Нержавеющие стали

Щелевая коррозия

     При наличии таких факторов как уменьшенная  кислотность или снижению атмосферного воздействия, пассивирующий слой, защищающий сталь от коррозии может разрушиться. Этот износ может также зависеть от механического изготовления частей, под прокладками, в острых углах, или при неполноценном сваривании. Такие щели могут способствовать коррозии, если их размер позволяет проникновению корродирующего веществ. Механизм щелевой коррозии, подобен питтинговой коррозии, хотя это случается в более низких температурах.

Коррозионное  растрескивание металлов

     Коррозионное  растрескивание металлов - быстрая  и серьезная форма коррозии нержавеющих  сталей. Она образуется, когда материал подвергнут растягивающему напряжению в некоторых видах коррозийных окружающих средах, особенно солесодержащие окружающие среды (морская вода) в более высоких температурах. Напряжения могут быть результатом рабочих нагрузок, или могут быть вызваны при обработки или остаточных напряжений от изготовления (холодной обработки); остаточные напряжения могут быть уменьшены отжигом (нормализацией). Это ограничивает применение нержавеющей стали для сред содержащих воду с повышенным содержание солей при температурах более чем 50 оС. Коррозионное растрескивание металлов проявляется только в аустенитных нержавеющих сталях и зависит от содержание никеля.

Коррозионно-усталостное  разрушение металлов

     Коррозионно-усталостное  разрушение металлов – главный видов  отказа в нефтедобывающей промышленности, где сталь входит в контакт с жидкостями или газами со значительным сероводородом содержание, например высокосернистый газ. Находящейся под влиянием растягивающих напряжение и ухудшаются в присутствии солей ионов. Очень высокие уровни сероводородом, очевидно, замедляют коррозию. Повышение температуры увеличивает влияние солей ионов, но уменьшает влияние серы, в результате увеличенной подвижности ионов через кристаллическую решетку, наиболее критический температурный диапазон для коррозионно-усталостное разрушение металлов – между 60 - 100 оС.

Гальваническая  коррозия

     Гальваническая  коррозия происходит, когда гальваническая пара сформирована между двумя разнородными металлами. Результирующий электрохимический  потенциал ведет к формированию электрического тока, что приводит к электролитическому распаду менее благородного материала. Этот эффект может быть предотвращен электрической изоляцией материалов, например используя резиновые или пластмассовые втулки или шайбы, сохраняющие детали сухими так чтобы не было никакого электролита, для образования пары или сохранения размера менее благородного материала относительно более благородного (нержавеющие - стальные болты в алюминиевом блоке не будут вызывать коррозию, но алюминиевые заклепки в нержавеющем стальном листе быстро корродирует.)

Контактная  коррозия

     Контактная  коррозия - это комбинация гальванической коррозии и щелевой коррозии, возникающих  там где мелкие частицы постороннее  вещество внедряются в нержавеющую  сталь. Углеродистая сталь - является типичным загрязнителем в данном случае, это явление обусловлено истиранием углеродистой стали или использование инструмента загрязненного частицами углеродистой стали. Частицы формируют гальваническую пару, и быстро корродируют и могут оставлять впадины в нержавеющей стали, от которых питтинговая коррозия может быстро прогрессировать. Некоторые мастерские поэтому имеют отдельные участки и отдельные наборы инструментов для обработки углеродистой стальной и нержавеющей стали, и тщательно должен быть осуществлен контроль чтобы предотвратить прямой контакт между нержавеющими стальными частями и углеродистыми стальными стойками хранилища. Частицы углеродистой стали могут быть удалены от загрязненной детали раствором азотной кислоты, или, солями со смесью фтористоводородная кислоты и азотной кислоты.

