Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь, также известная как inox, коррозионно-стойкая сталь (CRES) и нержавеющая сталь, представляет собой сплав железа, устойчивый к ржавлению и коррозии. Он содержит железо с хромом и другими элементами, такими как молибден, углерод, никель и азот, в зависимости от его конкретного использования и стоимости. Устойчивость нержавеющей стали к коррозии обусловлена ​​содержанием хрома в количестве 10,5% или более, который образует пассивную пленку, способную защищать материал и самовосстанавливаться в присутствии кислорода.: 3

Такие свойства сплава, как блеск и устойчивость к коррозии, полезны во многих областях применения. Нержавеющая сталь может быть прокатана в листы, пластины, прутки, проволоку и трубы. Они могут использоваться в кухонной посуде, столовых приборах, хирургических инструментах, крупных бытовых приборах, транспортных средствах, строительных материалах в больших зданиях, промышленном оборудовании (например, на бумажных фабриках, химических заводах, водоочистке), а также в резервуарах и цистернах для химикатов и пищевых продуктов.

Биологическая очищаемость нержавеющей стали превосходит как алюминий, так и медь и сравнима со стеклом. Ее очищаемость, прочность и коррозионная стойкость побудили использовать нержавеющую сталь на фармацевтических и пищевых заводах.

Различные типы нержавеющей стали маркируются трехзначным номером AISI. Стандарт ISO 15510 перечисляет химические составы нержавеющих сталей спецификаций в существующих стандартах ISO, ASTM, EN, JIS и GB в полезной таблице взаимозаменяемости.

Характеристики

Устойчивость к коррозии

Хотя нержавеющая сталь и ржавеет, это затрагивает только несколько внешних слоев атомов, а содержащийся в ней хром защищает более глубокие слои от окисления.

Добавление азота также повышает устойчивость к точечной коррозии и увеличивает механическую прочность. Таким образом, существует множество марок нержавеющей стали с различным содержанием хрома и молибдена, чтобы соответствовать среде, в которой должен работать сплав. Коррозионная стойкость может быть дополнительно повышена следующими способами:

Сила

Наиболее распространенный тип нержавеющей стали, 304, имеет предел текучести на растяжение около 210 МПа (30 000 фунтов на кв. дюйм) в отожженном состоянии. Его можно упрочнить холодной обработкой до прочности 1 050 МПа (153 000 фунтов на кв. дюйм) в полностью твердом состоянии.

Самыми прочными из общедоступных нержавеющих сталей являются дисперсионно-твердеющие сплавы, такие как 17-4 PH и Custom 465. Их можно подвергать термической обработке, чтобы получить предел текучести при растяжении до 1730 МПа (251 000 фунтов на кв. дюйм).

Температура плавления

Нержавеющая сталь — это сталь, и поэтому ее температура плавления близка к температуре плавления обычной стали и намного выше температур плавления алюминия или меди.
Как и у большинства сплавов, температура плавления нержавеющей стали выражается в виде диапазона температур, а не одной температуры. Этот диапазон температур составляет от 1400 до 1530 °C (от 2550 до 2790 °F; от 1670 до 1800 K; от 3010 до 3250 °R) в зависимости от конкретной консистенции рассматриваемого сплава.

Проводимость

Как и сталь, нержавеющая сталь является относительно плохим проводником электричества, с существенно более низкой электропроводностью, чем медь. В частности, неэлектрическое контактное сопротивление (ECR) нержавеющей стали возникает из-за плотного защитного оксидного слоя и ограничивает ее функциональность в приложениях в качестве электрических разъемов. Медные сплавы и никелированные разъемы, как правило, демонстрируют более низкие значения ECR и являются предпочтительными материалами для таких приложений. Тем не менее, разъемы из нержавеющей стали используются в ситуациях, когда ECR предъявляет более низкие требования к проектированию и требуется коррозионная стойкость, например, при высоких температурах и окислительных средах.

Магнетизм

Мартенситные, дуплексные и ферритные нержавеющие стали являются магнитными, в то время как аустенитная нержавеющая сталь обычно немагнитна. Ферритная сталь обязана своим магнетизмом своей объемно-центрированной кубической кристаллической структуре, в которой атомы железа расположены в кубах (с одним атомом железа в каждом углу) и дополнительным атомом железа в центре. Этот центральный атом железа отвечает за магнитные свойства ферритной стали. Такое расположение также ограничивает количество углерода, которое сталь может поглотить, примерно до 0,025%. Сорта с низким коэрцитивным полем были разработаны для электроклапанов, используемых в бытовых приборах, и для систем впрыска в двигателях внутреннего сгорания. Некоторые приложения требуют немагнитных материалов, таких как магнитно-резонансная томография. Аустенитные нержавеющие стали, которые обычно немагнитны, можно сделать слегка магнитными посредством упрочнения. Иногда, если аустенитную сталь сгибают или режут, магнетизм возникает вдоль края нержавеющей стали, потому что кристаллическая структура перестраивается.

