Низкоуглеродистый феррохром — это группа марок с содержанием углерода не более 0,25% (ФХ025) и ниже, например, ФХ010 (до 0,10%) и ФХ005 (до 0,05%). Хрома в сплаве — не менее 65%, остальное — железо и допустимые примеси по ГОСТ 4757 91. Низкоуглеродистый феррохром используют в процессах, где углерод из ферросплава способен испортить конечную сталь.
Высокоуглеродистый феррохром дешевле в производстве, но вносит в сталь 6–8% углерода от массы сплава. Для конструкционных марок типа 40Х или ШХ15 это допустимо — там углерод нужен. Для нержавеющих и жаропрочных сталей — нет.
Нержавеющие стали аустенитного класса
Главный потребитель низкоуглеродистого феррохрома — производство аустенитных нержавеющих сталей. Это марки 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 03Х17Н14М3, 03Х18Н11, 02Х18Н11 и их зарубежные аналоги (AISI 304, 304L, 316, 316L).
Проблема углерода в аустенитных сталях — межкристаллитная коррозия (МКК). При нагреве до 500–800°C (сварка, термообработка, эксплуатация) углерод связывает хром в карбиды Cr23C6, которые выпадают по границам зерен. Прилегающие области обедняются хромом ниже 12% — защитная оксидная пленка перестает работать, и сталь корродирует именно по границам зерен. Процесс идет избирательно и быстро, конструкция разрушается без видимых внешних признаков.
Чтобы исключить МКК, содержание углерода в стали ограничивают:
- 0,08% — для обычных марок;
- 0,03% — для марок с индексом «Л» или «03»;
- 0,02% — для особо ответственных марок стали.
Каждый компонент шихты — источник углерода, и феррохром здесь критичен: при легировании хромом до 18% расход ферросплава составляет 250–280 кг на тонну стали. Если использовать высокоуглеродистый феррохром, только он один внесет 15–22 кг углерода на тонну — при допуске 0,3–0,8 кг. Цифры несовместимы. Поэтому для аустенитных нержавеющих сталей применяют исключительно низкоуглеродистый феррохром марок ФХ025, ФХ010 или ФХ005 — в зависимости от жесткости требований к конечному металлу.
В свою очередь нержавеющие стали аустенитного класса используются в химическом машиностроении, пищевом оборудовании, нефтехимии, фармацевтике, целлюлозно-бумажной промышленности, атомной энергетике.
Ферритные и мартенситно-ферритные нержавеющие стали
Ферритные марки — 08Х13, 12Х13, 08Х17Т, 15Х25Т — содержат 13–28% хрома без существенного количества никеля. Углерод в них ограничен по тем же причинам, ведь карбиды хрома снижают коррозионную стойкость и пластичность.
Ферритные стали дешевле аустенитных (нет никеля) и широко используются в производстве бытовой техники, автомобильных выхлопных систем, элементов отделки, теплообменников. Объемы потребления — значительные, и весь хром в эти марки вносится через низкоуглеродистый феррохром.
Мартенситно-ферритные стали (14Х17Н2, 20Х13) применяются в энергетическом машиностроении — лопатки турбин, клапаны, крепеж. Здесь углерод допускается в чуть больших количествах, но контроль по-прежнему жесткий, и среднеуглеродистый феррохром не всегда проходит.
Жаропрочные и жаростойкие стали
Жаростойкие стали работают при температурах 800–1100°C, используются в печном оборудовании, муфелях, конвейерах термических печей, элементах котлов. Марки — 20Х23Н18, 10Х23Н18, 15Х25Т, 20Х25Н20С2. Хром в них отвечает за формирование защитной оксидной пленки (Cr2O3), которая предотвращает окисление металла при высоких температурах.
Углерод здесь недопустим по двум причинам:
- Карбиды хрома, обедняющие матрицу;
- При длительной эксплуатации выше 600°C карбидные выделения провоцируют охрупчивание. Деталь становится хрупкой и разрушается без пластической деформации.
В ответственных случаях используется низкоуглеродистый ФХ005.
Сварочные материалы
Производство сварочной проволоки и электродов для сварки нержавеющих сталей — отдельная и крупная ниша потребления низкоуглеродистого феррохрома. Марки проволоки: Св-04Х19Н9, Св-01Х19Н9, Св-06Х19Н9Т, Св-04Х19Н11М3 и аналогичные.
Требования по углероду к сварочной проволоке жестче, чем к самой стали. Причина в том, что в зоне термического влияния (ЗТВ) сварного шва металл проходит через температурный интервал сенсибилизации (500–800°C) дважды: при нагреве и при остывании. Если углерода в шве больше нормы, МКК развивается именно по сварному соединению — в самом слабом месте конструкции. Поэтому для сварочной проволоки используют феррохром марок ФХ010 и ФХ005 — даже ФХ025 не всегда проходит.
Спецстали и сплавы с особыми свойствами
Низкоуглеродистый феррохром применяется при выплавке:
- Сталей для атомной энергетики — корпуса реакторов, внутрикорпусные устройства, трубопроводы первого контура. Стандарты ядерной отрасли (ПНАЭ) устанавливают предельно жесткие нормы по примесям, включая углерод;
- Сталей для криогенной техники — оборудование для сжижения и хранения газов при температурах до −196°C. Аустенитные нержавеющие стали сохраняют вязкость при криогенных температурах, но только при низком углероде — иначе карбидные выделения становятся концентраторами напряжений и очагами хрупкого разрушения;
- Сталей для медицинских имплантов — эндопротезы, фиксаторы, хирургические инструменты. Биосовместимость и коррозионная стойкость в средах организма обеспечиваются чистотой стали по углероду, сере, фосфору.
Низкоуглеродистый феррохром составляет 15–20% от общего мирового производства феррохрома. Остальные 80–85% — высокоуглеродистые марки. Тем не менее замены ему нет. Попытки снизить углерод другими способами — продувкой аргоном, обработкой синтетическими шлаками — дают ограниченный эффект и не позволяют достичь содержания углерода ниже 0,03–0,05% в готовой стали без использования чистых по углероду шихтовых материалов.
