Для легирования используются такие элементы, как хром, углерод, титан и другие компоненты, которые помогают придавать уникальные свойства конечному составу. Эти добавки обозначаются в маркировке различными буквами:
Коррозионностойкая сталь: виды и особенности
Коррозионностойкая сталь, более известная как нержавеющая сталь, прочно вошла в повседневную жизнь человека и находит применение в различных отраслях: от химической и авиационной до производства предметов быта. Это обусловлено тем, что нержавеющая сталь обладает значительно улучшенными характеристиками по сравнению с обычной, а разнообразие её марок позволяет выбрать материал, который наилучшим образом соответствует конкретным требованиям.
История использования нержавеющей стали насчитывает более ста лет, и количество её марок превышает две сотни. Поэтому, понимая их особенности, можно правильно выбрать подходящую разновидность нержавейки в качестве материала для определённых нужд. В этой статье мы расскажем о характеристиках коррозионностойкой стали, её классификации, а также обсудим особенности маркировки как в западной, так и в отечественной практике.
Характеристики коррозионностойкой стали
Коррозионностойкая сталь, изобретенная металлургом Гарри Бреарли и запатентованная в 1913 году в Англии, оказала значительное влияние на развитие сталелитейной отрасли и других промышленных направлений.
Обычные стальные сплавы приобрели уникальные свойства, позволяющие им противостоять образованию ржавчины благодаря добавлению хрома в их состав. Для сталей, обладающих коррозионной стойкостью, содержание хрома должно быть не менее 10,5%. Это обеспечивает им следующие ключевые характеристики:
- высокая устойчивость к коррозии;
- отличная прочность;
- хорошие показатели свариваемости;
- простота обработки при холодной деформации;
- долговечность, позволяющая материалу сохранять свои свойства на протяжении длительного времени;
- эстетичный внешний вид изделий.
Хром и железо являются обязательными компонентами коррозионностойких сталей. Взаимодействие этих элементов позволяет создать уникальные качества материала. Хром соединяется с кислородом, образуя оксидную пленку на поверхности, что предотвращает появление ржавчины.
Тем не менее, свойства нержавеющей стали можно дополнительно улучшить с помощью легирующих добавок, таких как никель, титан, молибден, ниобий и кобальт. Легирование позволяет создать множество разновидностей нержавеющих стальных сплавов с различными характеристиками и назначениями.
Углерод, содержащийся в коррозионностойкой стали, придаёт сплаву высокую твердость и прочность. Этот элемент является основным в любом стальном сплаве, так как он влияет на многие качественные параметры.
Нержавеющая сталь обладает рядом уникальных свойств, что востребовано в сферах, где изделия или оборудование должны работать в условиях высокой влажности и подвергаться воздействию агрессивных сред. Из коррозионностойких сталей изготавливают продукцию как для промышленного, так и для бытового использования – это включает столовые приборы, ножи, элементы коммуникаций, ограждающие конструкции, детали оборудования и многое другое.
Что это такое и как производят?
Впервые о нержавеющей стали заговорили два века назад. В 1820-21 годах учёные Майкл Фарадей и Пьер Бертье обратили внимание на то, что сплав железа с хромом демонстрирует свойства, позволяющие ему противостоять агрессивным воздействиям. Однако в то время они ещё не знали о значении углерода, и поэтому не смогли создать сплав с высокой концентрацией хрома. Только в 1912 году немецкие инженеры разработали технологию производства нержавеющей стали, которая вскоре начала применяться в производстве столовых приборов.
Коррозионностойкие стали — это сплавы железа с углеродом, в состав которых добавлены специальные легирующие компоненты.
Такой состав обеспечивает максимальную устойчивость к окислительным процессам в самых различных атмосферах, включая кислотно-щелочные, газовые среды, а также солёную и пресную воду.
Хром является основным элементом, обеспечивающим высокую сопротивляемость к коррозии. Этот металл сам по себе обладает высокими антикоррозийными свойствами, а при включении в состав сплава он образует на поверхности активную защитную пленку. Эта пленка предотвращает контакт металла с кислородом, сдерживая коррозионные процессы и не позволяя им проникать внутрь.