Носить

Истирание, иногда называемое холодной сваркой, является формой сильного адгезионного износа, который может возникнуть, когда две металлические поверхности находятся в относительном движении друг относительно друга и под большим давлением. Крепежные детали из аустенитной нержавеющей стали особенно подвержены истиранию резьбы, хотя другие сплавы, которые самостоятельно создают защитную оксидную пленку на поверхности, такие как алюминий и титан, также подвержены этому. При скольжении с высоким контактным усилием этот оксид может деформироваться, ломаться и удаляться с частей компонента, обнажая чистый реактивный металл. Когда две поверхности сделаны из одного материала, эти открытые поверхности могут легко сплавляться. Разделение двух поверхностей может привести к разрыву поверхности и даже полному заклиниванию металлических компонентов или крепежных деталей. Истирание можно смягчить, используя разнородные материалы (бронза против нержавеющей стали) или используя разные нержавеющие стали (мартенситная против аустенитной). Кроме того, резьбовые соединения можно смазывать, чтобы обеспечить пленку между двумя частями и предотвратить истирание. Nitronic 60, изготовленный путем селективного легирования марганцем, кремнием и азотом, продемонстрировал пониженную тенденцию к образованию накипи.

Плотность

Плотность нержавеющей стали колеблется от 7,5 до 8,0 г/см3 (от 0,27 до 0,29 фунта/куб. дюйм) в зависимости от сплава.

История

Изобретение нержавеющей стали последовало за серией научных разработок, начиная с 1798 года, когда Луи Воклен впервые показал хром Французской академии. В начале 1800-х годов британские ученые Джеймс Стоддарт, Майкл Фарадей и Роберт Маллет наблюдали устойчивость сплавов хрома и железа («хромистые стали») к окислителям. Роберт Бунзен открыл устойчивость хрома к сильным кислотам. Коррозионная стойкость сплавов железа и хрома, возможно, была впервые обнаружена в 1821 году Пьером Бертье, который отметил их устойчивость к воздействию некоторых кислот и предложил использовать их в столовых приборах.

В 1840-х годах как британские сталелитейщики Шеффилда, так и немецкая компания Krupp производили хромистую сталь, причем последняя использовала ее для пушек в 1850-х годах. В 1861 году Роберт Форестер Мушет получил патент на хромистую сталь в Великобритании.

Эти события привели к первому американскому производству хромсодержащей стали Дж. Бауром из Chrome Steel Works в Бруклине для строительства мостов. Патент США на этот продукт был выдан в 1869 году.: 2261 [a] За этим последовало признание коррозионной стойкости хромовых сплавов англичанами Джоном Т. Вудсом и Джоном Кларком, которые отметили диапазоны хрома от 5 до 30% с добавлением вольфрама и «среднего углерода». Они преследовали коммерческую ценность инновации через британский патент на «Сплавы, устойчивые к погодным условиям».: 261, 11

В конце 1890-х годов немецкий химик Ганс Гольдшмидт разработал алюминотермический (термитный) процесс для производства хрома без углерода. Между 1904 и 1911 годами несколько исследователей, в частности Леон Гийе из Франции, приготовили сплавы, которые сегодня считались бы нержавеющей сталью.

В 1908 году фирма из Эссена Friedrich Krupp Germaniawerft построила в Германии 366-тонную парусную яхту Germania с корпусом из хромоникелевой стали. В 1911 году Филипп Моннарц сообщил о связи между содержанием хрома и коррозионной стойкостью. 17 октября 1912 года инженеры Krupp Бенно Штраус и Эдуард Маурер запатентовали как Nirosta аустенитную нержавеющую сталь, известную сегодня как 18/8 или AISI тип 304.

Похожие разработки происходили в Соединенных Штатах, где Кристиан Данцизен из General Electric и Фредерик Беккет (1875–1942) из ​​Union Carbide занимались индустриализацией ферритной нержавеющей стали. В 1912 году Элвуд Хейнс подал заявку на патент США на мартенситный сплав нержавеющей стали, который был выдан только в 1919 году.

Гарри Брирли

В 1912 году, занимаясь поиском коррозионно-стойкого сплава для оружейных стволов, Гарри Брирли из исследовательской лаборатории Браун-Ферт в Шеффилде, Англия, открыл и впоследствии освоил промышленное производство мартенситного сплава нержавеющей стали, сегодня известного как тип AISI 420. Об открытии было объявлено два года спустя в газетной статье в январе 1915 года в газете The New York Times.

