Властивості нержавіючої сталі

Резюме

Нержавіючі сталі це сплави на основі заліза, які визначаються їхньою здатністю формувати та зберігати тонкість, самовідновлюваний оксид хрому (Cr₂O₃) пасивна плівка.

Ця пасивна плівка — встановлюється, коли вміст хрому досягає приблизно ≥10,5 мас.% — є основою їх стійкості до корозії та відрізняє нержавіючу сталь від простих вуглецевих сталей.

Регулюванням легування (Cr, У, Mo, П., На, NB, тощо) і мікроструктура (аустенітний, феррит, мартенситний, дуплекс, дисперсійне зміцнення), інженери отримують широку палітру комбінацій корозійних характеристик, міцність, міцність, технологічність і зовнішній вигляд.

1. Що таке нержавіюча сталь?

Визначення. Нержавіюча сталь - це сплав на основі заліза, що містить достатню кількість хрому (номінально ≥10,5 мас.%) утворювати безперервний, захисний оксид хрому (Cr₂O₃) пасивний шар у середовищах, насичених киснем.

Ця пасивна плівка тонка (масштаб нм), самовідновлення за наявності кисню, і є фундаментальною основою стійкості матеріалу до корозії.

Основні легуючі елементи та їх функції

• Хром (Cr, 10.5%–30%): Найбільш критичний елемент. При достатній концентрації, Cr реагує з киснем з утворенням щільного, пасивна плівка Cr₂O₃ (2– 5 нм товщиною) що блокує корозійне середовище від атаки на залізну матрицю.
  Більш високий вміст Cr підвищує загальну стійкість до корозії, але може збільшити крихкість, якщо не збалансований з іншими елементами.
• Нікель (У, 2%–22%): Стабілізує аустенітну фазу (гранецентрований куб, FCC) При кімнатній температурі, поліпшення пластичності, міцність, і зварюваність.
  Ni також підвищує стійкість до корозійного розтріскування під напругою (SCC) в хлоридних середовищах і низькотемпературна в'язкість (запобігає крихкому руйнуванню при температурі нижче 0 ℃).
• Молібден (Mo, 0.5%–6%): Значно підвищує стійкість до точкової та щілинної корозії (особливо в середовищах, багатих хлоридами) шляхом підвищення стійкості пасивної плівки.
  Мо утворює оксид молібдену (MoO₃) для відновлення локальних пошкоджень плівки, що робить його необхідним для морських і хімічних застосувань.
• Титан (На) і ніобій (NB, 0.1%–0,8%): Твердосплавні стабілізатори. Вони переважно поєднуються з вуглецем (C) з утворенням TiC або NbC,
  запобігання утворенню Cr₂₃C₆ на границях зерен під час зварювання або роботи при високій температурі — це дозволяє уникнути «збіднення хрому» та подальшої міжкристалітної корозії (IGC).
• Марганець (Мн, 1%–15%): Ефективна альтернатива Ni для стабілізації аустеніту (Напр., 200-серії з нержавіючої сталі).
  Mn підвищує міцність, але може знизити стійкість до корозії та міцність порівняно з матеріалами, що містять Ni.
• Вуглець (C, 0.01%–1,2%): Впливає на твердість і міцність. Низький вміст C (≤0,03%, L-клас) мінімізує утворення карбіду та ризик IGC; високий вміст C (≥0,1%, мартенситні марки) покращує загартовуваність за допомогою термічної обробки.

Мікроструктурна класифікація та ключові характеристики

Аустенітна нержавіюча сталь (300-серія, 200-серія)

• Склад: Високий Cr (16%–26%), У (2%–22%) або Мн, низький C (≤0,12%). Типові оцінки: 304 (18Cr-8Ni), 316 (18Cr-10Ni-2Mo), 201 (17Cr-5Ni-6Mn).
• Мікроструктура: Повністю аустенітний (FCC) При кімнатній температурі, немагнітні (за винятком холодної обробки).
• Основна риса: Відмінна пластичність, міцність (навіть при кріогенних температурах до -270 ℃), і зварюваність; збалансована стійкість до корозії.

Ферритна нержавіюча сталь (400-серія)

• Склад: Високий Cr (10.5%–27%), низький C (≤0,12%), немає або мінімальний Ni. Типові оцінки: 430 (17Cr), 446 (26Cr).
• Мікроструктура: Феррит (тілоцентрований куб, BCC) при всіх температурах, магнітний.
• Основна риса: Економічний, хороша загальна стійкість до корозії, and oxidation resistance at high temperatures (up to 800℃); limited ductility and weldability.

