Полное руководство по нержавеющей стали

Марки нержавеющей стали, состав, молекулярная структура, производство и свойства

В этом руководстве:

• Как производится нержавеющая сталь?
• Из чего сделана нержавеющая сталь?
• Типы нержавеющей стали
• Марки нержавеющей стали
• Является ли нержавеющая сталь магнитной?
• Механические свойства нержавеющей стали
• Технический вид – молекулярная микроструктура нержавеющей стали
• Уход и обслуживание

Нержавеющая сталь — это общее название большой группы ферросплавов, устойчивых к ржавчине. В отличие от других сплавов железа нержавеющая сталь имеет стабильный пассивирующий слой, защищающий ее от воздуха и влаги. Эта устойчивость к ржавчине делает его хорошим выбором для многих применений, в том числе на открытом воздухе, в водной среде, в сфере общественного питания и при высоких температурах.

Как производится нержавеющая сталь?

Нержавеющая сталь может быть литой или кованой. Основное отличие заключается в том, как он превращается в конечный продукт. Литая нержавеющая сталь изготавливается путем заливки жидкого металла в формовочную емкость определенной формы. Кованая нержавеющая сталь начинается на сталелитейном заводе, где МНЛЗ превращают нержавеющую сталь в слитки, блюмы, заготовки или слябы. Затем эти сырьевые материалы должны быть обработаны в ходе дальнейшей работы. Они повторно нагреваются и перерабатываются с использованием методов прокатки или ковки.

Изделия из кованой нержавеющей стали более распространены, чем изделия из литой нержавеющей стали.

Литые изделия из нержавеющей стали обычно изготавливаются и отделываются либо в литейном цехе, либо под надзором литейного цеха. Если они являются небольшим компонентом более крупного продукта, отливки могут быть отправлены на другие заводы для сборки. Кованая нержавеющая сталь начинается на сталелитейном заводе, но превращается в конечный продукт на другом заводе.

Из чего сделана нержавеющая сталь?

Как и всякая сталь, нержавеющая сталь начинается со смеси железа и углерода. Что отличает это семейство сплавов, так это то, что нержавеющая сталь также содержит не менее 10,5% хрома. Этот элемент придает нержавеющей стали характерную устойчивость к окислению. Когда нержавеющая сталь подвергается воздействию атмосферы, хром соединяется с кислородом, образуя тонкий стабильный пассивирующий слой оксида хрома (III) (Cr₂ О₃ ). Пассивирующий слой защищает внутреннюю сталь от окисления и быстро восстанавливается, если поверхность поцарапана.

Этот пассивирующий слой отличается от покрытия. Некоторые металлы покрыты цинком, хромом или никелем для защиты поверхности. В этих случаях преимущества покрытия теряются, как только царапина проникает в покрытие. Хром внутри нержавеющей стали обеспечивает не только защиту поверхности. Он создает пассивную пленку всякий раз, когда подвергается воздействию воздуха. Таким образом, даже если нержавеющая сталь глубоко поцарапана, пассивирующий слой восстановится самостоятельно.

ЖЕЛЕЗО + УГЛЕРОД =СТАЛЬ

+ ХРОМ =НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ
(НЕ МЕНЕЕ 10,5% ХРОМА)

Ферритные сплавы

Хром
(10,5–18%)
Углерод
(0,08–0,15%)

Ферритные сплавы

Хром (10,5–18%)
Углерод (0,08–0,15%)

Мартенситные сплавы

Углерод
(0,10–1,2%)
+ Хром
(12–18%)

Производство может включать закалку или закалку на воздухе.

Мартенситные сплавы
<сильный>
Углерод (0,10–1,2%)
+ Хром (12–18%)

Производство может включать закалку или закалку на воздухе.

Аустенитные сплавы

+ Хром
(16%)
+ никель
(8+%)

Может содержать молибден, титан или медь.

Аустенитные сплавы

+ Хром (16%)
+ никель (8+%)

Может содержать молибден, титан или медь.

Дуплексные сплавы

+ Хром (19+%)
+ Молибден
+ небольшое количество никеля

Обычно содержит молибден, медь или другие легирующие элементы.

Дуплексные сплавы

+ Хром (19+%)
+ Молибден
+ небольшое количество никеля

Обычно содержит молибден, медь или другие легирующие элементы.

Сплавы дисперсионного твердения

+ Хром
+ никель
+ Медь и/или другие элементы

Производство должно включать методы термообработки.

Сплавы дисперсионного твердения

+ Хром
+ никель
+ Медь и/или другие элементы

Производство должно включать методы термообработки.

Типы нержавеющей стали

Существует несколько «семейств» нержавеющей стали. Каждое из этих семейств имеет разные пропорции железа, хрома и углерода. Некоторые из них содержат другие элементы, такие как никель, молибден, марганец или медь. Свойства этих сталей различаются в зависимости от состава, что делает эту группу сплавов универсальной.

Марки нержавеющей стали

Сорта дают представление о семействе конкретной нержавеющей стали. Наиболее распространенные оценки:

• Ферритная нержавеющая сталь:430, 444, 409
• Аустенитная нержавеющая сталь:304, 302, 303, 310, 316, 317, 321, 347
• Мартенситная нержавеющая сталь:420, 431, 440, 416
• Дуплексная нержавеющая сталь:2304, 2205

Иногда инженеры выбирают сплавы одного семейства, как, например, два популярных коммерческих сорта аустенитной нержавеющей стали 304 и 316. Однако так бывает не всегда. Автомобильные выхлопные системы часто выбирают между 304 и 409. Решетки для барбекю могут быть изготовлены из 304 или 430.

Является ли нержавеющая сталь магнитной?

Использование магнита для определения того, является ли металл перед вами нержавеющим, не даст вам однозначного ответа. Некоторые марки и типы нержавеющей стали являются магнитными, а некоторые нет — все зависит от различных элементов в сплаве.

Аустенитные нержавеющие марки стали (серия 3xx) не обладают магнитными свойствами. Ваш холодильник из нержавеющей стали чист от магнитов и предметов искусства? Аустенитная нержавеющая сталь из-за микроструктуры кристаллов. (Подробнее читайте ниже в нашем техническом разделе.)

Мартенситные и более распространенные ферритные марки нержавеющей стали, такие как 430, обладают магнитными свойствами. Дуплексные стали, представляющие собой смесь аустенитных и ферритных сталей, обычно слабомагнитны. Магнит на ферритной стали держит крепко. На дуплексе все еще может быть легче сорвать и соскользнуть.

Механические свойства нержавеющей стали

Нержавеющую сталь обычно выбирают, потому что она устойчива к коррозии, но ее также выбирают потому, что это сталь. Такие свойства, как прочность, текучесть, ударная вязкость, твердость, реакция на деформационное упрочнение, свариваемость и теплостойкость, делают сталь невероятно полезным металлом в машиностроении, строительстве и производстве, особенно с учетом ее стоимости. Прежде чем выбрать марку, инженер учитывает рабочую нагрузку и атмосферные условия нержавеющей стали.

Свойства при растяжении

Свойства металлов при растяжении измеряют растяжением. Репрезентативный растянутый стержень подвергается тяговому усилию, также известному как растягивающая нагрузка. При разрушении измеряются предел прочности при растяжении, предел текучести, относительное удлинение и сокращение площади.

Твердость

Твердость – это способность стали сопротивляться вдавливанию и истиранию. Двумя наиболее распространенными тестами на твердость являются Бринелль и Роквелл. В тесте Бринелля небольшой шарик из закаленной стали вдавливается в сталь под действием стандартной нагрузки и измеряется диаметр полученного отпечатка. Тест Роквелла измеряет глубину отпечатка. Твердость некоторых металлов можно увеличить путем холодной обработки, также известной как нагартовка. В некоторых металлах твердость можно повысить за счет термической обработки.

