Сталь с 9 содержанием никеля
Обновлено: 02.05.2024
Нержавеющая сталь
К нержавеющим сталям относят группу коррозионностойких сталей с содержанием минимум 10.5 % хрома и низким содержанием углерода. Для примера приведем простую таблицу различных сплавов с железом.
| Чугун | Fe + C > 2% |
| Углеродистая сталь | Fe + C < 2% |
| Спецсталь | Fe + C < 2% + (Cr, Ni, Mo, и т.д.) >5% |
| Нержавеющая сталь | Fe + C < 1.2% + Cr >10.5% |
Кроме Хрома как "основной нержавеющей составляющей" в составе нержавеющей стали могут присутствовать Никель, Молибден, Титан, Ниобий, Сера, Фосфор и другие легирующие элементы определяющие свойства стали.
Основные элементы нержавеющих сталей можно разделить на ферритизирующие и аустенизирующие. Каждый из элементов способствует образованию той или иной структуры:
• Ферритизирующие элементы – это Cr (хром), Si (кремний), Mo (молибден), W (вольфрам), Ti (титан), Nb (ниобий)
• Аустенизирующие элементы – это C (углерод), Ni (никель), Mn (марганец), N (азот), Cu (медь)
Традиционные аустенитные стали, такие как AISI 304 (аналоги DIN 1.4301 и 08Х18Н10), и ферритные стали, такие как AISI 430 (аналоги DIN 1.4016 и 12Х17), довольно просты в изготовлении и легко обрабатываются. Как следует из их названий, они состоят преимущественно из одной фазы — аустенита или феррита.
Хотя эти типы имеют обширную сферу применения, у обоих этих типов есть свои технические недостатки:
• У аустенитных — низкая прочность (условный предел текучести 0,2% в состоянии после аустенизации 200 МПа), низкое сопротивление коррозионному растрескиванию.
• У ферритных — низкая прочность (немного выше, чем у аустенитных: условный предел текучести 0,2% составляет 250 МПа), плохая свариваемость при больших толщинах, низкотемпературная хрупкость.
Основная идея дуплексных сталей заключается в подборе такого химического состава, при котором будет образовываться примерно одинаковое количество феррита и аустенита. Такой фазовый состав обеспечивает следующие преимущества:
• Высокая прочность, позволяющая сократить вес изделий
• Высокая коррозионная стойкость, особенно к коррозионному растрескиванию
В стали AISI 430 преобладают ферритизирующие элементы, поэтому ее структура ферритная. Сталь AISI 304 имеет аустенитную структуру в основном за счет содержания около 8% никеля. Для получения дуплексной структуры с содержанием каждой фазы около 50% необходим баланс аустенизирующих и ферритизирующих элементов, соответственно, содержание никеля в дуплексных сталях в будет ниже, чем в аустенитных.
Из-за многообразия дуплексных сталей ее коррозионную стойкость, обычно, приводят в сравнении с аустенитными и ферритными марками. Постоянно появляются новые марки этих сталей так как каждый производитель продвигает свою дуплексную марку. Например, для экономии, в некоторых из недавно разработанных марок для значительного снижения содержания никеля используется сочетание азота и марганца. Единой меры коррозионной стойкости пока не существует. Однако, для классификации марок сталей удобно пользоваться числовым эквивалентом стойкости к питтинговой коррозии (PREN), который рассчитывается как PREN = %Cr + 3,3 x %Mo + 16 x %N. Например, AISI 304 имеет PREN = 19, AISI 316 PREN = 24, AISI 316L PREN = 26, а дуплексная нержавейка марки EN 1.4507 (2507) PREN = 43.
Несмотря на весь этот интерес, доля дуплексных сталей на мировом рынке составляет, по самым оптимистичным оценкам, от 1 до 3% в основном из-за того, что процесс выплавки дуплексных нержавеющих сталей намного более сложен, чем аустенитных и ферритных сталей и относительно аустенитной она обходится на 15-20% дороже. Подробнее о дуплексной нержавеющей стали здесь.
