Нержавеющие стали — свойства, характеристики, состав, виды

Нержавеющие (коррозионностойкие) стали – сплавы на основе железа и углерода, содержащие, помимо основных компонентов и стандартных примесей, легирующие элементы. Основной добавкой является хром (Cr), которого в коррозионностойком сплаве должно быть не менее 10,5%. В таком количестве Cr оказывает существенное влияние на диаграмму состояния «железо-углерод». Хром и никель, также в большинстве случаев присутствующие в нержавеющих сталях, повышают не только устойчивость металла к коррозии, но и другие технические характеристики.

В чем состоит уникальность нержавеющих сталей

Нержавеющая сталь была запатентована в Англии в 1913 году. Автором данного изобретения, которое, без преувеличения, стало важнейшим этапом развития не только сталелитейной, но и других отраслей промышленности, является металлург Гарри Бреарли.

Наделить обычные стальные сплавы уникальными характеристиками и получить из них коррозионностойкие стали позволило добавление в их химический состав такого элемента, как хром.

Именно хром, которого в составе нержавеющих стальных сплавов должно быть не менее 10,5%, обеспечивает данным материалам такие характеристики, как:

• исключительно высокая устойчивость к коррозии;
• очень высокая прочность;
• хорошая свариваемость;
• простота обработки методами холодной деформации;
• длительный эксплуатационный срок без потери первоначальных характеристик;
• эстетически привлекательный внешний вид изделий, изготовленных из сплавов данной категории.

Влияние легирующих элементов на свойства сталей

Нержавеющие стали в обязательном порядке содержат в своем химическом составе хром и железо. Эти элементы дополняют друг друга, что и обеспечивает данным материалам такие уникальные характеристики. В частности, хром, соединяясь с кислородом, создает на поверхности нержавеющего сплава оксидную пленку, которая и становится надежным препятствием для коррозионных процессов.

Для того чтобы наделить нержавеющую сталь дополнительными характеристиками и значительно улучшить уже имеющиеся свойства, в ее химический состав вводят легирующие добавки – никель, титан, молибден, ниобий, кобальт и др. Такое легирование позволяет создавать различные виды стальных сплавов нержавеющей категории, отличающиеся друг от друга своими характеристиками и, соответственно, назначением.

Мы уже так привыкли к коррозиооностойкой стали, что даже не замечаем, насколько наша жизнь стала комфортнее из-за присутствия в ней нержавейки

Нержавеющая сталь содержит в своем химическом составе углерод, который придает ей высокую твердость и прочность. Следует отметить, что данный химический элемент является обязательным компонентом любого стального сплава и оказывает серьезное влияние на его свойства.

Уникальные характеристики, которыми отличается нержавеющая сталь, позволяют успешно использовать данный металл в самых различных сферах, связанных с эксплуатацией изделий и оборудования в условиях повышенной влажности и постоянного воздействия на них агрессивных сред. Активно используются нержавеющие стали для производства изделий как промышленного, так и бытового назначения. В частности, именно из этого металла чаще всего делают столовые приборы и ножи, изготавливают элементы коммуникаций и ограждающих конструкций, детали оборудования и др.

Химический состав

При выборе химического состава коррозионностойкого сплава руководствуются так называемым правилом : если к металлу, неустойчивому к коррозии (например, к железу) добавлять металл, образующий с ним твёрдый раствор и устойчивый против коррозии (к примеру хром), то защитное действие проявляется скачкообразно при введении моль второго металла (коррозионная стойкость возрастает не пропорционально количеству легирующего компонента, а скачкообразно). Основной легирующий элемент нержавеющей стали — хром Cr (12—20 %); помимо хрома, нержавеющая сталь содержит элементы, сопутствующие железу в его сплавах (С, Si, Mn, S, Р), а также элементы, вводимые в сталь для придания ей необходимых физико-механических свойств и коррозионной стойкости (Ni, Mn, Ti, Nb, Co, Mo).

Сопротивление нержавеющей стали к коррозии напрямую зависит от содержания хрома: при его содержании 13 % и выше сплавы являются нержавеющими в обычных условиях и в слабоагрессивных средах, более 17 % — коррозионностойкими и в более агрессивных окислительных и других средах, в частности, в азотной кислоте крепостью до 50 %.

