Сплавам на основе Cr присущи такие специфические физико-химические свойства, как жаростойкость и жаропрочность, коррозионная стойкость в агрессивных жидкостях и газах, невысокая плотность, ряд других полезных свойств. Благодаря этому они находят широкое промышленное применение в качестве конструкционных материалов.
Общие характеристики
К конструкционным хромистым сплавам относят, в частности, композиции, содержащие, помимо Cr, также Ni, Si, Co, а также (в качестве легирующих добавок) Al, Мо, W, Mn, TiC и другие элементы Периодической таблицы. Рабочая температура таких сплавов может достигать 1500 °С.
Высокохромистые сплавы отличаются хорошей свариваемостью, не подвергаются охрупчиванию при длительной эксплуатации, практически все изделия из них являются ремонтопригодными, не нуждающимися в нанесении дополнительных защитных покрытий.
Сплавы хрома имеют высокие механические свойства: они устойчивы к воздействию термических напряжений при циклических сменах температурных режимов, технологичны по отношению к фасонному литью, штамповке горячим и холодным способами.
Хромосодержащие сплавы можно длительно эксплуатировать без нанесения защитного поверхностного слоя в температурном режиме до 1400 °С, кратковременно — до 1550 °С. Их применяют для изготовления нагревательных элементов, деталей, эксплуатируемых в потоке горячих газов и пара при циклических сменах температур (в диапазоне 600…1500 °С), КИПиА с набором особых физико-химических свойств, различных манипуляторов, узлов машин, штамповочных матриц и пуансонов, другого высокотехнологичного оборудования.
Наличие тех или иных свойств хромистых сплавов обусловлено химическим составом и процентным содержанием входящих химических элементов.
Сормайты
Сормайты — общее наименование ряда литых твёрдых высокоуглеродистых и высокохромистых сплавов на основе Fe, с высокой массовой долей Ni и Si.
Сормайты – эффективные наплавочные материалы (электроды марок Сормайт Т590, Т620, прутки ПР-С27 и др.), способные на порядок и более повышать степень износостойкости режущего инструмента и деталей различных механизмов, предназначенных для эксплуатации в условиях интенсивного абразивного износа, в т.ч. без смазки и в высокотемпературном режиме. Режущая способность сормайтов близка к стеллитам. Сормайты, таким образом, занимают промежуточную нишу между быстрорежущими сталями и категорией твёрдых металлокерамических сплавов.
Со второй половины ХХ в. по сегодняшний день одним из наиболее распространенных в отечественной и мировой металлургии является эвтектический хромистый сплав сормайт № 1, характеризуемый наивысшей степенью твердости (около 50 HRC) и близкий по структурному и химсоставу к группе белых чугунов. Содержание Cr – 25…31 %, C – 2,5…3,5 %, Si – 2,8…4,2 %, Ni – 3…5 %, Mn – до 1,5 % , S – до 0,8 %, P – до 0,08 % .
Стеллиты
Стеллиты (англ. Stellite) — группа износоустойчивых сверхтвёрдых сплавов системы Cr—Co с включением W и/или Мо. Массовая доля входящих в состав сплава элементов регламентируется сферой применения продукта той или иной конкретной марки. Ещё один важнейший компонент стеллитов всех марок – углерод, способный обеспечить особо высокую степень твёрдости благодаря образованию карбидной кристаллической структуры (по аналогии с высококачественными сталями, требуемые характеристики которых также во многом определяет процент содержания С).
Помимо высочайшей твердости, стеллиты характеризуются устойчивостью к воздействию коррозии, в т. ч. в агрессивных средах.
Основные марки стеллитов и их химический состав предствлены в таблице 1.
Различные марки стеллитов применяются в металлообрабатывающей промышленности для производства деталей, подверженных высоким нагрузкам на истирание: рабочих кромок режущего инструмента, облицовки каналов стволов и компонентов затворов автоматического огнестрельного оружия, упрочняющих армирующих покрытий деталей системы наддува и сёдел клапанов ДВС. Практикуется также использование стеллитов как элементов сварных конструкций (входные кромки) лопаток парогазовых турбин.
Кроме того, стеллиты применяются при изготовлении подшипников, оборудования для нефтегазодобычи, нефтехимической, химической, пищевой, стекольной и других промышленных отраслей.
Стеллиты
Сплавы данной группы могут применяться как литейным способом, (отливка износоустойчивых деталей различных механизмов), так и методом наварки/наплавки/напыления защитных покрытий с использованием стеллитовых прутков, электродов/сварочной проволоки, а также порошков. Параметры стеллитовых наплавочных прутков марок Пр-С27, Пр-В3К и Пр-В3К-Р регламентированы ГОСТ 21449-75.
