כרום (Cr) – תכונות, השפעה על פלדה, פלדות כרום ויישומים

כרום (Cr) הוא יסוד כימי עם המספר האטומי 24, השייך לקבוצת מתכות המעבר. זהו אחד החשובים ביותר. יסודות סגסוגת המשמשים בפלדותבהתאם לתכולת הכרום, הכמות פֶּחָם, נוכחות של תוספות סגסוגת אחרות וטיפול החום המופעל יכולים להגביר את יכולת ההתקשות, הקשיות, העמידות בפני שחיקה, קורוזיה וחמצון בטמפרטורות גבוהות.
החשיבות המיוחדת של כרום קשורה ל- נירוסטהתכולת הכרום המתאימה מאפשרת היווצרות של שכבה פסיבית דקה, צפופה מאוד ומתחדשת מעצמה, עשירה בתחמוצות כרום על פני הפלדה. פסיבציה זו, ולא נוכחות הכרום כשלעצמה, היא זו שאחראית לעמידות בפני קורוזיה האופיינית של פלדות אל-חלד.
כרום, לעומת זאת, הוא יסוד סגסוגת רב-תכליתי הרבה יותר. הוא נמצא גם בפלדות מבניות, פלדות קרבוריזציה וניטרידינג, פלדות הניתנות לטיפול בחום, פלדות מיסבים, פלדות קפיץ, פלדות כלים, פלדות עמידות בחום, ופלדות רבות המיועדות לשימוש בתנאים תובעניים במיוחד.

תכונות כימיות ופיזיקליות של כרום

מבנה אטומי ונתונים פיזיקוכימיים בסיסיים

לכרום יש מספר אטומי של 24 ומסה אטומית יחסית של כ-51,996 יחידות. זוהי מתכת מעבר כסופה-אפורה וקשה עם נקודת התכה גבוהה.

תכונות כימיות של כרום

כרום הוא מתכת מעבר ויכול להופיע במצבי חמצון שונים. החשובים ביותר מבחינה כימית וטכנולוגיה הם המצבים הבאים: +2, +3 ו-+6.
כרום במצב חמצון של +3 הוא בעל חשיבות מיוחדת. על פני השטח של חומרים המכילים את כמות הכרום המתאימה, נוצרת שכבת מגן דקה מאוד עשירה ב... Cr₂O₃, שהוא אחד המרכיבים הבסיסיים של מנגנון הפסיבציה של פלדות אל-חלד.
כרום גם מגיב עם פחמן ליצירת קרבידים של כרוםלתופעה זו חשיבות רבה במטלורגיה, משום שקרבידים משפיעים על קשיות ועמידות הבלאי של הפלדה, אך בתנאים מסוימים הם יכולים גם לגרום לדלדול מקומי של כרום במטריצה ​​ולהגביר את הרגישות של פלדת אל-חלד ל קורוזיה בין-גרגירית.

כרום בברזל - מסיסות והשפעה על המבנה

כרום יוצר בַּרזֶל תמיסות מוצקות, והתנהגותן תלויה בטמפרטורה, בהרכב הכימי של הפלדה ובפאזה הקיימת.
כרום הוא אחד היסודות יוצרי פריטמייצב פריט ומגביל את טווח היציבות של אוסטניט. זה חשוב במיוחד בפלדות כרום גבוהות ובפלדות אל חלד, שבהן האיזון בין היסודות היוצרים פריט למרכיבים היוצרים אוסטניט קובע את המבנה הפריטי, האוסטניטי, המרטנזיטי או הפריטי-אוסטניטי המתקבל.
כרום מציג מסיסות גבוהה מאוד בברזל אלפא עם סריג BCC. מסיסותו בברזל גמא - אוסטניט - מוגבלת יותר ותלויה בטמפרטורה ובנוכחות של יסודות סגסוגת אחרים.
לכן, אין לתאר את השפעת הכרום על פלדה אך ורק על ידי ערך מסיסות יחיד באחוזים. בפלדות אמיתיות, מערכת Fe-Cr משתנה בנוסף על ידי ויג'יל, ניקל, מוליבדן, חַנקָן, מַנגָן ויסודות סגסוגת אחרים.

