Влияние хрома на свойства стали

Нержавеющие стали: как состав влияет на свойства

Легированные стали занимают значительную долю рынка металлургической продукции. К ним относятся так называемые «нержавейки» — группа сплавов, отличающихся повышенной устойчивостью к коррозии. Со времени появления номенклатура таких сталей расширилась до нескольких сотен наименований. Поэтому были разработаны система их классификации и маркировка.

Стоит заметить, что название «нержавеющая сталь» не совсем корректно отражает ее свойства. Любой железоуглеродистый сплав подвержен воздействию кислорода и агрессивных веществ, но для того, чтобы это отразилось на эксплуатационных свойствах, нужно разное время. Поэтому нержавеющие стали правильнее называть коррозиестойкими.

По составу

В качестве легирующих добавок, повышающих устойчивость железоуглеродистого сплава к образованию ржавчины, используются хром, никель, ванадий, молибден, титан и некоторые другие.

Коррозионную стойкость также повышают  вводимые для раскисления и нейтрализации серы марганец и кремний. По основным легирующим элементам нержавеющие стали классифицируются как хромистые, марганцовистые и т. д.

Некоторые добавки используются для придания сталям особых структурных или технологических свойств, например, для дробления карбидов, повышения ударной вязкости.

При окислении они образуют на поверхности стального изделия тонкую непроницаемую для кислорода пленку, устойчивую к химическим, электрохимическим и атмосферным воздействиям. Никель расширяет область аустенита в железоуглеродистых сплавах.

Хром сужает ее, но является карбидообразующим элементом и связывает углерод. Соотношение никеля и хрома оказывает определяющее влияние на ударную вязкость, свариваемость и способность воспринимать холодную деформацию.

Углерод, как один из обязательных компонентов сталей, отрицательно влияет на сопротивляемость к коррозии. Однако от его содержания зависит твердость и износостойкость стали. Например,  95Х18 имеет менее выраженные коррозионностойкие свойства в сравнении с 40Х13, несмотря на более высокое содержание хрома.

По свойствам

Более наглядное представление о сплавах дает разделение на группы по свойствам:

• Коррозионностойкие. Сталиотличаются высокой сопротивляемостью к атмосферной коррозии, эксплуатируются при нормальных условиях в нагруженном состоянии. Примерами могут служить нержавейки, используемые для изготовления посуды и оборудования для пищевой промышленности: 08Х18Н10, 20Х13, 30Х13.
• Жаростойкие. Отличительная черта таких сплавов – высокая сопротивляемость к образованию окалины при высоких температурах. Жаростойкие нержавеющие стали применяются для изготовления теплообменников котельных и пиролизных установок (15Х28), клапанов автомобильных и авиационных двигателей (40Х10С2М), деталей для нагревательных металлургических печей (10Х23Н18).
• Жаропрочные. Разработан ряд сплавов, способных работать под нагрузкой при высоких температурах без существенных деформаций и разрушения. В них используются сложные системы легирования (05Х27Ю5, 15Х12ВН14Ф, 37Х12Н8Г8МФБ). Умеренной жаропрочностью также обладают стали типа 20Х13.

По структуре

По микроструктуре нержавеющие стали делятся на  следующие классы:

• аустенитные;
• ферритные;
• мартенситные;

Кроме них существуют промежуточные группы:

• аустенито-ферритные;
• мартенсито-ферритные;
• мартенсито-карбидные.

Большое влияние на устойчивость к коррозии оказывает термообработка, поскольку влияет на фазовый состав большинства нержавеющих сталей. Устойчивость снижается при возникновении карбидной неоднородности. Этим явлением обусловлена так называемая межкристаллическая коррозия.

При нагреве сталей до температур в интервале 500 – 800 °C на границах зерен образуются цепочки карбидов и участки со сниженным содержанием хрома. В теле зерна содержание легирующих элементов остается высоким. Такой вид коррозии часто наблюдается в зонах сварных швов.

Для борьбы с этим явлением состав стали стабилизируют введением небольшого количества титана.

Аустенитные стали

При кристаллизации аустенитные стали образуют однофазную систему с кристаллической решеткой гранецентрированного типа. Один из наиболее ярких представителей класса – сплав 08Х18Н10.

Благодаря высокому содержанию никеля в нержавейках этого класса (до 30%) аустенитная фаза сохраняет устойчивость вплоть до – 200 °C, содержание углерода не превышает 0,12%. Стали с такой структурой  характеризуются отсутствием магнитных свойств.

Большинство из них имеет хорошую механическую обрабатываемость.

Аустенитные стали обязательно подвергаются термообработке – закалке, отпуску или отжигу. Скорость охлаждения практически не изменяет твердости, однако оказывает влияние на устойчивость к жидким и газообразным агрессивным средам, стабилизирует размер зерна устойчивость к деформации.

В системы легирования аустенитных хромоникелевых сталей вводят дополнительные элементы:

• молибдена – для предотвращения питтинга и эксплуатации в восстановительных атмосферах
• титана и ниобия – для защиты от межкристаллической коррозии.
• кремния – для повышения кислотостойкости;
• марганца – для улучшения литейных качеств.

Ферритные стали

В этот класс входят хромистые стали с низким содержанием углерода. Они имеют объемно-центрированную кубическую решетку, определяющую магнитные свойства.

Ферритные стали обладают  меньшей  коррозионную устойчивость в сравнении с аустенитными, не могут быть упрочнены термообработкой, но имеют более высокие технологические свойства. Они легче подвергаются механической обработке и лучше свариваются, а их себестоимость значительно ниже.

При температуре 300 – 400 °C стали приобретают высокую пластичность, и из них можно получать объемные штампованные детали сложной формы.

хрома в таких сталях достигает 27 %. В качестве стабилизирующих добавок используют молибден,  титан и алюминий.

Мартенситные стали

Сплавы этого класса содержат не менее 0,15 % углерода и 11 % хрома. Мартенсит имеет микроскопическую игольчатую структуру и при увеличении выглядит так же, как и углеродистая сталь после закалки.

Кристаллическая решетка имеет тетрагональную форму и характеризуется высокими внутренними напряжениями. Это определяет высокие прочностные свойства и твердость. Например, для 40Х13 она составляет до 52 – 55 HRC.

В качестве дополнительных легирующих элементов вводятся молибден, ниобий, ванадий и вольфрам. Мартенситные стали из-за высокой твердости плохо поддаются резанию и имеют низкую пластичность.

Влияние легирующих элементов на жаропрочность аустенитных сталей

В этой статье мы поговорим о влиянии некоторых легирующих элементов на жаропрочность сталей. На складе компании ООО «Новьсталь» к таким сталям относится прокат марки 20х23н18

Влияние титана

В жаропрочных сталях и сплавах с карбидным упрочнением титан, вводимый в небольших количествах (0,1—0,3%), улучшает их длительную прочность .

При введении в больших количе­ствах в сложнолегированные жаропрочные стали с углеродом титан понижает твердость и прочностные характеристики и повы­шает пластические свойства при комнатной и высоких темпера­турах.

Изменения механических свойств обусловлены тем, что титан связывает углерод в стойкие карбиды, которые в процессах диспер­сионного упрочнения участия не принимают.

Поэтому процесс образования карбидов хрома и ванадия в присутствии титана при отношении Ti : С > 5 сильно ослабляется и сталь становится мало склонной к упрочнению за счет дисперсионного твердения .

В жаропрочных сплавах с интерметаллидным упрочнением на базе у-твердого раствора титан является легирующим элемен­том, который сильно повышает жаропрочные свойства за счет процессов дисперсионного твердения, связанных с образованием у'-фазы типа Ni3 (TiAl). Переменная по температуре растворимость титана в у-твердых растворах зависит от содержания хрома и других легирующих элементов и определяет кинетику образования у'-фазы при старении предварительно закаленного на твердый раствор сплава.

Влияние хрома

Введение хрома в жаропрочные стали и сплавы повышает их сопротивление окислению при высоких температурах, причем тем больше, чем выше его содержание в сплавах. В отношении повышения жаропрочных свойств хром также оказывает положительное влияние, но он менее эффективен, чем молибден и ванадий.

Введение хрома в ферритные стали повышает энергию активации самодиффузии железа и увеличивает температуру рекристаллизации, сопротивление ползучести и длительную прочность. Он также способствует сохранению искажений решетки деформированного аустенита при отпуске.

Однако влияние хрома на повышение жаропрочных свойств ферритных сталей зависит от его содержания и легирования другими элементами и не обязательно пропорционально его количеству.

Максимум жаропрочности в данной системе относится к 9—15% Сг. Хром образует с углеродом ряд карбидов, которые в результате закалки и старения, выделяясь в у-твердом растворе в высокодисперсном состоянии, упрочняют аустенитные стали. Однако вследствие большой склонности карбидов хрома к коагуляции это упрочнение легко снимается с повышением температуры испы­тания.

Карбиды хрома обладают сравнительно невысокой термиче­ской стойкостью, а поэтому повышение жаропрочности аустенитных сталей за счет образования только таких карбидов не столь эффективно. В сложнолегированных сплавах на никелевой основе с титаном или алюминием присадка хрома изменяет растворимость 'у- фазы в твердом растворе и этим сообщает сплавам способность к дисперсионному твердению при более низком содержании титана.

хрома, % (по массе)

Рис. 1 Влияние хрома на изменение механических свойств стали с 0,6% С; 20% Ni; 6% Мп; 2% V; 1,40%Мо; 1,5% Nb

При чрезмерном увеличении содержания хрома и образовании ферритной составляющей в сложнолегированных жаропрочных аустенитных сталях самого различного состава наблюдается резкое падение жаропрочности.

Влияние молибдена

Введение молибдена в ферритные, аустенитные стали и никелевые сплавы повышает температуру рекристаллизации у-твердых растворов и тормозит их разупрочнение. Энергия активации самодиффузии железа или хрома увеличивается с повышением количества молибдена, добавляемого в сплав.

У большинства сплавов легирование молибденом наряду с повышением жаропрочности дает увеличение пластичности при кратковременных и длительных испытаниях. Молибден оказывает значительно большее влияние на жаропрочность дисперсионно твердеющих сплавов с карбидным или и нтер мет а л л ид н ым упрочнен ием.

Эффективность влияния молибдена на жаропрочные свойства сложнолегированных сталей и сплавов увеличивается, когда его вводят в сплав одновременно с другими элементами, в том числе элементами, вызывающими процессы дисперсионного твердения.

Молибден несколько смещает максимум твердости дисперсионного твердения в сторону более высоких температур, мало влияя на абсолютное увеличение твердости, а также на механические свойства при комнатной температуре.

В жаропрочных сплавах на никелевой основе и сплавах на железной основе с интерметаллидным упрочнением молибден также оказывает положительное влияние, увеличивая жаропрочность. В ряде сплавов молибден образует фазы типа Лавеса (Fe2Mo), способствуя еще большему повышению жаропрочности за счет процессов дисперсионного упрочнения

: производство бесшовных нержавеющих труб

Физические свойства и механические характеристики металла хром и его соединений

Хром – не конструкционный материал, но используется довольно широко за счет того, что обладает превосходными антикоррозийными свойствами. Хромирование защищает любой другой сплав от ржавчины. Кроме того, легирование сталей хромом придает им такую же стойкость к коррозии, которая свойственна и самому металлу.

Итак, давайте обсудим сегодня, каковы технические и окислительные характеристики материала хром, основные амфотерные, восстановительные свойства и получение металла также будут затронуты. А еще мы узнаем, каково влияние хрома на свойства стали.

Хром – металл 4 периода 6 группы побочной подгруппы. Атомный номер 24, атомная масса – 51, 996. Это твердый металл серебристо-голубоватого цвета. В чистом виде отличается ковкостью и вязкостью, но малейшие примеси азота или углерода придают ему хрупкость и твердость.

Хром часто относят к черным металлам за счет цвета его основного минерала – хромистого железняка. А вот свое название – от греческого «цвет», «краска», он получил благодаря своим соединениям: соли и оксиды металла с разной степенью окисления окрашены во все цвета радуги.

• В нормальных условиях хром инертен и не взаимодействует с кислородом, азотом или водой.
• На воздухе он сразу же пассивируется – покрывается тонкой оксидной пленкой, которая полностью перекрывает кислороду доступ к металлу. По той же причине вещество не взаимодействует с серной и азотной кислотой.
• При нагревании металл становится активным и вступает в реакции с водой, кислородом, кислотами и щелочами.

Для него характерна объемно-центрированная кубическая решетка. Фазовые переходы отсутствуют. При температуре в 1830 С возможен переход к гранецентрированной решетке.

Однако у хрома есть одна интересная аномалия.

При температуре в 37 С некоторые физические свойства металла резко меняются: изменяется электросопротивление, коэффициент линейного расширения, падает до минимума модуль упругости и повышается внутреннее трение.

