Легированные стали занимают значительную долю рынка металлургической продукции. К ним относятся так называемые «нержавейки» – группа сплавов, отличающихся повышенной устойчивостью к коррозии. За время существования этого материала его номенклатура расширилась до нескольких сотен наименований, поэтому были разработаны системы классификации и маркировки.
Стоит сразу уточнить, что название «нержавеющая сталь» не совсем точно отражает свойства материала. Любой железоуглеродистый сплав подвержен воздействию кислорода и агрессивных веществ, но скорость и характер коррозионного разрушения у разных сталей различаются. Поэтому нержавеющие стали правильнее называть коррозиестойкими.
Почему важно разбираться в составе нержавейки
Почему важно разбираться в составе нержавейки
Выбор марки стали напрямую влияет на то, как изделие будет вести себя в реальных условиях эксплуатации. Ошибка здесь влечет за собой не просто перерасход бюджета, но и реальные проблемы в работе.
Если взять неподходящий материал для пищевого производства, он может ускоренно корродировать при контакте с кислотными, солевыми или моющими средами, особенно при повышенной температуре. Для сварных конструкций марка без стабилизирующих добавок (титана или ниобия) или с неподходящим содержанием углерода может частично потерять коррозионную стойкость в зоне шва после термического воздействия. Понимание состава позволяет избежать таких ошибок и подобрать материал точно под задачу.
Химический состав нержавеющей стали
Химический состав нержавеющей стали
Основу нержавеющей стали составляет железо (65–75%), а ее свойства определяются набором и концентрацией легирующих добавок.
Базовыми легирующими элементами считаются хром и никель. Хром обеспечивает коррозионную стойкость: при его достаточном содержании на поверхности изделия образуется тонкая защитная пленка, препятствующая дальнейшему окислению. Никель повышает пластичность, улучшает свариваемость и способствует формированию аустенитной структуры. Соотношение никеля и хрома во многом определяет ударную вязкость, технологичность и способность стали воспринимать холодную деформацию.
Вот как основные элементы влияют на свойства стали:
- Хром (Cr) – главный антикоррозийный элемент. Его содержание в нержавеющих сталях обычно составляет от 10,5% до 27%. Чем выше его доля, тем выше стойкость к коррозии и воздействию высоких температур.
- Никель (Ni) – повышает пластичность, улучшает свариваемость и коррозионную стойкость, особенно в кислотных средах. В аустенитных сталях его содержание обычно составляет от 8 до 20% и более, в зависимости от марки.
- Углерод (C) – повышает прочность и твердость, но при высоком содержании может снижать коррозионную стойкость. В большинстве нержавеющих сталей его доля невелика. Например, марка 95Х18 имеет менее выраженные коррозионностойкие свойства по сравнению с 40Х13, несмотря на более высокое содержание хрома, во многом из-за повышенного содержания углерода.
- Молибден (Mo) – повышает стойкость к точечной и щелевой коррозии, особенно при контакте с солями, морской водой и хлорсодержащими средами. Присутствует, например, в марках 316 и 316L.
- Марганец (Mn) и кремний (Si) – применяются как элементы раскисления, влияют на прочность, жаростойкость и технологические свойства стали. При избыточном содержании могут ухудшать пластичность.
- Титан (Ti) и ниобий (Nb) – стабилизируют структуру сплава, связывают углерод и снижают риск образования карбидов хрома по границам зерен. Особенно важны для сварных конструкций.
Помимо перечисленных, в состав могут входить и другие элементы: алюминий улучшает окислительную стойкость при высоких температурах, медь повышает устойчивость к кислотам, а кобальт, вольфрам и ванадий применяются для придания специальных структурных и эксплуатационных свойств.
Фосфор и сера в небольших количествах могут улучшать обрабатываемость, но ухудшают коррозионную стойкость и пластичность, поэтому их содержание строго контролируется по ГОСТ.
