Нержавеющая сталь: свойства, виды, состав, особенности металла

Нержавеющая сталь — это сплав, в котором к железу добавляют хром, ниобий, титан или никель для улучшения его физико-механических свойств. Это позволяет придать металлу дополнительные свойства: в зависимости от вида легирующей добавки и ее количества он становится более прочным, пластичным или приобретает другие качества.

Основное свойство нержавеющей стали — коррозионная стойкость. Она появляется при добавлении хрома: его используют во всех нержавеющих сплавах. Никель обеспечивает материалу жаропрочность, пластичность, стойкость к агрессивным химическим средам. Титан и ниобий повышают прочность, предотвращают межкристаллитную коррозию. Углерод тоже повышает твердость и прочность, но его обычно ограничивают, поскольку его избыток снижает коррозионную стойкость.

Нержавеющая сталь хорошо поддается различным видам обработки: сгибанию, растяжению, прокату, резке. Подробно об особенностях, плюсах и минусах разных видов нержавеющей стали рассказываем в статье.

Как производят нержавеющую сталь

Процесс получения нержавеющей стали включает несколько этапов:

1. Подготовка. На этом этапе выбирают сырье для обработки. Чтобы обеспечить высокую стойкость к коррозии, в сплав добавляют не менее 10% хрома. Другие легирующие компоненты выбирают в зависимости от типа материала.
2. Плавление. Компоненты загружают в печь, где их разогревают до температуры плавления (около 1375–1530°С — в зависимости от марки стали и легирующих элементов). Возможна индукционная плавка в электродуговых, литейных печах и т. д.
3. Удаление углерода. Чтобы удалить излишки углерода, расплавленный металл отправляют в систему аргонокислородного или вакуумного обезуглероживания. В результате получают стандартный или низкоуглеродистый сплав.
4. Раскисление. Из металла удаляют лишний кислород. Для этого добавляют силикомарганец или алюминий. В результате меняется структура стали, повышается ее прочность.
5. Формирование. Расплавленную сталь разливают по формам. Чтобы ускорить затвердевание, используют охлаждение в различных средах. В зависимости от этого меняются механические характеристики и структура итогового материала.
6. Обработка. Когда материал окончательно застынет, его подвергают механической обработке. На этом этапе из слябов формируют листы, трубы, детали и прочие изделия.

Чтобы получить материал высокого качества, важно строго соблюдать пропорции компонентов и технологии изготовления. Свойства и химический состав сплавов указаны в ГОСТ 56322014.

Также есть и другие стандарты, регулирующие методы анализа химического состава сталей. Например, ГОСТ 12344–2003 содержит методы определения углерода, ГОСТ 12350–78 — хрома, ГОСТ 12352-81 — никеля в сталях легированных и высоколегированных.

Виды нержавеющей стали

Различают 4 класса нержавеющей стали:

• аустенитная;
• ферритная;
• мартенситная;
• дуплексная.

Их отличия — в составе, свойствах нержавеющей стали, сферах применения. Рассмотрим каждый вид подробнее.

Аустенитная нержавеющая сталь

Наряду с ферритной, это один из наиболее распространенных видов нержавеющей стали. Аустенит — это высокотемпературная фаза железа (γ-железо), которая стабилизируется при добавлении никеля, азота или других составляющих.

Основные компоненты аустенитной стали:

1. Железо. В зависимости от вида в сплаве обычно содержится 65–74% металла.
2. Хром. Вводят от 16 до 26%, что объясняет повышенную стойкость к коррозии.
3. Никель. В пределах 6–22%. Отвечает за стабилизацию аустенитной фазы, повышает пластичность.
4. Углерод. В аустенитной стали этот компонент используют в небольших количествах — не более 0,15%. Углерод повышает прочностные характеристики.

В качестве дополнительных компонентов используют:

• марганец — 1–2%: применяют вместо никеля, чтобы сократить расходы на производство;
• молибден — 2–4%: нужен для повышения стойкости к коррозии;
• азот — 0,1–0,3%: используют для повышения прочностных характеристик.