השפעת הכרום על תכונות הפלדה

כרום הוא אחד מיסודות הסגסוגת הרב-תכליתיים ביותר. השפעתו תלויה בתכולתו, בכמות הפחמן, ברכיבי הסגסוגת האחרים ובמיקרו-מבנה של החומר.
ההשפעות החשובות ביותר של הוספת כרום כוללות:

• zwiększenie יכולת הקשייה של פלדה,
• האפשרות להגדיל את הקשיות והחוזק לאחר המתאים טיפול בחום,
• עמידות מוגברת בפני שחיקה הודות לאפשרות ליצור קרבידים קשים של כרום,
• הגברת עמידות בפני קורוזיה לאחר הגעה לתכולת כרום מתאימה ולתנאים המאפשרים פסיבציה,
• עמידות מוגברת לחמצון בטמפרטורות גבוהות,
• הגברת עמידות החום של פלדות שתוכננו כראוי,
• ייצוב פריט,
• השפעה על טמפרטורות טרנספורמציה פאזה וקינטיקה של טרנספורמציה אוסטניטית.

לכן, כרום אינו מתפקד בפלדה בצורה אחת. בפלדות מבניות בעלות סגסוגת נמוכה, תפקידו העיקרי עשוי להיות הגברת יכולת ההתקשות, בפלדות כלים הוא עשוי גם לתרום להיווצרות קרבידים קשים, בעוד שבפלדות אל חלד ועמידות בחום, יכולתו ליצור שכבת שטח מגנה היא קריטית.

כרום והקשיות של פלדה

אחת ההשפעות החשובות ביותר של תוספות כרום קטנות ובינוניות היא הגברת יכולת ההתקשות של פלדה.
כרום מאט את טרנספורמציות הדיפוזיה של אוסטניט מקורר-על, כך שעם ההרכב הכימי המתאים ניתן להשיג מבנה מרטנזיטי בקצב קירור נמוך יותר ובעומק חתך גדול יותר מאשר בפלדה הלא סגסוגת המתאימה.
זה חשוב במיוחד בפלדות מבניות המיועדות ל שיפור תרמי, פלדות הקשחה, פלדות כלים וחומרים אחרים העוברים הקשחה.
דוגמאות לכך הן פלדות כרום-מוליבדן כגון 25HM / 25CrMo4 / 1.7218, שבו האינטראקציה של כרום ו מוליבדן מאפשר קבלת שילוב חיובי של יכולת התקשות, חוזק ועמידות בפני עבודה בטמפרטורות גבוהות.

כרום וקרבידי כרום

כרום בעל זיקה חזקה ל פֶּחָם ושייך ליסודות יוצרי קרביד.
סוגים שונים של קרבידים המכילים כרום יכולים להיווצר בפלדות, כולל קרבידים כגון:

• M₃C,
• M₇C₃,
• M₂₃C₆,

כאשר הסמל M מציין את הרכיבים המתכתיים הקיימים בקרביד נתון.
קרבידי כרום יכולים להגדיל משמעותית קשיות ועמידות בפני שחיקהתכונה זו חשובה במיוחד בפלדות כלים כרום עתירות פחמן.
דוגמה טובה היא X210Cr12 / 1.2080, המסווגות כפלדות כלים עתירות פחמן לעיבוד קר, שבהן תכולת הכרום והפחמן הגבוהה מובילה להיווצרות כמות משמעותית של קרבידים קשים. קבוצת חומרים זו מתוארת גם ב PN-EN ISO 4957 – פלדות כלים.

כרום ועמידות בפני קורוזיה של פלדה

התפקיד הידוע ביותר של כרום הוא להגביר עמידות בפני קורוזיה של פלדות אל חלד.
עם זאת, אין פירוש הדבר שכרום פשוט "לא מחליד". המנגנון הרבה יותר מעניין.
עם תכולת כרום גבוהה מספיק וגישה לחמצן, נוצרת שכבה דקה וקומפקטית במיוחד המחוברת היטב למצע על פני הפלדה. שכבה פסיבית עשיר בתחמוצות כרום.
שכבה זו מגבילה תגובה נוספת של המתכת עם סביבתה. אם היא ניזוקה מכנית מקומית, היא יכולה להיווצר מחדש בתנאים הנכונים - תופעה המכונה רה-פסיבציה.
היכולת לעשות פסיבציה היא שמבדילה פלדות אל-חלד מפלדות מבניות רגילות.

