Нержавеющая сталь

Стали
Фазы
Феррит аустенит Цементит Мартенсит Графит
Микроструктуры
Сфероидит Перлит бейнит Ледебурит Закаленный мартенсит Видманштеттеновые структуры
Классы
Тигельная сталь Углеродистая сталь Пружинная сталь Легированная сталь Мартенситная сталь Нержавеющая сталь Быстрорежущая сталь Стойкая к атмосферным воздействиям сталь Инструментальная сталь
Другие материалы на основе железа
Чугун Серый чугун Белое железо Ковкий чугун Ковкий чугун Кованое железо

Нержавеющая сталь , также известная как inox , коррозионно-стойкая сталь ( CRES ) и нержавеющая сталь , представляет собой сплав на основе железа, содержащий минимальный уровень хрома , который устойчив к ржавлению и коррозии . Устойчивость нержавеющей стали к коррозии обусловлена ​​содержанием хрома в размере 10,5% или более, который образует пассивную пленку , способную защищать материал и самовосстанавливаться в присутствии кислорода. ^{[1] : 3} Его также можно легировать другими элементами, такими как молибден , углерод , никель и азот , чтобы получить ряд различных свойств в зависимости от его конкретного использования.

Свойства сплава, такие 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 быть использованы 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 , очистке воды ), а также в резервуарах и цистернах для химикатов и пищевых продуктов. Некоторые марки также подходят для ковки и литья .

Биологическая очищаемость нержавеющей стали превосходит очищаемость алюминия и меди и сравнима со стеклом. ^[2] Ее очищаемость, прочность и коррозионная стойкость побудили использовать нержавеющую сталь на фармацевтических и пищевых заводах. ^[3]

Различные типы нержавеющей стали маркируются трехзначным номером AISI . ^[4] Стандарт ISO 15510 перечисляет химический состав нержавеющей стали спецификаций существующих стандартов ISO, ASTM , EN , JIS и GB в полезной таблице взаимозаменяемости. ^[5]

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. ^[6] Таким образом, существует множество марок нержавеющей стали с различным содержанием хрома и молибдена, чтобы соответствовать среде, в которой должен работать сплав. ^[7] Коррозионную стойкость можно дополнительно повысить следующими способами:

• увеличение содержания хрома до более чем 11% ^[6]
• добавление никеля не менее 8% ^[6]
• добавление молибдена (который также улучшает устойчивость к точечной коррозии ) ^[6]

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.

Наиболее 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). ^[8]

Температура плавления нержавеющей стали 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. ^[9] Этот температурный диапазон составляет от 1370 до 1530 °C (от 2500 до 2790 °F) в зависимости от конкретной консистенции рассматриваемого сплава. ^{[ необходима цитата ]}

Как и сталь , нержавеющая сталь является относительно плохим проводником электричества, с существенно более низкой электропроводностью, чем медь. В частности, электрическое контактное сопротивление (ECR) нержавеющей стали возникает из-за плотного защитного оксидного слоя и ограничивает ее функциональность в приложениях в качестве электрических разъемов. ^[10] 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 конструкции и требуется коррозионная стойкость, например, при высоких температурах и окислительных средах. ^[11]

Мартенситные , дуплексные и ферритные нержавеющие стали являются магнитными , в то время как аустенитная нержавеющая сталь обычно немагнитна. ^[12] 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. ^{[ требуется ссылка ]} Такое расположение также ограничивает количество углерода, которое сталь может поглотить, примерно до 0,025%. ^[13] 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 . ^{[ требуется ссылка ]} 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, поскольку кристаллическая структура перестраивается. ^[14]

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 голый 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. ^{[16] [17]} 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 налета. ^[17]

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.

