Нержавеющая сталь — это высоколегированная сталь, отличающаяся высокой стойкостью к коррозии благодаря значительному содержанию хрома. При содержании хрома не менее 10,5–11 % на поверхности металла образуется тонкая оксидная плёнка, защищающая его от ржавления. В зависимости от состава и кристаллической структуры различают несколько основных классов нержавеющих сталей: аустенитные, ферритные, мартенситные, дуплексные и специальные (преципитационно-упрочняемые). Каждый класс имеет свои особенности состава, структуры и области применения. Нержавеющие стали нашли применение в самых разных отраслях благодаря долговечности и гигиеничным свойствам. Например, их используют в строительстве, пищевом машиностроении, энергетике и судостроении.
Аустенитные марки стали
Аустенитные нержавеющие стали наиболее распространены. Их кристаллическая решётка — гранецентрированная (FCC), структура стабилизируется никелем и высоким содержанием хрома. Эти сплавы отличаются высокой пластичностью и коррозионной стойкостью и обычно немагнитны. Типичные составы: 16–20 % Cr и 6–15 % Ni с добавками марганца, кремния, молибдена, азота и других элементов. Аустениты почти не упрочняются термической закалкой — их упрочнение достигается холодной деформацией. Оба сплава (304 и 316) хорошо свариваются стандартными методами без потери коррозионной стойкости.
AISI 304 (марка «18/8») содержит ≈18–19 % Cr и 8–10 % Ni. Эта сталь обеспечивает отличную общую коррозионную стойкость в воде, атмосфере и пищевых средах. Однако в хлоридсодержащих средах (морская вода, кислоты с хлором) возможны точечные и щелевые коррозионные поражения. Механические параметры 304-й: предел текучести ≈200–240 МПа, временное сопротивление ≈500–700 МПа, относительное удлинение >40 %. Благодаря высокой пластичности 304-ю легко формовать, но при сильной холодной деформации возникает наклёп, требующий отжига.
AISI 316 по составу близка к 304-й, но легирована 2–3 % Mo. Добавка молибдена существенно повышает стойкость к коррозии в хлоридах и кислотах, поэтому 316-ю часто называют «морской». Ее стойкость выше, чем у 304-й, при контакте с солёной водой и агрессивными химическими средами, хотя в очень тёплой морской воде также возможны локальные очаги коррозии. Механические свойства 316-й очень похожи на 304-ю: предел текучести ≈200–240 МПа, временное сопротивление ≈500–700 МПа, удлинение >40 %. Твердость 316-й сопоставима с 304-й (~85–90 HRB).
AISI 201 относится к аустенитным сталям 200-й серии. Она содержит ≈16–18 % Cr и лишь 3,5–5,5 % Ni, остальное — 5,5–7,5 % Mn. Благодаря меньшему никелю 201-я дешевле, но её коррозионная стойкость ниже, чем у 304-й: в солевых и кислотных средах она быстрее ржавеет. Тем не менее для менее жёстких условий (влажный воздух, пресная вода, архитектурная отделка) 201-я подходит и применяется в отделочных и конструкционных элементах, требующих базовой стойкости и высокой пластичности.
Высокотемпературные марки. Среди аустенитов есть специальные сплавы для работы при очень высоких температурах. AISI 321 по составу близка к 304-й, но содержит 0,4–0,7 % Ti, который «связывает» углерод. Это предотвращает образование карбидов хрома при нагреве, поэтому 321-я устойчива к межкристаллитной коррозии после длительного нагрева до ≈800–900 C. Ее применяют в химических реакторах, реактивных двигателях и высокотемпературных печах. Ещё более жаростойкая AISI 310 (≈25 % Cr, 20 % Ni) выдерживает кратковременный нагрев до ≈1000 C и служит в печах и теплообменниках очень высоких температур.
Ферритные марки стали
Ферритные нержавеющие стали содержат примерно 10–20 % Cr, почти не содержат Ni и имеют кристаллическую решётку типа BCC (объёмно-центрированную). Они магнитны и в отожжённом состоянии обладают меньшей прочностью и пластичностью, чем аустениты, но хорошо сохраняют коррозионную стойкость после сварки и нагрева (не образуют карбидов). Ферритные сплавы дешевле аустенитных и хорошо сопротивляются некоторым агрессивным средам (например, азотной кислоте, щелочам) и обычно легко обрабатываются резанием и штамповкой. Они применяются там, где требуются стойкость и экономичность, а высокая пластичность не критична.
AISI 430 — одна из самых распространённых ферритных марок. Содержит ≈17–18 % Cr, остальное — железо с незначительными примесями. Стойка к атмосферной коррозии, а также к действию моющих щелочей и слабых кислот (азотной, уксусной). Благодаря хрому 430-я не ржавеет в обычных условиях, но в морской воде и соляных растворах коррозия развивается быстрее. Механические характеристики 430-й: предел текучести ≈240 МПа, временное сопротивление ≈450–600 МПа, удлинение около 20 %. Твёрдость отожжённого состояния около 80 HRB. Из-за более низкой пластичности 430-я сложнее формуется, чем аустенитные стали.