כמה כרום צריכה להכיל פלדת אל-חלד?

בסיווג האירופי של פלדות אל חלד לפי PN-EN 10088-1 אחד הקריטריונים הבסיסיים הוא התוכן של לפחות בערך 10,5% כרום ותכולת פחמן מוגבלת.
עם זאת, אין פירוש הדבר שלכל פלדה המכילה 10,5% Cr תהיה עמידות זהה בפני קורוזיה.
חסינות בפועל נקבעת גם על ידי:

• זווארטושץ' מוליבדן,
• זווארטושץ' חַנקָן,
• זווארטושץ' נִיקֵל,
• תכולת פחמן,
• מיקרו-מבנה,
• מצב פני השטח,
• טיפול בחום,
• הַלחָמָה ומצב האזור המושפע מחום,
• סוג של סביבה קורוזיבית,
• טמפרטורה ונוכחות כלורידים.

לכן, תכולת כרום לבדה אינה מספיקה לבחירה נכונה של נירוסטה לסביבה ספציפית.

כרום וקורוזיה גולמית

כרום הוא אחד היסודות הבסיסיים האחראים ליציבות השכבה הפסיבית, אך בסביבות המכילות כלורידים גם הם הופכים לחשובים במיוחד. מוליבדן i חַנקָן.
מסיבה זו, כדי להעריך את עמידותן של פלדות אל-חלד בפני קורוזיה נקודתית, נדרשים אינדיקטורים שלוקחים בחשבון את תכולת ה-Cr, Mo ו-N, וכן בדיקות כגון CPT – טמפרטורת קורוזיה קריטית של פטינג.
לדוגמה, פלדה 1.4401 / AISI 316 מֵכִיל מוליבדן מראה עמידות גדולה יותר ל קורוזיה מקומית בסביבות כלוריד מאשר פלדת Cr-Ni טיפוסית 1.4301 / AISI 304.

כרום וקורוזיה בין-גרגירית

באופן פרדוקסלי, כרום עשוי גם להשתתף במנגנון המוביל לאובדן עמידות בפני קורוזיה.
כאשר פלדות אל-חלד מסוימות נחשפות לטמפרטורות המעודדות רגישות, הן עלולות להיווצר בגבולות הגרעינים. קרבידים של כרוםזה גורם לדלדול מקומי של כרום באזורים הסמוכים לגבול הגרעינים.
אם תכולת הכרום המקומית אינה מספקת כדי לשמור על שכבה פסיבית יציבה, החומר עלול להפוך רגיש ל קורוזיה בין-גרגירית.
מסיבה זו, פלדות בעלות אחוזי פחמן נמוכים משמשות לעתים קרובות במבנים מרותכים, כגון 304L ו-316L, או פלדות המיוצבים עם טיטניום או ניוביום.

כרום ועמידות החום של פלדה

כרום הוא אחד היסודות החשובים ביותר האחראים על עמידות פלדה לחמצון בטמפרטורות גבוהות.
עם תכולת Cr מתאימה, יכולה להיווצר אבנית מגנה עשירה ב-Cr על פני החומר.₂O₃, מה שמגביל את קצב החמצון הנוסף.
לכן, כמויות גדולות של כרום נמצאות ב פלדות עמידות בחום.
עם זאת, יש צורך להבחין עמידות בחום od עמידות לזחילההראשון מתאר בעיקר את עמידות החומר להשפעות הכימיות של גזים חמים וחמצון, בעוד שהשני נוגע ליכולת לעמוד בעומסים מכניים בטמפרטורות גבוהות.
דוגמה לפלדה עמידה בחום בעלת ריכוז כרום גבוה היא H24JS / X10CrAl24 / X10CrAlSi25 / 1.4762.