Мартенситна нержавіюча сталь (400-серія, 500-серія)

• Склад: Medium Cr (11%–17%), high C (0.1%–1,2%), низький Ni. Типові оцінки: 410 (12Cr-0.15C), 420 (13Cr-0.2C), 440C (17Cr-1.0C).
• Мікроструктура: Мартенситний (body-centered tetragonal, BCT) після гарту і відпустки; магнітний.
• Основна риса: Висока твердість і зносостійкість (HRC 50–60 after heat treatment); Помірна корозійна стійкість.

Дуплексна нержавіюча сталь (2205, 2507)

• Склад: Balanced austenitic-ferritic phases (50%±10% each), high Cr (21%–27%), У (4%–7%), Mo (2%–4%), П. (0.1%–0,3%). Типові оцінки: 2205 (22Cr-5Ni-3Mo), 2507 (25Cr-7Ni-4Mo).
• Мікроструктура: Dual-phase (FCC + BCC), магнітний.
• Основна риса: Superior strength (twice that of austenitic grades) and resistance to SCC, піттінг, and crevice corrosion; suitable for harsh marine and chemical environments.

Осадження-Гартування (РН) Нержавіюча сталь (17-4РН, 17-7РН)

• Склад: Cr (15%–17%), У (4%–7%), Куточок (2%–5%), NB (0.2%–0.4%). Типовий сорт: 17-4РН (17Cr-4Ni-4Cu-Nb).
• Мікроструктура: Martensitic or austenitic base with precipitates (Cu-rich phases, NbC) after aging treatment.
• Основна риса: Надвисока міцність (Сила на розрив >1000 MPA) і хороша резистентність до корозії; used in high-load aerospace and medical applications.

2. Основна продуктивність: Корозійна стійкість

Corrosion resistance is the defining property of stainless steel, rooted in the passive film’s stability and alloying element synergies. Різні сорти виявляють різну стійкість до певних механізмів корозії.

Механізм пасивної плівки та загальна стійкість до корозії

Пасивна плівка Cr₂O3 утворюється спонтанно в кисневмісних середовищах (повітря, вода) і самовідновлюється - якщо пошкоджено (Напр., подряпини), Cr в матриці швидко повторно окислюється для відновлення плівки.
Загальна корозія (рівномірне окислення) виникає тільки при руйнуванні плівки, наприклад у сильних відновних кислотах (соляна кислота) або високотемпературні відновні атмосфери.

• Аустенітні марки (304, 316): Стійкість до загальної корозії в атмосфері, прісноводний, і м'які хімічні середовища. 316 перевершує 304 у багатих хлоридами середовищах завдяки додаванню Mo.
• Феритні марки (430): Хороша загальна стійкість до корозії на повітрі та в нейтральних розчинах, але сприйнятлива до точкової коррозії в середовищах з високим вмістом хлоридів.
• Дуплексні сорти (2205): Виняткова загальна стійкість до корозії, поєднуючи плівкоутворювальну здатність Cr із стійкістю Mo до точкової корекції.

Специфічні типи корозії та ступінь адаптації

Корозія

Точкова корозія виникає при іоні хлориду (Cl⁻) проникнути в локальні дефекти пасивної плівки, утворюючи дрібні, глибокі корозійні ями.
Щілинна корозія подібна, але локалізована у вузьких щілинах (Напр., зварні шви, інтерфейси кріплення) де виснаження кисню прискорює корозію.

• Ключові впливові елементи: Mo та N значно покращують опір — кожен 1% Додавання Mo знижує критичну точкову температуру (CPT) на ~10 ℃.
  316 (CPT ≈ 40 ℃) перевершує 304 (CPT ≈ 10 ℃); 2507 дуплексна сталь (CPT ≈ 60 ℃) ідеально підходить для застосування в морській воді.
• Профілактичні заходи: Використовуйте марки, що містять Мо, уникайте щілинних конструкцій, і виконувати процедури пасивації (занурення в азотну кислоту) для підвищення цілісності плівки.

Міжгранулярна корозія (IGC)

IGC виникає через виснаження хрому на межах зерен: під час зварювання або роботи при високій температурі (450–850 ℃), вуглець поєднується з Cr, утворюючи Cr₂₃C₆, залишаючи зону, збіднену Cr (Cr < 10.5%) що втрачає пасивність.

• Стійкі сорти: L-класи (304Л, 316Л, C ≤ 0.03%), стабілізовані сорти (321 з Ті, 347 з Nb), і дуплексні сорти (низький C + N стабілізація).
• Пом'якшення: Термообробка після зварювання (розчинний відпал при 1050–1150 ℃) для розчинення Cr₂₃C₆ і перерозподілу Cr.

Стрес -корозія розтріскувань (SCC)

SCC виникає під спільною дією напруги розтягування та корозійного середовища (Напр., хлорид, їдкі розчини), що призводить до раптового крихкого руйнування.
Аустенітні марки (304, 316) чутливі до SCC у гарячому хлоридному середовищі (>60℃), у той час як феритні та дуплексні сорти демонструють вищу стійкість.

• Стійкі сорти: 2205 дуплексна сталь, 430 феритна сталь, і PH класів (17-4РН).
• Пом'якшення: Зменшити напругу розтягування (Зниження стресу), використовувати середовища з низьким вмістом Cl⁻, або виберіть дуплексні марки.

Стійкість до високих температур і окислення

Стійкість до окислення покращується за допомогою Cr і Si; ферити з високим вмістом Cr (Напр., 446 з ≈25–26% Cr) стійкий до окислення до ~800 °C. Аустеніт, як 310S (≈25% Cr, 20% У) використовуються для стійкості до окислення до ~1 000 ° C.
Для безперервної високотемпературної міцності або науглерожування атмосфер, виберіть спеціально розроблені жаростійкі сплави або суперсплави на основі нікелю.

3. Механічні властивості

Механічні властивості нержавіючої сталі значно відрізняються залежно від мікроструктури та термічної обробки, можливість налаштування для несучої навантаження, зносостійкий, або кріогенні програми.

Механічний знімок (типовий, діапазони):

Пластичність і міцність

• Аустенітні марки: Відмінна пластичність (подовження при розриві 40%–60%) і міцність (надріз ударної в'язкості Акв > 100 J при кімнатній температурі).
  Вони зберігають міцність при кріогенних температурах (Напр., 304L Акв > 50 J при -200 ℃), підходить для зберігання СПГ і кріогенних резервуарів.
• Феритні марки: Помірна пластичність (подовження 20%–30%) але погана в'язкість при низьких температурах (температура переходу крихкості ~0 ℃), обмеження використання в холодних умовах.
• Мартенситні марки: Низька пластичність (подовження 10%–15%) і міцність у загартованому стані; загартування підвищує міцність (Акв 30–50 Дж) але зменшує твердість.
• Дуплексні сорти: Збалансована пластичність (подовження 25%–35%) і міцність (вода > 80 J при кімнатній температурі), з хорошими низькотемпературними характеристиками (температура крихкого переходу < -40℃).

Втома

Стійкість до втоми є критичною для компонентів під час циклічних навантажень (Напр., вали, пружини).
Аустенітні марки (304, 316) мають помірну втомну міцність (200–250 МПа, 40% міцності на розрив) в розпеченому стані; холодна обробка підвищує втомну міцність до 300-350 МПа, але підвищує чутливість до дефектів поверхні.
Дуплексні сорти (2205) виявляють більш високу втомну міцність (300–380 МПа) через їхню двофазну структуру, а PH оцінки (17-4РН) після старіння досягають 400–500 МПа.
Поверхневі обробки (дробеструйна обробка, пасивація) ще більше збільшує довговічність за рахунок зменшення концентрації напруги та покращення стабільності плівки.

4. Теплові та електричні властивості

Теплові властивості

• Теплопровідність (20 ° C): 304 ≈ 16 Вт·м⁻¹·K⁻¹; 316 ≈ 15 Вт·м⁻¹·K⁻¹; 430 ≈ 25–28 Вт·м⁻¹·K⁻¹. Нержавіюча сталь проводить тепло набагато менш ефективно, ніж вуглецева сталь або алюміній.
• Коефіцієнт теплового розширення (20–100 ° C): Аустеніт ≈ 16–17 ×10⁻⁶ K⁻¹; ферити ≈ 10–12 ×10⁻⁶ K⁻¹; дуплекс ≈ 13–14 ×10⁻⁶ K⁻¹.
  Вищий КТР аустеніти призводить до більших теплових переміщень і більших ризиків зварювання.
• Сила високої температури: Аустеніт зберігає міцність при помірних температурах; спеціалізовані сорти (310S, жароміцні ферити) збільшити максимальну температуру використання. Для безперервної повзучості, вибирайте стійкі до повзучості сталі або сплави на основі нікелю.

