При выборе коррозионностойкой стали крайне важно учитывать предстоящие условия её эксплуатации, а также нагрузки, которые металл должен будет выдерживать. Необходимо также учесть дополнительные характеристики, которые могут быть важны для конкретного изделия. В случае возникновения сомнений, очень рекомендуется проконсультироваться с профессионалами в данной области, что поможет избежать возможных ошибок.
Нержавеющая сталь, марки, виды и состав
Растущее применение различных типов нержавеющей стали объясняется уникальными антикоррозийными свойствами этого материала, которых лишены обычные черные стали, изготовленные на основе углерода. Первое создание нержавеющей стали датируется 1913 годом.
На сегодняшний день существует множество марок нержавеющих сталей, каждая из которых отличается своими особенностями и характеристиками, что позволяет подобрать подходящее сплав для выполнения разнообразных задач в металлургии, строительстве и других областях.
Что такое нержавеющая сталь?
Коррозионностойкие стали представляют собой особую группу сплавов, основой для которых служит железо. В состав нержавеющей стали помимо железа входят различные легирующие компоненты, задача которых заключается в повышении сопротивляемости материала к внешним воздействиям, как природным, так и химическим.
Наиболее важной легирующей добавкой в нержавеющей стали является хром. Его содержание в нержавеющей стали должно составлять не менее 10,5%. Хром, прежде всего, придаёт стали высокие антикоррозийные свойства.
Кроме того, хром оказывает влияние на другие характеристики нержавеющей стали:
- Устойчивость к воздействию химических веществ, включая кислоты;
- Увеличенные показатели твёрдости и прочности;
- Способность к сварке;
- Обрабатываемость при холодной формовке;
- Долговечность, что подразумевает длительный срок службы материала.
Однако стоит учесть, что хром также снижает ударную вязкость, поэтому нержавеющая сталь с высоким содержанием данной добавки может проявлять нестабильность при ударных нагрузках.
Характеристики коррозионностойкой стали
Коррозионностойкая сталь была изобретена металлургом Гарри Бреарли и запатентована в 1913 году в Великобритании. Этот материал стал поворотным моментом для сталелитейной и других смежных отраслей, открывшие новые горизонты для их развития.
Обычные стальные сплавы, благодаря добавлению хрома, получили уникальные антикоррозийные свойства, что позволило им справляться с образованием ржавчины. Для того чтобы сталь считалась коррозионностойкой, содержание хрома в её составе должно быть не менее 10,5%. В результате данная сталь приобретает следующие характеристики:
- Очень высокая устойчивость к коррозии;
- Отличные показатели прочности;
- Хорошая свариваемость;
- Удобство обработки с применением хидольной деформации;
- Долгий срок эксплуатации при сохранении первоначальных качеств;
- Эстетическая привлекательность изделий.
Обязательными компонентами коррозионностойких сталей являются хром и железо; их взаимодействие обеспечивает материалу выдающиеся характеристики. Хром, соединяясь с кислородом, формирует на поверхности сплава оксидную тонкую пленку, которая и предотвращает образование ржавчины.
Тем не менее, указанные свойства нержавеющей стали можно значительно улучшить путем добавления других легирующих металлов, таких как никель, титан, молибден, ниобий, кобальт и другие. Это позволяет производить разнообразные армированные нержавеющие сплавы с множеством различных характеристик и областей применения.
Углерод, присутствующий в составе коррозионностойкой стали, способствует повышению прочности и твердости металла. Более того, углерод является критически важным компонентом для всех сталей, поскольку именно от его содержания зависят важнейшие характеристики материала.
Благодаря своим уникальным свойствам нержавеющая сталь находит активное применение в отраслях, где изделия или оборудование должны функционировать в условиях высокой влажности и воздействия агрессивных сред. Из коррозионностойких сталей изготавливаются бытовые предметы, такие как столовые приборы и ножи, а также компоненты для коммуникаций, ограждающих конструкций и деталей оборудования.
4 вида коррозионностойкой стали
Классификация нержавеющих сплавов формируется на основе требований ГОСТ, где стали описываются в зависимости от производственных процессов и областей применения.
Среди всех сплавов выделяются группы, основанные на их структуре, различной легирующей практике и содержании углерода. Именно от концентрации этих элементов зависит, в какой сфере будет использоваться тот или иной сплав.
Коррозионностойкие стали делятся на такие основные категории:
Ферриты
В группу ферритов входят хромистые стали, которые обозначаются маркировкой в виде буквы F. Эти сплавы отличаются высоким содержанием хрома, достигающим 30%, и низким уровнем углерода — максимум 0,15%. Они обладают ферромагнитными свойствами, что подразумевает наличие способности намагничиваться за пределами магнитного поля при низких температурах.
Для достижения нужных характеристик металла в процессе его производства осуществляется оптимизация соотношения углерода и хрома.
Основные достоинства ферритных сталей заключаются в их высокой прочности и пластичности.
К важным характеристикам таких коррозионностойких сталей относятся:
- Хорошая обработка при холодной деформации;
- Высокая устойчивость к образованию ржавчины;
- Способность к термообработке с использованием отжига.
Мартенситы
В эту группу входят стали, структура которых формируется в результате закалки заготовок или слитков и их последующего отпуска. Закалка подразумевает нагрев до температуры, превышающей критическую отметку, тогда как отпуск заключается в быстром охлаждении.
Процесс нагревания и последующего охлаждения приводит к перестройке кристаллической решетки коррозионностойкой стали, в результате чего материал приобретает увеличенную твердость, хотя это может также привести к увеличению его хрупкости.
В результате получаемые сплавы обладают следующими качествами:
- Высокая твердость;
- Увеличенная прочность;
- Упругость;
- Стойкость к коррозии;
- Жаропрочность.
Повышение доли углерода в сплаве способствует увеличению его твердости и устойчивости к износу.
Аустениты
Данный слой коррозионностойких сталей выделяется своим химическим строением — атомы углерода включены в молекулярную решетку железа. Это металл характеризуется высоким уровнем легирования, содержащего до 33% хрома и никеля. Сплавы этой группы демонстрируют немагнитность, что делает их подходящими для использования в различных производственных процессах.
Металлы этой группы обладают следующими качествами:
- Высокая пластичность при как холодном, так и горячем состоянии;
- Значительная прочность;
- Наличие возможности проведения сварочных работ даже на высоте;
- Сопротивление повреждениям от агрессивных сред, включая азотную кислоту;
- Экологическая чистота;
- Устойчивость к электромагнитным излучениям.
Для получения стабильного аустенита, гранецентрированной кристаллической решетки железа, в сталь добавляют никель, его содержание должно быть не менее 9%. Необходимость в использовании титана и ниобия возникает для обеспечения устойчивости к межкристаллитной коррозии, такие сплавы принято называть стабилизированными.
Химический состав коррозионностойких сталей
Производство коррозионностойких нержавеющих сталей и сплавов осуществляется по технологии, в рамках которой к менее устойчивым к коррозии металлам добавляют другой металл, формируя соединение с более высокой твердостью. В результате такое сочетание обеспечивает значительное увеличение устойчивости к ржавчине.
Легированная хромом сталь, если содержание хрома варьируется от 12 до 30%, обладает явно выраженными защитными свойствами. Это делает изделие максимально устойчивым к агрессивному окружению:
- При добавлении 13% хрома и более, на поверхности сплава в обычных условиях и в слабоагрессивной среде ржавчина не образуется;
- Когда содержание хрома превышает 17%, материал демонстрирует устойчивость к коррозии даже в крайне агрессивных окислительных и щелочных средах.
Как проявляется коррозионная устойчивость стали с научной точки зрения? За счет образованной на поверхности изделия пассивирующей пленки окислов, основной фактором которой является содержание хрома.
Эта пленка задерживает кислород, что в свою очередь предотвращает окисление. Эффективность защитных свойств зависит от состояния металлической поверхности, наличия повреждений, а также внутренних напряжений в материале.
При производстве коррозионностойкой нержавеющей стали также добавляются сопутствующие элементы: C (углерод), Si (кремний), Mn (марганец), S (сера), P (фосфор).
Легирование коррозионностойкой стали любой марки позволяет улучшить её физико-механические свойства. Этот процесс можно осуществлять не только с использованием хрома, но также и с другими химическими элементами, представляющими собой разные группы металлов.
В нормативных документах названия элементов обозначаются русскими буквами: Ni – никель (Н), Mn – марганец (Г), Ti – титан (Т), Co – кобальт (К), Mo – молибден (М), Cu – медь (Д).
Для стабилизации аустенитной структуры стали, что дает возможность укрепить кристаллическую решетку железа, добавляют никель.
Чтобы увеличить прочность, в состав вводятся углерод и титан. Добавление титана значительно помогает в условиях температурных колебаний, особенно в агрессивных средах, таких как кислоты. Это относится к сложнолегированным сплавам, где применяются дополнительно никель, молибден, медь и другие элементы.
Маркировка нержавеющих сталей
Маркировка металлов осуществляется с использованием буквенно-цифрового обозначения. В технической и нормативной документации имеется отечественная классификация марок стали.
Также существует система международных стандартов, разработанная Американским институтом стали и сплавов AISI (American Iron and Steel Institute), предназначенная для легированных и нержавеющих сталей.
В России стандарты классифицируются следующим образом. Для лучшего понимания разберем в качестве примера аустенитную сталь 12Х15Г9.
Элемент маркировки
Двузначное число
Буквы
Цифры
Буквы
Цифры
Доля углерода – С, (% × 100)
Процентное содержание легирующих металлов (округлено до целого числа)
Процентное содержание легирующих металлов (округлено до целого числа)
В системе AISI materials обозначены 3–4 цифрами. Первые цифры указывают на группу сталей, последние две – на среднее содержание углерода. Буквенное обозначение размещается после второй цифры, впереди либо за остальными цифрами. Например, 410, 410S, 1045.
Виды
В зависимости от структуры, типа сплава, доли углерода и концентрации легирующих добавок, коррозионностойкую сталь можно условно разделить на 4 группы:
- аустенитные;
- ферритные;
- мартенситные;
- комбинированные.
Эта классификация является условной. Она основывается на конечной структуре металла, которая формируется в процессе постепенного охлаждения после нагрева до высоких температур.
Ферритные
В категорию ферритов входят все хромистые стали с увеличенным содержанием хрома — до 30% и низким содержанием углерода — не более 0,15%.
Эти сплавы демонстрируют выраженные ферромагнитные характеристики, что означает, что они способны магнититься вне магнитного поля при эксплуатации в условиях низких температур.
Преимущества такой стали заключаются в:
- Отличной пластичности;
- Высокой прочности;
- Возможности деформироваться при холодной деформации;
- Способности к термообработке с отжигом;
- Увеличенной стойкости к коррозии.
Эта сталь широко применяется для производства листовых профилированных изделий и трубопроката.
Мартенситные
Мартенсит представляет собой определённую металлическую структуру, получаемую в результате закалки металлического слитка с последующим отпуском. Закалка включает нагрев до температуры, превышающей критическую отметку.
Отпуск — это максимальное быстрое охлаждение металла после закалки.
Такой процесс преобразует кристаллическую решетку материала, придавая ему большую твердость, прочность, упругость и жаропрочность. При этом, если в состав вводится высокое содержание углерода, сплав получает исключительную стойкость к износу.
Аустенитные
Аустенитные сплавы содержат максимальное количество хрома и никеля – на их долю приходится до 33%. Это позволяет использовать эту сталь в множестве технологических процессов. Сплав отличается высокой прочностью, пластичностью и хорошими сварными свойствами, а также устойчивостью к электромагнитному воздействию, а также к воздействию азотной кислоты и другим агрессивным средам, и является экологически чистым.
Аустенитная сталь относится к сложнообрабатываемым материалам, поэтому для упрощения работы с ней применяют термические методы.
- Отжиг осуществляется нагревом до 1200 градусов в течение 3-4 часов, после чего следует охлаждение в водной среде, масляном растворе или на воздухе. Эта методика позволяет повысить гибкость материала, одновременно уменьшая его твердость.
- Двойная закалка включает нормализацию твёрдого металлического раствора при температуре 1200 градусов, а вторичная закалка — при 1000 градусов. Это придаёт сплаву исключительную жаропрочность, при этом увеличивается его пластичность.
Комбинированные
Комбинированные составы сочетают в себе свойства нескольких типов сталей.
- Аустенитно-ферритные — содержат малый процент никеля и более 20% хрома. Легирование производится медью, ниобием и титаном. Такие сплавы способны выдерживать ударные нагрузки, отличаясь пластичностью и устойчивостью к межкристаллитной коррозии.
Маркировка
Маркировка коррозионноустойчивых сталей включает буквенно-цифровые обозначения в соответствии с ГОСТ. Стандарт предполагает следующую схему, рассмотрим на примере стали 12Х15Г9:
- 12 — содержание углерода, рассчитанное в сотых долях, в этом случае оно составляет 0,12%;
- Х — основной легирующий компонент — хром;
- 15 — доля основного легирующего компонента, округленная до целой единицы;
- Г — дополнительный легирующий элемент;
- 9 — доля дополнительных легирующих металлов, округленная до целого числа.
400 серия
Ферритные и мартенситные сплавы образуют эту серию нержавеющей стали, которую можно подвергать термической обработке. Она обеспечивает хорошее сочетание прочности и высокой износостойкости. Однако коррозионная стойкость у данной серии ниже, чем у серии 300.
Области применения серии 400 включают:
- Сельскохозяйственное оборудование;
- Двигательные валы;
- Детали для газовых турбин и др.
Классы SAE
В системе нумерации SAE нержавеющая сталь обозначается 1-буквенным и 5-значным числовым кодом UNS. Обычная марка AISI 304 имеет обозначение SAE S30400. Хотя большинство марок имеют свои обозначения, недавно разработанные специально марки могут называть их владельцы и не устанавливать код SAE.
Если вам понравилась данная статья, мы рекомендуем ознакомиться со второй частью на нашем блоге.
Если статья вызвала у вас интерес, ставьте лайки, делитесь с друзьями и оставляйте свои комментарии!
