کروم فلز سخت و درخشان بی بو بدون مزه و با قابلیت پولیش بالا است.این فلز هنگام ترکیب شدن با اکسیژن بر روی سطح فولاد تشکیل فیل اکسید کرده که این امر باعث جلوگیری از اکیسداسیون سطوح زیرین میشود.

در سال ۱۷۶۱ شخصی به نام یوهان گوتلب لمان johann gottlob lehmann ماده ی ناریجی رنگی را در کوهستان اورال پیدا کرد که وی آن را سرب قرمز – سیبریه ای sibrain red lead نامید.

این ماده با توجه به ابنکه با ماده ای با ترکیب سرب با سلنیوم اشتباه گرفته شد ولی در اصل این ماده ترکیب کرومات سرب بود که اکنون با نام کروکویت معدنی crocoite شناخته می شود.

در سال ۱۷۷۰ شخصی به نا م پیتر سیمون پالاس piter simon pallas استفاده از همان ماده ی سرب مانند و قرمز رنگی که خواص عالی در ساخن رندانه های رنگ از خود نشان میداد را به عنوان رنگدانه گسترش داد.

رنگ زرد روشن که از کروکویت ساخته میشد به صورت زنگ مدل نیز شناخته شد.

در سال ۱۷۹۷ شخصی به نا ملیوس نیکلاس ون کولین louis nicolas vauquelin نمونه های یافته شده از سنگ کروکوت را با هیدروکلریک مخلوط کرده و توانست اکسید کروم با فرمول CrO3 را تولید کند.

در سال ۱۸۰۰ این محصول یکی از عناصر اصلی رنگ ها بود و نمک های چرم سازی استفاده می شد ولی تولید آلیاژها کاربرد اصلی آن بود.

خصوصیات:

 

این فلز به مقدار کمی در متابولیسم شکر در انسان نیاز است و نبود آن ممکن است سبب بیماری شود.

دلایل اضافه کردن این فلز به ترکیب های فولادی عبارت اند از:

-افرایش سختی پذیری فولاد

-استحکام و سختی فولاد در دماهای بالا و شرایط کاری

-مقاومت در برابر خوردگی در محیط های اکسید کننده

وزن اتمی ۵۲ و نقطه ی ذوب ۱۸۷۵ درجه سانی گراد این فلز باعث میشود که در هر دو حالت مایع و جامد به هر نسبتی در آهن حل می شود.

خصوصیات رفتاری کروم به عنوان عنصر آلیاژی:

-تمایل زیاد برای ترکیب با کربن

-فریت زای بسیار قوی ای هست

-ترکیب این فلز با اکسیژن باعث تشکیل ترکیب دیرگداز غیر فلزی اکسید کروم می شود که نقش فیلم سطحی محافظ در سطح فولاد را بازی میکند.

در حدود ۱۳% این فلز 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 این فلز باعث می شود دماغه های نمودار TTT به سمت راست تغییر مکان دهند و سختی پذیری افزایش یابد. با این وجود با افزایش درصد این فلز جوشکاری آنها مشکل خواهد شد. به ازای افزایش یک درصدی کروم در ترکیب فولاد استحکام کششی فولاد از ۸۰ تا ۱۰۰Mpa افزایش می یابد.

این فلز مقاومت خوردگی و استحکام فریت را به طور قابل توجهی افزایش میدهد اما تاثیر متوسطی بر سخت گردانی فاز آستنیت دارد. لازم به ذکر است در فولادهای پرکربن، مقاومت به سایش را افزایش می دهد.

افزودن کروم به آهن 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.

به عنوان مثال، فولاد زنگ نزن ۱۸/۸ که عناصر کاربید زایی مثل ۳% مولیبدن و ۱% تیتانیوم دارد، با عملیات حرارتی در دمای ۸۵۰درجه سانتیگراد 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.

(انواع فلز و کاربرد آنها)

وجود این فلز 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 (FeCr3C) در درصدهای کروم تا ۱۵%

کاربید کروم تریگونال (FeCr7C3) در درصدهای آهن ۵۵%

کاربید کروم کوبیک(FeCr4C) که در آن کروم تا ۲۴% جایگزین آهن می شود

وکاربید کروم اورتورومبیک (FeCr2C3) که درصد کمی از آهن را داراست

ولی فقط در فولادهایی یافت می شود که تقریباََ ۹% کربن دارند کروم اضافی برای تشکبل کاربید وارد محلول میشود.

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 سردکردن عادی پرلیتی در ساختار تشکیل نمی شود. ولی با نرخ سرد کردن عادی ریزساختار بینیت ریز تشکیل خواهد شد.

افزودن کروم به فولاد درصد کربن پرلیت یوتکتوئید را کاسته و دمای استحاله آستنیت را می افزاید. در فولاد ۱۲ % کروم و ۰.۳۵% کربن، استحاله یوتکتوئید در ۰.۳۵%کربن و دمای یوتکتوئید ۸۰۰ درجه سانتیگراد رخ می دهد.

فولادی با ۰.۲۵ تا ۰.۴۵% کربن و ۱.۵% 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 استحکام کششی را تضمین می کند.

قطعات فورج تحت کشش بالا و بزرگ از فولادهای کروم دار ۳ تا ۳.۵% کروم همراه با ۰.۵% مولیبدن تولید می شوند که استحکام بالای آنها ناشی از ریزساختار بینیتی است که در حین سرد کردن آرام تشکیل شده است.

افزایش درصد این فلز تا ۵-۶%همراه با درصد کمی از مولیبدن یا نیوبیوم مقاومت خوردگی نسبتاً 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 فولادهای کم کربن که در این حوزه کاری استفاده می شوند دارای درصد کم کروم ۰.۵-۲.۵% همراه با درصد کمی از مولیبدن هستند. البته مقاومت خوبی در برابر خزش در دماهای متوسط دارند و در صورتیکه 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 پرکاربرد 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%C1.۵%, 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.

مقادیر مشخصی از کروم 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 درجه سانتیگراد 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.

فولادهای تندبر که حاوی تنگستن و مولیبدن با ۱% V یا انواع پرکربن و پروانادیم هسـتند دارای درصدی از کروم (۳.۵-۵.۵%) بوده تا کاربیدها در ریزساختار پایدار باشند.

کروم بیشترین کاربرد را در تولید فولادهای زنگ نزن دارد. فولادهای زنگ نزن به سه دسته تقسیم بندی می شوند:

مارتنزیتی، آستنیتی و فریتی

اولین گروهی که از این فولادها تولید شده اند، فولادهای مارتنزیتی با ۱۳% کروم و ۰.۳%کربن بودند. کروم عامل اصلی در افزایش مقاومت خوردگی این فولاد ها بوده و کربن یوتکتوئید را می کاهد. در شرایط آبکاری و برگشت، فولادهای با ۱۳% Cr دارای سختی ۵۳۰HB 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 درجه سانتیگراد خوب بوده بعد از آنیل در دمـای ۷۵۰ درجه سانتیگراد 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 ۱۵۰HB 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 سرد آنها کم است.

با افزایش درصد کروم، مقاومت خوردگی فولادهای مارتنزیتی بیشتر می شود اما در درصدهای ۱۷% Cr و ۰.۰۷% C، بدلیل اینکه کروم فریت زاست، سختی پذیری کمتری خواهند داشت. این نوع فولادها در گروه فولادهای فریتی قرار می گیرند. علیرغم اینکه جوشکاری و خواص پرسکاری سرد آنها خوب است، اما جوشکاری آنها را ترد می کند. افزودن ۲.۵% نیکل به همراه افزایش کربن تا ۰.۱۵%، باعث افزایش سختی پذیری فولاد بدلیل پایداری بیشتر آستنیت می شود. این نوع فولادها کاربرد وسیعی بعنوان شیرآلات در صنایع شیمیایی دارند.

فولاد با درصد کربن ۰.۱% و یا کمتر و کروم بالای ۲۰% فریتی بوده و لذا قابلیت سختی پذیری ندارند. درصد کروم بالا باعث مقاوم شدن فولاد در برابر اسیدهای اکسید کننده و اسید نیتریک می شود و خاصیت 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% Cr مناسب هستند. فولاد با ۲۷% Cr را می توان در ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد 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 و پوسته برداری در دماهای بالا می شود. فولاد کم کربن با ۱۸% Cr-۸% 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 درجه سانتیگراد عملیات حرارتی شوند. مقاومت خوردگی در اسیدهای غیراکسیدی مثل اسید سولفوریک، اسید هیدروکلریک زیاد بوده و با افزودن ۳% Mo بالاخص همراه درصدی از مس مشابه، مقاومت خوردگی را نیز افزایش می دهد.

وجود فیلم اکسیدی بسیار نازک در سطح فولاد علت اصلی محافظ بودن فولادهای زنگ نزن است که این فیلم در اولین تماس فولاد با محیط تشکیل می شود. این فیلم به قدری 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 درجه سانتیگراد مقاومت به شیمیایی در مرز دانه شدیداً 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 دارد ولی 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 درجه سانتیگراد مقاومت خزشی خوبی دارد. برای کاربردهای کمی بالاتر از این دما، افزودن عناصری چون کبالت، تنگستن و مولیبدن لازم است. ولی اگر محدوده دمایی ۷۵۰-۸۰۰ درجه سانتیگراد باشد، مواد پایه کبالتی و یا نیکلی گزینه بهتری خواهند بود.

درصدهای بالای کروم و نیکل 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 ۲% Cr ۱۹% ،Ni ۸% ،W ۳% ،Si می باشد. اگر هدف این باشد که مقاومت حرارتی استثنایی داشته باشیم، آلیاژهای پایه نیکلی مثل Nichrome با ترکیب ۶۵% Ni ۱۵% ،Cr ۲۰% ،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 درجه سانتیگراد آستنیت به مارتنزیت دگرگون می یابد. پیرسازی بعدی در دمای ۴۵۰-۶۰۰ درجه سانتیگراد افزایش زیاد در خواص مکانیکی همراه با مقاومت خوردگی خوب را در پی دارد. مثالی از این نوع فولادها ۲% Cr %۱۶ ،Ni %۵ ،Cu %۲ ،Mo می باشد. مس و مولیبدن در بهبود مقاومت خوردگی سهیم هستند. مس مکانسیم رسوب سختی را بهبود می بخشد.

کروم کاربیدساز 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 افزایش کمی و کیفی خواص مکانیکی بکار می رود. این درصد کروم با حذف فریت آزاد در ریزساختار باعث پایداری پرلیت می شود. در نتیجه استحکام و سختی مقدار قابل توجهی افزایش می یابد. چدنهای با کروم بالا پایداری عالی در دماهای بالا دارند و برای کاربردهای دمای بالا معمولا دو گروه از چدنها 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.

این فلز 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 تقریباً ۱.۵% Cr 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 قابل قبول نمی باشد.َ