Основные виды и свойства нержавеющей стали
Нержавеющая сталь – это сплав железа, углерода, хрома и никеля. Помимо основных элементов добавляются легирующие вещества, необходимые для придания дополнительных свойств. Как правило, в качестве основных добавок в сплаве используется азот, медь, селен, кремний, алюминий, которые регулируют технические характеристики материала.
Благодаря уникальным антикоррозийным свойствам и способности противостоять воздействию агрессивных сред, нержавеющая сталь широко используются в разных отраслях промышленности от машиностроения до пищевой индустрии.
Но характеристики материала изменяются в зависимости от количества и типа примесей. Поэтому ассортимент выпускаемых сталей этой группы достаточно широк.
Физические свойства нержавейки
Впервые нержавейка была сделана в Англии в начале 20 века. Широкие возможности, появившиеся благодаря подобным сплавам, значительно расширили сферу применения, особенно в химической и пищевой промышленностях.
Основным преимуществом всех нержавеющих составов на основе железа является сочетание двух качеств: прочность и устойчивость к воздействию среды применения. Благодаря многочисленным добавкам материалу придаются разнообразные специфические качества:
- Устойчивость к деформации и иным физическим воздействиям. Это качество обусловлено тем, что сплав создается на основе железа. Добавление легирующих присадок позволяет достигнуть такой же прочности, как у черного металла.
- Стойкость к воздействию агрессивных сред. Склонность железа к окислению эффективно устраняется добавлением хрома и никеля. При этом металл приобретает светло-серебристый цвет и становится не подверженным разрушению в течение длительного времени.
- Повышенное сопротивление во время эксплуатации при высоких температурах. Жаропрочные стали появляются благодаря склонности металла вступать в химическую реакцию – при высокой температуре окислительные процессы ускоряются.
- Безвредность для окружающей среды. Материал не склонен вступать в химические реакции с окружающей средой. Это позволяет использовать его в создании медицинских приборов, инструментов и изделий для пищевой промышленности. Для этого используются специальные марки пищевой нержавейки.
- Декоративные свойства. Оригинальный блеск, устойчивость к окислению и стойкость к физическому воздействию обеспечивают веществу применение его во многих отраслях, где требуется красивый внешний вид (посуда, декоративная отделка и т.д.).
- Простота металлообработки. Нержавейка режется, фрезеруется и деформируется практически так, как и все сплавы железа. Это простой отработанный процесс. Единственным осложняющем условием при термической обработке является создание среды из инертных газов, таких как: аргон и углекислый газ.
Зависимость характеристик материала от химических присадок
Получение необходимых качеств изделия напрямую зависит от процентного состава легирующих добавок:
- Хром позволяет повысить прочность, противостоять коррозии. При этом за счет уменьшения термического расширения упрощается сварка.
- Никель существенно повышает устойчивость к воздействию кислот, придает сплаву пластичность и вязкость. При токарной обработке появляется эффект вальцевания.
- Присадка из алюминия уменьшает старение и повышает ударную вязкость (материал деформируется без изменения внутренней структуры).
- Медь повышает устойчивость к воздействию кислорода, то есть изделие сохраняет внешний вид при эксплуатации на воздухе.
- Кобальт повышает устойчивость к высоким температурам и увеличивает сопротивление к ударному воздействию.
- Марганец в комплексе с никелем повышает износостойкость, ускоряет процесс удаления нежелательных примесей методом прокаливания.
- Титан используется как присадка, улучшающая прочность, плотность и невосприимчивость к коррозии.
- Наличие вольфрама в составе позволяет иметь сверхпрочные вкрапления карбидов. Это резко повышает твердость материала.
- Ванадий влияет на прочность и устойчивость к физическому воздействию.
- Кремний в сочетании с хромом и никелем повышает электрическое сопротивление и снижает образование оксидной пленки при нагреве.
- Ниобий позволяет сохранить первоначальные качества конструкции в процессе сварки.
- Молибден увеличивает термостойкость и повышает сопротивляемость к деформации.
Такое многообразие физических свойств, часто противоположных, в сочетании с декоративными качествами позволяет материалу найти применение в самых различных сферах от бытовых приборов и посуды до химической промышленности и медицины.
