Все о коррозионностойкой стали

Коррозионная сталь больше известна как нержавеющая. Она отличается высокой устойчивостью по отношению к коррозийным процессам. Подобное свойство железосодержащие сплавы получают, если к базовому химическому составу добавляют хром в большом количестве.

Впервые о нержавейке заговорили два столетия назад. В 1820-21 гг. Майкл Фарадей и Пьер Бертье заметили, что сплав, состоящий из железа и хрома, обладает способностью сопротивляться агрессивным воздействиям. Однако на тот момент ученым еще не было известно о роли углерода, поэтому получить сплав с повышенной концентрацией хрома они не смогли. Только в 1912 г. немецкие инженеры освоили и запатентовали технологию производства нержавеющей стали и вскоре её начали использовать в производстве столовых приборов.

Такой состав обеспечивает максимальную стойкость к окислительным процессам в самых разных атмосферных условиях, кислотно-щелочных, газовых средах, а также в соленой и пресной воде.

Основным элементом, обеспечивающим высокие антикоррозийные характеристики металла, является хром. Этот элемент сам по себе проявляет повышенную противоокислительную стойкость, а при введении в состав сплава образует на поверхности защитную пленку. Она препятствует взаимодействию металла и кислорода, сдерживая процессы окисления на поверхности и не давая им проникать внутрь.

Замечено, что концентрация хрома в пределах 10-30% существенно повышает защитные параметры материала и его способность сопротивляться средам разных типов:

• при концентрации хрома от 12 до 16% железный сплав не ржавеет в слабоагрессивных средах и в воде;
• если содержание хрома превышает 17%, то противокоррозионные характеристики проявляются также в агрессивных растворах — кислотных, щелочных и окислительных.

Стали с добавлением хрома являются одними из самых экономически выгодных, с точки зрения легирования и технологии производства, антикоррозийных сплавов. Такой металл отвечает всем предъявляемым требованиям и обладает неоспоримыми преимуществами:

• способностью выдерживать воздействие пресной воды и отдельных сред;
• сохранение структуры при высоких температурах;
• некоторые сплавы проявляют хорошую свариваемость.

Для повышения противокоррозионных характеристик и укрепления кристаллической решетки металла в сплав вводят никель. Он способствует образованию прочных и твёрдых связей и усиливает защитные свойства хрома. Сплавы с повышенной долей никеля получили распространение в средах, где основной задачей является предотвращение межкристальной коррозии.

В качестве стабилизирующих компонентов в сплавы нередко вводят ниобий и титан — первый способствует повышению свариваемости, второй улучшает устойчивость к межкристаллическому окислению. При этом процентное соотношение титана, ниобия меди и прочих стабилизирующих элементов должно превышать концентрацию углерода. В противном случае загрязнённость неметаллическими включениями приведет к утрате пластичности сплава.

Нержавеющая сталь проявляет исключительно высокую устойчивость к неблагоприятному воздействию агрессивных сред и некоторых химических компонентов. Отдельно следует обозначить повышенные жаростойкие и жаропрочные характеристики продукции, возможность использования изделий из коррозионностойкой стали при критических температурах — как высоких, так и низких.

Оно говорит о том, что при добавлении к металлу, малоустойчивому к коррозии, какого-либо иного металла, образующего с ним плотные твердые растворы, защита от ржавчины будет увеличиваться непропорционально, а скачками. Марки, содержащие никель, отличаются высокой свариваемостью. Некоторые типы хромоникелевых сталей проявляют магнитные характеристики.

В зависимости от структуры и типа сплава, доли углерода и концентрации легирующих примесей, коррозионностойкую сталь можно условно разделить на 4 группы:

• аустенитные;
• ферритные;
• мартенситные;
• комбинированные.

Подобная классификация является условной. В её основе лежит конечная структура металла, полученная методом постепенного охлаждения металла после нагрева его до предельных высоких температур.

К категории ферритов относят любые хромистые стали с повышенной концентрацией хрома — до 30% и низким содержанием углерода — не более 0,15%.

К преимуществам такой стали относят:

• хорошую пластичность;
• исключительную прочность;
• деформируемость при холодной деформации;
• подверженность термообработке отжигом;
• повышенную стойкость к коррозии.

Такую сталь применяют для изготовления листовых профилированных изделий, а также трубопроката.

Мартенсит — это определённая металлическая структура, которая становится результатом закалки металлического слитка с последующим отпуском. В этом случае закалку производят при нагреве до температурного уровня, превышающего критическую отметку.

Такой процесс приводит к перестройке кристаллической решетки материала, на выходе он получается более твёрдым, прочным, упругим и жаростойким. Если при этом в состав вводится повышенное содержание углерода, то сплав приобретает исключительную стойкость к износу.

Аустенитный сплав содержит максимально высокий процент хрома и никеля — на их долю приходится до 33%. Благодаря этому сталь можно использовать в расширенном спектре технологических процессов. Сплав такого типа обладает прочностью, пластичностью и хорошей свариваемостью на высоте, его отличает стойкость к электромагнитным воздействиям, резистентность к азотной кислоте и другим агрессивным средам, а также экологичность.

Аустенитная сталь относится к сложнообрабатываемым материалам, поэтому для облегчения работы с ней задействуют термические воздействия.

• Отжиг осуществляют путем нагревания до 1200 гр. в течение 3-4 часов, после чего в водной среде, маслянистой жидкости либо на открытом воздухе происходит остывание. Такая техника позволяет повысить гибкость материала с параллельным уменьшением твердости.
• Двойная закалка предусматривает нормализацию твёрдого металлического раствора при нагреве 1200 гр., вторичную закалку проводят уже при 1000 гр. На выходе сплав приобретает исключительную жаропрочность с одновременным ростом пластичности.

