Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь (нержавейка, коррозионно-стойкая сталь) — это легированная сталь, обладающая высокой устойчивостью к коррозии в агрессивных средах (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой) за счёт содержания хрома (Cr) в количестве не менее 10,5—12 % по массе. Основным механизмом защиты является образование на поверхности металла тонкой пассивной оксидной плёнки (Cr₂O₃), которая препятствует дальнейшему окислению. Нержавеющая сталь сочетает высокую прочность, пластичность, коррозионную стойкость и технологичность, что делает её одним из наиболее востребованных конструкционных материалов в промышленности, строительстве, медицине и быту.

История

Первые наблюдения коррозионной стойкости сплавов железа с хромом относятся к началу XIX века. В 1821 году французский металлург Пьер Бертье отметил, что сплавы железа с хромом устойчивы к воздействию некоторых кислот, однако практического применения они не нашли из-за высокой хрупкости. В 1872 году британский инженер Джон Вудс запатентовал сплав железа с хромом для изготовления ножей, но его производство не было налажено.

Прорыв произошёл в начале XX века. В 1904—1906 годах французский учёный Леон Гийе и немецкий химик Филипп Моннарц независимо друг от друга исследовали влияние хрома на коррозионную стойкость стали. В 1911 году немецкий инженер Бенно Штраус и его коллега Эдуард Маурер из компании Krupp разработали первый промышленный аустенитный сплав с 18 % хрома и 8 % никеля — прообраз современной стали марки 304 (12Х18Н9). В 1913 году британский металлург Гарри Брирли, работая над созданием износостойких стволов для орудий, случайно обнаружил, что сталь с 12,8 % хрома не ржавеет. Он запатентовал этот сплав как «нержавеющую сталь» и наладил выпуск столовых приборов.

В 1915 году в США компания Firth Sterling начала производство нержавеющей стали для ножей. К 1920-м годам технология была освоена в СССР (завод «Электросталь»). В 1929 году Уильям Дж. Кролл разработал процесс выплавки нержавеющей стали в дуговых печах, что резко снизило её стоимость. Во время Второй мировой войны нержавеющая сталь широко применялась в авиастроении, химической промышленности и военной технике. После войны началось массовое производство для бытовых нужд (посуда, сантехника, архитектура).

Классификация

Нержавеющие стали классифицируют по структуре, химическому составу и назначению. Основные структурные классы:

Аустенитные стали

Содержат 16—26 % хрома и 6—22 % никеля, а также марганец, молибден, титан. Имеют гранецентрированную кубическую решётку (аустенит), немагнитны, обладают высокой пластичностью, свариваемостью и коррозионной стойкостью. Наиболее распространённые марки: 304 (12Х18Н9), 316 (10Х17Н13М2) — с добавлением молибдена для стойкости к хлоридам, 321 (08Х18Н10Т) — стабилизированная титаном. Применяются в пищевой, химической, фармацевтической промышленности, медицине, строительстве.

Ферритные стали

Содержат 10,5—30 % хрома, никеля не более 0,5 %. Имеют объёмно-центрированную кубическую решётку (феррит), магнитны, обладают умеренной пластичностью и хорошей стойкостью к окислительным средам. Примеры: 430 (12Х17), 446 (15Х25Т). Используются в автомобильных выхлопных системах, бытовой технике, архитектурных элементах.

Мартенситные стали

Содержат 11—18 % хрома и 0,1—1,2 % углерода. После закалки образуют мартенситную структуру, что придаёт высокую твёрдость и износостойкость, но снижает коррозионную стойкость. Магнитны. Марки: 410 (20Х13), 420 (30Х13), 440С (90Х18). Применяются для режущих инструментов, подшипников, хирургических инструментов, деталей насосов.

Дуплексные (аустенитно-ферритные) стали

Содержат 18—28 % хрома, 4—8 % никеля, молибден, азот. Сочетают аустенитную и ферритную фазы, обладают высокой прочностью (в 2 раза выше аустенитных) и стойкостью к коррозионному растрескиванию. Примеры: 2205 (02Х22Н5АМ3), 2507. Используются в нефтегазовой, химической, целлюлозно-бумажной промышленности, морском оборудовании.

Дисперсионно-твердеющие стали

Содержат хром, никель, алюминий, титан, медь. После термообработки (старения) достигают высокой прочности (до 2000 МПа). Примеры: 17-4 PH (07Х16Н4Д4), 15-5 PH. Применяются в авиакосмической, атомной, военной технике.

Химический состав и легирующие элементы

Основные легирующие элементы и их влияние:

Хром (Cr) — главный элемент, обеспечивающий пассивацию. При содержании >10,5 % образует стабильную оксидную плёнку.
Никель (Ni) — стабилизирует аустенитную структуру, повышает пластичность и коррозионную стойкость в неокислительных средах.
Молибден (Mo) — повышает стойкость к точечной и щелевой коррозии в хлоридсодержащих средах (например, морская вода).
Титан (Ti) и ниобий (Nb) — связывают углерод в карбиды, предотвращая межкристаллитную коррозию при сварке (стабилизированные стали).
Углерод (C) — повышает твёрдость, но снижает коррозионную стойкость (особенно в мартенситных сталях).
Азот (N) — упрочняет аустенит, повышает стойкость к точечной коррозии.
Марганец (Mn) — частично заменяет никель в аустенитных сталях (например, AISI 201).