Металл позже продавался под брендом «Staybrite» компанией Firth Vickers в Англии и использовался для нового навеса над входом в отель Savoy в Лондоне в 1929 году. Брирли подал заявку на патент США в 1915 году, но обнаружил, что Хейнс уже зарегистрировал один. Брирли и Хейнс объединили свои средства и с группой инвесторов основали Американскую корпорацию нержавеющей стали со штаб-квартирой в Питтсбурге, штат Пенсильвания.: 360

Нержавеющая сталь

Брирли изначально назвал свой новый сплав «нержавеющей сталью». Сплав продавался в США под разными торговыми марками, такими как «Allegheny metal» и «Nirosta steel». Даже в металлургической промышленности название оставалось неустоявшимся; в 1921 году один отраслевой журнал назвал его «нержавеющей сталью». Брирли работал с местным производителем столовых приборов, который дал ему название «нержавеющая сталь». Еще в 1932 году Ford Motor Company продолжала называть сплав «нержавеющей сталью» в рекламных материалах автомобилей.

В 1929 году, до Великой депрессии, в США ежегодно производилось и продавалось более 25 000 тонн нержавеющей стали.

Крупные технологические достижения 1950-х и 1960-х годов позволили производить продукцию больших объемов по доступной цене:

Типы

Нержавеющая сталь подразделяется на пять основных семейств, которые в первую очередь различаются по своей кристаллической структуре:

Аустенитный

Аустенитная нержавеющая сталь — крупнейшее семейство нержавеющих сталей, составляющее около двух третей всего производства нержавеющей стали. Они обладают аустенитной микроструктурой, которая представляет собой гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру. Эта микроструктура достигается путем легирования стали достаточным количеством никеля и/или марганца и азота для поддержания аустенитной микроструктуры при всех температурах, от криогенной области до точки плавления. Таким образом, аустенитные нержавеющие стали не закаляются путем термической обработки, поскольку они обладают одинаковой микроструктурой при всех температурах.

Однако «температура формования является существенным фактором для изделий из метастабильной аустенитной нержавеющей стали (M-ASS) с точки зрения микроструктуры и криогенных механических характеристик. … Метастабильные аустенитные нержавеющие стали (M-ASS) широко используются при производстве криогенных сосудов высокого давления (CPV) благодаря их высокой криогенной вязкости, пластичности, прочности, коррозионной стойкости и экономичности».

Криогенная холодная формовка аустенитной нержавеющей стали является расширением цикла нагрева-закалки-отпуска, где конечная температура материала перед использованием при полной нагрузке понижается до криогенного диапазона температур. Это может устранить остаточные напряжения и повысить износостойкость.

Подгруппы аустенитных нержавеющих сталей, серии 200 и серии 300:

Ферритный

Ферритные нержавеющие стали обладают ферритной микроструктурой, как и углеродистая сталь, которая представляет собой объемно-центрированную кубическую кристаллическую структуру, и содержат от 10,5% до 27% хрома с очень небольшим количеством или без никеля. Эта микроструктура присутствует при всех температурах из-за добавления хрома, поэтому они не способны упрочняться термической обработкой. Их нельзя упрочнить холодной обработкой в ​​той же степени, что и аустенитные нержавеющие стали. Они магнитны. Добавки ниобия (Nb), титана (Ti) и циркония (Zr) к типу 430 обеспечивают хорошую свариваемость. Из-за почти полного отсутствия никеля они менее дороги, чем аустенитные стали, и присутствуют во многих продуктах, которые включают в себя:

Мартенситный

Мартенситные нержавеющие стали имеют объемно-центрированную кубическую кристаллическую структуру и обладают широким спектром свойств, используются как нержавеющие конструкционные стали, нержавеющие инструментальные стали и стали, устойчивые к ползучести. Они магнитны и не так устойчивы к коррозии, как ферритные и аустенитные нержавеющие стали из-за низкого содержания хрома. Они делятся на четыре категории (с некоторым совпадением):

Мартенситные нержавеющие стали можно подвергать термической обработке для улучшения механических свойств. Термическая обработка обычно включает три этапа:

Замена части углерода в мартенситных нержавеющих сталях азотом является недавней разработкой. Ограниченная растворимость азота увеличивается с помощью процесса электрошлакового рафинирования под давлением (PESR), в котором плавка осуществляется под высоким давлением азота. Была получена сталь, содержащая до 0,4% азота, что приводит к более высокой твердости и прочности и более высокой коррозионной стойкости. Поскольку PESR является дорогостоящим, более низкое, но значительное содержание азота было достигнуто с помощью стандартного процесса AOD.

