| Структурный класс | Марки (AISI/EN/UNS) | Основной химический состав, % | PRE-номер* | Механические свойства | Температурный диапазон, °C | Магнитные свойства | Свариваемость |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Аустенитные | 304 (1.4301), 316 (1.4401), 321 (1.4541), S30400, S31600 | 17-25% Cr, 8-20% Ni, 0-7% Mo, 0-0.15% N | 18-30 | Предел текучести: 190-330 МПа Предел прочности: 500-700 МПа Твердость: 130-200 HB |
-269 до 800 | Немагнитные в закаленном состоянии | Отличная |
| Ферритные | 430 (1.4016), 444 (1.4521), S43000 | 10.5-30% Cr, 0-4% Mo | 10-24 | Предел текучести: 240-350 МПа Предел прочности: 400-600 МПа Твердость: 140-190 HB |
-50 до 850 | Магнитные | Средняя |
| Мартенситные | 410 (1.4006), 420 (1.4021), 440C (1.4125), S41000 | 11.5-18% Cr, 0-1.2% C | ≤ 18 | Предел текучести: 275-550 МПа Предел прочности: 500-1000 МПа Твердость: 150-600 HB (зависит от термообработки) |
-30 до 650 | Магнитные | Ограниченная |
| Дуплексные | 2205 (1.4462), S32205, S31803 | 21-24% Cr, 3-6% Ni, 0.1-5% Mo, 0.1-0.3% N | 30-36 | Предел текучести: 450-550 МПа Предел прочности: 680-900 МПа Твердость: 250-320 HB |
-50 до 300 | Слабомагнитные | Хорошая |
| Супердуплексные | 2507 (1.4410), S32750, S32760 | 24-26% Cr, 6-8% Ni, 3-5% Mo, 0.2-0.35% N | ≥ 40 | Предел текучести: 550-650 МПа Предел прочности: 750-950 МПа Твердость: 270-330 HB |
-50 до 300 | Слабомагнитные | Хорошая |
*PRE-номер (Pitting Resistance Equivalent): PRE = %Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N
| Марка стали | Общая коррозия (мм/год) | Стойкость в H₂SO₄ (10%) | Стойкость в HCl (5%) | Стойкость в HNO₃ (20%) | Стойкость в щелочах (50% NaOH) | CPT*, °C | CCT**, °C | Стойкость к SCC*** |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 304/304L | 0.05-0.1 | Ограниченная | Слабая | Отличная | Хорошая | 10-25 | < 0 | Слабая |
| 316/316L | 0.03-0.07 | Хорошая | Ограниченная | Отличная | Хорошая | 15-35 | < 5 | Средняя |
| 430 | 0.1-0.2 | Слабая | Слабая | Хорошая | Средняя | < 10 | < 0 | Хорошая |
| 410 | 0.1-0.2 | Слабая | Слабая | Средняя | Средняя | < 0 | < 0 | Хорошая |
| 2205 | 0.02-0.05 | Очень хорошая | Хорошая | Отличная | Хорошая | 30-45 | 10-25 | Очень хорошая |
| 2507 | < 0.02 | Отличная | Очень хорошая | Отличная | Очень хорошая | 45-80 | 25-40 | Отличная |
| 254SMO | < 0.02 | Отличная | Хорошая | Отличная | Очень хорошая | 50-70 | 20-35 | Отличная |
*CPT - Критическая температура питтинговой коррозии в 3% NaCl
**CCT - Критическая температура щелевой коррозии в 3% NaCl
***SCC - Коррозионное растрескивание под напряжением в хлоридсодержащих средах
| Отрасль промышленности | Условия эксплуатации | Рекомендуемые марки сталей | Примечания |
|---|---|---|---|
| Пищевая промышленность | Переработка пищевых продуктов, моющие средства, дезинфекция | 304/304L, 316/316L | 316/316L для сред с хлоридами и соусов, 304/304L для молочных продуктов |
| Химическая и нефтехимическая | Агрессивные кислоты, хлориды, горячие среды | 316L, 317L, 904L, 254SMO, 2205, 2507 | Выбор зависит от концентрации кислоты, температуры и присутствия галогенидов |
| Морская вода и конструкции | Морская вода, прибрежная атмосфера | 316L, 2205, 2507, 254SMO, 904L | Для полностью погруженных конструкций часто требуется дополнительная катодная защита |
| Целлюлозно-бумажная | Химикаты для отбеливания, высокие температуры | 316L, 317L, 2205, 904L | Особенно важна стойкость к щелевой коррозии и SCC |
| Энергетика | Высокие температуры, давление, радиация (АЭС) | 304L, 316L, 347, 321 (для АЭС), 310, 800H/HT (для высоких температур) | Для ядерной среды важны низкое содержание кобальта и высокая чистота |
