Cr

تاثیر کروم (cr) و خواص آن در فولادهای آلیاژی

 

کروم cr عنصر اصلی در فولادهای زنگ نزن است.علل اصلی در افزودن کروم به ترکیب فولاد را می توان در عوامل زیر دانست:

· افزایش سختی پذیری فولاد

· حفظ استحکام و سختی فولاد در دماهای بالا و شرایط کاری

· افزایش مقاومت خوردگی در محیط های اکسید کننده

وزن اتمی کروم ۵۲ بوده و نقطه ذوب آن ۱۸۷۵ C است. و در هر دو حالت مایع و جامد بهر نسبتی در آهن حل می شود.در بررسی رفتار کروم به عنوان عنصر آلیاژی سه عامل زیر را باید در نظر گرفت:

· کروم تمایل زیادی به ترکیب با کربن دارد و لذا ذرات کاربیدی همان کاربیدهای کمپلکس آهن-کروم هستد.

· کروم با اکسیژن ترکیب شده و ترکیب دیرگداز غیرفلزی اکسید کروم تشکیل می دهد که نقش فیلم سطحی محافظ در سطح فولاد را بازی می کند.

· کروم  cr فریت زای بسیار قوی است.

در حدود ۱۳% کروم در ترکیب فولاد باعث محدود شدن فاز آستنیت در ریزساختار می شود. با افزایش درصد کروم، مقاومت خوردگی فولاد زیاد می شود. وهم چنین در دماهای بالا مقاومت به اکسیداسیون آنها زیاد خواهد شد.

حضور کروم باعث می شود دماغه های نمودار TTT به سمت راست تغییر مکان دهند و سختی پذیری افزایش یابد. با این وجود با افزایش درصد کروم جوشکاری آنها مشکل خواهد شد.به ازای افزایش یک درصدی کروم در ترکیب فولاد استحکام کششی فولاد از ۸۰ تا ۱۰۰Mpa افزایش می یابد.

کروم مقاومت خوردگی و استحکام فریت را شدیدا افزوده ولی تاثیر متوسطی بر سخت گردانی فاز آستنیت دارد.در فولادهای پرکربن ، مقاومت به سایش را افزایش میدهد.

افزودن کروم cr  به آهن fe خالص گستره پایداری فاز گاما را محدود کرده و در درصدهای ۱۳ % پایداری فاز فریت دلتا را تا دمای اتاق افزایش می دهد.افزودن بیش از ۳۰ % کروم به ترکیب، فاز بین فلزی سیگما FeCr را تشکیل می دهد.لازم است یادآوری شود که حضور عناصر دیگر بر تشکیل فاز سیگما تاثیر دارند بطوریکه با توجه به ترکیب شیمیایی فولاد می تواند در درصد های پایین کروم نیز تشکیل شود.به عنوان مثال ، فولاد زنگ نزن ۱۸/۸ که عناصر کاربید زایی مثل ۳ % مولیبدن و ۱ % تیتانیوم دارد، با عملیات حرارتی در دمای ۸۵۰ C فاز سیگما در ساختار ظاهر می شود.علاوه بر آن، در درصدهای کروم کمتر از ۲۰ % و در حضور عنصر کبالت در مقادیر ۷-۱۰ % چنین تردی ناشی از حضور فاز سیگما مشهود است.

وجود کروم cr  در ترکیب آلیاژهای آهن – کربن بالاخص در درصدهای کربن زیاد تشکیل کاربیدها را می افزاید.در سیستم آلیاژی آهن-کربن-کروم چهار نوع کاربید کمپلکس اصلی وجود دارند: سمنتیت رومبیک (FeCr)3C در درصدهای کروم تا ۱۵ % ،کاربید کروم تریگونال (CrFe)7C3 در درصدهای آهن ۵۵ % ،کاربید کروم کوبیک(CrFe)4C که در آن کروم تا ۲۴ % جایگزین آهن می شود و کاربید کروم اورتورومبیک (CrFe)2C3 که درصد کمی از آهن را داراست ولی فقط در فولادهایی یافت می شود که تقریبا ۹ % کربن داشته باشند.کروم اضافی از مقدار لازم برای تشکیل کاربید وارد محلول جامد می شود.

