (P), Ц – (Zr), Д – (Cu), Р –(B), Ч – редкозем, Е – (Se), С – (Si), Ю – (Al), К – (Co), Т – (Ti), А – (N) только в середине обозначения.

Цифровые значения после буквенной аббревиатуры указывает на процентное содержание легирующего элемента. Если же цифры отсутствуют, то это значит, что концентрация легирующего элемента – ≤ 1,5 %.

Основной объем легированных конструкционных сталей выплавляют в категории качественных (напр. 30ХГС).

Если в конце названия марки расположена буква «А», это значит, что данная сталь причисляется к категории высококачественных легированных сталей (напр. 30ХГСА).

Наличие буквы «А» в середине марки (напр. 16Г2АФ), говорит о том, что данная сталь была также подвергнута легированию азотом.

Буква «Ш» после черточки в конце названия марки свидетельствует о ее принадлежности к категории особовысококачественных легированных сталей (напр. 30ХГС-Ш, 30ХГСА-Ш).

Если конструкционная легированная сталь является литейной, в конце обозначения марки добавляется буква «Л» (напр. 15ГЛ, 40ХНЛ и т.д.).

Конструкционные легированные хромистые стали (0,6…1,6 % Cr), характеризуются повышенными пределами прочности, твердости и пластичности в сочетании с высокой хладостойкостью. Наличие хрома способствует также снижению относительного удлинения. Так, предел прочности обычной стали 40 составляет 580 МПа, текучести – 340 МПа, показатель относительного удлинения – 19 %. В хромистой же стали марки 40Х значения аналогичных показателей изменяются, соответственно, до 1000 МПа, 800 МПа и 13 %. Такие стали незаменимы в производстве валов, зубчатых колес, толкателей, червячных передач, метизов и другой промышленной продукции.

Конструкционные стали легированные хромом

Конструкционные стали легированные хромом

Инструментальные стали, легированные Cr

В марках сталей данного назначения (напр. 9ХФ, 7X3, 3Х2В8Ф и др.) начальная цифра обозначает среднее содержание С в десятых долях %, при условии, что в стали его содержится < 1 % (ГОСТ 5950-2000 «Прутки, полосы и мотки из инструментальной легированной стали»). При концентрации С ≥ 1 % цифровой индекс в начале марки отсутствует. В остальном распознавание марок инструментальных сталей проводится по аналогии с легированными сталями конструкционного назначения, за исключением того, что в марках данных сталей нет завершающей буквы «А», поскольку все марки инструментальных легированных сталей принадлежат к категории высококачественных.

Из инструментальных хромистых легированных сталей изготавливают:

  • режущий и измерительный инструмент (7ХФ, 9ХФ, 9ХС, 9ХВГ, 9Х5ВФ, Р6М5, Р9, Р12, Р18, Р6МЗ, Р9К5, Р9К10, Р18К5Ф2 и др.). Буква «Р» в начале обозначения марки стали означает «режущая», цифра за буквой «Р» указывает на процентную концентрацию W (от 8 до 19%);
  • накатной инструментарий и штампы холодного/горячего деформирования (Х6ВФ, 9X1, Х12Ф1, ХВГ, ЗХ2В8Ф, 4Х8В2,5ХНВС, 4ХС, В2С, 6Х6ВЗМФС, 8Х4ВЗМЗФ2 и др.).

Инструментальные стали легированные хромом

Инструментальные стали легированные хромом

Хромистые стали специального назначения

К данной категории относятся хромистые стали с особыми эксплуатационными свойствами, определяющими способность эффективно противостоять износу, коррозии, высоким температурам, образованию поверхностной окалины и другим негативным факторам. Содержание С и легирующих компонентов в маркировке этих сталей отображается по аналогии с марками сталей конструкционного назначения. По отношению к литейным сталям специального назначения в конце названия марки добавляют букву «Л», (напр. 20Х23Н13Л и т.д.).

Коррозиестойкие (нержавеющие) хромистые стали

Всем известная «нержавейка» — повсеместно распространенная сталь, невосприимчивая к воздействию окислительных и коррозионных процессов. Устойчивость к коррозии начинает проявляться уже при введении в Fе 10…12 %. Популярные же марки нержавеющей стали содержат 17…19 % Cr и 8…13 % Ni.

