Почему нержавеющая сталь не ржавеет?
Главная причина – хром. Именно хром обладает свойством образования оксидного слоя (Cr2O3) на поверхности стали, защищающего железо – основной элемент стали - от окисления – появления ржавчины (Fe2O3). Ещё одним, не менее важным, свойством этого слоя является его способность к быстрому самовосстановлению при повреждении, а это значит, что, например, при механической обработке (токарной, фрезерной и т.п.), приводящей к образованию новых поверхностей, сталь вновь будет защищена слоем оксида хрома, препятствующим проникновению кислорода вглубь материала и соединения его с железом с образованием ржавчины. И, наконец, третье условие, необходимое для того чтобы сталь была нержавеющей – содержание хрома в ней должно быть не менее 10,5%.
Следует отметить, что дополнительные легирующие элементы (никель, молибден, титан и др.) могут усиливать коррозионную стойкость стали в агрессивных средах, но главным элементом, определяющим способность стали быть нержавеющей, является только хром.
Основные виды нержавеющей стали
Нержавеющая сталь является прежде всего сталью, то есть - твердым раствором внедрения углерода, но…уже не только в железе, как в обычных углеродистых сталях, а в сплаве железа и хрома, или - железа, хрома и никеля. Это значит, что в узлах кубической кристаллической решетки железа часть атомов железа замещена атомами хрома (безникелевые стали) или хрома и никеля (никель содержащие стали), а в междуузлиях кристаллической решетки, по-прежнему, располагается углерод. Таким образом, нержавеющая сталь представляет из себя одновременно и твёрдый раствор замещения, и твёрдый раствор внедрения. Определения некоторых металловедческих терминов уже были представлены мною в предыдущей
статье, новые термины, появляющиеся в этой статье, определены в её заключительной части.
Поскольку нержавеющая сталь – это в первую очередь сталь, то вполне логичным представляется, что в её делении на виды встречаются уже знакомые нам названия основных фаз и микроструктур углеродистой стали – феррит, аустенит и мартенсит.
К основным видам нержавеющей стали относятся: ферритная, аустенитная, мартенситная и дуплексная (феррито-аустенитная) сталь.
Характеристики и применение разных видов нержавеющей стали
- Ферритная – Fe-Cr, безникелевая (или с очень малым содержанием Ni), с содержанием Cr от 10,5 до 30% (хром стабилизирует ферритную фазу), с объёмно-центрированной кубической решёткой (ОЦК), магнитная, прочная, пластичная, с хорошей коррозионной стойкостью, хорошей обрабатываемостью резанием, плохой свариваемостью.
Применение
Ферритные нержавеющие стали применяются там, где важны экономичность (замена более дорогих аустенитных сталей, содержащих никель), умеренная коррозионная стойкость (атмосферные условия, слабоагрессивные среды), магнитные свойства (электротехника, датчики):
автомобильная промышленность: выхлопные системы (12Х17Т, 08Х17Т, AISI 409, 439), топливные баки (12Х17, AISI 430), декоративные элементы (решётки радиатора, молдинги)
строительство и архитектура: архитектурные панели (фасады зданий)
химическая и пищевая промышленность: ёмкости для слабоагрессивных сред (12Х17, AISI 430), трубы для воды и пищевых продуктов (03Х17Н13М2Т, AISI 444)
энергетика: теплообменники (08Х17Т, AISI 441, 444), детали котлов и печей (в умеренно агрессивных средах)
прочее: кухонная утварь (посуда, мойки), мебель (фурнитура), крепеж (болты, гайки)
- Аустенитная - Fe-Cr-Ni, с содержанием Cr от 16 до 26%, Ni– от 8 до 22% (никель стабилизирует высокотемпературную аустенитную фазу даже при комнатной температуре), с гранецентрированной кубической решёткой, немагнитная, прочная, очень пластичная (даже при криогенных условиях), с отличной коррозионной стойкостью, обрабатываемость резанием – средняя (из-за вязкости), штампуемость – отличная, свариваемость – отличная. Эта сталь более дорогая, чем ферритная (из-за никеля). Именно никель придаёт стали пластичность, расширяя её возможности к разного рода обработкам.