برخلاف کبالت، درصدی از کروم که در محلول جامد وجود دارد، تاثیر کمی بر قابلیت سخت گردانی در مقایسه با سایر عناصر آلیاژی دارد.کرومی که در محلول جامد است ، زمان استحاله ایزوترمال آستنیت در فولاد های با ۰٫۳ % کربن و بیشتر از ۲ % کروم را زیادتر می کند.و در سرعتهای سردکردن عادی پرلیتی در ساختار تشکیل نمی شود.ولی اگربتوان شرایط را طوری فراهم آورد که با نرخ سرد کردن عادی از استحاله مارتنزیتی جلوگیری شود ، در ریزساختار بینیت ریز تشکیل خواهد شد.

افزودن کروم cr  به فولاد درصد کربن پرلیت یوتکتوئید را کاسته و دمای استحاله آستنیت را می افزاید. در فولاد ۱۲ % کروم و۰٫۳۵ % کربن، استحاله یوتکتوئید در ۰٫۳۵ % کربن و دمای یوتکتوئید ۸۰۰ C رخ می دهد.

فولادی با ۰٫۲۵ تا ۰٫۴۵ درصد کربن و۱٫۵ درصد کروم استحکام کششی و داکتیلیتی خوبی داشته ولی باید در برابر رشد دانه و تردی احتیاط های لازم را بعمل آورد.بعد از کوئنچ، این فولاد در برابر برگشت مقاومت خوبی از خود نشان می دهد فولاد با ۱ درصد کروم مقاومت خوبی در برابر خوردگی اتمسفری عادی از خود نشان می دهد. وجود ۰٫۵ درصد مولیبدن استحکامهای کششی را تضمین می کند.

قطعات فورج تحت کشش بالا و بزرگ از فولادهای کروم دار ۳ تا ۳٫۵ درصد کروم همراه با ۰٫۵ درصد مولیبدن تولید می شوند که استحکام بالای آنها ناشی از ریزساختار بینیتی است که در حین سرد کردن آرام تشکیل شده است.

افزایش درصد کروم cr تا ۵-۶ % همراه با درصد کمی از مولیبدن یا نیوبیوم مقاومت خوردگی نسبتا خوب همراه با مقاومت خوب به خزش در دماهای نسبتا بالا را در پی دارد. این چنین فولادهایی در صنایع پالایش نفت کاربرد پیدا کردند. سایر فولاد های کم کربن که در این حوزه کاری استفاده می شوند دارای درصد کم کروم۰٫۵-۲٫۵ % همراه با درصد کمی از مولیبدن هستند.البته مقاومت خوبی در برابر خزش در دماهای متوسط دارند و درصورتیکه درصد کربنشان از ۰٫۳ فراتر نرود، قابلیت جوشکاری خوبی نیز خواهند داشت.

عنصر اصلی در فولادهای آلیاژی کم کروم نیکل است. این نوع فولادها دارای ۱% کروم و ۱٫۵-۴٫۵ % نیکل هستند.فولادهای با نیکل پایین و کربن ۰٫۳ % در روغن سرد می شوند ولی کوئتچ فولادهای با ۱٫۲ % Cr و ۴ % Ni در هوا حتی در مقاطع بزرگ سختی بالایی را در پی دارد.در شرایط کوئنچ و تمپر،فولادهای نیکل-کروم استحکام خوبی داشته وبرای تولید مقاطع بزرگ مناسب هستند.برای کاهش حساسیت به تردی تمپر به ترکیب این فولادها مولیبدن اضافه می شود.

فولادهای نیکل – کروم و نیکل – کروم-مولیبدن برای کاربردهایی استفاده می شوند که نیاز به سختی سطحی باشد.بخاطر تمایل زیاد کروم با تشکیل کاربید ،سختی لایه سطحی را افزایش می دهد.فولادهای کربنی ساده برای کاربردهای سختی سطحی شونده Case Hardening مناسب نیستند چرا که با وجود سخت بودن سطح،ترد بوده و تمایل به جدا شدن Spall دارد.