Одна из самых востребованных и наиболее твердых марок стеллита – сплав, именуемый «видиа» (от нем «wie Diamant»), что в переводе на русский означает «уподобляемый алмазу». Данный материал применяют, в частности, для изготовления напаиваемых пластин-наконечников для перфораторных буров по бетонам/камню.
Сплавы группа нихромов
Нихро́м (от никель-хром) — категория хромосодержащих сплавов, включающих (в зависимости от марки и функционального назначения), 50…80 % Ni и 15…25 % Cr с добавками Mn, Si, Fe, Al. Сплавы данного состава имеют вид твердых растворов системы Ni-Сг на базе кристаллической решетки Ni.
Нихромы характеризуют высокие показатели плотности, теплоемкости и удельного электросопротивления (1,045—1,45 Ом·мм²/м), а также повышенный коэффициент пластичности и способность хорошо удерживать форму в готовых изделиях. Им также присуща высокая степень жаростойкости в агрессивных окислительных средах, например, в HNO3 (до 1300 °C). Наибольшую стойкость к воздействию азотнокислой среды проявляют нихромы, легированные Si, что обуславливает их широкое применение в нефтехимической и химической промышленности.
Нихром марки Х20Н80
Самый ликвидный сортамент нихрома, особенно в виде проволоки. Что касается нихромовых полуфабрикатов в виде ленты и полосы, то на рынке они востребованы в гораздо меньшей степени, хотя и более продаваемы в сравнении с прутковой и листовой продукцией.
Химический состав:
- Ni – 72-80 %;
- Cr – 18-20 %;
- Si – 1,2 %;
- Mn – 0,75 %);
- прочее – Fe.
Допускается легирование сплава добавками редкоземельных металлов с целью повышения эксплуатационного ресурса.
Коэффициент удельного омического сопротивления составляет при 20 °C – 1,13 Ом·мм²/м, (при 1100 °C – 1,167 Ом·мм²/м). Показатель максимально допустимой рабочей температуры – 1250 °C, величина температуры плавления – 1400 °C.
Нихром марки Х15Н60 (ферронихром)
Содержит Ni – 60 %, Cr – 15 %, Fe – 25 %. Коэффициент удельного омического сопротивления составляет при 20 °C – 1,12 Ом·мм²/м, (при 1100 °C – 1,248 Ом·мм²/м). Показатель максимально допустимой рабочей температуры – 1125 °C, величина температуры плавления – 1390 °C.
Нихромы с содержанием Cr в пределах 25…30%, используют для производства лент и проволоки большого сечения. Для протяжки тонкой проволоки (Ø 0,01…0,30 мм) применяют марки нихрома более высокой пластичности, с содержанием Cr до 20 %.
Применение
Нихром – материал не дешевый, однако, с учетом присущих ему достоинств, фактор стоимости во многом нивелируется. Что, в свою очередь, обуславливает широкий спектр практического применения.
Использование нихрома, в частности, востребовано для:
- производства элементов высокотемпературного нагрева электрических печей, в которых осуществляется обжиг и сушка;
- изготовления электрических приборов теплового воздействия (медицинские электроскальпели, запальные свечи, комплекты для выжигания и т.д.);
- выпуска деталей технических устройств, предназначенных для эксплуатации в агрессивных средах при высоких температурах, в которых нихром востребован как очень прочный жаростойкий и коррозиестойкий сплав (например, резисторные элементы, реостаты, термостаты и т.д.);
- формирования подслоя и термостойкого защитного покрытия, наносимого способами термического напыления или наплавки;
- производства термоэлементов испарительной аппаратуры.
Благодаря высокой пластичности нихром хорошо поддается таким видам обработки, как сварка, точение, волочение, прокатка, штамповка и др.
Нимоник (разновидность продуктов нихромовой группы)
Дисперсионно-твердеющие высокожаропрочные сплавы с никель-хромовой основой. Наиболее востребованной из них является марка Нимоник 80 – в состав которого включено ~80 % Ni и ~20 % Cr. Для повышения прочностных характеристик в сплав данного типа могут быть введены такие легирующие элементы, как Ti (2.0…2,5 %) и Al (1,2…1,5 %). Нимоник-80 в деформированном виде применяют для производства особенно прочных и устойчивых к износу лопаток газовых и паровых турбин, работающих в температурном режиме 780—880 °C. Аналоги сплава Нимоник-80 – жаропрочные хромоникелевые сплавы марок ЭИ437, ЭИ437А (ХН77ТЮ), а также и ЭИ437Б (ХН77ТЮР).
Нимоник
Инконель
К группе нихромов причисляют также семейство аустенитных хромоникелевых жаропрочных сплавов типа Инконель (Inconel) марок 600, 625, 690, 718, 750, МА758, способных не только сохранять высокую прочность в режиме повышенных температур, но также сопротивляться ползучести и проявлять коррозионную стойкость. Химический состав наиболее востребованных марок данного сплава отображен в таблице 2.
