Нержавейка это легированная сталь

Обновлено: 29.04.2024

Для начала необходимо определить, какие стали называются легированными. Нержавеющая сталь легированная – это сплав, в составе которого, наряду с железом и углеродом, присутствуют дополнительные элементы (Cr, Si, Ni, Mn и др.). Эти легирующие добавки стали положительно влияют на физико-химические характеристики металла. Благодаря легированию расширяется спектр применения нержавеющего металла.

Классификация легированных сталей

Исходя из процента легирующих элементов в составе, нержавеющая сталь подразделяется на следующие классы:

Низколегированная сталь (менее 2,5 %)
Среднелегированная сталь (2,5 – 10%)
Высоколегированная сталь (более 10%)

В качестве вспомогательных компонентов для низколегированных сталей обычно используется никель, молибден и хром. Одни из самых распространенных марок стали этой группы: 13Х (используется для изготовления ювелирного, гравировального и хирургического оборудования), жаропрочная конструкционная низколегированная сталь 12Х1МФ (применяется в производстве трубопроводов, фланцев, деталей цилиндров и др.) Свойства низколегированных сталей позволяют снизить вес конструкций, сэкономить металл за счет высокого предела текучести, повысить эксплуатационные характеристики конечного изделия.

В состав среднелегированной стали может входить никель, вольфрам, молибден, ванадий. Термическая и механическая обработка позволяет достичь оптимального соотношения прочности, вязкости и пластичности. Среднелегированная сталь незаменима в машиностроении, судостроении, для изготовления различных деталей (сверла, развертки и т.д.) Например, такие популярные марки как 9Х5ВФ, 8Х4ВЗМЗФ2 прокаливаются при более высоких температурах, чем низколегированные стали, они более долговечные и прочные.

Основные добавочные элементы высоколегированных сталей – хром и никель. Благодаря их высокому содержанию металл получает такие уникальные свойства как: резистентность к экстремальным температурам, коррозионная стойкость, жаропрочность. Высоколегированная нержавеющая сталь обязана своими исключительными характеристиками не только химическому составу, но и последующей обработке. Например, сталь марки 12Х18Н10Т, устойчивая к азотной кислоте и другим агрессивным воздействиям, идеально подходит для сварных конструкций; сталь 08Х14МФ используется для производства нержавеющих труб, оборудования пищевой промышленности.

Помимо классификации по содержанию легирующих элементов, легированная сталь различается по структуре (перлитная, мартенситная, аустенитная, ферритная, карбидная), по назначению (особого назначения, конструкционные, инструментальные) и по другим параметрам.

Маркировка легированных сталей

Обозначение легированных сталей осуществляется при помощи букв и цифр, которые указывают на состав сплава. Буквы соотносятся с химическими элементами, входящими в состав легированной стали, а цифры – с их содержанием в процентах. Для расшифровки химического состава легированных сталей можно использовать эту таблицу:

Маркировка	Элемент
Х	Cr – хром
Н	Ni – никель
М	Mo – молибден
С	Si – кремний
Г	Mn – марганец
В	W – вольфрам
Т	Ti – титан
Ю	Al – алюминий
Д	Cu – медь
Б	Nb – ниобий
К	Co — кобальт

Цифры, стоящее в начале марки, показывает среднее содержание углерода (одна цифра – десятая доля процента, две – сотая), а если марка начинается с буквы, то содержание углерода – 1% или выше. Например, 18ХГТ состоит из 0,18% углерода, и примерно по 1% приходится на хром, марганец и титан; 2Х17Н2 – 0,2% углерода, 17% хрома и 2% ниобия. Иногда в маркировке стали встречаются и вспомогательные обозначения (русская буква в начале марки): Р – быстрорежущая, Э – электротехническая, А – автоматная, I – шарикоподшипниковая и т.д.

Обратите внимание на то, что не существует универсальной системы обозначения марок стали. Российские марки нержавеющей стали (ГОСТ) имеют зарубежные аналоги: европейские (EN), американские (AISI), немецкие (DIN).

Свойства и назначение легированных сталей

Наличие легирующих элементов и последующая обработка обеспечивают стали ряд уникальных физико-химических свойств:

Жароустойчивость
Износостойкость
Пластичность
Коррозионная устойчивость
Прочность и многие другие.

Благодаря этому легированные стали активно используются для выполнения различных технических задач практически во всех промышленных сферах: медицинское оборудование и инструменты, емкости и оборудование в пищевой промышленности, валы, шайбы, коробки передач, узлы, конструкционные элементы в строительстве и машиностроении т.д.

