Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь представляет собой высокотехнологичный сплав на основе железа, характеризующийся исключительной коррозионной стойкостью благодаря введению в состав хрома (Cr) в концентрациях от 12% до 30%. Этот материал, изобретенный в 1913 году британским металлургом Гарри Бреарли, стал результатом поиска сплава, устойчивого к эрозии в условиях оружейного производства. Ключевым открытием Бреарли стало обнаружение явления пассивации — формирования на поверхности сплава тонкой оксидной пленки Cr₂O₃, которая самовосстанавливается при повреждении, предотвращая дальнейшее окисление. Помимо хрома, в состав нержавеющих сталей вводятся легирующие элементы, такие как никель (Ni), молибден (Mo), титан (Ti) и углерод (C), что позволяет модифицировать их механические, термические и антикоррозионные свойства.

Основные преимущества нержавеющей стали включают:

• Коррозионную стойкость в агрессивных средах (кислоты, щелочи, морская вода).

• Высокую прочность и износостойкость даже при экстремальных температурах.

• Гигиеничность, обусловленную гладкой поверхностью, устойчивой к бактериальному загрязнению.

• Эстетичность, позволяющую использовать материал в архитектуре и дизайне.

Например, аустенитные стали типа AISI 304 (08Х18Н10) применяются в пищевой промышленности для изготовления резервуаров, а мартенситные сплавы (например, AISI 440C) — в производстве хирургических инструментов.

Состав и структура

Нержавеющая сталь — это многокомпонентная система, где каждый элемент играет строго определенную роль. Хром (12–30%) является основным легирующим элементом, обеспечивающим пассивацию. При содержании Cr > 10.5% оксидная пленка становится непрерывной, что блокирует диффузию кислорода и ионов хлора. Никель (8–25%) стабилизирует аустенитную структуру, повышая пластичность и устойчивость к термоциклическим нагрузкам. Молибден (2–7%) усиливает сопротивление точечной коррозии в хлоридных средах, что критично для сталей морского класса (AISI 316). Углерод (0.03–1.2%) влияет на твердость: высокоуглеродистые марки (например, AISI 440C) подвергаются закалке для достижения мартенситной структуры.

Кристаллическая решетка сплава определяет его классификацию:

• Аустенитные стали (например, AISI 304) имеют гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру, обеспечивающую немагнитность и высокую пластичность.

• Ферритные стали (AISI 430) с объемно-центрированной кубической (ОЦК) решеткой отличаются магнитными свойствами и устойчивостью к коррозионному растрескиванию.

• Мартенситные стали (AISI 410) образуются при быстром охлаждении аустенита, приобретая игольчатую структуру с высокой твердостью.

• Дуплексные стали (например, SAF 2205) сочетают аустенит и феррит, что обеспечивает повышенную прочность и стойкость к межкристаллитной коррозии.

Фазовая стабильность регулируется термообработкой: аустенизация при 1050–1150°C, отпуск для снятия внутренних напряжений, либо старение для выделения интерметаллидов (в дисперсионно-твердеющих сплавах, таких как 17-4 PH).

Физические и химические свойства

Коррозионная стойкость нержавеющей стали обусловлена пассивным слоем Cr₂O₃, который препятствует анодному растворению металла. Однако в средах с высоким содержанием хлоридов (например, морская вода) возможна локальная депассивация, приводящая к питтинговой коррозии. Для её предотвращения в состав вводят Mo (AISI 316). Межкристаллитная коррозия, возникающая при выпадении карбидов хрома по границам зерен, устраняется снижением содержания углерода (<0.03% в сталях AISI 304L) или добавкой Ti, связывающего углерод в карбиды TiC.

Механические свойства варьируются в широких пределах:

• Предел прочности на растяжение: 500–2000 МПа (для мартенситных сталей после закалки).

• Относительное удлинение: 40% (аустенитные стали) против 15% (ферритные).

• Твердость по Роквеллу: от 80 HRB (аустениты) до 60 HRC (закаленные мартенситы).

Термические характеристики:

• Температура плавления: ~1400–1450°C.

• Коэффициент теплового расширения: 17–18 ×10⁻⁶ K⁻¹ для аустенитных сталей, что выше, чем у углеродистых сталей.

• Теплопроводность: 15–30 Вт/(м·К), что ограничивает применение в теплообменниках без дополнительного легирования.

Магнитные свойства зависят от структуры: аустенитные стали парамагнитны, ферритные и мартенситные — ферромагнитны.

Классификация и маркировка

Нержавеющие стали стандартизированы по международным системам:

• AISI/SAE (США): цифровые обозначения (304, 316).

• EN (Европа): например, 1.4301 (аналог AISI 304).

• ГОСТ (Россия): 08Х18Н10 (аустенитная сталь).

Основные классы:

• Аустенитные (300-е серии): AISI 304 (универсальная), AISI 316 (с Mo для агрессивных сред).

• Ферритные (400-е серии): AISI 430 (декоративные элементы).

• Мартенситные: AISI 410 (лопатки турбин).

• Дуплексные: SAF 2205 (химическая промышленность).

Сравнение аустенитных и ферритных сталей:

Производство и обработка

Процесс производства включает:

1. Выплавку в электродуговых или индукционных печах с добавкой ферросплавов.

2. Обработку в ковше для дегазации и гомогенизации состава (например, аргонно-кислородное рафинирование).

3. Непрерывное литье в слябы или сортовые заготовки.

4. Горячую прокатку при 1100–1250°C для получения листов, труб, профилей.

5. Травление в HNO₃/HF для удаления окалины.

Термическая обработка:

• Аустенитные стали: закалка с 1050°C для растворения карбидов.

• Мартенситные: закалка с 950°C и отпуск при 200–300°C.

Сварка:

• Аустенитные стали свариваются TIG-методом с использованием аргона.

• Для предотвращения коррозии в зоне термического влияния (ЗТВ) применяют низкоуглеродистые марки (AISI 316L).

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Долговечность: Срок службы в атмосферных условиях превышает 100 лет.

• Универсальность: Диапазон рабочих температур от -200°C (криогенные емкости) до +1100°C (печные конвейеры).

• Экологичность: 100% рециклируемость без потери свойств.

Недостатки:

• Высокая стоимость: Цена аустенитных сталей в 3–5 раз выше углеродистых.

• Сложность обработки: Низкая теплопроводность приводит к перегреву режущего инструмента.

• Чувствительность к хлоридам: Даже стали с Mo (AISI 316) подвержены коррозии при концентрации Cl⁻ > 1000 ppm.