Ферритная сталь: виды, маркировка, области применения

Понятие ферритной стали

Ферритная сталь – что это такое? Речь идет о сплавах, имеющих в структуре легированный феррит с небольшим процентом карбидов. Условиями для получения ферритной стали выступают низкая углеродистость и большое процентное содержание легирующих добавок.

При взаимодействии железа и углерода с легирующими компонентами, последние часто принимают участие в формировании разных фазовых состояний стали, таких как легированный феррит, легированный аустенит и легированный цементит.

В случае наличия в составе сплава ванадиевых, молибденовых, кремниевых и других добавок в концентрации выше некоторого определенного процентного значения, устойчив в разных температурных режимах именно легированный феррит – твердый раствор углерода в α-железе. Такой сплав принято относить к ферритным видам стали.

Благодаря образующим ферриты легирующим добавкам в стали ферритного класса сужается гамма- и увеличивается альфа-область твердого раствора. К таким элементам, используемым для легирования стали, относят хром, кремний, алюминий, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий и цирконий. Если концентрация этих добавок достаточно велика, сталь может приобрести полностью ферритную структуру за счет исключения гамма-железа.

Сочетанное легирование сплава феррито- и аустенитообразующими добавками соответственно формирует сталь, в составе которой будет как феррит, так и аустенит (аустенитно-ферритная сталь). Чаще всего, конструкционные марки стали имеют в основе своей структуры феррит, свойствами которого в значительной степени определяются характеристики такого металла.

Состав ферритной стали, процентное содержание тех или иных добавок определяют ее стоимость. Для недорогих сплавов характерны такие минусы, как повышенная зернистость и межкристаллическая коррозия, вызванная добавлением хрома.

Недорогая ферритная сталь чаще всего идет на изготовление деталей, не несущих в ходе эксплуатации серьезных нагрузок. Это фурнитура и другие изделия, широко применяемые в быту. Если говорить обо всех разновидностях стали ферритного класса, то спектр ее использования широк, вплоть до изготовления деталей, применяющихся в агрессивной среде и/или под воздействием экстремальной температуры.

Характеристики ферритной стали

В отличие от аустенитных типов стали, имеющих гранецентрированную кубическую решетку (FCC), для ферритных видов характерна объемоцентрированная кубическая кристаллическая решетка (BCC), свойственная α-железу. Такой структурой обусловлено наличие у стали ферритного класса особых магнитных свойств.

Ферритная сталь не упрочняется с помощью термической обработки, ее свойства обычно изменяют путем пластического деформирования, так как такой сплав устойчив к образованию холодных трещин. Для того чтобы сделать металл мягче, его отжигают.

Прочностные характеристики и устойчивость к коррозии у стали ферритных сортов ниже, чем у аустенитных. Но эти недостатки компенсируют отличные инженерные свойства. В большинстве своем ферритные виды стали обладают хорошей свариваемостью, однако отдельные марки проявляют склонность к образованию горячих трещин и зон напряжения вдоль сварного шва, где металл сильнее всего прогревается в процессе сваривания. Из-за таких проявлений область применения подобных сплавов ограничена.

В большинстве своем ферритные типы стали почти не имеют в составе никеля, а содержание хрома в них колеблется в диапазоне от 10 до 27 %. При выплавке специальных сортов нередко используют добавки молибдена, реже алюминия и титана.

Ферритная нержавеющая сталь делится на пять подгрупп, из которых первые три это стандартные марки, а две другие – специальные сорта металла.

По количеству выплавляемого металла на первом месте производство стандартных ферритных видов стали. При этом с каждым годом растет востребованность специальных нержавеющих сортов.

Виды и маркировка ферритной стали

Классификация стали ферритных марок регламентирована ГОСТ 5632 от 2014 года, заменившим устаревшие нормы советского ГОСТ 5632 от 1972 года. Регламент распространяется на стойкие к коррозии деформируемые типы стали на основе никеля или железа и никеля.

По основным параметрам эти сплавы могут быть:

• нержавеющими;
• жаростойкими, то есть устойчивыми к химической коррозии при температуре выше +550 °С;
• жаропрочными, сохраняющими свои характеристики при экстремальной температуре.

Согласно действующему ГОСТ, сплавы могут иметь мартенситную, мартенситно-ферритную, ферритную, аустенитно-ферритную, аустенитно-мартенситную и аустенитную структуру. В странах постсоветского пространства коррозионностойкие типы стали имеют буквенную и цифровую маркировку. Цифры здесь указывают на число элементов сплава, а буквами обозначают сами химические элементы и вариант выплавки.

Также существует международная система классификации или стандарт AISI – Американского Института Железа и Стали. Согласно этому стандарту европейский и североамериканский металлопрокат делят на 200-й, 300-й и 400-й классы. Ферритная сталь – это сплавы 400-й марки, которые в свою очередь разделяют на пять видов:

• 430;
• 409/410L;
• 430Ti, 439, 441;
• 434, 436, 444;
• 446, 445, 447.

Структура стали 430-й марки, которая наиболее широко представлена на рынке, отличается высокой устойчивостью к воздействию агрессивных кислотных и щелочных сред, что делает ее относительно дешевой альтернативой аустенитным сплавам.

В составе нержавеющей ферритной стали марки 409/410L содержится хром в крайне малом количестве, из-за чего ее используют для изготовления деталей, эксплуатирующихся обычно в бытовых условиях, не подразумевающих высокой влажности, воздействия высокой температуры и ее резких скачков.

Стали марок 43Ti, 439 и 441 пластичны, хорошо обрабатываются механическими методами и свариваются. Изделия из таких сплавов устойчивы к воздействию минусовой температуры, влаги и могут работать под постоянным воздействием ультрафиолетовых лучей.

В сплавах марок 434, 436 и 444 содержится молибден в достаточно высокой концентрации, благодаря чему они устойчивы к коррозии. Эти типы стали специального назначения используют для изготовления легких, прочных и долговечных деталей. Коэффициент устойчивости к истиранию стали марки 444 ставит ее в один ряд с видами стали с большей удельной массой и делает ее востребованной при изготовлении подвижных частей механизмов.

Марки 446, 445, 447 относят к специальным. Их высокую коррозионную стойкость обеспечивает хром, который содержится здесь в максимально высокой процентной доле. Крайне высокая устойчивость к кислым средам делает эти сплавы очень востребованными, несмотря на их высокую стоимость. По данному важному показателю марка 447 аналогична титану. Если требуется придать стали этих сортов дополнительную прочность, в их состав вводят молибден.

Нюансы сварки ферритной стали

Сварка ферритной стали – интересная и противоречивая тема, которую необходимо разобрать отдельно.

Ферритные сорта обладают разной свариваемостью, зависящей от их химического состава. Для того чтобы повысить данный показатель, важно ограничить процентную долю углерода и азота в сплаве.

При содержании этих элементов около 0,02 %, сталь обладает высокой пластичностью и ударной вязкостью, а значит, ее нагрев в процессе сварки не приводит к такому эффекту, как горячая хрупкость металла. Также на эту характеристику влияет то, в каких процентных долях в сплаве содержатся другие примеси внедрения.

При соединении элементов конструкции из ферритной стали важен правильный подбор материалов, что позволяет добиться высокой коррозионной стойкости сварных швов. Этот показатель крайне важен, когда изделиям предстоит эксплуатация в агрессивной среде.

Один из широко применяемых способов улучшения сварных соединений, дополнительно повышающий устойчивость к межкристаллической коррозии, заключается в легировании сплавов титаном и ниобием. Важной особенностью этого метода является сохранение стойкости на постоянном уровне даже при термообработке.

Приведенная ниже таблица содержит ряд рекомендаций относительно температурного режима при сварке деталей из ферритных сталей. Благодаря их соблюдению можно сохранить в ходе сваривания устойчивость металла к неблагоприятным воздействиям.

Рекомендуемые тепловые режимы для сваривания легированных хромом сплавов ферритного типа:

Кроме того, критически важен правильный выбор сварочного оборудования, расходных материалов, способа и режима сваривания. В зависимости от конкретных марок свариваемых сталей, соединение можно производить ручной дуговой, электронно-лучевой или лазерной сваркой.

Более подробно подбор способов и материалов для сварки хромистых ферритных сплавов рассматривает приведенная ниже таблица:

Ферритная сталь широко применяется в различных областях современного промышленного производства. Выше мы рассмотрели особенности различных групп ферритных сплавов и рекомендации по свариванию деталей из них. Изложенные рекомендации призваны предотвратить возникновение проблем при работе с такими марками стали и не допустить утраты важных характеристик при их термической обработке.