Технические характеристики аустенитной нержавеющей стали. Справочник ROSTFREI. Петербург +7(812)297-73-38 ПРОТЕХ

Домой Инструменты и материалы Виды стали: нержавеющая, иные марки, температура плавления

Каждый год во всех частях нашей планеты вместе производится около полутора миллионов тысяч тонн стали. Её используют в множестве отраслей, начиная от производства зубных протезов, заканчивая деталями космических шаттлов. Для каждой отрасли найдётся такая марка стали, которая будет подходить по физическим и механическим свойствам, по структуре и химическому составу.

Разные характеристики получаются в зависимости от того, какие примеси и в каком количестве содержатся в металле, каким способом он изготовлен и как обработан. Оттого меняются итоговые свойства, такие как плотность, температура плавления, теплопроводность, предел прочности при растяжении, линейное тепловое расширение, удельная теплоёмкость и так далее.

Определение стали: что это такое?

Сталью является сплав железа с углеродом, в комплекте с другими различными элементами. При этом железа в нём должно содержаться не менее 45%. Раз речь зашла о составе, то рассмотрим классификацию по химической составляющей.

Основное разделение идёт на сталь углеродистую и легированную (пример — нержавеющая сталь). Первый вид имеет несколько подвидов по количеству процентного содержания углерода:

• низкоуглеродистые стали, в которых содержится до 0,25% C;
• среднеуглеродистые (до 0,55% C);
• высокоуглеродистые (от 0,6% до 2% C).

Аналогично и второй вид разделяется на три подвида по содержанию легирующих элементов:

• низколегированные (до 4%);
• средне (до 11%);
• высоколегированные (более 11%).

Кроме того, в стали могут содержаться и неметаллические включения. В зависимости от них идёт классификация по другому параметру – по качеству. Чем меньший процент неметаллических включений, тем выше качество стали. В целом здесь выделяют четыре вида:

• обыкновенная;
• качественная;
• высококачественная;
• особо высококачественная сталь.

Её состав также определяет разделение на виды по назначению. Их множество, например, криогенные стали, конструкционные, жаропрочные, нержавеющие, инструментальные и т. д. Разделение на виды идёт также по структуре:

• ферритная;
• аустенитная;
• бейнитная;
• мартенситная;
• перлитная.

В структуре могут преобладать две фазы и даже более. Сталь в этом случае разделяют соответственно на двухфазную и многофазную.

Основные моменты технологии производства

Суть производства стали заключается в том, чтобы в процессе переработки исходного материала в нём понизилась концентрация углерода, серы, фосфора и других нежелательных составляющих. Эти элементы делают сталь ломкой и хрупкой, а избавление от них приносит повышенную прочность и жаростойкость. Исходным материалом чаще всего выступает чугун и стальной лом.

Процесс производства может быть выполнен одним из двух основных способов, которые обобщают собой однотипные методы – это либо конвертерный, либо подовый процесс. Первый не требует дополнительных источников тепла, так как его используют для расплавленного передельного чугуна, который и так обладает достаточной температурой. В этом случае происходит вдувание чистого кислорода (или обогащённого им воздуха, что уже устарело) в расплавленный металл, который окисляет присутствующие в чугуне элементы типа фосфора, марганца, кремния или углерода. Это, в свою очередь, позволяет поддерживать достаточное количество тепла для пребывания стали в жидком состоянии.

При таком изготовлении может получиться три вида стали – кипящая, полуспокойная и спокойная. Спокойная сталь обладает лучшим составом и более однородной структурой, когда кипящая содержит в себе весомое количество растворённых газов. Для полуспокойной характерны промежуточные значения между первыми двумя видами. Естественно, что спокойная сталь, исходя из лучших характеристик, дороже. Её цена выше, чем у кипящей, примерно на 10-15%.

Подовые процессы происходят при высоких температурах, которых добиваются за счёт задействования внешнего источника тепла для переработки твёрдой шихты. Их есть два вида – мартеновский процесс и электротермический. Мартеновский происходит в результате нагрева исходного материала от сгорания газа или мазута, а электротермический выполняется в индукционных или дуговых печах, где нагрев идёт при помощи электричества.