Изобретение нержавеющей стали последовало за серией научных разработок, начиная с 1798 года, когда хром был впервые продемонстрирован Французской академии Луи Вокленом . 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 обнаружил 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. ^[19]

В 1840-х годах как британские сталелитейщики Шеффилда , так и немецкая компания Krupp производили хромистую сталь, причем последняя в 1850-х годах использовала ее для пушек. ^[20] В 1861 году Роберт Форестер Мушет получил патент на хромистую сталь в Великобритании. ^[21]

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. ^{[22] : 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». ^{[22] : 261, 11  [23] [ необходима полная цитата ]}

Ученые, исследовавшие коррозию стали во второй половине XIX века, не обращали внимания на количество углерода в легированных сталях, которые они испытывали, пока в 1898 году Адольф Карно и Э. Гуталь не заметили, что хромистые стали тем лучше противостоят окислению кислотами, чем меньше углерода они содержат. ^{[24] [25]}

Также в конце 1890-х годов немецкий химик Ганс Гольдшмидт разработал алюминотермический ( термитный ) процесс получения хрома без содержания углерода. ^[26] В период с 1904 по 1911 год несколько исследователей, в частности Леон Гийе из Франции, приготовили сплавы, которые сегодня можно было бы считать нержавеющей сталью. ^{[26] [27]}

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. ^[28] 17 октября 1912 года инженеры Krupp Бенно Штраус и Эдуард Маурер запатентовали аустенитную нержавеющую сталь Nirosta ^{[29] [30] [31] [28],} известную сегодня как 18/8 или AISI тип 304. ^[32]

Похожие разработки происходили в Соединенных Штатах, где Кристиан Данцизен из General Electric ^[32] и Фредерик Бекет (1875–1942) из ​​Union Carbide занимались промышленным производством ферритной нержавеющей стали. ^[33] В 1912 году Элвуд Хейнс подал заявку на патент США на мартенситный сплав нержавеющей стали, который был выдан только в 1919 году. ^[34]

В 1913 году, занимаясь поиском коррозионно-стойкого сплава для оружейных стволов, Гарри Брирли из исследовательской лаборатории Браун-Ферт в Шеффилде, Англия, открыл и впоследствии освоил производство мартенситного сплава нержавеющей стали , сегодня известного как тип AISI 420. ^[32] Об открытии было объявлено два года спустя в газетной статье в The New York Times в январе 1915 года . ^[18]

Металл позже был продан под брендом «Staybrite» компанией Firth Vickers в Англии и использовался для нового навеса над входом в отель Savoy в Лондоне в 1929 году. ^[35] 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. ^{[22] : 360}

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». ^[36] Брирли работал с местным производителем столовых приборов, который дал ему название «нержавеющая сталь». ^[37] Даже в 1932 году Ford Motor Company продолжала называть сплав «нержавеющей сталью» в рекламных материалах автомобилей. ^[38]

В 1929 году, до Великой депрессии, в США ежегодно производилось и продавалось более 25 000 тонн нержавеющей стали. ^[39]

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

• Процесс AOD ( аргонно-кислородное обезуглероживание ) для удаления углерода и серы
• Непрерывное литье и горячая прокатка полосы ^[40]
• Стан холодной прокатки по методу Сендзимира [ ^{41] [42]}
• Процесс Крезо-Луар-Уддехольм (CLU) и родственные процессы, в которых вместо части или всего аргона используется пар ^[43]

Нержавеющая сталь подразделяется на пять различных «семейств» сплавов, каждое из которых имеет свой набор отличительных признаков. Четыре семейства определяются преобладающей кристаллической структурой — аустенитные, ферритные, мартенситные и дуплексные сплавы. Пятое семейство, дисперсионно-твердеющие, определяется типом термической обработки, используемой для разработки его свойств.

Аустенитная нержавеющая сталь ^{[44] [45]} является крупнейшим семейством нержавеющих сталей, составляющим около двух третей всего производства нержавеющей стали. ^[46] Они имеют гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру. ^[47] Эта микроструктура достигается путем легирования стали достаточным количеством никеля, марганца или азота для поддержания аустенитной микроструктуры при всех температурах, от криогенной области до точки плавления. ^[47] Таким образом, аустенитные нержавеющие стали не закаляются путем термической обработки, поскольку они обладают одинаковой микроструктурой при всех температурах. ^[47]

Аустенитные нержавеющие стали состоят из двух подсемейств:

• Серия 200 ^[48] — это сплавы хрома, марганца и никеля, которые максимально используют марганец и азот, чтобы минимизировать использование никеля. Благодаря добавлению азота они обладают примерно на 50% более высоким пределом текучести, чем листы нержавеющей стали серии 300. Представительные сплавы включают тип 201 и тип 202.
• Серия 300 — это хромоникелевые сплавы, которые достигают своей аустенитной микроструктуры почти исключительно за счет легирования никелем; некоторые очень высоколегированные марки включают некоторое количество азота для снижения потребности в никеле. Серия 300 — самая большая группа и наиболее широко используемая. Представительные сплавы включают тип 304 и тип 316 .