В такелажной и крепежной практике дуплексная нержавеющая сталь используется, в основном, для производства более прочных и обладающих повышенной коррозионной стойкостью нержавеющих цепей.
Ниже указана более полная таблица наиболее распространенных видов нержавеющих сталей и их соответствие различным стандартам. Первая цифра химического состава обозначает содержание углерода / 100, далее - основные легирующие добавки и их процентное содержание, например:
Наиболее распространенная группа нержавейки A2 = X 5 CrNi 18 10 = углерод-0,05% хром-18% никель-10% = EN обозначение 1.4301 = AISI 304. Необходимо обратить внимание на цифры 18 и 10 в обозначении. В быту, на нержавеющей посуде, часто встречается обозначение 18/10 - это, ни что иное, как сокращенное обозначение нержавейки с процентным содержанием хрома 18% и никеля 10%. Гораздо интереснее другие добавки. Вот их производители умалчивают - это и составляет их коммерческий "секрет" и стоимость дорогостоящих брендов. В таблице ниже указаны виды нержавейки с различным содержанием элементов. Какая достанется вам - покажет только спектрограф. Бытовых способов узнать химсостав, к сожалению, пока не придумали. Вот один из профессиональных примеров проверки химического состава посуды. Кстати, магнитится она или нет - вообще не показатель. Нержавейка может быть магнитной.
Вторая по распространенности группа нержавейки A4 = X 5 CrNiMo 17 12 2 = углерод-0,05% хром-17% никель-12% молибден-2% = EN обозначение 1.4401 = AISI 316. Ее иногда называют "кислотостойкой" или "молибденкой" по понятным причинам.
Руководствуясь таблицей можно найти соответствия часто встречающихся обозначений нержавеющего крепежа наряду с материалом A2 и A4, например:
DIN 7 A1 = Штифт цилиндрический X 10 CrNi S 18 9 - AISI 303 - A1
DIN 125 1.4541 = Шайба плоская DIN 125 материал X 6 CrNiTi 18 10 - AISI 321 - A3
DIN 2093 1.4310 = Диск пружинный тарельчатый X 12 CrNi 17 7 - AISI 301
DIN 127 1.4571 = Шайба гровер пружинная X 6 CrNiMoTi 17 12 2 - AISI 316Ti - A5
DIN 471 1.4122 = Кольцо стопорное наружное X 39 CrMo 17 1
DIN 472 1.4310 = Кольцо стопорное внутреннее X 12 CrNi 17 7 - AISI 301
DIN 934 A2 = Гайка шестигранная X 5 CrNi 18 10 - 1.4301 - AISI 304
DIN 933 A4 = Болт с шестигранной головкой X 5 CrNiMo 17 12 2 - 1.4401 - AISI 316
Также видно, что нержавейка 316L отличается от 316 более низким содержанием углерода.
Криогенная сталь: российские инновации для индустрии СПГ
На сегодняшний день природный газ в сжиженном состоянии является, вероятно, одним из самых перспективных направлений развития энергетики в мире. Производство и сбыт СПГ растут высокими темпами: прогнозируется, что большая часть роста торговли газом на мировом рынке до 2030 г. будет обеспечена именно поставками СПГ, а объёмы поставок трубопроводного газа будут расти гораздо медленнее. Высокая динамика развития СПГ-проектов ожидается и в России, где производство этого вида топлива также является одним из важнейших развивающихся направлений.
Важно отметить, что наша страна планирует значительно расширить своё присутствие на мировом рынке СПГ, в том числе за счёт поставок сжиженного газа в страны Азиатско-Тихоокеанского региона. Согласно реалистичному сценарию, общая мощность производства СПГ в РФ составит порядка 80 млн тонн в год, чему должно поспособствовать как развитие Северного морского пути — кратчайшей транспортной артерии из Европы на Дальний Восток, так и тот факт, что все крупные российские СПГ-проекты экспортоориентированы.
