Виды и свойства нержавеющей стали

Современную жизнь сложно представить без антикоррозийной стали. Уникальные свойства нержавеющей стали применяются во многих сферах: в металлургии, машиностроении, химической и пищевой промышленности. Нержавейка устойчива к воздействию коррозии, что позволяет использовать ее в довольно агрессивных условиях.

Однако свойства стали не являются постоянными и могут изменяться от количества и типа примесей в ней. Различают разные виды и марки нержавеющей стали, каждая из которых подходит для определенной отрасли. Чтобы понять, какой вид изделий необходим для конкретного случая, стоит подробно ознакомиться с характеристиками материала.

Физические свойства нержавеющей стали

Патент на нержавеющую сталь был выдан в 1913 г. в Великобритании. Ее создателем стал металлург Гарри Бреарли. Изобретение дало огромный толчок в развитии сталелитейной и иных отраслей промышленности.

Свою популярность нержавеющая сталь получила благодаря большому многообразию физических свойств, в том числе антикоррозийных. Новые стали изготавливаются с добавлением к основному компоненту разного рода примесей. Физические свойства нержавейки зависят от типа и объема добавок.

При длительной эксплуатации ряд марок нержавеющей стали может поддаваться коррозии. На это оказывают влияние примеси различных металлов, входящих в ее состав. Однако такие сплавы имеют и ряд достоинств, благодаря которым вероятность окисления уже не имеет столь серьезного значения.

Перед выбором металла с заданными физическими свойствами следует определить цели, для которых он необходим. Ученые разработали множество различных компонентов и примесей, которые помогают сделать металл с заданными характеристиками.

Как химический состав влияет на свойства нержавеющей стали

Как можно достичь стойкости металла к коррозии? При производстве в него добавляют ряд химических элементов, в результате вся поверхность покрывается оксидной пленкой. Она нерастворима и защищает сплав от образования ржавчины.

В качестве основного материала для изготовления нержавейки можно использовать никель и железоникель, а также сплавы на их основе. Добавление к базовому легирующих элементов придает стали различные свойства, в том числе и качества нержавеющей:

• Хром увеличивает стойкость к коррозии, а также увеличивает прочность и твердость сплава. Уменьшение коэффициента линейного расширения упрощает процесс сварки.
• Никель увеличивает пластичность и вязкость, а также прокаливаемость, он же понижает коэффициент теплового расширения. Это дает возможность использовать изделия вместе с различными кислотами: фосфорной, серной, соляной.
• Стойкость сплава возрастает благодаря применению марганца в количестве более 1 %. Он одновременно увеличивает твердость, стойкость, прокаливаемость, а также устойчивость к износу. Часть марганца можно заменить на никель.
• Влияние титана на свойства нержавеющей стали выражается в повышении плотности и прочности сплава, что повышает стойкость его и к коррозии.
• Вольфрам снижает хрупкость и повышает твердость в процессе термической обработки (отпуска). Это происходит по причине возникновения таких соединений повышенной твердости, как карбиды.
• Твердость, прочность и плотность сплава повышает ванадий.
• Молибден придает антикоррозийные качества и увеличивает упругость нержавейки, повышает максимальный показатель прочности (предел) растяжения, а также сопротивляемость металла к высокой температуре.
• Сварные конструкции защищаются ниобием, понижающим вероятность их коррозии.
• Жаростойкость, кислотность, упругость и стойкость к образованию окалины повышает кремний. Он увеличивает прочность и электросопротивление, сохраняя уровень вязкости прежним.
• Ударное сопротивление возрастает за счет добавки кобальта. Он же усиливает жаропрочные свойства материала.
• Благодаря меди на металл не сможет повлиять атмосферная коррозия.
• Посредством добавления алюминия снижается старение материала и повышается текучесть и ударная вязкость.

Благодаря своим исключительным характеристикам нержавейка и отличается от других металлов. Это дает возможность применять ее в таких сферах промышленности и жизнедеятельности, которые требуют использования конструкций, оборудования и изделий при высокой влажности, а также при регулярном влиянии агрессивной среды. Примером может служить использование материала для изготовления столовых приборов, а также ножей, оград, разных частей коммуникаций, элементов оборудования и пр.

Виды нержавеющих сталей и их свойства

Уникальные характеристики нержавейки проявляются благодаря химическому составу и строению материалов.

Стали, входящие в группу нержавеющих, делятся на четыре группы в зависимости от указанных параметров:

1. Хромистые или ферритные.

Свое название данная группа сталей получила из-за 20%-ного содержания хрома. Он сильно повышает сопротивляемость металла агрессивным средам. Ферромагнитные свойства нержавеющей стали данной группы достаточно высоки.

Хромистые стали используются на промышленных предприятиях, относящихся к химической и тяжелой промышленности. Из них изготавливают, например, отопительные приборы и их части. Данная группа нержавеющих сталей востребована на рынке в значительной мере, уступая только категории, имеющей аустенитную структуру. Однако стоимость их существенно ниже.

2. Аустенитные стали.

В химическом составе нержавеющих сталей этой группы содержание никеля и хрома не более 33 %. Покупатели ценят в этом материале значительную прочность и практически абсолютную стойкость к коррозии.

Стали, относящиеся к аустенитной группе подразделяются на следующие типы:

• А1 – в составе данного материала в значительном количестве присутствует сера, что снижает антикоррозийную стойкость, в отличие от остальных сталей.
• А2 – самая востребованная марка. Этот материал отлично подходит для сварки, не теряя при этом теплофизические свойства нержавеющей стали. Он стоек к воздействию минусовых температур, однако кислая агрессивная среда способна сломить его антикоррозийную защиту.
• А3 – это марка А2 с добавками разных стабилизирующих компонентов. Устойчива как к кислой среде, так и к повышенной температуре.
• А4 – в данный сплав добавляют не более 3 % молибдена. Его влияние на свойства нержавеющей стали заключается в повышении ее сопротивляемости кислой среде. Данная марка широко применяется при строительстве судов.
• А5 – подобна марке А4, отличаясь только количеством стабилизирующих добавок. Изготавливается она для увеличения сопротивляемости к повышенным температурам.

3. Ферритно-мартенситные и мартенситные.

Особая структура таких сплавов дает им чрезвычайно высокую прочность – самую лучшую из всех сталей. Помимо вышеуказанного, они содержат в составе минимум вредных примесей и отличаются прекрасной износостойкостью. К данной категории относится сталь жаропрочная коррозионностойкая. Она активно сопротивляется процессам окисления и может постоянно использоваться при высоких температурах окружающей среды, сохраняя изначальные состав и свойства нержавеющей стали.

4. Комбинированные.

Структура сталей данной группы имеет комбинированный тип: аустенитно-мартенситный и аустенитно-ферритный. Инновационные материалы этой группы сочетают все самые лучшие свойства нержавеющей стали, описанные ранее, в том числе и магнитные.

Указанные выше типы сталей не являются всеми видами нержавеек. Причина в том, что даже незначительное изменение соотношения компонентов сплава может очень сильно изменить свойства нержавеющей стали. Данные о принадлежности марки сплава к той или иной группе дает возможность оптимального выбора материала, который поможет в решении поставленных технологических задач.

Популярные марки нержавеющей стали, свойства этих сплавов и сферы их применения

Специалисты для подбора нержавейки, необходимой для производства изделий определенного назначения, используют особые справочники. В них приведены марки, свойства нержавеющей стали и ее характеристики. В каждой группе материалов имеются типы, набирающие популярность, их потребители и выбирают чаще всего.

Рассмотрим некоторые:

• 20Х13, 12Х13, 08Х13 – используются для производства столовых приборов, посуды и изделий, испытывающих ударные нагрузки. Они стойко выдерживают воздействие агрессивной среды при нормальной температуре. Полировка и термическое воздействие улучшают характеристики и основные свойства нержавеющей стали.
• 08Х18Т1 и 12Х17 – применяются для изготовления кухонной бытовой техники и для производства оборудования, которым оснащается пищевая промышленность. Рациональным считается использование данных изделий после проведения отжига.
• 40Х13 и 30Х13 – так маркируется медицинская нержавейка, используемая в производстве инструментов для хирургии.
• 40Х9С2 – марка стали, стойкой к высоким температурам. Ее используют для производства теплообменников, двигателей, работающих на дизельном топливе. В двигателях внутреннего сгорания из данного материала делают клапаны выпускных коллекторов.
• 15Х25Т – жаростойкая марка нержавейки, которая используется в пиролизном оборудовании, работающем при высокой температуре.
• 12Х18Н9Т – из данной марки производят трубы, арматуру для печей, а также корпуса для искровых свечей зажигания. Механические свойства нержавеющей стали 12Х18Н10Т позволяют использовать ее для производства труб высокого давления.
• 40Х9С2 – данная сталь используется в производстве клапанов для двигателей, отличается жаростойкостью.
• 14Х17Н2 – предназначена для оборудования, работающего при сверхвысокой температуре (до +800 °С).
• 10Х23Н18 – сталь для изготовления продукции, предназначенной к работе при температуре не более +1 000 °С, а также при малой загруженности.

Как определить свойства нержавеющей стали по маркировке

Нормативные документы устанавливают правила, по которым маркируется нержавейка:

• Первое число названия показывает количество углерода в сплаве. Пример: в стали типа 20Х13 – количественный показатель углерода равен 0,2 %, а сплаве марки 08Х18Т1 – 0,08 % углерода.
• Буква обозначает химический элемент. К примеру, «М» указывает на наличие марганца, «Х» – хрома, а «Н» – никеля. После букв ставят цифры, говорящие о содержании элемента в сплаве в процентах.

В основном, правила маркировки нержавеющей стали не отличаются от общепринятых обозначений иных типов стальных сплавов.

