Коррозионностойкая сталь: свойства, классификация материала

СОДЕРЖАНИЕ

• Характеристика коррозионностойкой стали
• Химический состав коррозионностойких сталей
• Маркировка нержавеющих сталей
• Основные виды коррозионностойкой стали
• Ферритная группа
• Мартенситная группа
• Аустенитная группа
• Комбинированные коррозионностойкие сплавы
• Особенности сварки коррозионностойких сталей

Коррозионностойкая сталь устойчива к действию кислорода, то есть не подвержена ржавчине ни на воздухе, ни в жидкой среде. Основной элемент, который придает материалу такие свойства, – хром. Невосприимчивый к действию окисления, он образует защитную пленку на поверхности и таким образом изолирует металл от кислорода.

Коррозионная сталь используется в промышленности и быту. Из нее делают важные конструктивные элементы и привычные всем столовые приборы. Подробнее о составе, свойствах и применении коррозионной стали читайте в нашем материале.

Характеристика коррозионностойкой стали

Коррозионностойкая сталь была изобретена металлургом Гарри Бреарли. Этот известный англичанин получил на нее патент в 1913 году. Его открытие вывело сталелитейную и другие промышленные отрасли на более высокий уровень развития.

Благодаря этому открытию стало возможным наделять стальные сплавы уникальными свойствами. Сталь стала коррозионностойкой потому, что в нее добавили такой компонент, как хром. Необходимо отметить, что стали и сплавы, устойчивые к образованию ржавчины, должны содержать в себе от 10,5 % и более хрома.

Добавление этого компонента позволило наделить материал следующими свойствами:

1. повышенная устойчивость к образованию ржавчины;
2. сверхпрочность;
3. отличная свариваемость;
4. легкость обработки – применяется метод холодной деформации;
5. длительный эксплуатационный период, на протяжении которого материал не меняет свои характеристики;
6. визуальная привлекательность изделий.

По ГОСТу коррозионностойкая сталь должна содержать в себе хром и железо. Эти вещества вместе образуют синергию, наделяя материал специфическими свойствами. Так, хром и кислород соединяются, формируя на поверхности сплава оксидную пленку, она защищает изделие от образования коррозии.

Данные параметры нержавеющей стали могут быть улучшены, если использовать легирующие добавки, к примеру никель, титан, молибден, ниобий, кобальт.

Читайте также: «Сварочный позиционер»

За счет легирования на производственных предприятиях получается создать разные виды стальных коррозионностойких сплавов, обладающих разнообразными свойствами и назначением.

Материал получается сверхпрочным и твердым, поскольку в нем содержится углерод. Также этот элемент встречается во многих сплавах, в результате они приобретают необходимые качества.

Легированная коррозионностойкая сталь обладает уникальными свойствами. Поэтому она используется в разных областях, где изделия либо оборудование будут работать в условиях повышенной влажности, под воздействием агрессивных сред.

Химический состав коррозионностойких сталей

Коррозионностойкие нержавеющие стали и сплавы производятся по такой технологии, когда к неустойчивому к коррозии металлу добавляют другой металл, образующий с ним соединение более высокой твердости. В результате не пропорционально, а скачкообразно увеличивается устойчивость к ржавчине.

Легированная хромом сталь, когда к металлу добавляют 12–30 % хрома, обладает повышенными защитными свойствами. В результате изделие становится максимально устойчивым к пагубному воздействию агрессивных сред:

• Если добавлено 13 % хрома и более, на сплаве в обычных условиях, а также в слабоагрессивных средах не образуется ржавчина.
• Когда добавлено более 17 % хрома, материал проявляет устойчивость к коррозии даже в агрессивных окислительных, щелочных и других средах.

Как объясняется коррозионная устойчивость стали с химической точки зрения? Происходит это за счет того, что на поверхности изделия из данного материала образуется пассивирующая пленка окислов за счет содержания хрома.