Из легированных хромом коррозиестойких сталей марок 12X13, 20X13 изготавливают элементы топливной аппаратуры, соединительные узлы трубопроводов, клапаны для ДВС, предметы быта, а из сталей марок 28X13 и 40X13 – хирургический инструментарий, пружины и прочие детали, предназначенных для работы в малоагрессивных средах (воздух, вода, водяной пар и т.п.). Серьезную проблему при получении нержавеющих хромистых сталей представляет процентное содержание в ней углерода, при взаимодействии с которым Cr образует карбиды (Cr,Fe)7C3 и (Cr,Fe)23C6. Наличие карбидных включений, повышая способность сталей к термоупрочнению, одновременно снижает степень коррозионной стойкости. В результате на атомарном уровне возникает опасная межкристаллитная коррозия.

Вот почему способом повышения коррозиестойкости хромистых сталей при сопутствующем усилении полезных качеств (жаропрочность, износостойкость, пластичность и т.д.) является создание марок с низким содержанием С, а также введение в состав легирующей композиции, наряду с Cr, добавок Ni и Ti. Это, например, стали марок Х18Н9, Х18Н9Т, а также 0Х18Н9Т (< 0,08% С), 00Х18Н9Т (углерода < 0,04 % С) и 000Х18Н9Т (< 0,02% С).

Такие стали, имея хороший показатель свариваемости, применяются для изготовления труб, выхлопных сопел, элементов камер сгорания, диафрагм, турбин, заправочных емкостей и других технических изделий сходного функционала.

Жаростойкие (окалиностойкие) хромосодержащие стали

Жаростойкими (окалиностойкими) называют группу сталей, устойчивых к воздействию коррозии в агрессивных средах при температурах ≥ 500°С. Из жаростойких сталей без дополнительных прочностных свойств изготавливают изделия, предназначенные для эксплуатации в ненагруженных или слабонагруженных состояниях.

Жаростойкость (окалиностойкость) – показатель, характеризуемый способностью препятствовать окислению в условиях высоких температур. Чтобы повысить степень окалиностойкости, стали легируют элементами, благодаря наличию которых они обретают способность сопротивляться процессу интенсивного окисления с образованием толстого слоя окалины. Наиболее эффективны для достижения данной цели легирующие композиции, основными составляющими которых являются Cr, Ni и Si. За счет введения в сталь определенного количества этих компонентов в поверхностном слое происходит образование тонкой, но очень плотной оксидной пленки, приостанавливающей дальнейшее окисление отливки или готового изделия.

Наиболее часто используемым легирующим элементом в окалиностойких сталях является хром (Cr). Температурный порог окалиностойкости стали находится в прямо пропорциональной зависимости от процентного содержания в ней хрома. Так, при наличии 10-13% Cr сталь становится окалиностойкой в температурном режиме ≤ 760 °С. С увеличением содержания Cr до 16-18% порог окалиностойкости повышается до 850-950 °С. Достичь окалиностойкости в режиме ≥ 1000 °C удается при вводе в состав расплава ≥ 25% Cr (например сталь 15Х28).

Легирующая композиция таких сталей, в зависимости от комплекса требуемых свойств, может быть представлена множеством химических элементов, но ведущее место в них всегда занимают Cr и Ni, вследствие чего такие стали носят название хромоникелевых (в маркировке применяют аббревиатуру ХН). Характерными особенностями большинства хромоникелевых сталей, помимо термостойкости, являются также высокая стойкость к коррозии, немагнитность, пластичность и хорошая свариваемость.

Нержавеющие стали легированные хромом

Нержавеющие стали легированные хромом

Маркировка
Свойства и состав хромоникелевых сталей отображены в их маркировке. Буквы отображают названия легирующих элементов, цифры – процентную концентрацию в составе легирующей композиции. Так, сталь марки ХН32 является хромоникелевой и содержит 32% Ni, а сталь марки ХН78 – хромоникелевая с наличием 78% Ni.

Категорию жаростойких сталей подразделяют на четыре основные группы:

  • хромистые стали ферритной группы;
  • хромокремнистые стали мартенситной группы;
  • хромоникелевые стали аустенитной группы;
  • хромоникелевые стали аустенитно-ферритной группы.

Применение
Хромистые стали ферритной группы применяются для производства сварных конструкций, эксплуатируемых при отсутствии ударно-деформационных воздействий и температурах ≥ –20 °C. Из них, в частности, изготавливают трубы теплообменников и пиролизных устройств, в т.ч. работающих в условиях агрессивных сред; чехлы термопар, электроды искровых свечей зажигания. Порог окалиностойкости – ≤1100 °C. Примеры: 15Х25Т, 15Х28.

