Является ли нержавеющая сталь черным?

Фундаментальным вопросом в материаловедении и промышленных приложениях является: Является ли нержавеющая сталь черным? Ответ зависит от определения Железные металлы и детальное понимание химического состава нержавеющей стали., кристаллическая структура, и стандарты классификации материалов.

По своей сути, нержавеющая сталь это железный сплав— содержит железо (Фе) в качестве основного компонента, но его уникальный хром (Кр) содержание отличает его от углеродистой стали и чугуна, наделив его устойчивостью к коррозии, которая произвела революцию в отраслях от строительства до медицинского оборудования..

1. Что означает «черный металл» в материаловедении

В машиностроении и металлургии термин железо относится к металлам и сплавам, основной компонент — железо.

Типичные черные материалы включают деформируемые стали., утюг, кованое железо и сплавы на основе железа, такие как нержавеющая сталь.

Напротив, цветной металлы – это те, основным элементом которых не является железо (примеры: алюминий, медь, титан, сплавы на основе никеля).

Ключевой момент: классификация композиционная (на основе железа) а не функциональный (например, «он ржавеет??»). Нержавеющие стали представляют собой сплавы на основе железа и поэтому относятся непосредственно к семейству черных металлов..

2. Почему нержавеющая сталь черная — состав и стандарты

• Железо – элемент баланса. В состав нержавеющих сталей входит железо в качестве матричного элемента.; для получения желаемых свойств добавляются другие легирующие элементы..
  Типичные промышленные сорта содержат большая часть железа с хромом, никель, молибден и другие элементы, присутствующие в качестве преднамеренных легирующих добавок..
• Требование хрома. Стандартное техническое определение нержавеющей стали — это сплав на основе железа, содержащий как минимум ≈10,5% хрома по массе, который придает пассивный, антикоррозийная поверхностная пленка (Cr₂o₃).
  Этот порог содержания хрома закреплен в основных стандартах. (например, Семейство документов ASTM/ISO).
• Классификация стандартов. Международные стандарты классифицируют нержавеющие стали как стали. (то есть, сплавы на основе железа).
  Для закупок и испытаний они обрабатываются в рамках стандартов на черные металлы. (химический анализ, механические испытания, процедуры термической обработки и так далее.).

Суммируя: нержавеющая сталь = сплав на основе железа с достаточным количеством хрома для пассивации.; следовательно, нержавеющая сталь = железо.

3. Типичные химические составы — представительные сорта

В следующей таблице показаны репрезентативные химические процессы, показывающие, что железо является основным металлом. (значения представляют собой типичные диапазоны; проверьте таблицы классов, чтобы узнать точные пределы спецификаций).

«Баланс» означает, что остальная часть сплава представляет собой железо плюс микроэлементы..

4. Кристаллические структуры и классы микроструктуры — почему структура ≠ цветных металлов

Нержавеющие стали металлургически делятся по преобладающей кристаллической структуре при комнатной температуре.:

• Аустенитный (γ-FCC) - например, 304, 316. Немагнитный в отожженном состоянии, отличная прочность и устойчивость к коррозии, высокое содержание Ni стабилизирует аустенит.
• Ферритный (α-BCC) - например, 430. Магнитный, более низкая вязкость при очень низких температурах, хорошая стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением в некоторых средах.
• Мартенситный (искаженное BCT / мартенсит) - например, 410, 420. Упрочняется термической обработкой; используется для столовых приборов, клапаны и валы.
• Дуплекс (смесь а + с) — сбалансированный феррит и аустенит для повышения прочности и устойчивости к хлоридам.

Важный: эти различия кристаллической структуры описывают расположение атомов, не основной элемент.

Независимо от того, аустенитный, ферритный или мартенситный, нержавеющие стали остаются на основе железа сплавы — и, следовательно, черные.

5. Функциональное различие: «нержавеющий» не означает «цветной металл» или «немагнитный».

• «Нержавеющая сталь» означает коррозионную стойкость, обусловленную пассивностью, вызванной хромом. (Cr₂o₃ Film). Это делает нет изменить тот факт, что металл основан на железе.
• Магнитное поведение нет надежный индикатор состава железа: некоторые аустенитные нержавеющие стали практически немагнитны в отожженном состоянии., но это все же ферросплавы. Холодная обработка или варианты с меньшим содержанием Ni могут стать магнитными..
• Коррозионное поведение (устойчивость к «ржавчине») зависит от содержания хрома, Микроструктура, окружающая среда и состояние поверхности — не только на основе классификации черных и цветных металлов.

6. Промышленная практика и последствия выбора материалов

• Спецификация и закупки. Нержавеющие стали определяются с использованием стандартов и марок сталей. (АСТМ, В, ОН, ГБ, и т. д.).
  Механическое тестирование, аттестация процедуры сварки, и термическая обработка соответствуют практике черной металлургии..
• Сварка и изготовление. Нержавеющие стали требуют тех же основных мер предосторожности, что и другие черные металлы. (предварительный/последующий нагрев в зависимости от марки, контроль содержания углерода во избежание сенсибилизации в серии 300, выбор совместимого присадочного металла).
• Магнетика и неразрушающий контроль. Магнитный НК (магнитная частица) работает для ферритных/мартенситных марок, но не для полностью аустенитных марок, если только они не подвергнуты нагартовке; ультразвуковые и капиллярные тесты распространены во всех семьях..
• Дизайн: инженеры используют различные семейства нержавеющей стали для конкретных нужд (аустенитность для пластичности и коррозионной стойкости; ферриты, где содержание никеля должно быть сведено к минимуму; дуплекс для высокой прочности и устойчивости к хлоридам).

7. Преимущества ферритной нержавеющей стали

Ферритные нержавеющие стали являются важным семейством в семействе нержавеющих сталей..

Это сплавы на основе железа, характеризующиеся объемноцентрированной кубической структурой. (α-Fe) кристаллическая структура при комнатной температуре и относительно высокое содержание хрома с небольшим количеством никеля или без него..

Коррозионная стойкость в окислительных и слабоагрессивных средах.

• Ферриты обычно содержат ~ 12–30% хрома, который производит непрерывный оксид хрома (Cr₂o₃) пассивная пленка. Это дает хорошая общая стойкость к коррозии и окислению в воздухе, многие атмосферные среды и некоторые умеренно агрессивные технологические среды.
• Они особенно хорошо работают там, где хлоридное коррозионное растрескивание (SCC) это проблема: ферритные марки гораздо менее восприимчив к SCC, вызванному хлоридами чем многие аустенитные марки,
  что делает их пригодными для определенных нефтехимических и морских применений, где риск SCC должен быть сведен к минимуму.

Экономическая эффективность и экономия сплавов

• Поскольку ферритные марки содержат мало или нет никеля, они есть менее чувствителен к волатильности цен на никель и вообще более низкая стоимость чем аустенитный (Ni-подшипник) нержавеющие стали для эквивалентной коррозионной стойкости во многих средах.
  Это ценовое преимущество существенно для больших объемов или чувствительных к цене приложений..

Термическая стабильность и устойчивость к науглероживанию/охрупчиванию при повышенной температуре.

• Ферритные нержавеющие стали сохраняют стабильные ферритные микроструктуры в широком диапазоне температур и менее склонен к сенсибилизации (межкристаллитное осаждение карбида хрома) чем аустениты.
• Многие ферриты имеют хорошая стойкость к высокотемпературному окислению и используются в выхлопных системах, поверхности теплообменников и другие применения при повышенных температурах.
  Некоторые марки ферритов (например, 446, 430) предназначены для непрерывной эксплуатации при повышенных температурах, поскольку образуют прочные оксидные отложения..

Более низкий коэффициент теплового расширения (КТР)

• Типичные значения КТР для ферритных нержавеющих сталей составляют ≈10–12 × 10⁻⁶ /°С, существенно ниже, чем у обычных аустенитных марок (≈16–18 × 10⁻⁶ /°С).
• Более низкое тепловое расширение снижает тепловые искажения и напряжения несоответствия, когда ферриты соединяются с материалами с низким расширением или используются в высокотемпературной циклической эксплуатации. (выхлопные системы, компоненты печи).

Лучшая теплопроводность

• Ферритные марки обычно имеют более высокая теплопроводность (грубо 20–30 Вт/м·К) чем аустенитные сорта (~15–20 Вт/м·К).
  Улучшенная теплопередача выгодна для трубок теплообменника., компоненты печи и области применения, где требуется быстрый отвод тепла.

Магнитные свойства и функциональная полезность

• Ферритные нержавеющие стали магнитный в отожженном состоянии. Это преимущество, когда требуется магнитный отклик. (моторы, магнитное экранирование, датчики) или при магнитной сепарации, осмотр и обработка являются частью процесса производства/сборки..

Хорошая износостойкость и стабильность поверхности.

• Определенные марки ферритов демонстрируют хорошая стойкость к истиранию и окислению и сохранять чистоту поверхности в окислительных атмосферах при повышенных температурах..
  Это делает их подходящими для выхлопные коллекторы, компоненты дымохода, и декоративные архитектурные элементы которые испытывают термоциклирование.

Изготовление и формуемость (практические аспекты)

• Многие ферритные сплавы предлагают достаточная пластичность и формуемость для листовой и полосовой обработки и может формоваться в холодном состоянии без такой же степени упругого возврата, как у более прочных сплавов..
  Там, где требуется глубокая вытяжка или сложная формовка, правильный выбор класса (пониженное содержание хрома, оптимизированный характер) дает хорошие результаты.
• Из-за их простой ферритной микроструктуры, ферриты не требуют отжига после сварки для восстановления коррозионной стойкости точно так же, как это иногда происходит с чувствительными к сенсибилизации аустенитами, хотя контроль процесса сварки по-прежнему важен..

Ограничения и предостережения при выборе

Сбалансированный инженерный взгляд должен учитывать ограничения, чтобы материалы не применялись неправильно.:

• Меньшая вязкость при очень низких температурах: ферриты обычно имеют меньшую ударную вязкость при криогенных температурах, чем аустениты..
  Избегайте использования ферритов в критически важных низкотемпературных конструкционных применениях, если это не специально квалифицировано..
• Ограничения свариваемости: а сварка - это обычное дело, рост зерен и охрупчивание может возникнуть в ферритах с высоким содержанием Cr, если не контролировать тепловложение и послесварочное охлаждение.;
  некоторые ферриты становятся хрупкими в зоне термического влияния, если не используются соответствующие процедуры..
• Более низкая формуемость для некоторых марок с высоким содержанием хрома.: чрезвычайно высокое содержание хрома может снизить пластичность и формуемость; выбор марки должен соответствовать операциям формовки.
• Не всегда превосходит в борьбе с хлоридной коррозией: хотя ферриты сопротивляются SCC, устойчивость к точечной коррозии/питтинговой коррозии в агрессивных хлоридсодержащих средах часто лучше использовать аустенитные материалы с высоким содержанием молибдена или дуплексные марки.;
  оценить эквивалентные значения сопротивления точечной коррозии (Древесина) где воздействие хлоридов является значительным.

8. Сравнение с альтернативами из цветных металлов

Когда инженеры рассматривают материалы для коррозионностойких применений, нержавеющая сталь является ведущим выбором черных металлов.

Однако, цветные металлы и сплавы (Ал, Медные сплавы, Из, Сплавы на основе Ni, мг, Зн) часто соревнуются по весу, проводимость, удельная коррозионная стойкость, или технологичность.

9. Устойчивое развитие и переработка

• Возможность вторичной переработки: нержавеющие стали являются одними из наиболее перерабатываемых конструкционных материалов; лом легко включается в новые плавки с высоким содержанием вторичного сырья.
• Жизненный цикл: длительный срок службы и низкие эксплуатационные расходы часто делают нержавеющую сталь экономичным вариантом., выбор с низким уровнем воздействия на протяжении всего срока службы компонента, несмотря на более высокие первоначальные затраты по сравнению с простой углеродистой сталью.
• Экологические кодексы и восстановление: В производстве нержавеющей стали все чаще используются электродуговые печи и переработанное сырье для снижения энергоемкости и выбросов..

