Нержавеющая сталь - марки, свойства, виды, состав и характеристики

Нержавеющая сталь – это легированная сталь, устойчивая к коррозии в атмосфере и предназначенная для работы при высоких температурах. Чтобы считаться нержавеющей, легированная сталь должна содержать не менее 10,5% хрома и не более 1,2% углерода.

Для нужд промышленности разработаны несколько сотен марок нержавейки, которые отличаются по составу, свойствам и областям применения.

В России и странах СНГ используется буквенно-цифровое обозначение легированных нержавеющих сталей. В этой маркировке:

• две первые цифры – показывают содержание углерода в сотых долях процента,
• буквы – обозначают легирующий элемент,
• цифры после буквы – содержание соответствующего элемента в процентах.

Если цифры в обозначении не указаны, то легирующего элемента содержится 0,8—1,5 % (кроме молибдена, ванадия и бора). Например, нержавеющая сталь 10Х17Н13М2Т содержит 0.10% углерода, 17% хрома, 13% никеля, 2% молибдена и около процента титана.

По соображениям стандартизации применяется маркировка AISI, состоящая из трёх цифр и последующих букв. Обозначения аустенитных нержавеющих сталей начинаются с цифр 2ХХ и 3ХХ, а ферритные и мартенситные стали определяются в классе 4ХХ. Например, AISI 304 – сталь аустенитного класса, а сталь 410 – мартенситно-ферритного. Описание состава и свойств материалов есть в справочнике AISI.

Основное качество нержавеющей стали – высокая коррозионная стойкость, т.е. сталь не ржавеет в воде. Это достигается повышенным содержанием хрома (не менее 10,5 %). Хром образует защитный оксидный слой на поверхности стали, который замедляет разрушение металла при контакте с влагой, воздухом и агрессивными веществами.

Пластичность, свариваемость и жаропрочные свойства усиливаются введением в состав сплава никеля и кремния. Другие легирующие металлы – вольфрам, ниобий, молибден, ванадий, титан – также воздействуют на структуру металла и придают ему требуемые физико-химические свойства.

Химический состав нержавеющих сталей и сплавов определяется по ГОСТ 5632-2014. Там же указывается назначение марок стали.

По способу применения нержавеющие стали делятся на три группы:

1. коррозионностойкие стали – устойчивые к коррозии в бытовых и промышленных условиях. Примеры коррозионностойкой стали – 2Х17, 40Х13, 20Х13
2. жаропрочные стали – устойчивые к пластической деформации при высоких температурах – более 500°C. Жаропрочная сталь – марки AISI 310 или 20Х23Н18, AISI 309 или 20Х20Н14C2, AISI 314 или 20Х25Н20С2.
3. жаростойкие стали – сочетают свойства двух первых групп – устойчивы к агрессивным средам при высоких температурах. Примеры жаростойких сталей – 15Х25Т, 15Х6СЮ, 08Х17Т.

Организация пространственной структуры стали зависит от содержания углерода и легирующих элементов, от условий термической и механической обработки. По типу кристаллической структуры выделяют несколько разновидностей нержавеющей стали.

1. Ферритные нержавеющие стали. Содержат не более 0,15% углерода и до 30% хрома. Пластичны, устойчивы к коррозии, обладают магнитными свойствами и хорошей обрабатываемостью.
   Примеры ферритных нержавеющих сплавов – AISI 409 (для изготовления столовых приборов), AISI 410 и AISI 430 (используются в лёгкой и пищевой промышленности).
2. Аустенитные. Содержат не менее 7% никеля и около 18% хрома. Пластичны, прочны и тверды, хорошо свариваются и обрабатываются, стойки к коррозии, но не имеют магнитных свойств.
   Примеры аустенитных нержавеек – AISI 201, AISI 304, AISI 321 (используются в химической и нефтяной промышленности).
3. Мартенситные. Содержат 11–13 % хрома и до 0,5 % углерода. Обладают высокой прочностью, твёрдостью и износостойкостью, используются для изготовления режущих инструментов и высоконагруженных деталей.
   Примеры мартенситных марок сталей – AISI 420, AISI 431.
4. Ферритно-аустенитные содержат 18–28 % хрома и 4,5–8 % никеля и сочетают свойства ферритных и аустенитных сталей: прочность, гибкость и хорошую свариваемость. Они используются в химической промышленности, машино-, судо- и авиастроении.
   Примеры таких сталей – 08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т, 08Х18Г8Н2Т.