Из хромокремнистых сталей мартенситной группы (сильхромы) изготавливают производят изделия, работающие в температурном режиме до 500 °C (клапаны авиамоторов и автотракторных ДВС, крепёжную арматуру двигателей и т.д.). Пример: 40Х10С2М, 40Х9С2. При температурах свыше 500 - 600 °C прочность сильхромов резко падает. Поэтому в форсированных двигателях и дизелях вместо сильхромов применяют жаропрочные аустенитные стали.

Хромоникелевые стали аустенитной группы используют для выпуска листовой, трубной и арматурной продукции, работающей в условиях пониженных нагрузок. Из таких сталей изготавливают также элементы печей, эксплуатируемых в воздушной и углеводородной средах при температурном режиме 1000…1200 °C. Примеры: 10Х23Н18, 20Х25Н20С2.

Хромоникелевые стали аустенитно-ферритного класса являются распространенным исходным материалом для производства малонагруженных изделий, эксплуатируемых в условиях высоких температур (трубы для пиролиза метана, пирометрические и манометрические трубки, поддоны для термоагрегатов и т.д.). Порог окалиностойкости – 950-1150 °C. Пример: 20Х23Н13.

Наиболее востребованный сортамент марок жаростойких сталей: 15Х11МФ, 15Х5М, 13Х14Н3В2ФР, 12Х18Н12Т, 12Х13, 08Х18Н10Т, 15Х25Т, 10Х23Н18,40Х10С2М, 20Х23Н13, 20Х25Н20С2 и др.

Жаропрочные хромистые стали

Жаропрочными называют высоколегированные окалиностойкие стали, не только способные препятствовать окислению в высокотемпературном режиме, но и обладающие возможностью долговременно сохранять в этих условиях требуемые показатели прочности в сложнонагруженном состоянии (без выраженной остаточной деформации с последующим разрушением).

Важнейшие характеристики жаропрочности – показатели ползучести и длительной прочности.

Ползучестью называют явление постоянной деформации под воздействием непрерывной напряженности.

Длительной прочностью считается степень условной напряженности, под воздействием которой сталь при определенной температуре подвергается разрушению в течение заданного периода времени.

В состав легирующих композиций при выплавке таких сталей, помимо Сг, Ni и Si, дополнительно вводятся Ti, Mo, V и другие химические элементы с высокими прочностными характеристиками.

Жаропрочные стали легированные хромом

Жаропрочные стали легированные хромом

Категории жаропрочности и окалиностойкости пребывают в тесной взаимосвязи. Жаропрочные стали всегда являются окалиностойкими. Все жаропрочные стали, будучи одновременно жаростойкими, способны препятствовать образованию окалины при 1150…1250 °С.

Высоколегированные жаропрочные стали, как и жаростойкие, в силу различия в технологиях легирования, могут быть причислены к классам:

  • ферритных (08Х17Т, 1Х13Ю4, 05Х27Ю5);
  • мартенситных (20Х13, 30Х13);
  • мартенситно-ферритных (15Х12ВН14Ф);
  • аустенитных (37Х12Н8Г8МФБ).

В то же время стали каждого из перечисленных классов по типу упрочнения могут являться:

  • карбидными;
  • интерметаллидными;
  • смешанными (карбидно-интерметаллидными).

Наибольшее количество сталей жаропрочной группы, эксплуатируемых в условиях повышенных температур, представлено аустенитными сталями, имеющими хромоникелевую и хромомарганцевую основу с включением дополнительных легирующих элементов.

Жаропрочные стали находят применение в производстве пароперегревательной техники, из них изготавливают трубопроводы высокого давления, лопатки газопаровых турбин, детали реактивных двигателей и другие термостойкие высоконагруженные изделия.

Наиболее востребованный сортамент марок жаропрочных сталей: ХН23Т, Х23Ю5Т, Х27Ю5Т, ХН70Ю, ХН55ВМКЮ, ХН45Ю, 12МХ, 25Х1МФ, 15Х1М1Ф, 15Х5М, 15Х5М, 16Х11Н2В2МФ, 12Х18Н12Т, 37Х12Н8Г8МБФ и др.

Хладостойкие хромистые стали

Хладостойкими называют металлы, способные препятствовать деформационным разрушениям при низких температурах. Особенность низкотемпературной эксплуатации заключается в ужесточении требований к таким свойствам металла, как пластичность и вязкость.