Дуплекс

Дуплексные нержавеющие стали имеют смешанную микроструктуру аустенита и феррита, идеальное соотношение которых составляет 50:50, хотя коммерческие сплавы могут иметь соотношение 40:60. Они характеризуются более высоким содержанием хрома (19–32 %) и молибдена (до 5 %) и меньшим содержанием никеля, чем аустенитные нержавеющие стали. Дуплексные нержавеющие стали имеют примерно в два раза больший предел текучести, чем аустенитная нержавеющая сталь. Их смешанная микроструктура обеспечивает повышенную стойкость к хлоридному коррозионному растрескиванию под напряжением по сравнению с аустенитными нержавеющими сталями типов 304 и 316. Дуплексные марки обычно делятся на три подгруппы в зависимости от их коррозионной стойкости: обедненная дуплексная сталь, стандартная дуплексная сталь и супердуплексная сталь. Свойства дуплексных нержавеющих сталей достигаются за счет общего более низкого содержания легирующих элементов по сравнению с супераустенитными марками с аналогичными характеристиками, что делает их использование экономически эффективным для многих применений. Целлюлозно-бумажная промышленность была одной из первых, кто начал широко использовать дуплексную нержавеющую сталь. Сегодня нефтегазовая промышленность является крупнейшим потребителем и требует более устойчивых к коррозии марок, что привело к разработке супердуплексных и гипердуплексных марок. Совсем недавно был разработан менее дорогой (и немного менее устойчивый к коррозии) тощий дуплекс, в основном для конструкционных применений в строительстве (бетонная арматура, плиты для мостов, береговые работы) и в водном хозяйстве.

Дисперсионное твердение

Дисперсионно-твердеющие нержавеющие стали имеют коррозионную стойкость, сравнимую с аустенитными сортами, но могут быть подвергнуты дисперсионному твердению до еще более высокой прочности, чем другие мартенситные сорта. Существует три типа дисперсионно-твердеющих нержавеющих сталей:

Обработка на твердый раствор при температуре около 1040 °C (1900 °F) с последующей закалкой приводит к образованию относительно пластичной мартенситной структуры. Последующая обработка старением при температуре 475 °C (887 °F) выделяет фазы, богатые Nb и Cu, которые увеличивают прочность до предела текучести свыше 1000 МПа (150 000 фунтов на кв. дюйм). Этот выдающийся уровень прочности используется в высокотехнологичных приложениях, таких как аэрокосмическая промышленность (обычно после переплавки для устранения неметаллических включений, что увеличивает усталостную долговечность). Еще одним важным преимуществом этой стали является то, что старение, в отличие от закалки, проводится при температуре, которую можно применять к (почти) готовым деталям без искажений и обесцвечивания.

Типичная термическая обработка включает обработку на твердый раствор и закалку. На этом этапе структура остается аустенитной. Мартенситное превращение затем достигается либо криогенной обработкой при -75 °C (-103 °F), либо жесткой холодной обработкой (более 70% деформации, обычно путем холодной прокатки или волочения проволоки). Старение при 510 °C (950 °F) — которое выделяет интерметаллическую фазу Ni₃Al — выполняется, как указано выше, на почти готовых деталях. Затем достигаются уровни предела текучести выше 1400 МПа.

Структура остается аустенитной при всех температурах.

Типичная термическая обработка включает обработку на твердый раствор и закалку с последующим старением при 715 °C (1319 °F). Старение образует осадки Ni₃Ti и увеличивает предел текучести примерно до 650 МПа (94 000 фунтов на кв. дюйм) при комнатной температуре. В отличие от вышеуказанных марок, механические свойства и сопротивление ползучести этой стали остаются очень хорошими при температурах до 700 °C (1300 °F). В результате A286 классифицируется как суперсплав на основе Fe, используемый в реактивных двигателях, газовых турбинах и турбодеталях.

Оценки

Известно более 150 марок нержавеющей стали, 15 из которых являются наиболее широко используемыми. Используется множество систем классификации, в том числе марки стали по стандарту SAE США. Единая система нумерации металлов и сплавов (UNS) была разработана ASTM в 1970 году. Европа приняла EN 10088.