Причина коррозионной стойкости нержавеющей стали объясняется, главным образом, тем, что на поверхности хромсодержащей детали, контактирующей с агрессивной средой, образуется тонкая плёнка нерастворимых окислов, при этом большое значение имеет состояние поверхности материала, отсутствие внутренних напряжений и кристаллических дефектов.

В сильных кислотах (серной, соляной, фосфорной и их смесях) применяют сложнолегированные сплавы с высоким содержанием Ni и присадками Mo, Cu и Si.

Повышенная атмосферная коррозионностойкость стали достигается, как правило, целенаправленным изменением её химического состава. Считается, что наиболее эффективно повышают сопротивление строительных сталей атмосферной коррозии небольшие добавки никеля, хрома и, особенно, фосфора и меди. Так, легирование медью в пределах 0,2—0,4 % повышает на 20—30 % стойкость против коррозии открытых конструкций в промышленной атмосфере.

Классификация

По химическому составу нержавеющие стали делятся на:

Различают аустенитные нержавеющие стали, склонные к межкристаллитной коррозии, и стабилизированные — с добавками Ti и Nb. Значительное уменьшение склонности нержавеющей стали к межкристаллитной коррозии достигается снижением содержания углерода (до 0,03 %).

Нержавеющие стали, склонные к межкристаллитной коррозии, после сварки, как правило, подвергаются термической обработке.

Широкое распространение получили сплавы железа и никеля, в которых за счёт никеля аустенитная структура железа стабилизируется, а сплав превращается в слабо-магнитный материал.

Мартенситные и мартенсито-ферритные стали

Мартенситные и мартенситно-ферритные стали обладают хорошей коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в слабоагрессивных средах (в слабых растворах солей, кислот) и имеют высокие механические свойства. В основном их используют для изделий, работающих на износ, в качестве режущего инструмента, в частности, ножей, для упругих элементов и конструкций в пищевой и химической промышленности, находящихся в контакте со слабоагрессивными средами. К этому виду относятся стали типа 30Х13, 40Х13 и т. д.

Ферритные стали

Эти стали применяют для изготовления изделий, работающих в окислительных средах (например, в растворах азотной кислоты), для бытовых приборов, в пищевой, легкой промышленности и для теплообменного оборудования в энергомашиностроении.

Ферритные хромистые стали имеют высокую коррозионную стойкость в азотной кислоте, водных растворах аммиака, в аммиачной селитре, смеси азотной, фосфорной и фтористоводородной кислот, а также в других агрессивных средах. К этому виду относятся стали 400-й серии.

Аустенитные стали

Основным преимуществом сталей аустенитного класса являются их высокие служебные характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и хорошая технологичность. Поэтому аустенитные коррозионностойкие стали нашли широкое применение в качестве конструкционного материала в различных отраслях машиностроения. Теоретически изделия из аустенитных нержавеющих сталей при нормальных условиях — немагнитные, но после холодного деформирования (любой мехобработки) могут проявлять некоторые магнитные свойства (часть аустенита превращается в феррит).

Аустенито-ферритные и аустенито-мартенситные стали

Аустенито-ферритные стали

Преимущество сталей этой группы — повышенный предел текучести по сравнению с аустенитными однофазными сталями, отсутствие склонности к росту зёрен при сохранении двухфазной структуры, меньшее содержание остродефицитного никеля и хорошая свариваемость.

Аустенито-ферритные стали находят широкое применение в различных отраслях современной техники, особенно в химическом машиностроении, судостроении, авиации. К этому виду относятся, стали типа 08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т, 08Х18Г8Н2Т.

Аустенито-мартенситные стали

Потребности современной техники в коррозионностойких сталях повышенной прочности и технологичности привели к разработке сталей мартенситного (переходного) класса. Это стали типа 07Х16Н6, 09Х15Н9Ю, 08Х17Н5М3.

Сплавы на железоникелевой и никелевой основе

При изготовлении химической аппаратуры, особенно для работы в серной и соляной кислотах, необходимо применять сплавы с более высокой коррозионной стойкостью, чем аустенитные стали. Для этих целей используют сплавы на железноникелевой основе типа 04ХН40МТДТЮ и сплавы на никельмолибденовой основе Н70МФ, на хромоникелевой основе ХН58В и хромоникельмолибденовой основе ХН65МВ, ХН60МБ.