ההיסטוריה של גילוי הכרום

כרום התגלה בסוף המאה ה-18 על ידי כימאי צרפתי לואי ניקולא ווקלין.
בשנת 1797, ווקלין חקר מינרל אדום-כתום מרוסיה קרוקויט PbCrO₄, שנקרא אז עופרת אדומה סיבירית. ניתוח המינרל הוביל אותו לגלות את נוכחותו של יסוד שלא היה ידוע קודם לכן.
בשנת 1798, ווקלן השיג כרום מתכתי על ידי חיזור של תרכובת כרום.
מקור השם "כרום" במילה היוונית χρῶμα – כרומה, שפירושו "גוון" או "צבע". השם מתייחס לצבעים המגוונים והעזים מאוד של תרכובות כרום.
במאה ה-19 החלו מחקרים על השימוש בכרום כאלמנט סגסוגת בברזל. עם הזמן התגלה כי הייתה לו השפעה משמעותית על יכולת ההתקשות, הקשיות, עמידות בפני שחיקה, עמידות בפני חמצון ועמידות בפני קורוזיה.
פיתוח מטלורגיית הכרום הוביל לאחר מכן ליצירת פלדות כלים מודרניות, פלדות כרום מבניות, פלדות כרום-מוליבדן ומשפחה רחבה של פלדות אל חלד ופלדות עמידות בחום.

השימוש בכרום בתעשיית המתכת

כרום נמצא בשימוש נרחב בתעשיית המתכת, בעיקר כאלמנט סגסוגת.
בהתאם לתכולתו ולהרכבו הכימי האחר, הוא יכול לבצע פונקציות שונות.

פלדות כרום

מוּנָח פלדות כרום מכסה קבוצה רחבה מאוד של חומרים שבהם כרום הוא אחד מיסודות הסגסוגת העיקריים.
אין לסווג אותם אך ורק לפי טווחי אחוזי Cr פשוטים, מכיוון שתכולת כרום דומה עשויה להופיע בפלדות בעלות מיקרו-מבנה ושימוש מיועד שונים לחלוטין.
לדוגמה, כרום נמצא בפלדות מבניות בעלות סגסוגת נמוכה, פלדות כלים בעלות אחוז פחמן גבוה ופלדות אל חלד בעלות סגסוגת גבוהה.

פלדות כרום סגסוגת נמוכה

בפלדות מבניות, תוספת קטנה יחסית של כרום משמשת בעיקר להגברת יכולת ההתקשות ולשיפור התכונות המתקבלות לאחר התקשות וריפוי.
כרום נמצא לעיתים קרובות יחד עם מַנגָן, נִיקֵל i מוליבדן.
בקבוצה פלדת הקשחת מקרה ישנן, בין היתר, פלדות כרום, מנגן-כרום וכרום-מוליבדן, כגון 17Cr3, 16MnCr5, 20MnCr5 או 18CrMo4.

פלדות אל חלד מרטנזיטיות המכילות כרום

פלדות מרטנזיטיות עתירות כרום משלבות יכולת הקשייה עם עמידות בפני קורוזיה.
קבוצה זו כוללת, בין היתר:

• AISI 410 / X12Cr13 / 1.4006 – פלדת אל-חלד מרטנזיטית המשמשת לרכיבים הדורשים שילוב של תכונות מכניות ועמידות בינונית בפני קורוזיה,
• 2H13 / X20Cr13 / 1.4021 / AISI 420 – פלדה מרטנזיטית בעלת קשיות גבוהה לאחר טיפול בחום, המשמשת, בין היתר, לחלקי מכונות וכלים,
• 2H17N2 / X17CrNi16-2 / 1.4057 / AISI 431 - פלדת אל-חלד מרטנזיטית עם חוזק מוגבר ועמידות בפני קורוזיה,
• H18 / X105CrMo17 / 1.4125 / AISI 440C – פלדה מרטנזיטית עתירת פחמן המשיגה קשיות ועמידות גבוהות מאוד בפני שחיקה.

