Виды нержавеющей стали

Введение

Нержавеющая сталь — это название семейства сплавов на основе железа, известных своей коррозионной и жаропрочностью. Одной из основных характеристик нержавеющей стали является минимальное содержание хрома 10,5%, что придает ей превосходную коррозионную стойкость по сравнению с другими типами сталей. Как и другие стали, нержавеющая сталь состоит в основном из железа и углерода, но с добавлением нескольких других легирующих элементов, наиболее заметным из которых является хром. Другими распространенными сплавами нержавеющей стали являются никель, магний, молибден и азот.

Виды нержавеющей стали. Нержавеющая сталь в обыденной жизни можно встретить на каждом шагу. Круг ее применения широк: от решения промышленных задач до массы бытовых.

Пожалуй, если говорить о самых истоках, то стоит начать с интересного открытия ученого-химика Воклена. В 1797 году он заметил, что хром обладает чрезвычайной устойчивостью к воздействию кислоты.

В начале 20 века глава лаборатории по изучению металлов в Англии Гарри Брирли экспериментировал, добавляя различные элементы к железу. Так как лаборатория была подотчетна сталеплавильным компаниям Шеффилда, задача Брирли заключалась в изучении металлов для отливки оружейных стволов. Конечный материал должен был обладать высокой прочностью и жаростойкими характеристиками. Все те экземпляры, которые не приобретали заданных свойств складывались в той ж самой лаборатории и постепенно ржавели. Спустя месяц один из образцов явно отличался от других, так как не покрылся ржавчиной.

В начале 20-го века Гарри Брирли запатентовал первый мартенситный сплав. Впоследствии на его основе появилась марка AISI 420. Но параллельно и множество других ученых исследовали этот материал. Еще в 1821 году француз Пьер Берте получил интересный результат, добавив в сплав никель. Но так как материал обладал чрезмерной хрупкостью, распространения он не получил. Дальнейшая работа его последователей, в частности Элвуда Хейнса, привела к тому, что был готов нужный состав. Для того чтобы его запатентовать он подал соответствующую заявку за год до Гарри Брирли. Но патент получил гораздо позже него.

Джиллетт использовал в своих бритвах в 1904 году уникальный сплав, который удачно противостоял коррозийным процессам.

В 1912 году Э. Муар и Б. Штраус получили патент уже на аустенитный состав нержавеющей стали. Он содержал в себе высокое количество хрома и никеля.

Несмотря, на множество исследователей, внешних свой вклад в открытие нержавеющей стали, первооткрывателем официально считается Гарри Брирли.

После того, как он обнаружил в лаборатории экземпляр, избежавший коррозии, стал искали ему применение. В оружейной сфере он не «прижился», так как имел ряд недостатков, зато имел огромный потенциал в других сферах.

Сначала к нержавейке отнеслись скептически, и никто не решился взять рецепт сплава в качестве материала для изготовления вилок, ножей, ложек. Но уже через год представитель компании, выпускающей столовые приборы, решился выпустить на рынок небольшую партию продукции из нержавеющей стали. Она была очень удачной и получила положительные оценки потребителей. Состав сплава усовершенствовали и запустили в массовое производство.

Постепенно открытие Брирли разлетелось по миру. Первоначально сфера применения была ограничена изготовлением столовых приборов. Позже нержавеющая сталь стала использоваться в различных сферах промышленности и машиностроения.

Немного о нержавейке…

Сталь – соединение из железа и углерода (а также других элементов). Количество углерода в стали достигает 2,14 %. Если этот предел содержания углерода выше, то вместо стали получается чугун. Углерод используется для придания сплавам железа твердости и прочности, одновременно снижая вязкость и пластичность.

Нержавейка – сталь с добавлением легированных элементов, которая содержит в своем составе более 11% хрома. Она успешно сопротивляется коррозии и может быть использована в агрессивных средах.

Если говорить о простой стали, ржавчина из внешней довольно быстро может проникнуть внутрь металла. Нержавеющая сталь сверху покрыта тончайшим, единым, непрерывным, плотным слоем оксида хрома. Именно он и препятствует окислению. Этот процесс получил название пассивация. Но если в металле недостаточно содержания хрома, то пассивация не происходит.

Основные качества нержавеющей стали

Технологические свойства:

• Ковкость – свойства металла менять форму и размер под воздействием без разрушения.
• Свариваемость – свойство, которое помогает создавать прочные соединения.
• Литейные свойства – металл способен в жидком состоянии заполнять форму и в точности повторять все ее очертания, форму и размер.
• Способность к обработке резанием – изменение формы и/или размера металла путем применения режущих инструментов.

Физические свойства:

• Плотность – отношение массы материала к единице ее объема.
• Температура плавления – тот предел, достигнув который, форма металла переходит из твердой в жидкую. Чем она ниже, тем проще будет ее сваривать и плавить. Соответственно, и стоимость металла ниже.
• Электропроводность – свойство благодаря которому электрический ток передается от одного тела другому. Металлы, речь идет о меди и алюминии, в отличии от неметаллов отлично проводят электрический ток.
• Теплопроводность – свойство вещества или тела пропускать через себя тепловую энергию от теплых к холодным.
• Магнитные свойства – способность хорошо намагничиваться. Такие свойства присущи кольбату, никелю и железу. Их сплавы обладают магнитными свойствами в чуть меньше объеме.
• Коэффициенты линейного и объемного расширения – свойство металла, благодаря которому он расширяется при нагревании.

Химические свойства – возможность металлов к взаимодействию с различными материалами и способность сопротивляться их негативному (разрушающему) воздействию. Такое свойство металлов противостоять различным видам воздействия внешней агрессивной среды получило название коррозионной стойкости.

Эксплуатационные или потребительские свойства:

• Прочность. Готовый результат обладает повышенной прочностью по сравнению с аналогами. Готовые изделия из нержавейки длительный срок (более 10 лет) сохраняют начальную форму и крайне устойчивы к повреждениям.
• Жаропрочность. Нержавейка устойчива к высоким температурам, не боится воздействия открытого пламени. Сохраняет свою первоначальную форму, размер и свойства даже при резких колебаниях температур.
• Устойчивость к воздействию внешних факторов. Ей не страшна влажность, перепады температур и иные факторы. Металл способен сохранять свои эксплуатационных свойств в течение длительного периода времени.
• Экологичность. В своем составе практически не содержит вредных примесей и элементов, поэтому так широко применятся в пищевой промышленности и в медицинской сфере.
• Сопротивление коррозии. Самое главное достоинство нержавеющей стали. Устойчива она также к кислотам и щелочам.
• Пластичность. Сплав легко поддается обработке и позволяет изготовить изделие любой формы и размера.
• Эстетика внешнего вида. Гладкая, глянцевая, ровная поверхность нержавеющей стали выгодно отличается по внешнему виду от иных видов металла. Эти свойства она способна сохранять в течение длительного периода.

В качестве базового металла используется никель и железоникель. Никелевая основа содержит не менее 50% никеля в своем составе. В железоникилевой основе сумма никеля и железа более 65%, соотношение никеля к железу 1:1,5.

Добавление к базовому сплаву тех или иных легирующих элементов индивидуализирует получившийся сплав.

Способы обработки нержавеющей стали

Литье.

Заливка расплавленного металла в необходимую форму, внутренние пустоты которой имеет конфигурацию изделия. Выделяют литье в песчаную форму и специальные способы литья. Песчаные формы изготавливаются методом уплотнения формовочных смесей, состоящих преимущественно из кварцевого песка. Ко второй группе литья относятся литье под давлением, литье в кокиль, центробежное и электрошлаковое литье, литье в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям.

Обработка давлением.

Такое воздействие на металл предполагает изменение формы заготовки без нарушения целостности, но за счет смещения ее отдельных частей. Этот процесс называется пластической деформацией. Преимуществом такого метода являются меньшие потери металла, чем при иных способах обработки. Часто именно эту обработку под давлением автоматизируют.

Механическая обработка.

Она подразумевает под собой резание металла, когда он приобретает готовую форму в результате удаления излишней части материала. Сюда входит токарная обработка, нарезка резьбы, резание с использованием материалов, содержащих абразив, обработка напильником.

Сварка.

Примеряются различные ее виды: газовая сварка, пайка, электрическая сварка.

Помимо непосредственно обработки металла до или после основных процессов обработки применяются связанные работы.

• Термическая обработка включается в себя процессы выдержки, нагрева и охлаждения сплавов. Ее задача достигнуть необходимых свойств за счет изменения внутренней структуры и строения. Основные способы – это отжиг и закалка.
• Плакирование – это нанесение на поверхность металлических листов, труб, плит, проволоки тонкого слоя другого металла или сплава термомеханический способом.
• Газотермическое напыление – процесс распыления частиц с помощью газового или плазменного потока в целях формирования защитного слоя на поверхности металла.

Отдельные легирующие элементы и их свойства

В зависимости от наличия или отсутствия того или иного компонента или его процентного соотношения в сплаве выделяются разные виды и типы стали. Малейшее изменение компонентного состава – и перед нами другой вид стали, отличающийся, иногда весьма разительно, от своих «собратьев».

Виды нержавеющей стали

• Аустенитная сталь – ее состав содержит от 18 до 20% хрома и от 8 до 10% никеля. Такая сталь не обладает свойством магнититься. Противостоит коррозии. Помимо этого никель наделяет аустенитную сталь пластичностью и устойчивостью к температурным воздействиям.
  

  Аустенитная сталь – самый распространенный вид нержавейки.

• Мартенситная сталь – содержит в своем составе от 10 до 18% хрома. При изготовлении может подвергаться закалке. Сорт часто используется при изготовлении ножей, клинков, турбин. По сравнению с другими видами обладает меньшей устойчивостью к коррозии, занимает средние позиции.
• Ферритная сталь – содержит от 16 до 18% хрома, но закалке ее уже подвергать нельзя. По сравнению с мартенситным видом более устойчив к коррозии.
  Чаще всего применяются виды ферритной стали, содержащие 12% и 17% хрома в своем составе. Последние используются в бытовом назначении – изготовление барабана стиральных машинок, частей бытовых водонагревателей и прочее. Сплавы с 12% содержания хрома имеют промышленное назначение.
• Мартенситно-ферретивная сталь проявляет высокую устойчивость в слабоагрессивных средах (растворы солей, кислот) и в атмосферных условиях. Обладает большой сопротивляемостью износу, поэтому ее используют при изготовлении изделий, подвергающихся огромным механическим нагрузкам.
• Аустенитно-ферритная (дуплексная) сталь в меньшей степени содержит остродефицитный никель. Имеет в своей кристаллической решетке аустенитную и ферритную структуры. По сравнению с аустенитной однофазной обладает повышенным пределом прочности. Отсутствует склонность к росту зерен с сохранением двухфазный структуры. Хорошо поддается сварке.
• Аустенито-мартенситная имеет в составе две структуры. Обе можно изменять в широком диапазоне.

Аустенитная сталь, в свою очередь, подразделяется на несколько типов:

• А1 – содержит в своем составе большую часть серы ввиду чего больше остальных подвержена коррозии.
• А2 – этот тип обладает податливостью, хорошей свариваемостью, морозоусточивостью, поэтому он наиболее популярен из всех типов аустенитной стали.Минус – подверженность коррозии в агрессивной кислой среде.
• А3 – тот же тип, что и А2, но с добавлением стабилизующих компонентов. Поэтому А3 отличается устойчивостью к высокой температуре и кислой среде.
• А4 – в этом сплаве использует молибден (до 3%), что значительно увеличивает его сопротивляемость кислой среде. А4 используется часто в судостроении.
• А5 – по составу схожа с А4, но отличается соотношением стабилизирующих компонентов. Задача А5 – повышенная сопротивляемость высоким температурам.

Популярные марки нержавейки

• AISI 304 (американская классификация) или 08Х18Н10
  Это аустенитная сталь с небольшим содержанием углерода. Обладает высокой прочностью и устойчивостью к коррозии. Легко поддается сварке. Ее легко подвергнуть глубокой вытяжке, что используется при изготовлении раковин, кастрюль и других аналогичных товаров промышленного и бытового назначения. Эти достоинства сделали марку самой распространенной и универсальной.
  Минус – чувствительность к точечной и щелевой коррозии в теплых хлоридосодержащих средах. Исключено ее применение при изготовлении элементов, соприкасающихся с морской водой или веществами, содержащими хлорид. Контакт с биологическими жидкостями тоже нежелателен.
  Области использования – фармацевта, химическая, текстильная, бумажная и пищевая промышленность.
• AISI 316 (американская классификация) или 08Х17Н12М12
  Усовершенствованный вид марки AISI 304. В сплав добавлен молибден, что расширяет ее антикоррозийные свойства. Устойчивость к коррозии присутствует даже в парах уксусных кислот, хлористой среде, морской воде.Физические свойства в данном сплаве при воздействии высоких температур выше, нежели у сплавов, не имеющих молибден в своем составе.
• AISI 316L (американская классификация) или 03Х17Н14М2
  Схожа с предыдущим видам сплава, но содержание углерода в составе ниже. Отлично поддается свариванию и незаменима при изготовлении изделий со сварными швами. Устойчива к межкристаллической коррозии. Применяется при изготовлении емкостей для обработки или переработки пищи, на химических производствах, в деталях и оборудовании непосредственно контактирующем с морской водой и окружающей атмосферой.
• AISI 316 ТI (американская классификация) или 10Х17Н13М2Т
  В состав сплава входит титан. В процентном соотношении к углероду его в несколько раз больше. Этим обусловлен стабилизирующий эффект. Применяется в любых элементах и деталях, требующих повышенной прочности к температурным воздействиям, а также к среде с присутствием новых проявленных ионов хлора. Широко применятся в химической и пищевой промышленности.
• AISI 430 (американская классификация) или 12Х17
  Это самая демократичная по цене марка нержавеющей стали. Именно этим и обусловлено ее широкое применение. Высокое содержание хрома и низкое содержание углерода обеспечивает повышенную прочность и устойчивость к механическим воздействиям.Используется в процессах штамповки и вытяжки благодаря прекрасному деформационному свойству. Высокая теплопроводность способствует использованию этого вида стали при производстве отопительных приборов. При меньших теплозатратах она быстрее прогреется и отдаст тепло. Также быстро охлаждается.
  Невысокий коэффициент термического расширения позволяет с успехом эксплуатировать изделия из этого вида в условия резкого перепада температур.

Сферы использования нержавеющей стали

Пищевая промышленность
Используется для изготовления оборудования для переработки и хранения продуктов питания, а также для их транспортировки. Гигиеничность – важный аспект при производстве пищевых продуктов. Нержавеющая сталь обладает высокой гигиеничностью, эстетикой и соответствует токсикологическим требованиям.

Такая сталь разрешена для контакта с пищевыми продуктами. Стоит иметь ввиду, что контакт с пищей может быть длительным или кратковременным. Возможно использовать не со всеми продуктами. Поэтому при выборе посуды для приготовления, обработки иди хранения продуктов необходимо убедиться, что именно этот вид стали подходит для этих целей.

Существуют жесткие требования в отношении стали, применяемой в пищевой промышленности. В частности, требования по легкости удаления с поверхности тяжелых металлов в тех емкостях, которое находится в постоянном контакте с пищевыми продуктами.

В пищевой промышленности используют AISI 304 и AISI 316. Обычно используют простые сплыву без огромного количества добавок.

Используют нержавеющую сталь в самогоноварении, это вид AISI 304.

Химическая промышленность
Особое место занимает в нефтехимической отрасли. Из нержавейки производят такие изделия, как агрегаторы, трубы, реакторы, узлы, конструкции, резервуары и другие элементы, к которым предъявляются повышенные требования по прочности и стойкости в агрессивных средах.

Медицина
Незаменима сталь в изготовлении медицинского инструментария. Благодаря устойчивости к повышенной температуре и химическим воздействиям, все инструменты возможно дезинфицировать физическим (перегретым паром или сухим горячим воздухом) или химическим (погружение в дезинфицирующие растворы) способом.

Машиностроение
Изготовление деталей, частей, механизмов для станкостроения, транспортного машиностроения и для нужд промышленности. В автомобилестроении нержавейка используется для изготовления выхлопных труб и катализаторов.

Архитектура и строительная сфера
Из нержавеющей стали изготавливаются опорные конструкции, элементы отделки. Имея отличные эстетические свойства, нержавейка впишется в любое дизайнерское решение. Свойство стали – длительное сохранение внешнего лакокрасочного покрытия. Поэтому такой элемент прослужит долго. А если выбрать необычный цвет, то даже может стать точкой притяжения внимания.
В строительстве нержавеющую сталь стали применять относительно недавно. Благодаря практичности, разнообразию марок она способна решить множество разнообразных задач, стоящих перед строителями и архитекторами.

Авиационная промышленность
Благодаря прочности и устойчивости к внешним воздействиям нержавеющую сталь используют в изготовлении делателей самолётов и ракет, а также сопутствующего оборудования. Она незаменима.

Электроэнергетика
Один из способов получения электроэнергии – сжигание угля, нефти или газа. И нержавеющая сталь здесь используется для строения энергетических комплексов.

Сфера защиты окружающей среды
Строительство новых заводов производится с использованием экологически безопасных металлов. Здесь незаменимым материалом также является нержавеющая сталь.