Применение
Аустенитные нержавеющие стали получили очень широкое применение благодаря своей высокой пластичности и коррозионной стойкости там, где важны долговечность, гигиеничность, прочность в агрессивных средах (морская вода, кислоты), термостойкость:
пищевая промышленность: оборудование для молочных заводов (баки, трубы, клапаны – 08Х18Н10, 12Х18Н10Т, AISI 304), пивоварни и виноделие (теплообменники, ферментеры – 03Х17Н14М2, AISI 316), мясопереработка (конвейеры, ножи)
медицина и фармацевтика: хирургические инструменты, имплантанты (AISI 316L), оборудование для стерилизации
химическая и нефтегазовая промышленность: трубы и ёмкости для кислот (08Х17Н13М2Т, AISI 316Ti), морские платформы (AISI 316L, стойкость к хлоридам), детали насосов для агрессивных сред
энергетика и машиностроение: теплообменники АЭС (08Х18Н10Т, AISI 321 – с титаном, жаропрочная), турбинные лопатки (20Х23Н18, AISI 310 - до 1100 градусов), автомобильные выхлопные системы (в премиум сегменте)
строительство и архитектура: фасады небоскрёбов (AISI316 - для приморских городов), перила, лифты (AISI 304), мосты в агрессивных средах
- Мартенситная - закаленная Fe-Cr (образуется при быстром охлаждении аустенита), магнитная, очень прочная, износостойкая, пластичность – средняя (ниже, чем у ферритной и аустенитной стали), обрабатываемость резанием – с использованием твердосплавного инструмента (из-за высокой твёрдости), свариваемость – плохая, коррозионная стойкость – удовлетворительная, но существенно ниже, чем у аустенитной и ферритной стали. Причины низкой коррозионной стойкости мартенситной нержавеющей стали - в высокой дефектности кристаллической структуры и высоком уровне содержания углерода, который связывает хром в карбиды, что приводит к образованию зон с пониженным содержанием хрома (<10,5%) и развитию межкристаллитной коррозии.
Применение
Мартенситные нержавеющие стали (12Х13, 40Х13, 95Х18, AISI 410, 420, 440 и др.), сочетающие высокую прочность, износостойкость и умеренную коррозионную стойкость используется там, где важны твёрдость, режущие свойства, износостойкость:
машиностроение: подшипники (AISI 440), шестерни и валы (14Х17Н2, AISI 431), клапаны насосов (20Х13Н2Г2СМФ, AISI 416)
нефтегазовая промышленность: шпиндели насосов (AISI420), крепёж для морских платформ (07Х16Н6, 09Х15Н8Ю, AISI 630)
авиационная и оборонная промышленность: лопатки турбин (жаропрочность AISI 422), стволы оружия (термостойкость, AISI 410), бронеэлементы (закалённые мартенситные сплавы)
- Дуплексная – феррито-аустенитная нержавеющая сталь (Cr – 20-28%, Ni – 3-8%, Mo – 1-4%, N – 0,1-0,3%), сочетает лучшие свойства ферритной и аустенитной сталей – феррит (ОЦК-решётка) обеспечивает прочность, аустенит (ГЦК-решётка) – пластичность, свариваемость и хорошую коррозионную стойкость.
Применение
нефтегазовая и химическая промышленность: трубы для морских месторождений (стойкость к H2S и хлоридам), оборудование для переработки нефти, ёмкости для HCl и других агрессивных сред, теплообменники (03Х22Н6М2, 03Х23Н6М3Д2Т, EN 2205, AISI 1.4462)
энергетика: оборудование для опреснения воды, детали турбин (04Х25Н7М4ФБ, EN 2507, AISI 1.4410)
судостроение: корпуса судов, гребные винты(03Х21Н5М2ФБ, EN 2205, 2507, LDX 2101, AISI 1.4462)
Заключение
Нержавеющая сталь – ключевой материал в современной промышленности благодаря своей коррозионной стойкости, прочности и гигиеничности. Ее свойства зависят от состава и структуры, а производство требует точного контроля легирующих элементов.
Приложение
Термины, использованные в статье
Твёрдый раствор внедрения – вид твёрдого раствора, в котором атомы растворённого элемента (внедрённого) размещаются в междуузлиях (пустотах) кристаллической решётки растворителя
Твёрдый раствор замещения – вид твёрдого раствора, в котором атомы растворённого элемента замещают в узлах кристаллической решётки растворителя его атомы
ОЦК (объёмно-центрированная кубическая) решётка – тип кристаллической решётки, где атомы располагаются в вершинах куба и его центре
ГЦК (гранецентрированная кубическая) решётка – тип кристаллической решётки, где атомы располагаются в вершинах куба и в центре каждой его грани
Межкристаллитная коррозия – это вид коррозии, при котором разрушение металла происходит в основном по границам зёрен (кристаллов)
AISI – система стандартов, разработанных Американским институтом стали и сплавов (American Iron and Steel Insitute)
EN - система стандартов, издаваемых Европейским комитетом по стандартизации