| Биомедицинские применения | Физиологические среды, стерилизация | 316L, 904L, сплавы Ti | Требуется биосовместимость, стойкость к стерилизации и отсутствие токсичных элементов |
| Архитектура и строительство | Атмосфера городов, дождевая вода | 304, 316 (для морского климата), 444, 2205 | Важен эстетический аспект (отделка поверхности, стойкость к окрашиванию) |
| Криогенные применения | Экстремально низкие температуры (-196°C) | 304L, 316L, 321, 347 | Аустенитные стали сохраняют пластичность при сверхнизких температурах |
| Метод защиты | Описание | Эффективность | Применимость | Ограничения |
|---|---|---|---|---|
| Пассивация | Химическая обработка в растворах кислот (обычно HNO₃ или лимонная кислота) | Высокая для восстановления пассивной пленки | Все типы нержавеющих сталей | Временный эффект, требует периодического повторения |
| Электрополирование | Электрохимическое удаление поверхностного слоя, снижение шероховатости | Очень высокая для снижения биообрастания и отложений | Особенно эффективно для аустенитных и дуплексных сталей | Сложная обработка геометрически сложных изделий |
| Контроль качества поверхности | Обеспечение низкой шероховатости поверхности (Ra < 0.5 мкм) | Высокая для предотвращения отложений и биопленок | Критично для фармацевтики и пищевой промышленности | Требует специальных методов обработки |
| Термическая обработка | Отжиг, закалка, стабилизационный отжиг | Высокая для устранения МКК и улучшения свойств | Особенно важно для сварных соединений | Возможно изменение размеров, требуется защитная атмосфера |
| Катодная защита | Наложение отрицательного потенциала или использование протекторных анодов | Очень высокая для погруженных металлоконструкций | Морские сооружения, трубопроводы | Требует постоянного контроля, риск водородного охрупчивания |
| Ингибиторы коррозии | Добавление химических веществ, замедляющих коррозионные процессы | Средняя-высокая в зависимости от среды | Системы охлаждения, теплообменники | Экологические ограничения, периодическое добавление |
| Конструктивные решения | Исключение застойных зон, щелей, контакта разнородных металлов | Высокая для предотвращения локальных видов коррозии | Все виды конструкций из нержавеющих сталей | Требует учета на стадии проектирования |
Нержавеющие стали представляют собой группу железо-хромовых сплавов, содержащих минимум 10,5% хрома, что обеспечивает формирование пассивной защитной оксидной пленки на поверхности металла. Именно наличие этой самовосстанавливающейся пленки придает материалу характерную стойкость к коррозии. Однако несмотря на название «нержавеющие», эти сплавы могут подвергаться коррозионному разрушению в определенных условиях.
Нержавеющие стали широко применяются в различных отраслях промышленности благодаря сочетанию высокой коррозионной стойкости, механических свойств, технологичности и эстетического внешнего вида. Основными факторами, влияющими на коррозионную стойкость нержавеющих сталей, являются их химический состав, микроструктура, состояние поверхности и условия эксплуатации.
Данная статья представляет систематизированные таблицы коррозионной стойкости различных классов нержавеющих сталей, помогающие в правильном выборе марки стали для конкретных условий эксплуатации, а также содержит рекомендации по методам защиты и повышения коррозионной стойкости таких материалов.
Нержавеющие стали классифицируются по их микроструктуре, что определяет многие их свойства, включая коррозионную стойкость. Как показано в Таблице 10.1, выделяют пять основных структурных классов нержавеющих сталей.
Аустенитные стали (300-я серия по AISI) являются наиболее распространенными и содержат 17-25% хрома и 8-20% никеля. Их микроструктура характеризуется гранецентрированной кубической решеткой, что обеспечивает немагнитность, высокую пластичность и отличную свариваемость. Типичными представителями являются стали AISI 304 (08Х18Н10 по ГОСТ) и AISI 316 (08Х17Н13М2 по ГОСТ).
Стойкость к общей коррозии у аустенитных сталей превосходная, особенно в окислительных средах. Однако они подвержены локальным видам коррозии (питтинговой, щелевой) в хлоридсодержащих средах, а также склонны к коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC) при повышенных температурах.
Ферритные стали (400-я серия) содержат 10,5-30% хрома без значительных добавок никеля. Их микроструктура с объемно-центрированной кубической решеткой обуславливает ферромагнитные свойства. Типичным представителем является сталь AISI 430 (12Х17 по ГОСТ).
Ферритные стали обладают хорошей стойкостью к хлоридной коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением, но более низкой стойкостью к общей коррозии по сравнению с аустенитными сталями. Они также склонны к 475°C-охрупчиванию и имеют ограниченную свариваемость из-за роста зерна и выделения хрупких фаз.
Мартенситные стали (также 400-я серия) содержат 11,5-18% хрома и 0,1-1,2% углерода, что позволяет им подвергаться закалке с образованием мартенситной структуры. Типичными представителями являются AISI 410 (30Х13 по ГОСТ) и AISI 420 (40Х13 по ГОСТ).
Эти стали обладают высокой прочностью и твердостью, но ограниченной коррозионной стойкостью по сравнению с другими классами. Они используются в условиях, требующих сочетания умеренной коррозионной стойкости с высокими механическими свойствами, например для режущего инструмента, клапанов и турбинных лопаток.
Дуплексные стали имеют двухфазную микроструктуру, состоящую примерно из равных долей аустенита и феррита. Они содержат 21-26% хрома, 3-8% никеля, 0,1-5% молибдена и 0,1-0,35% азота. Типичным представителем является сталь 2205 (03Х22Н5АМ3 по ГОСТ).
Дуплексные стали сочетают преимущества аустенитных и ферритных сталей: высокую прочность, стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением и отличную стойкость к питтинговой и щелевой коррозии. Супердуплексные стали, такие как 2507, имеют еще более высокую коррозионную стойкость благодаря повышенному содержанию хрома, молибдена и азота (PRE > 40).
Как видно из Таблицы 10.2, нержавеющие стали могут подвергаться различным видам коррозии в зависимости от среды эксплуатации и структурного класса.
Общая коррозия характеризуется равномерным растворением всей поверхности металла. Скорость общей коррозии выражается в мм/год и для большинства нержавеющих сталей в благоприятных условиях не превышает 0,1 мм/год. Наиболее высокие скорости общей коррозии наблюдаются в неокислительных кислотах (HCl, H₂SO₄ низких концентраций), особенно при повышенных температурах.
Скорость общей коррозии снижается с увеличением содержания хрома и молибдена. Аустенитные стали типа 316 с добавкой молибдена имеют более высокую стойкость к восстановительным кислотам, чем аустенитные стали 304 без молибдена.
Питтинговая (точечная) коррозия – это локальное разрушение пассивной пленки и образование углублений (питтингов) на поверхности металла. Этот вид коррозии особенно опасен в средах, содержащих хлорид-ионы.
Стойкость нержавеющих сталей к питтинговой коррозии может быть оценена с помощью PRE-номера (Pitting Resistance Equivalent): PRE = %Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N. Чем выше PRE, тем выше стойкость стали к питтинговой коррозии.
Также важным параметром является критическая температура питтинговой коррозии (CPT) – минимальная температура, при которой начинается образование питтингов в стандартных условиях испытаний (обычно в 3% растворе NaCl). Для аустенитных сталей 304 CPT составляет около 10-25°C, для 316 – 15-35°C, для дуплексной стали 2205 – 30-45°C, а для супердуплексной 2507 – 45-80°C.
Щелевая коррозия возникает в узких зазорах (щелях), где ограничен доступ кислорода и может происходить концентрирование агрессивных ионов. Такие условия могут возникать в резьбовых, фланцевых и других соединениях, а также под отложениями.
Критическая температура щелевой коррозии (CCT) всегда ниже, чем CPT для того же материала, что означает, что щелевая коррозия начинается при более низких температурах, чем питтинговая. Для аустенитных сталей 304 и 316 CCT может быть ниже 0°C в хлоридсодержащих средах, что делает их уязвимыми к этому виду коррозии даже при комнатной температуре.
Межкристаллитная коррозия проявляется в виде избирательного разрушения границ зерен металла. Основной причиной МКК в нержавеющих сталях является сенсибилизация – процесс выделения карбидов хрома по границам зерен при нагреве в диапазоне 450-850°C, что приводит к обеднению приграничных областей хромом.
Для предотвращения МКК используются стали с низким содержанием углерода (304L, 316L), стабилизированные титаном или ниобием стали (321, 347), а также соответствующие режимы термической обработки.
Коррозионное растрескивание под напряжением возникает при одновременном воздействии растягивающих напряжений и специфической коррозионной среды. Для аустенитных нержавеющих сталей наиболее опасны хлоридсодержащие среды при повышенных температурах.
Ферритные и дуплексные стали обладают более высокой стойкостью к SCC по сравнению с аустенитными. Для супердуплексных сталей риск SCC минимален даже в жестких условиях эксплуатации.
Как показано в Таблице 10.2, коррозионная стойкость нержавеющих сталей существенно различается в зависимости от типа агрессивной среды.
В серной кислоте (H₂SO₄) поведение нержавеющих сталей сильно зависит от концентрации и температуры. При низких концентрациях (до 10%) скорость коррозии обычно высока из-за восстановительных условий. Молибденсодержащие стали (316, 317, 904L) имеют значительно лучшую стойкость, чем 304. При высоких концентрациях (>85%) H₂SO₄ становится менее агрессивной из-за низкой ионизации.
В соляной кислоте (HCl) большинство нержавеющих сталей имеют ограниченную стойкость даже при низких концентрациях из-за высокой агрессивности хлорид-ионов. Только супердуплексные стали и специальные высоколегированные сплавы (например, 254SMO) могут использоваться в разбавленной HCl при комнатной температуре.
В азотной кислоте (HNO₃) большинство нержавеющих сталей демонстрируют отличную стойкость благодаря окислительному характеру кислоты, который способствует поддержанию пассивного состояния. Исключение составляют высококонцентрированные растворы при повышенных температурах.
Нержавеющие стали обычно имеют хорошую стойкость к щелочам при комнатной температуре. В растворах едкого натра (NaOH) до 50% концентрации аустенитные стали демонстрируют низкие скорости коррозии. При повышенных температурах (>80°C) стойкость снижается, особенно при высоких концентрациях.
В щелочах, содержащих окислители (например, гипохлориты), риск локальной коррозии возрастает. Для таких сред рекомендуются молибденсодержащие марки стали (316, 2205).
Хлорид-ионы представляют наибольшую опасность для нержавеющих сталей, поскольку они способны разрушать пассивную пленку и инициировать локальную коррозию. Стойкость к хлоридам возрастает в следующем порядке: ферритные/мартенситные < аустенитные 304 < аустенитные 316 < дуплексные < супердуплексные.
Важную роль играет концентрация хлоридов, температура, pH и присутствие окислителей. В морской воде (около 3,5% NaCl) при комнатной температуре сталь 316L может подвергаться питтинговой и щелевой коррозии, в то время как дуплексные и супердуплексные стали сохраняют стойкость.
Таблица 10.3 представляет рекомендации по выбору нержавеющих сталей для различных отраслей промышленности. Выбор конкретной марки стали должен основываться на анализе всех условий эксплуатации: характера агрессивной среды, температуры, давления, механических нагрузок и экономических соображений.
В пищевой промышленности основными требованиями являются гигиеничность и стойкость к моющим и дезинфицирующим средствам. Сталь 304/304L является стандартным выбором для большинства применений, но при наличии хлоридов или кислых сред рекомендуется использовать 316/316L.
В нефтехимической промышленности условия эксплуатации часто включают сочетание высоких температур, давлений и агрессивных сред. Для таких условий обычно требуются высоколегированные марки, такие как 316L, 317L, дуплексные и супердуплексные стали.
Для морских применений критически важна стойкость к хлоридам. Сталь 316L является минимальным стандартом для морской атмосферы, но для полностью погруженных конструкций рекомендуются дуплексные, супердуплексные стали или специальные сплавы с высоким содержанием молибдена.
Как показано в Таблице 10.4, существует ряд методов для защиты и повышения коррозионной стойкости нержавеющих сталей.
Пассивация – это химическая обработка поверхности в растворах кислот (обычно азотной или лимонной), способствующая формированию стабильной пассивной пленки. Процесс удаляет поверхностные загрязнения, включая частицы железа, и усиливает естественную защитную пленку.
Электрополирование представляет собой электрохимический процесс, который удаляет микронеровности с поверхности, уменьшает шероховатость и повышает коррозионную стойкость. Особенно эффективно для применений с высокими требованиями к чистоте и гигиеничности.
Термическая обработка нержавеющих сталей может значительно влиять на их коррозионную стойкость. Отжиг в диапазоне 1050-1100°C с последующей закалкой предотвращает сенсибилизацию и повышает стойкость к МКК. Стабилизационный отжиг при 850-900°C рекомендуется для стабилизированных титаном или ниобием сталей.
Конструктивные решения, такие как исключение застойных зон, щелей, обеспечение дренажа и минимизация контакта разнородных металлов, могут значительно снизить риск коррозии даже без изменения материала.
Коррозионная стойкость нержавеющих сталей является результатом сложного взаимодействия между химическим составом стали, ее микроструктурой, состоянием поверхности и условиями эксплуатации. Правильный выбор марки стали и методов обработки поверхности имеет решающее значение для обеспечения долговечности и безопасности конструкций.
Представленные в статье таблицы являются практическим руководством для инженеров и технических специалистов, занимающихся выбором материалов для различных условий эксплуатации. Однако в сложных или критически важных применениях рекомендуется проводить лабораторные испытания в условиях, максимально приближенных к реальным, или консультироваться со специалистами по коррозии.
Достижения в области металлургии и материаловедения продолжают расширять семейство нержавеющих сталей, предлагая новые марки с улучшенными свойствами для специфических применений. Понимание механизмов коррозии и факторов, влияющих на коррозионную стойкость, позволяет делать обоснованный выбор материалов и разрабатывать эффективные стратегии защиты от коррозии.
- ASTM A240 / A240M "Стандартная спецификация для хромистых и хромоникелевых нержавеющих стальных листов, полос и пластин для сосудов высокого давления и общего применения"
- EN 10088 "Нержавеющие стали"
- ГОСТ 5632-2014 "Легированные нержавеющие стали и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные"
- NACE MR0175/ISO 15156 "Материалы для применения в средах, содержащих H₂S, в нефтяной и газовой промышленности"
- Шрайер Л.Л. Коррозия: справочник. – М.: Металлургия, 1981.
- Бейкер М., Кастл Дж. Коррозия и защита металлов. – М.: Металлургия, 1985.
- Международная ассоциация нержавеющих сталей (ISSF). Руководство по использованию нержавеющих сталей, 2021.
- Outokumpu. Справочник по нержавеющим сталям, 2023.
- Davis J.R. Коррозия нержавеющих сталей. ASM International, 2020.
Данная статья носит исключительно информационный и ознакомительный характер. Представленные в таблицах данные являются обобщением результатов многочисленных исследований и испытаний, однако реальное поведение нержавеющих сталей может отличаться в конкретных условиях эксплуатации.
Выбор материалов для ответственных конструкций должен основываться на специализированных инженерных расчетах и испытаниях, а в случае необходимости – на консультациях с экспертами по коррозии и материаловедению.
Автор и издатель не несут ответственности за любые прямые или косвенные убытки, возникшие вследствие использования или невозможности использования информации, содержащейся в данной статье.