بیشترین سختی در سطح را می توان در فولادهای نیتریده شونده حاوی کروم بدست آورد.کروم تمایل قوی به ترکیب با نیتروژن دارد.ازمشهورترین فولادهای این نوع،می توان به فولادهای نیتروآلوی با ۱٫۵ % Cr و ۱% Al اشاره کرد.فولاد با کاربرد زیاد در این سری ،فولاد حاوی ۳% Cr و ۰٫۵ % Mo می باشد.

کروم مقاومت به سایش فولادهای کربنی ساده را افزایش می دهد. موادی که دارای کروم هستند در صورتیکه صحیح آبکاری شوند(۱%C,1.5 % Cr)دارای سختی سطحی بالا، اندازه دانه ریز و مقاومت سایشی بالایی خواهند داشت. این مواد را می توان قبل از آبکاری برای سهولت در ماشینکاری نرم کرد.فولادهای مشابه که در آب کوئنج می شوند، دارای سختی سطحی بسیار بالا و مرکز نرم خواهند بود.

مقادیر مشخصی از کروم cr  در فولادهای قالب گرم موجود است و در فولادهای خاصی که برای این منظور استفــاده می شود، دارای ۲ % C و ۱۲ % Cr هستند. در این فولادها، کاربیدهای آزاد دیده می شوند که مقاومت سایشی را بالا می برند.این فولادها در حین حرارت دهی در محدوده ۵۰۰-۶۰۰ C سختی ثانویه از خود نشان می دهند.کیفیت بالای این نوع فولاد مربوط به حفظ شکل و پروفیل قالب است که مربوط به مقاومت عالی کاربید های کروم در برابر دکربوریزاسیون می شود.

فولاد های تندبر که حاوی تنگستن و مولیبدن با ۱% V یا انواع پرکربن و پروانادیم هســـتند دارای درصـــــــــــدی از کروم (۳٫۵-۵٫۵ %)بوده تا کاربیدها در ریزساختار پایدار باشند.

کروم cr عنصری است که مصرف بیشتری در تولید فولادهای زنگ نزن دارد.در کل فولادهای زنگ نزن به سه دسته مارتنزیتی،آستنیتی و فریتی گروه بندی می شوند.اولین گروهیکه از این فولادها تولید شده ند ، فولادهای مارتنزیتی با ۱۳ % کروم و ۰٫۳ % کربن بودند.کروم عامل اصلی در افزایش مقاومت خوردگی این فولادها بوده و کربن یوتکتوئید را می کاهد. در شرایط آبکاری و برگشت،فولادهای با ۱۳ % Cr دارای سختی ۵۳۰ HB خواهند بود.جوشکاری این فولادها باعث تردی آنها شده و نیاز به عملیات حرارتی بعدی خواهند داشت.قابلیت فورج پذیری در محدوده دمایی ۱۱۰۰-۹۰۰ C خوب بوده بعد از آنیل در دمـای ۷۵۰ C قابلیت ماشینکاری خواهد داشت.هرچند که خواص پرسکاری سرد آنها ضعیف است.

در فولاد مشابه با ۱۳ % Cr و تنها با کربن ۰٫۱ % ،سختی پذیری کمتر بوده و در شرایط آبکاری در روغن و بعد از تمپر کامل، سختی ۱۵۰ HB خواهد داشت.این نوع فولادهای زنگ نزن در تیغه های توربین استفاده می شوند.با عملیات حرارتی این نوع فولادها برای جلوگیری از تردی ، می توان جوشکاری را انجام داد.فورج پذیری آنها بصورت گرم بوده ولی خواص پرسکاری سردآنها کم است.

با افزایش درصد کروم ،مقاومت خوردگی فولادهای مارتنزیتی بیشتر می شود اما در درصدهای ۱۷ % Cr و کربن ۰٫۰۷ درصد ،بدلیل اینکه کروم فریت زاست، سختی پذیری کمتری خواهند داشت.این نوع فولادها در گروه فولادهای فریتی قرار می گیرند.علیرغم اینکه جوشکاری وخواص پرسکاری سرد آنها خوب است، اما جوشکاری آنها را ترد می کند.افزودن ۲٫۵ درصد نیکل بهمراه افزایش درصد کربن تا ۰٫۱۵ درصد ، باعث افزایش سختی پذیری فولاد بدلیل پایداری بیشتر آستنیت می شود. این نوع فولادها کاربرد وسیعی بعنوان شیر در صنایع شیمیایی دارند.

فولاد با درصد کربن ۰٫۱ % ویا کمتر و کروم بالای ۲۰ % فریتی بوده ولذا قابلیت سختی پذیری ندارند.درصد کروم بالا باعث مقاوم شدن فولاد در برابر اسیدهای اکسید کننده و اسید نیتریک می شود وخاصیت مهم دیگر که در حضور کروم بالا می توان بدان دست یافت ، مقاومت خوب در برابر اکسیداسیون و کنده شدن سطحی در دماهای بالا می باشد.

برای کار در دماهای بالا، فولادهای با ۲۰-۲۷% کروم مناسب هستند. فولاد با ۲۷ % Cr را می توان در ۱۰۰۰ C نیز استفاده کرد. اگر چه در این دما خواص مکانیکی این فولادها پایین است. این نوع فولاد در اتمسفرهای گوگرد دار نیز قابل استفاده هستند.

افزودن نیکل به ترکیب فولادهای کروم بالا باعث افزایش مقاومت خوردگی ، مقاومت اکسیداسیون وپوسته برداری در دماهای بالا می شود.فولاد کم کربن با ۱۸% Cr-8% Ni در حین سرد کردن تا دمای زیر دمای اتاق کاملا آستنیتی بوده و لذا با کوئنچ نمی توان سخت کاری روی آنها انجام داد. تنها راه افزایش استحکام این نوع فولادها انجام کار سرد است.نرمترین حالت این فولادها وقتی است که در دمای ۱۰۵۰-۱۱۰۰ C عملیات حرارتی شوند.مقاومت خوردگی در اسیدهای غیراکسیدی مثل اسید سولفریک ،اسید هیدروکلریک زیاد بوده و با افزودن ۳% Mo بالاخص همراه درصدی از مس مشابه ، مقاومت خوردگی را نیز افزایش می دهد.

اعتقاد بر اینست که علت اصلی محافظ بودن فولادهای زنگ نزن، وجود فیلم اکسیدی بسیار نازک در سطح فولاد است که این فیلم در اولین تماس فولاد با محیط تشکیل می شود.این فیلم بقدری نازک است که اصلا دیده نمی شود.و در آب و بسیاری از محیط ها قابل حل نمی باشد.

با حرارت دادن فولاد ۱۸/۸ در محدوده دمایی ۶۵۰-۸۵۰ C مقاومت به شیمیایی در مرز دانه شدیدا کاهش می یابد.این چنین حالتی در مناطق HAZ بسیار خطرناک است و ناشی از خالی شدن مناطق مجاور مرزدانه از کروم است.که در این دما کاربید کروم رسوب می کند.وقتی کربن ۰٫۰۴-۰٫۰۵ % باشد این افت مقاومت خوردگی زیاد خواهد بود.برای حذف و یا کمتر کردن این حالت ، بهتر است درصد کربن حداکثر ۰٫۰۳ % باشد بطوریکه کاربید کمتری تشکیل شود یا عنصری اضافه کنیم که تمایل به ترکیب آن با کربن نسبت به کروم بسیار بیشتر باشد تا کاربید کروم تشکیل نشود و کروم در محلول جامد باقی بماند.