Замечено, что содержание хрома от 10% до 30% значительно улучшает защитные свойства стали в различных средах:
- при концентрации хрома от 12% до 16% железный сплав не ржавеет в слабоагрессивных средах и в водной среде;
- при превышении 17% хрома, коррозионная стойкость сохраняется даже в агрессивных растворах — таких как кислоты, щелочи и окислители.
Стали с добавлением хрома являются одними из наиболее экономически выгодных антикоррозийных сплавов с точки зрения их легирования и технологии производства. Такой металл отвечает всем требованиям и обладает несомненными преимуществами:
- способностью устойчиво противостоять воздействию пресной воды и отдельных химических сред;
- сохранением структуры при высоких температурах;
- хорошими показателями свариваемости для некоторых сплавов.
Никель вводят в сплавы для повышения антикоррозийных характеристик и укрепления кристаллической решётки металла. Этот элемент способствует созданию прочных и надёжных связей, усиливающих защитные качества хрома. Сплавы с высоким содержанием никеля часто используются в средах, где необходимо предотвращение межкристаллической коррозии.
Среди других легирующих добавок, повышающих устойчивость к коррозии, можно назвать молибден, кремний, медь, алюминий и марганец.
Для стабилизации структуры в сплавы часто добавляют ниобий и титан. Первый элемент улучшает свариваемость, а второй – устойчивость к межкристаллическому окислению. При этом содержание титана, ниобия и других стабилизирующих элементов должно быть выше уровня углерода. В противном случае, загрязнённость неметаллическими примесями может привести к снижению пластичности сплава.
Характеристики
Нержавеющая сталь демонстрирует очень высокую устойчивость к пагубному воздействию агрессивных сред и некоторых химикатов. Стоит также отметить, что она обладает высокими жаростойкими и жаропрочными свойствами, а изделия из коррозионностойкой стали могут использоваться при критически высоких и низких температурах.
Все нержавеющие сплавы с железом подчиняются определенным химическим правилам.
Данное правило гласит, что при добавлении к металлу, который не защищён от коррозии, любого другого металла, формирующего с ним прочные твердые растворы, уровень защиты от ржавчины будет расти неравномерно и может демонстрировать скачки. Сплавы, содержащие никель, характеризуются высокой свариваемостью. Некоторые типы хромоникелевых сталей могут проявлять магнитные свойства.
Нюансы производства коррозионностойкой стали
В металлургической отрасли имеются стандарты, регламентирующие технологии производства стали и сплавов. К ним относятся ГОСТ и ТУ. Антикоррозионные жаропрочные тонколистовые стали также подчиняются этим нормам. Основным документом является ГОСТ 25054-81, который определяет требования к поковкам из коррозионно-стойких сплавов и сталей. В данном стандарте прописаны требования к химическому составу, механическим свойствам поковок, а также к геометрическим размерам и форме.
ГОСТ 6032-2003 устанавливает методы испытаний на устойчивость к межкристаллитной коррозии для сталей и сплавов, предназначенных для эксплуатации в условиях повышенной коррозионной активности. Этот стандарт прописывает условия испытаний и правила оценки их результатов для контроля качества материалов, а также требования к подготовке образцов с указанием точных размеров и количества испытуемых. Также приведён алгоритм испытаний в растворе серной кислоты, сернокислой меди в присутствии металлической меди и в 65% азотной кислоте.
Характеристики
Примеси, добавляемые в процессе производства коррозионностойких сталей, оказывают влияние на их физические свойства. Концентрация таких примесей составляет 0,1-2%.
Ключевые характеристики материала включают:
- повышенная прочность;
- устойчивость к внешним агрессивным условиям;
- стойкость к высоким температурам и открытому огню;
- экологичность;
- эстетические качества;
- удобство в обработке;
- защита от появления ржавчины.
При выборе антикоррозионной стали важно учитывать область её применения и физические свойства.
Маркировка нержавеющих сталей
Для маркировки сталей применяется буквенно-цифровая система обозначений. Можно встретить как отечественную классификацию марок стали, используемую в технической и нормативной документации, так и международные стандарты, разработанные Американским институтом стали и сплавов (AISI) для легированных и нержавеющих сталей.
В России стандарты классифицируются по следующей системе. Чтобы упростить понимание, рассмотрим в качестве примера аустенитную сталь 12Х15Г9.