Основные преимущества аустенитных сталей:

1. Повышенная прочность. Материал устойчив к нагрузкам, значительным перепадам температуры.
2. Устойчивость к коррозии. Аустенитные сплавы используют при производстве конструкций, которые постоянно контактируют с морской водой (турбин, корабельных элементов).
3. Химическая инертность. Сплавы используют в изделиях, которые контактируют с щелочами, кислотами, радиоактивными компонентами.
4. Отсутствие магнитных свойств. Особая кристаллическая структура обеспечивает немагнитность стали, потому ее можно использовать для производства чувствительного оборудования.

Аустенитную сталь применяют в разных сферах:

1. Медицина. Производят лабораторное оборудование, хирургические инструменты, металлические импланты.
2. Пищевая промышленность. Из аустенитной стали изготавливают кухонную утварь, столовые приборы, различные емкости.
3. Энергетика. Металл применяют для компонентов котлов, турбин, реакторов.
4. Нефтехимическая, химическая промышленность. Из аустенитной стали изготавливают теплообменники, резервуары для хранения или транспортировки кислот, щелочей.
5. Транспорт. Производят детали кораблей, автомобилей (особенно актуально, если оборудование находится в агрессивных средах или в условиях повышенной влажности).
6. Строительство. Выпускают элементы фасадов, ограждений, несущих конструкций.

Поскольку в аустенитных сталях повышенное содержание хрома и никеля, они достаточно дорогие в производстве.

Ферритная нержавеющая сталь

Это сплав, который содержит легированный феррит и небольшой процент карбидов. Ферритом называют твердый раствор углерода с легирующими элементами в α-железе. Основное отличие от аустенитных сталей — отсутствие никеля. Ферритная нержавеющая сталь — материал с магнитными свойствами и более низкой ценой.

Состав нержавеющей стали данного типа:

• железо — основной компонент (в среднем от 70 до 90%);
• хром — 10–30%;
• углерод — менее 0,2%.

В некоторых марках стали могут присутствовать дополнительные легирующие элементы, а именно:

• кремний — повышает устойчивость к окислению;
• молибден — усиливает коррозионную стойкость;
• титан — улучшает свариваемость и стабилизирует структуру материала;
• ниобий — повышает устойчивость к коррозии и прочностные характеристики.

Преимущества ферритной нержавеющей стали:

1. Более высокая теплопроводность в сравнении с аустенитными сталями.
2. Устойчивость к коррозии ввиду высокого содержания хрома (однако устойчивость к агрессивным средам ниже, чем у аустенитной стали).
3. Хорошая свариваемость (особенно при наличии ниобия и титана в составе).
4. Невысокая стоимость из-за отсутствия в составе никеля.
5. Магнитные свойства за счет молекулярной структуры и состава.

Этот тип нержавеющей стали используют в таких отраслях:

1. Строительство. Ферритную сталь применяют для возведения фасадных конструкций, вспомогательных элементов.
2. Автомобильная промышленность. Сталь используют для производства компонентов двигателя и выхлопной системы.
3. Химическая промышленность. Из материала изготавливают трубопроводы, резервуары.
4. Производство товаров повседневного использования (кухонных принадлежностей, сантехники, бытовой техники). Благодаря устойчивости к коррозии ферритную сталь применяют при изготовлении раковин, столовых приборов, элементов бытовой техники.

Широкое применение ферритной нержавеющей стали обусловлено сочетанием высокой прочности, коррозионной стойкости и конкурентной стоимости.

Мартенситная нержавеющая сталь

Этот материал получают при быстром охлаждении (закалке) аустенитной фазы. Мартенситная сталь отличается высокой прочностью и твердостью, но плохо переносит ударные нагрузки.

Из чего делают нержавеющую сталь этого типа:

1. Железо — около 80%.
2. Хром — от 12 до 18%.
3. Углерод — до 1,2%.

Чтобы улучшить коррозионную устойчивость и механические свойства, в некоторых марках используют дополнительные легирующие элементы (например, титан, молибден, ниобий).

Основные преимущества:

1. Высокая прочность и твердость (благодаря термической обработке).
2. Износостойкость.
3. Магнитные свойства.