Устойчивость к коррозии

В отличие от углеродистой стали, нержавеющая сталь не подвергается равномерной коррозии при воздействии влажной среды. Незащищенная углеродистая сталь легко ржавеет при воздействии комбинации воздуха и влаги. Образующийся поверхностный слой оксида железа является пористым и хрупким. Кроме того, поскольку оксид железа занимает больший объем, чем исходная сталь, этот слой расширяется и имеет тенденцию к шелушению и отпадению, подвергая лежащую под ним сталь дальнейшему воздействию. Для сравнения, нержавеющая сталь содержит достаточно хрома для пассивации, спонтанно образуя микроскопически тонкую инертную поверхностную пленку оксида хрома путем реакции с кислородом в воздухе и даже небольшим количеством растворенного кислорода в воде. Эта пассивная пленка предотвращает дальнейшую коррозию, блокируя диффузию кислорода к поверхности стали и, таким образом, предотвращает распространение коррозии в объеме металла. Эта пленка является самовосстанавливающейся, даже если она поцарапана или временно нарушена условиями, которые превышают присущую этому классу коррозионную стойкость.

Устойчивость этой пленки к коррозии зависит от химического состава нержавеющей стали, в основном от содержания хрома. Принято различать четыре формы коррозии: равномерную, локализованную (точечную), гальваническую и SCC (коррозионное растрескивание под напряжением). Любая из этих форм коррозии может возникнуть, если марка нержавеющей стали не подходит для рабочей среды.

Обозначение «CRES» относится к коррозионно-стойкой (нержавеющей) стали.

Униформа

Равномерная коррозия происходит в очень агрессивных средах, как правило, там, где производятся или интенсивно используются химикаты, например, в целлюлозно-бумажной промышленности. Вся поверхность стали подвергается воздействию, и коррозия выражается как скорость коррозии в мм/год (обычно для таких случаев приемлемо менее 0,1 мм/год). Таблицы коррозии содержат рекомендации.

Обычно это происходит, когда нержавеющая сталь подвергается воздействию кислотных или щелочных растворов. Корродирует ли нержавеющая сталь, зависит от вида и концентрации кислоты или основания, а также температуры раствора. Равномерной коррозии обычно легко избежать благодаря обширным опубликованным данным о коррозии или легко проводимым лабораторным испытаниям на коррозию.

Кислотные растворы можно разделить на две общие категории: восстанавливающие кислоты, такие как соляная кислота и разбавленная серная кислота, и окислительные кислоты, такие как азотная кислота и концентрированная серная кислота. Увеличение содержания хрома и молибдена обеспечивает повышенную устойчивость к восстанавливающим кислотам, в то время как увеличение содержания хрома и кремния обеспечивает повышенную устойчивость к окисляющим кислотам. Серная кислота является одним из наиболее производимых промышленных химикатов. При комнатной температуре нержавеющая сталь типа 304 устойчива только к 3%-ной кислоте, в то время как тип 316 устойчив к 3%-ной кислоте до 50 °C (120 °F) и 20%-ной кислоте при комнатной температуре. Таким образом, тип 304 SS редко используется в контакте с серной кислотой. Тип 904L и сплав 20 устойчивы к серной кислоте даже при более высоких концентрациях выше комнатной температуры. Концентрированная серная кислота обладает окислительными свойствами, как азотная кислота, и поэтому нержавеющие стали, содержащие кремний, также полезны. Соляная кислота повреждает любую нержавеющую сталь и ее следует избегать.: 118  Все типы нержавеющей стали устойчивы к воздействию фосфорной и азотной кислот при комнатной температуре. При высоких концентрациях и повышенных температурах воздействие будет иметь место, и требуются более высоколегированные нержавеющие стали. В целом, органические кислоты менее едкие, чем минеральные кислоты, такие как соляная и серная кислота.

Нержавеющие стали типа 304 и типа 316 не подвержены влиянию слабых оснований, таких как гидроксид аммония, даже в высоких концентрациях и при высоких температурах. Те же марки, подвергающиеся воздействию более сильных оснований, таких как гидроксид натрия в высоких концентрациях и при высоких температурах, вероятно, испытают некоторое травление и растрескивание. Увеличение содержания хрома и никеля обеспечивает повышенную устойчивость.

Все марки устойчивы к повреждениям от альдегидов и аминов, хотя в последнем случае тип 316 предпочтительнее типа 304; ацетат целлюлозы повреждает тип 304, если температура не поддерживается низкой. Жиры и жирные кислоты воздействуют на тип 304 только при температурах выше 150 °C (300 °F), а на тип 316 SS — выше 260 °C (500 °F), тогда как тип 317 SS не подвержен воздействию при любых температурах. Тип 316L требуется для обработки мочевины.[страница нужна]

Локализованный

Локальная коррозия может возникать несколькими способами, например, точечная коррозия и щелевая коррозия. Эти локализованные атаки наиболее распространены в присутствии ионов хлорида. Более высокие уровни хлорида требуют более высоколегированных нержавеющих сталей.