Основные типы стали
Общая классификация нержавеющей стали проводится по химическому и структурному составу.
Рассмотрим 4 основных вида стали, востребованных в мировой металлургии.
Аустенитная
Особенностью производства данной стали является прямое внедрение атомов в кристаллическую решетку. Главная задача технологического процесса состоит в уменьшении серных примесей, которые повышают общую сопротивляемость к коррозии. Поэтому в качестве легирующих добавок применяют хром и никель, количественное содержание которых составляет не менее трети от общего состава.
Номенклатурное обозначение нержавейки в мире – 300. Как правило, в мировой классификации труба обозначается маркировкой AISI 304, а отечественное изделие – 12Х18Н10Т.
К преимуществам аустенитной стали можно отнести:
- высокую пластичность;
- отличную коррозийную стойкость;
- немагнитность;
- высокую износостойкость (сопротивление к истиранию за счет вязкости);
- большой срок службы;
- простоту изготовления;
- безопасность при пожарах и взрывах;
- разнообразность выпускаемой продукции (лист AISI 304, пруток 12Х18Н10Т, сетка нержавеющая сварная, профили, круг, перфорированный прокат).
Ферритная или хромистая
В состав данной стали входит большое содержание хрома – от 18 до 20 %. А вот количество углерода уменьшается до самых низких значений. В качестве легирующих добавок используются в небольших объемах титан, алюминий, никель и молибден.
В мировой классификации изделия из ферритной стали обозначаются маркировкой 400. Например, лист AISI 430 или рулон нержавеющий AISI 430.
Преимущества ферритной нержавейки:
- обладает высокой сопротивляемостью к агрессивным внешним средам, в том числе невосприимчивостью к азотной кислоте и аммиаку;
- имеет низкую стоимость;
- не крошится при сварочных работах;
- способен эксплуатироваться под электрическим напряжением;
- устойчив к высоким температурам.
Мартенситная и феррито-мартенситная
Мартенситная нержавеющая сталь получается путем нагрева до 1200 градуса смеси, в составе которой находится хром и углерод. В процессе накала образуется 100-процентный аустенит. Далее для получения мартенсита заготовку закаливают в масле – насыщают поверхностный слой углеродом.
Преимущества стали:
- устойчивость кислотостойкой нержавейки к агрессивным средам;
- небольшой вес и высокая прочность;
- хорошо поддается формовке, штамповке и профилированию на горячую;
- идеально подходит для создания кухонного инвентаря, требующих повышенной прочности.
Изделия из данной стали применяются при изготовлении режущих элементов, в машиностроении, при создании высокопрочных деталей для станков.
Комбинированная аустенитно-мартенситная и аустенитно-ферритная
Комбинированный металл нового поколения разработан совсем недавно для создания высокотехнологичных инновационных сплавов. Они включают в себя самые лучшие характеристики других сталей и способны решить любые задачи современной промышленности. Если невозможно совместить высокую пластичность и твердость, то во многих случаях необходимо обеспечить резец повышенной износостойкостью или соединить вязкость с термостойкостью. Это достигается сложной комбинацией самых разнообразных присадок и технологий производства. Комбинированные сплавы применяются буквально во всех сферах современной промышленности.
Дополнительные свойства нержавеющей стали
Качества нержавеющих сплавов до конца не раскрыты. Постоянно появляются составы с новыми характеристиками. Опытным путем создаются сплавы, позволяющие заменить очень специфичные и дорогие продукты, например, такие, как: медь, чугун, титан, алюминий. Это значительно удешевляет производственный процесс, сокращает стоимость конечного продукта и долговечность эксплуатации.
Изделия из соответствующих составов великолепно показывают себя в северных широтах, там, где обычная сталь становится хрупкой. В химических реакторах с высокой температурой внутренних процессов нержавейку можно заменить только благородными металлами. Это очень дорого. В быту все давно оценили удобность и долговечность изделий из этого материала.
Можно смело утверждать, что создание нержавеющих сталей стало эпохальным событием в металлургии всего человечества. В наши дни наука постоянно открывает новые свойства таких материалов.