Електричні властивості

Нержавіюча сталь є середнім електропровідником, з питомим опором вище, ніж у міді та алюмінію, але нижчим, ніж у неметалічних матеріалів.
Аустенітні марки (304: 72 × 10⁻⁸ Ω·м) мають більший питомий опір, ніж феритні марки (430: 60 × 10⁻⁸ Ω·м) за рахунок добавок легуючих елементів.
Його електропровідність не підходить для високоефективних провідників (переважає мідь/алюміній) але достатньо для заземлення, електричні корпуси, і слабкострумові компоненти, де механічна міцність і стійкість до корозії є пріоритетними.

5. Продуктивність обробки

Можливість обробки нержавіючої сталі (зварювання, формування, обробка) має вирішальне значення для промислового виробництва, зі значними відмінностями між класами.

Продуктивність зварювання

Зварюваність залежить від мікроструктури, вміст вуглецю, і легуючі елементи:

• Аустенітні марки (304, 316): Чудова зварюваність за допомогою дугового зварювання, газове зварювання, і лазерне зварювання.
  Низькі оцінки C (304Л, 316Л) і стабілізовані сорти (321, 347) уникайте IGC; пасивація після зварювання підвищує стійкість до корозії.
• Феритні марки (430): Погана зварюваність через укрупнення зерна і крихкості в зоні термічного впливу (Хаз). Зварювання вимагає низьких витрат тепла та попереднього підігріву (100–200 ℃) щоб зменшити розтріскування HAZ.
• Мартенситні марки (410): Помірна зварюваність. Високий вміст C спричиняє твердіння в ЗТВ і розтріскування; попереднє нагрівання (200–300 ℃) і відпуск після зварювання (600–700 ℃) є обов'язковими.
• Дуплексні сорти (2205): Хороша зварюваність, але вимагає суворого контролю температури (міжпрохідна температура < 250℃) підтримувати баланс фаз (50% аустеніт/ферит). Відпал розчину після зварювання (1050–1100 ℃) відновлює стійкість до корозії.

Формування продуктивності

Формоздатність пов'язана з пластичністю та швидкістю зміцнення:

• Аустенітні марки: Відмінна формувальність завдяки високій пластичності та низькому коефіцієнту зміцнення.
  Вони можуть бути глибокої витяжки, штампований, зігнутий, і розкатані в складні форми (Напр., 304 для харчових банок, архітектурні панелі).
• Феритні марки: Помірна пластичність, але схильна до розтріскування під час холодного формування через низьку пластичність; тепле формування (200–300 ℃) покращує працездатність.
• Мартенситні марки: Погана здатність до холодного формування (низька пластичність); формування зазвичай виконується в відпаленому стані, з наступним гартом і відпуском.
• Дуплексні сорти: Добре формується (подібний до 304) але вимагає більшої сили формування через більшу міцність.

Продуктивність обробки

На оброблюваність впливає твердість, міцність, і утворення стружки:

• Аустенітні марки: Погана оброблюваність через високу в'язкість, загартовування у праці, і адгезія стружки до ріжучих інструментів. Для обробки потрібні гострі інструменти, низькі норми подачі, і ріжучі рідини для зменшення зносу.
• Феритні марки: Помірна оброблюваність, краще, ніж аустенітні марки, але гірше, ніж вуглецева сталь.
• Мартенситні марки: Хороша оброблюваність у відпаленому стані (HB 180–220); загартовування збільшує складність, які потребують твердосплавних інструментів.
• Оцінки PH: Помірна оброблюваність у відпаленому стані; старіння зміцнює матеріал, що робить обробку після старіння непрактичною.

6. Функціональні властивості та спеціальні застосування

Крім основної продуктивності, функціональні властивості нержавіючої сталі (біосумісність, поверхнева обробка, магнітні властивості) розширити сферу застосування.

Біосумісність

Аустенітні марки (316Л, 316LVM) і PH класів (17-4РН) біосумісні — нетоксичні, не дратує, і стійкий до біологічних рідин (кров, тканина).

316LVM (низький вміст вуглецю, вакуумний розплавлений) використовується для хірургічних імплантатів (кісткові пластини, гвинти, стенти) завдяки високій чистоті та стійкості до корозії в фізіологічних середовищах.

Поверхневі модифікації (полірування, електрохімічне травлення) додатково підвищити біосумісність шляхом зменшення бактеріальної адгезії.

Властивості поверхні та естетика

Поверхню з нержавіючої сталі можна налаштувати для естетики та функціональності:

• Механічна обробка: 2Б, №4 (матовий), BA (яскравий відпал), дзеркало. Вибирайте оздоблення відповідно до запланованої естетики та зручності очищення.
• Електропалізація: покращує гладкість поверхні та стійкість до корозії; зазвичай використовується в медичному/харчовому обладнанні.
• Хімічна пасивація: обробка азотною або лимонною кислотою видаляє вільне залізо та збільшує пасивний шар, покращення корозійної стійкості для харчових і медичних застосувань.
• Забарвлення & покриття: PVD або органічні покриття можуть додати колір або додатковий захист; адгезія вимагає належної підготовки поверхні.

Магнітні властивості

Магнетизм визначається мікроструктурою:

• Аустенітні марки: Немагнітний в розпеченому стані; холодна обробка викликає слабкий магнетизм (внаслідок мартенситного перетворення) але не впливає на стійкість до корозії.
• Феррит, мартенситний, і дуплексні сорти: Магнітний, підходить для застосувань, що вимагають магнітної чутливості (Напр., магнітні сепаратори, компоненти датчика).

7. Типові заявки по сім'ї

• Аустенітний (304/316): харчова обробка, архітектурне облицювання, хімічний завод, Кріогенія.
• Феррит (430/446): декоративне оздоблення, автомобільні вихлопи (446 висока температура), побутова техніка.
• Мартенситний (410/420/440C): столові прибори, клапани, вали, зношуються деталі.
• Дуплекс (2205/2507): нафта & газовий (кислий сервіз), системи морської води, хімічне технологічне обладнання.
• РН (17-4РН): аерокосмічні приводи, високоміцні кріплення, застосування, що вимагає високої міцності з помірною стійкістю до корозії.

8. Порівняння з матеріалами конкурентів

Вибір матеріалу вимагає збалансованості механічні показники, Корозійна стійкість, вага, теплова поведінка, характеристики виготовлення, і вартість життєвого циклу.

Наведене нижче порівняння зосереджено на нержавіючій сталі з металевими альтернативами, які найчастіше розглядаються в інженерній практиці.

9. Висновок

Нержавіюча сталь – це універсальна група матеріалів, яка поєднує стійкість до корозії, механічні характеристики та естетична гнучкість.

Успішне використання залежить від рівня вирівнювання, мікроструктуру та обробку з середовищем обслуговування та виробничим процесом.

Використовуйте PREN і підтверджені тести на корозію як інструменти скринінгу для хлоридних середовищ; контроль термоісторії виготовлення та стану поверхні; вимагають MTR та першої корозії/механічної кваліфікації для критичних систем.

При належному визначенні та обробці, нержавіюча сталь забезпечує тривалий термін служби та конкурентоспроможну економічність життєвого циклу.

 

Поширені запитання

Є 316 завжди краще ніж 304?

Не завжди. 316Вміст Mo забезпечує значно кращу стійкість до точкової корекції в хлоридних середовищах; але для нехлоридних застосувань усередині приміщень 304 зазвичай адекватний і більш економічний.

На яке значення PREN я повинен орієнтуватися для служби морської води?

Цільовий PREN ≥ 35 для помірного впливу морської води; для бризок або теплої морської води вважайте PREN ≥ 40+ (дуплекс або супераустеніт). Завжди перевіряйте за допомогою тестування на конкретному місці.

Як уникнути міжкристалітної корозії після зварювання?

Використовуйте низьковуглецеві (Л) або стабілізовані сорти, мінімізувати час у діапазоні сенсибілізації, або виконайте відпал розчину та травлення, коли це можливо.

Коли вибрати дуплекс замість аустенітної нержавіючої сталі?

Вибирайте дуплекс, якщо вам потрібна більша міцність і покращена стійкість до хлориду/пітінгу та SCC за нижчої вартості життєвого циклу, ніж супераустеніт, який широко поширений у маслі. & газовий, застосування опріснення та теплообмінника.