Ферритные нержавеющие стали имеют объемно-центрированную кубическую кристаллическую структуру, являются магнитными и закаляются холодной обработкой, но не термической обработкой. Они содержат от 10,5% до 27% хрома с очень небольшим количеством или без никеля. Из-за почти полного отсутствия никеля они менее дороги, чем аустенитные нержавеющие стали. Представительные сплавы включают тип 409, тип 429, тип 430 и тип 446. Ферритные нержавеющие стали присутствуют во многих продуктах, которые включают:

• Автомобильные выхлопные трубы ^[49]
• Архитектурные и структурные приложения ^[50]
• Строительные компоненты, такие как крючки для шифера, кровля и дымоходы ^{[ требуется ссылка ]}
• Пластины питания в твердооксидных топливных элементах , работающих при температурах около 700 °C (1300 °F) ^[51]

Мартенситные нержавеющие стали имеют объемно-центрированную тетрагональную кристаллическую структуру, являются магнитными и упрочняются термической обработкой и холодной обработкой. Они обладают широким спектром свойств и используются как нержавеющие конструкционные стали, нержавеющие инструментальные стали и стали, устойчивые к ползучести . Они не так устойчивы к коррозии, как ферритные и аустенитные нержавеющие стали из-за низкого содержания хрома. Они делятся на четыре категории (с некоторым совпадением): ^[52]

• Сорта Fe-Cr-C. Это были первые используемые сорта, которые до сих пор широко используются в машиностроении и износостойких приложениях. Представительные сорта включают Тип 410, Тип 420 и Тип 440C.
• Сорта Fe-Cr-Ni-C. Часть углерода заменена никелем. Они обеспечивают более высокую прочность и более высокую коррозионную стойкость. Представительные сорта включают тип 431.
• Сорта стали с мартенситным упрочнением. 17-4 PH (UNS S17400), самый известный сорт, сочетает мартенситное упрочнение и дисперсионное упрочнение для повышения прочности и вязкости.
• Сорта, устойчивые к ползучести. Небольшие добавки ниобия, ванадия , бора и кобальта повышают прочность и сопротивление ползучести примерно до 650 °C (1200 °F).

Мартенситные нержавеющие стали можно подвергать термической обработке для улучшения механических свойств. Термическая обработка обычно включает три этапа: ^[53]

1. Аустенизация, при которой сталь нагревается до температуры в диапазоне 980–1050 °C (1800–1920 °F), в зависимости от марки. Полученный аустенит имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру.
2. Закалка . Аустенит преобразуется в мартенсит, твердую объемно-центрированную тетрагональную кристаллическую структуру. Закаленный мартенсит очень твердый и слишком хрупкий для большинства применений. Может остаться некоторое количество остаточного аустенита.
3. Отпуск. Мартенсит нагревают примерно до 500 °C (930 °F), выдерживают при этой температуре, затем охлаждают на воздухе. Более высокие температуры отпуска снижают предел текучести и предел прочности на растяжение , но увеличивают удлинение и ударопрочность.

Дуплексные нержавеющие стали имеют смешанную микроструктуру аустенита и феррита, идеальное соотношение — 50:50, хотя коммерческие сплавы могут иметь соотношение 40:60. Они характеризуются более высоким содержанием хрома (19–32%) и молибдена (до 5%) и более низким содержанием никеля, чем аустенитные нержавеющие стали. Дуплексные нержавеющие стали имеют примерно в два раза больший предел текучести , чем аустенитная нержавеющая сталь ^{[ необходима ссылка ]} . Их смешанная микроструктура обеспечивает улучшенную стойкость к хлоридному коррозионному растрескиванию под напряжением по сравнению с аустенитными нержавеющими сталями типов 304 и 316 ^{[ необходима ссылка ]} . Дуплексные марки обычно делятся на три подгруппы в зависимости от их коррозионной стойкости: тощая дуплексная, стандартная дуплексная и супердуплексная. Свойства дуплексных нержавеющих сталей достигаются при общем более низком содержании легирующих элементов, чем аналогичные по производительности супераустенитные марки, что делает их использование экономически эффективным для многих применений. Целлюлозно-бумажная промышленность была одной из первых, кто широко использовал дуплексную нержавеющую сталь. Сегодня нефтегазовая промышленность является крупнейшим потребителем и настаивает на более коррозионно-стойких сортах, что привело к разработке супердуплексных и гипердуплексных сортов. Совсем недавно был разработан менее дорогой (и немного менее коррозионно-стойкий) тощий дуплекс, в основном для структурных применений в строительстве (арматурные стержни для бетона, плиты для мостов, прибрежные работы) и в водной отрасли . ^{[ необходима цитата ]}