Комбинированные составы объединяют в себе свойства нескольких типов сталей.

• Аустенитно-ферритные — включают невысокий процент никеля, при этом на долю хрома приходится больше 20%. Легирование производится медью, а также ниобием и титаном. Такие сплавы легко выдерживают ударные нагрузки. Их отличает пластичность и стойкость к коррозии межкристаллического типа.

• Аустенитно-мартенситные — содержат меньше хрома, от 12 до 18%, а никеля — от 3,5 до 7,5%. Укрепление производится путём закалки при температуре свыше 970 гр. и дальнейшим отпуском при 400-500 гр. Такие сплавы характеризуются высокой текучестью, проявляют высокую свариваемость.

Маркировка коррозионноустойчивых сталей включает набор буквенных и цифровых обозначений в соответствии с ГОСТ. Стандарт предполагает следующую схему, рассмотрим на примере стали 12Х15Г9:

• 12 — доля углерода, вычисленная в сотых долях, в данном случае она составляет 0,12%;
• Х — основной легирующий компонент хром;
• 15 — доля основного легирующего компонента, округленная до целого значения;
• Г — дополнительный легирующий элемент;
• 9 — доля дополнительных легирующих металлов, округленная до целого значения.

В наши дни известно свыше 50 марок коррозионно-стойких хромоникелевых сплавов. Из них изготавливают трубный и плоский прокат, арматуру, швеллеры, балки, уголки профиль.

Аустенитные материалы получили широкое применение при изготовлении изделий, идущих под сварку и холодную штамповку. В частности, из них производят:

• строительные резервуары;
• трубы;
• установки для нефтяных вышек и очистительных систем;
• турбины и другие механизмы, эксплуатируемые в воде;
• силовые агрегаты для энергетической отрасли;
• детали для самолетов и автомобилей;
• оборудование для пищевых продуктов;
• фармакологическую и медицинскую технику;
• сварные металлоконструкции;
• метизы.

Примерами таких сплавов по ГОСТ являются такие.

• 12Х18Н10Т — сплав содержит добавки никеля и титана. Используется для изготовления оборудования для нужд химической и нефтеперерабатывающей промышленности.
• 12Х18Н10Т — востребован при создании трубопроводов.
• 12Х15Г9НД — содержит никель, марганец и медь. Нашла своё применение в создании емкостей и трубопроводов, работающих с растворами умеренной агрессивности.

Мартенситная сталь востребована при производстве металлоизделий, предназначенных для работы в агрессивных средах в условиях низкой либо средней интенсивности.

Такие составы нашли применение в производстве режущих поверхностей для пищевой и химической промышленности.

К мартенситным сталям относят:

• 20Х13, 30Х13 – используется для изготовления бытовой техники;
• 14Х17Н2 — состав с никелем, подходит для изготовления компрессоров и другого оборудования, эксплуатируемого при низкой температуре, а также в агрессивных средах.

Сплавы ферритной группы нашли применение в таких отраслях:

• химическая и нефтехимическая сфера;
• энергетика;
• тяжёлое машино- и станкостроение;
• приборостроение;
• медицинская отрасль;
• выпуск бытовой техники;
• пищевая отрасль.

К ним относятся следующие типы стали:

• 08Х13 – используется для изготовления кухонной утвари;
• 12Х13 – подходит для хранения и транспортировки спиртосодержащих жидкостей;
• 12Х17– сплав с высокими жаропрочными характеристиками – в резервуарах, изготавливаемых из него, производят обработку продуктов питания на высоких температурах.

Сварка любых противокоррозийных сталей имеет свои особенности. В первую очередь, при выполнении сварки необходимо предотвращать риск выгорания элементов и связанные с ним изменения химического состав. Из-за низкой теплопроводности сталей (до 50% от обычных) может возникать опасность перегрева участка сварки. Такой металл проявляет высокое удельное электрическое сопротивление.

При ручной работе более востребована аргоно-дуговая сварка при помощи вольфрамовых неплавящихся электродов с подачей присадочной проволоки ручного типа. Чуть менее распространена полуавтоматическая сварка в среде защитного газа плавящимся электродом или сварка штучными электродами. При использовании автоматических технологий прибегают к сварке плавящимся или угольным электродом, при этом в качестве защитной среды используется углекислый газ либо аргон. Для сваривания тонких металлов предпочтение отдается электросварке в импульсном режиме. Газовая ацетилено-кислородная сварка коррозионных стали возможна, но в наши дни она практически не используется.

Современная промышленность разработала много методов, позволяющих защитить металл от коррозии. В этом случае на поверхность изделия тонким слоем наносят металл, выполненный из коррозионностойкой стали с предварительным обезжириванием. Такое покрытие делает поверхность металлических изделий стойким к воде и агрессивным растворам.

Выделяют два варианта таких покрытий — анодное и катодное. Для железоуглеродистых сталей в качестве анодного покрытия используют цинк и кадмий. Во влажной среде они покрываются тонким слоем белой углекислой соли, создающей эффективную защиту от разрушительных процессов.

Наносить металлические покрытия можно разными способами.

• Горячий метод — предполагает погружение изделия в расплавленный металл. После этого заготовку вынимают и охлаждают. Такая техника эффективна при устройстве покрытий на пищевых котлах, водопроводных трубах и кровельного железа.
• Гальванизация — металлоизделия размещают в гальваническую ванну, где под воздействием переменного тока на поверхности возникает катодное осаждение пленки защищающего металла.

Создать покрытия также можно методом распыления расплавленного металла. Этот вид защиты востребован при обработке железнодорожных мостов и прочих крупных габаритных конструкций. В качестве основного защитного материала используют коррозионностойкие стали.