     Понятие межкристаллитной коррозии (МКК) и способы борьбы сней. 
          Нагрев сталей, содержащих большое количество хрома, в интервале 400-800°С приводит к выделению в пограничных зонах зерен карбидов хрома Cr₂₃C₆ и обеднению в связи с этим указанных зон хромом ниже 12%-ного предела. Это вызывает снижение электрохимического потенциала пограничных участков аустенитного зерна и их растворение в коррозионной среде. Коррозионное разрушение имеет межкристаллитный характер, приводиткохрупчиваниюстали,иназываетсямежкристаллитнойкоррозиейМКК).Для уменьшения склонности сталей к МКК в их состав вводят сильные карбидообразующие элементы – титан или ниобий – в количестве, равном пятикратному содержанию углерода. В этом случае образуются карбиды типа TiC и NbC, а хром остается в твердом растворе. Этот способ борьбы с МКК является наиболее дорогим. Другим, более дешевым и распространенным, способом борьбы с МКК является производство нержавеющих сталей с минимальным (менее 0.4%) содержанием углерода (С). В таких сталях (пример, AISI 304, 304L, 316, 316L) образование карбидов хрома Cr₂₃C₆ резко ограничено из-за отсутствия углерода. Добавление в стали типа AISI 316Ti небольшого количества титана (Ti) вызвано необходимостью придания стали специальных потребительских свойств

Типы  нержавеющей стали

     Нержавеющие стали разделяют  на две группы: хромистые  и хромоникелевые. 
Хромистые коррозионностойкие стали применяют трех типов: с 13, 17 и 27%хрома. 
При этом содержание углерода в сталях с 13% хрома может меняться в зависимости от требований. Стали с низким содержанием углерода (08Х13, 12Х13) пластичны, хорошо свариваются и штампуются. Их применяют для изготовления деталей, испытывающих ударные нагрузки (клапаны гидравлических прессов) или работающих в слабоагрессивных средах (лопатки гидравлических и паровых турбин и компрессоров). Рабочая температура до 450градусов Цельсия. Стали 30Х13 и 40Х13 обладают высокой твердостью и повышенной прочностью. Эти стали используют для изготовления карбюраторных игл, пружин, хирургических инструментов. Высокохромистые стали (12Х17, 15Х25Т, 15Х28) обладают более высокой коррозионной стойкостью и часто используются как окалиностойкие. Легирование титаном (15Х25Т) необходимо для повышения сопротивляемости межкристаллитной коррозии (см. таблицу 2). Сталь 08Х17Т жаростойка до 900 градусов Цельсия и применяется в теплообменниках. Хромоникелевые нержавеющие стали в зависимости от структуры подразделяются на аустенитные, аустенито-мартенситные и аустенито-ферритные. Структура этих сталей зависит от содержания углерода, хрома, никеля и других элементов. Такие стали используются в машиностроении, химической промышленности, пищевой промышленности, ракетостроении, судостроении, медицине и авиации. Ниже приводится описание свойств наиболее популярных импортных хромоникелевых сталей (химический состав каждой стали можно посмотреть в таблице, которая также приведена на нашем сайте).Имеются различные типы нержавеющих сталей: например когда добавлен никель, что стабилизирует аустенитную структуру железа. Эта кристаллическая структура делает такие стали не магнитными и менее ломким при низких температурах. Для повышения твердости и прочности, добавлен углерод. Когда при условии соответствующих высоко температурной обработке эти стали, используются для лезвий бритв, столовых приборов, инструмента и т.д. Существенное количества марганца используется во многих нержавеющих стальных составах. Марганец сохраняет аустенитную структуру в стали, как это делает никель, но по более низкой стоимости.

Нержавеющие стали также классифицируются по их кристаллической структурой:

     Наиболее распространенными являются  три:

• - Аустенитные (Austenitic) - не магнитная сталь с основными составляющими 15-20% хрома и 5-15% никеля который увеличивает сопротивление коррозии. Она хорошо подвергается тепловой обработке и сварке. Обозначаются начальной буквой A. Именно аустенитная группа сталей наиболее широко используется в промышленности и в производстве элементов крепежа.