Категория хромистых сталей, которым присущи особые химические свойства, включает в себя группу хладостойких сталей, сохраняющих свои функциональные характеристики в режиме температур –40…–80°С.

Группа хладостойких хромистых сталей, в свою очередь, условно подразделяется на следующие основные подгруппы:

1. Стали, механические свойства которых полностью сохраняются в температурном режиме ≤ –60 °С. Их используют в качестве основных конструкционных материалов для создания холодильных машин, а также различных изделий в т. наз. северном исполнении. К этой подгруппе относят марки высококачественных углеродистых и низколегированных сталей в ферритном и перлитном классах, с наличием ОЦК-решетки.

Примечание 1. Стали перлитного класса – это низко — и среднелегированные, наиболее распространенные как конструкционные, так и инструментальные стали. Стали перлитного класса содержат любое количество углерода, но менее 2,14 % С (мало-, средне- высокоуглеродистые стали). Суммарное содержание всех легирующих элементов – не более 5 % (сумма легирующих элементов меньше 5 %). К сталям перлитного класса относятся различные конструкционные стали, применяемые для изготовления деталей машин, а также инструментальные.Примерами сталей перлитного класса могут служить: 15Х, 40ХГ, 20ХН3А, 25ХГС, 20ХГР, 38ХН3МФ (машиностроительные); 16Г2АФ, 15ХСНД (строительные); 35ГС, 20ХГ2Ц (арматурные); 70С3А, 50ХГФА (пружинные), ШХ9, ШХ15СГ (шарикоподшипниковые); 16М, 25Х1МФ (жаропрочные (котельные)); 9ХС, ХВГ, 5ХНВ, В2, 4Х3ВМФ (режущие и штамповые).

Примечание 2. Объемноцентрированная кубическая (ОЦК) решетка (К8) — пространственная кристаллическая решетка с элементарной ячейкой в виде куба, в вершинах и центре объема которого находятся атомы. Объемноцентрированная кубическая решетка относится к кубической сингонии. Основу ОЦК-решетки составляет элементарная кубиче­ская ячейка , в которой положительно заряжен­ные ионы металла находятся в вершинах куба, и еще один атом в центре его объема, т. е. на пересечении его диагоналей. Такой тип решетки в определенных диапазонах температур имеют железо, хром, ванадий, вольфрам, молибден и др. металлы.

2. Вторая подгруппа представлена хладостойкими хромистыми сталями с 0,2…0,3% углерода, сохраняющими показатели вязкости/пластичности при понижении температуры до 170 К. Такие стали в большинстве случаев подвергаются дополнительному легированию никелем, титаном, молибденом, другими химическими элементами. Сюда можно причислить, к примеру, марки низкоуглеродистых ферритных сталей (08Х18ГБ, 08Х17Т, 08Х12Т1, 12Х17 и др.), содержащих 2-5% Ni и эксплуатируемых при 210…150 К.

3. В состав третьей подгруппы включены хромистые стали, которые способны не утрачивать функциональных свойств при температурах до 77 К (точка закипания жидкого N). К ней причисляют большинство не подверженных охрупчиванию сталей, легированных Al, Ti и Cu.

4. В четвертую подгруппу входят стали, предназначенные для эксплуатации при температурах ниже 77 К (например, 10Х11Н23Т3МР (ЭП33), 03Х20Н16АГ6). Такие стали незаменимы при создании космической техники, аппаратуры для производства и потребления водорода, а также в сфере экспериментальной физики.

Наиболее востребованный сортамент марок жаростойких сталей: 0Х2Н4ВА, 12ХН3А, 15ХМ, 38Х2МЮА, 30ХГСН2А, 40ХН2МА, 20Х2Н4ВА, 12Х18Н10Т, 0Н9А, 10Х14Г14Н4Т (ЭИ711), 03Х13АГ19 (ЧС36), 07Х21Г7АН5 (ЭП222), 10Х11Н23Т3МР и др.

Легирование чугунов хромом в сочетании с другими элементами

Продукция, изготавливаемая из обычных чугунов, помимо таких полезных качеств как высокая прочность и твёрдость, характеризуется свойствами, в ряде случаев ограничивающих эксплуатационные возможности (например, хрупкость).

Значительно расширить спектр функциональных свойств удается путем введения в состав расплавов определенных добавок различных легирующих элементов. За счет применения технологии легирования чугунов обеспечивается возможность дополнительного придания им:

  • механической прочности;
  • жаростойкости;
  • жаропрочности;
  • износостойкости;
  • пластичности;
  • других полезных характеристик.