Прочность

Прочность – это способность стали пластически поддаваться деформации при очень локализованном напряжении. Прочная сталь устойчива к растрескиванию, что делает ударную вязкость очень желательным качеством, используемым в инженерных приложениях. Уровень прочности определяется с помощью динамического теста. На стержне образца делают надрез, чтобы локализовать напряжение, а затем ударяют качающимся маятником. Энергия, поглощаемая при разрушении стержня образца, измеряется тем, сколько энергии теряет маятник. Прочные металлы поглощают больше энергии, а хрупкие – меньше.

Ферритовый

Ферритные нержавеющие стали содержат железо, углерод и 10,5–18% хрома. Они могут содержать другие легирующие элементы, такие как молибден или алюминий, но обычно в очень небольших количествах. Они имеют объемно-центрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую структуру — такую ​​же, как у чистого железа при температуре окружающей среды.

Благодаря своей кристаллической структуре ферритные нержавеющие стали обладают магнитными свойствами. Их относительно низкое содержание углерода обеспечивает соответственно низкую прочность. К другим недостаткам ферритного типа относятся плохая свариваемость и пониженная коррозионная стойкость. Однако они желательны для инженерных применений из-за их превосходной прочности. Ферритные нержавеющие стали часто используются для изготовления выхлопных труб автомобилей, топливопроводов и архитектурной отделки.

Аустенитная

Аустенитные нержавеющие стали имеют гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую структуру и состоят из железа, углерода, хрома и не менее 8% никеля. Благодаря высокому содержанию хрома и никеля они обладают высокой коррозионной стойкостью и немагнитны. Подобно ферритным нержавеющим сталям, аустенитные нержавеющие стали нельзя упрочнять термической обработкой. Однако их можно упрочнить холодной обработкой. Высокое содержание никеля в аустенитных нержавеющих сталях позволяет им хорошо работать при низких температурах.

Две наиболее распространенные нержавеющие стали — 304 и 316 — относятся к аустенитным сортам. Основным фактором популярности аустенитных нержавеющих сталей является простота их формовки и сварки, что делает их идеальными для высокоэффективного производства. Существует множество подгрупп аустенитных нержавеющих сталей с широким диапазоном содержания углерода. Свойства дополнительно регулируются добавлением легирующих элементов, таких как молибден, титан и медь. Аустенитные нержавеющие стали часто используются для производства кухонных моек, оконных рам, оборудования для пищевой промышленности и резервуаров для химикатов. Они также широко используются для наружной мебели, такой как скамейки, тумбы из нержавеющей стали и стойки для велосипедов.

Мартенсит

Мартенситные нержавеющие стали имеют объемно-центрированную тетрагональную (ОЦТ) структуру. Они содержат 12–18% хрома и имеют более высокое содержание углерода (0,1–1,2%), чем аустенитные или ферритные нержавеющие стали. Как и ферритная структура ОЦК, ОЦТ является магнитной. Мартенситные нержавеющие стали очень полезны в ситуациях, когда прочность стали важнее ее свариваемости или коррозионной стойкости. Основное отличие заключается в том, что мартенситная нержавеющая сталь может быть закалена термической обработкой из-за высокого содержания углерода. Это делает их полезными для ряда применений, включая аэрокосмические детали, столовые приборы и лезвия.

Дуплекс

Дуплексные нержавеющие стали — новейший тип нержавеющей стали. Они содержат больше хрома (19–32 %) и молибдена (до 5 %), чем аустенитные нержавеющие стали, но значительно меньше никеля. Дуплексные нержавеющие стали иногда называют аустенитно-ферритными, поскольку они имеют гибридную ферритную и аустенитную кристаллическую структуру. Примерно половинное соотношение аустенитной и ферритной фаз в дуплексных нержавеющих сталях дает ей уникальные преимущества. Они более устойчивы к коррозионному растрескиванию под напряжением, чем аустенитные марки, прочнее, чем ферритные марки, и примерно в два раза прочнее, чем их чистая форма. Ключевым преимуществом дуплексных нержавеющих сталей является коррозионная стойкость, равная или превосходящая аустенитные марки в случае воздействия хлоридов.

Дуплексные нержавеющие стали также очень экономичны. Прочность и коррозионная стойкость дуплексной нержавеющей стали достигаются при более низком содержании легирующих элементов, чем у эквивалентных аустенитных марок. Дуплексные нержавеющие стали регулярно используются для изготовления деталей, подверженных воздействию хлоридов, в опреснительной и нефтехимической промышленности. Они также используются в строительстве для изготовления мостов, сосудов под давлением и стяжек.

Закалка атмосферными осадками

Нержавеющие стали дисперсионного твердения могут иметь различную кристаллическую структуру, однако все они содержат как хром, так и никель. Их общими характеристиками являются коррозионная стойкость, простота изготовления и чрезвычайно высокая прочность на растяжение при низкотемпературной термообработке.

Аустенитные дисперсионно-твердеющие сплавы в основном были заменены более прочными суперсплавами. Тем не менее, полуаустенитные нержавеющие стали с дисперсионным твердением продолжают использоваться в аэрокосмической промышленности и даже применяются в новых формах. Мартенситные нержавеющие стали с дисперсионным твердением прочнее обычных мартенситных марок и часто используются для производства прутков, стержней и проволоки.

Технический вид:молекулярная микроструктура нержавеющей стали

Когда металлы вымерзают из расплавленного состояния, они кристаллизуются и образуют зерна. Эта кристаллическая структура определяет многие механические свойства металла. На эту микроструктуру влияет множество факторов.

Типы атомов в сплаве изменяют структуру из-за молекул, образованных этими атомными типами. Процентное содержание каждого материала также определяет порядок расположения атомов.

Температура оказывает сильное влияние на форму кристаллической решетки металла. Различные структуры начинают формироваться при определенных температурах. Сплавы имеют фазовые таблицы, которые показывают, какие типы зерен являются общими при разных температурах и с разным процентным содержанием важных элементов.

На нашей фазовой диаграмме железо-углерод показано, как температура и углерод влияют на формирование зерен в стали. Он показывает три фазы образования железа:

• Феррит или альфа-железо (α) — это стандартное зерно, образующееся при температуре ниже 912 °C.
• Аустенит, или гамма-железо (γ), имеет более плотно упакованные зернистые кристаллы и появляется при температуре 912–1394 °C.
• Дельта-железо (δ) образуется при нагревании выше 1395°C, прежде чем железо превращается в жидкость при 1538°C. Фаза дельта-железа больше похожа на α-железо или феррит.

Добавление углерода влияет на то, как основные зерна стали кристаллизуются, стабилизируются и взаимодействуют друг с другом. Температура влияет на то, как поглощается углерод. Высокотемпературная аустенитная фаза насыщена углеродом с плотно упакованными молекулами металла. При других температурах весь углерод не поглощается. Он создает другие молекулярные структуры. Например, сплав железа с углеродом обычно содержит Fe₃ Молекулы цементита С. В чистом виде цементит классифицируется как керамика:он твердый и хрупкий и придает эти свойства конечному металлу. Графит также может образовываться на молекулярном уровне. Форма этого графита может повлиять на поведение металла при ударе. Круглые графитовые узелки могут скользить друг мимо друга при ударе, деформируясь, но не ломаясь. Для сравнения, металл с большим количеством чешуйчатого графита может срезаться по границам чешуек при ударе. Скорость охлаждения металла, термическая обработка или обработка также влияют на размер и форму зерен.