Легированная (нержавеющая) сталь: марки стали и их характеристики

Нержавеющая сталь – это разновидность легированной стали, устойчивость к коррозии которой достигается за счет содержания не менее 10,5% хрома и низкого содержания углерода. В присутствии кислорода образуется оксид хрома, который создает на поверхности стали инертную пленку, защищающую все изделие от неблагоприятных воздействий. Легированная (нержавеющая) сталь отличается высокими характеристиками коррозионной стойкости, устойчивости к агрессивным средам, пластичности и прочности. Она применяется для производства самой разнообразной продукции – от медицинских инструментов до крупных строительных конструкций.

"Нержавейка" - это обобщенное название сталей с повышенной стойкостью к коррозии, но не каждая марка нержавеющей стали демонстрирует равную устойчивость хромоксидной пленки к механическим и химическим повреждениям. Под разные задачи путем комбирирования легирующих элементов и их % состава, были разработаны специальные марки нержавеющей стали и сплавов. Классификация нержавеющих сталей немного отличается в зависимости от стран, но в целом схожа и построена на одних принципах. Исходя из химического состава, свойств и внутренней структуры металла выделяют такие типы:

Ферритные. Данная группа сталей характеризируется высоким содержанием хрома, обычно более 20%. Поэтому иногда этот тип называют хромистым. Такой химический состав способствует высокой устойчивости к агрессивной внешней среде. Сплавы этой группы обладают магнитными свойствами. Стали ферритной группы относительно дешевые, широко используются в промышленности, уступая лишь аустенитным.
Аустенитные. Группа противокоррозионных сплавов, которые отличаются высоким содержанием хрома и никеля. За счет этого они отличаются повышенной прочностью и гибкостью в сравнении с аналогами. Также легко поддаются сварке и устойчивы к коррозии. Наиболее широко используемые в промышленности. Относятся к немагнитным металлам.
Мартенситные. Особый тип нержавеющих сплавов. Отличается повышенной прочностью и износоустойчивостью. Не подвержены воздействию высоких температур, при этом содержат минимальную часть вредных компонентов, которые не выделяют паров при интенсивном нагреве. К этой группе относят жаропрочную коррозионностойкую сталь.
Комбинированные. Особый тип стали, комбинирующий свойства вышеуказанных групп. Такие инновационные стали разрабатываются индивидуально в зависимости от требуемых заказчиком свойств. На сегодняшний день выделяют аустенитно-ферритные и аустенитно-мартенситные стали.

Российский рынок металла предлагает различные марки нержавеющей стали для применения в нефтегазовой, химической, пищевой, энергетической и др. отраслях промышленности и представлен несколькими крупными "игроками", такими как ГК “ФЕРРИТ”, металлоторговая компания “Континенталь”, группа компаний “Илеко”, “Глобус-Сталь” , которых ООО "Инициатива" может рекомендовать исходя из опыта поставок, и множеством мелких компаний. Ниже приведены марки нержавеющей стали, наиболее часто используемые в химическом машиностроении (российские марки стали и их зарубежные аналоги :

08Х13, (0Х13 ЭИ496, AISI 409) – это сталь удачно сочетает сразу несколько важных параметров, такие как высокая прочность и хорошие механические свойства, повышенная устойчивость к воздействию климатической коррозии легкость обработки, пластичность, возможность использовать для обработки несколько вариантов – вытяжку, штамповку, перфорацию. При этом данная сталь имеет серьёзные ограничения по применению - из неё производят изделия, не испытывающие в процессе своей эксплуатации ударные нагрузки, а также воздействие низких температур, например, внутренние устройства колонн.

12Х15Г9НД (AISI 201) - предоставляет значительно более выгодное соотношение цена-качество по сравнению с аналогичными по свойствам классическими марками нержавейки, так как в ней дорогой никель частично заменен на марганец и азот. Выгодно сбалансированный химический состав делает характеристики нержавейки AISI 201 не уступающими AISI 304 и AISI 321 и постепенно догоняет их по популярности. При Т>1260°С легко поддается ковке и высадке. Поковки можно охлаждать на воздухе. В холодном состоянии обрабатывается также легко . Очень прочная и пластичная при глубокой вытяжке, изгибе, штамповке и высадке. Деформационно упрочняется при холодной обработке подобно сталям типа 12Х18Н10Т. Без затруднений сваривается дуговой сваркой с использованием защитной атмосферы. Данная сталь нашла свое применение в медицинской и пищевой промышленности. Используется также при изготовлении круглых и профильных труб, которые требуются для создания перил, поручней и ограждений.