Такая пленка задерживает кислород, предотвращая появление окисления. То, насколько эффективной будет защита, определяется тем, в каком состоянии находится металлическая поверхность, есть ли на ней повреждения, внутренние напряжения в материале.

Читайте также: «Сварка арматуры»

При изготовлении коррозионностойкой стали и нержавеющей стали добавляют сопутствующие железу элементы: С (углерод), Si (кремний), Mn (марганец), S (сера), P (фосфор).

Легирование коррозионностойкой стали любой марки позволяет улучшить ее физико-механические свойства. Данную процедуру можно выполнить не только с помощью хрома, но и используя другие химические элементы, к примеру разные группы металлов.

 В нормативных документах названия элементов обозначены русскими буквами: Ni – никель (Н), Mn – марганец (Г), Ti – титан (Т), Co – кобальт (К), Mo – молибден (М), Cu – медь (Д).

Чтобы стабилизировать аустенитную структуру стали, укрепив таким образом кристаллическую решетку железа, в качестве добавки используют никель.

Для увеличения прочности добавляют углерод. Чтобы сделать материал устойчивым к температурным перепадам, потребуется присадка титана. В частности, это касается агрессивных сред (кислотных), где применяют сложнолегированные сплавы с присадками никеля, молибдена, меди и других элементов.

Маркировка нержавеющих сталей

Чтобы маркировать металлы, используют буквенно-цифровое обозначение. Так, встречается отечественная классификация марок стали, ее используют в технической и нормативной документации.

Кроме того, можно столкнуться с мировой группой стандартов, которые разработали в Американском институте стали и сплавов AISI (American Iron and Steel Institute) для легированных и нержавеющих сталей.

В России стандарты классифицируются по нижеследующей схеме. Чтобы стало понятнее, разберем в качестве примера аустенитную сталь 12Х15Г9.

В системе AISI материалы обозначены 3–4 цифрами. Первые из них указывают на группу сталей, две другие – на среднее содержание углерода. Буквенное обозначение расположено чаще всего после второй цифры, впереди либо за цифрами. К примеру, 410, 410S, 1045.

Основные виды коррозионностойкой стали

Коррозионностойкая сталь аустенитного класса, а также сплавы отличаются по их возможности противостоять негативному воздействию естественных и искусственных сред: атмосферных, подводной, грунтовой (подземной), щелочной, кислотной, солевой, среды блуждающих токов. Материал также устойчив к химической, электрохимической, межкристаллитной коррозии.

Классификация коррозионностойких сплавов указана в ГОСТах, в этой нормативной документации сталь описана в соответствии с производственными процессами и использованием материала.

Существует несколько разновидностей сплавов в зависимости от структуры. Также отличается процентное содержание углерода, состав легирующих компонентов.

В зависимости от данных соотношений определяют, какой тип стали можно использовать в той или иной ситуации.

Ферритная группа

Сюда можно отнести хромистые стали, маркируемые буквой F. Это стали с большим содержанием хрома — до 30 %, и небольшим углерода – до 0,15 %.

Такие стали наделены ферромагнитными характеристиками: они намагничиваются за границами магнитного поля, если температура критически низкая.

Чтобы достичь наилучших характеристик, необходимо найти и отрегулировать баланс между содержанием углерода и хрома.

Преимущества – повышенная прочность и пластичность. Оптимальная деформируемость при холодной деформации. Материал устойчив к коррозии. В качестве термической обработки подходит отжиг.

Используется при изготовлении трубопроката, листовых и профилированных промежуточных и конечных изделий.

Читайте также: «Оборудование для сварочных работ»

В какой отрасли встречается сталь данной группы:

• Химическая и нефтехимическая промышленность. Производство оборудования и конструкций для использования в кислотной и щелочной средах.
• Тяжелое машиностроение.
• Энергетика.
• Приборостроение для промышленности.
• Производство бытовой техники, специальных приборов.
• Пищевая промышленность.
• Медицинская промышленность.

Марки сталей по ГОСТ и их использование:

• Сталь 08Х13 представляет собой ферритный хромистый сплав. Используется, чтобы производить столовые приборы.
• Сталь 12Х13 – это ферритный хромистый сплав. Применяют, чтобы хранить продукты, содержащие алкоголь.
• Сталь 12Х17 – представляет собой ферритный хромистый жаропрочный сплав. Из него производят емкости, в которых можно обрабатывать продукты питания при высокой температуре.

Мартенситная группа

Мартенсит представляет собой структуру, получаемую путем закалки заготовки либо слитка металла с последующим отпуском. Во время закалки материал нагревают до критически высокой температуры, во время отпуска быстро охлаждают металл.

После данной процедуры происходит перестройка кристаллической решетки, в результате чего материал становится сверхтвердым. Однако увеличивается и его хрупкость.

При проведении этой процедуры получаются сплавы, объединяющие в себе следующие свойства:

• твердые;
• сверхпрочные;
• упругие;
• коррозионностойкие;
• жаропрочные.

При увеличении процентного содержания углерода в сплаве металл становится более твердым и износоустойчивым.

Из стали производятся металлические изделия, которые можно использовать в средней и слабой интенсивности агрессивных средах.

Благодаря тому, что такая сталь достаточно упругая, из нее производят пружины, фланцы, валы.

Из мартенситной и мартенситно-ферритной комбинированной стали производят режущие элементы, к примеру ножи для конструкций в химической и пищевой промышленности.

Марки сталей по ГОСТу, а также их использование:

• Сталь 20Х13, 30Х13, 40Х13 – представляет собой мартенситный сплав. Используется, чтобы производить оборудование для кухни.
• Сталь 14Х17Н2 —это мартенситно-ферритный комбинированный сплав, в нем содержится никель. Применяется для создания компрессоров, оборудования для использования в агрессивных средах, при низких температурах.

Аустенитная группа

Аустенитный тип коррозионностойких сталей имеет специфическое химическое строение, а именно нестандартное внедрение атомов углерода в молекулярную решетку железа. В данной группе достаточно большое процентное содержание хрома и никеля – около 33 %.

Поэтому металлы носят название высоколегированных. Благодаря такому свойству, как немагнитность, можно использовать сплавы для решения задач во многих производственных процессах.

За счет этого группа металлов обладает пластичностью как в горячем, так и в холодном состоянии, имеет высокую прочность, свариваемость на высоте, устойчивость к агрессивным средам (азотная кислота). Кроме того, такой металл экологичный, не боится электромагнитного излучения.

Чтобы получить стабильный аустенит, гранецентрированную кристаллическую решетку железа, сталь необходимо легировать никелем. Это приведет к повышению его содержания до 9 %. Для легирования используется титан и ниобий, чтобы сделать металл устойчивым к межкристаллитной коррозии. Подобные сплавы носят название стабилизированных.

Коррозионностойкие стали являются металлами, которые трудно обрабатывать. Чтобы облегчить труд, используется термическая обработка, а именно отжиг и двойная закалка.

Для отжига металл нагревают до 1200 градусов Цельсия в течение трех часов. Затем сталь остывает в воде, масляной жидкости либо на открытом пространстве. В результате материал становится более гибким благодаря тому, что его твердость снижается.

Двойная закалка означает, что осуществляется нормализация твердого металла при температурном режиме в 1200 градусов Цельсия. Повторная закалка – при температуре 1 000 градусов. В результате увеличивается пластичность и жаропрочность, то есть металл становится устойчивым к повышенным температурам.

Читайте также: «Стыковое сварное соединение»

Аустенитные металлы подходят для создания конструкционных материалов под холодную штамповку и сварку. Так, из них изготавливают:

• всевозможные емкости;
• строительные конструкции;
• трубы, устойчивые к коррозии;
• агрегаты для нефтехимического, а также химического производства;
• конструкции для нефтяных вышек, станций очистки;
• приспособления, предназначенные для работы под водой, к примеру турбины;
• силовые агрегаты в сфере энергетики;
• элементы и агрегаты для машин, самолетов;
• оборудование для пищевых продуктов;
• аппараты медицинского и фармакологического предназначения;
• крепежные элементы;
• сварные конструкции.

Как применяются стали разных марок по ГОСТ:

• Сталь 12Х18Н10Т представляет собой высоколегированный хромистый сплав с добавлением присадок никеля и титана. Подходит для создания оборудования для переработки нефти, химической промышленности.
• Сталь 12Х18Н10Т — это аустенитная хромистая сталь с добавлением никеля. Применяется для создания трубопроводов для химической и пищевой промышленности (есть температурные ограничения).
• Сталь 12Х15Г9НД представляет собой высоколегированный сплав с содержанием хрома, марганца, никеля, меди. Используется при создании систем трубопроводов, резервуаров, которые взаимодействуют с органикой умеренной агрессивности.

Комбинированные коррозионностойкие сплавы

При сварке стали коррозионностойкой данного вида нужно учитывать, что в таких сплавах объединяются структура и свойства аустенитно-мартенситной либо аустенитно-ферритной группы.

• Аустенитно-ферритные сплавы содержат в себе минимальное количество никеля, однако большой процент хрома – более 20 %. В качестве легирующих добавок выступают ниобий, титан, медь. Благодаря термообработке соотношение феррита и аустенита становится одинаковым. В производстве данные металлы достаточно популярны, поскольку они пластичны, устойчивы к межкристаллической коррозии, не боятся ударных нагрузок, они более прочные, чем аустениты.

• Аустенитно-мартенситная группа содержит 12–18 % хрома и 3,7–7,5 % никеля, кроме того, в составе есть присадки алюминия. Сделать данную сталь прочнее удается с помощью закалки при 975 градусов Цельсия и отпуске при 450–500 градусах. Такие сплавы обладают повышенным пределом текучести. Это значит, что при напряжении деформация увеличивается, но нагрузка не возрастает. Данные стали легко сваривать, они обладают повышенными характеристиками механической прочности.

Особенности сварки коррозионностойких сталей

Коррозионностойкая сталь является жаростойкой (до 650 градусов Цельсия). Ее жаропрочность находится в границах 480–500 градусов. Такие сплавы имеют пониженную теплопроводность, поэтому изделия из этого материала зачастую ведет и коробит. Из-за окисления хрома формируется тугоплавкий шлак, из-за него сварочный процесс усложняется.

Чтобы сварить хромистые коррозионностойкие стали, нужно использовать мягкий тепловой режим. Так вы добьетесь небольшой плотности тока, ток обратной полярности будет постоянным. Поэтому «плюс» крепится на электрод. Скорость охлаждения должна быть низкая, поэтому при работе необходимо исключить сквозняки.

Для сварки такой стали применяют электроды с фтористокальциевыми покрытиями.

Мартенситы и сплавы, являющиеся мартенситно-ферритными, необходимо закаливать в месте сварки в стандартных условиях. При совершении такой работы могут появиться трещинки, в частности, когда осуществляется сварка конструкций с толстыми стенками, с большой жесткостью.

Читайте также: «Длина сварочных проводов: требования, нормы, способы увеличения»

Сварка будет более качественной, если обеспечить локальный подогрев до 200–300 градусов Цельсия изделий, толщина которых более 8–10 мм.

Но в этом случае верхний предел подогрева, а также время удержания этого температурного режима необходимо ограничить. В противном случае возникнет хрупкость и синеломкость. После сварки место соединения будет сверхтвердым. Это значит, что спустя определенный временной промежуток нужно выполнить отпуск при температуре 700–760 градусов Цельсия. В результате восстановится стойкость к межкристаллитной коррозии.

При выборе коррозионностойкой стали важно понимать, как вы будете ее использовать, какова нагрузка на металл, какими характеристиками должно обладать изделие. Если вы затрудняетесь с выбором, следует проконсультироваться у специалиста, чтобы не допустить ошибку.