  Аустенитные нержавеющие стали включают более чем 70 % полного нержавеющего стального производства. Они содержат максимум углерода 0,15 %, минимум 16 % хрома и достаточного никеля и/или марганца, чтобы сохранить аустенитную структуру при всех температурах от криогенной области до точки плавления сплава. Типичный состав - 18 % хрома и никель 10 %, обычно известный, как 18/10 нержавеющая сталь часто используется в столовых приборах. Точно также 18/0 и 18/8 имеются в наличии. “Супер аустенитные” нержавеющие стали, типа сплава AL-6XN и 254SMO, оказывают большое сопротивление питтинговой и щелевой коррозии из-за высокого содержания молибдена (> 6) % с добавлением азота, а более высокое содержание никеля гарантирует лучшее сопротивление коррозионное растрескивание металлов по 300 ряду. Более высокое содержание сплава "Супер аустенитные" сталей означает, что они – очень дорогостоящие и подобное выполнение, может обычно быть достигнута, используя двойные стали при меньших затратах. Основным преимуществом сталей аустенитного класса являются их высокие служебные характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и хорошая технологичность. Поэтому аустенитные коррозионностойкие стали нашли широкое применение в качестве конструкционного материала в различных отраслях машиностроения. К данному классу относятся стали 300 серии.

• Ферритные (Ferritic) стали значительно более мягкие чем мартенситные по причине малого содержания углерода. Они также обладают магнитными свойствами. Обозначаются начальной буквой F.

Ферритная нержавеющая сталь – высоко коррозионно стойкая, но гораздо менее надежная, чем аустенитного класса и не могут быть упрочнены высоко температурой обработкой. Они содержат от 10,5 % и 27 % хрома и очень небольшое количество никеля, если это имеет место. Большинство составов включает молибден; некоторые, алюминий или титан. Вообще типичный ферритный класс включает 18Cr-2Mo, 26Cr-1Mo, 29Cr-4Mo, и 29Cr-4Mo-2Ni. Эти стали применяют для изготовления изделий, работающих в окислительных средах (например, в растворах азотной кислоты), для бытовых приборов, в пищевой, легкой промышленности и для теплообменного оборудования в энергомашиностроениии. Ферритные хромистые стали имеют высокую коррозионную стойкость в азотной кислоте, водных растворах аммиака, в аммиачной селитре, смеси азотной, фосфорной и фтористоводородной кислот, а также в других агрессивных средах. К этому виду относятся, стали 400 серии.

• - Мартенситные (Martensitic) - значительно более твердые чем аустетнитные стали и могут быть магнитными. Они упрочняются, закалкой и отпуском подобно простым углеродистым сталям, и находят применение главным образом в изготовлении столовых приборов, режущих инструментов и общем машиностроении. Больше подвержены коррозии. Обозначаются начальной буквой С.

  Мартенситные нержавеющие стали не такие коррозионно стойкие как другие два класса, но чрезвычайно прочные и упругие также хорошо подвержены обработки резанием, и могут быть упрочнены высоко температурой обработкой. Мартенситные нержавеющие стали содержат хрома (12 – 14) %, молибдена (0,2 – 1) %, и отсутствует никель, и приблизительно 0,1 - 1% углерода (предающее большее прочностные свойства, но делающее материала немного более ломким). Они закаленные и магнитные. Такая сталь также известна как "серия - 00" сталь. Мартенситные и мартенситно-ферритные стали обладают хорошей коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в слабоагрессивных средах (в слабых растворах солей, кислот) и имеют высокие механические свойства. В основном их используют для изделий, работающих на износ, в качестве режущего инструмента, в частности ножей, для упругих элементов и конструкций в пищевой и химической промышленности, находящихся в контакте со слабоагрессивными средами. К этому виду относятся, стали типа 30Х13, 40Х13 и т. д.

Аустенито-ферритные и аустенито-мартенситные стали

     Аустенито-ферритные  стали. Преимущество сталей этой группы — повышенный предел текучести по сравнению с аустенитными однофазными сталями, отсутствие склонности к росту зёрен при сохранении двухфазной структуры, меньшее содержание остродефицитного никеля и хорошая свариваемость. Аустенито-ферритные стали находят широкое применение в различных отраслях современной техники, особенно в химическом машиностроении, судостроении, авиации. К этому виду относятся, стали типа 08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т, 08Х18Г8Н2Т. Аустенито-мартенситные стали. Потребности новых отраслей современной техники в коррозионностойких сталях повышенной прочности и технологичности привели к разработке сталей аустенито-мартенситного (переходного) класса. Это стали типа 07Х16Н6, 09Х15Н9Ю, 08Х17Н5М3.

Сплавы  на железоникелевой  и никелевой основе.

     При изготовлении химической аппаратуры, особенно для работы в серной и  соляной кислотах, необходимо применять сплавы с более высокой коррозионной стойкостью, чем аустенитные стали. Для этих целей используют сплавы на железноникелевой основе типа 04ХН40МТДТЮ и сплавы на никельмолибденовой основе Н70МФ, на хромоникелевой основе ХН58В и хромоникельмолибденовой основе ХН65МВ, ХН60МБ.

- Нержавеющие стали, выплавленные дуплекс-процессом имеют смешанную микроструктуру аустенита и феррита, цель производства 50:50 соединения хотя в промышленных сплавах, соединение может быть 60:40. Двойная сталь улучшила прочность по аустенитным нержавеющим сталям и также улучшила сопротивление локализированной коррозии особеннo питтинговой, щелевой коррозии и коррозионное растрескивание металлов. Такие стали характеризуются высоким содержанием хрома и более низким содержанием никеля, чем аустенитные нержавеющие стали. Виды сталей наиболее распространенной аустенитной группы обозначаются дополнительным номером, который указывает на химический состав и применяемость в пределах этой группы:

A1- используется, как правило, в механических и подвижных узлах. Из-за высокого содержимого серы стали этого типа менее всего способны сопротивлению коррозии, чем другие типы. A2 - нетоксичная, немагнитная, незакаливаемая, устойчивая к коррозии сталь. Легко поддается сварке и не становится при этом хрупкой. Может проявлять магнитные свойства в результате механической обработки (шайбы и некоторые виды шурупов). Наиболее распространенная группа нержавеющих сталей. Крепеж и изделия из стали A2 не подходят для использования в кислотах и средах содержащих хлор (например, в бассейнах и соленой воде). Пригодна для температур вплоть до -200 C. Ближайший аналог AISI 304 и AISI 304L с еще более низким содержанием углерода. A3 - имеет похожие свойства, как и сталь A2 и дополнительно стабилизирована титаном, ниобием или танталом. Это улучшает ее сопротивление коррозии при высоких температурах. A4 - похожа на стали A2, но с добавлением 2-3% молибдена. Это делает ее в значительной степени более способной сопротивляться коррозии и кислоте. Крепеж и такелажные изделия из A4 рекомендуются для использования в судостроении. Пригодна для температур вплоть до -60 C. Ближайший аналог AISI 316 и AISI 316L с низким содержанием углерода. A5 - имеет свойства сталей A4 и дополнительно стабилизирована титаном, ниобием или танталом как и A3, но с различным процентным содержанием легирующих добавок. Это также повышает ее сопротивляемость высоким температурам. 
 

Обоснование выбора материала

      Изделия из нержавеющей стали имеют массу  достоинств — они не требуют дополнительного  ухода и специальных условий содержания, сохраняют механическую прочность при высоких температурах, гигиеничны и долговечны. В общем, нержавеющая сталь оказалась очень практичным материалом, пригодным для использования в сферах человеческой деятельности. Эти свойства были оценены по достоинству, и нержавеющую сталь стали применять в самых разных отраслях промышленности. Сразу же она нашла применение в оружейной промышленности — из нее изготавливались дула ружей и множество деталей. В 1930-ые годы нержавеющая сталь широко использовалась в самолетостроении. Особенно активно разрабатывались технологии производства такой стали в Советском Союзе. В 1929 году в СССР создается Центральный научно-исследовательский институт машиностроения и металлообработки. Институт планомерно занимается разработкой производства стали и изделий из неё. Производимая сталь использовалась в первую очередь для военных нужд, однако при этом находила применение даже для создания монументальных произведений искусства. Например, из хромоникелевой нержавейки изготовлена скульптурная группа «Рабочий и колхозница» В. И. Мухиной (символ СССР на международной выставке в Париже). Нержавеющая сталь использовалась для изготовления звезд, засиявших к 20-й годовщине Октябрьской революции на пяти самых высоких башнях Кремля. Тогда же конструкторское бюро под руководством А. Путилова занимается организацией холодного проката нержавеющей стали для создания самолетов. Для серийного производства самолетов строятся специальные заводы, на которых активно применяются технологии производства нержавеющей стали. В 1940-е годы нержавеющая сталь используется исключительно в интересах военной промышленности. Выпускаются танки, самолеты, подводные лодки, пушки, военная техника и амуниция. В СССР в это время все запасы стали уходят на изготовление оружия и военной техники. В Великобритании начинается производство нержавеющей стали с высоким содержанием никеля и титана, которая используется для производства деталей авиационных газотурбинных двигателей. После войны нержавеющая сталь применяется и в других отраслях производства. Прежде всего, это нефтехимическая и машиностроительная отрасли. В западных странах нержавеющая сталь превратилась также в материал для производства потребительских товаров и бытовой техники. Тогда же нержавейка начала применяться и в строительстве — из нее создавались различные конструкции: крыши, облицовка фасадов, перила, ручки и прочее. Также нержавейка стала материалом при изготовлении различных архитектурных украшений, лестниц. В 1960-1970 годах нержавеющая сталь на западном рынке закрепляет свои позиции в автомобильной, энергетической и строительной отраслях. Сегодня сферы применения нержавеющей стали самые разнообразные - от использования в прокладке трубопроводов, до производства бойлерных труб. Нержавеющая сталь относится к износоустойчивым материалам, поэтому используется в зданиях, где предполагается высокая эксплуатационная нагрузка: в супермаркетах, торговых центрах, вокзалах и т. д. Нержавеющая сталь применяется в строительстве зданий, при создании лифтов и дверей, а также разных элементов конструкции домов. Отдельные виды нержавеющей стали – применяются для создания посуды, бытовой техники, столовых приборов, медицинских инструментов. Наряду с драгоценными металлами и специальными сплавами, нержавеющая сталь используется в производстве монет. В химической промышленности используются цистерны и баки, трубы и арматура, изготовленные из нержавеющей стали. Огромным потребительским спросом пользуется нержавеющая сталь в транспортной отрасли. Здесь нержавеющую сталь используют практически повсеместно. Нержавеющую сталь используют во всех сферах деятельности человека, начиная от тяжелого машиностроения, заканчивая электроникой и точной механикой. Наиболее большее применение она нашла в: строительстве и архитектуре; промышленности; бытовых приборах; химической и нефтехимической промышленности; бумажном производстве; электроэнергетике; охране окружающей среды; транспортном машиностроении. Хромистые нержавеющие стали: клапаны гидравлических прессов; турбинные лопатки; арматура крекинг установок; режущий инструмент; пружины; бытовые предметы. Хромоникелевые и хромомарганцевоникелевые нержавеющие стали: бытовые предметы, в частности столовая посуда (пищевые марки стали). Стабилизированные Аустенитные нержавеющие стали: сварная аппаратура, изделия, работающие при высоких температурах 550800°С, пищевая промышленность;