Нержавеющая сталь: свойства и применение¶

Нержавеющая сталь (нержавейка, коррозионно-стойкая сталь) — это легированная сталь, устойчивая к коррозии в атмосферной среде, агрессивных жидкостях и газах. Основным легирующим элементом, обеспечивающим антикоррозионные свойства, является хром (не менее 10,5 % по массе). При взаимодействии с кислородом хром образует на поверхности стали плотную пассивную плёнку оксида, которая защищает металл от дальнейшего окисления и самовосстанавливается при механических повреждениях. Дополнительное легирование никелем, молибденом, титаном и другими элементами придаёт сплаву специфические механические и химические свойства.

¶История

Первые наблюдения коррозионной стойкости высокохромистых сплавов относятся к началу XIX века. В 1821 году французский металлург Пьер Бертье описал сплавы железа с хромом и отметил их устойчивость к воздействию кислот. Однако промышленное производство нержавеющей стали началось лишь в начале XX века.

В 1912 году немецкий исследователь Филипп Моннарц из компании Krupp получил патент на аустенитную нержавеющую сталь с содержанием хрома и никеля. Практически одновременно, в 1913 году, английский металлург Гарри Брерли, работая над созданием износостойких сплавов для стволов орудий, обнаружил коррозионную стойкость стали с 12,8 % хрома. Именно Брерли считается первооткрывателем промышленной нержавеющей стали, и его разработка была впервые использована для производства столовых приборов. В США в 1915 году Элвуд Хейнс запатентовал мартенситную нержавеющую сталь.

¶Классификация и виды

Нержавеющие стали классифицируются по структуре, химическому составу и назначению. По структуре выделяют пять основных классов:

• Аустенитные стали — содержат 16–26 % хрома и 6–22 % никеля, а также марганец, молибден, титан. Обладают высокой пластичностью, вязкостью и отличной свариваемостью. Не намагничиваются. Наиболее распространённая группа — хромоникелевые стали типа 18/10 (X18H10). Широко используются в пищевой промышленности, химическом машиностроении, медицине.
• Ферритные стали — содержат 11–30 % хрома при низком содержании углерода и без никеля. Магнитны, дешевле аустенитных, но менее пластичны и хуже свариваются. Применяются для изготовления посуды, элементов выхлопных систем автомобилей, оборудования для пищевой промышленности.
• Мартенситные стали — содержат 11–18 % хрома и повышенное количество углерода. Подвергаются закалке и отпуску, что обеспечивает высокую твёрдость и прочность. Используются для производства режущего инструмента, ножей, валов, турбинных лопаток.
• Аустенитно-ферритные (дуплексные) стали — имеют двухфазную структуру, сочетающую аустенит и феррит. Отличаются повышенной прочностью и стойкостью к коррозионному растрескиванию. Применяются в нефтегазовой отрасли и химической промышленности.
• Дисперсионно-твердеющие стали — упрочняются за счёт выделения интерметаллидных фаз при термической обработке. Используются для высоконагруженных деталей в авиакосмической технике.

По назначению выделяют жаростойкие, жаропрочные, криогенные и коррозионно-стойкие стали специального назначения.

¶Химический состав и свойства

Ключевым элементом является хром. При его содержании менее 10,5 % сталь не считается нержавеющей, так как не формируется сплошная защитная плёнка. Никель стабилизирует аустенитную структуру, повышает пластичность и коррозионную стойкость. Молибден (2–4 %) существенно повышает стойкость к питтинговой и щелевой коррозии, особенно в хлоридсодержащих средах. Титан и ниобий связывают углерод в карбиды, предотвращая межкристаллитную коррозию при сварке. Марганец и азот частично заменяют никель в некоторых марках.

Коррозионная стойкость зависит от марки стали и условий эксплуатации. В атмосферных условиях стойки практически все виды нержавеющих сталей. В морской воде и агрессивных химических средах требуются высоколегированные марки с молибденом. Механические свойства варьируются в широких пределах: предел текучести от 200 МПа у мягких аустенитных сталей до 1400 МПа у дисперсионно-твердеющих.

¶Применение

Нержавеющая сталь является важнейшим конструкционным материалом в множестве отраслей:

• Пищевая промышленность — изготовление ёмкостей, трубопроводов, технологического оборудования, столовых приборов и кухонной утвари. Химическая инертность материала обеспечивает безопасность контакта с продуктами.
• Медицина и фармацевтика — хирургические инструменты, имплантаты, шприцы, оборудование для производства лекарств.
• Химическая и нефтегазовая промышленность — реакторы, теплообменники, трубопроводы для агрессивных сред, цистерны для перевозки химических веществ.
• Строительство и архитектура — фасадные панели, ограждения, поручни, кровельные материалы, элементы мостовых конструкций. Долговечность и эстетичный вид делают материал популярным в архитектуре.
• Энергетика — оборудование атомных и тепловых электростанций, элементы турбин, паропроводы.
• Транспорт — цистерны для перевозки пищевых жидкостей, элементы кузовов автомобилей премиум-класса, детали вагонов метро.
• Бытовая техника — корпуса холодильников, стиральных машин, электрических чайников, посудомоечных машин.

¶Преимущества и ограничения

Основные достоинства нержавеющей стали: высокая коррозионная стойкость, длительный срок службы (до 50–100 лет в обычных условиях), гигиеничность (лёгкость очистки и дезинфекции), широкий диапазон рабочих температур, полная пригодность к вторичной переработке.

К недостаткам относятся: относительно высокая стоимость по сравнению с углеродистыми сталями, сложность механической обработки из-за склонности к наклёпу, риск возникновения точечной (питтинговой) коррозии при контакте с хлоридами, возможность контактной коррозии при соединении с обычными сталями. При нагреве в диапазоне 450–850 °C у некоторых марок может наблюдаться межкристаллитная коррозия.

¶Интересные факты

• Самый известный памятник архитектуры из нержавеющей стали — небоскрёб Крайслер-билдинг в Нью-Йорке, вершина которого выполнена из стали марки 302.
• Статуя Христа-Искупителя в Рио-де-Жанейро имеет каркас из нержавеющей стали.
• Нержавеющая сталь поддаётся вторичной переработке без потери свойств, что делает её экологически устойчивым материалом.
• Срок службы нержавеющего оборудования в пищевой промышленности в 5–10 раз превышает срок службы оборудования из обычной стали.

¶Источники

• Справочник по нержавеющим сталям / под ред. А. П. Гуляева.
• Колачёв Б. А., Ливанов В. А., Елагин В. И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов.
• Марочник сталей и сплавов / под ред. В. Г. Сорокина.
• Данные Международной ассоциации производителей нержавеющей стали (ISSF).