Все, что нужно знать о нержавеющей стали AISI 304

Сталь марки AISI 304 (это сокращение согласно расшифровке обозначает исследовательский институт по сталям) — аустенитная сталь с малой массовой долей углерода. В России 304-му сплаву соответствует высокохромистая нержавейка 8Х18Н10 (согласно ГОСТу). Её особенности – высокая устойчивость к слабокислым растворам и разогреву до 850 градусов.

Плотность (или удельный вес) марки AISI 304 – 7,85 г/см³. Полное расплавление – при 1450 градусах по Цельсию, полное отвердевание – при 1400 градусах. Сталь AISI 304 не магнитится. Предел текучести при растяжении (расчётное сопротивление при сминаемости и вытягивании арматурного образца) – 215 мегапаскалей, модуль Юнга (упругости) – в среднем 197 гигапаскалей, модуль сдвига – 86 ГПа.

Теплопроводность листа – 16,2 ватта в пересчёте на погонный метр при изменении температуры на градус. Коэффициент теплового расширения – 15 ватт на погонный метр при нагревании/охлаждении на градус по шкале Кельвина или Цельсия при комнатной температуре.

Материал выдерживает кратковременный нагрев до 900 градусов, не теряя своих противокоррозионных свойств. Нержавеющие стали, обладая прочной оксидной плёнкой на основе хрома, не ржавеют и не разлагаются дальше. Однако, раскалив докрасна эту сталь – до 900 градусов – и разбрызгивая на неё воду, можно добиться цветной побежалости, от сиренево-пурпурного до сине-фиолетового оттенка, что окончательно испортит внешний вид заготовки: снять этот слой можно, зачистив вновь изделие до блеска.

При продолжающемся воздействии воды на раскалённую нержавейку возможно слущивание этой побежалости в виде окисных плёнок, вплоть до истончения образца материала, который подвергается такому испытанию. Эксперименты с раскалённой нержавеющей секцией дымохода, по которой барабанит дождь, наглядно это демонстрируют.

Сталь AISI 304 не вступает в реакцию с молочной, уксусной, лимонной и яблочной кислотами при комнатной температуре. Ортофосфорная кислота, которая добавляется, к примеру, в некоторые энергетические напитки в небольших количествах, также не возымеет разрушительного воздействия на эту сталь. Слаборазбавленные растворы кислот, к примеру, азотной, которая используется для протравливания столовых приборов, скажем, перед серебрением, также не оказывают заметного разрушительного воздействия. Однако высококоцентрированная азотная кислота разъедает, пусть и не так быстро, как серная, нержавеющую сталь AISI 304.

Разбавленной же серной, хлорной и соляной кислотам нержавеющая сталь AISI 304 не противостоит – она разрушается с относительно катастрофической скоростью, так как никель, хром и другие легирующие присадки вступают с этими кислотами в реакцию. Хлорноватистая кислота, содержащая в каждой молекуле один атом кислорода, является слабой и неустойчивой по сравнению с другими минеральными кислотами выраженного действия.

Угольная и кремниевая, борные кислоты (кислородная и бескислородная) также не разрушают нержавейку: они относительно слабые.

Как и всякая нержавейка, сталь AISI 304 обладает большей ударной вязкостью. Её значительно тяжелее, чем Сталь 3 и другие, ржавеющие стали, распилить при помощи абразивного болгарочного диска: резак изнашивается быстрее, а при пилении AISI 304 искрит меньше, чем даже техническое (сверхнизкоуглеродистое, до 0,1 промилле углерода по массе) железо. Для разрезания нержавейки без значительных энергетических и временных затрат применяют лазерный раскрой, огранку и шлифовку, а также резаки с победитовыми и алмазными кромками. Дело в том, что простая быстрорежущая сталь перегревается и тупится при высверливании нержавеющей, так как из-за высокой вязкости нержавейки больше, чем задумано, механической (кинетической) энергии преобразуется в тепло.

Впрочем, это не означает, что она по износостойкости опережает, к примеру, подшипниковую сталь (маркер «Ш» в обозначении): благодаря сниженному содержанию углерода (до 0,8 промилле по массе сплава) AISI 304 склонна к износу.

Сплав AISI 430, обладая большей жаростойкостью, хрупок и плохо сваривается. Для высококачественной сварки деталей из этого сплава потребуется особая технология. Сварные швы – наиболее хрупкие стыки: лучшим выходом послужит соединения на оцинкованных или хромированных болтах. Кислотостойкость у 430-й – по сравнению с 304-й маркой – значительно ниже, и дымоходы, изготавливаемые из неё, от высокой температуры (сотни градусов) и испарений угольной кислоты через 2-4 года активной эксплуатации выгорят. 430-я марка стали – магнитный сплав в отличие от немагнитной 304-й. Эта разница имеет значение для механизмов, где магнитность в условиях сильного внешнего намагничивания не нужна.

Дымоходы из 304-й марки стали намного более кислотостойкие. Повышенное содержание никеля в сплаве 304 позволяет значительно легче сваривать детали – там, где невозможно установить крепления на болтах, шпильках, саморезах и скобах. Однако никель, содержащийся в сплаве 304, повышает не только вязкость и пластичность, свариваемость, но также обусловливает повышенную жаростойкость. В сочетании с 18% хрома, который содержится в стали AISI 304 именно в таком количестве, труба или другая конструкция обретает усовершенствованные технические и эксплуатационные характеристики.

Что касается других нержавеющих сталей, то коррозионная устойчивость у них наблюдается лишь при достижении массовой доли хрома отметки в 14%. Изменяя сочетание хрома и никеля, удаётся добиться большей жаропрочности и свариваемости, и значений иных ключевых характеристик, за которые нержавейки особо ценятся. Сравнивая по химическому составу сплав 304 с 321, 201 и 439, легко заметить, что содержания хрома в них – как в российских аналогах 08Х18Н10Т, 12Х15Г9НД и 08Х17Т соответственно, при этом они также имеют свои различия.

Освоиться с российской маркировкой легко: число после «Х» – количество массовых процентов хрома: в данных примерах это 18, 15 и 17 процентов соответственно. Чем больше хрома в нержавейке, тем она прослужит дольше, но это не значит, что нужно стремиться нарастить его содержание до 30% и более, соответственно, убрав из сплава столько же железа: такая сталь бы оказалась слишком хрупкой.

Прежде чем сравнить AISI 304 с аналогами – и найти отличия, хотя они незначительны, – вспомним, что эта нержавейка содержит 18% хрома и 8% никеля. Хром и никель также активны к кислотам – они вытесняют из них водород не хуже железа, так как стоят рядом с ним в ряде активности металлов (таблице химических напряжений). Однако и у хрома, и у никеля есть ключевое отличие: будучи окисленными, они резко теряют свою активность в отношении кислот, особенно хром. Чего не скажешь о железе: то ржавеет и разъедается насквозь. Обычный технический нож из ржавеющей стали быстро покрывается бурым налётом при разрезании лимона или помидора, чего не скажешь о нержавеющем его аналоге. А оптимальное соотношение никеля и хрома не позволяет инструментам из AISI 304 магнититься.

Аналоги AISI 304 представлены следующими сплавами: российский сплав 08Х18Н-10/11, а также все зарубежные аналоги, включая американские, европейские, восточноазиатские: AISI 304L (маркировка США), немецкий аналог DIN 1.4301, общеевропейский X5CrNi189, польский PN 86020, японский SUS304 и другие. Кроме хрома и никеля, содержание марганца приближается к 2% в AISI 304. Медь добавляется в этот сплав в количестве до 1%. Содержание серы и фосфора – по 0,3 промилле по удельной массе сплава.

Использование стали AISI 304 многообразно: из неё изготавливают трубы, рулонные листы большой длины, пищевую ленту, просечно-вытяжной лист (сетка узкопрофилированная), круг (круглая арматура гладкого сечения). Шлифованная, идеально гладкая продукция производится при выделке (доработке) горячекатаных заготовок методом холодного проката. Характерные примеры изделий – мойки и раковины для столовых, посуда (от тарелок до ножей, ложек и вилок), смесители (нержавеющие краны и трубки). AISI 304 – максимально безопасный сплав: кастрюли и кружки, применяемые туристами в походах для приготовления пищи на костре или на мобильной (быстросборной) буржуйке, полностью безвредны для здоровья человека, экологически безопасны для окружающей среды.

Сталь 304 не выделяет ядохимикатов даже при сильном разогреве. Кроме отсутствия ржавчины и длительного срока службы, она способна заменить другие сплавы в пищепроме и в медицине. Скальпели, зубные щипцы и другие хирургические инструменты долго сохраняют чёткость форм, приданных им, и бритвенную остроту – они как раз изготовлены из стали AISI 304. Характерный пример – высокооборотистая хирургическая дисковая пила: она даже спустя 100 циклов (и более) пиления костей остаётся острой, не «пылит» благодаря особому профилю зубцов, и обеспечивает высокий уровень безопасности и удобства хирурга в процессе операций, спасающих пациентам жизнь.

Высокая вязкость стали AISI 304 избавляет инструмент от случайного отлома, например, при выскабливании физиологических полостей и каналов при операциях на поражённых тканях и органах. От иголки шприца, введённой, к примеру, при инъекциях в связки, не отламывается кончик – она также изготовлена из этой нержавейки. Зубные свёрла для бормашин, пинцеты, шпатели – все эти инструменты сработаны из стали AISI 304. Дороговизна этих инструментов обусловлена большой концентрацией хрома и никеля – сами по себе эти металлы не являются дешевыми в отличие от железа, занимающего в сплаве AISI 304 около трёх четвертей веса. Сталь AISI 304 легко штампуется, что позволяет быстро наладить серийное производство деталей и комплектующих, для которых применяется такой способ обработки.