Дисперсионно-твердеющие нержавеющие стали характеризуются способностью к дисперсионному твердению до более высокой прочности. Существует три типа дисперсионно-твердеющих нержавеющих сталей, которые классифицируются в соответствии с их кристаллической структурой: ^[54]

• Мартенситные дисперсионно-твердеющие нержавеющие стали являются мартенситными при комнатной температуре как в условиях отжига на твердый раствор, так и в условиях дисперсионного твердения. Представительные сплавы включают 17-4 PH (UNS S17400), 15-5 PH (UNS S15500), Custom 450 (UNS S45000) и Custom 465 (UNS S46500).

• Полуаустенитные дисперсионно-твердеющие нержавеющие стали изначально являются аустенитными в состоянии отжига на твердый раствор для простоты изготовления, но впоследствии преобразуются в мартенсит для обеспечения более высокой прочности и дисперсионно-твердеющих. Представительные сплавы включают 17-7 PH (UNS S17700), 15-7 PH (UNS S15700), AM-350 (UNS S35000) и AM-355 (UNS S35500).

• Аустенитные дисперсионно-твердеющие нержавеющие стали являются аустенитными при комнатной температуре как в условиях отжига на раствор, так и в условиях дисперсионного твердения. Представительные сплавы включают A-286 (UNS S66286) и Discalloy (UNS S66220). ^[55]

Для обозначения нержавеющих сталей было разработано несколько различных систем классификации. Основной системой, используемой в Соединенных Штатах, была система нумерации марок стали SAE . Система нумерации SAE обозначает нержавеющие стали по «типу», за которым следует трехзначный номер и иногда буквенный суффикс. Более новая система, которая была совместно разработана ASTM и SAE в 1974 году, — это Единая система нумерации для металлов и сплавов (UNS). ^[56] Единая система нумерации классифицирует нержавеющие стали с помощью буквенно-цифрового идентификатора, состоящего из «S», за которым следуют пять цифр, хотя некоторые аустенитные нержавеющие стали с высоким содержанием никеля могут попадать в обозначение на основе никеля, которое использует «N» в качестве альфа-идентификатора. Обозначения UNS включают ранее используемые обозначения, будь то из системы нумерации SAE или фирменных обозначений сплавов. Европа приняла EN 10088 для классификации нержавеющих сталей. ^[32]

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, чтобы пройти пассивацию , 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. ^[57] Эта пленка является самовосстанавливающейся, даже если она поцарапана или временно нарушена условиями, которые превышают присущую этому классу коррозионную стойкость. ^{[57] [58]}

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.

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. ^[59]

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. ^{[60] [61]} Концентрированная серная кислота обладает окислительными свойствами, как азотная кислота, и поэтому нержавеющие стали, содержащие кремний, также полезны. ^{[ необходимая цитата ]} Соляная кислота повреждает любой вид нержавеющей стали и ее следует избегать. ^{[1] : 118  [62]} Все типы нержавеющей стали устойчивы к воздействию фосфорной кислоты и азотной кислоты при комнатной температуре. При высоких концентрациях и повышенных температурах воздействие будет происходить, и требуются более высоколегированные нержавеющие стали. ^{[63] [64] [65]} 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. ^[66] Увеличение содержания хрома и никеля обеспечивает повышенную стойкость.

