Нержавеющая сталь (коррозионно-стойкие стали, в просторечье «нержавейка») — легированная сталь, устойчивая к коррозии в атмосфере и агрессивных средах, обладающая термостойкими свойствами. Различные марки нержавеющей стали включают хром, никель, углерод, азот, алюминий, кремний, серу, титан, медь, селен, ниобий и молибден . Однако в условиях, например, соляного тумана и морской воды, а также при нарушении технологии сварки и термической обработки и нержавеющая сталь подвергается коррозии. Как правило, хромистая нержавеющая сталь плохо поддается сварке и отличается флокеночувствительностью.
История
В 1820—1821 годах Майкл Фарадей и Пьер Бертье отметили способность сплава хрома с железом сопротивляться кислотной коррозии. Поскольку учёные ещё не знали о роли низкого содержания углерода, они не смогли получить сплав с высоким содержанием хрома.
Нержавеющая сталь была запатентована в 1912 году немецкими инженерами Krupp. Патент касался аустенитной стали. Название «нержавеющая сталь» впервые использовал английский инженер Гарри Брирли. Он работал в военной промышленности в лабораториях Браун-Ферт в Шеффилде. В 1913 году Гарри Брирли, экспериментировавший с различными видами и свойствами сплавов, обнаружил способность стали с высоким содержанием хрома сопротивляться кислотной коррозии.
Англичанину удалось убедить в своём новом изобретении производителя ножей . Изначально нержавеющая сталь использовалась только для изготовления столовых приборов. В 1924 году Великобритания запатентовала сталь по стандарту AISI 304, содержащую хрома и никеля.
Группы
Нержавеющие стали делят на три группы:
коррозионностойкие стали — от них требуется стойкость к коррозии в несложных промышленных и бытовых условиях (из них можно изготавливать детали оборудования для нефтегазовой, лёгкой, машиностроительной промышленности, хирургические инструменты, бытовую нержавеющую посуду и тару); жаростойкие стали — от них требуется жаростойкость — то есть стойкость к коррозии при высоких температурах в сильно агрессивных средах (например, на химических заводах и на тепловых электростанциях). Как правило это сложнолегированные стали, содержащие помимо хрома и никеля вольфрам, ниобий, молибден, ванадий, титан и другие металлы; жаропрочные стали — от них требуется жаропрочность — то есть хорошая механическая прочность при высоких температурах.
Химический состав
Нержавеющая сталь отличается от углеродистой по содержанию хрома. Незащищённая углеродистая сталь сразу ржавеет под воздействием воздуха и влаги. Эта плёнка оксида железа (ржавчины) активна и ускоряет коррозию, облегчая создание большего количества оксида железа. Поскольку оксид железа имеет более низкую плотность, чем сталь, слой расширяется и имеет тенденцию отслаиваться и опадать. В то же время нержавеющие стали содержат достаточно хрома для пассивирования, создавая на поверхности инертный слой оксида хрома. Этот слой предотвращает дальнейшую коррозию, блокируя диффузию кислорода к поверхности стали, и останавливает распространение коррозии по большей части металла. Пассивация происходит только при достаточно высоком содержании хрома и при наличии в нём кислорода.
При выборе химического состава коррозионностойкого сплава руководствуются так называемым правилом : если к металлу, неустойчивому к коррозии (например, к железу) добавлять металл, образующий с ним твёрдый раствор и устойчивый против коррозии (к примеру хром), то защитное действие проявляется скачкообразно при введении моль второго металла (коррозионная стойкость возрастает не пропорционально количеству легирующего компонента, а скачкообразно). Основной легирующий элемент нержавеющей стали — хром Cr (12—20 %); помимо хрома, нержавеющая сталь содержит элементы, сопутствующие железу в его сплавах (С, Si, Mn, S, Р), а также элементы, вводимые в сталь для придания ей необходимых физико-механических свойств и коррозионной стойкости (Ni, Mn, Ti, Nb, Co, Mo).
Сопротивление нержавеющей стали коррозии напрямую зависит от содержания хрома (и никеля): при его содержании 13 % и выше сплавы считаются нержавеющими в обычных условиях и в слабоагрессивных средах, более 17 % — коррозионностойкими и в более агрессивных окислительных и других средах, в частности, в азотной кислоте крепостью до 50 %.
Причина коррозионной стойкости нержавеющей стали объясняется главным образом тем, что на поверхности хромсодержащей детали, контактирующей с агрессивной средой, образуется тонкая плёнка нерастворимых окислов, при этом большое значение имеет состояние поверхности материала, отсутствие внутренних напряжений и кристаллических дефектов.
В среде сильных кислот (серной, соляной, фосфорной и их смесях) при повышенных температурах применяют сложнолегированные сплавы с высоким содержанием Ni (или даже на его основе) и присадками Mo, Cu и Si.
Повышенная атмосферная коррозионностойкость стали достигается, как правило, целенаправленным изменением её химического состава. Считается, что наиболее эффективно повышают сопротивление строительных сталей атмосферной коррозии небольшие добавки никеля, хрома и особенно фосфора и меди. Так, легирование медью в пределах 0,2—0,4 % повышает на 20—30 % стойкость против коррозии открытых конструкций в промышленной атмосфере.
Классификация
По химическому составу нержавеющие стали делятся на:
Хромистые, которые, в свою очередь, по структуре делятся на; Мартенситные; Полуферритные (мартенисто-ферритные); Ферритные; Хромоникелевые; Аустенитные Аустенитно-ферритные Аустенитно-мартенситные Аустенитно-карбидные ХромомарганцевоникелевыеYu. A. Semerenko, L. N. Pal'-Val, L. V. Skibina. Acoustic resistance properties of new γ-austenitic alloys of the Fe-Cr-Mn system in the temperature range 5—325 K // Physics of Metals & Advanced Technologies 5, № 2. P. 213—221 (2010) (классификация совпадает с хромоникелевыми нержавеющими сталями).