Из инконелей изготавливают детали машин и механизмов, эксплуатируемых в экстремальных условиях (газотурбинных двигателей, компрессоров, парогенераторов, аппаратуры для химической промышленности и т.д.).
Хроме́ль
Хромоникелевый сплав со следующим химсоставом:
- Cr — 8,7…10 %;
- Ni — 89…91 %;
- Si, Cu, Мn, Co — примеси.
Сплав применяют, главным образом, для изготовления элементов термопар. Наиболее популярны термопары типа «хромель-алюмель» (ХА, согласно международной классификационной системе – тип К). Широко применяются также изделия типа «хромель-копель» (ХК, международное — тип L). Технические условия изготовления термопарной проволоки названных разновидностей регламентируются ГОСТ 1790—2016.
Алюмосодержащие хромистые сплавы
Хромаль (от хром-алюминий)
Общее наименование, которое имеет группа жаростойких сплавов на базе Fe, содержащих также Cr (17…30 %) и Al (4,5—6,0 %). Сплавы типа хромаль отличает уникальное сочетание повышенной жаростойкости (до 1450 °С) и высокого омического удельного сопротивления (1,3—1,5 мком⋅м). Температура плавления – 1500…1510 °С. Показатель удельной плотности 7,15…7,30 г/см3.
Хромали и нихромы, являются применяемыми в сходных технических отраслях конструкционными материалами, выпускаемыми, главным образом, как проволока и лента.
Хромали, в сравнении с нихромами, являются более жаростойкими, особенно в воздушной, водородной, а также содержащей S и C окислительной среде. Однако они более сложны в изготовлении и нуждаются в особом режиме эксплуатации, поскольку имеют относительно небольшую прочность при температурах > 1000 °С. Кроме того, хромали подвержены охрупчиванию под воздействием паров и окислов ряда распространённых химических элементов.
Отечественная промышленность производит хромали марок 0Х23Ю5А, 0Х27Ю5А и др. Наиболее популярные зарубежные хромалевые сплавы – кантал и мегапир.
Фехраль (от феррум-хром-алюминий)
Прецизионный сплав на базе Fe, включающий в свой состав набор следующих элементов:
- Cr – 12…27 %;
- Al – 3,5…5,5 %;
- Si – 1 %;
- Mn – 0,7 %;
- прочее — Fe.
Фехраль устойчив к окислению в воздушной среде при высоких температурах. Характеризуясь высокой степенью твердости и хрупкости, плохо поддается обработке механическими способами. Имеет высокую степень удельного электросопротивления (1,2—1,3 Ом·мм²/м). Показатель удельной плотности – 7100…7300 кг/м³. Температура плавления ~ 1460 °C.
Как видим, сплавы хромаль и фехраль, при общей схожести химического состава, различаются по процентному содержанию Cr (соотв. 17…30 и 12…27 %) и Al (соотв. 4,5…6,0 и 3,5…5,5 % %). Это обуславливает различия в показателях удельного сопротивления (соотв. 1,3…1,5 и 1,2…1,3 Ом·мм²/м) и температуры плавления (соотв. 1500…1510 и 1450….1460 °C). Данные факторы, в свою очередь, влияют на спектр практического применения. Так, изделия из хромалей, в сравнении с фехралевыми аналогами, являются более устойчивыми к окислению в сернистой и углеродистой атмосфере и менее хрупкими.
Молибденосодержащие хромистые сплавы
Рене 41 (René 41)
Сплав на никелевой основе, жаропрочный.
Химический состав:
- Cr – 18…22 %;
- Mo – 9…11 %;
- Co – 10-14%;
- Al – 1.35…1.85 %;
- Ti – 3.1…3.4%;
- Fe – 0-5.5%;
- Прочее – Ni с незначительными добавками B, С, Mn, Si, S, Cu.
Высокая степень прочности сохраняется в температурном интервале 650…1000 °C. Используется для изготовления компонентов реактивных двигателей и космических аппаратов, а также в иных промышленных сферах, где востребованы высокие прочностные характеристики, проявляемые в режиме экстремальных температур.
Комохром (от кобальт–молибден–хром)
Сплав Ni (62%), Cr (25%) и Mo (10%) с добавкой Со. Устойчив к воздействию длительных нагрузок в температурном режиме > 750 °С.
Благодаря сочетанию высоких эксплуатационных характеристик и нейтральности по отношению к тканям человеческого организма сплав комохром широко применяются в медицине, в частности, в стоматологии и ортодонтии, сфере протезирования суставов и мягких тканей, для изготовления хирургических инструментов.
