Какими бывают нержавеющие стали и где их применяют?

Сложно представить себе жизнь современного человека без нержавеющей стали. Создание сплавов с антикоррозийными свойствами стало настоящим прорывом не только в металлургии, но также во многих других отраслях промышленности. О свойствах такого металла мы и поговорим в нашей статье.

Нержавеющая сталь была изобретена в 1913 г. и сразу же начала активно использоваться в промышленности. Это изобретение по праву считается одним из самых важных в истории сталелитейной отрасли. К нержавейке относятся сплавы с хромом, в которых содержание последнего составляет 10,5% и более. Включение этого элемента придает материалу особые характеристики:

• высокую прочность;
• хорошую свариваемость;
• легкость холодной формовки;
• противодействие ржавлению;
• долгий срок службы;
• привлекательный внешний вид.

Уровень сопротивления стали ржавлению напрямую зависит от доли хрома. Чем выше будет его концентрация, тем более стойким получится сплав. В классическом варианте нержавейка содержит порядка 13% хрома, для использования в агрессивных средах дозировку повышают до 17% — такие сплавы можно использовать в кислотных средах. Доказано, что они сохраняют все свои основные характеристики даже в растворе азотной кислоты. На долю углерода в таких сталях приходится не более 1,2% в составе. В качестве дополнительных легирующих компонентов могут вводиться кобальт, титан, ниобий и марганец. Для повышения стойкости к щелочным средам в сплав добавляют никель.

Нержавеющая сталь пользуется высоким спросом не только благодаря своим противокоррозийным свойствам, но также за счёт разнообразия физических характеристик материала. К ее основным свойствам можно отнести следующие моменты.

• Повышенная прочность — любые изделия, выполненные из нержавеющего сплава, характеризуются большей прочностью по сравнению со своими аналогами. За счет стойкости к интенсивным физическим нагрузкам такие изделия не утрачивают свою первоначальную форму и не изменяют технических характеристик длительное время.
• Стойкость к внешним агрессивным средам — сплав не меняет своих свойств под действием внешних факторов, поэтому эксплуатационный ресурс изделия из нержавейки очень продолжителен.
• Жаростойкость — изделия из антикоррозионных сплавов устойчивы к повышенным температурам, они сохраняют свои характеристики даже при воздействии открытого пламени и температурных скачков.
• Экологичность — хромированные составы практически не содержат вредных примесей, поэтому повсеместно используются в пищевой промышленности.
• Внешний вид — изделия из нержавейки своим видом выгодно отличаются от предметов, выполненных из других металлов. Такая сталь имеет блестящий, чистый вид, который остается неизменным даже после продолжительного использования.

Нержавеющую сталь часто сравнивают с биостеклофарфором, оцинковкой и латунью. Остановимся подробнее на сходствах и отличиях этих материалов. Чаще всего антикоррозийные стали сравнивают с латунью. Несмотря на схожесть параметров плотности, удельного веса, коэффициента теплопроводности и других характеристик, это принципиально разные материалы. Так, нержавеющая сталь относится к более выносливым металлам, ей не страшны механические и тепловые нагрузки, она не меняет своих характеристик при контакте с агрессивными средами.

В то же время её прочность создает определенные сложности в ходе обработки — резка такого металла довольно сложна, чаще всего используют лазер. В этом смысле латунь будет более удобной в сравнении с нержавейкой, она мягче и пластичнее, проще принимает необходимые формы. Хотя по стойкости к агрессивным воздействиям явно проигрывает. Таким образом, выбирая между латунью и нержавеющим сплавом, в первую очередь нужно определить эксплуатационную среду и основные факторы использования материала — в зависимости от этого можно делать выбор с учетом возможности самих металлов. Немаловажным критерием выбора станет и финансовая составляющая. Обычно изделия из нержавейки стоят намного дороже аналогов, выполненных из латуни.

Если сравнивать противокоррозионные и оцинкованные сплавы, то основное различие заключается в долговечности. При изначально равных эксплуатационных условиях нержавейка служит дольше — срок её использования достигает 50 лет и более. Оцинковка, даже при самом бережном отношении и соблюдении технологических требований, не будет сохранять своих свойств дольше 20-25 лет. Впрочем, для большинства сфер, где сегодня используются оцинкованные металлы (корпус бытовой техники, профнастил и некоторые другие) нержавейка станет отнюдь не самым удачным выбором. Из-за высокой концентрации легирующих примесей в структуре сплава и сложности технологии его производства себестоимость материала возрастает.

Нержавеющие стали представлены в самых разных модификациях — они могут быть матовыми, зеркальными, рифлеными, гофрированными, перфорированными или гладкими. Но основу официальной классификации составляет способ производства.