При необходимости, для производства особых видов стали могут быть использованы два последовательных метода, а для отдельных специальных её видов существует иные специфические процессы. Кроме того, появляются новые методы производства, которые ещё не стали широко используемыми, но успешно развиваются. Такими методами является электрошлаковый переплав, электролиз, прямое восстановление стали из руды и т. д.

Обработка стали для получения специальных свойств

Чтобы придавать материалу определённые свойства или изменять их, применяют легирующие элементы и различные виды обработки.

В качестве легирующих элементов выступают некоторые металлы. Ими могут быть хром, алюминий, никель, молибден и другие. Таким образом, добиваются определённых электрических, магнитных или механических свойств, а также коррозионной устойчивости. Так, нержавеющая сталь получается, если она была легирована хромом.

Изменяются свойства стали путём обработки:

• термомеханической (ковка, прокатка);
• термическая (отжиг, закалка);
• химикотермической (азотирование, цементизация).

Термическая обработка имеет в своей основе свойство полиморфизма – при нагреве и охлаждении кристаллическая решётка способная менять своё строение. Это свойство характерно основе стали – железу, потому присуще и ей.

Разные виды элементов, которые могут присутствовать в стали

Углерод. С повышением процентного содержания в стали этого элемента увеличивается её прочность и твёрдость. Но идут потери в пластичности.

Сера. Эта примесь вредна, так как вместе с железом она образует сернистое железо. Из-за него в материале возникают трещины как следствие потери связей между зёрнами при обработке высокой температурой и под воздействием давления. Негативно наличие серы сказывается и на прочности стали, её пластичности, износостойкости, коррозийной стойкости.

Феррит. Это железо, которое обладает объемноцентрированной кристаллической решёткой. Характерно, что сплавы с его наличием выходят мягкими и обладают пластичной микроструктурой.

Фосфор. Если сера уменьшает прочность при высоких температурах, то фосфор придаёт стали хрупкости при температурах пониженных. Тем не менее есть группа сталей, в которой повышено содержание этого, казалось бы, вредного элемента. Изделия из такого металла очень легко поддаются резке.

Цементит, он же карбид железа. Его влияние противоположно к влиянию феррита. Сталь становится твёрдой и хрупкой.

Конкретный пример легированной стали

Нержавеющей называют такую сталь, которая может сопротивляться коррозии в агрессивных средах или в атмосфере. Её состав был открыт в 1913 году Гарри Бреарли. Он заметил во время экспериментов, что сталь, в которой содержалось большое количество хрома, могла активно сопротивляться кислотной коррозии.

Сейчас нержавеющую сталь разделяют на три группы:

• жаропрочная – обладает высокой механической прочностью даже при значительных температурах;
• жаростойкая – имеет устойчивость к коррозии в условиях высоких температур и агрессивной среды. Подойдёт для использования на химических заводах;
• коррозионно-стойкая нержавеющая сталь – обладает такой стойкостью к коррозии, которой достаточно для бытовых условий и для несложных промышленных задач. Из неё могут быть изготовлены хирургические инструменты, бытовая посуда, детали для машиностроительной промышленности, лёгкой промышленности или, например, нефтегазовой.

Чтобы получить сталь, которая будет более стойкой к коррозийным влияниям, нужно повышать в ней количество хрома. Так, для обычной среды его достаточно от 13 до 17%. Если хрома больше 17%, то такой сплав можно использовать в более агрессивных средах. Чтобы металл не разрушался от влияния сильных кислот, сплав стали должен содержать не только хром, но и никель с присадками молибдена, силициума, купрума.

Пределы значений различных характеристик стали — температура плавления, удельная теплопроводность и т. п.

Исходя из того, что состав сплава может быть разным, то и значение различных свойств для каждого вида стали своё. Приведём обобщённые показатели, в которых указаны пределы значений свойств.

• коэффициент теплопроводности – 39 ккал/м*час*град;
• плотность стали лежит в пределах (от 7,7 до 7,9)*10^3 кг/м^3;
• температура плавления стали – в зависимости от её марки от 1300 °C до 1400 °C;
• удельный вес – от 0,7 до 7,9 г/см^3;
• удельная теплоёмкость (при значении температуры 20 °C) — 0,11 кал/град;
• удельная теплоёмкость плавления – 49 кал/град;
• коэффициент линейного расширения стали для разных видов (при температуре примерно 20 °C):
  • сталь 3 (марка 20) – 11,9 (град^-1);
  • сталь нержавеющая – 11,0 (град^-1);
• предел прочности при растяжении:
  • для марки стали, применяемой для конструкций – 38-42 (кГ/мм^2);
  • для машиноподелочной (она же углеродистая) – 32-80 (кГ/мм^2);
  • для рельсовой – 70-80 (кГ/мм^2);
  • кремнехромомарганцовистая сталь (наибольший показатель)– 155 (кГ/мм^2).

Источник

К нержавеющим сталям относится большая группа сплавов на основе железа и углерода, в которые для придания устойчивости к окислению и последующему образованию ржавчины, введены специальные легирующие металлы.

В качестве добавок обычно применяют хром, никель, молибден. В зависимости от характера дополнительных компонентов, условий эксплуатации сплавов они подразделяются на несколько подгрупп. В большинстве случаев нержавейку сваривают. Тонкостенные детали и склонные к короблению стальные сплавы нужно паять.

C низкой температурой плавления

Все жаропрочные, многие нержавеющие стали предназначены для высоких температурных нагрузок. Мягкие припои для их паяния применяются редко.

В некоторых случаях пайку проводят, используя припой для нержавеющей стали из олова и свинца. Детали нагревают пламенем горелки или паяльника. Рабочие части окунают в расплав.

В маркировке припоев рядом с сокращением ПОС присутствуют цифры, указывающие на содержание олова. Так, в составе ПОС-18 содержится 18 % олова, до 2,5 % сурьмы, десятые доли процента меди, висмута, мышьяка, все остальное составляет свинец.

Припой ПОС-30 включает 30 % олова, до 1,5 % сурьмы, мизерные количества меди, висмута, мышьяка. Остальную часть массы занимает также свинец. Состав ПОС-40 вмещает до 40 % олова, около 2 % сурьмы, незначительные примеси меди, висмута, мышьяка, почти 58 % свинца.

Для проведения успешной пайки нержавеющих сталей необходим флюс. Образованию хорошего шва способствует смесь хлористого цинка и соляной кислоты. Можно как флюс использовать 40 %-й раствор ортофосфорной кислоты в воде.

Иногда облегчает спайку нержавейки предварительное омеднение электролизом. Если электролитическая установка имеется в зоне доступа, процесс не составляет труда, приводит к хорошему спаиванию.

Серебряные

Для пайки нержавеющих сталей широко используются припои на основе серебра. Кроме благородного металла смесь включает цинк и медь. Иногда применяют припойные массы, в которые дополнительно введены никель, фосфор, кадмий, палладий.

Припой для пайки нержавейки с содержанием серебра от 25 % до 45 % при добавлении в зону пайки флюсов гарантирует образование прочного соединения.

Прибавление кадмия приводит к уменьшению температуры плавления массы, увеличивает ее текучесть, способствует образованию прочного и пластичного шва. Важно обратить внимание на процентное содержание серебра.

Если в сплаве содержится кадмий, то минимальная концентрация благородного металла должна составлять 40 %. Иначе качество шва на нержавеющей стали будет плохим.

Добавление никеля и кадмия увеличивают текучесть расплава. Введение фосфора позволяет без флюсов паять омедненные поверхности нержавейки и жаропрочных материалов, используя любые способы нагревания.

Это удобный метод соединения деталей с ограниченным доступом в тех случаях, когда флюс применять сложно. Остатки флюсовой смеси невозможно удалять в труднодоступных местах.

Для особых видов пайки нержавеющей стали применяют серебряные припойные составы, включающие до 15 % марганца или до 28 % меди и 0,5 % лития. Пайка нержавейки твердым припоем, содержащим немного лития, проводится в среде инертных газов.

Жаропрочные сплавы паяют таким составом, используя газообразны флюсы. Прибавление лития в массу увеличивает ее смачиваемость и текучесть. Иногда для улучшения качества соединения при проведении процесса в атмосфере нейтральных газов применяют припойные смеси с добавкой палладия.

Медные

Медь и ее сплавы для пайки нержавеющей стали применяют редко. Это можно делать только при температуре 1120 ℃ в специально очищенных, осушенных средах восстановительного характера.

Если в нержавеющих сталях повышено содержание хрома, алюминия, кремния и титана, в связи с низкой текучестью меди процесс можно проводить только с флюсами в атмосфере пламени ацетилена и кислорода.

В некоторых ситуациях применяют твердый припой для нержавейки из меди и цинка с содержанием последнего до 40 %. При этом добавляют в рабочую зону твердые флюсы.

Такие средства имеют недостатки, связанные с возможностью выгорания цинка. Шов может получаться не очень прочным, хрупким при высоких температурах. Работа требует особой квалификации исполнителя.

Хороший результат дают средства ВПр-1, ВПр-, ВПр-4, в которых основным компонентом является медь. Никеля в этих составах содержится около 30 %, кремния – до 2 %, железа – до 1,5 %, бора – в следовых количествах. Такими средствами можно паять любые нержавеющие стали в печах или пламени горелки.

Специфические особенности имеет припой ВПр- 41. Он относится к самофлюсующимся композитам. Функции флюсов выполняют добавки калия, натрия, лития и фосфора.

Они удаляют имеющиеся оксиды, препятствуют образованию новых продуктов окисления, улучшают поверхностное натяжение припоя. Пайку можно проводить без применения защитных газов под действием токов высокой частоты, обеспечивающих быстрый нагрев.

Никелевые

Среди нержавеющих сталей отдельную группу составляют жаропрочные сплавы. К ним предъявляются особые требования.

Припои, в основе которых содержатся серебро, медь, марганец обеспечить должную стойкость швов при высоких температурах не могут.

Для таких нержавеющих сталей подходят припои из никеля, хрома и небольших количеств бора, бериллия или кремния. Они выпускаются в виде порошков или паст.

В вакууме, среде инертных газов данные смеси успешно растекаются по нержавеющей стали. Образующиеся швы не окисляются, обладают термической стойкостью, но имеют низкую пластичность. Несколько повысить пластические свойства соединения можно проведением отжига параллельно с пайкой.

Для пайки всех нержавеющих сталей, включая жаропрочные, также применяют припои, состоящие из 70 % марганца и 30 % никеля. Встречаются разновидности данных смесей с добавками хрома или хрома с железом.

Полученные швы отличаются стойкостью при любых температурах. За границей применяется аналогичный припой с примесью палладия. Стоимость этого металла велика. Однако цена оправдывается высокими показателями качества шва, возможностью пайки деталей с большими зазорами.

Как выбрать

Существует большое количество марок нержавеющих сталей. При выборе припоя нужно обратить внимание на состав сплава, из которого сделаны детали, планируемый метод пайки, конструкцию изделия в целом. Следует определиться со сроками выполнения пайки и требованиями к качеству соединения.

Желательно провести пробную пайку с конкретным материалом, проверить при выполнении работы в конкретных условиях достоверность всех заявленных свойств.

Примерно 10% баков, сделанных из нержавейки марки AISI 430, не доживают до конца гарантийного срока!

Это происходит потому, что потребитель имеет всегдашнюю привычку экономить на всем. И несмотря на совет производителя выбирает для изготовления своего бака более дешевую нержавейку. Как известно, нержавеющая сталь марки AISI 430 дешевле, чем AISI 304. Но область применения этих сталей различна. Если бак из 304-й нержавейки будет себя преотлично вести на протяжении многих лет, не протечет и не покроется ржавчиной, то бачек из 430-й нержавейки может лопнуть по шву или прогнить за довольно короткое время. Причиной коррозии бака из 430-й нержавейки послужит невысокая коррозионная стойкость из-за отсутствия в составе никеля. Шов же может лопнуть из-за того, что он имеет повышенную хрупкость в сравнении с основным металлом, это исправляется последующей термообработкой, которой как правило пренебрегают и шов остается хрупким. В процессе эксплуатации бак термообработку не проходит, т.к. вода, находящаяся в нем, не дает нагреться выше 100°С.

А вот дымоход или печь будут лучше себя чувствовать, если их выполнить из 430-й нержавейки, т.к. она, по сравнению с 304-й нержавейкой, меньше деформируется при нагревании, а жаропрочность у них одинаковая ввиду почти равного количества хрома в составе. Термообработку же такие изделия проходят в процессе эксплуатации, достаточно разок затопить печь и она вместе с дымоходом эту самую термообработку пройдет.

Итак, для того чтобы бак из 430-й нерж приобрел более менее схожие свойства с баком из 304-й нерж, его нужно делать во-первых из металла большей толщины, а во-вторых производить термообработку, что приведет к значительному увеличению стоимости. Поэтому выгодней и надежней делать баки из нержавеющей стали марки AISI 304, а печи и дымоходы из AISI 430!

AISI 409	AISI 430	AISI 304
Марка по-русски	08Х13	12Х17	08Х18Н10
Классификация	Ферритная коррозионностойкая сталь общего применения	Ферритная коррозионностойкая жаропрочная сталь	Аустенитная коррозионностойкая жаропрочная сталь
Применение	Детали с повышенной пластичностью, подвергающиеся ударным нагрузкам (клапаныгидравлических прессов, предметы домашнего обихода), а также изделия, подвергающиеся действию слабоагрессивных сред(атмосферные осадки, водные растворы солей органических кислот при комнатной температуре и др.), лопатки паровых турбин, клапаны, болты и трубы. Прекрасно зарекомендовала себя как материал устойчивый в газовых средах, образующихся при сжигании различного топлива.	Крепежные детали, валики, втулки и другие детали аппаратов и сосудов, работающих в разбавленных растворах азотной, уксусной, лимонной кислоты, в растворах солей, обладающих окислительными свойствами.	Трубы, детали печной арматуры, теплообменники, муфели, реторты, патрубки, коллекторы выхлопных систем, электроды искровых зажи гательных свечей, сварные аппараты и сосуды химического машиностроения, работающие при температуре от -196 до 600 °С в средах средней активности.
Свариваемость	Трудносвариваемая. Для того, чтобы гарантировать адекватную коррозионную стойкость необходимо убрать окалину и цвета побежалости травлением или механической обработкой щетками из нержавеющей стали и пропассивировать холодным 10-20% раствором азотной кислоты. Необходима последующая тщательная промывка холодной водой и сушка.	Трудносвариваемая. Для получения качественных сварных соединений требуются дополнительные операции: подогрев до 200 — 300 град. при сварке, термообработка после сварки — отжиг.	Без ограничений. Сварка производится без подогрева и без последующей термообработки.
Магнитные свойства	Магнитит	Магнитит	Немагнитит
Визуальное сравнение	Бело-голубоватый оттенок	Бело-голубоватый оттенок	Желтоватый оттенок
Недостатки	Повышенная хрупкость из-за крупнокристаллической структуры. Cклонна к межкристаллитной коррозии по границам зерен из-за обеднения хромом их границ. Межкристаллитная коррозия обусловлена тем, что часть хрома около границ зерна взаимодействует с углеродом и образует карбиды. Концентрация хрома в твердом растворе у границ становится меньше 13 % и сталь приобретает отрицательный потенциал. Из-за склонности к росту зерна ферритные стали требуют строгих режимов сварки и интенсивного охлаждения зоны сварного шва. Недостатком является и склонность к охрупчиванию при нагреве в интервале температур 450 — 500°С.	Высокая стоимость, ввиду присутствия в составе стратегически важного и очень дорогостоящего никеля.
Химический состав, %
Углерод ©	< 0,08	< 0,12	< 0,8
Хром (Cr)	10,5 — 11,75	16 — 18	17 — 19
Никель (Ni)	< 0,5	—	9 — 11
Кремний (Si)	< 1	< 0,8	< 0,8
Марганец (Mn)	< 1	< 0,8	< 0,2
Титан (Ti)	< 0,75	—	< 0,5
Медь (Cu)	—	—	< 0,3

Прежде чем говорить о сталях, давайте определимся с физическим смыслом самой категории температура плавления. В научно-производственной сфере это понятие используется еще и как температура отвердевания. Физический смысл данной категории состоит в том, что эта температура показывает, при каком ее значении происходит смена агрегатного состояния вещества, то есть его переход из жидкого в твердое состояние. В самой же точке температурного перехода вещество может быть как в одном, так и в другом состоянии. При подаче дополнительного тепла предмет или вещество приобретает жидкое состояние, а при отведении тепла – отвердевает. Этот показатель считается одним из самых важных в системе физических свойств любого вещества, при этом необходимо учитывать (это особенно важно понимать применительно к сталям), что температура отвердевания численно равна температуре плавления лишь в том случае, когда мы говорим об идеально чистом веществе.

Как известно из школьной программы, температура плавления стали для различных видов сплавов различна. Это определяется структурой сплава, входящими в него компонентами, характером технологического производства стали и другими факторами.

Так, например, температура плавления стали, состоящей из медноникелевого сплава равна примерно 1150 °С. Если мы будем в таком сплаве увеличивать содержание никеля, то температура будет повышаться, так как температура плавления самого никеля гораздо выше, чем у меди. Как правило, в зависимости от химического состава сплава и соотношения присутствующих в нем компонентов температура плавления стали может находиться в границах 1420-1525 °С, если такая сталь подлежит разливке в формы в процессе металлургического производства, то температуру необходимо поддерживать еще на 100-150 градусов выше. Важным фактором, который влияет на температуру плавления, является уровень содержания в сплаве углерода. Если его содержание высоко, то температура будет ниже, и, соответственно, наоборот – при понижении количества углерода температура повышается.

Более сложным с точки зрения определения величины является процесс измерения температуры плавления в нержавеющих сталях. Причиной этого является их сложный химический состав. Например, стали марки 1X18H9, широко используемые в стоматологии и электротехнике, имеют в своем составе, кроме собственно железа, еще углерод, никель, хром, марганец, титан и кремний. Естественно, температура плавления нержавеющей стали такого состава будет определяться свойствами каждого компонента, входящего в нее. Из такой стали изготавливаются литые зубы, коронки, различного типа зубные протезы, электродетали и другое. Можно привести перечень некоторых свойств, которыми обладает эта нержавеющая сталь, температура плавления ее составляет 1460-1500 °С, поэтому, исходя из данного параметра и химического состава сплава, для его пайки применяются специальные серебряные припои.

Одними из самых высокотехнологичных в современном производстве видов сплавов являются различные стали с включением в их состав элементов титана. Это обусловлено тем, что эти стали имеют практически стопроцентную биологическую инертность, а температура плавления стали на основе титана – одна их самых высоких.

Большинство сталей содержит в своем составе железо в качестве основного компонента. Это объясняется не только тем, что этот металл – один из распространенных в природной среде, а еще и тем, что железо представляет собой практически универсальный элемент для производства сталей различных марок и сплавов, в состав которых он входит. Эта широта применения объясняется тем, что показатель температуры плавления этого металла, равный 1539 градусам, в сочетании с иными уникальными химическими свойствами делает железо подходящим компонентом для широкого перечня марок сталей различного назначения.

Коррозионностойкие и жаростойкие сплавы и стали используются при производстве ответственных деталей машин, аппаратов, приборов и технологического оборудования практически для всех отраслей промышленности. Главное общее свойство, присущее этим материалам – стойкость к разным видам коррозии в агрессивных средах и стабильность параметров при высоких температурах. Различаются они физико-механическими характеристиками, а также химическим составом, точнее, типом и объемом дополнительных химических элементов (легирующих добавок), введенных в базовую основу – железо или никель, которые и придают конечному материалу определенные качества.

Фланцы из коррозионностойкой стали

Классификация

Жаростойкие и коррозионностойкие стали и сплавы классифицируют по ГОСТ 5632-72 исходя из их ключевых физико-механических свойств.

Рисунок 1. Получение никеля электролитическим методом.

–>

Коррозионностойкие стали и сплавы отличаются способностью противостоять коррозионным процессам под воздействием широкого спектра естественных и искусственных коррозионных сред: атмосферной (в атмосфере воздуха, в условиях любого влажного газа), подводной, подземной (почвенной), щелочной, кислотной, солевой, под воздействием блуждающего тока и т.д. Окалиностойкие жаростойкие сплавы обладают долговременной стойкостью к химическому и электрохимическому разрушению (окислению) поверхности в агрессивных газообразных средах при температурах свыше 500-550°С, при работе без высоких нагрузок.

Легирование

Формирование специальных свойств коррозионно – и жаростойких сплавов и сталей производится способом легирования. Осуществляется легирование путем введения определенного количества хрома (Cr) и/или никеля (Ni) в расплав базового металла. У некоторых типов сталей и сплавов допускается наличие дополнительных легирующих, а также незначительного количества случайно попавших элементов, но никель и хром в их составе всегда имеет наибольшую массовую долю в соотношении к остальным примесям и добавкам.

Химический состав коррозионностойких сталей и сплавов

Наиболее распространенные коррозионностойкие стали и сплавы делятся на хромистые и хромоникелевые, в которых основным легирующим элементом выступает хром в соотношении не менее 10,5-13% от общей массы сплава, предназначенный для образования на его поверхности защитной оксидной пленки Cr₂O₃. Для стабилизации аустенитной структуры стали в нее добавляется никель (8-25%), для повышения прочности – углерод (0,1-2%), для увеличения стойкости к перепадам температур – титан (0,6-0,8%). В роли дополнительных легирующих элементов используют молибден, медь, ниобий, кремний, марганец и др. Аустенит – это одна из фаз состояния структуры кристаллической решетки стали и сплавов на основе железа с концентрацией углерода до 2%, обеспечивающая им максимальную стойкость к коррозии при высоких температурах. В большинстве сталей и сплавов кристаллическая решетка приобретает устойчивую (стабильную) аустенитную структуру только при нагреве до 727°С и выше. Формируется аустенитная структура путем введения в сплав определенных легирующих элементов (добавок), которые называют аустенизаторами. К числу аустенизаторов относят никель, кобальт, углерод, азот, медь и пр.

Бак из коррозионностойкой стали

Свойства коррозионностойких сталей и сплавов

Когда сплав обогащается хромом в объеме свыше 13%, то в сочетании с другими легирующими компонентами получается прочная нержавеющая сталь с повышенными коррозионно – и жаростойкими свойствами, а также с высокой устойчивостью к воздействию кислот и т.п. Например, коррозионностойкая сталь марки 08Х18Н10 может эксплуатироваться в средах средней агрессивности при температурах до 600°С. Жаростойкость сталей марки 36Х18Н25С2 и 15Х6СЮ достигает 800°С, марки 12Х17 – 900°С, а нержавеющая сталь марки 15Х25Т способна сохранять устойчивость к коррозии (окалиностойкость) при температуре в 1100°С (кратковременно).