08Х18Н10, 08Х18Н9 (AISI 304) - наиболее распространённая и востребованная во всех отраслях промышленности, эта нержавейка снискала славу «пищевой», так как её химический состав и свойства делают ее наиболее подходящей для применения в пищепроме. Отличается высокой прочностью, упругостью, легко поддается сварке, показывает высокие характеристики коррозийной стойкости в агрессивных средах. Эту сталь часто выбирают для химической, фармацевтической, нефтяной и текстильной промышленности.

10Х17Н13М2 (AISI 316) – улучшенный вариант AISI 304 за счёт добавления молибдена, что повышает антикоррозионную устойчивость и способность к сохранению свойств в агрессивных кислотных средах, а также при высоких температурах. Находит применение в химической, нефтегазовой и судостроительной промышленности.

10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т (AISI 316Тi) - эта марка стали нержавейки по сравнению с AISI 316 дополнительно легирована небольшим количеством титана, повышающего прочность материала, делающего его устойчивым к высоким температурам, а также к ионам хлора. Используется в сварных конструкциях, для изготовления лопастей газовых турбин, в пищевой и химической промышленности.

12-08Х18Н10Т (AISI 321) Нержавеющая сталь, характеристики которой обусловлены присутствием в химическом составе титана. Легко поддается сварочной обработке, устойчива к температуре до 800°С. Широко востребована для изготовления бесшовных труб, а также трубопроводных фитингов — фланцев, тройников, отводов и переходов.

06ХН28МДТ (.0Х23Н28М3Д3Т ЭИ943, AISI 904L) – сплав данной марки оптимально подходит для создания сварных конструкций, которые будут в дальнейшем эксплуатироваться при температурах до 80 °С в серной кислоте различных концентраций, за исключением 55 %-ной уксусной и фосфорной кислот.

20X23H18 (AISI 310S) - жаропрочная нержавеющая сталь хорошо поддается формоизменению и имеет хорошую свариваемость, что обуславливает ее широкое применение в производстве. AISI 310S обладает так же свойствами устойчивости к окислению в силу особенностей состава и повышенной жаропрочностью, так как выдерживает высокие температуры в различных средах. Из нее изготавливают различное оборудование для химической и нефтяной промышленности: установки для конверсии метана, пиролиза, газопроводы, камеры сгорания, а также для производства нагревательных элементов.

12Х17 (AISI 430) - это нержавейка с высоким процентом хрома и низким – углерода, что способствует высокой прочности и одновременно пластичности. Является экономичным вариантом коррозийнностойкого материала, идеален для штамповки, деформации и перфорации, хорошо гнется и сваривается. Данная сталь сохраняет свои свойства в коррозионно опасных и серосодержащих средах, устойчива к резким перепадам температуры. Используется в нефтегазовой промышленности, а также в качестве декоративного материала для отделки зданий и помещений.

Нержавейка это легированная сталь

Нержавеющая сталь коррозионно-стойкие свойства

Нержавеющая сталь фактически представляет виды материала, эффективно стойкого относительно коррозии за счёт легирования различными легирующими элементами. Между тем, коррозионно-стойкие структуры способны «корродировать» под воздействием различных веществ. Соответственно, термин «нержавеющие» следует рассматривать для всей группы таких материалов, легированных хромом с целью получения коррозионно-стойких свойств.

Типы нержавеющих сталей + применяемые легирующие элементы

Для легирования используются разные химические элементы, в частности:

хром (Cr),
углерод (C), ,
ниобий (Ni),
азот (N),
молибден (Mo),
тантал (Ta).

Нержавеющие стали фактически представляют сплавы железа, хрома, никеля, марганца, молибдена, титана, ниобия, углерода и других сплавов. Нержавеющие стали условно разделяют на три основные группы:

Легированные хромом.
Легированные хромом и никелем.
Мартенситные.

Эти группы характеризуются содержанием углерода от 0,1% до 1,0%. Содержание хрома отмечается диапазоном 13% — 18%. Так называемые мартенситностареющие структуры подвергаются закалке на воздухе. Такой материал невозможно сваривать без предварительного нагрева и последующего отпуска.

Структура, однако, является сфероидизируемой. В этом состоянии допустима обработка резанием. По сути, являясь машинными, этот тип нержавеющих сталей обладает значительной прочностью в термически обработанном состоянии. Также отмечается повышенная стойкость к коррозии. Применяются, как правило, для деталей машин, подверженных коррозии, например:

зубчатые шестерни,
валы и ножи,
клапаны и оси.