Аустенитные стали - это те, которые имеют аустенитную решетку с γ-железом. На фазовой диаграмме железо-углерод эта решетка обычно находится при высоких температурах. Однако добавление никеля и/или марганца позволяет аустениту оставаться при охлаждении стали. Микроструктура аустенита известна как «гранецентрированная кубическая». Гранецентрированные кубические молекулы придают металлу особые свойства.

Кубические микроструктуры, центрированные по телу, и кубические микроструктуры, центрированные по граням

Металл представляет собой кристалл, состоящий из молекулярной решетки. Каждая ячейка решетки состоит из атомов. Количество атомов в каждой ячейке решетки и то, как они соединяются друг с другом, меняют то, как эта решетка ведет себя под нагрузкой. Базовые решетки бывают примитивными, объемно-центрированными и гране-центрированными.

ОСНОВНЫЕ ФОРМЫ КЛЕТОК

Примитивный
Кубический

• Каждый атом в этом примитивном кубе находится в углу ячейки. Каждый атом является точкой соединения в решетке.
• Каждый угловой атом используется поровну с окружающими его ячейками. Следовательно, каждый атом является частью восьми соседних кубов.
• Элементарная ячейка всего содержит 1 атом. Поскольку каждый из угловых атомов используется совместно с восемью соседними кубами, только 1/8 каждого атома находится внутри примитивной ячейки.
  8 x 1/8 части каждого углового атома =всего 1 атом.

Тело-
по центру
Кубический (BCC)

• Как и в примитивной кубической форме, в каждом углу клетки есть атомы.
• Кроме того, в середине клетки находится атом. Этот атом не разделяется никакими другими ячейками:к решетке присоединено 8 ячеек и только одна к атому.
• Элементарная ячейка содержит всего 2 атома:
  8 атомов x 1/8 доли на атом, как в примитивной кубической структуре, плюс атом в центре.
• Альфа-железо (феррит) и дельта-железо являются металлами BCC.

По центру лица
Кубический (FCC)

• В гранецентрированной кубической структуре есть атомы в каждом углу ячейки и дополнительно атом в центре каждой грани куба.
• Атомы, центрированные на «лице», используются только двумя ячейками, поэтому каждая из них вносит 1/2 ценности атома.
• Элементарная ячейка содержит всего 4 атома:
  8 атомов x 1/8 доли для угловых атомов и 6 атомов x 1/2 доли для гранецентрированных атомов.
• Гамма-железо (аустенит) – это металл FCC.

Сталь без никеля или марганца приобретает стабильную гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру в диапазоне температур от 1674 до 2541°F. При этих температурах углерод в стали проникает в каждую ячейку.

Однако эта сталь, охлажденная обычным (незакаленным) образом, станет ферритной и объемно-центрированной кубической (ОЦК). Он не будет поддерживать структуру FCC.

Решетки ОЦК более уязвимы к некоторым типам механических деформаций, чем более плотно упакованные структуры ГЦК. У них не одинаковое количество атомов в каждой ячейке, удерживающей решетку вместе. Сохранение структуры FCC даже при комнатной температуре помогает сохранить ее дополнительную прочность. Обычно это делается с добавлением в сплав дополнительных элементов.

Микроструктуры ферритных, аустенитных, мартенситных и дуплексных сталей

Ферритная сталь это обычная сталь BCC. Он становится хрупким при криогенных температурах, быстро теряет прочность при повышенных температурах, обладает магнитными свойствами. Эти свойства обусловлены объемно-центрированной кубической формой (ОЦК).

Внутри каждой «рыхло» упакованной ОЦК-ячейки не все электроны способны найти и спариться с электронами противоположного спина. Именно эти неприсоединенные электроны создают магнетизм ферритной стали. Всего два атома придают прочность каждой ячейке, поэтому ферритную сталь легче сломать, особенно в горячих или холодных условиях.

