Нержавеющая сталь — это сплав железа, устойчивый к ржавлению и коррозии. Она содержит не менее 11% хрома и может содержать такие элементы, как углерод, другие неметаллы и металлы для получения других желаемых свойств. Устойчивость нержавеющей стали к коррозии обусловлена наличием хрома, который образует пассивную пленку, способную защищать материал и самовосстанавливаться в присутствии кислорода.

Такие свойства сплава, как блеск и устойчивость к коррозии, полезны во многих областях применения. Нержавеющую сталь можно прокатывать в листы, плиты, прутки, проволоку и трубы. Они могут использоваться в посуде, столовых приборах, хирургических инструментах, крупной бытовой технике, транспортных средствах, строительных материалах в больших зданиях, промышленном оборудовании (например, на бумажных производствах, химических заводах, водоочистке), а также в резервуарах и цистернах для хранения химических веществ и пищевых продуктов.

По биологической чистоте нержавеющая сталь превосходит алюминий и медь и сравнима со стеклом. Ее чистота, прочность и коррозионная стойкость побудили использовать нержавеющую сталь на фармацевтических и пищевых предприятиях.

Возможности обработки нержавеющей стали довольно широки от лазерной резки, гравировки, эстетической обработки до механической обработки — фрезеровки, токарной обработки.

Свойства нержавеющий стали

Электропроводность

Как и сталь, нержавеющие стали являются относительно плохими проводниками электричества, их электропроводность значительно ниже, чем у меди. В частности, электрическое контактное сопротивление нержавеющей стали возникает из-за плотного защитного оксидного слоя и ограничивает ее функциональность в качестве электрических соединителей. Медные сплавы и соединители с никелевым покрытием имеют более низкие значения проводимости и являются предпочтительными материалами для таких применений. Тем не менее, детали и изделия из нержавеющей стали используются в ситуациях, когда проводимость является более низким критерием проектирования и требуется коррозионная стойкость, например, при высоких температурах и в окислительных средах.

Температура плавления

Как и для всех других сплавов, температура плавления нержавеющей стали выражается в виде диапазона температур, а не одной температуры. Этот диапазон температур составляет от 1 400 до 1 530 °C в зависимости от конкретной консистенции сплава.

Магнетизм

Мартенситная, дуплексная и ферритная нержавеющая сталь магнитна, в то время как аустенитная нержавеющая сталь обычно немагнитна. Ферритная сталь обязана своим магнетизмом кубоцентрированной кубической кристаллической структуре, в которой атомы железа расположены в виде кубов (с одним атомом железа в каждом углу) и дополнительным атомом железа в центре. Этот центральный атом железа отвечает за магнитные свойства ферритной стали. Такое расположение также ограничивает количество углерода, которое сталь может поглотить, примерно до 0,025%. Стали с низким коэрцитивным полем были разработаны для электроклапанов, используемых в бытовой технике, и для систем впрыска в двигателях внутреннего сгорания. Некоторые области применения требуют немагнитных материалов, например, магнитно-резонансная томография. Аустенитные нержавеющие стали, которые обычно немагнитны, можно сделать слегка магнитными путем закалки. Иногда, если аустенитную сталь согнуть или разрезать, вдоль края нержавеющей стали возникает магнетизм, потому что кристаллическая структура перестраивается.

Коррозия

Добавление азота также повышает устойчивость к точечной коррозии и увеличивает механическую прочность. Таким образом, существует множество марок нержавеющей стали с различным содержанием хрома и молибдена в зависимости от условий, которые должен выдерживать сплав. Коррозионная стойкость может быть повышена следующими способами:

увеличение содержания хрома до более чем 11%
добавление никеля до уровня не менее 8%
добавление молибдена (который также улучшает устойчивость к точечной коррозии).

Износ

Галтовка, иногда называемая холодной сваркой, является формой сильного адгезионного износа, который может возникнуть, когда две металлические поверхности находятся в относительном движении друг к другу и под сильным давлением. Крепежные детали из аустенитной нержавеющей стали особенно подвержены галтовке резьбы, хотя другие сплавы, самогенерирующие защитную оксидную поверхностную пленку, такие как алюминий и титан, также подвержены этому явлению. При скольжении с большой контактной силой этот оксид может деформироваться, разрушаться и удаляться с частей детали, обнажая голый реактивный металл. Если две поверхности выполнены из одного и того же материала, эти открытые поверхности могут легко сплавиться. Разделение двух поверхностей может привести к разрыву поверхности и даже полному захвату металлических компонентов или крепежных деталей.

Смягчить галтовку можно путем использования разнородных материалов (бронза против нержавеющей стали) или использования различных нержавеющих сталей (мартенситная против аустенитной). Кроме того, резьбовые соединения можно смазывать, чтобы создать пленку между двумя частями и предотвратить заедание. Нитрон 60, полученный путем селективного легирования марганцем, кремнием и азотом, продемонстрировал пониженную склонность к образованию желчи.

Виды нержавеющей стали

Аустенитная сталь

Аустенитная нержавеющая сталь составляет около 60% всего производства нержавеющей стали. Она обладают аустенитной микроструктурой, которая представляет собой гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру. Такая микроструктура достигается путем легирования стали достаточным количеством никеля и/или марганца и азота для сохранения аустенитной микроструктуры при любых температурах, начиная от криогенной области и заканчивая температурой плавления. Таким образом, аустенитные нержавеющие стали не упрочняются термической обработкой, поскольку обладают одинаковой микроструктурой при любых температурах.

Подгруппы аустенитных нержавеющих сталей

200 серия — это хромо-марганцево-никелевые сплавы, в которых максимально используется марганец и азот при минимизации использования никеля. Благодаря добавлению азота они обладают примерно на 50% более высоким пределом текучести, чем нержавеющие листы стали серии 300.

Тип 201 поддается закалке путем холодной обработки.
Тип 202 — нержавеющая сталь общего назначения. Уменьшение содержания никеля и увеличение марганца приводит к слабой коррозионной стойкости.

Серия 300 — это хромоникелевые сплавы, которые достигают своей аустенитной микроструктуры почти исключительно за счет легирования никелем. Некоторые очень высоколегированные марки включают азот для снижения требований к никелю. Серия 300 является самой большой группой и наиболее широко используется.

Тип 304: Самым известным является тип 304, также известный как 18/8 и 18/10, поскольку в его состав входят 18% хрома и 8% или 10% никеля соответственно.
Тип 316: Второй по распространенности аустенитной нержавеющей сталью является тип 316. Добавление 2% молибдена обеспечивает большую устойчивость к кислотам и локальной коррозии, вызванной хлорид-ионами. Низкоуглеродистые версии, такие как 316L или 304L, имеют содержание углерода менее 0,03% и используются для того, чтобы избежать проблем с коррозией, вызванной сваркой.

Ферритная нержавеющая сталь

Ферритные нержавеющие стали имеют ферритную микроструктуру, подобно углеродистой стали, которая представляет собой телоцентрированную кубическую кристаллическую структуру, и содержат от 10,5% до 27% хрома при очень малом количестве никеля или его отсутствии. Эта микроструктура присутствует при всех температурах из-за добавки хрома, поэтому они не упрочняются термической обработкой. Они не могут быть упрочнены холодной обработкой в той же степени, что и аустенитные нержавеющие стали. Они магнитные. Добавки ниобия (Nb), титана (Ti) и циркония (Zr) в сталь типа 430 обеспечивают хорошую свариваемость. Благодаря почти полному отсутствию никеля, они дешевле аустенитных сталей и присутствуют во многих изделиях, в том числе:

Автомобильные выхлопные трубы (Тип 409 и 409 Cb используются в Северной Америке, стабилизированные марки Тип 439 и 441 используются в России и Европе)
Архитектурные и структурные элементы (тип 430, который содержит 17% Cr)
Строительные компоненты, такие как шиферные крюки, кровельные покрытия и дымовые каналы
Силовые пластины в твердооксидных топливных элементах, работающих при температуре около 700 °C (высокохромистые ферриты, содержащие 22% Cr).

Мартенситная нержавеющая сталь

Мартенситные нержавеющие стали имеют телоцентрированную кубическую кристаллическую структуру, обладают широким спектром свойств и используются в качестве нержавеющих инженерных сталей, нержавеющих инструментальных сталей и сталей, устойчивых к ползучести. Они магнитные и не такие коррозионностойкие, как ферритные и аустенитные нержавеющие стали из-за низкого содержания хрома. Они делятся на четыре категории (с некоторым дублированием):

Fe-Cr-C. Это были первые марки, которые использовались и до сих пор широко применяются в машиностроении и износостойких областях.
Марки Fe-Cr-Ni-C. Часть углерода заменена никелем. Они обладают повышенной вязкостью и коррозионной стойкостью.
Марка EN 1.4303 (марка отливки CA6NM) с 13% Cr и 4% Ni используется для большинства турбин Пелтона, Каплана и Френсиса на гидроэлектростанциях, поскольку она обладает хорошими литейными свойствами, хорошей свариваемостью и устойчивостью к кавитационной эрозии.
Марки с осадительной закалкой. Марка EN 1.4542 (также известная как 17-4 PH), самая известная марка, сочетает мартенситную закалку и закалку осадком. Она достигает высокой прочности и хорошей вязкости и используется в аэрокосмической промышленности, а также в других областях.
Марки с сопротивлением ползучести. Небольшие добавки ниобия, ванадия, бора и кобальта повышают прочность и сопротивление ползучести примерно до 650 °C.

Мартенситные нержавеющие стали можно подвергать термической обработке для улучшения механических свойств. Термообработка обычно включает три этапа:

Аустенитизация, при которой сталь нагревается до температуры в диапазоне 980-1 050 °C в зависимости от марки. Образующийся аустенит имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру.
Закалка. Аустенит превращается в мартенсит — твердую телоцентрированную тетрагональную кристаллическую структуру. Закаленный мартенсит очень твердый и слишком хрупкий для большинства применений. Может сохраняться некоторое количество остаточного аустенита.
Отпуск. Мартенсит нагревают до температуры около 500 °C (930 °F), выдерживают при этой температуре, а затем охлаждают воздухом. Более высокие температуры отпуска снижают предел текучести и предел прочности при растяжении, но увеличивают удлинение и сопротивление удару.

Замена части углерода в мартенситных нержавеющих сталях азотом — недавняя разработка. Ограниченная растворимость азота повышается в процессе электрошлакового рафинирования под давлением (PESR), при котором плавка проводится под высоким давлением азота. Была достигнута сталь, содержащая до 0,4% азота, что приводит к повышению твердости и прочности, а также коррозионной стойкости. Поскольку процесс PESR является дорогостоящим, более низкое, но значительное содержание азота было достигнуто с помощью стандартного процесса AOD.

Дуплексная нержавеющая сталь

Дуплексные нержавеющие стали имеют смешанную микроструктуру аустенита и феррита, идеальным соотношением является смесь 50:50, хотя коммерческие сплавы могут иметь соотношение 40:60. Они характеризуются более высоким содержанием хрома (19-32%) и молибдена (до 5%) и более низким содержанием никеля, чем аустенитные нержавеющие стали.

Дуплексные нержавеющие стали имеют примерно в два раза больший предел текучести, чем аустенитные нержавеющие стали. Их смешанная микроструктура обеспечивает повышенную устойчивость к коррозионному растрескиванию под действием хлоридов по сравнению с аустенитной нержавеющей сталью типов 304 и 316.

Дуплексные марки обычно делятся на три подгруппы в зависимости от их коррозионной стойкости: тощий дуплекс, стандартный дуплекс и супердуплекс. Свойства дуплексных нержавеющих сталей достигаются при более низком содержании сплава, чем у аналогичных супер-аустенитных марок, что делает их использование экономически эффективным для многих областей применения. Целлюлозно-бумажная промышленность была одной из первых, где широко использовалась дуплексная нержавеющая сталь. Сегодня крупнейшим потребителем является нефтегазовая промышленность, которая настаивает на использовании более коррозионностойких марок стали, что привело к разработке супердуплексных и гипердуплексных марок. Совсем недавно был разработан менее дорогой (и чуть менее коррозионностойкий) lean duplex, в основном для конструкционного применения в строительстве (арматура для бетона, плиты для мостов, береговые работы) и в водной промышленности.