Локальную коррозию трудно предсказать, поскольку она зависит от многих факторов, включая:

Питтинговая коррозия считается наиболее распространенной формой локальной коррозии. Коррозионная стойкость нержавеющих сталей к точечной коррозии часто выражается показателем PREN, полученным по формуле:

${\displaystyle {\text{PREN}}=\%{\text{Cr}}+3.3\cdot \%{\text{Mo}}+16\cdot \%{\text{N}}}$,

где термины соответствуют доле содержания по массе хрома, молибдена и азота в стали. Например, если сталь состоит из 15% хрома, %Cr будет равен 15.

Чем выше PREN, тем выше стойкость к точечной коррозии. Таким образом, увеличение содержания хрома, молибдена и азота обеспечивает лучшую стойкость к точечной коррозии.

Хотя PREN некоторых сталей теоретически может быть достаточным для сопротивления точечной коррозии, щелевая коррозия все равно может возникнуть, когда плохая конструкция создала ограниченные области (перекрывающиеся пластины, интерфейсы шайба-пластина и т. д.) или когда на материале образуются отложения. В этих выбранных областях PREN может быть недостаточно высоким для условий эксплуатации. Хорошая конструкция, методы изготовления, выбор сплава, надлежащие условия эксплуатации на основе концентрации активных соединений, присутствующих в растворе, вызывающем коррозию, pH и т. д. могут предотвратить такую ​​коррозию.

Стресс

Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC) — это внезапное растрескивание и выход из строя детали без деформации. Это может произойти при соблюдении трех условий:

Механизм SCC является результатом следующей последовательности событий:

В то время как точечная коррозия обычно приводит к некрасивым поверхностям и, в худшем случае, к перфорации листа нержавеющей стали, разрушение из-за SCC может иметь серьезные последствия. Поэтому оно рассматривается как особая форма коррозии.

Поскольку SCC требует соблюдения ряда условий, противодействовать ему можно с помощью относительно простых мер, в том числе:

Гальванический

Гальваническая коррозия (также называемая «коррозией разнородных металлов») относится к коррозионному повреждению, вызванному соединением двух разнородных материалов в едком электролите. Наиболее распространенным электролитом является вода, от пресной до морской. Когда образуется гальваническая пара, один из металлов в паре становится анодом и корродирует быстрее, чем по отдельности, в то время как другой становится катодом и корродирует медленнее, чем по отдельности. Нержавеющая сталь, имея более положительный электродный потенциал, чем, например, углеродистая сталь и алюминий, становится катодом, ускоряя коррозию анодного металла. Примером является коррозия алюминиевых заклепок, скрепляющих листы нержавеющей стали в контакте с водой. Относительные площади поверхности анода и катода важны для определения скорости коррозии. В приведенном выше примере площадь поверхности заклепок мала по сравнению с площадью поверхности листа нержавеющей стали, что приводит к быстрой коррозии. Однако если для сборки алюминиевых листов используются крепежи из нержавеющей стали, гальваническая коррозия будет протекать гораздо медленнее, поскольку плотность гальванического тока на поверхности алюминия будет на много порядков меньше. Частой ошибкой является сборка пластин из нержавеющей стали с крепежами из углеродистой стали; в то время как использование нержавеющей стали для крепления пластин из углеродистой стали обычно приемлемо, обратное — нет. Обеспечение электроизоляции между разнородными металлами, где это возможно, эффективно для предотвращения этого типа коррозии.

Высокая температура

При повышенных температурах все металлы реагируют с горячими газами. Наиболее распространенной высокотемпературной газовой смесью является воздух, в котором кислород является наиболее реактивным компонентом. Чтобы избежать коррозии на воздухе, углеродистая сталь ограничена приблизительно 480 °C (900 °F). Стойкость к окислению в нержавеющих сталях увеличивается с добавлением хрома, кремния и алюминия. Небольшие добавки церия и иттрия увеличивают адгезию оксидного слоя на поверхности. Добавление хрома остается наиболее распространенным методом повышения стойкости к высокотемпературной коррозии в нержавеющих сталях; хром реагирует с кислородом, образуя окалину оксида хрома, которая снижает диффузию кислорода в материал. Минимальное содержание хрома 10,5% в нержавеющих сталях обеспечивает устойчивость приблизительно до 700 °C (1300 °F), в то время как 16% хрома обеспечивает устойчивость приблизительно до 1200 °C (2200 °F). Тип 304, наиболее распространенная марка нержавеющей стали с 18% хрома, устойчива к температуре около 870 °C (1600 °F). Другие газы, такие как диоксид серы, сероводород, оксид углерода, хлор, также воздействуют на нержавеющую сталь. Устойчивость к другим газам зависит от типа газа, температуры и содержания легирующих элементов в нержавеющей стали. С добавлением до 5% алюминия ферритные марки Fe-Cr-Al предназначены для обеспечения электрического сопротивления и стойкости к окислению при повышенных температурах. К таким сплавам относится Kanthal, выпускаемый в виде проволоки или лент.