Однако, есть на пути реализации этих амбициозных планов и существенные препятствия. Одна из главных проблем в этой сфере — критическая зависимость России от иностранных технологий. Вопрос импортозамещения в сфере поставок ключевого оборудования и материалов является стратегически важным для развития крупных СПГ-проектов в РФ.
Спрос рождает предложение
Наиболее активно Россия ведёт работу по созданию мощной СПГ-индустрии в Арктическом регионе. Создание здесь ключевых предприятий по сжижению природного газа повлекло за собой развитие смежных областей — оборудования, материалов и технологий для этой отрасли. Одним из самых заметных достижений стало отечественное производство высококачественных криогенных сталей и сплавов.
Это важнейшее направление для импортозамещения, поскольку все поверхности, соприкасающиеся с СПГ, изготавливаются из материалов, выдерживающих чрезвычайно низкие температуры. Использование обычного металла здесь невозможно, потому что при криогенных температурах он станет хрупким и, как следствие, склонным к разрушению. В связи с этим при строительстве резервуаров для хранения СПГ, как наиболее «ответственного» объекта завода по производству сжиженного газа, используют исключительно стали с низким коэффициентом теплового расширения.
До недавнего времени российские нефтегазовые компании могли приобрести стали для строительства резервуаров СПГ только за рубежом. Российские металлургические компании оперативно откликнулись на очевидный запрос рынка и занялись разработкой отечественной криогенной стали.
Непростая сталь
Криогенные стали и сплавы предназначены для производства, перевозки и хранения сжиженных газов, имеющих сверхнизкие температуры кипения (ниже температуры кипения кислорода — 182˚С).
Наиболее востребованной продукцией для СПГ-проектов является сталь, имеющая в своем составе 9% никеля (Ni) и обладающая высоким уровнем стойкости к хрупкому разрушению при экстремально низких температурах и хорошими показателями свариваемости.
Именно на производство такой стали сделали ставку предприятия российского металлургического комплекса.
Ставка на российские технологии
Разработанная «Северсталью» криогенная низкоуглеродистая сталь с 9-процентным содержанием никеля (X7Ni9) обладает высокой хладостойкостью при низких температурах до -196˚С, при этом сохраняет пластичность и прочностные характеристики. Таких свойств удалось добиться благодаря выбору оптимальной композиции химических элементов, высокой чистоте стали по примесям и газам (ультранизкое содержание вредных добавок — серы и фосфора), а также за счёт подбора оптимального режима термической обработки.
хладостойкость криогенной низкоуглеродистой стали
Результатом проделанной работы стала поставка компанией в 2018 г. более 700 тонн криогенной стали для строительства среднетоннажного СПГ-завода «Газпрома» в Ленинградской области, в районе КС «Портовая». Сложность для «Северстали» состояла в том, чтобы сделать свою продукцию полностью конкурентоспособной, не уступающей по качеству иностранным аналогам.
С этой целью сертификация проходила в Германии в концерне TÜV Rheinland Group, а дополнительная аттестация продукции на трещиностойкость при -196˚С — в научной лаборатории г. Ахен. В результате проведённых исследований российская продукция полностью подтвердила соответствие европейским нормам и стандартам и открыла себе «дорогу» в большие СПГ-проекты.
«Газпром», сделав ставку на отечественного производителя, дал важнейший сигнал рынку. Дальнейшее развитие проектов СПГ в России позволит значительно повысить спрос на высокотехнологичную продукцию, так востребованную отечественной промышленностью. Важно отметить, что, хотя «Северсталь» и стала первой компанией, освоившей выпуск криогенной продукции, она не стала единственной, что для отрасли имеет важнейшее значение. Российскому рынку нужна диверсификация поставок, нужна конкуренция, особенно в сфере инновационной продукции. Сегодня, помимо «Северстали», технологию изготовления проката из листовой криогенной стали освоил «Магнитогорский металлургический комбинат», а «НПО «ЦНИИТМАШ» и АО «Уральская сталь» разработали и успешно применяют технологию промышленного производства толстолистового проката из новых марок стали. «Северсталь» пошла ещё дальше и предлагает рынку ряд криогенной продукции, которая востребована российской СПГ-индустрией.
Комплексное предложение
«Сегмент СПГ будет развиваться и, несмотря на то, что сроки реализации некоторых проектов могут быть смещены, прогресс этого направления в целом не сбавит темп, — сказала заместитель директора по продажам энергетическим компаниям „Северсталь“ Дарья Коротченко. — Для нашей компании СПГ-индустрия носит стратегический приоритет, мы нацелены на дальнейшее развитие компетенций в данном сегменте. Уже сейчас мы обладаем достаточным опытом в предоставлении решений, необходимых для реализации подобных проектов, однако мы продолжаем развиваться и готовы предлагать рынку те виды продукции, которые раньше в нашей стране никто не производил. Мы продолжаем планомерную работу по укреплению своих позиций как на российском рынке, так и на экспортных направлениях».
Компания развивает в России компетенции по производству теплообменников для установок сжижения и переработки природного газа в партнерстве с мировым лидером в этой области — компанией Linde. Каждый спиральновитой теплообменник спроектирован в соответствии с требованиями относительно термических и гидравлических рабочих характеристик, а также с учётом расчета конструкции и выбора материала.
«Linde несёт ответственность за предоставление конструкционных ноу-хау при производстве спиральновитых теплообменников, определение стандартов их проектирования и производства, а также осуществляет техподдержку и надзорные функции. „Северсталь“ в свою очередь занимается вопросами локализации производства, оказывает юридическую и сбытовую поддержку. Это позволяет производить в России качественное оборудование мирового класса и дает возможность заказчикам получать высокотехнологичное оборудование с самыми высокими стандартами качества и конкурентоспособными ценами», — отметил главный исполнительный директор ООО «Линде Северсталь» К. Зеехольцер.
При задействовании других активов «Северсталь» также обеспечивает заказчику проектирование объектов инфраструктуры завода СПГ и производит комплекс металлоконструкций с антикоррозийными и огнезащитными покрытиями, используемых при строительстве зданий и сооружений.
«В настоящее время, благодаря стараниям отечественной металлургии, ниша криогенной продукции освоена. Результаты испытаний показывают, что наши стали ни в чём не уступают зарубежным. Сейчас в России имеются все компетенции и возможности для перехода при строительстве и обслуживании СПГ-объектов на отечественные материалы, российских изготовителей необходимого оборудования и его комплектующих. Стратегия «под ключ» имеет неплохие шансы на успех», — считает заместитель генерального директора по научной работе «НПО «ЦНИИТМАШ» К. Косырев.
Перспективы
Импортозамещение инновационной продукции — ключевой элемент, который поможет реализовать заявленные СПГ-проекты с минимальными рисками и в установленные сроки. Локализация — это не просто термин, а реальное снижение зависимости от иностранных поставщиков и подрядчиков и существенное удешевление реализации отечественных СПГ-проектов, что вкупе с возрастающими валютными рисками — важнейший фактор стабильности отечественной СПГ-индустрии. Кроме того, это выгодное сотрудничество для всех участников рынка: с одной стороны, отрасль снижает риски и затраты, с другой — отечественные поставщики получают крупнейшие площадки сбыта для своей продукции.
По словам заместителя генерального директора по научной работе, по развитию, экономике и экологии морского транспорта ЦНИИМФ А. Буянова, формирование в России мощной СПГ-отрасли, которая задействует огромное количество подрядчиков и уникальный человеческий капитал, крайне важно. Именно сжиженный природный газ во многом будет иметь принципиальное значение для экономики Арктики, а рост перевалки СПГ приведет к увеличению загрузки Северного морского пути и его развитию как уникальной торговой артерии в мире. В совокупности эти факторы дадут мощный толчок к развитию многих бизнес-процессов, и это большой задел для будущего отрасли.
Сварка криогенных сталей ОН6, ОН9 высоконикелевыми электродами ОЗЛ-44
Одними из самых перспективных конструкционных материалов являются коррозионно-стойкие ферритные стали с содержанием никеля до 9%. С шестидесятых годов прошлого века стали такого типа нашли применение для изготовления изотермических резервуаров, предназначенных для хранения сжиженного газа. В изотермических резервуарах температура хранения продукта составляет -196°С. Эти резервуары имеют сложную конструкцию из 2-х стенок и теплоизоляцией между наружной и внутренней стенкой. В зависимости от условий эксплуатации, в основном, агрессивности среды и температуры, выбирается материал внутренней оболочки. В мировой практике для хранения сжиженного этилена при температуре -104°С применяют сталь ОН6, а для хранения сжиженного природного газа (метана) при температуре -163°С – сталь ОН9. Стали такого типа имеют низкое содержание углерода, низкую концентрацию прочих легирующих элементов и примесей, представляя, таким образом, бинарный железо-никелевый сплав. Мировой и отечественной промышленностью накоплен определенный опыт изготовления резервуаров из никелевых сталей, которые зарекомендовали себя достаточно технологичными в переработке, имеющие вязкий характер разрушения при низких температурах и сравнительно дешевым материалом. Химический состав отечественной стали ОН6 следующий: углерод не более 0,06%, марганец 0,3-0,6%, кремний 0,15-0,3%, никель 6,5-7,0%, сера не более 0,02%, фосфор не более 0,02%. Химический состав стали 0Н9: углерод не более 0,06%, марганец 0,3-0,6%, кремний 0,15-0,3%, никель 8,5-9,5%, сера не более 0,02%, фосфор не более 0,02%. Свариваемость перечисленных выше сталей достаточно хорошо изучена, для сварки этих сталей используются различные способы сварки, в том числе и ручную электродуговую, и сварочные материалы двух типов: аустенитные и ферритные. Одной из специфических особенностей сварки никелевых сталей является магнитное дутьё, затрудняющее процесс сварки на переменном токе. Для его устранения необходимо или размагничивать листы основного металла, подаваемые на сварку, или наводить дополнительное магнитное дутье в зоне сварки. Остаточная намагниченность листов не должна превышать 50 Гс. Возможно также применение для сварки переменного тока, для чего используются специальные источники питания или электроды. При сварке плавящимся электродом в инертной среде выявлена повышенная склонность к межваликовым несплавлениям, что связано с повышенным коэффициентом расплавления электрода и малым расплавлением основного металла. Устраняют этот недостаток изменением состава защитной газовой смеси. Другой спецификой сварных соединений никелевых сталей является различие механических свойств металла шва для разных пространственных положений сварки. Изменение условий кристаллизации металла шва при выполнении горизонтальных, вертикальных и потолочных швов и вызванное этим изменение ориентации зерен относительно оси швов приводят к увеличению прочностных характеристик. Практически для ручной дуговой сварки применяют только высоконикелевые аустенитные электроды, содержащие 60-70% никеля. Использование сварочных материалов с меньшим содержанием никеля приводит к образованию в металле шва у линии сплавления узкой зоны (шириной до 50 мкм) с мартенситной структурой. Следствием этого является охрупчивание сварного соединения, выявленное при испытаниях на ударный изгиб при -196°С образцов с надрезом по линии сплавления нескошенной кромки. Высоколегированные сварочные электроды обеспечивают хорошие показатели прочности и пластичности сварных соединений. При перемешивании основного и присадочного материала в зоне сплавления отсутствуют следы мартенсита. Наряду с этим достигаются близкие значения коэффициентов линейного расширения металла шва и основного металла в интервале температур от 0 до -196°С Последнее обеспечивает минимум внутренних напряжений в стенках резервуаров при рабочих температурах.
Никелевая сталь
Никель повышает также способность стали к улучшению (даже при больших сечениях изделий) и уменьшает чувствительность к перегреву, что очень важно для конструкционных сталей. Однако стали, содержащие более 4% Ni, склонны к образованию трещин при охлаждении, особенно в литом состоянии. У цементуемых никелевая сталь переход от цементованного слоя к ненауглероженной сердцевине более плавный, чем у углеродистых.