Вытягивание и усложнение формы, которую примет конечное изделие, обусловлено относительной пластичностью нержавейки. Доборные элементы, например, сложные переходники и разветвители, изготавливаются из сваренных при помощи автоматической сварки отрезков труб разного диаметра. Такие детали используются при сборке технологического оборудования на молокозаводах и в пивоварнях. Наконец, самогонные аппараты и ректификационные колонны для получения очищенного спирта собираются из труб и патрубков, сосудов с отводами и задвижек, сработанных как раз из такой нержавейки. Нейтральность стали AISI 304 к углеводородам и другой органике позволила применить этот сплав для производства нефтехимического оборудования. Фильтры (сетки), проволока, хомуты и запорные шары для вентилей производятся как раз из этой нержавейки. Антикварные вещи и устаревшая посуда – например, самовары – производились именно из нержавейки: такие вещи в отличие от людей живут сотни лет и передаются между поколениями.

Обработка деталей из сплава AISI 304 не обходится без зачистки заготовок до металлического блеска. Это позволяет осуществить сварку или пайку крупных и мелких деталей максимально качественно, избежав нежелательных образований, резко снижающих прочность собираемых комплектующих. Однако сварка – не единственный метод, который используется для обработки деталей из этой нержавейки. Холоднопрокатная обработка позволяет выиграть время, которое бы затрачивалось на выделку конкретной детали полностью «горячим» методом. Тем не менее после завершения холодного проката для снятия внутренних механических напряжений, от которых деталь бы потеряла прочность или частично утратила приданную ей форму, производится отжиг. При отжиге микротрещины и будущие разрывы исчезают.

Первоначальная горячая термообработка производится при температуре 1150-1260 градусов. Чтобы деталь или комплектующая из нержавейки обрела ещё большую коррозионную стойкость, используется ускоренное охлаждение с 1120 градусов до комнатной температуры. Детали из нержавейки механически обрабатываются с использованием смазочно-охлаждающих жидкостей – те, в свою очередь, предотвращают перегревание разрезающей и обтачивающей поверхностей резаков. Для быстрого отслаивания стружки и обрезков используется стружколомающее приспособление, не позволяющее обрабатываемым деталям потерять задаваемую им форму, – снижается процент выбраковывания продукции. При этом резак полностью сохраняет свою разрезающую способность – предупреждается образование уплотнений, нарушающих технологию выработки. Несмотря на повышенную ударную вязкость и относительную сложность в обработке, детали из стали AISI 304 относительно легко распиливаются и высверливаются – для этого применяют особые свёрла и протачивающие насадки, изготовленные из особо твёрдых материалов вроде алмаза или победита.

Варится сталь AISI 304 с использованием сварочных электродов (на инверторе) или при помощи сварочной проволоки (с помощью газосварочного оборудования). Автогенная сварка позволяет обойтись без использования присадочных компонентов, например, высокотемпературного припоя. Электросварочным инвертором эта нержавейка варится при использовании электродов, выполненных из другой нержавеющей стали – AISI 308, или с российским аналогом Св-04Х19Н9. Для сплава AISI 304L, соответственно, используются рутиловые электроды со стержнем из AISI 308L и кислотной добавкой, входящей в состав их обмазки. Сваренные швы для устранения усталостных напряжений проходят через стадию отжигания, особенно это важно при сварке заготовок из стали AISI 308. Сгибание листов из нержавейки производится на радиус, как минимум равный тройной толщине листа: при попытках резко уменьшить это значение образуется пролом по линии сгиба.

Обжиг без отпускания стали производится до температуры в 1060 градусов. Затем сталь охлаждают быстро на 1000 градусов, что позволяет изготавливаемой заготовке или детали обрести максимальную защиту от коррозии. После этого её протравливают в крепкой кислоте – и выполняют пассивацию. Последнее представляет собой образование окисного слоя, который не даёт стали окисляться дальше. Протравливание производится либо серной, либо плавиковой или азотной кислотой. Для пассивации сварных швов используют 20% раствор азотной кислоты и ускоряющей процесс пасты. Отпускание стали AISI 304 производится при температуре в 525 градусов – за 1 час. Особенность AISI 304 по сравнению с простыми среднеуглеродистыми сплавами – вдвое более продолжительный равномерный разогрев. Наконец, на основе сплава 304 создана ещё более усовершенствованная его версия – AISI 316. Она отличается от своего предшественника добавлением 2,5% молибдена по массе.