10. Заблуждения и разъяснения

• «Нержавеющая сталь» ≠ «нержавеющая сталь навсегда». В экстремальных условиях (хлоридное коррозионное растрескивание, высокотемпературное окисление, кислотные атаки, щелевая коррозия, и т. д.), нержавеющая сталь может подвергаться коррозии; они не становятся цветными из-за того, что являются нержавеющими..
• Магнитный ≠ железный: немагнитность некоторых марок нержавеющей стали не делает их цветными. Определяющим признаком является химия на основе железа, не магнитный отклик.
• Высоконикелевые сплавы против нержавеющей стали: некоторые сплавы на основе никеля (Инконель, Хастеллой) цветные металлы и используются там, где нержавеющая сталь не справляется; они не являются «нержавеющими сталями», даже если они так же устойчивы к коррозии.

11. Заключение

Нержавеющие стали железо материалы по составу и классификации. Они объединяют железо в качестве основного элемента с хромом и другими легирующими элементами для создания сплавов, устойчивых к коррозии во многих условиях..

Кристаллическая структура (аустенитный, ферритный, мартенситный, дуплекс) определяет механические и магнитные характеристики, но не тот фундаментальный факт, что нержавеющие стали основаны на железе.

Поэтому при выборе материала следует рассматривать нержавеющую сталь как член семейства черных металлов и выбирать подходящее семейство и марку нержавеющей стали, соответствующую условиям эксплуатации., требования к изготовлению и цели жизненного цикла.

 

Часто задаваемые вопросы

Означает ли характеристика «нержавеющая сталь», что нержавеющая сталь не является черным металлом??

Свойство «нержавеющей» нержавеющей стали обусловлено плотной пассивной пленкой оксида хрома. (Cr₂o₃) образуется на поверхности при содержании хрома ≥10,5%; это не связано с содержанием железа.

Независимо от его нержавеющего поведения, пока железо является основным компонентом, материал относится к категории железо металл.

Теряет ли нержавеющая сталь свою железную природу при высоких температурах??

Отнесение к черным металлам определяется химическим составом., не температура.

Даже если фазовые превращения происходят при высокой температуре (например, аустенитный сорт, превращающийся в феррит при повышенной температуре), базовый элемент остается железом, так что он остается черным металлом.

Влияет ли магнетизм нержавеющей стали на то, является ли она черной?

Магнетизм связан с кристаллической структурой.: Ферритные и мартенситные нержавеющие стали обычно магнитны., в то время как отожженные аустенитные нержавеющие стали обычно немагнитны..

Однако, магнетизм это нет критерий железистости — содержание железа. Является ли нержавеющая сталь магнитной или нет?, если железо является основным элементом, то это черный металл.

Связана ли возможность вторичной переработки нержавеющей стали с ее черной природой??

Да. Потому что нержавеющая сталь основана на железе., его поток переработки аналогичен потоку переработки других черных металлов..

Нержавеющий лом легко переплавляется.; нержавеющие стали имеют очень высокие показатели переработки, а энергия переработки обычно незначительна. (порядка 20–30%) первичной производственной энергии.

Это делает нержавеющую сталь ценным материалом для устойчивой экономики и экономики замкнутого цикла..

Если ферритные нержавеющие стали корродируют в некоторых средах, значит ли это, что они не железные?

Нет. Коррозионная стойкость зависит от окружающей среды и состава.; некоторые марки нержавеющей стали могут подвергаться коррозии в определенных средах., но это не меняет их статуса как черных металлов.

Например, Ферритные нержавеющие стали могут проявлять меньшую стойкость в сильно восстанавливающих средах, но превосходно работают в окислительных средах..

Выбор подходящей марки и обработки поверхности оптимизирует коррозионную стойкость для предполагаемого применения..