Легированные чугуны со специальными свойствами

Это чугуны, относимые к категориям жаростойких, жаропрочных, износостойких и коррозиестойких. Наличие требуемых специальных свойств обеспечивается за счет введения в состав легирующей композиции таких химических элементов, как Cr, Ni, Mn и, в меньших количествах, некоторых других (Al, Si, V, Mo и т.д.). Углерод в легированных чугунах представлен карбидами или графитом. Металлооснову могут составлять феррит, перлит, аустенит и мартенсит.

По общему объему легирующей композиции легированные чугуны условно подразделяют на группы:

  • низколегированных (объем легирующей композиции до 2,5 %);
  • среднелегированных (объем легирующей композиции 2,5…10 %);
  • высоколегированных (объем легирующей композиции > 10 %).

В зависимости от преобладания содержащихся в составе чугуна элементов легированные чугуны условно подразделяют на классы:

  • хромистых;
  • никелевых;
  • силицидных;
  • алюминиевых и т.д.

Чугуны легированные хромом

Чугуны легированные хромом

Каждый из легирующих элементов обогащает чугун собственными специфическими свойствами.

Cr –– основной легирующий элемент – выполняет ферритообразующую и карбидообразующую функцию, обеспечивая, к тому же, высокие показатели износо-, коррозие- и термостойкости хромистых чугунов.

Придание чугунам износостойких характеристик обеспечивается благодаря наличию в их структуре карбидной упрочняющей фазы. Критерием определения степени износостойкости является обеспечиваемый карбидной фазой уровень твердости. Наивысшая износостойкость присуща чугунам, имеющим в своем составе карбиды (Cr, Fe, Mn)7С3, в два раза более твердые, чем карбиды цементитного типа. Минимальное количество содержащегося в чугуне Cr, необходимое для образования карбидов (Cr, Fe, Mn)7С3 при 3% содержании С, может колебаться в довольно широком диапазоне (11…28%).

В экономно легированных чугунах (до 2,5 % Mn и 1,5 % Ni) при 3% С содержание Cr, необходимое для получения 100 % карбидов (Cr, Fe, Mn)7С3, должно составлять >17 %.

Для того, чтобы придать высокую коррозионную стойкость чугуну, эксплуатируемому без дополнительной термообработки, требуется введение в его состав ≥ 22 % Cr при 3% содержания С.

Ni в составе чугуна, являясь аустенитообразующим элементом, способствует повышению характеристик вязкости, пластичности и устойчивости к коррозии.

Mn в составе легирующей композиции выполняет, главным образом, функцию стабилизирующего элемента и катализатора, делая процессы карбидообразования и аустенитизации более интенсивными и ровными.

Согласно ГОСТ 7769-82 наличие тех или иных специальных свойств чугуна и процентный состав химических элементов в легирующей композиции отображает маркировка. Так, например, ИЧХ4Г7Д – марка износостойкого чугуна, легированного 4% Cr, 7% Mn и до 1% Cu; ЖЧХ2,5 – марка жаростойкого чугуна, легированного 2,5% Cu; ЧХ32 – марка хромистого чугуна с содержанием до 32% Cr; ЧН19Х3Ш – марка чугуна никелевого жаропрочного, в составе которого наличествуют 19% Ni, 3% Cr с шаровидным графитом и т.д.

Легированные чугуны со специальными свойствами, в т.ч. хромистые, являются универсальным конструкционным материалом, применяемым во многих отраслях промышленности. Их широко используют при изготовлении работающих в условиях интенсивного коррозионного, абразивного и гидроабразивного износа машин и механизмов для добычи полезных ископаемых и обогащения руд, металлургии, энергетики, производства стройматериалов и строительной спецтехники, другого оборудования сходного назначения.

"Метотехника" ®
e-mail: info@metotech.ru

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(499) 166-78-38
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Нихром :: Фехраль :: Нихром в изоляции :: Титан :: Вольфрам :: Молибден :: Кобальт :: Термопары :: Термопары нагревостойкие :: Никель :: Монель :: Константан :: Мельхиор :: Твердые сплавы :: Порошки металлов :: Нержавеющая сталь :: Жаропрочные сплавы :: Ферросплавы :: Олово :: Тантал :: Ниобий :: Ванадий :: Хром :: Рений :: Прецизионные сплавы :: Цирконий :: Обзор цен на металлы и ферросплавы :: Карта сайта
                     Яндекс цитирования
Метотехника® Все права защищены