нержавеющая сталь

Нержавеющие стали

Согласно экспертным оценкам, в течение года потери металла от коррозионных явлений в различных отраслях составляют до 30% от производимого в России металлопроката. Особенно велики такие потери  для деталей трубопроводов и внешних металлоконструкций. Антикоррозионная защита стальных деталей путём их окраски или нанесения поверхностного защитного покрытия  не всегда эффективна. Именно поэтому спрос на специальные нержавеющие стали всегда устойчив.

Виды и классификация нержавеющих сталей

Характерная особенность всех видов нержавеющей стали – наличие в их химическом составе значительного процента хрома. Специальные требования к рассматриваемой категории сталей оговариваются сразу несколькими стандартами:

  1. лист нержавеющей сталиВ ГОСТ 5632 (первая группа) рассматриваются общие требования к сталям, обладающим повышенной стойкостью от всех видов химической и электрохимической коррозии;
  2. ГОСТ 5949 устанавливает требования к физико-механическим свойствам, способу получения и сортаменту нержавеющих сталей. При этом детализируется конкретный уровень требований к профилям стального проката;
  3. ГОСТ 7350, ГОСТ 5582 и ГОСТ 4986 определяют перечень марок листового проката  (соответственно толстого, тонкого листа и ленты) для коррозиестойких сталей;
  4. ГОСТ 18143 оговаривает требования к объёмным профилям рассматриваемой категории металлопроката (пруток, проволока);
  5. ГОСТ 11068, ГОСТ 9940 и ГОСТ 9941 представляют технические условия на производство нержавеющих труб.

Кроме того, коррозиестойкую сталь выпускают также по нескольким отраслевым стандартам и ТУ.

Обрабатываемость

Поскольку практически весь производимый металлопрокат в дальнейшем подвергается пластическому деформированию, наиболее объективной считается классификация нержавеющих сталей по их структуре.

Различают нержавеющие стали:

  • Мартенситного класса, отличительной особенностью которых является содержание углерода в пределах 0,15…0,45%;
  • Мартенситно-ферритного класса, которые содержат углерод в количестве не более 0,15%;
  • Ферритного класса, с содержанием углерода не более 0,1…0,15% и отсутствием никеля в своём составе;
  • Аустенитного класса (они, в свою очередь, имеют ещё несколько подклассов), отличительной особенностью которых считается увеличенное содержание легирующих элементов. В частности, в такие стали дополнительно вводятся вольфрам и молибден, а иногда – ещё титан и алюминий.

Разнообразие структур предопределяет различные требования к обработке нержавеющих сталей и свойствам изготовленных из них деталей.

Стали ферритного класса

К такому типу относятся нержавеющие стали 08Х13, 08Х13Т1, 10Х13СЮ и им подобные. Отличительная  особенность таких сталей  —  заметная потеря прочностных показателей уже при сравнительно невысоких температурах (до 300…4000С). Это облегчает деформируемость, поскольку во многих случаях штамповку можно проводить с холодном или полугорячем состоянии. При этом возможно получение поковок и штамповок с довольно сложной конфигурацией при относительно невысоких удельных усилиях и энергозатратах.

Особенно хорошо деформируются нержавеющие стали с пониженным процентным содержанием никеля, например 12Х13. При резке они образуют чистый срез и не налипают на рабочий инструмент. Однако листовую штамповку таких сталей можно прожить только в отожженном состоянии, поскольку при значительных степенях деформации они упрочняются, и могут, например, в процессе вытяжки без межоперационного отжига, разрушиться. Нержавеющие стали ферритного класса хорошо обрабатываются и в объёмных профилях – проволоке или прутке.

Для обеспечения высокого качества готовых изделий из нержавеющих сталей ферритного класса следуют правилу: с повышением процентного содержания углерода процент хрома должен пропорционально уменьшаться. При этих условиях обработка сталей рассматриваемой группы обычно проблем не вызывает.

Стали мартенситно-ферритного класса

деталь из нержавейкиВ эту группу входят нержавеющие стали марок 12Х13, 14Х17Н2, 15Х12ВНМФ и т.д. Они характеризуются повышенным содержанием углерода и, следовательно, снижением общей штампуемости. Такие стали способны сохранять свою прочность до температур 5000С и даже более, поэтому холодная пластическая деформация проката успешна лишь для деталей простой формы. Листовые материалы из сталей рассматриваемого типа в холодном состоянии удовлетворительно поддаются вырубке и пробивке.  В то же время для совершения гибки, формовки и вытяжки исходные заготовки придётся нагревать. Это не ухудшает их качества, но увеличивает себестоимость производства.