Химический состав жаростойких сплавов

В отличие от коррозионностойких сталей, изготавливаемых на основе железа с легированием хромом и никелем, жаростойкие сплавы производятся на основе никеля. Именно большая массовая доля никеля (не менее 55%), температура плавления которого равна 1455°С, обеспечивает сплавам защиту от коррозии и физическую стабильность при работе в различных средах при очень высоких температурах. Чтобы увеличить и без того высокую жаропрочность сплава, никель легируется хромом (15-23%) и в незначительном объеме (1-5%) обогащается тугоплавкими металлами (кремний, молибден, титан, марганец, вольфрам, тантал, ниобий и др.) с температурой плавления выше 1700°С. Для экономии дорогостоящего никеля в состав некоторых марок сплава вводят железо (до 25%).

Свойства жаростойких сплавов

Одним из наиболее распространенных жаростойких сплавов на основе никеля является нихром, который по своим свойствам превосходит лучшие жаропрочные стали. В данном случае речь идет именно о жаростойкости (жаростойкость характеризует сопротивление металлов и сплавов газовой коррозии при высоких температурах) нихрома, которую не следует путать с жаропрочностью (жаропрочность – способность сталей и сплавов выдерживать механические нагрузки при высоких температурах в течение определенного времени). В отличие от коррозионностойкой нержавеющей стали, нихромы не имеют достаточной механической прочности, чтобы в течение продолжительного времени работать в нагруженном состоянии, из них нельзя штамповать или точить детали, зато они чрезвычайно жаростойки и пластичны, поэтому отлично подходят для производства большого спектра высокоэффективных нагревательных элементов.

К примеру, 60-процентная массовая доля никеля в составе нихрома марки ХН60Ю обеспечивает ему возможность длительной работы в агрессивной окислительной среде (в азоте, аммиаке и др.) при рабочей температуре до 1150°С, а температура плавления этого материала составляет 1390°С. В свою очередь рабочая температура нихрома марки Х20Н80 достигает 1250°С. Здесь следует заострить внимание на том, что никелевые жаростойкие сплавы чаще всего производят в виде полуфабрикатов – проволоки и ленты, поэтому рабочая температура детали из нихрома будет зависеть еще и от диаметра проволоки или сечения ленты.

Стоимость жаро- и коррозионностойких сталей и сплавов

Поскольку коррозионностойкие стали и жаростойкие сплавы в плане их применения имеют мало точек пересечения, т.к. каждый материал обладает своей специфической нишей, сравнивать стоимость материалов было бы не совсем корректно. И, тем не менее, для полноты и объективности данного обзора отметим, что килограмм обыкновенной коррозионностойкой стали аустенитного класса стоит в 20 раз дешевле килограмма жаростойкого сплава. Такое положение дел обусловлено дефицитом и высокой стоимостью никеля. Несмотря на это жаростойкие сплавы пользуются неизменным и стабильным спросом на рынке, оставаясь незаменимыми во многих сферах, тем более, что их ближайшие аналоги, например, кобальтовые сплавы, стоят еще дороже, причем настолько, что их используют только в исключительных случаях.

Области применения

Количество жаростойких изделий, для производства которых применяется коррозионностойкая нержавеющая сталь сложно перечислить в рамках одной статьи. В их числе элементы аппаратов и сосудов для кислот, щелочей и солевых растворов различной концентрации, арматура, теплообменники и трубы, предназначенные для работы в условиях слабоагрессивных сред, детали и корпуса пищевого и химического оборудования, печей, турбин, двигателей машин, самолетов. Разумеется, нержавеющая сталь незаменима при изготовлении посуды и медицинских биксов (стерилизационных емкостей).

Реактор для химической промышленности

Сфера использования сплавов на основе никеля (нихромов) обусловлена не только их уникальной коррозионной и жаростойкостью, устойчивостью к большому спектру химических воздействий (окислению), но и высокой пластичностью. Из нихромовой проволоки изготавливают нагревательные элементы для лабораторных и промышленных печей, реостатов, сушильных аппаратов, электротермического и кухонного оборудования (в том числе бытового), резисторы, нити электронных сигарет и многое другое.