فولاد آستنیتی کروم-نیکل در دماهای بالا استحکام خوبی داردولی با این وجود برای بهتر کردن کارآیی آن عناصر دیگر اضافه شود.به عنوان مثال ،فولاد ۱۸ % Cr و ۱۲ % Ni همراه با نیوبیوم دردماهای بین ۶۰۰-۶۵۰ C مقاومت خزشی خوبی دارد.برای کاربردهای کمی بالاتر از این دما ، افزودن عناصری چون کبالت، تنگستن و مولیبدن لازم است. ولی اگر محـــــــــدوده دمایی ۷۵۰-۸۰۰ C باشد،مواد پایه کبالتی و یا نیکلی گزینه بهتری خواهند بود.

درصدهای بالای کروم cr  و نیکل ni باعث افزایش مقاومت اکسیداسیون در دماهای بالا می شود.در برخی کاربردها که نیاز به این است که مقاومت پوسته برداری خوبی نیز داشته باشیم،درصد سیلیس بالا بهمراه مولیبدن انتخاب می شود.یک ترکیب نمونه از این نوع فولاد ۱۹% Cr,8% Ni, 3% W, 2 % Si می باشد.اگر هدف این باشد که مقاومت حرارتی استثنایی داشته باشیم، آلیاژهای پایه نیکلی مثل Nichrome با ترکیب ۶۵ % Ni,15 % Cr ,20 % Fe و یا آلیاژ نیکل – کروم ۸۰/۲۰ استفاده می شود.

در سالهای اخیر نوعی از فولادها آستنیتی معرفی شده اند که توسط فرآیند رسوب سختی کنترل می شوند.این فولادها هنگام سرد کردن از دمای بالای آستنیتی بوده و با عملیات در دمای زیر صفر و یا تمپر در دمای ۷۵۰ C آستنیت به مارتنزیت دگرگون می یابد.پیرسازی بعدی در دمای ۴۵۰-۶۰۰ C افزایش زیاد در خواص مکانیکی همراه با مقاومت خوردگی خوب در پی دارد.مثالی از این نوع فولادها ۱۶ % Cr, 5% Ni , 2% Cu, 2 % Mo می باشد. مس و مولیبدن در بهبود مقاومت خوردگی سهیم هستند . مس مکانسیم رسوب سختی را بهبود می بخشد.

کروم cr کاربید ساز قوی بوده و در ترکیب چدنها تشکیل کاربیدهایی می دهد که خیلی پایدارتر از کاربید آهن هستند. اگر درصد کمی از کروم در فولاد باشد، تشکیل سمنتیت پرویوتکتوئید و پرلیت در هنگام سرد کردن آرام و عملیات حرارتی کند می شود.حداکثر کروم در چدنهای چکش خوار ۰٫۰۳ % می باشد.

در هر دو نوع چدنهای معمولی و آلیاژی ، درصدهای ۰٫۵-۱٫۰ % کروم برای بهبود خواص مکانیکی بکار می رود.این درصد کروم با حذف فریت آزاد در ریزساختار باعث پایداری پرلیت می شود. در نتیجه استحکام و سختی افزایش می یابد.چدنهای با کروم بالا پایداری عالی دردماهای بالا دارند و برای کاربردهای دمای بالا معمولا دو گروه از چدنــــها بیشتر استفاده می شوند: چدنهای ۱۷ % Cr و چدنهای ۳۰ % Cr و بالاتر. هر دونوع از چدنها مقاومت حرارتی خوبی دارند اما دومی دارای مقاومت خوردگی بالاتری است.

کروم cr در بسیاری از چدنهای آلیاژی وجود دارد.وجود کروم در چدن نایهارد باعث تبدیل این چدن به چدن سفید می شود.در چدنهای Niresist و Nicrosil تقریبا ۱٫۵ درصد کروم می باشند تا خاصیت مقاومت خوردگی و پوسته برداری ارتقاء یابد و زمینه آستنیتی تشکیل شود. با این وجود بدلیل اینکه وجود مقادیر زیاد کاربید چندان مطلوب نمی باشد، مقدار کروم در این چدنها محدود می شود.