Скорость цементации этих сталей практически одинакова, но содержание углерода в поверхностном слое Н с. значительно меньше, и грубая цементитная сетка встречается очень редко. При длительных выдержках никель препятствует укрупнению зерна в цементованном слое. Никелевая сталь содержащие 0,5—1,0% Ni, отличаются повышенной коррозионной стойкостью при длительных выдержках в воде (в т. ч. и морской), в разбавленных солях и к-тах. Стали, содержащие 5—7% Ni, коррозионно-стойки в щелочах.
При введении в железоуглеродистый сплав до 30% Ni снижается теплопроводность, повышаются теплоемкость и температурный коэфф. линейного расширения. При большем содержании никеля теплопроводность увеличивается, а теплоемкость и температурный коэфф. линейного расширения уменьшаются. Если в углеродистой стали содержится 30% Ni, электропроводность минимальна, а магн. насыщение близко к нулю. Никелевая сталь отличается от углеродистой стали более высокой вязкостью при одинаковой прочности.
Если никель содержится более 20%, наблюдается увеличение пластичности при некотором уменьшении прочности. Свойства никелевая сталь в поперечном сечении такие же, как в продольном. Улучшают их термообработкой. Сталь марки 21H5A (0,18— 0,25% С; 0,3-0,62% Мn; 0,17-0,37% Si; не более 0,03% S; 0,03% Р; 0,3% Сr и 4,5—5,0% Ni) закаливают в масле при т-ре 780 ± 20° С и отпускают при т-ре 150—170° С, охлаждая на воздухе. После такой термообработки предел прочности на растяжение составляет 120 кгс/мм2, предел текучести 95 кгс/мм2, удлинение 9%, сужение 40%, ударная вяз-кость 5 кгс • м/см2, твердость 380— 440 НВ.
Стали марок никеля
Из стали марки 21Н5А изготовляют катаные, холоднотянутые и кованые прутки. Стали марок 0Н6 и 0Н9 содержат до 0,06% С; 0,45—0,60% Мn; 0,17-0,37% Si и соответственно 6,5—7,0 и 8,5—9,5% Ni. Сталь марки 0Н6 используют после двойной нормализации (950 ± ± 10 и 820 ± 10° С) и отпуска при 580 — 600° С в течение 2,5 — 3 ч, охлаждая на воздухе, или после закалки при температуре 820 ± ± 10° С в воде и отпуска при т-ре 580—600° С в течение 2,5—3 ч, также охлаждая на воздухе. Сталь марки 0Н9 используют только после двойной нормализации (т-ры 900 ± 10 и 790 ± 10° С) и отпуска при т-ре 550—580° С в течение 2,5—3 ч, охлаждение на воздухе. Прочность и пластичность стали марки 0Н9 при т-рах 20 и —196° С выше, чем стали марки 0Н6 .
Из стали марок 0Н6 и 0Н9 изготовляют изделия, эксплуатируемые под давлением при т-ре — 196° С. Сложнолегированные Н. с. используют в качестве конструкционных и инструментальных сталей, а также сталей с особыми физическими и химическими св-вами. Конструкц. хромоникелевая сталь (марок 20ХН, 45НХ и 12 ХНЗА) отличается высокой твердостью, прочностью и ударной вязкостью.
В инструментальных хромоникелевых сталях (марок 5ХНМ и 5ХНВ) никель уменьшает критическую скорость охлаждения, увеличивая прокаливаемость, а хром, как карбидо-образующий элемент, повышает износостойкость. Для устранения отпускной хрупкости в эти стали обычно вводят молибден (0,4%) и вольфрам (до 1%). Жаропрочные и коррозионностойкие хромоникелевые стали (марок 12Х18Н9Т, 10Х17Н13МЗТ и 03Х16Н15МЗБ) дополнительно легируют титаном, молибденом, ниобием и бором. Из сложнолегированных Н. с. изготовляют арматуру печей, трубы, сопловые лопатки, муфели и др. изделия.
Читайте также: