Cr-Chrom (chromium) właściwości,historia,główny dodatek stopowy stali nierdzewnej i stopowe

Chrom (Cr) – właściwości i historia, główny składnik stali nierdzewnej i stopowej

Chrom (Cr) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 24, należący do grupy metali przejściowych. Jego unikalne właściwości fizyczne, chemiczne i mechaniczne sprawiają, że jest jednym z najważniejszych dodatków stopowych w przemyśle stalowym. Stal nierdzewna, stal stopowa oraz inne materiały odporne na korozję zawdzięczają swoją wyjątkową trwałość właśnie chromowi. W niniejszym artykule przyjrzymy się szczegółowo właściwościom chromu, jego historii, metodom pozyskiwania oraz kluczowym zastosowaniom w przemyśle.

Właściwości chemiczne i fizyczne chromu

Struktura atomowa i podstawowe dane fizykochemiczne

Chrom posiada liczbę atomową 24, a jego masa atomowa wynosi 51,996 u. Jest metalem o wysokiej temperaturze topnienia (1907°C) i wrzenia (ok. 2671°C). W warunkach standardowych ma gęstość 7,188 g/cm³.

Podstawowe właściwości chromu:

  • Symbol chemiczny: Cr
  • Liczba atomowa: 24
  • Masa atomowa: 51,996 u
  • Temperatura topnienia: 1907°C
  • Temperatura wrzenia: 2671°C
  • Gęstość: 7,188 g/cm³
  • Twardość w skali Mohsa: 8,5
  • Elektroujemność: 1,66 (w skali Paulinga)
  • Stan skupienia w temperaturze pokojowej: ciało stałe

Właściwości chemiczne

Chrom należy do grupy metali przejściowych i wykazuje zdolność do tworzenia wielu stopni utlenienia, od -2 do +6. Najczęściej spotykane stopnie utlenienia chromu to +2, +3 i +6. Chrom w stanie metalicznym jest odporny na działanie powietrza dzięki obecności cienkiej warstwy tlenku chromu(III) (Cr₂O₃), która chroni go przed dalszym utlenianiem.

Chrom wchodzi w reakcje z silnymi kwasami, zwłaszcza kwasem solnym i siarkowym, tworząc sole chromu. Z kolei w roztworach zasadowych może tworzyć chromiany i dichromiany, które są silnymi utleniaczami.

Rozpuszczalność w żelazie

Chrom rozpuszcza się w różnych fazach żelaza w zależności od temperatury:

  • W żelazie γ (austenicie) jego rozpuszczalność wynosi ok. 12%, a w obecności węgla (0,5%) sięga do 20%.
  • W żelazie α (ferryt) rozpuszczalność chromu jest praktycznie nieograniczona, choć w temperaturze poniżej 815°C mieści się w zakresie 25-75%.

Dodatek chromu do stali wpływa na szereg jej właściwości mechanicznych i chemicznych, w tym:

  • Zwiększa twardość i wytrzymałość.
  • Poprawia odporność na korozję i utlenianie.
  • Nadaje żaroodporność i odporność na ścieranie.
  • Podnosi hartowność, umożliwiając uzyskanie lepszych właściwości w obróbce cieplnej.

Historia odkrycia chromu

Chrom został odkryty pod koniec XVIII wieku przez francuskiego chemika Louisa Nicolasa Vauquelina. W 1797 roku naukowiec ten badał rudawo-czerwony minerał otrzymany z Rosji ze Swierdłowska (kopalnie w Jekaterynburgu), który po dokładnych analizach okazał się zawierać nowy pierwiastek. Minerałem, który badał Louis Nicolas Vauquelin, był krokoit (PbCrO₄), rudawo-czerwony związek zawierający chrom. W 1797 roku Vauquelin przeprowadził serię eksperymentów, które doprowadziły go do odkrycia nowego pierwiastka chemicznego – chromu . Rok później, w 1798 roku, udało mu się uzyskać próbki czystego chromu poprzez redukcję jego tlenku węglem.

Nazwa „chrom” pochodzi od greckiego słowa χρῶμα (chroma), oznaczającego „barwa”, ponieważ związki chromu wykazują intensywne kolory, od czerwieni przez żółć po zielony i fioletowy.

Przełomowym momentem w rozwoju zastosowania chromu było odkrycie jego właściwości stopowych. Już w XIX wieku chrom zaczął być stosowany w produkcji stali chromowej, a pierwsze eksperymentalne stopy pojawiły się we Francji (1877) oraz w Niemczech (1880). Z biegiem czasu chrom stał się nieodłącznym elementem nowoczesnej metalurgii.

Zastosowanie chromu w przemyśle metalurgicznym

Chrom znalazł szerokie zastosowanie w przemyśle metalurgicznym, zwłaszcza w produkcji stali stopowych. Jest kluczowym składnikiem stali nierdzewnej, gdzie odpowiada za odporność na korozję.

