Основные данные по нержавеющей стали 

 

Какая сталь является нержавеющей?

Нержавеющая сталь - родовое название для множества различных сталей, используемых, прежде всего, из-за их свойства - коррозионной стойкости. Ключевой элемент, объединяющий все виды сталей, - определенный минимальный процент (по массе) содержания  хрома: 12%. Хотя другие элементы, особенно никель и молибден, добавляются, чтобы улучшить коррозионную стойкость, хром всегда является определяющим фактором.

Что вызывает коррозию?

Коррозия - естественное явление, поскольку природа стремится комбинировать (объединять) другие элементы, которые человек произвел в чистом виде для  собственного использования. В естественном виде железо встречается в виде  железной руды. Чистое железо поэтому неустойчиво и стремится «ржаветь»; что означает соединяться с кислородом в присутствии воды. На протяжении всего Железного Века, который начался приблизительно 1000 до н.э.,  использовался чугун и ковкий чугун; чугун с высоким содержанием углерода и различными нерафинированными примесями. Производство стали не начиналось вплоть до 19-го столетия. В настоящее время, большинство производимой в мире стали, - это углеродистая сталь, которая может быть определена как сплав с малым содержанием углерода в сочетании с хорошо очищенным железом. Несмотря на  различные примеси, нержавеющая сталь все еще обладает свойствами стали, в противовес никелевым сплавам, которые в действительности являются сплавами ряда различных металлов, железная руда – лишь одна из их числа. Даже высоколегированные марки нержавеющей стали, марка 316, содержат минимум 62% железа.

Углеродистые стали без какого-либо предохранения формируют покрытие в виде ржавчины, которая в некотором смысле сохраняет остальную часть стали. Так, постоянное удаление ржавчины подвергает новый слой стали ржавлению. Это называется обычной коррозией. Различные покрытия будут препятствовать процессу образования ржавчины, в особенности покраска, покрытие с цинком (оцинкованная сталь), и эпоксидные смолы / полимеры. Другой всесторонний способ уменьшить коррозию состоит в том, чтобы  поместить ингибиторы коррозии в растворы, которые бы при других обстоятельствах заставили железо корродировать.

Уникальное преимущество нержавеющей стали.

В многочисленных областях применения, нержавеющая сталь конкурирует с углеродистыми сталями, имеющими защитные покрытия, а также и с другими металлами, например,  алюминием, латунью и бронзой. Успех нержавеющей стали заключается в том, что она имеет одно большое преимущество. Хром, содержащийся  в нержавеющей стали, имеет большое сходство с кислородом, и формирует на поверхности стали на молекулярном уровне пленку / тонкий слой  оксида хрома. Этот тонкий слой характеризуется как пассивный, вязкий и самовозобновляющийся. «Пассивный» означает, что он не взаимодействует с и не влияет на другие материалы; «вязкий» означает, что он пристает к слою стали и не переносится в другое место; «самовозобновление» означает, что в случае повреждения или  безосновательного удаления большее количество хрома со стали будет подвержено воздействию  воздуха и образуется больше оксида хрома. Это означает, что нож из нержавеющей стали, использующийся уже на протяжении длительного времени, может быть буквально изношен ежедневным использованием и в результате заострения заточным станком, но все-таки останется нержавеющим. Люки и крышки, применяемые в водоочистных установках и в химической промышленности, повсеместно производятся как из оцинкованной стали, так  и из нержавеющей стали. При нормальном использовании оцинкованная сталь может сохранять свои свойства на протяжении многих лет без появления признаков коррозии, но  и в этих случаях преимуществ у нее будет немного, если не считать эстетические свойства. Устойчивость против коррозии необходима, когда оцинкованное покрытие подвергается постоянному износу, например, цепями, которые перемещаются по нему, или когда его постоянно заливают сверхкоррозийные химические препараты.

Это приводит к выводу,  что производство с использованием  нержавеющей стали всегда будет более дорогим, чем с использованием обычной стали, не только из-за более высокой цены нержавеющей стали, но также и потому, что ее труднее обработать механически. Однако именно издержки за срок службы делают нержавеющую сталь столь привлекающей внимание, как в отношении  более длительного срока службы  / эксплуатации, меньших расходов по хозяйственно-техническому обслуживанию, так и относительно  показателей при выводе  из эксплуатации по истечении срока службы.

Характеристики продукции.

Использованию именно нержавеющей стали может быть отдано предпочтение по сравнению с другими материалами по ряду причин не только из-за коррозионной стойкости:

• Эстетические качества: можно полировать атласом или зеркальной полировкой;
• «Сухая коррозия» возникает при более высоких температурах, когда сталь окисляется. Нержавеющая сталь обладает более стойкими свойствами против этого процесса, чем обыкновенная углеродистая сталь и марка 310 (25% хрома и 20 % никеля), специально предназначенные для использования при высоких температурах;
• Не загрязнение жидкостей,  потому что нет никакого покрытия, которое нужно разрушить и растворить;
• Экономия массы / удельного веса: т.к. могут использоваться  более тонкие сегменты/части и технически более прогрессивные проектируемые конструкции со сниженной себестоимостью на фундаменты и вес платформы.
• Многие антикоррозионные покрытия могут стать причиной возникновения пожара, или сами материалы имеют низкую температуру плавления.

Области применения.

Каждодневное использование нержавеющей стали – это ножевые изделия (ножи, ножницы и т.д.) и столовые приборы. Очень дешевые ножевые изделия и столовые приборы производят  из марок 409 и 430 НС,  для производства высококачественных изделий применяются марки 410 и 420 (для ножей) и марка 304 (18/8 нержавеющая, 18% хрома 8 % никеля) для ложек и вилок. Используются различные марки, поскольку 410/420 могут подвергаться закалке или отпуску для того, чтобы лезвия имели заостренный край, тогда как с более податливой  маркой 18/8 нержавеющей стали легче работать и поэтому она больше подходит для предметов, которые должны подвергнуться многочисленным формообразованиям, полировке и шлифовальным процессам.

Наибольшее применение НС находит при  производстве продовольственных товаров и их хранении. Наиболее  используемыми марками являются 304 и 316. Типичные области применения включают: маслодельни, хранение молока и консервирование ветчины, хранение замороженной и соленой рыбы. Если марка 304 используется при нормальных температурах и кислотных концентрациях, то марка 316 используются при более жёстких внешних условиях. Например, марка 304 используется при производстве сыра, но при производстве соленой ветчины используется марка 316. Для малых концентраций фосфорической (фосфорной) кислоты (один из элементов «Колы») используются марка 304, но при более высоких температурах и концентрациях – 316. Машины для нарезки пищевых продуктов ломтиками производятся из марок 420 и 440.Очень часто при производстве продовольственных товаров НС используется не потому, что сами товары являются коррозийными, а потому, что использование НС обеспечивает более быструю и эффективную зачистку. Например, при производстве мороженого необходимо использование марки 316 для того, чтобы применять системы с сильной противобактериологической очисткой и споласкиванием. Одним из сильнейших преимуществ НС является то, что она не придает специфического вкуса продуктам при взаимодействии с ними.

Подкачка и локализация масел, газов и кислот создают большой рынок для нержавеющих резервуаров, труб, насосов и клапанов. Хранение разбавленной  азотной кислоты стало одним из первых успешных достижений для марки 18/8 нержавеющей стали, поскольку она могла использоваться для более тонких сегментов и была более устойчивой, чем другие материалы. Были разработаны специальные марки НС  для большей коррозионной стойкости. Они используются на опреснительных установках, очистных станциях, на нефтяных вышках, портовых крепях и гребных винтах судов.

Архитектура - растущий рынок. Используется для плакировки современных зданий. Когда началось использование железобетона, полагалось, что используемая углеродистая сталь не будет ржаветь, так как цемент, очевидно полученный из известняка, является щелочным. Однако постоянное использование гравия с содержанием солей при возведении мостов может изменить pH-баланс на кислый и, таким образом, вызвать ржавление стали, которая расширяется и приводит к растрескиванию  бетона. Арматурный стержень из нержавеющей стали, хотя первоначально и дорогостоящий, оказывается минимально изношенным за срок эксплуатации. Малые расходы по хозяйственно-техническому обслуживанию обеспечивают повышение спроса на НС на рынке общественного транспорта, при изготовлении компостеров и мебели для улиц.

Атомная индустрия использует большие объемы НС, зачастую с низким содержанием кобальта, как для локализации энергии, так и для локализации излучений. Сооружаются специальные вентиляционные шахты, которыми пользуются в чрезвычайных ситуациях, чтобы плотно закрыть / блокировать  заводы в течение многих лет, если это необходимо. Использование НС в паровых и газовых турбинах объясняется наличием таких характеристик, как сопротивление коррозии и термостойкость.

Особенно часто чистая расплавленная НС используется для изготовления медицинских капиллярных трубочек с радием, вводимых в живую ткань для лечения злокачественной опухоли, а также для изготовления искусственных ребер. Огромное количество медицинского оборудования– например, ортопедические кровати, кабины и устройства для проведения осмотра стандартно изготавливаются из НС благодаря ее гигиеническим и легко очистительным свойствам. Фармацевтические компании используют НС для производства воронок и унитазов и при приготовлении кремов и растворов.

Автомобильные отрасли промышленности увеличивают использование НС, прежде всего, для выхлопных систем (марка 409) и каталитических конвертеров, но также и для строительных целей.

Классификация НС

НС обычно подразделяют на пять групп, в зависимости от определенного количества легирующих элементов, которые определяют микроструктуру сплава.

Аустенитная НС

Аустенитная НС - наиболее свариваемая марка НС и грубо может быть разделена на три группы: обычная хромо-никелевая (300 видов), марганцево-хромо-никеле-азотистая (200 видов) и специальные сплавы. Аустенитная группа НС – самая известная и используется  для многочисленных промышленных и потребительских нужд, например, на химических заводах, электростанциях, для производства пищевого оборудования и оборудования для маслоделен.

Ферритная НС

Ферритная НС состоит из  железохромистых сплавов с объемно центрированными кубическими кристаллическими структурами. Они могут обладать  хорошей пластичностью и способностью к формоизменению, но жаропрочность недостаточна в сравнении с аустенитными классами. Некоторые ферритные марки (например, 409 и 405) используются в глушителях, выхлопных системах, кухонном оборудовании и раковинах, и стоят меньше, чем изделия из других видов НС. Другие более высоколегированные стали с низким содержанием C и N (например, марки 444 и 261), хотя и являются более дорогостоящими, но они обладают высокой стойкостью к солям хлористоводородной кислоты.

Мартенситная НС

Мартенситная НС, например, марки  403, 410, 410NiMo и 420, схожи по составу  с ферритной группой сталей, но содержат баланс C и N против Cr и Mo;. следовательно,  аустенит с высокой  температурой преобразовывается в мартенсит с низкой температурой. Подобно ферриту, они также имеют объемно центрированную кубическую кристаллическую структуру в закаленном состоянии. Содержание углерода в отверждающихся сталях влияет на процесс сварки и формообразования. Для достижения необходимых свойств и предотвращения образования трещин свариваемые мартенситы нуждаются в предварительном подогреве и термической обработке после сварки. 

Сталь, выплавленная дуплекс-процессом

Прежде всего, используется на химических заводах и трубопроводных системах, в настоящее время стремительно развивается производство стали, выплавленной дуплекс-процессом; она имеет микроструктуру с равным содержанием феррита и аустенита. Сталь, выплавленная дуплекс-процессом, обычно содержит около 22-25% хрома и 5% никеля с молибденом и азотом. Хотя сталь, выплавленная дуплекс-процессом, и некоторые виды аустенитной стали имеют схожие легирующие элементы, первая обладает большим пределом текучести и стойкостью к трещинам, образующимся в результате коррозии под напряжением, стойкостью против солей хлористоводородной кислоты, чем аустенитная НС.

Дисперсионное твердение

Дисперсионно-твердеющая НС – этот хромо-никелевая НС, содержащая легирующие примеси, как например, алюминий, медь или титан, что способствует закалке в присутствии растворов и термообработки. Они могут быть либо аустенитными, либо мартенситными после дисперсионного твердения. Дисперсионно-твердеющие НС подразделяются на 3 вида: мартенситные, полуаустенитные и аустенитные. Мартенситные (марка 630) и полуаустенитные (марка 631) обеспечивают большую прочность, чем аустенитные марки (например, марка 660, известная также как А286).

Выбор сварочного процесса

Так как нержавеющая сталь является более дорогостоящей, чем обычная, важно выбрать процесс, который даст лучшие результаты и позволит избежать таких обычных проблем, как сквозное проплавление (особенно при сварке тонких сегментов). Ниже описаны различные процессы, рекомендуемые для сварки НС. При выборе процесса важно учесть его возможность применения и наличие соответствующего оборудования.

Полуавтоматическая дуговая сварка (ASME: SMAW)

ПАДС с использованием электродов с покрытием – все еще наиболее распространенный вид сварочного процесса, когда дело касается сварки НС. Процесс подходит для всей шкалы свариваемых марок толщиной 1 мм при вертикальной сварке. На самом деле, нет верхнего предела по толщине. Однако для более тяжеловесных материалов, автоматические процессы сварки зачастую являются более экономичными. Хотя есть тенденция к применению других сварочных процессов, при помощи полуавтоматической дуговой сварки осуществляется большинство из них.

