Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь – один из самых востребованных продуктов металлургии.

Нержавеющими, называются стали, обладающие высокой устойчивостью  против коррозии в атмосферных условиях, газовых средах, речной и морской  воде, растворах солей, щелочей, кислот при комнатной и повышенной температурах.  Диапазон их применения очень широк, и охватывает практически все сферы деятельности: строительные конструкции, пищевое, химическое, нефтегазовое оборудование, автомобилестроение, космическая техника, детали крепежа и многое другое.  Поэтому, по своему назначению, эти стали имеют также весьма широкий диапазон различных свойств и составов. Но всех их объединяют наиболее характерные общие черты, главной из которых является устойчивость к коррозии. Другими отличительными чертами нержавеющих сталей являются: большой срок службы, низкие затраты обслуживания, хорошие механические качества, прочность, гигиеничность.

Коррозия- это химический  процесс, разрушающий металл. По характеру внешнего проявления, коррозия бывает общей, когда поражается вся поверхность; местной (язвенной, питтинговой), когда поражаются отдельные участки поверхности;межкристаллитной, или внутренней, при которой поражены границы кристаллов металла, такая коррозия наиболее опасна, так как визуально не видима;  селективной, при которой коррозирует не весь сплав, а какой-то его составляющий элемент.

Особые, защитные от коррозии свойства нержавеющих сталей, а также другие свойства, такие  как пластичность, прочность, жаростойкость, обеспечивают специальные добавки - легирующие элементы. Основным легирующим элементом, обеспечивающим коррозионную стойкость металла, является хром.Чистый хром обладает высокой химической стойкостью, благодаря образованию на его поверхности защитной окисной плёнки. При добавлении хрома в сталь, он образует с железом твёрдые растворы, и увеличивает его коррозионную стойкость. Но это происходит, лишь начиная с содержания хрома 12%, и может достигать 20%. Вторым, по важности, является никель - он стабилизирует  структуру при всех интервалах температур, обеспечивая, тем самым, лучшие механические свойства, меньшую склонность к росту зерна и др. Другие легирующие элементы, могут улучшать или ухудшать коррозионные свойства сплава. Например, углерод удаляет хром из твёрдого раствора, образуя частицы карбида, поэтому, для сохранения стойкости против коррозии, необходимо ввести больше хрома. Например, если углерода 0,15-0,2%, то хрома необходимо не менее 13-14%. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижаются пластичность и вязкость. Железоникелевые  стали без хрома, имеют повышенную антикоррозионную стойкость только в разбавленных растворах серной кислоты и кипящих щелочах. Для борьбы с межкристаллитной коррозией используют стабилизаторы титан, ниобий и др. Количество стабилизаторов должно повышаться с ростом содержания углерода, чтобы связать весь  углерод, и должно превышать его в 5(Титан)-9(Ниобий) раз. При сварке происходит угар титана, поэтому для сварных конструкций вводят более дорогой ниобий. Увеличению коррозионной стойкости способствует медь и молибден. Марганец вводится взамен никеля, для сохранения аустенита, но придаёт несколько меньшую стойкость, чем никель. Легирование азотом придаёт удовлетворительную антикоррозионную стойкость. Стали работающие долго при высоких температурах должны иметь жаростойкость, которая достигается легированием хромом, алюминием, кремнием. Если нужна одновременно и жаропрочность, то легируют ещё никелем, молибденом, вольфрамом, титаном, ниобием, ванадием, кобальтом. Под жаростойкостью понимается устойчивость против окисления при высоких температурах, а под жаропрочностью – сопротивление механическим нагрузкам при высоких температурах.

ОБОЗНАЧЕНИЕ СТАЛЕЙ

В соответствии с ГОСТ 4543-71, все легирующие элементы имеют буквенное обозначение, например:

Маркируют  стали буквами и цифрами по принципу, принятому для конструкционных легированных сталей. Цифры, стоящие перед буквами, обозначают среднее содержание углерода в десятых долях процента, а цифры, стоящие после буквы, указывают на процентное содержание этого элемента в стали. Например марка 18ХН4ВА, указывает на то, что ее состав входит: 1.8% углерода, 1% хрома, 4% никеля, и 1% вольфрама (если после буквы нет цифры, значит этого элемента 1%). Буква А в конце всегда указывает на высококачественность стали.

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ, В ЗАВИСИМОСТИ  ОТ СОДЕРЖАНИЯ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ, РАЗЛИЧАЮТСЯ   ПО КАЧЕСТВУ

Не смотря на наличие  широкого сортамента металлопроката, изготавливаемого из различных марок  сталей на промышленных предприятиях всего мира, к настоящему времени  не выработано единой системы маркировки сталей и сплавов, что естественным образом создает некоторые трудности в металлоторговле, ведь не всяким маркам сталей есть аналоги в обозначениях разных стран. Так например в РФ и других странах СНГ используется разработанная еще в Союзе система ГОСТов, в Европе же стандартом  EN 100 27 регламентирована иная система обозначения. Первая часть определяет порядок наименования сталей, а вторая обозначает порядковый номер, присвоенный стали. Японская система обозначения сталей чем-то похожа на европейскую, разве что обозначения используют буквы и цифры, где буквы определяют группу стали, а цифры- ее порядковый номер в данной группе и свойство стали. США используют несколько стандартов обозначения марок сталей, это связано с тем, что в стране несколько организаций, определяющих стандарты, а именно: АMS, ASME, ASTM, AWS, SAE, ACJ, ANSI, AJS. К сожалению, из-за отсутствия единой системы стандартов, даже в настоящее время зачастую случаются разночтения, приводящие к ошибкам в заказах, а как следствие-нарушение качества поставляемого стального проката.

ПО ВИДАМ ЧИСТОВОЙ ОБРАБОТКИ  ПОВЕРХНОСТИ, СТАЛИ ОБОЗНАЧАЮТСЯ ПО ASTM:

КЛАССИФИКАЦИЯ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ

Несмотря на большое  разнообразие марок нержавеющей  стали, многие из них имеют сугубо специфическое применение, а массовым спросом  пользуются относительно небольшое количество марок сталей. Все нержавеющие стали классифицируются на группы в зависимости от своих свойств, химического состава и микроструктуры.

ПО МИКРОСТРУКТУРЕ НЕРЖАВЕЮЩИЕ СТАЛИ ДЕЛЯТСЯ НА ОСНОВНЫЕ ВИДЫ:

• Аустенитные. 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. Аустенит это гранецентрированная и высокотемпературная вариация сплавов железа, совокупность легирующих элементов, образующих твердый раствор. Стали этого типа дополнительно к хрому содержат некоторое количество никеля (7-25%), что позволяет усилить их сопротивляемость коррозии. Магнитные свойства отсутствуют. Они  хорошо подвергаются тепловой обработке и сварке. Обозначаются начальной буквой A. Высокая прочность, стойкость к окислению и высоким температурам делают данный тип нержавеющей стали наиболее применяемым в промышленности. К данному классу относятся стали 300 серии.
• Мартенситные. Эти стали значительно более твердые чем аустетнитные стали и могут быть магнитными. Они упрочняются, закалкой и отпуском подобно простым углеродистым сталям, и находят применение главным образом в изготовлении столовых приборов, режущих инструментов и общем машиностроении. Больше подвержены коррозии, обладают магнитными свойствами. Обозначаются начальной буквой С. содержит, в основном, от 11% до 13% хрома, и прочна и жестка при средней сопротивляемости коррозии. Эта сталь используется, в основном, для производства турбин и клинков.
• Ферритные . Стали значительно более мягкие чем мартенситные по причине малого содержания углерода. Они также обладают магнитными свойствами. Обозначаются начальной буквой F. имеет свойства, близкие к свойствам малоуглеродистой стали, но с лучшей сопротивляемостью коррозии. Наиболее распространенными видами такой стали являются сплавы с содержанием хрома 12% и 17%. Сплавы с содержанием хрома около 12% используются, в основном, в строительстве, а стали, содержащие около 17% хрома, используются в домашнем хозяйстве, бойлерах, стиральных машинах и комнатных декоративных элементах.
• Дуплексные. Эти стали по своей структуре имеют две составляющие кристаллической решётки, например аустенит-мартенсит, аустенит-феррит. В промышленности такие стали находят небольшое применение.

По химическому  составу нержавеющие стали делятся на основные группы: 
- Хромистые стали 
- Хромоникелевые и никелевые 
- Хромомарганцевые и хромомарганцевоникелевые стали

ХРОМИСТЫЕ СТАЛИ

Типичными представителями  хромистых нержавеющих сталей являются стали мартенситного и ферритного классов. Стали мартенситного класса содержат от 8 до 14 % хрома (иногда даже 17%) и, - от 0,06 до 0,40 % углерода. Чем больше в этих сталях углерода, тем более высокую прочность можно получить, как после закалки, так и после нормализации. Помимо высокой коррозионной стойкости, этот класс сталей обладает также жаропрочностью и жаростойкостью. Стали ферритного класса, с содержанием хрома более 17% по сравнению со сталями 12%-ми имеют более высокую коррозионную стойкость против коррозии в атмосфере и др. агрессивных средах, например, в азотной кислоте. Поэтому их иногда применяют вместо более дорогих и дефицитных хромоникелевых аустенитных. Для них рекомендуется избегать высокотемпературных нагревов. Кроме того, эти стали, практически, не пригодны для работы при низких температурах. Пороговая температура перехода в хрупкое состояние у них, как правило, лежит в положительной области температур по Цельсию. При повышенной температуре около 150 градусов, ударная вязкость этих сталей достаточно высока. Основным достоинством хромистых нержавеющих сталей всех трёх классов подчеркнём твердость, недостатком – плохую свариваемость. Иногда имеют небольшие добавки титана и никеля. Титан измельчает зерно, а никель улучшает механические свойства. Дополнительного повышения жаропрочности добиваются введением карбидообразующих лигатур, прежде всего это вольфрам, молибден и ниобий. Хромистые стали устойчивы только к кислотным окислителям, а в морской воде её стойкость невелика, вследствие развития местной коррозии. Являются наиболее экономичными в отношении легирования, но несмотря на дешевизну, применение её довольно ограниченно. Обычно применяются стали трёх типов: 12, 17 и 27 % хрома. Основное применение этих сталей, это  гражданское машиностроение,  архитектура и дизайн,  пищевая промышленность,  изготовление кухонной утвари, столов, сервировочного инструмента, моек, сливов, частей стиральных машин, барабанов и поддонов для посудомоечных машин,  автомобилестроение (декоративные системы выхлопа и т.п.), изготовление наружной и внутренней фурнитуры.

ХРОМОНИКЕЛЕВЫЕ И НИКЕЛЕВЫЕ

Хромоникелевые  коррозионно-стойкие стали согласно ГОСТ 5632-72, так или иначе, содержат в своей структуре аустенит. Основными достоинствами аустенитных коррозионностойких сталей являются: жаропрочность, хладостойкость, хорошая свариваемость, а также, кроме прочего, технологичность при деформации и резании (в зависимости от конкретных марок и механической обработки). Такая сталь отлично подходит для изделий, работающих при высоких температурах, например трубы для теплообменников и котельных. Эта группа сталей имеет самое широкое применение в промышленности и занимает наибольший удельный вес в выплавке сталей. Хромоникелевые стали имеют весьма высокие антикоррозионные свойства во многих агрессивных средах, полностью устойчивы к азотной кислоте, холодной серной кислоте, недостаточно устойчивы к соляной кислоте. При повышенных температурах от 500 до 800 ͦ С, происходит распад аустенита, с выделением по границам зёрен хромистых карбидов, и обеднением зёрен хромом. Стали этого типа также чувствительны к повышенному содержанию серы, образующей сульфид никеля, который образуется по бокам зёрен, и резко снижает стойкость к межкристаллитной коррозии. Поэтому серы в этих сталях менее 0,02%.  Эти стали делятся на несколько подгрупп, но ядром этой группы являются аустенитные стали типа 18-8, то есть 18% хрома, 8% никеля, и могут быть стабилизированы титаном и ниобием. Стали имеют различное содержание углерода, что влияет на их коррозионную стойкость. После закалки на аустенит имеют высокие пластичные свойства, при этом, чем выше температура закалки, тем меньше их твёрдость и прочность и выше пластичность. Существенным недостатком аустенитных сталей является их предрасположенность к межкристаллитной коррозии. Эта разновидность коррозии развивается при нагреве хромоникелевых сталей до 500-700 градусов Цельсия. Однако, 2-3-часовая выдержка этих сталей при 820-930 градусах, восстанавливает концентрацию хрома в приграничных зонах. Такая термическая обработка, несмотря на снижение вязкости металла, практически, снижает склонность аустенитных нержавеющих сталей к межкристаллитной коррозии. Применяются эти стали в пищевой, химической, горнодобывающей, фармацевтической промышленности, машиностроении, нефтехимии, в производстве резервуаров, контейнеров,  труб, всех индустриальных и коммерческих областях.

ХРОМОМАРГАНЦЕВЫЕ И ХРОМОМАРГАНЦЕВОНИКЕЛЕВЫЕ СТАЛИ

Получить нержавеющую  сталь аустенитного класса можно  при частичной или полной замене никеля марганцем, что удешевляет сталь  за счет существенной разницы в ценах  на никель и марганец. В связи  с меньшей эффективностью марганца (как аустенитообразующего элемента), чем никеля, он должен вводиться в сталь в больших количествах (почти в два раза). Марганец является элементом, активно повышающим растворимость азота при кристаллизации, что позволяет вводить азот при нормальном атмосферном давлении в количестве до 0,5-0,6 % без нарушения плотности слитка. Азот, внедряясь в решетку аустенита, способствует его упрочнению, а также повышает его стабильность как аустенитообразующий элемент. Механические свойства этих сталей зависят от структуры и содержания марганца. При содержании азота около 0,25 % прочность повышается, а пластичность снижается. Повышение содержания марганца увеличивает ударную вязкость при температурах глубокого холода. Благодаря повышенному содержанию азота, который можно вводить в хромомарганцевые стали, они приобрели самостоятельное значение в качестве высокопрочных коррозионностойких сталей. Ввиду того, что марганец в отличие от никеля повышает растворимость углерода в твердом растворе, увеличение содержания марганца приводит к существенному повышению вязкости после отпуска. Марганец позволяет получить на холоднокатаном металле высокий уровень пластичности (> 60 %) и сохранить немагнитность. Сталь склонна к отпускной хрупкости, трудно свариваемая.  При содержании в хромомарганцевой стали свыше 15 % Cr для получения аустенитной структуры наряду с марганцем нужно вводить никель. При увеличении содержания никеля в стали аустенитная область значительно расширяется, а при увеличении содержания марганца более 6 % (при 15...20 % Cr) наблюдается небольшое сужение аустенитной области.В последние годы получили распространение хромомарганцевоникелевые стали с азотом типа 17-8-4-N, которые применяются в качестве коррозионностойкого, а также нержавеющего и теплостойкого материала для высокопрочных конструкций. Эти стали нашли своё применение в областях, где предъявлялись к металлу повышенные требования по истираемости, а также там, где важную роль играют вопросы прочности металла, для изготовления тяжело нагруженных деталей ответственного назначения, воспринимающих в процессе эксплуатации ударные нагрузки. Хотя коррозионная стойкость хромомарганцевоникелевых сталей несколько ниже, чем сталей, содержащих 18% хрома и 8% никеля, они широко применяются в промышленности для изготовления бытовых приборов, пищевого оборудования, установок для сжиженных газов и т.д.