Стандартная отделка

Стандартные финишные покрытия проката могут наноситься на плоскую прокатанную нержавеющую сталь непосредственно с помощью роликов и механических абразивов. Сталь сначала прокатывается до нужного размера и толщины, а затем отжигается для изменения свойств конечного материала. Любое окисление, которое образуется на поверхности (прокатная окалина), удаляется путем травления, и на поверхности создается пассивирующий слой. Затем может быть нанесена финальная отделка для достижения желаемого эстетического вида.

В США для описания покрытий из нержавеющей стали по стандарту ASTM A480/A480M-18 (DIN) используются следующие обозначения:

Присоединение

Для нержавеющих сталей доступен широкий спектр процессов соединения, однако сварка является наиболее распространенным методом.

Легкость сварки во многом зависит от типа используемой нержавеющей стали. Аустенитные нержавеющие стали легче всего сваривать электрической дугой, их свойства сварки аналогичны свойствам основного металла (не подвергнутого холодной обработке). Мартенситные нержавеющие стали также можно сваривать электрической дугой, но, поскольку зона термического влияния (ЗТВ) и зона сплавления (ЗС) при охлаждении образуют мартенсит, необходимо принять меры предосторожности, чтобы избежать растрескивания сварного шва. Неправильные методы сварки могут дополнительно вызвать сахаризацию (образование оксидной окалины) и/или потертости на обратной стороне шва. Этого можно избежать с помощью использования газов для обратной продувки, подкладок и флюсов. Послесварочная термическая обработка требуется почти всегда, а в некоторых случаях также необходим предварительный нагрев перед сваркой. Электродуговая сварка ферритной нержавеющей стали типа 430 приводит к росту зерна в ЗТВ, что приводит к хрупкости. Это в значительной степени преодолено с помощью стабилизированных ферритных марок, где ниобий, титан и цирконий образуют осадки, которые предотвращают рост зерна. Дуплексная сварка нержавеющей стали электрической дугой является обычной практикой, но требует тщательного контроля параметров процесса. В противном случае происходит осаждение нежелательных интерметаллических фаз, что снижает прочность сварных швов.

Процессы электродуговой сварки включают в себя:

Наиболее распространенными методами являются сварка MIG, MAG и TIG.

Другие сварочные процессы включают в себя:

Нержавеющая сталь может быть склеена с помощью таких клеев, как силикон, модифицированные силилом полимеры и эпоксидные смолы. Акриловые и полиуретановые клеи также используются в некоторых ситуациях.

Производство

Большая часть мировой продукции из нержавеющей стали производится с помощью следующих процессов:

Данные о мировом производстве нержавеющей стали ежегодно публикуются Международным форумом по нержавеющей стали. Из данных по производству ЕС Италия, Бельгия и Испания были заметны, в то время как Канада и Мексика не произвели ни одной. Китай, Япония, Южная Корея, Тайвань, Индия, США и Индонезия были крупными производителями, в то время как Россия сообщила о небольшом производстве.

Распределение производства по маркам нержавеющей стали в 2017 году:

Приложения

Нержавеющая сталь используется во многих областях, включая архитектуру, искусство, химическое машиностроение, производство продуктов питания и напитков, транспортные средства, медицину, энергетику и огнестрельное оружие.

Стоимость жизненного цикла

Расчеты стоимости жизненного цикла (LCC) используются для выбора конструкции и материалов, которые обеспечат наименьшую стоимость на протяжении всего срока службы проекта, например, здания или моста.

Формула в простой форме выглядит следующим образом: [требуется проверка]

${\displaystyle {\text{LCC}}={\text{AC}}+{\text{IC}}+\sum _{n=1}^{N}{\frac {\text{OC}}{(1+i)^{n}}}+\sum _{n=1}^{N}{\frac {\text{LP}}{(1+i)^{n}}}+\sum _{n=1}^{N}{\frac {\text{RC}}{(1+i)^{n}}}}$

где LCC — общая стоимость жизненного цикла, AC — стоимость приобретения, IC — стоимость установки, OC — затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание, LP — стоимость производственных потерь из-за простоя, а RC — стоимость замещающих материалов.

Кроме того, N — это запланированный срок жизни проекта, i — процентная ставка, а n — год, в котором происходит конкретный OC или LP или RC. Процентная ставка (i) используется для преобразования расходов разных лет в их текущую стоимость (метод, широко используемый банками и страховыми компаниями), чтобы их можно было справедливо суммировать и сравнивать. Использование формулы суммы (${\textstyle \sum }$) отражает тот факт, что расходы в течение жизненного цикла проекта должны быть кумулятивными[уточнение необходимо] после того, как они будут скорректированы с учетом процентной ставки.

Применение LCC при выборе материалов

Нержавеющая сталь, используемая в проектах, часто приводит к более низким значениям LCC по сравнению с другими материалами. Более высокая стоимость приобретения (AC) компонентов из нержавеющей стали часто компенсируется улучшением эксплуатационных и эксплуатационных расходов, снижением затрат на потерю продукции (LP) и более высокой стоимостью перепродажи компонентов из нержавеющей стали.

Расчеты LCC обычно ограничиваются самим проектом. Однако могут быть и другие расходы, которые заинтересованная сторона проекта может пожелать рассмотреть:

Устойчивость – переработка и повторное использование

Средний углеродный след нержавеющей стали (всех марок, всех стран) оценивается в 2,90 кг CO₂ на кг произведенной нержавеющей стали, из которых 1,92 кг — это выбросы от сырья (Cr, Ni, Mo); 0,54 кг — от электричества и пара и 0,44 кг — прямые выбросы (т. е. от завода по производству нержавеющей стали). Обратите внимание, что нержавеющая сталь, произведенная в странах, которые используют более чистые источники электроэнергии (например, Франция, которая использует ядерную энергию), будет иметь меньший углеродный след. Ферриты без Ni будут иметь меньший след CO₂, чем аустениты с 8% Ni или более. Углеродный след не должен быть единственным фактором, связанным с устойчивостью, при принятии решения о выборе материалов:

Нержавеющая сталь на 100% пригодна для вторичной переработки. Среднестатистический предмет из нержавеющей стали состоит примерно на 60% из переработанного материала, из которого примерно 40% поступает из отслуживших свой срок изделий, а остальные 60% — из производственных процессов. Более высокому содержанию вторичной переработки препятствует доступность лома нержавеющей стали, несмотря на очень высокий уровень переработки. Согласно отчету Международной группы по ресурсам «Запасы металлов в обществе», на душу населения запас нержавеющей стали, используемый в обществе, составляет от 80 до 180 кг (от 180 до 400 фунтов) в более развитых странах и 15 кг (33 фунта) в менее развитых странах. Существует вторичный рынок, который перерабатывает пригодный для использования лом для многих рынков нержавеющей стали. Продукт в основном представляет собой рулоны, листы и заготовки. Этот материал закупается по цене ниже базовой и продается штамповщикам коммерческого качества и предприятиям по листовому металлу. Материал может иметь царапины, ямки и вмятины, но изготавливается в соответствии с текущими спецификациями.

Цикл нержавеющей стали начинается с лома углеродистой стали, первичных металлов и шлака. Следующий шаг — производство горячекатаных и холоднокатаных стальных изделий на сталелитейных заводах. Производится часть лома, который напрямую повторно используется в плавильном цехе. Изготовление компонентов — третий шаг. Часть лома производится и попадает в цикл переработки. Сборка конечных товаров и их использование не приводит к каким-либо материальным потерям. Четвертый шаг — сбор нержавеющей стали для переработки по окончании срока службы товаров (например, кухонных принадлежностей, целлюлозно-бумажных заводов или автомобильных деталей). Именно здесь сложнее всего заставить нержавеющую сталь войти в цикл переработки, как показано в таблице ниже:

Наноразмерная нержавеющая сталь

Наночастицы нержавеющей стали были получены в лабораторных условиях. Они могут найти применение в качестве добавок для высокопроизводительных приложений. Например, сульфуризация, фосфоризация и азотирование для получения наноразмерных катализаторов на основе нержавеющей стали могут улучшить электрокаталитические характеристики нержавеющей стали для расщепления воды.

Влияние на здоровье

Существуют обширные исследования, указывающие на возможный повышенный риск рака (особенно рака легких) при вдыхании паров во время сварки нержавеющей стали. Предполагается, что сварка нержавеющей стали приводит к образованию канцерогенных паров из оксидов кадмия, никеля и хрома. По данным Cancer Council Australia, «в 2017 году все типы сварочных паров были классифицированы как канцерогены группы 1».

Нержавеющая сталь обычно считается биологически инертной. Однако во время приготовления небольшое количество никеля и хрома вымывается из новой посуды из нержавеющей стали и превращается в очень кислую пищу. Никель может способствовать риску рака, особенно рака легких и рака носа. Однако связи между посудой из нержавеющей стали и раком не установлено.

Related topics

Body piercing

Fashion

Gemology

Metalworking

Phaleristics

Wearable art