פלדות אל חלד אוסטניטיות Cr-Ni ו-Cr-Ni-Mo

כרום הוא היסוד הבסיסי המספק את היכולת לבצע פסיבציה, בעוד ניקל מייצב את המבנה האוסטניטי.
הדוגמה המפורסמת ביותר היא AISI 304 / X5CrNi18-10 / 1.4301, המכיל כ-18% Cr ו-8-10% Ni.
בסביבות אגרסיביות יותר, משתמשים בפלדות Cr-Ni-Mo. דוגמה לכך היא AISI 316 / 316L – 1.4401 / 1.4404, שבו מוליבדן מגביר את העמידות בפני קורוזיה מקומית, במיוחד בסביבות כלוריד.

פלדות פריטיות עתירות כרום

כרום כאלמנט יוצר פריט מאפשר ייצור פלדות אל חלד עם מטריצה ​​פריטית.
נציגה טיפוסית של קבוצה זו היא פלדה X6Cr17 / 1.4016 / AISI 430פלדות פריטיות אינן דורשות ניקל כדי לייצב את המבנה הבסיסי שלהן, מה שהופך אותן לקבוצה חשובה של פלדות אל חלד חסכוניות.

פלדות דופלקס וסופר דופלקס

בפלדה פריטי-אוסטניטי דופלקס תכולת כרום גבוהה מקיימת אינטראקציה בעיקר עם נִיקֵל, מוליבדן i חַנקָן.
הרכב שנבחר כראוי מאפשר קבלת מבנה המכיל פריט ואוסטניט, כמו גם עמידות מכנית וקורוזיה גבוהה.
בפלדות סופר דופלקס, התכולה הגבוהה של Cr, Mo ו-N מספקת עמידות גבוהה במיוחד בפני קורוזיה מקומית בסביבות כלוריד.

פלדות כלים כרום

בפלדות כלים, כרום מבצע מספר פונקציות בו זמנית: הוא מגביר את יכולת ההתקשות, משתתף ביצירת קרבידים ומגביר את עמידות הבלאי.
בפלדות עבודה חמות, כרום נמצא לעתים קרובות יחד עם מוליבדן i ונדיום.
דוגמאות לכך הן:

• WCL / X37CrMoV5-1 / 1.2343 – פלדת כרום-מוליבדן-ונדיום לעבודות חמות,
• WCLV / X40CrMoV5-1 / 1.2344 – פלדת כלים בעלת יכולת הקשייה ועמידות גבוהה בפני חיסום, המשמשת, בין היתר, למבניות וכלים הפועלים בטמפרטורות גבוהות,
• SW7M / HS6-5-2 / 1.3343 – פלדה מהירה המכילה, בין היתר, כרום, טונגסטן, מוליבדן ונדיום.

השפעת יסודות סגסוגת אחרים על ביצועי הכרום

כרום משמש לעתים קרובות יחד עם תוספי סגסוגת אחרים.

• ניקיאל – מייצב אוסטניט, משפר את הגמישות ובמערכות סגסוגת מתאימות יוצר יחד פלדות אל חלד Cr-Ni.
• מוליבדן – מגביר את יכולת ההתקשות, עמידות בפני הרפיה ועמידות בפני קורוזיה מקומית בפלדות אל חלד.
• ונדיום – יוצר קרבידים וקרבוניטרידים עמידים ומשפיע על המיקרו-מבנה ועמידות בפני שחיקה.
• וולפרם – משמש, בין היתר, בפלדות כלים ובפלדות מהירות, מגביר את העמידות בפני חישול ובלאי בטמפרטורות גבוהות.
• חנקן – מגביר את העמידות בפני קורוזיה באמצעות פטינג והוא מרכיב חשוב במיוחד בפלדות דופלקס וסופר דופלקס.
• טִיטָן i ניוב – יכול לקשור פחמן בקרבידים יציבים, ובכך להפחית את הסיכון לשקיעה שלילית של כרום קרבידים בפלדות אל חלד מיוצבות.

ציפוי כרום

ציפוי כרום הוא תהליך יצירת שכבת כרום על פני השטח של חומר. אין לבלבל אותו עם הוספת כרום כסגסוגת לפלדה.
בהתאם לטכנולוגיה ולמטרה, מבחינים בין ציפוי כרום דקורטיבי לבין ציפוי כרום טכני - קשיח.
שכבת הכרום יכולה לספק:

• קשיות פני השטח גבוהה,
• עמידות בפני שחיקה,
• הפחתת שחיקה של משטחים אינטראקטיביים במערכת שתוכננה כראוי,
• עמידות לסביבות נבחרות,
• מראה משטח אופייני ביישומים דקורטיביים.

