Коррозионностойкие стали и сплавы

коррозионностойкие стали  и сплавы

Открытие нержавеющей  стали история приписывает английскому  ученому Гарри Бреарли (Шеффилд, Англия). Забракованный образец, долго  пролежавший без смазки и краски, сохранил, тем не менее, свой первоначальный вид и не покрылся традиционной ржавчиной. Так в 1913 году было обнаружено, что  сталь, содержащая хром, более устойчива  к коррозии, чем обычные сорта  стали. Это событие сильно заинтересовало общественность, в газете New York Times появилась  публикация, посвященная открытию нового материала. Это открытие имело огромное значение для развития мировой индустрии. Нержавеющая сталь начала быстро завоевывать различные отрасли  промышленности, вытесняя обычные  стали

Нержавеющая сталь

нержавеющая сталь определена как железоуглеродистый сплав с  минимумом 10,5 % содержание хрома. Название происходит из факта, что нержавеющая  сталь не портиться, коррозирует  или ржавеет так легко как  обычная сталь.  По всему миру, особенно в авиационной промышленности, этот материал также называется коррозионно-стойкой сталью, когда это точно не относится к типу сплава и сорту. “Нержавеющая” реальность Мы твердо убеждены, что нержавеющая сталь является «металлом XXI века». Ее широкое применение во многих отраслях промышленности — залог успешного экономического развития.

                        Импорт                                          Рост  объем продаж

Химический  состав

При выборе химического состава  коррозионностойкого сплава руководствуются  так называемым правилом  : если к металлу, неустойчивому к коррозии (например, к железу) добавлять металл, образующий с ним твердый раствор и устойчивый против коррозии (к примеру хром), то защитное действие проявляется скачкообразно при введении  моля 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 к коррозии напрямую зависит от содержания хрома: при его содержании 13 % и выше сплавы являются 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 сильных кислотах (серной, соляной, плавиковой, фосфорной и их смесях) применяют сложнолегированные сплавы с высоким содержанием Ni и присадками Mo, Cu, Si.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ И СООТВЕТСТВИЕ СТАНДАРТОВ.

 Соответствия основных марок нержавеющих сталей и химический состав

Обозначения нержавеющих сталей:

С1-Мартенситнаясталь 
F1-Ферритнаясталь 
A1, A2, A3, A4, A5 - Аустенитные нержавеющие стали

 
Ниже указана более полная таблица наиболее распространенных видов нержавеющих сталей и их соответствие различным стандартам. Первая цифра химического состава обозначает содержание углерода / 100, далее - основные легирующие добавки и их процентное содержание, например: 
Наиболее распространенная группа нержавейки A2 = X 5 CrNi 18 10 = углерод-0,05% хром-18% никель-10% = EN обозначение 1.4301 = AISI 304 
Вторая по распространенности группа нержавейки A4 = X 5 CrNiMo 17 12 2 = углерод-0,05% хром-17% никель-12% молибден-2% = ENобозначение1.4401=AISI316 
Руководствуясь таблицей можно найти соответствия часто встречающихся обозначений нержавеющего крепежа наряду с материаломA2иA4,например: 
DIN 7 A1 = Штифт цилиндрический X 10 CrNi S 18 9 - AISI 303 - A1 
DIN 125 1.4541 = Шайба плоская DIN 125 материал X 6 CrNiTi 18 10 - AISI 321 - A3 
DIN 2093 1.4310 = Диск пружинный тарельчатый X 12 CrNi 17 7 - AISI 301 
DIN 127 1.4571 = Шайба гровер пружинная X 6 CrNiMoTi 17 12 2 - AISI 316Ti-A5 
DIN 471 1.4122 = Кольцо стопорное наружное X 39 CrMo 17 1 
DIN 472 1.4310 = Кольцо стопорное внутреннее X 12 CrNi 17 7 - AISI 301 
DIN 934 A2 = Гайка шестигранная X 5 CrNi 18 10 - 1.4301 - AISI 304 
DIN 933 A4 = Болт с шестигранной головкой X 5 CrNiMo 17 12 2 - 1.4401-AISI316 
Также видно, что нержавейка 316L отличается от 316 более низким содержаниемуглерода.

 
Условные обозначения:

 
DIN-DeutscheIndustrieNorm 
EN-CтандартЕвронормыEN10027 
ASTM-AmericanSocietyforTestingandMaterials  
AISI-AmericanIronandSteelInstitute  
AFNOR - Association Francaise de Normalisation

Обозначения химических элементов в таблицах:

Fe - железо; 
С - Углерод 
Mn - Марганец 
Si - Кремний 
Cr - Хром 
Ni - никель

Mo - Молибден 
Ti – Титан

Свойства

Кроме хрома как "основной нержавеющей составляющей" в составе нержавеющей стали могут присутствовать никель, молибден, титан, ниобий, сера, фосфор и другие легирующие элементы определяющие свойства стали. Нержавеющие стали имеют более высокое сопротивление окислению и коррозии во многих естественных и искусственных средах, однако важно выбрать правильный тип и класс нержавеющих сталей для специального применения. Высокое сопротивление окислению на воздухе и при температуре окружающей среды обычно достигается с добавлением хрома больше 12 %. Хром формирует пассивный слой из оксида хрома (III) (Cr2O3) при контакте с кислородам. Слой слишком тонкий чтобы быть видимым, но выделяется металлическим блеском. Тем не менее, он защищает металл от воздействия воды и воздуха. Даже, когда поверхность поцарапана, этот слой быстро восстанавливается. Это явление называется пассивацией, и замечено в других металлах, например у алюминия. Когда нержавеющие стальные части типа гаек и болтов соединены вместе, окисный слой должен быть очищен с соединяемых частей, для их соединения. Когда они разбирают соединительный материал будет сорван и разрыхлен, этот эффект известен как истирание. 

Промышленная ценность нержавеющей  стали 
 
Сопротивление нержавеющей стали коррозии и ржавчине, простое техническое обслуживание и ремонт, относительная экономия, и блестящий вид делает это идеальным материалом для промышленного применения. Имеется более 150 видов наименований, пластин, брусков, проводов, шланг и трубок, которые используются в кухонной посуде, бытовых приборах, металлических изделиях, хирургических инструментах, ответственных устройствах, индустриальном оборудовании, и как строительный материал в небоскребах и больших зданиях. Известная семиэтажная башня Крайслера, строящая в Нью-Йорке украшена блеском нержавеющей стали нанесенной плакированием. Нержавеющая сталь - 100 % повторно используемый материал. Фактически, более чем 50 % новой нержавеющей стали, сделано при повторной переплавки металлолома, это в некоторой степени оказывается экологически чистым материалом. 

Структурные классы сталей в системе Fe—Cr—С н положение на диаграмме промышленных хромистых сталей

Типы нержавеющей стали

Нержавеющие стали  разделяют на две группы: хромистые  и хромоникелевые. 
Хромистые коррозионностойкие стали применяют трех типов: с 13, 17 и 27%хрома. 
При этом содержание углерода в сталях с 13% хрома может меняться в зависимости от требований. Стали с низким содержанием углерода (08Х13, 12Х13) пластичны, хорошо свариваются и штампуются. Их применяют для изготовления деталей, испытывающих ударные нагрузки (клапаны гидравлических прессов) или работающих в слабоагрессивных средах (лопатки гидравлических и паровых турбин и компрессоров). Рабочая температура до 450градусов Цельсия. Стали 30Х13 и 40Х13 обладают высокой твердостью и повышенной прочностью. Эти стали используют для изготовления карбюраторных игл, пружин, хирургических инструментов. Высокохромистые стали (12Х17, 15Х25Т, 15Х28) обладают более высокой коррозионной стойкостью и часто используются как окалиностойкие. Легирование титаном (15Х25Т) необходимо для повышения сопротивляемости межкристаллитной коррозии (см. таблицу 2). Сталь 08Х17Т жаростойка до 900 градусов Цельсия и применяется в теплообменниках. Хромоникелевые нержавеющие стали в зависимости от структуры подразделяются на аустенитные, аустенито-мартенситные и аустенито-ферритные. Структура этих сталей зависит от содержания углерода, хрома, никеля и других элементов. Такие стали используются в машиностроении, химической промышленности, пищевой промышленности, ракетостроении, судостроении, медицине и авиации. Ниже приводится описание свойств наиболее популярных импортных хромоникелевых сталей (химический состав каждой стали можно посмотреть в таблице, которая также приведена на нашем сайте).Имеются различные типы нержавеющих сталей: например когда добавлен никель, что стабилизирует аустенитную структуру железа. Эта кристаллическая структура делает такие стали не магнитными и менее ломким при низких температурах. Для повышения твердости и прочности, добавлен углерод. Когда при условии соответствующих высоко температурной обработке эти стали, используются для лезвий бритв, столовых приборов, инструмента и т.д. Существенное количества марганца используется во многих нержавеющих стальных составах. Марганец сохраняет аустенитную структуру в стали, как это делает никель, но по более низкой стоимости.

Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита стали 40X13 1 — закалка в масло; 2 — охлаждение иа воздухе; 3 — охлаждение в печи

Нержавеющие стали также классифицируются по их кристаллической структурой:

- Аустенитные

- Мартенситные

-Ферритные

 Аустенитные нержавеющие стали включают более чем 70 % полного нержавеющего стального производства. Они содержат максимум углерода 0,15 %, минимум 16 % хрома и достаточного никеля и/или марганца, чтобы сохранить аустенитную структуру при всех температурах от криогенной области до точки плавления сплава. Типичный состав - 18 % хрома и никель 10 %, обычно известный, как 18/10 нержавеющая сталь часто используется в столовых приборах. Точно также 18/0 и 18/8 имеются в наличии. “Супер аустенитные” нержавеющие стали, типа сплава AL-6XN и 254SMO, оказывают большое сопротивление питтинговой и щелевой коррозии из-за высокого содержания молибдена (> 6) % с добавлением азота, а более высокое содержание никеля гарантирует лучшее сопротивление коррозионное растрескивание металлов по 300 ряду. Более высокое содержание сплава "Супер аустенитные" сталей означает, что они – очень дорогостоящие и подобное выполнение, может обычно быть достигнута, используя двойные стали при меньших затратах. Основным преимуществом сталей аустенитного класса являются их высокие служебные характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и хорошая технологичность. Поэтому аустенитные коррозионностойкие стали нашли широкое применение в качестве конструкционного материала в различных отраслях машиностроения. К данному классу относятся стали300 серии.

 схема термической обработки аустенитных нержавеющих сталей

Ферритные - стали значительно более мягкие чем мартенситные по причине малого содержания углерода. Они также обладают магнитными свойствами. Обозначаются начальной буквой F 

Ферритная нержавеющая сталь – высоко коррозионно стойкая, но гораздо менее надежная, чем аустенитного класса и не могут быть упрочнены высоко температурой обработкой. Они содержат от 10,5 % и 27 % хрома и очень небольшое количество никеля, если это имеет место. Большинство составов включает молибден; некоторые, алюминий или титан. Вообще типичный ферритный класс включает 18Cr-2Mo, 26Cr-1Mo, 29Cr-4Mo, и 29Cr-4Mo-2Ni. Эти стали применяют для изготовления изделий, работающих в окислительных средах (например, в растворах азотной кислоты), для бытовых приборов, в пищевой, легкой промышленности и для теплообменного оборудования в энергомашиностроениии. 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 серии.

Мартенситные-значительно более твердые чем аустетнитные стали и могут быть магнитными. Они упрочняются, закалкой и отпуском подобно простым углеродистым сталям, и находят применение главным образом в изготовлении столовых приборов, режущих инструментов и общем машиностроении. Больше подвержены коррозии. Обозначаются начальной буквой С.

Мартенситные нержавеющие стали не такие коррозионно стойкие как другие два класса, но чрезвычайно прочные и упругие также хорошо подвержены обработки резанием, и могут быть упрочнены высоко температурой обработкой. Мартенситные нержавеющие стали содержат хрома (12 – 14) %, молибдена (0,2 – 1) %, и отсутствует никель, и приблизительно 0,1 - 1% углерода (предающее большее прочностные свойства, но делающее материала немного более ломким). Они закаленные и магнитные. Такая сталь также известна как "серия - 00" сталь. 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 и т. д.

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 новых отраслей современной техники в коррозионностойких сталях повышенной прочности и технологичности привели к разработке сталей аустенито-мартенситного (переходного) класса. Это стали типа 07Х16Н6, 09Х15Н9Ю, 08Х17Н5М3.