Stale chromowe

Chrom jest jednym z najważniejszych pierwiastków stopowych dodawanych do stali w różnych proporcjach wpływa, na jej właściwości, znacząco wpływając na jej: właściwości mechaniczne, odporność na korozję i zachowanie w podwyższonych temperaturach. W zależności od zawartości chromu oraz ewentualnych dodatków stopowych, stale chromowe dzielą się na kilka grup.

Stale z zawartością chromu do 12%

Stale tej grupy wykazują zwiększoną odporność na wysokie temperatury, a ich twardość i wytrzymałość są wyższe niż w przypadku stali niestopowych. Jednakże nie posiadają znaczącej odporności na korozję. Typowe gatunki stali o takim składzie to:

  • AISI 410 / X12Cr13 (1.4006) – stal nierdzewna martenzytyczna o dobrej hartowności, stosowana w częściach maszyn pracujących w podwyższonych temperaturach.
  • AISI 420 / X20Cr13 (1.4021) – stal nierdzewna martenzytyczna o wyższej twardości i odporności na ścieranie, wykorzystywana w narzędziach tnących i elementach pomp.

Stale z zawartością 12-17% Cr

Stale z tej grupy charakteryzują się wysoką twardością, odpornością na ścieranie oraz umiarkowaną odpornością na korozję. Wykorzystywane są w przemyśle narzędziowym i motoryzacyjnym. Przykładowe gatunki:

Stale z zawartością 17-27% Cr

Stale z tej grupy są klasyfikowane jako stale nierdzewne i żaroodporne. Dzięki wysokiej zawartości chromu są odporne na działanie agresywnych substancji chemicznych oraz mogą pracować w ekstremalnych temperaturach. Do tej grupy należą:

  • AISI 304 / X5CrNi18-10 (1.4301) – najczęściej stosowana stal austenityczna, odporna na korozję w środowisku atmosferycznym i spożywczym.
  • AISI 316 / X5CrNiMo17-12-2 (1.4401) – stal nierdzewna z dodatkiem molibdenu, znacznie bardziej odporna na korozję w środowisku chlorków.
  • AISI 446 / X10CrAlSi25 (1.4762, H24JS) – stal żaroodporna z bardzo wysoką zawartością chromu (24 – 27% w zależności od gatunku i normy), stosowana w piecach i wymiennikach ciepła.

Wpływ dodatków stopowych na stale chromowe

Obok chromu, stale te mogą zawierać inne pierwiastki, które dodatkowo modyfikują ich właściwości:

  • Nikiel i molibden – zwiększają odporność na korozję i żaroodporność (np. AISI 316 / 1.4401).
  • Wanad – poprawia twardość i wytrzymałość zmęczeniową (np. AISI 440V stosowana w wysokiej klasy narzędziach tnących).
  • Wolfram – obecny w stalach narzędziowych szybkotnących, znacząco podnosi ich odporność na zużycie (np. HS6-5-2 / 1.3343 – stal szybkotnąca zawierająca wolfram i molibden).

Stale chromowe stanowią jedną z najszerszych grup materiałów konstrukcyjnych, wykorzystywanych w wielu gałęziach przemysłu – od narzędzi skrawających, poprzez sprzęt chemiczny, aż po komponenty motoryzacyjne i lotnicze.

Chromowanie

Chromowanie to proces pokrywania powierzchni metalowych cienką warstwą chromu, co nadaje im:

  • Odporność na korozję,
  • Twardość i odporność na ścieranie,
  • Estetyczny wygląd (błyszcząca, srebrzysta powierzchnia).

Proces ten jest szeroko stosowany w przemyśle motoryzacyjnym (elementy dekoracyjne i funkcjonalne), lotniczym oraz narzędziowym.

Chrom i ferrostopy

Produkcja stali stopowych wymaga stosowania ferrostali – stopów żelaza z chromem, które umożliwiają kontrolowane wprowadzanie chromu do stopu.

Główne rodzaje ferrochromu:

  • Ferrochrom wysokowęglowy (Cr > 60%) – stosowany w hutnictwie.
  • Ferrochrom średniowęglowy i niskowęglowy – do produkcji wysokiej jakości stali nierdzewnych.

Chrom to pierwiastek kluczowy dla nowoczesnej metalurgii. Jego zdolność do zwiększania odporności stali na korozję, twardości i żaroodporności sprawia, że znajduje zastosowanie w niezliczonych gałęziach przemysłu. Od momentu odkrycia przez Vauquelina po współczesne zaawansowane technologie, chrom pozostaje jednym z najważniejszych metali w przemyśle hutniczym i materiałoznawstwie.

Minerał ze Swierdłowska, z którego Franuz Vauquelin pierwszy otrzymał chrom, nie odegrał później żadnej znaczącej roli w metalurgii. Obecnie chrom otrzymuje się tylko i wyłącznie z jednego minerału, który nazywa się chromitem FeO.Cr2O2.