Экспертное руководство по CNC-обработке деталей из нержавеющей стали

Введение

Нержавеющей сталью называют легированную сталь с содержанием хрома более 12% или никеля более 8%. Этот материал обладает коррозионной стойкостью в атмосфере и агрессивных средах, а также высокой прочностью при температурах выше 450°C. Сталь с содержанием хрома 16–18% называется кислотоустойчивой или кислотостойкой нержавейкой и широко известна просто как нержавеющая сталь.

Основные свойства

Нержавеющая сталь характеризуется коррозионной стойкостью, честоустойчивостью, кислотостойкостью, ударной вязкостью и вязкостью в широком диапазоне температур. В зависимости от условий эксплуатации предлагаются различные марки и типы поверхностной обработки, что делает эти детали идеальными для множества применений. Хром в составе стали обеспечивает формирование на поверхности невидимой, но прочной оксидной пленки хрома, устойчивой к коррозии. При механическом или химическом повреждении эта пленка способна саморегенерации (при наличии кислорода). Кроме того, 100% возможность переработки делает нержавеющую сталь экологически чистым материалом. Благодаря этим свойствам она широко применяется в тяжелой и легкой промышленности, производстве предметов быта и строительно-декоративных целях.

Классификация нержавеющей стали

Нержавеющую сталь принято делить на 5 основных категорий. Каждая группа идентифицируется легирующими элементами, определяющими микроструктуру, и названа в их честь. Это: аустенитная, мартенситная, ферритная, упрочняемая выделением (PH) и дуплексная (феррито-аустенитная) стали.

Аустенитные марки

Аустенитная нержавеющая сталь — наиболее распространенный тип, не обладает магнитными свойствами. Наиболее популярные аустенитные сплавы — это железо-хром-никелевые стали, известные как серия 300. Основные легирующие добавки: хром (18–30%) и никель (6–20%). Благодаря высокому содержанию хрома и никеля аустенитные стали обладают наивысшей коррозионной стойкостью среди всех нержавеек. Они сохраняют прочность при высоких температурах, легко обрабатываются, отлично штампуются и демонстрируют исключительные механические свойства. Их можно упрочнять холодной деформацией, но термическая обработка неэффективна. Типичные применения: валы, клапаны, болты, втулки, гайки, авиационные комплектующие, пивоваренное оборудование и криогенные сосуды.

Стандартные марки

Стандартные аустенитные марки содержат до 0,08% углерода. Минимальное содержание углерода не регламентировано.

Марки с пониженным содержанием углерода (L-марки)

L-марки обеспечивают дополнительную коррозионную стойкость после сварки. Буква «L» после обозначения марки указывает на низкое углеродистое (например, 304L). Содержание углерода поддерживается на уровне 0,03% или ниже для предотвращения выделения карбидов. Поскольку при сварке возникают высокие температуры, способствующие выделению углерода, L-марки рекомендуются для сварочных конструкций. Часто прокатные заводы поставляют сталь с двойной сертификацией, например 304/304L или 316/316L.

Марки с повышенным содержанием углерода (H-марки)

H-марки имеют минимальное содержание углерода 0,04% и максимальное 0,10%. Повышенный углерод помогает сохранить прочность при экстремальных температурах. Эти марки применяются, когда конечное изделие эксплуатируется в условиях экстремальных температур.

Марка 304

Одна из самых популярных аустенитных марок с базовым составом 18/8 (18% хрома, 8% никеля) и максимальным содержанием углерода 0,07%. Также известна как нержавейка A2. Обладает отличной коррозионной стойкостью, хорошей обрабатываемостью и формовочностью после CNC-обработки. 304/304L идеально подходят для бытовых и коммерческих применений. Высокое содержание хрома и никеля делает их первым выбором для оборудования химической (слабые химикаты), пищевой/молочной и напиточной промышленности.

Марка 309

Повышенное содержание хрома и никеля обеспечивает лучшую коррозионную стойкость и устойчивость к нагару при высоких температурах до 1900°F (1038°C). 309 можно холодно деформировать, но не термически упрочнять. Хорошо сварена и относительно легко обрабатывается резанием. Применяется для деталей печей, термометрических колб, подвесов труб котельных, генераторов, оборудования бумажных заводов, нефтепереработки, паяльных приспособлений, болтов, огнеупорных кронштейнов и облицовки печей.

Марка 316

Вторая по популярности после 304. Содержит 16–18% хрома, 11–14% никеля и минимум 2% молибдена. Молибден существенно повышает устойчивость к ямной коррозии. Марка устойчива к нагару до 1600°F (871°C). Применяется в химической переработке, целлюлозно-бумажной, пищевой и напиточной промышленности, хирургическом оборудовании, а также в морской технике благодаря лучшей стойкости к хлоридной коррозии по сравнению с 304. Нержавейка 316 используется в установках восстановления ядерного топлива. Марка 18/10 обычно соответствует этому уровню.

Марка 317

Содержит более 3% молибдена (больше, чем 316). Сварена, хорошо обрабатывается резанием, допускает холодную и горячую деформацию, но не термически упрочняется. Применяется в агрессивных средах, часто в системе очистки газов воздухоочистного оборудования. Идеальна для генераторов, абсорбционных колонн, котлов, конденсаторных и теплообменных труб, сосудов под давлением, дымоходов, фитингов и клапанов. Марка 317L ограничивает углерод 0,030%, кремний до 0,75% для дополнительной коррозионной стойкости.

Марка 321

Содержит титан в количестве не менее пятикратного содержания углерода. Это предотвращает или минимизирует выделение хромовых карбидов при сварке или нагреве. Подходит для сред до 1500°F (816°C). Склонна к ползучести и разрушению, но обладает высокой устойчивостью к растяжению и вибрационному усталостному разрушению. Основное применение: авиационные выхлопные трубы и коллекторы, детали реактивных двигателей, котельные оболочки, нагреватели.

Марка 348

Нيوбий и тантал связывают углерод, предотвращая выделение хромовых карбидов при сварке. Обладает отличной коррозионной стойкостью после воздействия температур 800–1500°F (427–816°C).

Мартенситные марки

Мартенситные нержавеющие стали — это коррозионно-стойкие сплавы, упрочняемые термической обработкой. Это хромовые стали без никеля. Они магнитны, упрочняются закалкой, но менее коррозионно-стойки, чем аустенитные. Применяются там, где нужны твердость, прочность и износостойкость.

Типичные изделия: насосные валы, болты и винты, клапаны, втулки, ниеты, угольные баки, столовые приборы, детали реактивных двигателей и самолетов, горное оборудование, стволы ружей, вставки огнетушителей. Популярные марки: 410, 414, 416, 420, 431, 440.

Марка 410

Базовая мартенситная марка с минимальным легированием среди трех базовых нержавеек (304, 430, 410). Низкая стоимость, общего назначения, термически упрочняемая. Содержит минимум 11,5% хрома, устойчива к коррозии многих химикатов и кислот. Применяется в слабоагрессивных средах (воздух, вода, определенные химикаты, пищевые кислоты). Подходит для деталей, требующих сочетания прочности и коррозионной стойкости, например крепежа. Марка 410S имеет меньший углерод, лучшую сварку, но ниже закаляемость. Рекомендована для коррозионно- и теплостойких применений.

Марка 414

Добавка никеля (2%) повышает коррозионную стойкость. Применяется для болтов, гаек, давленых пластин, клапанных деталей, хирургических инструментов, нефтеперерабатывающего оборудования. Типичные применения: пружины и столовые приборы.

Марка 416

Специальная модификация 410 с добавлением фосфора и серы для улучшения режущих свойств. Термически упрочняема. Типичные применения: детали автоматов.

Марка 420

Повышенный углерод улучшает механические свойства. Закаляется до ~500 HB, максимальная коррозионная стойкость достигается после полной закалки. Применяется в точном машиностроении, подшипниках, электрике, приборах, транспорте, бытовой технике. Изготавливают детали, устойчивые к атмосфере, водяному пару, воде и окислительным кислотам.

Марка 431

Никель ~1,25–2%, повышенный хром. Выше коррозионная стойкость и механические свойства, чем у 410 и 430. Наивысшая коррозионная стойкость среди упрочняемых мартенситных сталей. Допускает горячую и холодную деформацию, закаляется до 40 HRC. Типичные применения: клапаны, насосы, авиационные компоненты, пропеллерные валы, морское оборудование.

Марка 440

Существует три основные модификации: 440A, 440B, 440C и 440F (автоматная). Повышенный хром и углерод улучшают вязкость и коррозионную стойкость. Твердость до 58 HRC — среди самых твердых нержавеек. Применяется для хирургических инструментов (скальпели, ножницы), сопел, подшипников.

Ферритные марки

Ферритные нержавеющие стали, как и мартенситные, — это хромовые стали без никеля. Устойчивы к коррозии и окислению, сохраняют устойчивость к напряженной коррозии и трещинобразованию. Магнитны, но не упрочняются термической обработкой. Можно холодно деформировать и мягчить отжигом. Коррозионная стойкость выше мартенситных, но обычно ниже аустенитных. Применяются для декоративных планок, раковин, автоприменений (выпускные системы). Популярные марки: 405, 409, 430, 434, 436, 442, 446.

Марка 405

12% хрома + алюминий. После охлаждения с высоких температур этот состав предотвращает закалку. Идеальна для сварки. Высокая штамповочность и обрабатываемость. Применяется для теплообменников, материалов паровых турбин, деталей закалки.

Марка 409

11% хрома — минимальное содержание среди нержавеек, образует тончайшую пассивную пленку. Одна из самых дешевых марок. Только для некритичных коррозионных сред (внутренние/внешние детали). Типичное применение: глушители. По сравнению с углеродной сталью 409 обладает высокой коррозионной стойкостью и может заменять углеродную сталь в слабоагрессивных средах. Преимущества: высокая коррозионная стойкость и высокотемпературная окислительная стойкость.

Марка 430

Универсальная сталь с хорошей коррозионной стойкостью. Лучшая теплопроводность, чем у аустенита, меньший коэффициент теплового расширения, устойчивость к тепловой усталоте, стабилизирующий титан, хорошие свойства сварного шва. Применяется в строительном декоре, деталях горелок, бытовой технике. 430F — автоматная модификация 430 для автоматов, болтов, гаек. 430LX — с Ti или Nb, пониженным углеродом, улучшенной обрабатываемостью и сварностью. Для водонагревателей, систем ГВС, санитарной техники, бытовых приборов, велосипедных втулок.

Марка 434

12–30% хрома + молибден для повышения коррозионной стойкости. Коррозионная стойкость, вязкость и сварность растут с увеличением хрома. Лучшая устойчивость к хлоридно-напряженной коррозии. Улучшенная 430, более стойкая к соли, применяется в автодекоре и крепежах.

Марка 436

Модифицированная 434 с добавлением ниобия для повышения коррозионной и тепловой стойкости. Для деталей глубокой штамповки, газовых горелок, посудомоечных машин, вытяжек, паровых гладилок, сковородок.

Марка 442

Экстремально высокая коррозионная стойкость за счет высокого хрома, отличная теплостойкость и честоустойчивость, но не термически упрочняема и труднообрабатываема. Применяется для печей, деталей горения, цинковых литейных машин, азотфиксирующих деталей, емкостей для азотной кислоты.

Марка 446

27% хрома еще больше повышает коррозионную стойкость и честоустойчивость при высоких температурах. Без отслаивающейся оксидной шкалы ниже 1082°C. Применяется в камерах сгорания.

Марки, упрочняемые выделением (PH)

Как и мартенсит, PH-стали упрочняются термической обработкой. Их прочность, твердость и коррозионная стойкость выше мартенситных хромовых сталей. Обычно превосходят аустенитные по прочности и сохраняют её при высоких температурах. Называются PH-сталями, содержат высокий хром, используются для военной техники и авиационных конструкций. Популярные марки: 17-7 PH, PH 15-7 Mo, 17-4 PH, 15-5 PH.

Марка 17-7

После закалки 17-7PH имеет неустойчивую аустенитную структуру с хорошей пластичностью и технологичностью. После отжига и мартенситного превращения структура переходит в низкоуглеродистый отпущенный мартенсит с лучшей вязкостью. Это рабочее состояние со хорошими механическими свойствами при средних температурах. Коррозионная стойкость выше обычных мартенситных сталей.

Марка PH 15-7 Mo

Разработана заменой 2% хрома на 2% молибдена в стали 0Cr17Ni7Al. Базовые свойства похожи на 17-7PH, но комплексные характеристики лучше. В аустенитном состоянии допускает холодную штамповку и сварку. После термообработки достигает максимальной прочности. Отличная высокотемпературная прочность до 550°C. Применяется для тонкостенных авиационных конструкций, сосудов, трубопроводов, пружин, клапанных мембран, судовых валов, компрессорных дисков, реакторных деталей, химического оборудования.

Марка 17-4

Сплав 17-4 — хромо-медная выделенно упрочняемая нержавейка с отличной окислительной и коррозионной стойкостью. Механические свойства (прочность, пластичность, окислительная стойкость) оптимизируются термообработкой. Можно закаливать при разных температурах, получая широкий спектр свойств. Не применяется выше 300°C и при очень низких температурах.

Марка 15-5

Модификация 17-4 хромо-никелево-медной выделенно упрочняемой мартенситной нержавейки. 15-5 превосходит 17-4 по вязкости. По сравнению с аналогами используется там, где нужны лучшая коррозионная стойкость и поперечные свойства.

Дуплексные (феррито-аустенитные) марки

Дуплексные нержавеющие стали — новейший класс, сочетающий аустенитную и ферритную структуры. Славятся экстремально высокой прочностью и устойчивостью к напряженной коррозии. Прочность примерно в 2 раза выше аустенитных и ферритных марок. Хотя вязкость и пластичность лучше ферритных, они не достигают уровня аустенитных. Хорошо поддаются термообработке, но трудны к холодной формовке. Применяются для химического оборудования, сосудов под давлением, компонентов теплообменников.

Дуплексные стали делятся на 4 категории:

1. Низколегированные: UNS S32304 (23Cr-4Ni-0,1N), без молибдена, PREN 24–25. Заменяет AISI 304 или 316 по устойчивости к напряженной коррозии.
2. Среднелегированные: UNS S31803 (22Cr-5Ni-3Mo-0,15N), PREN 32–33. Коррозионная стойкость между AISI 316L и аустенитными 6% Mo+N.
3. Высоколегированные: обычно 25% Cr, Mo, N, иногда Cu, W. Эталон UNSS32550 (25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0,2N), PREN 38–39. Коррозионная стойкость выше дуплексов 22% Cr.
4. Супердуплексные: высокий Mo и N, эталон UNS S32750 (25Cr-7Ni-3,7Mo-0,3N), иногда W, Cu, PREN >40. Для суровых сред, отличные коррозионные и механические свойства, сравнимы с супераустенитными сталями.

Особенности CNC-обработки нержавеющей стали

По многолетнему опыту SANS, нержавеющая сталь при резании проявляет следующие особенности:

Сильное упрочнение при деформации

Нержавейка обладает высокой пластичностью, при пластической деформации структура искажается, коэффициент упрочнения велик. Нестабильный аустенит под действием режущих напряжений частично превращается в мартенсит. При действии режущего тепла примеси распадаются и дисперсно распределяются, образуя упрочненный слой. Упрочнение от предыдущего прохода или операции серьезно затрудняет последующую обработку.

Большие режущие усилия

Большая пластическая деформация при резании увеличивает режущие усилия. Сильное упрочнение и высокая теплопрочность еще больше повышают сопротивление резанью. Ослабление и ломание стружки также затруднены.

Высокая режущая температура

Большая пластическая деформация и трение о инструменте генерируют много тепла. Тепло концентрируется в зоне контакта инструмент-стружка, условия отвода тепла плохие.

Стружка трудно ломается и прилипает

Высокая пластичность и вязкость дают непрерывную стружку, что мешает работе и царапает обрабатываемую поверхность. При высоких температурах и давлениях нержавейка сильно сродни с другими металлами, склонна к прилеплению и образованию наростов на инструменте. Это усиливает износ и разрывает обрабатываемую поверхность.

Быстрый износ инструмента

Сродство при резании вызывает прилепление и диффузию между инструментом и стружкой — контактный и диффузионный износ, лунообразные впадины на передней поверхности, микрозаколы. Высокая твердость карбидов (TiC) в нержавейке царапает инструмент, а упрочнение усиливает износ.

Большой коэффициент линейного расширения

Коэффициент линейного расширения нержавейки ~1,5 раза выше углеродной стали. Под действием режущей температуры заготовка термически деформируется, обеспечить точные размеры сложно.

Нержавеющая сталь все чаще применяется в энергетике, авиации, космонавтике, нефтегазовой и пищевой отраслях благодаря уникальным свойствам. Несмотря на высокую теплопрочность, большую пластическую деформацию, сильное упрочнение, избыточное режущее тепло и плохой отвод тепла, качество обработки можно обеспечить правильным выбором инструмента, СОЖ, режимов резания и технологических методов.

Преимущества деталей из нержавеющей стали

Тонкая плотная хромосодержащая оксидная пленка на поверхности обеспечивает отличную коррозионную стойкость во всех типах воды, включая мягкую, даже при залегании в грунте.

Нержавейка безопасно работает длительное время при -270°C...+400°C. При экстремальных температурах не выделяет вредных веществ, свойства стабильны.
Материал безопасен, нетоксичен, не корродирует, не выделяет примесей, не дает привкуса или мутности. Сохраняет воду чистой и гигиеничной, санитарная безопасность гарантирована.

Нержавейка обладает коррозионной стойкостью, повышенной прочностью, не ломается при деформации, экологична, не ржавеет, имеет хорошую пластичность и вязкость. Подходит для суровых условий (влажность, кислоты, щелочи) в помещениях и на улице.

Применение деталей из нержавеющей стали

1. Медицинская промышленность

Иголки, скальпели, коляски, стойки для капельниц, пинцеты из нержавейки — повсеместны. Особенно в ортопедии. Благодаря отличным комплексным свойствам, зрелой технологии и доступной цене применение нержавейки в медицине постоянно расширяется и стало основным трендом.

2. Электроника и бытовая техника

Благодаря своим свойствам нержавейка широко используется в электронике. Например, современные водонагреватели и ТЭНы кофемашин изготавливаются из нержавейки. Много других примеров из повседневной жизни.

3. Автомобилестроение

Автомобилестроение — крупнейший и самый быстрорастущий потребитель нержавейки. Основные материалы кузова, выпускной системы, топливного бака, рамы, деталей и декора — нержавейка. Огромный спрос делает автопром основной движущей силой развития нержавеющей стали.

Нержавейка также применяется в высокотехнологичных областях: пищевая промышленность, химия, медицинское оборудование, авиационные выхлопные трубы. Широко используется в тяжелой и легкой промышленности, бытовых изделиях и архитектурном декоре.

Мы в SANS Machining стремимся предоставлять услуги высокого качества по конкурентоспособным ценам. Наш обширный опыт и экспертиза позволяют легко реализовывать сложные проекты. Длинный список довольных клиентов подтверждает нашу приверженность качеству и минимальным срокам. Свяжитесь с нами или запросите расчет стоимости CNC-обработки нержавеющей стали уже сегодня.