Факторы, влияющие на выбор электрода

Электрод должен иметь тот же основной состав элементов, что и основной металл, что делает сварной шов более стойким к коррозии. Однако, допустимы некоторые исключения. Например, высоколегированный электрод может иногда использоваться для сварки низколегированного основного металла шва. Причина этому - свариваемость и механическая прочность. Во всех случаях необходимо учитывать условия, при которых возникает коррозия. В лимонной кислоте, марка 18-10L- более стойкая, чем17-12-2,5L. В таких условиях, сварка марки 18-10L должна производиться с использованием HILCHROME 308R, а не электродами с содержанием более легирующих элементов.

В основном, есть четыре различных типа покрытых электродов для сварки нержавеющей стали: основной (-15), титановый или рутилово-основной (-16), силикатно-титановый или рутиловый (-17) и с толстослойным покрытием для сварки в нижнем пространственном положении и горизонтальной сварки  (-26). Выбор электрода основывается на пространственном положении во время сварки.

 

Основное покрытие (-15)	Только постоянный ток	1. Вертикальная и потолочная сварка и сварка во всех положениях: сварка труб 2. Проход при заварке корня шва на толстолистовой стали 3. Полностью аустенитная высоколегированная НС, подвергающаяся растрескиванию (крекингу) по средней линии сварного шва
Рутилово- основное (-16)	Переменный / постоянный, предпочтительнее постоянный	1. Нижнее положение 2. Восходящее положение и потолочная сварка при отсутствии электродов с известковым покрытием
Рутиловое (-17)	Переменный / постоянный, предпочтительнее постоянный	1. Нижнее положение и горизонтальная сварка, когда необходим минимум зачистки 2. Когда необходимо появление вогнутой кромки
Толстослойное (-26)	Переменный / постоянный, предпочтительнее постоянный	1. Рекомендовано для нижнего положения, возможен горизонтальный валик 2. Высокий ток, высокая производительность наплавки

Газовая дуговая сварка

Главное преимущество сварки MIG (дуговая газовая сварка стали металлическим электродом) - ее скорость. Используя катушку одножильного провода большого сечения, сварщик может добиться высокой производительности наплавки. Одножильный провод большого сечения может использоваться в цепи короткого замыкания, глобулярных и распылительных режимах перемещения дуги, что обеспечивает широкий диапазон производительности наплавки и подводимой теплоты. Работая в импульсном режиме, ГДС может быть использована в более тонких сечениях или для сварки вне установленного пространственного положения. Передача/проходимость при коротком замыкании нашли широкое применение для листовой НС и тонких трубопроводов.

MIG сварка требует среды защитного газа, чтобы предотвратить окисление сплавов из нержавеющей стали в сварочной дуге. В зависимости от местоположения и региональных тенденций, используются смеси аргона, гелий и СО₂.

Процесс MIG является или полуавтоматическим, или полностью автоматическим. Это - более экономичный процесс, чем сварка покрытыми электродами. Однако, процессы в среде защитных газов чувствительны к тягам, что свидетельствует о неприменимости этих процессов при работе на открытом воздухе или для  сварки на судах открытого типа, в которых может возникнуть образование (само-)тяги.

Дуговая сварка порошковой проволокой (ASME: FCAW)

Традиционно, наиболее часто используемые процессы для сварки нержавеющих сталей – полуавтоматическая дуговая сварка, газовая сварка металлическим электродом, дуговая сварка вольфрамовым электродом и дуговая сварка под флюсом. Пятый процесс, дуговая сварка порошковой проволокой, стал использоваться не так давно; его использование позволяет повысить производительность на многих предприятиях. Сегодня ДСПП – наиболее распространенный процесс для сварки НС.

ДСПП применяется как для сварки НС в нижнем положении, так и во вне пространственном положении. Для электродных проволок используется то же оборудование и электроснабжение, что и для сварочной проволоки при ГСМЭ. В отличие от проволок для ГСМЭ некоторые электродные проволоки содержат быстро затвердевающий флюс для образования зоны шлака, что позволяет проводить сварку во вне пространственном положении без применения специального источника питания.

Подобно ГСМЭ для ДСПП необходима среда защитного газа. Мы рекомендуем или смешанный газ 75% Ar-25%CO2, или CO2 в чистом виде.

Разница между этими способами состоит в свариваемости и возможности сварки в вертикальном положении снизу вверх.

Газовая дуговая сварка вольфрамовым электродом.

Хотя и является более медленным процессом, чем ГСМЭ и ДСПП, ГДСВЭ остается более качественной, дает чистый шов с минимумом дефектов. Возможно сваривание тонколистовой стали без сквозного проплавления. Ручная и автоматическая виды ГДСВЭ используется для соединения обычной и НС – толщиной до 5 мм. Во избежание проникновения в НС вольфрама, вольфрамовый электрод не должен касаться обрабатываемого изделия.

