Рубрика: Металлы и сплавы
«Нержавейка» — не одна сталь, а несколько классов сплавов с принципиально разной структурой и поведением. Аустенитная сталь не магнитится и прекрасно сваривается, мартенситная закаливается до высокой твёрдости, ферритная устойчива к коррозионному растрескиванию и дешевле. Понимание этих различий помогает не ошибиться с материалом: неудачно выбранная нержавеющая сталь может покрыться ржавчиной в первые же недели или треснуть при сварке.
Коррозионная стойкость нержавеющих сталей объясняется хромом. При содержании хрома не менее 12–13 % на поверхности стали самопроизвольно образуется тонкая, толщиной в несколько нанометров, плёнка оксидов хрома. Она плотная, хорошо сцеплена с металлом и, что особенно важно, восстанавливается при повреждении, если в среде есть кислород. Это состояние называют пассивным.
Пассивная плёнка не вечна. Её разрушают:
Для повышения стойкости в сталь вводят никель, молибден, азот, титан, ниобий, медь. Их сочетание и определяет класс стали.
Все легирующие элементы нержавеющих сталей делят на две группы. Ферритообразующие — хром, молибден, кремний, титан, ниобий — стабилизируют объёмно-центрированную решётку феррита. Аустенитообразующие — никель, марганец, углерод, азот, медь — расширяют область гранецентрированного аустенита.
В зависимости от баланса этих элементов при комнатной температуре получается одна из структур:
От структуры зависят магнитность, прочность, способность к закалке, свариваемость и характер коррозии. В отечественной маркировке состав читается так же, как у конструкционных сталей: 12Х18Н10Т — 0,12 % углерода, 18 % хрома, 10 % никеля, легирование титаном.
Аустенитные стали — самый распространённый класс нержавеющих сталей. Их структура при комнатной температуре — стабильный аустенит, который сохраняется и при глубоком охлаждении.
Аустенитные стали немагнитны в отожжённом состоянии, очень пластичны, сохраняют вязкость до криогенных температур и отлично свариваются. Их прочность сравнительно невысока — предел текучести 200–300 МПа, и закалкой её поднять нельзя: в аустените нет фазового превращения, дающего упрочнение. Термообработка аустенитных сталей — это закалка на твёрдый раствор с 1050–1100 °C в воде, которая, наоборот, делает сталь максимально мягкой и коррозионностойкой.
Упрочнить аустенитную сталь можно только холодной деформацией. При этом часть аустенита превращается в мартенсит деформации, и сталь становится слабомагнитной. Поэтому холоднотянутый пруток или изделие после гибки часто «притягивает магнит», что не является признаком подделки.
При нагреве в интервале 450–850 °C, например в зоне термического влияния сварного шва, углерод связывает хром в карбиды по границам зёрен. Приграничные зоны обедняются хромом и начинают корродировать. Решения проблемы: снижение углерода до 0,03 % (марки 03Х…), стабилизация титаном или ниобием, которые связывают углерод раньше хрома, или повторная закалка после сварки.
Ферритные стали содержат 13–30 % хрома и очень мало углерода и никеля. Структура — феррит во всём интервале температур, поэтому закалкой они не упрочняются.
Ферритные стали магнитны, дешевле аустенитных благодаря отсутствию никеля, имеют более низкий коэффициент теплового расширения и высокую теплопроводность. Главное их преимущество — устойчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением в хлоридных средах, к которому аустенитные стали весьма чувствительны.
Недостатки — склонность к росту зерна и охрупчиванию при сварке и нагреве, хладноломкость, «хрупкость 475 °C» при длительной выдержке в этом интервале и пониженная пластичность при глубокой вытяжке. Поэтому для сварных конструкций ответственного назначения ферритные стали применяют осторожно.
Мартенситные стали содержат 12–18 % хрома и повышенное количество углерода — от 0,1 до 1 %. При нагреве они переходят в аустенит, а при охлаждении образуют мартенсит. Это единственный класс нержавеющих сталей, который можно закалить до высокой твёрдости.