Свойства

Коррозионная стойкость

Определяется составом, структурой и состоянием поверхности. Различают:

Общую коррозию — равномерное растворение в кислотах (например, серной).
Точечную (питтинговую) коррозию — локальное разрушение в хлоридных средах (морская вода, солевые растворы). Стойкость оценивается по PREN (Pitting Resistance Equivalent Number): PREN = %Cr + 3,3×%Mo + 16×%N.
Межкристаллитную коррозию — разрушение по границам зёрен из-за выпадения карбидов хрома при нагреве (400—800 °C). Предотвращается снижением углерода (<0,03 %) или добавкой Ti/Nb.
Коррозионное растрескивание под напряжением — в хлоридных средах при растягивающих напряжениях. Дуплексные стали более устойчивы.

Механические свойства

Зависят от марки и термообработки:

Предел прочности: 450—2000 МПа.
Предел текучести: 200—1800 МПа.
Относительное удлинение: 10—60 %.
Твёрдость: 150—600 HB (по Бринеллю). Аустенитные стали — наиболее пластичные, мартенситные — самые твёрдые.

Физические свойства

Плотность: 7,7—8,0 г/см³.
Температура плавления: 1400—1530 °C.
Теплопроводность: 15—25 Вт/(м·К) (ниже, чем у углеродистой стали).
Коэффициент линейного расширения: 10—18×10⁻⁶ К⁻¹ (выше у аустенитных).
Магнитные свойства: аустенитные — немагнитны, ферритные и мартенситные — магнитны.

Производство

Нержавеющую сталь выплавляют в дуговых электропечах или конвертерах с использованием лома, феррохрома, никеля и других легирующих. Процесс включает:

Выплавка — в печи при 1600—1700 °C с аргонокислородным обезуглероживанием (AOD) или вакуумно-кислородным обезуглероживанием (VOD) для снижения содержания углерода.
Внепечная обработка — рафинирование, легирование, модифицирование.
Разливка — непрерывная (слябы, блюмы) или в слитки.
Прокатка — горячая (листы, полосы, прутки) и холодная (тонкий лист, лента, проволока).
Термообработка — закалка (аустенитные стали — нагрев до 1050—1150 °C и быстрое охлаждение), отпуск (мартенситные), отжиг (ферритные).
Отделка — травление, пассивация, полировка, шлифовка.

Применение

Нержавеющая сталь используется в широком спектре отраслей:

Пищевая промышленность — оборудование для переработки, хранения и транспортировки продуктов (ёмкости, трубопроводы, ножи, посуда). Марки 304, 316.
Химическая и нефтехимическая промышленность — реакторы, теплообменники, колонны, трубопроводы для агрессивных сред. Марки 316, 321, дуплексные.
Медицина — хирургические инструменты (мартенситные 420, 440С), имплантаты (аустенитные 316L), эндопротезы.
Строительство и архитектура — фасады, кровли, перила, лифты, мосты. Примеры: здание Крайслер-билдинг (Нью-Йорк), стадион «Фишт» (Сочи).
Автомобильная промышленность — выхлопные системы (ферритные 409, 430), декоративные элементы.
Энергетика — атомные реакторы (аустенитные стали с низким содержанием кобальта), теплообменники, турбины.
Бытовая техника — стиральные машины, посудомоечные машины, холодильники, микроволновые печи, чайники.
Нефтегазовая отрасль — трубопроводы, арматура, насосы для морских платформ (дуплексные стали).

Маркировка

В России нержавеющие стали маркируют по ГОСТ 5632-2014. Обозначение включает буквы, обозначающие элементы (Х — хром, Н — никель, М — молибден, Т — титан, Д — медь, Ю — алюминий), и цифры — среднее содержание элемента в процентах. Например, 12Х18Н10Т — сталь с 0,12 % углерода, 18 % хрома, 10 % никеля и титана. Международная маркировка AISI (American Iron and Steel Institute) — трёхзначные цифры: 304, 316, 430 и т.д. Европейская маркировка EN — 1.4301 (аналог 304), 1.4401 (аналог 316).

Экологические аспекты

Нержавеющая сталь полностью пригодна для вторичной переработки. Уровень рециклинга достигает 85—95 %. При переплавке сохраняются легирующие элементы, что снижает потребность в добыче руды. Производство нержавеющей стали требует значительных энергозатрат (около 50 ГДж/т), но за счёт долговечности изделий (срок службы 50—100 лет) экологический след на единицу времени эксплуатации ниже, чем у многих альтернатив.

Интересные факты

Самая большая скульптура из нержавеющей стали — «Клод» (Cloud Gate) в Чикаго (2006), весит 100 тонн.
Первый нержавеющий самолёт — Lockheed XF-104 Starfighter (1954) с обшивкой из стали 17-4 PH.
В быту нержавеющую сталь часто путают с «мельхиором» (сплав меди с никелем) и «нейзильбером» (медь, никель, цинк), хотя они не содержат хрома и не являются нержавеющими.
Сплав 304 (12Х18Н9) — самый распространённый, составляет около 50 % мирового производства нержавеющей стали.

Источники

ГОСТ 5632-2014 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки».
ASM Handbook, Volume 13B: Corrosion: Materials. ASM International, 2005.
Davis, J. R. (ed.). Stainless Steels. ASM Specialty Handbook, 1994.
Шлямнев А. П. Коррозионно-стойкие стали и сплавы. — М.: Металлургия, 1984.
Колачёв Б. А., Елагин В. И., Ливанов В. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. — М.: Металлургия, 1981.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →