Нержавеющая сталь: свойства, производство и будущие применения

История

Нержавеющая сталь — железобазовый сплав, содержащий два или более химических элементов. Её определяющая черта — хромовое содержание 12–20%, обеспечивающее исключительную стойкость к пятнированию и ржавлению. Существует более 57 стандартных марок по ASTM, плюс многочисленные проприетарные вариации от ведущих производителей. Эти сплавы интегральны для бесчисленных отраслей — от навесного оборудования и фасадов зданий до автомобильных компонентов, химической переработки, целлюлозно-бумажной, нефтепереработки, водной инфраструктуры, морского строительства, контроля загрязнений, спортивных товаров и ж/д транспорта.

В Северной Америке пищеперерабатывающий сектор потребляет около 200 000 т никельсодержащей нержавеющей стали ежегодно. Сплав используется по всей цепочке — от сбора до подачи — в оборудовании для молока, вина, пива, безалкогольных напитков и фруктовых соков, коммерческих варок, пастеризаторах и транспортерных бункерах. Преимущества — легкая чистка, высокая коррозионная стойкость, долговечность, стоимостная эффективность, защита вкуса и гигиеничный дизайн — почему Министерство коммерции США зафиксировало 1 514 222 т отгрузок нержавейки в 1992 году.

Нержавеющие стали категоризируются по микроструктуре:

• Аустенитные — минимум 6% никеля, гранецентрированная кубическая, отличная коррозионная стойкость и вязкость.
• Ферритные — кубическое телоцентрированное, лучшая стойкость к напряженно-коррозионному трещинобразованию, чем аустенитные, но труднее сварки.
• Мартенситные — игольчатая структура, высокая прочность.
• Дуплексные — примерно равные феррит и аустенит, превосходная стойкость к точечной и щелевой коррозии, в два раза выше прочность типичных аустенитных марок, делая их идеальными для НПЗ, газовых заводов, целлюлозных комбинатов и морских трубопроводов.

Сырье

Свойства конечного сплава настраиваются вариацией пропорций железной руды, хрома, кремния, никеля, углерода, азота и марганца. Например, азот повышает предельную прочность, вязкость и коррозионную стойкость — атрибуты, особенно ценные в дуплексных сталях.

Производственный процесс

Производство нержавеющей стали включает последовательность шагов, преобразующих сырье в готовые продукты:

Плавка и литье

• Элементарный заряд плавится в электрической печи 8–12 ч. Расплавленную сталь затем лиют в полуфабрикаты: блумы, блоги, плиты, прутки или трубные заготовки.

Формовка

• Горячая прокатка формирует полуфабрикаты в прутки, проволоку, листы, полосы и ленты. Размеры прутков от 0,25 до 0,5 дюйма в диаметре, а толщина листов превышает 0,1875 дюйма (4,75 мм). Последующая холодная прокатка уточняет размеры и улучшает поверхностную отделку.

Термическая обработка

• Отжиг снимает внутренние напряжения. Закалка со старением, используемая для высокопрочных сплавов, требует точного температурного контроля (900–1000 °F / 482–537 °C) и контролируемой скорости охлаждения. Послестарение закалка — например, ледово-водяная баня 35 °F (1,6 °C) минимум на два часа — может повысить вязкость без потери прочности.
• Аустенитные марки нагревают выше 1900 °F (1037 °C) и охлаждают водой или воздухом в зависимости от толщины. Медленное охлаждение может вызвать выделение карбидов, смягчаемое термической стабилизацией при 1500–1600 °F (815–871 °C).

Очеснение

• Отжиг оставляет защитную шкалу, которую нужно удалить. Маркирование (нитрозо-фторидная ванна) и электроочистка (фосфорная кислота с электрическим током) — распространенные методы. Время очеснения варьируется: прутки и проволока проходят дополнительную формовку перед очеснением, а листы и ленты очесняют сразу после горячей прокатки и снова после холодной.

Резка

• Механическая резка — гильотинные ножницы, круговые ножницы, высокоскоростные стальные пилы, штамповка и набор — производят заготовки желаемых форм. Пламенная резка кислородно-пропановым горелкой с железным порошком предлагает чистую, быструю альтернативу. Плазменная резка, использующая ионизированный газовый столб и электрическую дугу, дает точные, высокотемпературные разрезы.

Отделка

• Поверхностная отделка диктует внешний вид и чистоту. Матевые финиши получаются от горячей прокатки и отжига; яркие — от холодной прокатки на полированных вальцах; высокорефлексивные — контролируемым отжигом и абразивным шлифованием; зеркальные — прогрессивной полировкой и экстенсивным полированием.
• Распространенные инструменты отделки включают шлифовальные круги, абразивные ленты и тканевые полировальные круги с мелкими абразивными пастами. Другие методы — барабанная обработка, пескоструй, мокрое травление, металлическая щетка и маркирование — адаптируют текстуру поверхности для специфических применений.

Фабрикация и конечная обработка пользователем

• После отгрузки фабрикаторы выполняют дополнительную формовку — рулонную формовку, прессовку, ковку, втяжку, экструзию — и могут применять дополнительную термообработку, механическую обработку или очистку.
• Сварка остается доминирующей технологией соединения. Плавковая сварка использует электрическую дугу, а контактная сварка комбинирует тепло от электрического сопротивления с давлением. Послесварная очистка обеспечивает чистый, коррозионно-стойкий шов.

Контроль качества

Внутрипроцессные контролы и финальные инспекции регулируются спецификациями ASTM, охватывающими механические свойства, вязкость и коррозионную стойкость. Металлографический анализ, часто коррелирующий с коррозионными тестами, дает дополнительный слой качественного обеспечения.

Будущее

Нержавеющие и сверхнержавеющие стали все чаще принимают для соответствия строгим экологическим регуляциям. Угольные ТЭЦ устанавливают нержавеющие втулки дымоходов под Чистый воздух. Новые применения включают высокоэффективные теплообменники домашних печей, сервисные трубопроводы АЭС, балластные танки, морские системы пожаротушения, гибкие нефтегазовые трубопроводы и гелиостаты для солнечных ферм.

Рециркуляция вторичного охлаждающей воды — теперь требование для нефтехимии и переработки — повышает хлоридные концентрации, ускоряющие точечную коррозию. Дуплексные нержавеющие трубки предлагают стоимостно-эффективное, коррозионно-стойкое решение, побуждая производителей разрабатывать высокостойкие сплавы.

Автомобильный спрос прогнозируется ростом от 55–66 фунтов (25–30 кг) на автомобиль до более 100 фунтов (45 кг) к 2050 году, движимый металлическими субстратами для катализаторов, подушками безопасности, композитными бамперами, деталями топливной системы, тормозными линиями и долговечными выхлопными системами.

Прогресс в супераустенитных нержавеющих сталях — азот до 0,5% — поддерживает операции в отбеливании целлюлозы, морской воде и фосфорной кислоте, скрубберах, морских платформах и других коррозионных средах. Новые композиции включают ферритные железобазовые сплавы с 8–12% Cr для магнитных применений и аустенитные стали с ультранизким серой для полупроводникового и фармацевтического производства.

Японские исследования дали формучно-память, коррозионно-стойкую нержавейку, возвращающую исходную форму при нагревании после пластической деформации, обещающую применения в трубных фитингах, зажимах и температурных датчиках. Новый мартенситный сплав дает превосходную поверхностную отделку и снижение вибрации для миниатюрных ролликонтактных подшипников.