Связано это с прохождением точки Нееля: при этой температуре вещество меняет свои антиферромагнитные свойства на парамагнитные, что представляет собой переход первого уровня и означает резкое увеличение объема.

Химические свойства хрома и его соединений описаны в этом видео:

Физические характеристики металла зависят от примесей до такой степени, что сложным оказалось установить даже температуру плавления.

• Согласно современным измерениям температура плавления считается величина в 1907 С. Металл относится к тугоплавким веществам.
• Температура кипения равна 2671 С.

Ниже будет дана общая характеристика физических и магнитных свойств металла хром.

Общие свойства и характеристики хрома

Физические особенности

Хром относится к наиболее устойчивым из всех тугоплавких металлов.

• Плотность в нормальных условиях составляет 7200 кг/куб. м, это меньше чем у железа.
• Твердость по шкале Мооса составляет 5, по шкале Бринелля 7–9 Мн/м2. Хром является самым твердым металлом из известных, уступает только урану, иридию, вольфраму и бериллию.
• Модуль упругости при 20 С составляет 294 ГПа. Это довольно умеренный показатель.

Благодаря строению – объемно-центрированная решетка, хром обладает такой характеристикой, как температура хрупко-вязкого периода.

Вот только когда речь идет об этом металле, эта величина оказывается сильно зависящей от степени чистоты и колеблется от -50 до +350 С.

На практике раскристаллизированный хром никакой пластичностью не обладает, но после мягкого отжига и формовки становится ковким.

Прочность металла также растет при холодной обработке. Легирующие добавки тоже заметно усиливают это качество.

Далее представлена краткая характеристика теплофизических свойств хрома.

Теплофизические характеристики

Как правило, тугоплавкие металлы имеют высокий уровень теплопроводности и, соответственно, низкий коэффициент теплового расширения. Однако хром заметно отличается по своим качествам.

В точке Нееля коэффициент теплового расширения совершает резкий скачок, а затем с увеличением температуры продолжает заметно расти. При 29 С (до скачка) величина коэффициента составляет 6.2 · 10-6 м/(м•K).

Теплопроводность подчиняется этой же закономерности: в точке Нееля она падает, хотя и не столь резко и уменьшается с возрастанием температуры.

• В нормальных условиях теплопроводность вещества равна 93.7 Вт/(м•K).
• Удельная теплоемкость в тех же условиях – 0.45 Дж/(г•K).

Электрические свойства

Несмотря на нетипичное «поведение» теплопроводности хром является одним из лучших проводников тока, уступая по этому параметру только серебру, меди и золоту.

• При нормальной температуре электропроводность металла составит 7.9 · 106 1/(Ом•м).
• Удельное электрическое сопротивление – 0.127 (Ом•мм2)/м.

До точки Нееля – 38 С, вещество является антиферромагнетиком, то есть, под действием магнитного поля и при его отсутствии никаких магнитных свойств не проявляется. Выше 38 С хром становится парамагнетиком: проявляет магнитные свойства под действием внешнего магнитного поля.

В природе хром встречается только в связанном виде, поэтому попадание чистого хрома в организм человека исключено. Однако известно, что металлическая пыль раздражает ткани легких, через кожу не усваивается. Сам металл не токсичен, но о его соединениях этого сказать нельзя.

• Трехвалентный хром оказывается в окружающей среде при добыче хромовой руды и ее переработке. Однако в организм человека может попасть и в составе пищевой добавки – пиколината хрома, используемой в программах по уменьшению веса. Как микроэлемент трехвалентный металл участвует в синтезе глюкозы и необходим. Избыток его, судя по исследованиям, определенной опасности не представляет, поскольку не всасывается стенками кишечника. Однако в организме он может накапливаться.
• Соединения шестивалентного хрома токсичны более чем в 100–1000 раз. Попасть в организм он может при производстве хроматов, при хромировании предметов, при некоторых сварочных работах. Соединения шестивалентного элемента являются сильными окислителями. Попадая в ЖКТ, они вызывают кровотечение желудка и кишечника, возможно с прободением кишечника. Через кожу вещества почти не всасываются, но оказывают сильное разъедающее действие – возможны ожоги, воспаления, появление язв.

Такое же действие соединение производит и на дыхательную систему, но учитывая большую чувствительность слизистой, здесь картина более разрушительна.

Хром – обязательный легирующий элемент при получении нержавеющих и жаропрочных сталей. Его способность противостоять коррозии и передавать это качество сплавам остается самым востребованным качеством металла.

Химические свойства соединений хрома и его окислительно-восстановительные свойства рассмотрены в этом видео:

Материаловедение

Углеродистые стали являются основными. Их свойства определяются количеством углерода и содержанием примесей, которые взаимодействуют с железом и углеродом.

Влияние углерода

Влияние углерода на свойства сталей показано на рис. 10.1

С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Изменение соотношения между составляющими приводит к уменьшению пластичности, а также к повышению прочности и твердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного.

Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную вязкость.

Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.

Влияние примесей

В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы.

1.Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор.

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.

марганца не превышает 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы.

Он способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS, так как образует с серой соединение сульфид марганца MnS.

Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направленияпрокатки.

кремния не превышает 0,35…0,4 %.Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали,  особенно   повышается   предел   текучести,   . Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали квытяжке

фосфора в стали 0,025…0,045 %. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности  и предел текучести , но снижает пластичность и вязкость.

Располагаясь вблизи зерен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин, Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25oС.

Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10…0,15 %, для улучшения обрабатываемости резанием.

S– уменьшается пластичность, свариваемость и коррозионная стойкость. Р– искажает кристаллическую решетку.

серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна.

При взаимодействии с железом образует химическое соединение – сульфид серы FeS, которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988oС.

При нагреве под прокатку или ковку эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается –   явление красноломкости.

Красноломкость – повышение хрупкости при высоких температурах

3. Специальные примеси – специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали – легированные сталями.

Назначение легирующих элементов

Основным легирующим элементом является хром (0,8…1,2)%. Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твердости стали. Порог хладоломкости хромистых сталей — (0…-100)oС.

Дополнительные легирующие элементы.

Бор — 0.003%. Увеличивает прокаливаемость, а также повышает порог хладоломкости (+20…-60 oС.)

Марганец – увеличивает прокаливаемость, однако содействует росту зерна, и повышает порог хладоломкости до (+40…-60)oС.

Титан (~0,1%) вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали.

Введение молибдена (0,15…0,46%) в хромистые стали увеличивает прокаливаемость, снихает порог хладоломкости до –20…-120oС. Молибден увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, молибден снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель.

Ванадий в количестве (0.1…0.3)% в хромистых сталях измельчает зерно и повышает прочность и вязкость.

Введение в хромистые стали никеля, значительно повышает прочность и прокаливаемость, понижает порог хладоломкости, но при этом повышает склонность к отпускной хрупкости (этот недостаток компенсируется введением в сталь молибдена). Хромоникелевые стали, обладают наилучшим комплексом свойств. Однако никель является дефицитным, и применение таких сталей ограничено.

Значительное количество никеля можно заменить медью, это не приводит к снижению вязкости.

При легировании хромомарганцевых сталей кремнием получают, стали – хромансиль(20ХГС, 30ХГСА). Стали обладают хорошим сочетанием прочности и вязкости, хорошо свариваются, штампуются и обрабатываются резанием. Кремний повышает ударную вязкость и температурный запас вязкости.

Легирующие элементы растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов ( феррит, аустенит, цементит), или образуют специальные карбиды.

Растворение  легирующих  элементов  в   происходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов. Эти атомы создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода.

Изменение размеров решетки вызывает изменение свойств феррита – прочность повышается, пластичность уменьшается. Хром, молибден и вольфрам упрочняют меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден и вольфрам, а также кремний и марганец в определенных количествах, снижают вязкость.

В сталях карбиды образуются металлами, расположенными в таблице Менделеева левее железа (хром, ванадий, титан), которые имеют менее достроенную d– электронную полосу.

В процессе карбидообразования углерод отдает свои валентные электроны на заполнение d– электронной полосы атома металла, тогда как у металла валентные электроны образуют металлическую связь, обуславливающую металлические свойства карбидов.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла более 0,59 образуются типичные химические соединения: Fe3C, Mn3C, Cr23C6, Cr7C3, Fe3W3C– которые имеют сложную кристаллическую решетку и при нагреве растворяются в аустените.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла менее 0,59 образуются фазы внедрения: Mo2C, WC, VC, TiC, TaC, W2C– которые имеют простую кристаллическую решетку и трудно растворяются в аустените.

Все карбиды обладают высокой твердостью и температурой плавления.

4. Случайные примеси.