Нержавеющая сталь — это сплав на основе железа, содержащий достаточное количество хрома для образования защитной пленки на своей поверхности. Согласно стандарту BS EN 10088-1, обычным пороговым значением для определения нержавеющей стали является содержание хрома не менее 10,5% по массе. Именно это изменение влияет на взаимодействие поверхности стали с кислородом и придает материалу коррозионную стойкость.
Название может ввести в заблуждение. Если неправильно выбран марка, состояние поверхности, способ производства или условия эксплуатации, на нержавеющей стали всё равно могут появляться пятна, точечная коррозия, трещины или ржавчина. В данном руководстве рассказывается, почему нержавеющая сталь устойчива к коррозии, как её производят на металлургических заводах и литейных предприятиях, каковы основные типы, а также что необходимо проверить перед выбором марки.
Что такое нержавеющая сталь?
Нержавеющая сталь — это не один материал с единым составом. Это семейство коррозионно-стойких сталей, в которых железо является основным компонентом, а хром — определяющим элементом.
Хром на поверхности вступает в реакцию с кислородом, образуя тонкую пленку из оксида хрома, называемую пассивным слоем, которая отделяет находящийся под ней сплав от окружающей среды. При появлении царапин на чистой поверхности эта пленка, как правило, восстанавливается при наличии кислорода.
Коррозионная стойкость обусловлена самим сплавом, а не покрытием, нанесенным на обычную сталь. Это имеет значение после резки, механической обработки или повреждения поверхности: поврежденное покрытие обнажает незащищенный основной металл, тогда как нержавеющая сталь может вновь пассивироваться, если это позволяют химический состав и окружающая среда.
В этом и заключается основное различие между нержавеющая сталь и углеродистая сталь, но это не означает, что каждый сорт подходит для использования в морской воде, в кислотах, при высоких температурах или в узких щелях.
Технические характеристики важнее, чем обозначения. Форма изделия, термическая обработка, качество поверхности, применимый стандарт на кованые или литые изделия, а также требуемые результаты испытаний — все это входит в полную спецификацию материала. В заказе на поставку следует указывать стандарт и марку материала, а не торговое обозначение, такое как «пищевой» или «морской».
Состав нержавеющей стали
Железо является основным элементом, а хром обеспечивает пассивационные свойства, характерные для данного семейства сталей. Другие элементы влияют на структуру, коррозионную стойкость, прочность, твердость, а также на поведение при формовке и механической обработке, поэтому две марки нержавеющей стали могут заметно отличаться друг от друга, несмотря на то что обе относятся к категории нержавеющих сталей.
Никель способствует стабилизации аустенита и придает многим маркам стали вязкость, пластичность и формуемость. Молибден повышает стойкость к локальной коррозии во многих хлоридсодержащих средах. Углерод повышает прочность и твёрдость, однако его содержание необходимо регулировать с учётом образования карбидов при термической обработке. Азот повышает прочность и способствует стабилизации аустенита, в то время как марганец, кремний, медь, титан и ниобий выполняют более специфические функции.
Один лишь химический состав не является полной спецификацией. Окончательные свойства материала определяются маркой, формой выпуска, термической обработкой и технологическим процессом, а внешний вид, испытания искрой или магнитом не позволяют достоверно определить марку. Если требуется подтверждение химического состава, необходимо указать сертификат испытаний материала.
Как производится нержавеющая сталь?
Производство начинается с тщательно отобранного лома из нержавеющей стали, стального лома, ферросплавов и других легирующих добавок, которые, как правило, плавят в дуговой печи. Операторы плавильных печей отбирают пробы и рассчитывают состав шихты, чтобы учесть легирующие элементы, уже содержащиеся в ломе, и добавить только то, чего не хватает.
Затем расплав подвергается рафинированию. Обычным способом снижения содержания углерода при минимальных потерях хрома является обезуглероживание аргоном и кислородом. Затем проводится обработка в ковше для корректировки состава, температуры и чистоты перед разливкой.
При производстве кованых изделий сталь разливают в слябы, заготовки или слитки и подвергают горячей прокатке. Листы и рулоны могут подвергаться холодной прокатке для более точного контроля толщины, повышения прочности за счёт холодной деформации или получения более гладкой поверхности. Отжиг восстанавливает необходимую структуру после механической обработки, а травление удаляет окалину и находящийся под ней слой, обедненный хромом. Затем могут следовать правка, резка, шлифование, волочение, полировка или блестящий отжиг.
Литые детали из нержавеющей стали изготавливаются по иной технологии. Рафинированный расплав заливается в форму, а не прокатывается в профили на прокатном стане, после чего отливка подвергается термообработке, разрезается, обрабатывается на станках, очищается и проверяется в соответствии с требованиями. Насосы, корпуса клапанов, рабочие колеса и другие детали сложной формы зачастую лучше изготавливать литьем, чем механической обработкой из прутков или листов.
Марки литейных изделий не всегда соответствуют ближайшим по характеристикам маркам кованых изделий.
При сварке и проведении горячих работ выделяются пары, требующие контроля: хром, содержащийся в нержавеющей стали, может образовывать соединения шестивалентного хрома в процессе сварки, поэтому в план производства необходимо включить вентиляцию, оценку воздействия, правильный выбор присадочного материала и средства индивидуальной защиты.
Основные виды нержавеющей стали
Нержавеющая сталь обычно классифицируется по структуре при комнатной температуре. Большинство коммерческих марок относятся к пяти группам: аустенитные, ферритные, мартенситные, дуплексные и стабилизированные. Внутренняя структура определяет механические и физические свойства, а также коррозионную стойкость, поэтому выбор следует начинать с учета условий эксплуатации, а не с названия конкретной марки.
Для более полного Справочник по типам и маркам нержавеющей стали, в том числе различия между обозначениями «кованый» и «литой», см. в руководстве по сайту.
Аустенитные марки серии 300
Серия 300 включает в себя такие распространенные марки, как 304 и 316. Они сочетают в себе коррозионную стойкость с хорошей пластичностью, формуемостью и свариваемостью, благодаря чему широко используются в пищевой, химической и общепромышленной отраслях. Отжигаемые аустенитные марки обладают низкой магнитной восприимчивостью, хотя холодная обработка может привести к появлению некоторого магнетизма.
См. аустенитная нержавеющая сталь руководство по его структуре и диапазону классов, а также 304 против 316 сравнение при наличии хлоридов.
Ферритная серия 400
Ферритные марки, такие как 430, относятся к хромовым сплавам, обычно содержат мало никеля и обладают магнитными свойствами. Они устойчивы к воздействию многих слабо- и умеренно коррозионных сред и широко используются в бытовой технике, автомобильной отделке и архитектурных элементах. Их невозможно упрочнить с помощью той же технологии термообработки, что и мартенситные марки.
Мартенситная
Мартенситные марки, такие как 410, можно подвергать закалке и отпуску для достижения высокой прочности и твердости, что делает их подходящими для изготовления валов, деталей клапанов, столовых приборов и инструментов. Взамен они, как правило, обладают более низкой коррозионной стойкостью по сравнению с распространенными аустенитными марками и предъявляют более строгие требования к сварке. Нержавеющая сталь марки 410 В данном руководстве более подробно рассматривается распространенная мартенситная марка стали.
Дуплекс
Дуплексные марки содержат как аустенит, так и феррит. Сбалансированная структура обеспечивает высокую прочность и повышенную стойкость к хлоридной коррозии под напряжением во многих средах, поэтому их применяют в химической промышленности, в сфере водоочистки и в морской промышленности. В ходе производства и сварки необходимо контролировать фазовый баланс. Данные дуплексная нержавеющая сталь В данном руководстве представлены основные семейства классов.
Упрочнение под действием осадков
Марки, подвергающиеся преципитационному упрочнению, такие как 17-4 PH, сочетают в себе высокую прочность и необходимую вязкость благодаря растворительной обработке и старению. Они используются в аэрокосмической отрасли для изготовления крепежных элементов, валов, пружин и деталей, работающих под высоким давлением, где требуются как прочность, так и коррозионная стойкость.
Преимущества и ограничения
Главным преимуществом нержавеющей стали является коррозионная стойкость, которую можно регулировать за счет состава сплава. Кроме того, она обладает достаточной прочностью как при высоких, так и при низких температурах, имеет легко очищаемые поверхности, предлагает широкий выбор видов отделки и подлежит полной переработке, поскольку лом можно переплавить в новую нержавеющую сталь без потери ценности легирующих элементов.
Эти ограничения вполне реальны. Нержавеющая сталь не является коррозионно-стойкой: хлориды могут вызывать точечную и щелевую коррозию, особенно в местах, где отложения или герметичные соединения ограничивают доступ кислорода, а загрязнения от инструментов из углеродистой стали могут приводить к появлению поверхностной ржавчины. См. почему нержавеющая сталь всё же может ржаветь для основных путей отказа.
Стоимость — ещё один фактор. Аустенитные марки подвергаются упрочнению при механической обработке, а для сварки требуется подходящий присадочный материал и контролируемый приток тепла, поэтому особенности технологической обработки должны учитываться при выборе материала.
Области применения нержавеющей стали
Инженеры выбирают нержавеющую сталь в тех случаях, когда требуется сочетание коррозионной стойкости с прочностью, простотой очистки, термостойкостью, привлекательным внешним видом или длительным сроком службы. Типичные области применения включают:
- Оборудование для пищевой промышленности и производства напитков, включая резервуары, трубопроводы, смесители, клапаны и конвейерные системы.
- Химические и технологические предприятия, на которых насосы, корпуса арматуры, трубопроводы, емкости и теплообменники подбираются с учетом характеристик конкретной рабочей среды.
- Медицинские и фармацевтические изделия, для которых требуются очищаемые и стерилизуемые поверхности, а также контролируемые характеристики материалов.
- Архитектура и инфраструктура, включая облицовку, поручни, крепежные элементы, арматурные стержни и компоненты водопроводной системы.
- Транспорт и энергетика — от деталей выхлопных систем и железнодорожного оборудования до энергетики и криогенных или высокотемпературных систем.
- Литые детали из нержавеющей стали, такие как сложные корпуса насосов, рабочие колеса, детали клапанов и корпуса, геометрия которых позволяет применять литье с высокой степенью приближения к конечной форме.
Литейный завод «MinHe» — изготовление отливок из нержавеющей стали по индивидуальному заказу
Если для вашей детали требуется литая нержавеющая сталь, пришлите чертеж, условия эксплуатации и требуемый стандарт по адресу наши инженеры. Специалисты литейного цеха могут сравнить варианты из аустенитных, ферритных, мартенситных, дуплексных и упрочняющихся осаждением сплавов с учетом реальных условий эксплуатации ещё до начала изготовления инструментов.
Уточнение требований к марке стали, термической обработке и контролю качества еще на этапе подготовки коммерческого предложения обходится гораздо дешевле, чем их исправление после литья — именно в этом случае четкая спецификация окупается за счет сокращения количества брака и ускорения сроков поставки.