Сталь с осадительной закалкой

Нержавеющие стали, закаленные осаждением, обладают коррозионной стойкостью, сравнимой с аустенитными сортами, но могут быть закалены осаждением до более высокой прочности, чем другие мартенситные сорта. Существует три типа нержавеющих сталей, закаленных осаждением:

Мартенситная 17-4 PH содержит около 17% Cr, 4% Ni, 4% Cu и 0,3% Nb. Обработка раствором при температуре около 1 040 °C с последующей закалкой приводит к образованию относительно вязкой мартенситной структуры. Последующее старение при температуре 475 °C приводит к осаждению фаз, богатых Nb и Cu, что повышает прочность до предела текучести свыше 1000 МПа. Этот выдающийся уровень прочности используется в высокотехнологичных областях, таких как аэрокосмическая промышленность (обычно после переплавки для удаления неметаллических включений, что увеличивает усталостную прочность). Еще одним важным преимуществом этой стали является то, что старение, в отличие от отпуска, осуществляется при температуре, которую можно применять к (почти) готовым деталям без искажения и изменения цвета.
Полуаустенитная сталь 17-7 PH содержит около 17% Cr, 7,2% Ni и 1,2% Al. Типичная термическая обработка включает обработку раствором и закалку. На этом этапе структура остается аустенитной. Мартенситная трансформация затем достигается либо криогенной обработкой при -75 °C, либо сильной холодной обработкой (деформация более 70%, обычно холодной прокаткой или волочением). Старение при 510 °C, при котором осаждается интерметаллическая фаза Ni3Al, проводится, как указано выше, на почти готовых деталях. Затем достигается уровень напряжения текучести выше 1400 МПа.
Аустенитная сталь A286 содержит около Cr 15%, Ni 25%, Ti 2,1%, Mo 1,2%, V 1,3% и B 0,005%. Структура остается аустенитной при всех температурах.

Типичная термическая обработка включает обработку раствором и закалку с последующим старением при 715 °C. В результате старения образуются преципитаты Ni3Ti, а предел текучести увеличивается до 650 МПа при комнатной температуре. В отличие от вышеуказанных марок, механические свойства и сопротивление ползучести этой стали остаются очень хорошими при температурах до 700 °C. В результате A286 классифицируется как суперсплав на основе железа и используется в реактивных двигателях, газовых турбинах и деталях турбин.

Устойчивость к коррозии

Нержавеющая сталь противостоит коррозии в соленой воде лучше, чем алюминиево-бронзовые или медно-никелевые сплавы.

В отличие от углеродистой стали, нержавеющая сталь не подвергается равномерной коррозии при воздействии влажной среды. Незащищенная углеродистая сталь легко ржавеет при воздействии комбинации воздуха и влаги. Образующийся при этом поверхностный слой оксида железа пористый и хрупкий. Кроме того, поскольку оксид железа занимает больший объем, чем исходная сталь, этот слой расширяется и имеет тенденцию отслаиваться и отпадать, подвергая нижележащую сталь дальнейшему воздействию. Для сравнения, нержавеющая сталь содержит достаточное количество хрома для пассивации, самопроизвольно образуя микроскопически тонкую инертную поверхностную пленку оксида хрома в результате реакции с кислородом воздуха и даже небольшим количеством растворенного кислорода в воде. Эта пассивная пленка предотвращает дальнейшую коррозию, блокируя диффузию кислорода к поверхности стали и тем самым препятствуя распространению коррозии в основную массу металла. Эта пленка самовосстанавливается даже при царапинах или временном нарушении условий окружающей среды, которые превышают коррозионную стойкость, присущую данной марке стали.

Устойчивость этой пленки к коррозии зависит от химического состава нержавеющей стали, главным образом от содержания хрома. Принято различать четыре формы коррозии: равномерную, локализованную (питтинг), гальваническую и коррозионное растрескивание под напряжением. Любая из этих форм коррозии может возникнуть, если марка нержавеющей стали не подходит для рабочей среды.

Всё о нержавеющей стали