ציפוי כרום טכני משמש, בין היתר, על צירים, מוטות בוכנה, רכיבים הידראוליים, תבניות, כלים וחלקי מכונות הדורשים שכבת פני שטח קשה.

טיפול כרום ותרמוכימי

נוכחות הכרום חשובה גם בפלדות המיועדות טיפול תרמוכימי.
W פלדות קרבוריזציה כרום מגביר את יכולת ההתקשות של השכבה והליבה, מה שמקל על השגת התכונות הנדרשות לאחר קרבוריזציה והתקשות.
כרום נמצא גם בפלדות ניטרידיות. דוגמאות לכך כוללות פלדות Cr-Mo כגון 25H3M / 31CrMo12 / 32CrMo12כרום הוא יסוד בעל זיקה לחנקן ויכול להשתתף ביצירת משקעים עדינים התורמים לקשיות הגבוהה של השכבה המניטרית.

כרום ופרוכרומיום

בייצור פלדה, כרום בדרך כלל אינו מוכנס למתכת הנוזלית בצורה טהורה במיוחד. חומר הגלם המתכתי הבסיסי הוא פרוכרום – סגסוגת של ברזל וכרום המתקבלת מעפרות כרום.
בהתאם לתכולת הפחמן, נבדלים הדברים הבאים:

• פרוכרום עתיר פחמן,
• פרוכרום פחמן בינוני,
• פרוכרום דל פחמן.

בחירת סוג הפרוכרום תלויה בסוג הפלדה המיוצרת ובתכולה המותרת פֶּחָם.
פרוכרום הוא אחד מחומרי הקלט הבסיסיים המשמשים בייצור עולמי של פלדות אל חלד וסגסוגת.

כרומיט - עפרת הכרום הבסיסית

הקרוקויט ההיסטורי, שמחקרו הוביל את ווקלין לגילוי הכרום, לא הפך למקור תעשייתי עיקרי ליסוד זה.
עפרת הכרום החשובה ביותר היא כרומיט, שההרכב האידיאלי שלו כתוב כ FeCr₂O₄.
עם זאת, כרומיט טבעי אינו FeCr טהור לחלוטין.₂O₄במבנה שלהם, ברזל וכרום יכולים להיות מוחלפים חלקית, בין היתר, על ידי מגנזיום ואלומיניום, ולכן לעפרות כרומיט בפועל יש הרכב מורכב יותר.
כרומיט הוא חומר הגלם הבסיסי המשמש לייצור פרוכרום וכך להחדרת כרום לפלדה.

כרום בקבוצות הפלדה החשובות ביותר - סיכום

כרום Cr – חשיבותו במטלורגיה

כרום הוא אחד היסודות החשובים ביותר במטלורגיה הברזלית המודרנית. השפעותיו חורגות מעבר לעמידות בפני קורוזיה של פלדות אל חלד.
בפלדות סגסוגת נמוכה זה עולה מֶזֶג, בפלדות כלים הוא מאפשר היווצרות של קרבידים קשים ומגביר את עמידות השחיקה, בפלדות אל חלד הוא אחראי על יכולת פני השטח ל פסיבציהובפלדות עמידות בחום היא מאפשרת היווצרות של שכבות מגן המגבילות חמצון בטמפרטורות גבוהות.
יחד עם זאת, השפעת הכרום תלויה במערכת הסגסוגת כולה. חשיבות מיוחדת היא לאינטראקציות שלו עם פֶּחָם, נִיקֵל, מוליבדן, חַנקָן, ונדיום, טִיטָן i ניוביום.
מסיבה זו, כרום נמצא במספר עצום של דרגות - החל מפלדות מבניות בעלות סגסוגת נמוכה, דרך פלדות קרבוריזציה וניטרידינג, ועד פלדות כלים, פלדות אל-חלד, דופלקס, סופר דופלקס וחומרים המיועדים לפעולה בטמפרטורות גבוהות.