Правила маркировки коррозионностойких сталей

Обозначение состоит из цифр и букв. Двузначное число в начале маркировки – количество углерода в сотых долях процента. Далее следуют буквы, характеризующие определенные легирующие элементы. После них ставятся цифры, равные процентному содержанию легирующих элементов, округленному до целого числа. Если процент добавки находится в пределах 1-1,5, то после буквы цифра не ставится. Для условного обозначения легирующих компонентов в российской нормативной документации используется русский алфавит:

• Х – хром;
• Н – никель;
• Т – титан;
• В – вольфрам;
• Г – марганец;
• Д – медь;
• М – молибден.

Марки жаростойких и жаропрочных нержавеющих сталей

Жаростойкость, иначе называемая «окалиностойкость», – свойство металла противостоять газовой коррозии при высоких температурах в ненагруженном или малонагруженном состоянии.

Определение! Для повышения этой характеристики в состав сталей нержавеющих марок вводят хром, кремний и алюминий. Эти элементы, соединяясь с кислородом, образуют плотные структуры, повышающие устойчивость стали к температуре выше +550°C. Никель сам по себе на жаростойкость не влияет, но в сочетании с Cr, Al и Si повышает их эффективность.

Жаропрочные – это стали, которые функционируют при высоких температурах и нагрузках без склонности к кратковременной и длительной ползучести.

Таблица областей применения окалиностойких и жаропрочных сталей

Нержавеющие стали для пищевой индустрии

Коррозионностойкие стали незаменимы для отраслей промышленности, производящих оборудование, инструменты и посуду, предназначенные для контакта с пищевой продукцией. Их преимущества:

• Сопротивление различным видам коррозии – химической и электрохимической. В каждом конкретном случае необходимо подбирать марки, устойчивые к средам, с которыми они будут соприкасаться во время эксплуатации. Это – нормальные атмосферные условия, вода, соленая вода, кислые, щелочные, хлористые растворы.
• Хорошая обрабатываемость. Современные инструменты позволяют сваривать, резать, формовать и обрабатывать на токарных, фрезерных и сверлильных станках коррозионностойкие сплавы так же, как и «черные» стали.
• Соответствие санитарно-гигиеническим стандартам. Благодаря различным способам обработки – шлифованию, полировке до зеркального блеска – получают поверхность практически без пор и трещин, в которые могут проникать грязь и патогенные микроорганизмы.
• Хорошие механические характеристики. Благодаря ним, можно изготавливать изделия и конструкции меньшей толщины и массы без ухудшения технических свойств. Аустенитные стали более устойчивы к низким температурам, по сравнению с металлами общего назначения.
• Эстетика. Электрополировка, сатинирование и другие способы поверхностной обработки обеспечивают стильный вид продукции из «нержавейки».

Таблица свойств и областей применения нержавеющих сталей пищевых марок

Таблица сталей нержавеющих марок, применяемых в пищевой индустрии

Нержавеющая сталь: свойства и применение

Нержавеющая сталь — практичный и долговечный материал. Появилась эта сталь около ста лет назад. Однако массово применять в строительстве и архитектуре ее начали совсем недавно.

Преимущества нержавеющей стали:

• долговечность;
• простота обслуживания (требует лишь периодической очистки мягкой губкой с использованием моющих средств);
• привлекательный внешний вид. Она идеальна для широкого применения в архитектуре и дизайне;
• простота изготовления: может быть сформована, порезана, сварена и обработана так же, как и традиционная сталь;
• сопротивление коррозии, в том числе, во многих кислотах, щелочах и хлористых растворах;
• прочность. Аустенитные и дуплексные сорта не теряют своих механических свойств и при низких температурах;
• гигиеничность. Уникальная поверхность сплава не имеет пор или трещин, а значит обеспечивает чистоту и препятствует росту бактерий. Благодаря этому нержавейка признана наиболее гигиеничным материалом для подготовки пищевых продуктов. Ее применяют в условиях со строгими санитарными нормами: в больницах, на общественных кухнях, скотобойнях, перерабатывающих предприятиях АПК. В последнее время постоянно растет использование нержавейки при изготовлении сосудов (емкостей, сборных резервуаров) для пищевой промышленности.

Виды стали 400-й серии

Эта серия имеет более узкий диапазон, чем 300-я. К ней относится нержавейка с высоким содержанием хрома, – других легирующих элементов в ней почти не содержится, что положительно сказывается на ее стоимости. Низкое содержание углерода делает эти нержавейки пластичными и хорошо свариваемыми.

AISI 430 (12Х17)

Это нержавейка с высоким процентом хрома и низким – углерода. Такое соотношение способствует высокой прочности и одновременно пластичности. AISI 430 хорошо гнется, сваривается, штампуется. Сохраняет свои свойства в коррозионно опасных и серосодержащих средах, устойчива к резким перепадам температуры. Используется в нефтегазовой промышленности, а также в качестве декоративного материала для отделки зданий и помещений.

Сварка нержавеющих сталей

Аустенитные нержавеющие стали вроде 12Х18Н9, 12Х18Н10 (примерно из таких прокатывают листовую нержавейку) не переносят прокаливания. Прокаливание вызывает в них структурные изменения, из-за которых после прокаливания в стали начнётся межзерновая (межкристаллитная) коррозия. Межзерновая коррозия опасна ещё и тем, что не вызывает потерю товарного вида изделия, так что изделие/деталь из нержавейки, будучи по-прежнему красивым и блестящим, под нагрузкой может внезапно развалиться, расколоться, разрушиться.

Для защиты от межкристаллитной коррозии в такие нержавейки добавляют титан (Т) или ниобий (Б) в количестве 5C — 0,6 %. Легированные таким образом стали обозначаются: 12Х18Н9Т, 12Х18Н9Б, 12Х18Н10Т, 12Х18Н10Б. Соответственно, аустенитные нержавейки для сварки годятся (если без последующей термообработки) те, которые с буквой «Т» или «Б» в конце.

Электросварку нержавейки можно осуществлять контактной сваркой, сваркой неплавящимся электродом (вольфрамовым электродом, с аргоном в качестве защитного газа), полуавтоматической сваркой в среде защитных газов (смесь аргона с углекислым газом), сваркой штучными (покрытыми) электродами.

Штучные (покрытые) сварочные электроды выпускаются не только из обычной («чёрной») стали (для сварки обычной стали), но и из нержавейки (например, «УОНИИ-13/НЖ») — для сварки деталей из нержавейки. Электрическое сопротивление нержавейки больше, чем электрическое сопротивление обычной («чёрной») стали, поэтому сварочные электроды из нержавейки делают короче, чем электроды из обычной («чёрной») стали, так как слишком длинный нержавейковый электрод может расплавиться (сразу по всей длине) и обрушиться до того, как будет израсходован полностью.

Для приваривания детали из нержавейки к детали из обычной («чёрной») стали нужны т. н. переходные электроды. В этом случае к сварке предъявляется требование, что сварочный шов должен быть из нержавейки, поэтому нержавейка, из которой сделаны переходные электроды, имеет в своём составе повышенное (примерно в полтора раза) содержание легирующих элементов (например, «Х25Н18…»; «Х23Н15…»). Переходные электроды имеют зелёное покрытие.

Сварочные электроды с голубым покрытием — для сварки пищевой нержавейки (баки, цистерны, трубопроводы, лопасти мешалок и т. п. для пищевой промышленности).

Виды стали 200-й серии

Пока можно говорить только об одной марке стали в этой серии, но она успешно догоняет своих конкуренток в сериях 300 и 400.

AISI 201 (12Х15Г9НД)

Сталь нержавеющая марки AISI 201 значительно дешевле аналогичной по свойствам нержавейки других серий. В ней дорогой никель частично заменен марганцем и азотом. Выгодно сбалансированный химический состав делает характеристики нержавейки AISI 201 не уступающими AISI 304 и AISI 321. Она нашла свое применение в медицинской и пищевой промышленности. Используется также при изготовлении круглых и профильных труб, которые требуются для создания перил, поручней и ограждений.

Литература

• Нержавеющая сталь // Большая советская энциклопедия. — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1974. — Т. 17. Моршин—Никиш. — С. 510. — 616 с.
• Таблица соответствия основных марок всех типов нержавеющих сталей по ГОСТ, EN, UNS, SIS, BS, AISI, химсостав, механические свойства
• Скороходов В. Н., Одесский П. Д., Рудченко А. В. «Строительная сталь»

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...

Читайте также:

Цианирование стали — виды, технологии, п... Карбид вольфрама — свойства и обработка... Нормализация стали — процесс, температур... Полимерные материалы:применение, свойств...