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 . ^{[1] [ нужна страница ]}

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:

• Концентрация ионов хлорида. Даже если известна концентрация раствора хлорида, все равно возможно неожиданное возникновение локальной коррозии. Ионы хлорида могут неравномерно концентрироваться в определенных областях, например, в щелях (например, под прокладками) или на поверхностях в паровых пространствах из-за испарения и конденсации.
• Температура: повышение температуры увеличивает восприимчивость.
• Кислотность: повышение кислотности увеличивает восприимчивость.
• Застой: застойные условия повышают восприимчивость.
• Окисляющие вещества: присутствие окисляющих веществ, таких как ионы трехвалентного железа и меди, увеличивает восприимчивость.

Питтинговая коррозия считается наиболее распространенной формой локальной коррозии. Коррозионная стойкость нержавеющих сталей к точечной коррозии часто выражается с помощью PREN , полученного 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 еще 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. ^[67]

Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC) вызывается сочетанием растягивающего напряжения и коррозионной среды и может привести к неожиданному и внезапному отказу компонента из нержавеющей стали. Это может произойти при соблюдении трех условий:

• Деталь содержит либо приложенные, либо остаточные растягивающие напряжения.
• Деталь находится в агрессивной среде.
• Нержавеющая сталь подвержена SCC.

SCC можно предотвратить, устранив одно из этих трех состояний.

Механизм SCC является результатом следующей последовательности событий:

1. Возникает точечная коррозия.
2. Трещины начинаются с места зарождения ямки.
3. Затем трещины распространяются по металлу транскристаллитным или межкристаллитным путем.
4. Происходит сбой.

Гальваническая коррозия ^[68] (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. ^[69] 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. ^[69] 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. ^[69] 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 электрической изоляции между разнородными металлами, где это возможно, эффективно для предотвращения этого типа коррозии. ^[69]

При повышенных температурах все металлы реагируют с горячими газами. Наиболее распространенной высокотемпературной газовой смесью является воздух, из которого 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. ^[70] 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 обеспечивают 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 легирования нержавеющей стали. ^{[71] [72]} С добавлением до 5% алюминия ферритные марки Fe-Cr-Al предназначены для электрического сопротивления и стойкости к окислению при повышенных температурах. К таким сплавам относится Kanthal , выпускаемый в виде проволоки или лент. ^[73]

Стандартные финишные покрытия могут быть нанесены на плоскую прокатную 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. ^{[74] [75]}

В США для описания покрытий из нержавеющей стали по стандарту ASTM A480/A480M-18 (DIN) используются следующие обозначения : ^[76]

• № 0: Горячекатаные, отожженные, более толстые пластины
• № 1 (1D): Горячекатаный, отожженный и пассивированный
• № 2D (2D): Холоднокатаный, отожженный, протравленный и пассивированный
• № 2Б (2Б): То же, что и выше, с дополнительным проходом через тщательно отполированные ролики
• № 2BA (2R): Светлый отжиг (BA или 2R) то же, что и выше, затем светлый отжиг в бескислородной атмосфере
• № 3 (G-2G:) Грубая абразивная отделка, наносимая механическим способом
• № 4 (1J-2J): Матовая отделка
• № 5: Сатиновая отделка
• № 6 (1K-2K): Матовая отделка (шлифованная, но более гладкая, чем № 4)
• № 7 (1P-2P): Светоотражающая отделка
• № 8: Зеркальная отделка
• № 9: Дробеструйная обработка
• № 10: Отделка горячим способом – широкий ассортимент электрополированных и окрашенных горячим способом поверхностей.

Для нержавеющих сталей доступен широкий спектр процессов соединения, хотя сварка является наиболее распространенным методом. ^{[77] [78]}

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 потертости на обратной стороне шва. Этого можно избежать с помощью использования газов для обратной продувки, подкладок и флюсов. ^[79] Послесварочная термообработка требуется почти всегда, а предварительный нагрев перед сваркой также необходим в некоторых случаях. ^[78] Электродуговая сварка ферритной нержавеющей стали типа 430 приводит к росту зерна в ЗТВ, что приводит к хрупкости. Это в значительной степени было преодолено с помощью стабилизированных ферритных марок, где ниобий, титан и цирконий образуют осадки, которые предотвращают рост зерна. ^{[80] [81]} 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. ^[82]

Процессы электродуговой сварки включают в себя: ^[77]

• Газовая дуговая сварка металлическим электродом , также известная как сварка MIG/MAG
• Газовая дуговая сварка вольфрамовым электродом , также известная как сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG)
• Плазменная дуговая сварка
• Дуговая сварка порошковой проволокой
• Сварка металлическим электродом в защитной атмосфере (покрытый электрод)
• Сварка под флюсом

Наиболее распространенными методами являются сварка MIG, MAG и TIG.

Другие сварочные процессы включают в себя:

• Приварка шпилек
• Контактная точечная сварка
• Контактная шовная сварка
• Сварка оплавлением
• Лазерная сварка
• Кислородно-ацетиленовая сварка

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. ^[83]

Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив ссылки на надежные источники в этом разделе. Неподтвержденные материалы могут быть оспорены и удалены. ( Март 2020 ) ( Узнайте, как и когда удалять это сообщение )

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

• Электродуговая печь (ЭДП): лом нержавеющей стали, другой лом черных металлов и сплавы черных металлов (Fe Cr, Fe Ni, Fe Mo, Fe Si) плавятся вместе. Затем расплавленный металл выливается в ковш и передается в процесс AOD (см. ниже).
• Аргонно-кислородное обезуглероживание (AOD): углерод из расплавленной стали удаляется (путем его превращения в оксид углерода ), а также вносятся другие коррективы в состав для достижения желаемого химического состава.
• Непрерывное литье (НЛЗ): расплавленный металл затвердевает в слябы для получения плоской продукции (типичное сечение имеет толщину 20 сантиметров (7,9 дюйма) и ширину 2 метра (6,6 фута)) или блюмы (сечение может сильно различаться, но средний размер составляет 25 на 25 сантиметров (9,8 дюйма × 9,8 дюйма)).
• Горячая прокатка (HR): слябы и блюмы повторно нагреваются в печи и подвергаются горячей прокатке. Горячая прокатка уменьшает толщину слябов, чтобы получить рулоны толщиной около 3 мм (0,12 дюйма). С другой стороны, блюмы подвергаются горячей прокатке в прутки, которые разрезаются на куски на выходе из прокатного стана, или катанку, которая сматывается в бухты.
• Холодная отделка (ХО) зависит от типа отделываемого изделия:
  • Горячекатаные рулоны протравливаются в кислотных растворах для удаления оксидной окалины с поверхности, затем подвергаются холодной прокатке на прокатных станах Сендзимира и отжигу в защитной атмосфере до получения желаемой толщины и чистоты поверхности. Дальнейшие операции, такие как резка и формовка труб, могут выполняться на последующих предприятиях.
  • Горячекатаные прутки выпрямляются, затем обрабатываются до требуемых допусков и отделки.
  • Бухты катанки впоследствии перерабатываются в холоднокатаные прутки на волочильных станах, крепежные изделия на болтоделательных станках и проволоку на однопроходных или многопроходных волочильных станах.

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. ^[46]

Распределение производства по маркам нержавеющих сталей в 2017 году:

• Аустенитные нержавеющие стали Cr-Ni (также называемые 300-й серии, см. раздел «Марки» выше): 54%
• Аустенитные нержавеющие стали Cr-Mn (также называемые 200-й серии): 21%
• Ферритные и мартенситные нержавеющие стали (также называемые 400-й серии): 23%

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

Расчеты стоимости жизненного цикла (LCC) используются для выбора конструкции и материалов, которые обеспечат наименьшую стоимость в течение всего срока службы проекта, например, здания или моста. ^{[84] [85]}

Формула в простом виде выглядит следующим образом: ^{[86] [87] [ 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 — расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание, LP — стоимость потерянной продукции из-за простоя и RC — стоимость заменяемых материалов.

Кроме того, N — это запланированный срок службы проекта, i — процентная ставка, а n — год, в котором происходит конкретный OC, 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 ( ) отражает тот факт, что расходы в течение срока службы проекта должны быть накоплены ^{[ необходимо разъяснение ]} после того, как они скорректированы с учетом процентной ставки. ^{[ необходима цитата ]}${\textstyle \сумма}$

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. ^{[ необходима цитата ]}

Расчеты LCC обычно ограничиваются самим проектом. Однако могут быть и другие расходы, которые заинтересованная сторона проекта может пожелать рассмотреть: ^{[ необходима цитата ]}

• Коммунальные службы, такие как электростанции, водоснабжение и очистка сточных вод, а также больницы, не могут быть остановлены. Любое обслуживание потребует дополнительных расходов, связанных с продолжением обслуживания.
• Косвенные общественные издержки (с возможными политическими последствиями) могут возникать в некоторых ситуациях, таких как закрытие или сокращение движения на мостах, создание очередей, задержек, потеря рабочего времени для людей и увеличение загрязнения окружающей среды из-за простаивающих транспортных средств.

