Нержавеющая сталь - это не отдельный материал, а название целого семейства коррозионно-стойких сталей.
Как и многие научные открытия, происхождение нержавеющей стали связано со счастливой случайностью. В 1913 году в Шеффилде, Англия, Гарри Брирли исследовал разработку новых стальных сплавов для стволов оружия. Он заметил, что некоторые из его образцов не ржавели и их было трудно травить. Эти сплавы содержали около 13% хрома.
Первым применением этих сталей стали столовые приборы, благодаря которым Шеффилд впоследствии стал всемирно известен. Одновременная работа во Франции привела к разработке первых аустенитных нержавеющих сталей.
Мировой спрос на нержавеющую сталь растет примерно на 5% в год. Годовое потребление уже превышает 20 миллионов тонн и увеличивается в таких областях, как строительство и производство бытовой техники. Благодаря привлекательному внешнему виду, коррозионной стойкости, низким эксплуатационным расходам и прочности нержавеющей стали постоянно находятся новые области ее применения. Нержавеющая сталь дороже стандартных марок стали, но она обладает большей коррозионной стойкостью, требует минимального ухода и не нуждается в покраске или другом защитном покрытии. Эти факторы означают, что нержавеющая сталь может быть более экономически выгодной с учетом срока службы и затрат жизненного цикла.
Семейства нержавеющей стали
Хотя коррозионная стойкость нержавеющей стали обеспечивается наличием хрома, добавляются другие элементы для улучшения других свойств. Эти элементы изменяют микроструктуру стали.
Нержавеющие стали группируются в семейства на основе их металлургической микроструктуры. Микроструктура может состоять из стабильных фаз аустенита или феррита, “дуплексной” смеси этих двух, мартенсита или упрочненной структуры, содержащей выделенные микрокомпоненты.
Аустенитные нержавеющие стали
Аустенитные нержавеющие стали содержат минимум 16% хрома и 6% никеля. Они варьируются от базовых марок, таких как 304, до супераустенитных, таких как 904L, и марок с 6% молибдена.
Добавление таких элементов, как молибден, титан или медь, позволяет модифицировать свойства стали. Эти модификации могут сделать сталь пригодной для применения при высоких температурах или повысить коррозионную стойкость. Большинство сталей становятся хрупкими при низких температурах, но никель в аустенитной нержавеющей стали делает ее подходящей для низкотемпературных или криогенных применений.
Аустенитные нержавеющие стали, как правило, немагнитны. Их нельзя закалить термической обработкой. Аустенитные нержавеющие стали быстро упрочняются при холодной обработке. Несмотря на упрочнение при обработке, они лучше всего поддаются формовке среди нержавеющих сталей.
Основные легирующие элементы иногда отражаются в названии стали. Распространенное название нержавеющей стали 304 — 18/8, благодаря 18% хрома и 8% никеля.
Применение аустенитной нержавеющей стали
Применение аустенитных нержавеющих сталей включает:
- Кухонные раковины
- Архитектурные применения, такие как кровля и облицовка
- Кровля и водостоки
- Двери и окна
- Балюстрада
- Скамейки и зоны приготовления пищи
- Оборудование для пищевой промышленности
- Теплообменники
- Духовки
- Химические резервуары
Ферритные нержавеющие стали
Ферритные нержавеющие стали включают марки, такие как 430, и содержат только хром в качестве основного легирующего элемента. Количество присутствующего хрома варьируется от 10,5 до 18%.
Они известны своей умеренной коррозионной стойкостью и плохими свойствами при изготовлении. Свойства изготовления могут быть улучшены путем модификации сплава и удовлетворительны в таких марках, как 434 и 444. Ферритные нержавеющие стали не могут быть упрочнены термической обработкой и всегда используются в отожженном состоянии.
Ферритные нержавеющие стали являются магнитными. Они также не подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением. Свариваемость приемлема для тонких сечений, но снижается с увеличением толщины сечения.
Ферритные нержавеющие стали в применении
- Ферритные нержавеющие стали обычно используются в:
- Выхлопные газы транспортных средств
- Топливные магистрали
- Кухонные принадлежности
- Архитектурный орнамент
- Бытовая техника
Дуплексные нержавеющие стали
Дуплексные нержавеющие стали отличаются высоким содержанием хрома и низким - никеля. Это придает дуплексным нержавеющим сталям микроструктуру, включающую как аустенитную, так и ферритную фазы. К ним относятся такие сплавы, как 2304 и 2205. Эти сплавы названы так из-за их соответствующих составов - 23% хрома, 4% никеля и 22% хрома, 5% никеля.
Наличие в микроструктуре как аустенита, так и феррита позволяет дуплексным нержавеющим сталям обладать свойствами обеих групп. Несмотря на компромисс между двумя ‘чистыми’ типами, дуплексные марки могут предложить уникальные решения по свойствам. Дуплексные марки устойчивы к коррозионному растрескиванию под напряжением, но не в той же степени, что ферритные марки. Ударная вязкость дуплексных марок превосходит ударную вязкость ферритных марок, но уступает ударной вязкости аустенитных марок.
Важней всего, коррозионная стойкость дуплексных сталей равна или превосходит нержавеющие стали 304 и 316. Это особенно справедливо в отношении хлоридной атаки.
Дуплексные стали легко свариваются. Они также обладают высокой прочностью на растяжение.
Дуплексная нержавеющая сталь Применение
Дуплексные нержавеющие стали обычно применяются в следующих областях:
- Теплообменники
- Морские приложения
- Опреснительные установки
- Заводы по консервированию продуктов
- Морские нефтегазовые установки
- Химический и нефтехимический завод
Мартенситно-нержавеющие стали
Высокое содержание углерода и более низкое содержание хрома являются отличительными признаками мартенситно-стареющих нержавеющих сталей по сравнению с ферритными нержавеющими.
К мартенситным нержавеющим сталям относятся 410 и 416. Закаленные мартенситные стали не поддаются успешной холодной формовке. Они магнитны, обладают умеренной коррозионной стойкостью и плохой свариваемостью.
Применение мартенситно-стабилизированной нержавеющей стали
- Мартенситно-ржавеющие стали обычно используются для:
- Лезвия ножей
- Столовые приборы
- Хирургические инструменты
- Крепеж
- Вал
- Пружины
Нержавеющие стали с упрочнением выделением
Деформационно-термоупрочняемые марки содержат как хром, так и никель. Они развивают очень высокую прочность на растяжение при термообработке. Деформационно-термоупрочняемые марки обычно поставляются в состоянии “термически обработанном” (отожженном), что позволяет обрабатывать сталь на станках. После механической обработки или формовки сталь можно старить в низкотемпературном процессе термообработки. Поскольку термообработка проводится при низких температурах, в заготовке не возникает деформаций.
630 — наиболее распространенная марка с упрочнением старением. Эта марка также известна как 17-4 благодаря составу: 17% хрома, 4% никеля, 4% меди и 0,3% ниобия.
Дисперсионное упрочнение
Дуговая сварка.
- Оборудование для целлюлозно-бумажной промышленности
- Аэрокосмические применения
- Лопатки турбины
- Контейнеры для ядерных отходов
- Механические компоненты
Свойства
Преимущественные свойства нержавеющих сталей видны в сравнении со стандартной низкоуглеродистой мягкой сталью. Хотя нержавеющие стали обладают широким спектром свойств, в целом, по сравнению с мягкой сталью, нержавеющие стали имеют:
- Повышенная коррозионная стойкость
- Повышенная криогенная прочность
- Более высокая скорость наклёпа
- Высокая термостойкость
- Повышенная пластичность
- Повышенная прочность и твердость
- Более привлекательный внешний вид
- Меньше обслуживания
Устойчивость к коррозии
Все нержавеющие стали — это сплавы на основе железа, содержащие минимум около 10,5% хрома. Хром в сплаве образует самовосстанавливающийся защитный прозрачный оксидный слой. Этот оксидный слой придает нержавеющим сталям коррозионную стойкость. Самовосстанавливающаяся природа оксидного слоя означает, что коррозионная стойкость остается неизменной независимо от методов изготовления. Даже если поверхность материала разрезана или повреждена, она самовосстановится, и коррозионная стойкость будет сохранена.
Напротив, обычные углеродистые стали могут быть защищены от коррозии покраской или другими покрытиями, такими как гальванизация. Любое изменение поверхности обнажает нижележащую сталь, и может произойти коррозия.
Коррозия различных марок нержавеющей стали различается в зависимости от окружающей среды. Подходящие марки будут зависеть от условий эксплуатации. Даже следовые количества некоторых элементов могут заметно изменить коррозионную стойкость. Хлориды, в частности, могут отрицательно влиять на коррозионную стойкость нержавеющей стали.