Существуют также полумартенситные, аустенитно-мартенситные, аустенитно-карбидные и иные стали. При необходимости получить сплав с лучшей коррозионной стойкостью, чем аустенитная сталь, используют сплав на железноникелевой, никельмолибденовой основе, хромоникелевой и хромоникельмолибденовой основе. Если материал содержит менее 50% железа, он относится к категории суперсплавов и не классифицируется как сталь.
 

Стали марок AISI 201 и AISI 202 относятся к аустенитной группе сплавов. В их состав входят хром, никель, марганец, медь и азот. Они отличаются высокой прочностью и обрабатываемостью.

Нержавеющие стали серии AISI 3XX относятся к аустенитной или дуплексной (аустенитно-ферритной) группе сплавов. Их свойства определяются процентным содержанием основных добавок: углерода, никеля, хрома, титана. Эти стали универсальны и широко востребованы на рынке.

Нержавейки 400-й серии отличаются высоким содержанием хрома и низким содержанием углерода. Они используются там, где требуется устойчивость к коррозии, хорошая свариваемость и пластичность. Эти марки часто дешевле, чем аналогичные стали из 300-й серии, так как содержат меньше никеля и других легирующих элементов.

Российские ГОСТы не подразумевают деление марок нержавеющей стали на серии. Однако разнообразие представленных на рынке сталей огромно и насчитывает десятки или сотни наименований. Самые востребованные российские марки нержавейки:

ГОСТ 20Х13 (AISI 420) – нержавеющая сталь с мартенситной структурой, не поддаётся свариванию, не склонна к отпускной хрупкости, в процессе производства не образует внутренних дефектов. Используется для изготовления измерительного, режущего инструмента, пружин, рессор.

ГОСТ 12Х17 (AISI 430) – ферритная нержавеющая жаропрочная марка, не содержит никеля. Имеет хорошую коррозионную стойкость в средне-агрессивных химических средах и высоких температурах.

ГОСТ 12Х18Н9 (AISI 304) – жаропрочный коррозионностойкий сплав для сварных конструкций, контактирующих с агрессивными средами. Используется для изготовления листовых деталей, сварной аппаратуры, теплообменников, аппаратов, работающих под давлением.

ГОСТ 08Х18H10 (AISI 304H) – аустенитная жаропрочная коррозионностойкая сталь, применяемая для производства трубного проката, узлов и агрегатов для химической и машиностроительной сферы, теплообменников, промышленных ёмкостей.

ГОСТ 03Х18H11 (AISI 304L) – хромоникелевая сталь для производства оборудования для химической промышленности.

ГОСТ 08Х18H10Т (AISI 321) – нержавеющий жаростойкий, жаропрочный и немагнитный сплав. Устойчивый к окислению и хорошо сваривается. Широко применим для производства листового и трубного проката, сварной аппаратуры, изготовления ёмкостей, цистерн, резервуаров и оборудования в химической и нефтегазовой промышленности.

ГОСТ 03Х17H14М2, 03Х17H14М3 (AISI 316, 316S, 316L) – аустенитная сталь, из которой изготавливают сварные детали, оборудование для целлюлозно-бумажной и химической промышленности, корпусы котлов, ёмкости и установки для угольной промышленности. Не подлежит закаливанию.

ГОСТ 08Х17H13М2Т (AISI 316Ti) – конструкционный жаростойкий жаропрочный нержавеющий сплав с содержанием титана, применяется для крепёжных деталей и сварных конструкций.

ГОСТ 20Х23H18 (AISI 310S) – жаропрочная и жароустойчивая аустенитная нержавеющая сталь для изготовления поковок, хомутов, камер сгорания, крепёжных деталей и элементов котлов, трубопроводов и арматуры.

Многие российские нержавеющие стали – аналоги AISI или марок DIN, используемых в Германии. По таблицам соответствия можно найти аналог для конкретной марки.

Таблица соответствий распространённых марок нержавеющей стали  

Добавление легирующих присадок приводит к изменению желаемых физико-химических свойств сплава:

1. Коррозионная стойкость. Хром и никель уменьшают склонность железа к окислению и увеличивают сопротивление воздействию агрессивных сред.
2. Прочность и устойчивость к деформации. Достигается за счёт перекристаллизации железа в процессе легирования.
3. Жаростойкость и жаропрочность. Для повышения жаростойкости используются легирующие добавки, которые изменяют состав и строение окалины: хром, кремний, никель. Жаропрочные стали преимущественно легируют хромом.
4. Простота металлообработки, термической обработки и сварки. При сварке нужно учитывать низкую прочность сварного шва из-за повышенного содержания хрома.
5. Нейтральность. Нержавеющая сталь не склонна вступать в химические реакции с окружающей средой, что объясняет её широкое применение в пищевой, химической и медицинской промышленности.
6. Декоративность. Нержавейка обладает узнаваемым блеском, устойчива к окислению и физическому воздействию, а поэтому применяется там, где требуется эффектный внешний вид – для изготовления посуды, бытовой техники, элементов декора.