К группе ферритных сплавов относят любые противокоррозионные стали с хромом, в которых концентрация последнего достигает 30%. Подобные сплавы проявляют повышенные ферромагнитные качества, то есть способны намагничиваться даже при эксплуатации в предельно пониженных температурах вне границ магнитного поля. Среди плюсов подобных составов выделяют:

• высокую прочность;
• пластичность;
• устойчивость к окислению.

Для аустенитных сталей типична максимально высокая доля никеля и хрома — в совокупности их концентрация составляет порядка 33%. Металл данного типа характеризуется эластичностью, высокой прочностью и легкостью сварки на высоте. Сплав проявляет устойчивость к любым электромагнитным воздействиям, он резистентен к агрессивным растворам и абсолютно экологичен. Аустенитную сталь относят к категории сложно обрабатываемых металлов.

Все марки аустенитной стали из группы нержавеющих разделяются еще на 4 подгруппы.

• А1 — сплав с повышенной концентрацией серы. Такой состав подвержен окислению в большей степени, нежели все остальные.
• А2 — самая востребованная марка стали. Устойчива к воде, но в агрессивной кислотной среде может подвергаться коррозионному разрушению.
• А3 — это сталь производная от А2. В ее состав вводятся специальные стабилизирующие компоненты, которые делает материал устойчивым к кислотным растворам и действию повышенных температур.
• А4 — в этот сплав вводится до 3% молибдена. Получил широкое распространение в судостроении.

Чтобы получить мартенситную структуру, нужно закалить металлический сплав с его последующим отпуском. В данном случае закалку заготовки производят путем нагрева материала до температуры, превышающей критическую отметку, а затем производят максимально стремительный отпуск. В результате кристаллическая решетка материала перестраивается, он приобретает большую твердость, прочность, упругость, повышается температура плавления. Если при этом повысить долю углерода, то возрастет устойчивость металла к износу.

Комбинированные сплавы предполагают объединение свойств стали нескольких видов.

• Аустенитно-ферритные — для таких материалов характерен низкий процент никеля, легирование выполняется титаном, медью и ниобием. Доля хрома при этом максимальна. Такие сплавы с легкостью выдерживают даже самые сильные ударные воздействия. Их характеризует пластичность и устойчивость к коррозии.

• Аустенитно-мартенситные — в таких составах содержание хрома чуть меньше, в пределах 12-18%. На долю никеля приходится порядка 3-8%. Укрепление структуры осуществляется при температурном воздействии 970 градусов и более с отпуском при 450-500 градусов. Подобные сплавы проявляют повышенную текучесть и повышенную свариваемость.

В промышленности принято несколько систем обозначений нержавеющих сталей. Так, Американским институтом стали и сплавов была внедрена система AISI. В соответствии с ней сплавы делятся на несколько серий:

• серия 200 — включает только одну марку AISI 201;
• серия 300 — состоит из аустенитных и комбинированных сплавов;
• серия 400 — включает ферритные и мартенситные сплавы на основе хрома.

На территории нашей страны маркировка производится с учетом требований ГОСТ, которые задают следующие алгоритмы:

• первая цифра обозначает углерод, указанный в сотых долях процента;
• все остальные цифры указывают на содержание того или иного элемента, после которого они стоят в маркировке;
• если концентрация легирующей добавки ниже 1%, то цифра не пишется.

Среди самых популярных нержавеющих сплавов выделяют следующие.

• AISI 304 (08Х18Н10) — не содержит серы и фосфора, нашел широкое применение в продовольственной и фармацевтической промышленности. Из этого металла делают трубопроводы и производственные линии. Может использоваться при изготовлении мебели и монтажа лестничных ограждений.
• AISI 316 (10Х17Н13М2) — в отличие от пищевых составов, такая сталь усилена примесями молибдена. Устойчива к морской воде, может работать в кислотных средах при воздействии повышенных температур.
• AISI 316T (10Х17Н13М2Т) — добавка титана многократно повышает термическую стойкость материала и успешно противостоит ионам хлора. Применяется для производства теплообменного оборудования.
• AISI 321 (08Х18Н10Т) — материал с повышенной жаростойкостью. Используется для производства элементов, работающих в условиях высокой агрессивности, то есть трубопроводов, котлов и теплообменников.
• AISI 430 (12Х17Н) — ещё один жаропрочный сплав. Предназначается для изготовления втулок, валиков и других подвижных деталей, работающих в растворах солей и кислот.
• AISI 201 (12Х15Г9НД) — бюджетная альтернатива составу AISI 304. Сплав отличает меньшее содержание хрома и никеля. Чаще всего из такой стали делают мебель, заграждения, решетки для гриля и барабаны для стиральных машинок.

Остановимся подробнее на основных направлениях использования стального сплава с противокоррозийными свойствами.

• Машиностроение. Нержавейка применяется при создании промышленных станков, машин и всевозможных агрегатов. Чаще всего в данной сфере используются аустенитные или ферритные металлы.
• Химическая промышленность. Химпром тесно связан с применением агрессивных составов, для хранения которых нужно специализированное оборудование. Именно его и делают из сталей, устойчивых к окислению.
• Энергетика. В энергетической отрасли востребованы самые прочные сплавы, поскольку принципиальным моментом является надежность основных узлов.
• Бумажно-целлюлозное дело. В этой отрасли почти все оборудование делают из нержавейки.
• Пищепром. К транспортировке и хранению продовольствия предъявляются исключительные санитарно-гигиенические требования. Потому при создании оборудования для данной отрасли можно брать только стекло, несколько разновидностей пластика, а также нержавейку.
• Авиационная и космическая отрасль. Здесь хромированную сталь используют для изготовления ракет, космических кораблей, а также самолетов.

Исключительная прочность нержавеющей стали создает препятствия при её механической обработке. Подобные манипуляции сопряжены со многими сложностями — ресурс режущей пластины, деформационное упрочнение, а также удаление стружки. При этом в зависимости от концентрации хрома и никеля разные типы противокоррозионных сплавов могут иметь разную обрабатываемость. Чаще всего этот материал подвергают следующим типам воздействия.

Может использоваться для стальных изделий как в практических, так и в декоративных целях. Чтобы добиться необходимых параметров шероховатости и убрать царапины с изделий из нержавейки, их подвергают шлифовке и полированию. После выполнения этих действий текстура поверхности стального изделия напоминает сатин или даже атлас. Помимо улучшения визуальных характеристик, шлифование позволяет устранить мельчайшие поверхностные изъяны и сделать их почти полностью незаметными. В промышленности используют пневмонапильник ленточного типа или шлифмашинку барабанно-ленточного типа. В домашних мастерских шлифование обычно выполняют вручную при помощи специальной шлифовальной ленты.

Один из самых распространённых способов обработки изделий из нержавейки. Данная манипуляция позволяет быстро удалить с поверхности металлического изделия всевозможные дефекты. К процедуре часто прибегают после проведения термообработки и для устранения следов сварки. Кроме того, травление удаляет оттенок побежалости с поверхности и обновляет пассивный слой на металле, создавая дополнительную защиту от негативного воздействия высоких температур.

В производственных условиях для травления используют расплавленные щелочные среды либо кислотные растворы. В домашних мастерских обработка производится при помощи специальных желеобразных травильных паст. Они имеют сложный состав — в них входят плавиковая, азотная и соляная кислоты. Эти компоненты могут представлять опасность для жизни и здоровья человека, поэтому в ходе травления следует придерживаться правил техники безопасности.

Подобная обработка нержавейки позволяет повысить устойчивость к трению, ударам и другим механическим воздействиям. Она увеличивает стойкость к окислению и к тому же улучшает внешний вид готового изделия. Однако выполнять хромирование возможно исключительно в производственных условиях, так как для осуществления данных работ требуется специализированное оборудование, особые расходные материалы, а также наличие соответствующего опыта работы.

Некоторые разновидности нержавейки при длительной эксплуатации могут подвергаться коррозии. Обычно это обусловлено особенностями структуры, то есть введением тех либо иных металлов. При этом такие стали имеют некоторые достоинства, которые в полной мере нивелируют подверженность окислительным процессам. Если такое произошло, можно вернуть эстетичный вид изделию одним из следующих способов.

• Содой — 1 ст. л. пищевой соды растворяют в 1,5-2 ст. л. воды и наносят получившийся раствор на ржавое пятно зубной щеткой. Сода удаляет пятно максимально деликатно, не повреждая зерен. После этого останется только тщательно промыть изделие и вытереть насухо.
• Кетчупом — содержащаяся в нем уксусная кислота эффективно разрушает ржавчину и тем самым облегчает её удаление. Всё, что нужно для очистки изделий — просто покрыть поврежденный участок, оставить на полчаса, а затем стереть ржавчину влажной салфеткой.
• Цитрусовыми — лимон и лайм являются надежными помощниками в деле избавления от ржавчины, в некоторых случаях они поистине творят чудеса. Для проведения очистки предварительно посолите загрязненную металлическую поверхность и выдавите верху цитрусовый сок. Подождите несколько часов, ополосните и оставьте сушиться.

О том, как правильно удалить ржавчину смотрите в следующем видео.