Нержавеющая сталь это

Что такое нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь или нержавейка является особым видом легированной стали, устойчивой к окислению и разрушению под воздействием влаги, кислот, щелочей и других агрессивных факторов окружающей среды. Открытие этого материала произошло в 1913 году благодаря работе английского металлурга Гарри Бреарли, который экспериментировал с добавлением хрома в стальные сплавы.

Главной особенностью нержавеющей стали является ее способность к самовосстановлению защитного слоя. При повреждении поверхности хром мгновенно реагирует с кислородом воздуха, формируя новую оксидную пленку толщиной всего несколько нанометров. Этот пассивный слой делает материал химически инертным и препятствует дальнейшему распространению коррозии вглубь металла.

Современная нержавеющая сталь представляет собой сложный многокомпонентный сплав. Базовыми элементами выступают железо и углерод, к которым добавляются легирующие присадки для придания специфических свойств. Содержание углерода обычно не превышает 0,8%, что позволяет сохранить пластичность и свариваемость материала.

Химический состав нержавеющей стали

Основу нержавеющей стали составляет железо, массовая доля которого обычно превышает 50%. Остальную часть формируют легирующие элементы, каждый из которых выполняет определенную функцию в структуре сплава.

Основные легирующие элементы

Хром является главным компонентом, обеспечивающим коррозионную стойкость. При содержании от 12% до 30% хром создает защитную оксидную пленку. Чем выше концентрация хрома, тем эффективнее защита от агрессивных сред.

Никель в количестве от 8% до 13% значительно повышает пластичность и вязкость стали. Этот элемент стабилизирует аустенитную структуру, делает материал немагнитным и улучшает его поведение при низких температурах. Никель также усиливает сопротивление коррозии в восстановительных средах.

Молибден добавляется в концентрации 2-3% для увеличения стойкости к точечной и щелевой коррозии, особенно в хлоридсодержащих средах. Этот элемент критически важен для применения в морской воде и химических производствах.

Виды и классификация нержавеющей стали

Нержавеющие стали классифицируются по кристаллической структуре, которая формируется в процессе охлаждения и определяет основные эксплуатационные характеристики материала.

Аустенитные стали

Аустенитные стали составляют около 70% всех производимых нержавеющих сплавов. Они содержат 16-25% хрома и 8-35% никеля, имеют гранецентрированную кубическую решетку. Основные преимущества включают отличную коррозионную стойкость в большинстве сред, высокую пластичность, хорошую свариваемость и немагнитные свойства. Материал легко поддается холодной деформации и штамповке.

К этой группе относятся популярные марки AISI 304 (содержит 18-20% хрома и 8-10% никеля) и AISI 316 (дополнительно усилена молибденом), широко применяемые в пищевой и химической промышленности. Аустенитные стали сохраняют прочность при температурах от минус 196°С, кратковременно выдерживают нагрев до 900°С, рабочий диапазон для длительной эксплуатации составляет до 600-700°С.

Ферритные стали

Ферритные стали содержат 12-30% хрома при минимальном количестве никеля или полном его отсутствии. Кристаллическая структура представлена объемно-центрированной кубической решеткой. Эти стали обладают ферромагнитными свойствами и хорошей стойкостью к коррозионному растрескиванию под напряжением.

Материал характеризуется меньшей стоимостью по сравнению с аустенитными сталями за счет низкого содержания никеля. Ферритные стали применяются для изготовления деталей, не подвергающихся значительным механическим нагрузкам, в умеренно агрессивных средах.

Мартенситные стали

Мартенситные стали содержат 12-17% хрома и до 0,5% углерода. После закалки материал приобретает игольчатую мартенситную структуру, обеспечивающую высокую твердость и прочность. Эти стали поддаются термической обработке, что позволяет регулировать механические свойства в широких пределах.

Мартенситные стали применяются для изготовления режущего инструмента, хирургических инструментов, деталей турбин и компрессоров. Коррозионная стойкость ниже, чем у аустенитных сталей, но достаточна для работы в слабоагрессивных средах.

Дуплексные стали

Дуплексные стали представляют собой комбинацию аустенитной и ферритной структур в соотношении примерно 50:50. Они сочетают преимущества обеих фаз, обладая повышенной прочностью при сохранении хорошей пластичности и коррозионной стойкости. Содержание хрома достигает 25%, никеля около 5-7%.

Маркировка нержавеющей стали

Существуют две основные системы маркировки нержавеющей стали. Российская система по ГОСТ использует буквенно-цифровой код, где буквы обозначают легирующие элементы, а цифры их процентное содержание. Международная система AISI применяет трехзначную нумерацию с указанием класса стали.

Расшифровка маркировки по ГОСТ

В российской маркировке первые цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента. Далее следуют буквы, обозначающие легирующие элементы: Х – хром, Н – никель, М – молибден, Т – титан, Г – марганец, С – кремний, В – вольфрам. Цифры после букв показывают процентное содержание элемента, округленное до целого числа.

Например, марка 12Х18Н10Т расшифровывается следующим образом: содержит 0,12% углерода, 18% хрома, 10% никеля и небольшое количество титана. Это стабилизированная аустенитная сталь, устойчивая к межкристаллитной коррозии.

Система маркировки AISI

В международной системе AISI первая цифра обозначает класс стали: серия 200 и 300 относится к аустенитным сталям, серия 400 включает ферритные и мартенситные стали. Остальные цифры представляют порядковый номер марки в соответствующей серии.

Свойства нержавеющей стали

Нержавеющая сталь обладает комплексом уникальных физико-механических и химических свойств, определяющих широкую область ее применения.

Физико-механические свойства

Прочность нержавеющей стали варьируется в зависимости от марки и термообработки. Предел прочности аустенитных сталей составляет 500-700 МПа, мартенситных может достигать 1800 МПа. Относительное удлинение аустенитных сталей превышает 40%, что обеспечивает отличную пластичность и технологичность.

Теплопроводность нержавеющей стали примерно в два раза ниже, чем у углеродистой стали, что необходимо учитывать при сварке. Коэффициент термического расширения выше, чем у обычной стали, что важно при проектировании конструкций, работающих при переменных температурах.

Коррозионная стойкость

Устойчивость к коррозии зависит от содержания хрома и других легирующих элементов, а также от характера агрессивной среды. Стали с 12-17% хрома стойки в атмосферных условиях и слабоагрессивных средах. Для работы в морской воде, растворах хлоридов требуются стали с молибденом, например AISI 316.

При повышенных температурах защитная оксидная пленка становится более стабильной, однако в восстановительных средах коррозионная стойкость может снижаться. Выбор марки стали должен учитывать специфику конкретных условий эксплуатации.

Методы обработки нержавеющей стали

Обработка нержавеющей стали требует специального оборудования и технологий, учитывающих особенности материала.

Механическая обработка

Нержавеющая сталь подвергается резанию, фрезерованию, сверлению с использованием специальных инструментов из быстрорежущих сталей или твердых сплавов. Материал склонен к наклепу, поэтому требуются острые режущие кромки и достаточное охлаждение. Режимы резания должны быть на 20-30% ниже, чем для углеродистых сталей.

Сварка

Аустенитные стали хорошо свариваются различными методами, включая ручную дуговую, аргонодуговую и точечную сварку. Низкая теплопроводность приводит к концентрации тепла в зоне сварки, поэтому требуется контроль температуры межслойного подогрева. Для сварки применяются специальные электроды и проволока из соответствующей марки стали.

Холодная и горячая деформация

Аустенитные стали легко поддаются холодной штамповке, гибке, вытяжке благодаря высокой пластичности. Ферритные и мартенситные стали обрабатываются в горячем состоянии. После холодной деформации может потребоваться рекристаллизационный отжиг для снятия напряжений и восстановления пластичности.

Применение в пищевой промышленности

Нержавеющая сталь является стандартным материалом для изготовления оборудования пищевых производств благодаря гигиеничности, нетоксичности и стойкости к моющим средствам.

Требования к пищевой нержавейке

Материал должен соответствовать санитарно-гигиеническим нормам, не выделять вредных веществ при контакте с продуктами, легко очищаться и дезинфицироваться. Поверхность изделий должна быть гладкой, без пор и каверн, где могут развиваться микроорганизмы.

Наиболее распространенной маркой для пищевой промышленности является AISI 304, содержащая 18% хрома и 10% никеля. Эта сталь устойчива к пищевым кислотам, молочным продуктам, спиртам. Для оборудования, работающего с соленой средой или подвергающегося интенсивной мойке хлорсодержащими растворами, применяется AISI 316 с добавкой молибдена.

Области применения

Из пищевой нержавеющей стали изготавливают резервуары для хранения молока, пива, вина, реакторы для производства йогурта и сыра, трубопроводы для транспортировки жидких продуктов, конвейеры, смесители, дозаторы. Материал применяется в производстве столовых приборов, посуды, кухонного инвентаря. В мясной промышленности из нержавейки изготавливают столы для разделки, ванны для посола, оборудование для колбасного цеха.

Применение в химической промышленности

Химическая промышленность предъявляет жесткие требования к материалам, контактирующим с агрессивными средами при различных температурах и давлениях.

Выбор марки стали

Выбор марки зависит от типа агрессивной среды. Для работы с азотной кислотой подходят ферритные стали. В производствах, использующих серную кислоту, требуются аустенитные стали с молибденом. При наличии хлоридов обязательно применение марок типа AISI 316 или более легированных сталей.

Для особо агрессивных сред разработаны специальные высоколегированные стали и суперсплавы на основе никеля с содержанием хрома, молибдена, вольфрама. Эти материалы выдерживают воздействие концентрированных кислот, щелочей, окислителей при повышенных температурах.

Типовое оборудование

Из нержавеющей стали изготавливают химические реакторы, теплообменники, колонны ректификации и абсорбции, емкости для хранения реагентов, трубопроводную арматуру, насосы и компрессоры. Материал применяется в производстве удобрений, фармацевтических препаратов, красителей, полимеров.

В нефтехимической промышленности нержавеющая сталь используется в установках каталитического крекинга, риформинга, гидроочистки. Оборудование для производства целлюлозы и бумаги также изготавливается из коррозионностойких сталей, способных противостоять воздействию щелочей и отбеливающих агентов.