Элемент маркировки
Двузначное число
Буквы
Цифры
Буквы
Цифры
Объём углерода – С, (% × 100)
Процентное содержание легирующих металлов (округленно до целого числа)
Процентное содержание легирующих металлов (округленно до целого числа)
В системе AISI материалы обозначаются 3–4 цифрами. Первые две указывали на группу сталей, две остальные – на среднее содержание углерода. Буквенное обозначение, как правило, располагается после второй цифры, перед или после чисел. Например, 410, 410S, 1045.
Основные виды коррозионностойкой стали
Коррозионностойкая сталь аустенитного класса, а также сплавы, отличаются по способности противостоять негативным воздействиям как естественных, так и искусственных сред: атмосферной, подводной, грунтовой (подземной), щелочной, кислотной, соляной или в условиях блуждающих токов. Эти материалы также устойчивы к химической, электрохимической и межкристаллитной коррозии.
Классификация коррозионностойких сплавов представлена в ГОСТах, где металл описывается в соответствии с производственными процессами и его использованием.
Существует несколько видов сплавов в зависимости от структуры, а также различия в процентном содержании углерода и составе легирующих компонентов.
На основании этих соотношений определяется, какой тип стали лучше всего подходит для использования в разных ситуациях.
Ферритная группа
К этой группе относятся хромистые стали, которые обозначаются буквой F. Это стали с высоким содержанием хрома – до 30%, при этом содержание углерода ограничивается 0,15%.
Данные стали обладают ферромагнитными свойствами: они могут быть намагничены вне магнитного поля, если температура является критически низкой.
Для достижения лучших характеристик необходимо правильно найти и отрегулировать соотношение содержания углерода и хрома.
Преимущества ферритных сталей заключаются в их повышенной прочности и пластичности, а также оптимальной деформируемости при холодной обработке. Эти материалы также устойчивы к коррозии. В качестве процессов термической обработки оптимально подходит отжиг.
Ферритные стали используются в производстве трубопроката, а также в изготовлении различных листовых и профилированных изделий.
В каких отраслях применяется сталь данной группы:
- Химическая и нефтехимическая промышленность – разработка оборудования и конструкций для работы в условиях кислотно-щелочной среды;
- Тяжелое машиностроение;
- Энергетика;
- Приборостроение для нужд промышленности;
- Изготовление бытовой техники и специализированных устройств;
- Пищевая промышленность;
- Медицинская отрасль.
Примеры марок сталей по ГОСТу и их применение:
- Сталь 08Х13 — это ферритный хромистый сплав, часто используемый для производства столовых приборов.
- Сталь 12Х13 — ферритный хромистый сплав, применяющийся для хранения алкогольных продуктов.
- Сталь 12Х17 — ферритный хромистый жаропрочный сплав, из которого изготавливаются контейнеры для обработки продуктов при высоких температурах.
Мартенситная группа
Мартенсит — это структура, которая формируется при закалке заготовки или слитка металла с последующим его отпуском. Процесс заключается в том, что заготовка нагревается до критической температуры, а при отпуске металл быстро охлаждается.
После такой обработки кристаллическая решётка претерпевает изменения, в результате чего материал становится чрезвычайно твёрдым, но и более хрупким.
В результате проведённых операций получаются сплавы, обладающие следующими свойствами:
- высокая твёрдость;
- сверхпрочность;
- упругость;
- устойчивость к коррозии;
- жаропрочность.
400 серия
В эту серию нержавеющей стали входят как ферритные, так и мартенситные сплавы. Эти марки могут подвергаться термической обработке, обеспечивая хорошее сочетание прочности и высокой износостойкости. Тем не менее, коррозионная стойкость этих сталей ниже по сравнению с серией 300.
Сферы применения стали 400 серии включают:
- Сельскохозяйственная техника;
- Валы двигателей;
- Детали газовых турбин и прочее.
Классы SAE
В системе нумерации SAE для обозначения нержавеющей стали используется одна буква, за которой следует 5-значный числовой код UNS. Например, обычная марка AISI 304 имеет код SAE S30400. Хотя большинство марок получили свои обозначения, недавно разработанные эксклюзивные марки могут именоваться по воле их владельцев и не иметь кода SAE.
Если вам интересна данная тема, рекомендуем ознакомиться и со второй частью в нашем блоге.
Если вам понравилась статья, ставьте лайк, делитесь ею с друзьями и оставляйте комментарии!