Коррозионная стойкость мартенситных сталей ниже, чем у аустенитных: часть хрома связана в карбиды. Наилучшую стойкость они имеют после закалки и полировки, а после высокого отпуска при 600–700 °C стойкость снижается. Мартенситные стали магнитны, хорошо полируются, но свариваются плохо — требуется подогрев и последующая термообработка.
Сталь с примерно равным содержанием аустенита и феррита сочетает достоинства обоих классов: предел текучести в 1,5–2 раза выше, чем у аустенитных сталей, высокую стойкость к коррозионному растрескиванию и питтингу. Отечественные марки — 08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т, 03Х23Н6. Применяются в химическом машиностроении, для теплообменников, трубопроводов, насосов и арматуры, работающих в хлоридсодержащих средах.
Стали 09Х15Н8Ю, 07Х16Н6, 08Х17Н5М3 после закалки имеют пластичную аустенитную структуру и хорошо деформируются, а последующая обработка холодом и старение превращают их в высокопрочный материал с пределом прочности 1200–1500 МПа. Применяются в авиационной технике, для пружин и упругих элементов, ответственного крепежа.
| Свойство | Аустенитные | Ферритные | Мартенситные | Дуплексные |
|---|---|---|---|---|
| Типичные марки | 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т | 08Х13, 12Х17 | 20Х13, 40Х13, 95Х18 | 08Х22Н6Т, 03Х23Н6 |
| Магнитность | Нет (в отожжённом виде) | Да | Да | Да |
| Упрочнение закалкой | Нет | Нет | Да | Нет |
| Предел текучести, МПа | 200–300 | 250–350 | до 1300 после закалки | 450–550 |
| Общая коррозионная стойкость | Высокая | Средняя | Умеренная | Высокая |
| Стойкость к растрескиванию в хлоридах | Низкая | Высокая | Средняя | Высокая |
| Свариваемость | Отличная | Ограниченная | Плохая | Хорошая |
| Обрабатываемость резанием | Трудная, наклёп | Удовлетворительная | Хорошая в отожжённом виде | Трудная |
| Относительная стоимость | Высокая | Низкая | Средняя | Высокая |
Нержавеющие стали считаются труднообрабатываемыми, но причины у разных классов разные.
Главные проблемы — сильный наклёп, низкая теплопроводность и налипание на инструмент. Поверхностный слой упрочняется уже от предыдущего прохода, и если резец работает с малой подачей, он «трёт» по наклёпанному слою и быстро изнашивается. Практические правила:
В отожжённом состоянии они обрабатываются лучше аустенитных, но склонны к образованию сливной стружки. Мартенситные стали после закалки обрабатывают шлифованием или твёрдым точением инструментом из кубического нитрида бора.
точение, фрезерование, сверление, нарезание резьбы, шлифование, электроэрозионная резка, полировка
Выбор начинается с вопроса: что важнее — коррозионная стойкость, прочность или твёрдость? Ориентироваться можно так:
При выборе также стоит учитывать сопрягаемые материалы: контакт нержавеющей стали с алюминием или углеродистой сталью во влажной среде вызывает гальваническую коррозию менее благородного металла.
Нержавеющие стали делятся на классы по структуре, и от неё зависят все ключевые свойства. Аустенитные — универсальные, коррозионностойкие и свариваемые, но не закаливаются. Ферритные — дешевле и устойчивы к коррозионному растрескиванию, но хуже свариваются. Мартенситные — закаливаются до высокой твёрдости, но уступают по коррозионной стойкости. Дуплексные сочетают прочность и стойкость для самых тяжёлых условий.
Наше производство выполняет механическую обработку деталей из всех классов нержавеющих сталей, а также их термическую обработку — закалку мартенситных марок и аустенизацию. Пришлите чертёж или образец — подберём марку и изготовим детали.