ГДСВЭ обычно используется для проблемных сварных швов, где необходимо строгое соответствие шифру, как, например, в ядерных отраслях промышленности. При сварке труб и сосудов высокого давления, ГДСВЭ часто используется в проходах для заварки корня шва до проведения сварочных процессов в проходах, заполняющих разделку.

Сварка производится при постоянном токе, «минус» подводится на электрод. Переменный ток используется для зачистки при сварке НС, содержащей алюминий. Газом защитной среды является аргон, хотя гелий или смесь гелия и аргона могли бы использоваться для большего проникновения.

При сварке нержавеющей стали вольфрамовый электрод должен быть легирован  торием

Дуговая сварка под флюсом (ASME: SAW)

Дуговая сварка под флюсом используется для тяжеловесных деталей. Обычно, один или два нижних наплавленных валика сварного шва наплавляются при помощи других сварочных процессов. Затем соединение подвергается ДСПФ. В некоторых случаях нижний валик может быть подвергнут ДСПФ. В таком случае, мы используем ленты, поддерживающие корень шва.

К флюсу подается электроэнергия через раструб, расположенный впереди присадочной проволоки, к которой постоянно подается электроэнергия.

Флюс проявляет экранирование. В течение сварки часть его преобразовывается в устранимый шлак. Сварка производится с «плюсом» на электроде. В течение ДСПФ возникает взаимодействие между сварочной проволокой и флюсом. При ДСПФ возникает взаимодействие между электродной проволокой и флюсом. Возможен обмен химическими элементами.

Важные моменты при сварке нержавеющей стали:

Перед сваркой

Отрегулируйте зазор между свариваемыми кромками и угол соединения, чтобы гарантировать хорошее проникновение, для дуплексных типов нужен больший зазор между свариваемыми кромками.

1. Основательно зачистите соединение и основной металл
2. Для зачистки используйте только нержавеющие щетки
3. Не производите предварительный подогрев
4. Всегда используйте сухие электроды, в случае необходимости повторно просушите покрытые электроды при 250-350°C в течение 2 часов.

В процессе сварки

1. Подводимая теплота должна соответствовать толщине листовой стали и сварочному процессу.
2. Избегайте зажигания дуги вне соединения. Зажигание дуги может вызвать точечную коррозию и появление трещин.
3. _3.                  Важна правильная экранировка корня шва. Соответствующий газ - Ar высокой степени чистоты или смеси с содержанием N2 и Н2.
4. Избегайте излишних поперечных колебаний во избежание возникновения слишком  высокой подводимой теплоты.

После сварки

1. Тщательная зачистка после сварки для достижения коррозионной стойкости. Все шлаки и окиси на поверхности и вокруг сварного шва должны быть удалены
2. Зачистка должна осуществляться вручную и только нержавеющими щетками
3. Вращающиеся  щетки могут вызвать микротрещины в металле сварочного шва
4. Не нужна последующая термическая обработка
5. Необходимо избегать снятия напряжений, так как это может привести к охрупчиванию стали и металла сварочного шва
6. При полировке используйте новый шлифовальный камень. Мелкие железные частички со шлифовального камня могут проникнуть в сталь и вызвать коррозию.

 

Типичные присадочные металлы
для соединения разнородных материалов из нержавеющей стали

	347, 347Н	321, 321Н	317	316L	316, 316H	310S	310	309S	309	308	304
304H, 305, 304	308R	308R	308R 316R (317)	308R 316R	308R 316R	308R 309R 310R	308R 309R 310R	308R 309R	308R 309R	308R	308R
304L	308R 347R	308R 347R	308R 316R (317)	308R 316R	308R 316R	308R 309R 310R	308R 309R 310R	308R 309R	308R 309R	308R
308	308R 347R	308R	308R 316R (317)	308R 316R	308R 316R	308R 309R 310R	308R 309R 310R	308R 308R 309R	308R 309R
309	309R 347R	309R 347R	309R 316R	309R 316R	309R 316R	309R 310R	309R 310R	309R
309S	309R 347R	309R 347R	309R 316R	309R 316R	309R 316R	309R 310R	309R 310R
310	308R 310R	308R 310R	(317) 309Mo 310R	316R 309Mo 310R	316R 309Mo 310R	310R
310S	308R 310R	308R 310R	(317) 309Mo	316R 309Mo	316R 309Mo
316H, 316	308R 316R 347R	308R 316R	(317) 316R	316R
316L	316R 347R	316R	(317)
317	308R (317) 347R	308R (317)
321H, 321	308R, 347R