Маркировка нержавеющей стали AISI

Маркировку AISI ставят не только на продукции, поступающей из США. Сегодня такую отметку проставляют уже и на российской, китайской или европейской. AISI – это система классификации, которую впервые приняли в Соединенных Штатах, что и отражено в ее названии: A – American (американский), I – Iron (чугун), S – Steel (сталь), I – Institute (институт). Такой классификатор полюбился производителям, покупателям продукции и трейдерам.

Пониженное количество углерода в сплаве обозначается литерой «L», расположенной в конце. Если же «L» появляется в середине маркировки, то она обозначает легирование свинцом, что делается в целях улучшения механических свойств нержавейки, подвергаемой обработке. Расположенная в конце «N» указывает на азотную обработку. Это делается для того, чтобы повысить при других равных условиях предел прочности. «B» в середине обозначает легирование сплава бором.

Современная промышленность различает в соответствии с классификацией AISI около 150 марок стали. Ознакомьтесь с основными, самыми популярными типами и их применением.

1. Трехсотая серия стали.

Это группа хромоникелевых сплавов:

• «301» – используется в изделиях, у которых должна быть высокая пластичность. Механическое воздействие способствует быстрому затвердеванию данной стали. Она имеет увеличенную износостойкость и усталостную прочность.
• «304» – это, пожалуй, самая распространенная марка. Свойства нержавеющей стали «304» нашли широкое применение в большинстве отраслей промышленности.
• «310» – представляет собой жаропрочную сталь, ее можно использовать в агрессивной среде с максимальной температурой +1 000 °С в окислительной среде и до +10 000 °С в восстановительной. Марка подходит для использования в качестве материала для создания частей печей, которые соприкасаются с конденсатом и газами высокой температуры.
• «316» – эта марка занимает второе по популярности место после «304». Наибольшее применение она нашла в пищевой промышленности, производстве медицинского инструмента (хирургического), оборудования для работы в соленой воде. Сплав стоек к точечной коррозии (питтинговой).
• «321» – сплав применяется для производства сварного оборудования, способного выдерживать температуру до +800 °С, а также для нефтяной и химической промышленности.

2. Четырехсотая серия сплавов.

Это группа ферритных и мартенситных сталей:

• «405» – сплав с ферритной матрицей.
• «408» –термостойкая сталь.
• «409» – представляет собой, пожалуй, самую популярную марку нержавейки, используемую при изготовлении автомобильных выхлопных систем.
• «416» – благодаря присутствию серы сплав прекрасно поддается обработке на станках с автоматическим управлением.
• «420» – в основном марку используют для производства столовых приборов. Кроме того, она прекрасно полируется.
• «430» – марка с ферритной матрицей, применяется для автомобильной отделки, стойкая к коррозии, хорошо обрабатывается под давлением.
• «440» – сплав используют для изготовления столовых приборов высокого качества. Заточка ножей из металла данной марки может сохраняться дольше в случае правильной их термической обработки.

3. Пятисотая серия сплавов.

Марки этой серии – жаропрочные хромистовые стали.

4. Шестисотая серия сплавов.

Изначально эта серия была предназначена для прошедших патентование марок стали, которые не подпадали под существующую классификацию. Однако на сегодняшний день это семейство изменилось и представляет собой:

• От «601» до «604» – низколегированные мартенситные стали.
• От «610» до «613» – мартенситные стали вторичной закалки.
• От «614» до «619» – мартенситные стали, содержащие хром.
• От «630» до «635» – аустенитная половинчатая сталь с уплотненным мартенситом. Она нашла применение в производстве задвижек, труб, помп. Свойства нержавеющей стали AISI «304» по коррозийной стойкости близки к свойствам стали данной подгруппы.
• От «650» до «653» – марки аустенитных сталей, которые работают при значительном перепаде температуры.
• От «660» до «665» –жаропрочные, аустенитные стали.

В каких сферах применимы свойства нержавеющей стали

С момента своего появления стали с высоким показателем коррозийной стойкости использовались исключительно в высокотехнологичном промышленном производстве: атомной энергетике, машино- и авиастроении, нефтехимической отрасли. Однако в наше время нержавеющие стали начали применяться в самых разных сферах жизни.

Пищевая промышленность требует, как правило, использования сплавов, в которых не должно быть много компонентов, поскольку на приборы не воздействуют ни высокие температуры, ни агрессивные среды и вещества. В производстве холодильных установок используют материалы с повышенной морозостойкостью.

• Авиационная и космическая области. Здесь нержавеющие стали особых типов используют для производства ракет, самолетов и космических кораблей.
• Строительство. В данной сфере сталь нашла применение в дизайне. Листы нержавейки не царапаются и на них не остаются отпечатки пальцев рук.

Нержавеющая сталь очень популярна за счет своих особых свойств, которые и определили области ее применения. Простые углеродистые стали не обладают такими уникальными характеристиками. Современная промышленность выпускает большое количество марок нержавейки. Это дает возможность подобрать необходимую сталь, которая «впишется» в процесс и поможет успешно решить поставленную задачу.