Различают аустенитные нержавеющие стали, склонные к межкристаллитной коррозии, и стабилизированные — с добавками Ti и Nb. Значительное уменьшение склонности нержавеющей стали к межкристаллитной коррозии достигается снижением содержания углерода (до 0,03 %).
Нержавеющие стали, склонные к межкристаллитной коррозии, после сварки, как правило, подвергаются термической обработке.
Широкое распространение получили сплавы железа и никеля, в которых за счёт никеля аустенитная структура железа стабилизируется, а сплав превращается в слабо-магнитный материал.
Мартенситные и мартенсито-ферритные стали
Мартенситные и мартенситно-ферритные стали обладают хорошей коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в слабоагрессивных средах (в слабых растворах солей, кислот) и имеют высокие механические свойства. В основном их используют для изделий, работающих на износ, в качестве режущего инструмента, в частности, ножей, для упругих элементов и конструкций в пищевой и химической промышленности, находящихся в контакте со слабоагрессивными средами. К этому виду относятся стали типа 30Х13, 40Х13
Ферритные стали
Эти стали применяют для изготовления изделий, работающих в окислительных средах (например, в растворах азотной кислоты), для бытовых приборов, в пищевой, лёгкой промышленности и для теплообменного оборудования в энергомашиностроении.
Ферритные хромистые стали имеют высокую коррозионную стойкость в азотной кислоте, водных растворах аммиака, в аммиачной селитре, смеси азотной, фосфорной и фтористоводородной кислот, а также в других агрессивных средах. К этому виду относятся стали 400-й серии.
Аустенитные стали
Основным преимуществом сталей аустенитного класса являются их высокие служебные характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и хорошая технологичностьЛ. Н. Паль-Валь, Ю. А. Семеренко, П. П. Паль-Валь, Л. В. Скибина, Г. Н. Грикуров. Исследование акустических и резистивных свойств перспективных хромо-марганцевых аустенитных сталей в области температур 5—300 К // Конденсированные среды и межфазные границы — Т. 10, № 3. — С. 226—235 (2008). Поэтому аустенитные коррозионностойкие стали нашли широкое применение в качестве конструкционного материала в различных отраслях машиностроения. Теоретически изделия из аустенитных нержавеющих сталей при нормальных условиях — немагнитные. Магнитные свойства нержавеющих марок сталей обусловлены микроструктурой. После холодного деформирования (любой мехобработки), сварки, особенно в горячекатаных листах и плитах из аустенитных марок, могут проявляться некоторые магнитные свойства (в результате структурного превращения части аустенита в феррит и в мартенсит).
Аустенито-ферритные и аустенито-мартенситные стали
Аустенито-ферритные стали
Преимущество сталей этой группы — повышенный предел текучести по сравнению с аустенитными однофазными сталями, отсутствие склонности к росту зёрен при сохранении двухфазной структуры, меньшее содержание остродефицитного никеля и хорошая свариваемость.
Аустенито-ферритные стали находят широкое применение в различных отраслях современной техники, особенно в химическом машиностроении, судостроении, авиации. К этому виду относятся, стали типа 08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т, 08Х18Г8Н2Т.
Аустенито-мартенситные стали
Потребности современной техники в коррозионностойких сталях повышенной прочности и технологичности привели к разработке сталей мартенситного (переходного) класса. Это стали типа 07Х16Н6, 09Х15Н9Ю, 08Х17Н5М3.
Сплавы на железоникелевой и никелевой основе
При изготовлении химической аппаратуры, особенно для работы в серной и соляной кислотах, необходимо применять сплавы с более высокой коррозионной стойкостью, чем аустенитные стали. Для этих целей используют сплавы на железноникелевой основе типа 04ХН40МТДТЮ и сплавы на никельмолибденовой основе Н70МФ, на хромоникелевой основе ХН58В и хромоникельмолибденовой основе ХН65МВ, ХН60МБ.
Производство и применение
Согласно данным «International Stainless Steel Forum», мировой объём выплавки нержавеющей стали в 2009 году составил 24,579 млн тоннМировой объём выплавки нержавеющей стали в 2009 году сократился на 5,2 % // Спецсталь, 23.02.2010.
Хромистые нержавеющие стали: Клапаны гидравлических прессов; Турбинные лопатки; Арматура крекинг-установок; Режущий инструмент; Пружины; Бытовые предметы; Хромоникелевые и хромомарганцевоникелевые нержавеющие стали: Бытовые предметы, в частности, столовая посуда (пищевые марки стали) Ортопедическая стоматология (изготовление гильз для штампованных коронок) Стабилизированные аустенитные нержавеющие стали: Сварная аппаратура, работающая в агрессивных средах; Изделия, работающие при высоких температурах — 550—800 °C; Строительство и архитектура; Пищевая промышленность; Лестницы, ограждения и перила.
Нержавеющие стали используются как в деформированном, так и в литом состоянии.
Сварка нержавеющих сталей
Сварка нержавеющих сталей имеет особенности, характерные для всех высоколегированных сталей. Прежде всего, при сварке надо учитывать и предотвращать выгорание различных элементов и изменение, в связи с этим, химического состава шва, опасность перегрева места сварки, возникающего из-за низкой теплопроводности (до 50 % от нелегированных сталей) и высокого удельного электрического сопротивления свариваемого металла, а также значительные тепловые деформации, вызванные высоким коэффициентом теплового расширения.