Особенностью технологии обработки нержавеющих сталей мартенситно-ферритного класса является необходимость в снижении трения при штамповке или механической обработке. Проблема решается введением дополнительных операций, которые заключаются в нанесении на поверхность исходных заготовок специальных покрытий, уменьшающих коэффициент трения при сложном формоизменении. Наиболее эффективно оксалатирование – покрытие поверхности солями щавелевой кислоты. Такое покрытие чаще применяют в технологиях объёмной штамповки.

Стали мартенситного класса

Типичные представители сталей указанной группы – 20Х12ВНМФ, 25Х13Н2, 40Х9С2. Содержание хрома в них достигает 13…14% , что негативно сказывается на последующей обрабатываемости проката, как листового, так и профильного. Требуемых по технологии показателей штампуемости нержавеющие стали мартенситного класса достигают лишь при нагреве до температур не ниже 8000С. При этом нагрев заготовок ведут в печах с пониженным содержанием кислорода, либо вообще в среде инертных газов, поскольку антикоррозионная способность таких сталей сохраняется на должном уровне лишь до 750…8500С.

Поскольку предварительный отжиг таких сталей сокращает время нагрева в печах под последующую штамповку (без ухудшения качества поверхности металла), то к механической обработке обычно допускают прокат в ненагартованном состоянии. Увеличение процентного содержания никеля при этом благоприятно влияет на штампуемость, а увеличение процента кремния – снижает её.

Стали этого класса получили наиболее широкое распространение в промышленности и строительства.
В частности, удовлетворительная свариваемость позволяет использовать детали из нержавеющих мартенситных сталей при прокладке крупных трубопроводов. В то же время достаточные прочностные показатели обеспечивают готовым изделиям хорошую долговечность при значительных внешних нагрузках (особенно при наличии вибраций).

Стали аустенитного класса

К ним относят аустенитные  (08Х17Н13М2Т, 20Х25Н20С2, 45Х14Н14В2М и т.п.), аустенитно-ферритные (12Х21Н5Т, 20Х20Н14С2 и т.п.), а также аустенитно-мартенситные (09Х15Н8Ю, 20Х13Н4Г9 и т.п.) стали.

Обработка таких сталей, из-за значительного содержания легирующих элементов, выполняется только в горячем состоянии. Помимо высокой прочности, которая сохраняется и при повышенных температурах, такие стали отличаются:

  • Отсутствием процессов фазовой перекристаллизации, которая положительно влияет на пластичность;
  • Низкой теплопроводностью, повышающей требования к технологии нагрева заготовок;
  • Наличием гетерогенной структуры, которая имеет существенную неоднородность;
  • Склонностью к росту зерна при нагреве, что отрицательно сказывается на пластичности:
  • Требовательностью к точному соблюдению режимов нагрева (температурные отклонения свыше 500С не допускаются).

Перед предварительной проковкой заготовки проходят контроль макроструктуры, в ходе которого устанавливаются возможные дефекты структуры (неметаллические включения, пустоты, заполненные азотом, наличие хрупких составляющих в растворе аустенита и т.д.). Поэтому нержавеющие стали аустенитного класса чаще производятся по технологии электрошлакового переплава.

Горячую обработку давлением таких сталей ведут при температурах 1050…12500С (с увеличением процентного содержания углерода и легирующих компонентов температура увеличивается). Обращается внимание также на предельные значения степени деформации за одну проковку, которая не должна превышать 30…50%.

Рациональные области применения и способы проверки стойкости

дымоходы из нержавеющей сталиДля верного выбора марки такой стали необходимо знать условия, в которых будет эксплуатироваться деталь, изготовленная из неё. В частности, выбор предопределяется:

  1. Постоянным наличием коррозионно активной среды – воды при повышенной температуре от 2000С и выше, водносолевых растворов, водных паров и т.д.
  2. Электрохимической коррозией, которую вызывают блуждающие токи.
  3. Наличия знакопеременных нагрузок при эксплуатации изделия.
  4. Контактом со стерильными, пищевыми или химически чистыми веществами.

С ужесточением всех вышеперечисленных требований предпочтение отдают нержавеющим сталям с увеличенным процентным содержанием хрома, титана, молибдена никеля. При этом непосредственно на коррозионную стойкость влияет хром. Молибден, ванадий и никель обеспечивают механическую прочность изделия, а титан и алюминий снижают вес металлоконструкции.

При длительной эксплуатации все изделия, изготовленные из нержавеющих сталей, периодически подвергают неразрушающему контролю. В его ходе устанавливается наличие возможных точечных пятен поверхностной коррозии, а по изменению удельного электросопротивления – начало межзёренной и/или междукристаллитной коррозии.