Классификация нержавеющих сталей
Классификация нержавеющих сталей
Нержавеющие стали классифицируют по нескольким признакам. Понимание этой классификации помогает быстрее ориентироваться в марках и подбирать подходящий материал под конкретные условия эксплуатации.
По составу
По основным легирующим элементам нержавеющие стали подразделяют на хромистые, хромоникелевые, хромомарганцевые и другие группы. Одни элементы обеспечивают коррозионную стойкость, другие повышают жаростойкость, прочность, технологичность или устойчивость к специальным видам коррозии.
По свойствам
Более наглядное представление о сплавах дает разделение на группы по эксплуатационным свойствам. Каждая группа рассчитана на определенные условия работы:
Коррозиестойкие стали отличаются высокой сопротивляемостью атмосферной и химической коррозии и предназначены для нормальных или умеренно агрессивных условий эксплуатации. Примерами могут служить марки, применяемые для изготовления посуды, бытовых изделий и оборудования для пищевой промышленности: 08Х18Н10, 20Х13, 30Х13.
Жаростойкие стали обладают высокой сопротивляемостью к образованию окалины при высоких температурах. Применяются для изготовления теплообменников котельных и пиролизных установок (15Х28), клапанов автомобильных и авиационных двигателей (40Х10С2М), деталей для нагревательных металлургических печей (10Х23Н18).
Жаропрочные стали способны длительно работать под нагрузкой при высоких температурах без существенных деформаций и разрушений. В них используются сложные системы легирования (05Х27Ю5, 15Х12ВН14Ф, 37Х12Н8Г8МФБ). Умеренной жаропрочностью также обладают некоторые коррозионностойкие стали типа 20Х13.
По структуре
Микроструктура нержавеющей стали определяется концентрацией и типом легирующих компонентов. Именно от нее зависят магнитные свойства, пластичность, свариваемость и поведение материала при термообработке.
По микроструктуре нержавеющие стали делятся на следующие классы:
- аустенитные;
- ферритные;
- мартенситные.
Кроме них существуют промежуточные группы:
- аустенито-ферритные;
- мартенсито-ферритные;
- мартенсито-карбидные.
Физико-химические свойства нержавеющих сталей
Физико-химические свойства нержавеющих сталей
Аустенитные стали
При кристаллизации аустенитные стали образуют однофазную систему с кристаллической решеткой гранецентрированного типа. Один из наиболее ярких представителей этого класса – сплав 08Х18Н10. Благодаря высокому содержанию никеля в нержавейках этого класса (до 30%) аустенитная фаза сохраняет устойчивость вплоть до – 200 °C. Стали с такой структурой, как правило, отличаются высокой пластичностью, хорошей технологичностью и в большинстве случаев немагнитны.
Аустенитные стали обязательно подвергаются термообработке: закалке, отпуску или отжигу. Скорость охлаждения практически не изменяет твердости, однако оказывает влияние на устойчивость к жидким и газообразным агрессивным средам, стабилизирует размер зерна, устойчивость к деформации.
В системы легирования аустенитных хромоникелевых сталей вводят дополнительные элементы:
- молибдена – для повышения стойкости к питтингу и работы в более агрессивных средах;
- титана и ниобия – для защиты от межкристаллической коррозии;
- кремния – для повышения кислотостойкости;
- марганца – для улучшения технологических и литейных качеств.
Ферритные стали
В этот класс входят хромистые стали с низким содержанием углерода. Они имеют объемно-центрированную кубическую решетку, определяющую магнитные свойства. Ферритные стали обладают меньшей коррозионной стойкостью по сравнению с аустенитными в ряде агрессивных сред, не упрочняются термообработкой, но имеют более высокие технологические свойства. Они легче подвергаются механической обработке и лучше свариваются, а их себестоимость значительно ниже. При температуре 300 – 400 °C стали приобретают высокую пластичность, и из них можно получать объемные штампованные детали сложной формы.
Содержание хрома в таких сталях достигает 27%. В качестве стабилизирующих добавок используют молибден, титан и алюминий.