Эксплуатационные свойства нержавеющей стали востребованы во всех отраслях промышленности и строительства:

• для изготовления деталей, работающих в условиях высокой температуры, под повышенными нагрузками и в коррозийно-активных средах (например, турбинные лопатки, клапаны гидравлических прессов, арматура крекинг-установок)
• для изготовления труб различного диаметра
• в машино-, автомобиле- и судостроении, а также на производстве военной техники
• для изготовления режущего инструмента
• для изготовления сложных строительных конструкций, опор, ограждений, лестниц, перил, арматуры и каркасов
• для изготовления металлической проволоки, сеток, тросов, канатов и пружин
• в лёгкой промышленности, для изготовления бытовых предметов, в частности, столовой посуды (из пищевой нержавеющей стали)
• для создания декоративного эффекта при отделке интерьеров, навесов и козырьков, бытовой техники, а также для изготовления украшений
• в пищевой, химической и медицинской промышленности для изготовления инструментов и оборудования
• для изготовления коронок, протезов и имплантов, а также косметологических инструментов.

Сталь нержавеющая пищевая отличается сравнительно низким количеством легирующих добавок, так как её использование не предполагает работу при очень высоких температурах или с очень агрессивными средами. Наиболее известные стали, из которых изготавливают кухонное оборудование, посуду и приборы – AISI 304, AISI 304L, AISI 316, AISI 316L, AISI 316Ti, AISI 321, AISI 430.

Нержавеющая сталь медицинского назначения должна обеспечивать стерильность инструмента, прочность и устойчивость к температуре и коррозии. Наиболее распространённые марки медицинской нержавейки – 12Х18Н10Т, она же AISI 321, 08Х18Н10, она же AISI 304, и 08Х17Н13М2, она же AISI 316.

Под обычной сталью, как правило, понимается чёрная углеродистая сталь. Это сплав железа и углерода без легирующих элементов. Если сталь покрывается защитным барьерным слоем цинка, она называется оцинкованной.

По сравнению с обычной углеродистой сталью, нержавеющая содержит большое количество хрома (12-20%) и других элементов, вводимых в сплав для придания нужных физико-механических свойств (никеля, молибдена, марганца, титана).

Свойства углеродистых сталей объясняются повышенным содержанием углерода (до 2,14 %). В них нет значимого количества легирующих добавок. Углеродистые стали дёшевы, прочны, хорошо обрабатываются и устойчивы к высоким температурам, однако подвержены коррозии. Нержавеющие стали содержат легирующие добавки – хром, за счет чего не ржавеют.

Улеродистая сталь используется в строительстве, машиностроении, при возведении трубопроводных систем, для изготовления арматуры и инструментов. Нержавеющая сталь стоит дороже и применяется там, где есть контакт с водой или агрессивными средами.

Оцинкованная сталь – это обычная чёрная сталь, на которую нанесён слой цинка для защиты от внешней среды. В отличие от нержавеющей стали, в состав такого сплава не входят легирующие добавки.

Отличить нержавейку от оцинковки можно прежде всего по цвету: поверхность нержавейки более матовая, а оцинкованная сталь имеет узорчатую поверхность или покрыта дополнительным лакокрасочным защитным слоем. Если анализ внешнего вида не дал результатов, используется магнитный тест (большинство марок нержавеющей стали не магнитятся) или химические пробы (тест соляной кислотой или солевым раствором).

По сравнению с оцинкованной сталью, нержавеющая дороже и обеспечивает лучшую защиту от коррозии, так как не требует постоянного обновления оцинкованного слоя.

Нержавеющая сталь – это подвид легированных сталей с повышенным содержанием хрома и никеля. Отдельные типы легированных сталей – инструментальные, могут содержать больше углерода и отличаться большей твёрдостью и прочностью, но меньшей коррозионной стойкостью.

Чаще всего нержавеющая сталь дороже легированной и обычной углеродистой из-за высокого содержания хрома. Выбор между той или другой сталью делается исходя из условий эксплуатации, а также экономических соображений.