Обработка и температурная устойчивость. Ферритные стали легко обрабатываются резанием и формовкой. Они не упрочняются закалкой, поэтому после сварки сохраняют исходные свойства. Марка 430 допускает непрерывную эксплуатацию до ≈815 C (прерывисто — до ≈870 C). При длительном нагреве в диапазоне ~400–600 C в феррите может выделяться -фаза, что ухудшает пластичность; чтобы этого избежать, после горячей обработки рекомендуют быстрый отжиг или охлаждение. Ферритные сплавы, такие как 430-я, широко используются в корпусах бытовой техники, автомобилях (выхлопные системы), в архитектурных деталях и там, где важен красивый зеркальный блеск поверхностей.
Мартенситные и упрочняемые стали
Мартенситные нержавеющие стали содержат ≈11–14 % Cr и сравнительно много углерода (0,1–0,3 %). В отожженном виде они имеют ферритно-аустенитную структуру, при закалке превращаются в мартенсит и становятся очень твёрдыми и магнитными. Эти стали обладают повышенной прочностью и износостойкостью, но имеют низкую пластичность и уступают аустенитам по коррозионной стойкости. Их применяют там, где нужны твёрдость и прочность (ножи, режущие инструменты, турбины, насосные части).
AISI 410 содержит ≈11,5–13,5 % Cr и до 0,15 % C. После закалки даёт твердость около HRC 40 (Brinell ~500). Предел текучести 410-й после закалки превышает 400–500 МПа, временное сопротивление — ≈800–1000 МПа. Пластичность у 410-й невысока (удлинение ≈15–20 %). Эта сталь применяется в насосных и турбинных деталях, кухонных ножах и ножницах. 410-я лучше переносит пресную воду и слабые кислоты, но в солёной среде быстро ржавеет.
AISI 420 содержит ≈12–14 % Cr и повышенное содержание углерода (до ≈0,4 %). После закалки 420-я достигает твердости до HRC 50–55, поэтому используется для ножевых лезвий, скальпелей и высокопрочных режущих деталей. У неё высокое временное сопротивление и отличная износостойкость, но ударная вязкость ограничена. 420-я применяется в медицинском инструменте, столовых приборах и прочих деталях, где важна высокая твёрдость. По коррозионной стойкости 420-я аналогична 410-й — лучше работать в пресной воде и слабоагрессивных средах.
Прецититационно-твердеющие (PH) стали. Существуют нержавеющие сплавы, сочетающие мартенситную основу и упрочнение при старении. Пример — 17-4PH (AISI 630), содержащая ≈17 % Cr, 4 % Ni, а также Cu и Nb. В отожженном состоянии она относительно мягкая и удобна в обработке, но после закалки и последующего старения даёт очень высокую прочность (UTS ~900–1000 МПа) при хорошей коррозионной стойкости, близкой к аустенитным сплавам. Такие стали применяются в аэрокосмической, химической и пищевой промышленности, где нужны сочетание прочности и стойкости к коррозии. При этом даже после термообработки мартенситы сохраняют магнитные свойства.
Дуплексные марки стали
Дуплексные (двухфазные) нержавеющие стали объединяют в себе свойства аустенитов и ферритов. Они содержат примерно равные доли обоих фаз (около 50/50), что даёт очень высокую прочность и отличную коррозионную стойкость, особенно в средах с хлоридами. Классический пример — 2205 (UNS S32205). Ее состав: ≈22 % Cr, 5–6 % Ni, 3 % Mo и добавка азота. Благодаря этому 2205-я устойчива к щелевой и межкристаллитной коррозии: температура критического pitting около +35 C, что значительно выше, чем у стандартных аустенитных марок.
Дуплексные сплавы очень прочны: временное сопротивление 2205-й около 650–700 МПа (на 30–50 % выше, чем у традиционных аустенитов) при удлинении ≈25 %. Они труднее формуются холодной штамповкой (нужны большие усилия), но хорошо свариваются специальными материалами (например, проволоками марки 2209), поддерживающими баланс фаз. Рабочая температура дуплексной 2205-й до ≈300 C; выше ≈350 C в ней начинается образование хрупких фаз и сталь требует термообработки (отжига). Благодаря своей стойкости к солевым факторам дуэлексные стали широко применяются в нефтегазовой и химической промышленности, морском и кислотном оборудовании.
Нержавеющая сталь объединяет обширную группу сплавов с разными характеристиками. Аустенитные марки (304, 316, 201 и др.) ценятся за высокую пластичность и устойчивость к коррозии, поэтому активно применяются в медицине, пищевой и химической промышленности, а также в бытовом оборудовании. Ферритные разновидности (например, 430) более доступны по цене, демонстрируют хорошую работу в нейтральных и щелочных средах, но отличаются ограниченной прочностью и пластичностью. Мартенситные и упрочняемые сплавы (410, 420, 17-4PH и др.) после термообработки способны достигать значительной твердости и высокой прочности, что делает их востребованными там, где требуются повышенные эксплуатационные характеристики. Подбирая конкретный материал, всегда важно найти оптимальное соотношение между требуемыми свойствами и экономической целесообразностью.
Если вам необходима гибка нержавеющей стали или резка нержавейки, обращайтесь в ООО «СиМП» — у нас организован полный цикл металлообработки с гарантией качества.