Марки с высоким содержанием хрома, молибдена и никеля наиболее устойчивы к коррозии.
Криогенная (низкотемпературная) стойкость
Криогенное сопротивление измеряется пластичностью или ударной вязкостью при температурах ниже нуля. При криогенных температурах прочность на растяжение аустенитных нержавеющих сталей значительно выше, чем при температурах окружающей среды. Они также сохраняют превосходную ударную вязкость.
Ферритные, мартенситные и дисперсионно-твердеющие стали не следует использовать при температурах ниже нуля. Вязкость этих марок стали значительно падает при низких температурах. В некоторых случаях это падение происходит близко к комнатной температуре.
Упрочнение при деформации
Высокопрочные марки нержавеющей стали обладают тем преимуществом, что значительное повышение прочности металла может быть достигнуто простой холодной обработкой. Комбинация стадий холодной обработки и отжига может быть использована для придания изготовленной детали определенной прочности.
Типичным примером этого является волочение проволоки. Проволока, используемая для изготовления пружин, будет упрочнена до определенной прочности на растяжение. Если бы ту же проволоку использовали в качестве гибочной связующей проволоки, ее отжигали бы, что привело бы к получению более мягкого материала.
Жаркая Сила
Аустенитные марки сохраняют высокую прочность при повышенных температурах. Это особенно верно для марок, содержащих высокие уровни хрома и/или высокий уровень кремния, азота и редкоземельных элементов (например, марки 310 и S30815). Высокохромистые ферритные марки, такие как 446, также могут демонстрировать высокую горячую прочность.
Высокое содержание хрома в нержавеющих сталях также помогает противостоять окалинообразованию при повышенных температурах.
Пластичность
Пластичность обычно определяется % удлинением при испытании на растяжение. Удлинение для аустенитных нержавеющих сталей довольно высокое. Высокая пластичность и высокие скорости наклёпывания позволяют аустенитным нержавеющим сталям обрабатываться методами интенсивной формовки, такими как глубокая вытяжка.
Высокая прочность
По сравнению с низкоуглеродистыми сталями, нержавеющие стали, как правило, обладают более высокой прочностью на растяжение. Дуплексные нержавеющие стали имеют более высокую прочность на растяжение, чем аустенитные стали.
Наиболее высокие прочности на растяжение наблюдаются у мартенситных (431) и дисперсионно-твердеющих марок (17-4). Эти марки могут иметь прочность в два раза выше, чем у типов 304 и 316, наиболее распространенных нержавеющих сталей.
Магнитный Отклик
Магнитная реакция — это притяжение стали к магниту. Аустенитные марки, как правило, немагнитны, хотя магнитная реакция может быть вызвана в низкоаустенитных марках холодной обработкой. Высоконикелевые марки, такие как 316 и 310, останутся немагнитными даже при холодной обработке.
Все остальные сорта являются магнитными.
Стандартные классификации
Старая трехзначная система нумерации нержавеющей стали AISI (например, 304 и 316) по-прежнему широко используется. Новые марки определяются в рамках системы SAE и ASTM, которая использует номер UNS из одной буквы и пяти цифр. Примером этого является новый термин для 304, который звучит как S30400. Другие обозначения включают старые номера BS, такие как 304S31, и иногда старые военные экстренные номера, такие как ‘EN’ 58E.
Некоторые марки не охватываются стандартными номерами и могут быть проприетарными марками или называться по стандартам для специализированных продуктов, таких как сварочная проволока.
Выбор класса
Процесс выбора марки нержавеющей стали является компромиссом между желаемыми свойствами готового изделия.
При выборе конкретной марки нержавеющей стали крайне важно учитывать требуемые основные свойства, такие как коррозионная стойкость и термостойкость. Также необходимо уделять внимание вторичным свойствам, таким как физические и механические свойства. Эти свойства будут определять другие факторы, такие как простота обработки любых подходящих марок.
Если вторичные свойства недостаточны, может оказаться невозможным производить требуемый продукт жизнеспособно и экономично.
Примером этого является нержавеющая сталь 303. Она обладает отличной обрабатываемостью благодаря добавлению серы. Однако сера также снижает свариваемость, коррозионную стойкость и формуемость стали 303.
Выбор правильной марки гарантирует долгий срок службы изделия без проблем, а также экономичное изготовление и монтаж.