Средний углеродный след нержавеющей стали (всех марок, всех стран) оценивается в 2,90 кг CO ₂ на кг произведенной нержавеющей стали, ^[88] 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 CO ₂ , чем аустениты с 8% Ni или более. Углеродный след не должен быть единственным фактором, связанным с устойчивостью, при принятии решения о выборе материалов:

• В течение срока службы любого продукта техническое обслуживание, ремонт или раннее окончание срока службы (запланированное устаревание) могут увеличить его общий след, значительно превышающий первоначальные материальные различия. Кроме того, потеря обслуживания (обычно для мостов) может повлечь за собой большие скрытые издержки, такие как очереди, бесполезный расход топлива и потеря человеко-часов.
• Количество материала, используемого для предоставления определенной услуги, зависит от производительности, в частности, от уровня прочности, что позволяет создавать более легкие конструкции и компоненты.

Нержавеющая сталь на 100% пригодна для вторичной переработки . ^{[89] [90]} 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% поступают из производственных процессов. ^[91] Более высокому содержанию вторичной переработки препятствует доступность лома нержавеющей стали, несмотря на очень высокий уровень вторичной переработки. Согласно отчету Международной группы по ресурсам « Запасы металлов в обществе» , запас нержавеющей стали на душу населения, 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, на котором перерабатывается пригодный для использования лом для многих рынков нержавеющей стали. Продукт в основном представляет собой рулоны, листы и заготовки. Этот материал закупается по цене ниже основной и продается штамповщикам коммерческого качества и фирмам по производству листового металла. Материал может иметь царапины, выбоины и вмятины, но он изготовлен в соответствии с текущими спецификациями. ^{[ необходима ссылка ]}

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, которая 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:

Наночастицы нержавеющей стали были получены в лабораторных условиях. ^{[93] [94]} 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 . ^[95]

Существуют обширные исследования, указывающие на возможный повышенный риск развития рака (особенно рака легких) при вдыхании паров во время сварки нержавеющей стали. ^{[96] [97] [98] [99] [100] [101]} Предполагается, что сварка нержавеющей стали приводит к образованию канцерогенных паров из оксидов кадмия, никеля и хрома. ^[102] По данным Австралийского совета по борьбе с раком , «в 2017 году все типы сварочных дымов были классифицированы как канцерогены группы 1 ». ^[102]

Нержавеющая сталь, как правило, считается биологически инертной. Однако во время приготовления пищи небольшое количество никеля и хрома выщелачивается из новой посуды из нержавеющей стали в сильнокислотную пищу. ^[103] Никель может способствовать риску возникновения рака, в частности рака легких и рака носа . ^{[104] [105]} Однако связь между посудой из нержавеющей стали и раком не установлена. ^[106]

• Кобальт-хром
• Коррозионная инженерия
• Гофрированная трубка из нержавеющей стали
• Список материалов лезвий
• Список производителей стали
• Металлическое волокно
• Коэффициент Пиллинга-Бедворта
• Румяна
• Стойкая к атмосферным воздействиям сталь

• Honeycombe, RWK (1981). Стали: микроструктура и свойства . Лондон: E. Arnold. ISBN 0-7131-2793-7. OCLC  7576277.
• Международный стандарт ISO15510:2014 (требуется подписка)
• Лакомб, П.; Бару, Б.; Беранже, Г. (1990). Les aciers inoxydables [ Нержавеющая сталь ] (на французском языке). Париж: Ред. де телосложение. Главы 14 и 15. ISBN 978-0868831428. Получено 8 марта 2020 г. .
• Пекнер, Д.; Бернстайн, И.М. (1977). Справочник по нержавеющим сталям. McGraw-Hill Handbooks. Нью-Йорк: McGraw-Hill. ISBN 978-0070491472. Получено 8 марта 2020 г. .

• Медиа, связанные с Нержавеющая сталь на Wikimedia Commons
• Словарное определение термина нержавеющая сталь в Викисловаре