Сферы применения мартенситной нержавеющей стали:

1. Автомобильная промышленность. Используют при производстве компонентов выхлопных систем, двигателей, клапанов, топливных форсунок и т. д.
2. Медицинская сфера. Из мартенситной нержавеющей стали изготавливают стоматологические, хирургические инструменты, ортопедические имплантаты.
3. Аэрокосмическая промышленность. Используют при изготовлении конструктивных элементов, крепежей, шасси, турбинных лопаток.
4. Нефтегазовая отрасль. Мартенситную сталь применяют при производстве клапанов, трубопроводов.
5. Оборонная сфера. Из мартенситной стали изготавливают элементы брони, ножи, стволы оружия, детали ракет.
6. Энергетическая сфера. Используют для деталей насосов, турбин, парогенераторов.

Мартенситную нержавеющую сталь применяют при производстве ножей и прочих режущих инструментов ввиду высокой твердости, стойкости к износу, способности длительное время сохранять остроту. Поскольку этот вид сталей обладает меньшей устойчивостью к коррозии, чем аустенитные и ферритные, их применяют в средах с невысокой агрессивностью.

Дуплексная нержавеющая сталь

Такие сплавы сочетают в себе аустенитную и ферритную микроструктуры. Процентное соотношение феррита и аустенита зависит от марки стали, но обычно показатели варьируются от 40 до 60%. Результат — уникальные коррозионные и механические свойства, которые превосходят показатели отдельных ферритных и аустенитных сталей.

В состав материала входит:

• железо — 65–75%;
• хром — 21–26%;
• никель — 3–5%.

Для повышения стойкости к точечной коррозии в состав могут добавлять молибден и азот.

Основные преимущества дуплексных сталей:

1. Высокая прочность. Этот вид стали в 1,5–2 раза прочнее, чем аустенитные и ферритные аналоги.
2. Сравнительная дешевизна. Дуплексные нержавеющие стали дешевле аустенитных благодаря низкому содержанию никеля.
3. Устойчивость к коррозии. Дуплексные стали хорошо противостоят щелевой и точечной коррозии (особенно в хлоридных средах).
4. Простота обработки, хорошая свариваемость. Однако важно учитывать, что пластичность дуплексной стали несколько ниже, чем аустенитной.

Сферы применения:

1. Строительство: возведение элементов зданий (в том числе и в морских, прибрежных зонах), конструкции мостов.
2. Нефтегазовая промышленность: изготовление насосов, трубопроводов, коллекторов.
3. Опреснение морской воды: производство испарителей опреснительных установок и прочих компонентов, которые работают в условиях высоких температур и агрессивных сред.

Сфера применения постоянно расширяется благодаря небольшой стоимости и высоким механическим и химическим свойствам нержавеющей стали этого типа.

Маркировка

Выделяют три серии марок нержавеющей стали. У каждой — свои особенности. Рассмотрим свойства марок нержавеющей стали подробнее.

200-я серия

Хромоникелевые аустенитные составы. Здесь марганец, азот частично заменяют никель. Результат — невысокая стоимость при сохранении большинства характеристик аустенитной стали. В 200-ю серию входит несколько марок, которые отличаются соотношением компонентов. Рассмотрим наиболее распространенные:

1. AISI 201. Пластичный, прочный сплав. Отличается хорошей устойчивостью к коррозии, но она ниже, чем у марок 300-й серии. Материал применяют в автомобилестроении, строительстве, при изготовлении кухонной посуды.
2. AISI 202. Марка с увеличенным содержанием никеля. Сплав более устойчивый к коррозии и прочный, но менее пластичный, чем AISI 201. Его используют при производстве листового проката, труб и конструкций, на которые приходятся повышенные нагрузки. Этот материал ограниченно применяют в агрессивных средах.

Нержавеющая сталь обеих марок отличается простотой в обработке.

300-я серия

Это хромоникелевые составы, которые могут быть аустенитными, аустенитно-мартенситными и аустенитно-ферритными. Все зависит от содержания хрома, углерода, титана и никеля.