Мартенситные стали
Сплавы этого класса содержат не менее 0,15 % углерода и 11 % хрома. Мартенсит имеет микроскопическую игольчатую структуру и при увеличении выглядит так же, как и углеродистая сталь после закалки. Кристаллическая решетка имеет тетрагональную форму и характеризуется высокими внутренними напряжениями. Это определяет высокие прочностные свойства и твердость. Например, для 40Х13 она составляет до 52 – 55 HRC. В качестве дополнительных легирующих элементов вводятся молибден, ниобий, ванадий и вольфрам. Мартенситные стали из-за высокой твердости плохо поддаются резанию и имеют низкую пластичность по сравнению с аустенитными.
Одно из основных технологических свойств коррозиестойких сталей с такой структурой – способность к самозакаливанию. Мартенситное превращение происходит при охлаждении на воздухе. Для повышения жаропрочности сталь после закалки подвергают отпуску на сорбит или троостит.
Как читать маркировку нержавеющей стали
Как читать маркировку нержавеющей стали
Маркировка позволяет сразу понять состав стали и ее примерные свойства. В России используется система ГОСТ, в которой марка записывается буквами и цифрами. Расшифровать ее несложно.
Например, марка 08Х18Н10 означает следующее:
- содержание углерода около 0,08%;
- хром около 18%;
- никель около 10%.
Международная система AISI работает по схожему принципу. Например, AISI 304 – это сталь с 18% хрома и 8% никеля, она же «нержавейка 18/8». AISI 316 отличается добавкой молибдена, а AISI 321 – стабилизацией титаном.
Вот краткая таблица соответствия популярных марок и их назначения:
| Марка AISI | Аналог ГОСТ | Применение |
|---|---|---|
| 304 | 08Х18Н10 | Пищевая промышленность, медицина, бытовые изделия |
| 316 | 03Х17Н14М3 | Нефтегаз, судостроение, химическая промышленность |
| 321 | 08Х18Н10Т | Системы отопления, сварные конструкции, детали, работающие при нагреве |
| 430 | 12Х17 | Бытовая техника, строительство, декоративные изделия |
Термообработка и межкристаллическая коррозия
Термообработка и межкристаллическая коррозия
Термообработка оказывает большое влияние на коррозионную стойкость нержавеющей стали. Этот момент особенно важно учитывать при производстве сварных изделий.
При нагреве стали до 500–800 °C на границах зерен образуются цепочки карбидов хрома и появляются зоны с пониженным содержанием этого элемента. В теле зерна концентрация легирующих элементов остается высокой, а на границах падает. Именно в этих зонах и развивается так называемая межкристаллическая коррозия. Чаще всего она наблюдается в районе сварных швов.
Для борьбы с этим явлением в состав стали вводят небольшое количество титана. Он связывает углерод и не дает карбидам хрома образовываться в опасных зонах. Именно поэтому для сварных конструкций рекомендуют марки со стабилизирующими добавками, например, 08Х18Н10Т (AISI 321).
Преимущества и ограничения нержавеющей стали
Преимущества и ограничения нержавеющей стали
Нержавеющая сталь востребована в промышленности благодаря сочетанию свойств, которое сложно найти в других материалах. Тем не менее, как и у любого материала, у нее есть не только сильные стороны.
К преимуществам относятся:
- высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах;
- механическая прочность и устойчивость к нагрузкам;
- долговечность – сталь сохраняет свойства и внешний вид на протяжении всего срока службы;
- гигиеничность и нейтральность по отношению к пищевым продуктам при правильном подборе марки;
- эстетичный внешний вид;
- возможность вторичной переработки.
Из ограничений стоит учитывать:
- высокую стоимость по сравнению с обычной углеродистой сталью;
- низкую теплопроводность, что важно для ряда теплообменных конструкций;
- снижение некоторых характеристик при воздействии экстремально низких температур (актуально для отдельных марок).
Именно наличие ограничений делает выбор марки принципиально важным: один и тот же материал может отлично работать в одних условиях и быстро выйти из строя в других.