Аустенитная сталь FCC при комнатной температуре из-за добавления никеля в сплав. Аустенитная сталь более пластична, чем FCC, даже при криогенных температурах. Обладает большей термостойкостью. Он также не магнитится. Эти свойства обусловлены его гранецентрированной (FCC) формой.

У всех решеток есть «системы скольжения» или линии сдвига, по которым решетка может скользить при ударе без разрыва ячеек. Кубические решетки имеют большую симметрию и, следовательно, больше плоскостей скольжения. Возможно, как это ни парадоксально, более плотно упакованный ГЦК-кристалл имеет больше линий сдвига, чем рыхло упакованный ОЦК-кристалл. Плотно упакованные кристаллы легче скользят друг относительно друга. Каждая ячейка имеет больший атомный вес и прочность и легче скрепляется.

Пластическая деформация на микроуровне поддерживает пластичность материала на макроуровне. Вот почему существует более широкий диапазон упругости гранецентрированных кубических структур. Ферритные структуры с большей вероятностью разрушатся при ударе или растрескаются при растяжении, особенно в сложных условиях.

Аустенитные нержавеющие стали являются единственными типами нержавеющих сталей, которые не становятся хрупкими и легко ломаются в криогенных применениях. Аустенитная сталь сохраняет большую часть своей прочности и удлинения даже ниже -292°F. Низкотемпературное охрупчивание характерно для ферритных и дуплексных сталей. После температуры перехода они могут разрушиться под нагрузкой.

Мартенситные стали представляют собой другой тип стали с совершенно другим типом зерна на поверхности. Эти стали не имеют простой кубической микроструктуры. Мартенсит образуется в результате закалки:быстрого охлаждения поверхности. Экологический шок заставляет решетку вздыматься при замерзании. Мартенситные микроструктуры находятся под напряжением, имеют объемно-центрированную четырехугольную форму и не выстраиваются равномерно. Это делает мартенситные поверхности более твердыми, но при этом они более хрупкими даже при комнатной температуре.

Дуплексные стали являются относительно новым дополнением к разновидностям нержавеющих сталей. Эти стали имеют смешанную микроструктуру. Чередующиеся слои феррита и аустенита придают окончательные свойства материала обоим. Меньший процент никеля и/или марганца, необходимый для дуплексной нержавеющей стали, снижает стоимость по сравнению с аустенитной нержавеющей сталью.

Уход за нержавеющей сталью

Хотя нержавеющая сталь устойчива к ржавчине, она не является непроницаемой. Его коррозионная стойкость основана на пассивирующем слое, который можно разрушить химическим путем. Соли, кислоты, царапины, удерживающие влагу, и отложения железа могут сделать нержавеющую сталь уязвимой для ржавчины.

При установке нержавеющей стали необходимо соблюдать осторожность:стальные инструменты могут изменить химический состав поверхности стали, оставив после себя отложения железа, которые сделают поверхность уязвимой. Любое место, которое соприкасалось со сталью, должно быть очищено. Следует избегать глубоких царапин, которые могут удерживать влагу.

Уход за нержавеющими поверхностями несложный, но его следует проводить регулярно, если сталь подвергается ударам, царапинам, соли, железу или другим химическим веществам. За садовой мебелью следует ухаживать два раза в год.

Способ очистки нержавеющей стали зависит от типа проблемы. Для разных типов меток необходимы разные стратегии. В нашем посте по углубленной очистке описываются шаги по обесцвечиванию, ржавчине, жиру, отпечаткам пальцев, цементу или известняку. Хорошо быстро справиться с коррозией. При раннем обнаружении ржавчины может быть достаточно для удаления ржавчины WD-40 или другой смазкой.

При надлежащем уходе и уходе свойства нержавеющей стали, которые делают ее такой привлекательной, — прочность стали в сочетании с коррозионной стойкостью и блеском хрома — могут долгие годы оставаться надежным активом.

Чтобы получить дополнительную информацию о нержавеющей стали или запросить коммерческое предложение по индивидуальному проекту, свяжитесь с нами.