Марки 300-й серии:

1. AISI 301. Немагнитный сплав с высокой пластичностью, прочностью. Он отличается простотой обработки. Подходит для применения в неагрессивных средах (например, детали железнодорожных составов, автомобилей, медтехники, оборудования для бытового использования).
2. AISI 302. Прочный, устойчивый к коррозии и достаточно пластичный материал. Сплав используют в производстве стопорных колец, пружин.
3. AISI 304. Устойчивый к коррозии материал, который хорошо сваривается. Благодаря свойствам нержавеющей стали (AISI 304) ее широко применяют в пищевой, фармацевтической, химической, текстильной и нефтяной промышленности.
4. AISI 316. Этот сплав получают при добавлении молибдена в AISI 304. Результат — повышенная стойкость к высоким температурам, коррозии. Но возрастает и стоимость марки. AISI 316 используют в нефтегазовой отрасли, судостроении.
5. AISI 316L. Основные преимущества сплава — легкость в обработке, хорошая свариваемость. Материал используют в строительстве и промышленности.
6. AISI 316T. Содержит титан, что улучшает стойкость к высоким механическим нагрузкам и температурам. Сферы использования — химическая промышленность, машиностроение, пищевая промышленность.
7. AISI 321. Еще один сплав, в котором высокое содержание титана. Результат — материал выдерживает повышение температуры до 800°С без изменения характеристик. Благодаря высокой прочности его используют в производстве бесшовных труб и компонентов трубопроводов (фитингов, переходников и т. д.).

За счет механических свойств нержавеющая сталь 300-й серии стала одной из наиболее популярных.

400-я серия

К этой группе относятся три вида сплавов: мартенситные, ферритные, мартенситно-ферритные сплавы. Их делят на такие марки:

1. AISI 403. Устойчивый к повышенным температурам мартенситно-ферритный сплав. Его применяют в машиностроении, нефтяной, энергетической и газовой промышленности.
2. AISI 409. Материал устойчив к механическим повреждениям и воздействию высокой температуры. Основное применение — выхлопные системы автомобилей и другие компоненты, которые работают в условиях умеренных температурных нагрузок. Сплав также используют для изготовления труб и оборудования, которое применяют в промышленности.
3. AISI 410. Это прочный и очень пластичный сплав, который переносит температуры до 500°С с сохранением характеристик. Благодаря коррозионной стойкости марку применяют в различных сферах промышленности (например, в машиностроительной, химической).
4. AISI 416. Это простой в обработке мартенситный сплав. Его применяют для производства листового проката, металлопрофиля, трубопроводов.
5. AISI 420. Материал с высокой стойкостью к коррозии, повышенным температурам. Благодаря сравнительно низкой стоимости его используют в тех отраслях промышленности, где нужны экономически эффективные решения.
6. AISI 430. Сплав ферритного типа с умеренной устойчивостью к коррозии. Его применяют в слабоагрессивных средах — в строительной отрасли и для производства бытовой техники.
7. AISI 439. Сплав ферритной группы. Его особенность — отсутствие в составе никеля. В качестве основного легирующего элемента здесь используют титан. Основное преимущество — коррозионная устойчивость, жаростойкость (до 850°С). Сплав применяют в строительстве, пищевой и машиностроительной промышленности.
8. AISI 441. В качестве легирующих элементов для этого сплава использовали титан и ниобий (никель отсутствует). Благодаря большому количеству хрома материал устойчив к коррозии. Титан и ниобий повышают свариваемость, формуемость. Такой металл используют в производстве бытовой техники, в автомобильной промышленности.

Сплавы данной серии отличаются повышенным содержанием хрома и низким процентом углерода в составе. Поэтому такие марки дешевле в сравнении с 200-й и 300-й.

Срок службы

Средний срок службы нержавеющей стали — 20–50 лет. Но все зависит от условий эксплуатации, типа сплава, особенностей обработки поверхности. В агрессивных средах возможно сокращение срока службы, поэтому важно правильно выбирать марку стали.

При отсутствии негативных факторов (воздействие осадков, соленой воды, химических веществ), нержавеющие сплавы сохраняют свои первоначальные свойства 100 лет и более.

Заключение

Нержавеющая сталь востребована в большинстве отраслей — от пищевой до нефтехимической промышленности. Благодаря комбинации процентного состава легирующих элементов, методов обработки можно получать разные механические, магнитные и химические свойства нержавеющей стали. Но основное преимущество любого сплава этой группы — устойчивость к коррозии.