Что такое сфероидизация нержавеющих сталей?

Структуры с большим содержанием цементита (легированные стали с большим содержанием карбидов) трудно сваривать только холодной деформацией и резкой. Это обусловлено высокой твёрдостью и пластинчатым образованием карбидов.

При ковке или сварке, когда материал нагревается до температуры выше 800-900°C, структура превращается в образование с пластинчатым перлитом и карбидами по границам зёрен. Очевидным становится значительный износ режущего инструмента.

Нержавеющая сталь сфероидизируется при температуре ниже температуры 723°C. Сфероидизация – это, по сути, превращение пластин карбида в шарообразные образования. Такая термообработка, обычно, характерна для производственных процессов сталелитейных заводов.

При обработке сфероидизированного материала твёрдые шарики вдавливаются в более мягкий ферритный основной материал. Твёрдость снижается, пластичность увеличивается.

Нержавеющая сталь ферритная легированная хромом

Этот тип характеризуется ферритным при всех температурах, если процентное содержание углерода и процентное содержание хрома уравновешены. Содержание хрома может варьироваться на уровне 12% — 30%. Если процентное содержание хрома составляет 27%, допускается содержание углерода до 0,25%. Если содержание хрома составляет 13%, процентное содержание углерода не должно превышать 0,05%.

Ферритные материалы труднее сваривать, чем аустенитные, поскольку существует риск образования трещин в зоне термического влияния по причинам образования зерна. Образование крупных зёрен невозможно предотвратить термической обработкой, поскольку налицо ферритная структура при высоких температурах.

Типичное производство так называемых ферритных нержавеющих сталей, достаточно широко применяемых в народном хозяйстве

Небольшие количества ванадия и молибдена способны противодействовать образованию крупных зёрен. Эти структуры невозможно упрочнить мартенситно, но вполне возможно повысить прочность холодной деформацией. Материал подходит для деформации, и применяется в бытовой технике.

Несмотря на быстрое охлаждение, отмечается новое выделение карбида по причине оптимальных условий для диффузии в кубическом центрированном пространстве решётки. Однако если термообработка происходит при температурах 700°C — 800°C, концентрация остаточного количества хрома в кристаллах α сбалансирована. Стабилизация сталей титаном и ниобием может снизить склонность ферритных сталей к межкристаллитной коррозии.

Другой способ избежать межкристаллитной коррозии — применение стали ELI, представляющей материал с очень низким содержанием углерода 0,003% и азота. Но при этом содержание хрома должно быть очень высоким, поскольку и углерод, и азот имеют аустенитный эффект.

Длительный нагрев до 550°C — 800°C ферритно-хромистых сталей с содержанием хрома более 20% вызывает эффект охрупчивания по причине образования так называемой сигма-фазы. Пластичность значительно снижается, а предел прочности на разрыв увеличивается. Эта фаза снимается путём нагревания до температуры более 800°C, после чего применяется быстрое охлаждение для предотвращения повторного явления этой фазы.

Ферритно-аустенитные нержавеющие стали

Этот тип нержавейки отличается легированием на уровне 18% — 26% хрома, 5% — 6% никеля, 0,03% — 0,15% углерода. Нержавейка такого типа легче сваривается по сравнению с чисто ферритным материалом, а коррозионная стойкость примерно равна нержавейке типа 18/8.

Этот тип материала демонстрирует значительно лучшую ударную вязкость, чем ферритные структуры, но при этом может оставаться хрупким. Некоторые отдельные типы в процессе сварки характеризуются образованием мартенсита. Этот тип материала отмечается хорошими литейными свойствами, поэтому часто используется для литья нержавеющих стальных изделий, к примеру, клапанов и аналогичных.

Аустенитные нержавеющие стали

Одна из первых производных нержавеющей стали прошла следующий анализ:

углерод 0,12%,
хром 18%,
никель 8%.

Продукт получил характеристику нержавеющая сталь 18/8. Именно из этой основе несколько позже были разработаны другие типы нержавеек. За счёт добавления до 5% молибдена вместе с повышенным содержанием никеля было достигнуто улучшение антикоррозионных свойств.

Этот вид нержавеющей стали считается однофазным, то есть материал является аустенитным при всех температурах, за исключением некоторых случаев образования дельтаферрита при высоких температурах.

Процент углерода в составе аустенитных нержавеющих сталей низкий, поскольку хром является очень сильным производителем карбида. Образование карбида хрома является нежелательным элементом многих нержавеющих сталей. Крайне сложно и дорого снижать содержание углерода до такого необходимого уровня.

Продукт — пружины металлические для механических систем, изготовленные на основе аустенитной нержавейки. Такие изделия используются повсеместно и в больших количествах

Поэтому нержавеющую сталь часто легируют титаном и ниобием, которые являются сильными генераторами карбида. Таким методом удаётся избежать образования карбидов хрома. Аустенитную нержавейку условно разделяют на четыре группы в соответствии с легирующим составом, в частности, в отношении процентного содержания углерода:

содержание до 0,10%,
содержание до 0,06%,
содержание до 0,03%,
содержание до 0,06%.

Углерод соединяется с титаном или ниобием, что предотвращает образование карбида хрома. Легирование молибденом улучшает коррозионные свойства против хлоридов и разбавленных кислот. Чтобы сохранить аустенитную структуру, при увеличении содержания молибдена необходимо повысить содержание никеля.

Свариваемость аустенитных нержавеющих сталей

Аустенитные нержавеющие стали легко свариваются без образования мартенсита в зоне термического влияния. Однако следует учитывать: аустенитные нержавеющие стали имеют низкую теплопроводность.

Этот параметр отмечается на уровне не выше 40% по сравнению с обычной стальной структурой. Коэффициент теплового расширения составляет приблизительно на 50% больше, чем для обычной структуры.

Эти условия характеризуют материал как склонный к напряжениям и деформациям. Если процентное содержание углерода достаточно велико, может происходить осаждение карбидов хрома, когда температура повышается и достигает диапазона 450°C — 800°C.

Осаждение происходит на границах зёрен аустенита, то есть области гамма-кристаллов рядом с карбидами хрома становятся «расщеплёнными». Таким образом, утрачивается коррозионная стойкость. Содержание углерода должно быть достаточно большим для образования карбидов хрома.

Так обстоит дело с упомянутыми выше группами 1 и 2, и поэтому эти типы нержавеек необходимо подвергать термообработке после процесса сварки, чтобы восстановить содержание хрома в аустенитных зёрнах.

Термообработку логично проводить при температурах 1000°C — 1100°C, когда карбиды хрома растворяются, и содержание хрома равномерно перераспределяется в гамма-кристаллах. Охлаждение до температуры ниже 400°C следует выполнять очень быстро, чтобы избежать повторного образования карбидов.

Даже при такой высокой температуре термообработки аустенитная нержавеющая сталь не очень склонна к росту зерна. При работе с большой конструкцией, когда такого рода термообработка невозможна, необходимо выбирать нержавеющую сталь ELC группы 3. Этот материал имеет очень низкое содержание углерода и, следовательно, не образует карбидов.

Стабилизированная нержавеющая сталь + свариваемость

Стабилизированные нержавеющие стали также допустимо сваривать без последующей термической обработки. Нержавеющая сталь может быть легирована:

титаном,
никелем,
хромом,
танталом.

Эти элементы потребляют углерод и делают невозможным образование карбида хрома. Из-за трудностей вышеупомянутой термической обработки, свариваемые нержавеющие стали не требуют термической обработки после сварки (группа 4, где содержание углерода менее 0,1%). Эти нержавеющие стали также подходят для применения при более высоких температурах.

При легировании стабилизаторами: титаном или ниобием, образуются стабильные карбиды, предотвращающие образование нежелательных карбидов хрома. Количество стабилизаторов зависит от содержания. Содержание титана должно быть в 10 раз больше содержания углерода, тогда как содержание тантала, которое обычно заменяет часть содержания ниобия, должно быть в 20 раз больше содержания углерода.

Титан не используется в наполнителе, так как легко окисляется и образует оксид титана. Наполнитель обычно стабилизируется ниобием. Титан имеет важные экономические преимущества, тем не менее, считается менее активным, чем ниобий. Недостатком титана является долгий процесс полировки, если требуется получить полностью гладкую поверхность.

Обычное производство пластин и профилей приводит к соединению углерода в карбид титана, так что нержавеющие стали обычно устойчивы к межкристаллитной коррозии. Стабилизированные нержавеющие стали выгодны для конструкций, работающих под высоким давлением и в условиях высоких температур.

Предел ползучести и предел прочности при высоких температурах для таких материалов лучше, чем у нестабилизированных нержавеющих сталей. Стабилизированные нержавеющие стали также более устойчивы к межкристаллитной коррозии при температурах выше 400°C. Когда стабилизированные нержавеющие стали отжигаются в течение нескольких часов и медленно охлаждаются, образования карбидов хрома не отмечается.

Читайте также: