Свойства и сравнение нержавеющей стали

Нержавейка обладает отличными эксплуатационными свойствами и значительно дольше служит, чем большинство других металлов. Поэтому изделия из нержавеющей стали используются практически во всех сферах деятельности.

Нержавеющая сталь это — это целая группа материалов, каждый из которых имеет особый состав, характеристики и особенности. В этой статье поговорим об общих свойствах нержавеющих материалов и расскажем о преимуществах конкретных марок.

Химический состав и структура нержавеющей стали

Химический состав нержавеющей стали включает в себя не менее 11% хрома. Именно этот компонент придает металлу устойчивость к коррозии. При взаимодействии стальной поверхности с кислородом образуется защитная пленка — оксид хрома, — которая защищает сталь от коррозионных процессов. При повреждении этот слой через некоторое время восстанавливается.

Также в состав нержавейки обязательно входят углерод, кремний и марганец. Дополнительными легирующими (изменяющими свойства сплава) добавками являются никель (Ni), молибден (Mo) и титан (Ti). Это дорогостоящие присадки, которые значительно улучшают эксплуатационные характеристики стали.

Разберем, какие свойства нержавеющей стали меняются к лучшему при использовании конкретного элемента:

• Никель (Ni) — добавляется в количестве от 8-10%. Повышает прочность металла за счет увеличения пластичности, увеличивает его коррозионную устойчивость. С никелем в составе сплав становится становится защищенным от атмосферной коррозии и способным работать с широким списком агрессивных веществ и сред.
• Молибден (Mo) — используется в количестве от 2-3%. Делает сталь стойкой к точечной коррозии, защищает изделия от образования глубоких полостей-каверн.
• Титан (Ti) — его добавляют совсем немного, около 0,5-1,5%. Он меняет структуру нержавеющей стали — она становится менее зернистой. Сплавы с титаном приобретают увеличенную плотность, прочность и антикоррозионную устойчивость.

По химическому составу и количеству отдельных легирующих компонентов сталь подразделяется на марки. В каждой стране есть свой стандарт маркировки. Покупая нержавейку в России, вы можете встретить одну из следующих маркировок:

Как видно из таблицы, американский и японский стандарты очень похожи, но их аббревиатуры содержат мало информации. Отечественная маркировка более наглядная и понятная.

Механические свойства нержавеющей стали

Механические свойства отражают способность материала сопротивляться внешним воздействиям. Основными механическими свойствами нержавеющей стали являются:

• Предел текучести. Этот показатель показывает точку начала необратимой деформации металла. Для хромоникелевых сталей значение находится в диапазоне от 195-340 МПа. Для сталей с добавлением молибдена значение может достигать 370-380 МПа. В среднем нержавейка сопоставима по пределу текучести с углеродистыми сталями.
• Твердость (износостойкость).  Отражает способность стали противостоять истиранию, царапинам, вмятинам и проколам. Определяется двумя методами: по Бринеллю (HB) и по Роквеллу (HRB). 
• Жаростойкость. Нержавейка выдерживает интенсивную эксплуатацию при температуре до +600°C и выше, в зависимости от марки. Жесткость металла и все прочностные качества при этом остаются неизменными.
• Прочность на растяжение. Значение отражает максимальное механическое растягивающее напряжение. Для нержавейки оно достигает 550-630 МПа, в зависимости от состава стали. Наиболее высокое значение — у аустенитных сталей (AISI 304, 316).
• Криогенная стойкость. Характеризует способность нержавеющей стали сохранять ударную вязкость и прочность на разрыв при низких температурах. Нержавейка способна работать при температурном режиме ниже -70°C, в отличие от углеродистого металла, который на морозе становится хрупким. Лучшие показатели — снова у аустенитных сталей, которые сохраняют стабильность до -269°C.
• Пластичность. Отражает способность металла подаваться гибке, то есть, менять свою форму. Это свойство особенно хорошо проявляется у никельсодержащих материалов. Кроме того, чем меньше углерода в составе, тем металл пластичнее. Нержавейка со сниженным содержанием углерода помечается буквой «L» в конце маркировки, например, AISI 316L.
• Скорость деформации при обработке. Высока для всех видов нержавеющей стали при использовании некачественного оборудования, которое быстро нагревает сталь и делает ее пластичной. Для работы с нержавеющими заготовками необходимо использовать специализированные приспособления — высокопрочные сверла и резцы. А сверление производить на низких оборотах (до 1000 об/мин), используя масло для охлаждения.

Тепловые и электрические свойства нержавеющей стали

Кроме механических характеристик, нержавейка обладает тепловыми и электрическими свойствами:

• Теплопроводность нержавеющей стали. Материал обладает низкой теплопроводностью  — порядка 15 Вт/(м*К), поэтому активно используется в производстве пищевого, печного и конвейерного оборудования. Также нержавеющие листы и другие элементы используют для отделки фасадов зданий и строительства навесных стен — они защищают строения от излишнего нагрева.
• Коэффициент теплового расширения. Показывает, как изменяются габариты (длина, ширина) металла при его нагревании. Этот параметр особенно важен при выполнении конструкционных задач. У нержавейки этот показатель достаточно низкий, по сравнению с алюминием и углеродистыми сталями. Измеряется в мм/(м°C). Находится в диапазоне от 10 до 18, в зависимости от марки.
• Электропроводность. Нержавеющая сталь имеет низкую способность проводить электричество — в 40 раз меньше, чем медь и в 8 раз меньше, чем алюминий. По этой причине нержавейка не используется в задачах, где важно эффективно проводить ток. Но за счет своей коррозионной стойкости применяется в приборостроении, создании контуров заземления, экранировании и других областях, связанных с электричеством.

Сравнение различных типов нержавеющей стали

Все семейство нержавеющих сталей делятся на четыре основные группы:

• аустенитные;
• ферритные;
• мартенситные;
• дуплексные.

Разберем подробно каждую группу.

Аустенитная сталь

Это нержавейка с высоким содержанием никеля и хрома; сюда относится все семейство AISI 300. У такой стали отсутствуют магнитные свойства. При эксплуатации наблюдается повышенная прочность, и в то же время хорошая гибкость, а также отличная устойчивость к коррозии.

Аустенитная группа сплавов пользуется широким спросом в промышленности — там, где нужны прочные и коррозионностойкие металлы. А именно, в химической, нефтяной, газовой отраслях, на топливных предприятиях, в пищевой промышленности, и т.д.

Ферритная сталь

Отличается повышенным содержание хрома — до 20%, из-за чего эту сталь часто называют хромистой. К ней относится вся 400 серия АИСИ. Ярким представителем является AISI 430 с содержанием хрома 18%.

Ценится за доступную стоимость и высокую устойчивость к коррозии. Кроме этого, сталь обладает магнитными свойствами.

Из ферритной стали изготавливают:

• детали автомобилей;
• отдельные элементы промышленного оборудования;
• кухонную утварь;
• инструменты и многое другое.

Мартенситная сталь

Получается при переохлаждении аустенитной. В исходном металле важно наличие углерода в количестве не менее 0,3%. Мартенситная сталь имеет необычную игольчатую микроструктуру — если посмотреть на нее в микроскоп, вы увидите иголки железа, расположенные под углом в 60 градусов.

Мартенситная нержавейка обладает повышенной прочностью, за счет высокого содержания углерода. Кроме прочности, сталь характеризуется износостойкостью и базовой защитой от коррозии — не окисляется под воздействием слабых растворов солей, щелочей, кислот.  

Имеет наивысшие показатели прочности на разрыв — от 400 МПа и выше, поэтому ее активно используют для изготовления режущих насадок и инструментов. При добавлении в мартенситную сталь некоторых легирующих добавок (бериллия, вольфрама, ванадия) из нее можно производить:

• коллекторы;
• трубы;
• нагревательные котлы;
• корпуса турбин;
• лопатки турбинных компрессоров и т.п.

Дуплексная сталь

Представляет собой двухфазный стальной сплав, в котором 40-60% имеет аустенитную структуру, а остальное приходится на ферритную. Основные химические элементы дуплексных сталей — это хром (до 29%), никель (до 8%), молибден (до 3-4%) и азот.

Такие стали обладают повышенной стойкостью ко всем видам коррозии — атмосферной, точечной, межкристаллитной, напряженной. 

Дуплексная структура позволяет объединить коррозионные и механические свойства от разных групп нержавеющих сталей. При этом процентное соотношение элементов может подбираться в зависимости от задач и условий эксплуатации.

Экологические и экономические аспекты использования нержавеющей стали

Одно из важнейших качестве нержавейки — это долговечность. А если точнее, это способность металла сохранять стабильность, первоначальные свойства и внешний вид в самых сложных условиях — при повышенной/пониженной температуре, коррозионных воздействиях и механических нагрузках.

Там, где изделия из обычного металла быстро приходят в негодность, нержавеющие конструкции и элементы служат десятки лет, поэтому нержавейка выгодна в долгосрочной перспективе. Ее цена выше, чем у обычной стали, но разница легко окупается в течение нескольких лет.

Например, при прокладке или замене трубопровода большую часть расходов составляют именно монтажные работы. Если взять бытовые системы, то необходимо отключить потребителей, разобрать стенки, вырезать старые трубы, монтировать новые — и все это требует времени и больших затрат. Чтобы не проводить замены периодически, лучше сразу установить нержавеющие трубы. Срок их службы в 5-7 раз выше, чем у труб из обычной стали.

Кроме того, нержавеющую сталь можно использовать вторично после применения. Переработка изделий из нержавейки позволяет снизить потребность в добыче и производстве новых материалов, сокращая негативное влияние на окружающую среду.

Заключение

В сравнении нержавеющей стали с другими металлами первая явно выигрывает — ее коррозионная стойкость, прочностные качества, экологичность и долговечность вне конкуренции. Неудивительно, что нержавеющая сталь активно используется во всех сферах деятельности, от производства электроники до авиастроения.

Семейство нержавеющих сталей достаточно обширно. Зная основные свойства и отличия разных сплавов, вы сможете подобрать оптимальное исполнение под конкретные задачи, не переплачивая при этом.