Химический элемент применяемый для легирования коррозионностойких сталей

Обновлено: 22.01.2025

Легирование коррозионностойких сталей и сплавов преследует достижение высокой коррозионной стойкости в рабочей среде (влажная атмосфера, морская вода, кислоты, растворы солей, щелочей, расплавы металлов и др.) и обеспечение заданного комплекса физико-механических характеристик.

Устойчивость против коррозии повышается при введении в состав стали хрома, никеля, алюминия, кремния. Эти элементы образуют непрерывную прочную оксидную пленку и повышают электродный потенциал, то есть увеличивают электроположительность стали.

Хром является основным легирующим элементом коррозионно-стойких сталей. Его содержание находится в пределах от 11 до 30 %.
С ростом содержания хрома коррозионная стойкость стали растет. Легирование стали хромом приводит к уменьшению склонности аустенитного зерна к росту при нагреве, существенному увеличению ее прокаливаемости, а также к замедлению процесса распада мартенсита [6].

Хром стабилизирует модификации железа с ОЦК-решеткой и образует с этими модификациями непрерывные ряды твердых растворов. Область твердых растворов хрома в g-Fe сравнительно узкая и простирается до 13,3 ат. % Сr. Хром снижает температуру полиморфного a Û g - превращения железа от 910 до 830 °С при содержании ~ 7,5 ат. %.

При дальнейшем увеличении содержания хрома эта температура резко возрастает. При содержании в сплавах ~ 50 ат. % Cr и температуре ~ 815°С происходит фазовая перекристаллизация a-твердого раствора с образованием так называемой σ – фазы. Реакция a®σ протекает крайне медленно, и необходимы продолжительные выдержки для ее завершения. Фазы σ имеет сложную тетрагональную структуру с 30 атомами в элементарной ячейке и обычно образуется в системах на основе переходных металлов и, как правило, обладает достаточно широкой областью гомогенности. В системе железо-хром эта область при 600 °С простирается от 43 ат. % Сr [7].

Одним из основных легирующих элементов высокопрочных коррозионностойких сталей является никель. Необходимость легирования никелем высокопрочных коррозионностойких сталей определяется, во-первых, тем, что он является аустенитообразующим элементом и позволяет при высокотемпературном нагреве под закалку получить аустенитную структуру, при охлаждении - претерпевать мартенситное превращение. Во-вторых, никель повышает пластичность мартенситной матрицы вследствие уменьшения степени закрепления дислокаций атомами внедрения и снижения сопротивления кристаллической решетки движению дислокаций [8,9]. В-третьих, никель, образуя интерметаллидные фазы с такими элементами, как Ti, Al и др., обеспечивает при старении необходимый уровень упрочнения. Таким образом, фазовый состав системы Fe-Cr-Ni определяется аустенитообразующим воздействием Ni и феррито- и сигмаобразующим воздействием хрома. Никель в хромистых сталях влияет на область стабильности σ-фазы, смещая ее в сторону более низких содержаний хрома и более высоких температур.

При создании коррозионностойких сталей для получения необходимой структуры, свойств и обеспечения максимальной коррозионной стойкости используют в различных сочетаниях также другие легирующие элементы: ферритообразующие (Cr, Mo, Al, Si, Ti, Nb, W, V) и аустенитообразующие (Ni, C, Mn, N, Co, Cu) [6].

Марганец в коррозионностойких сталях является достаточно распространённым легирующим элементом. Легирование марганцем, во-первых, проводится на аустенитных высокоазотистых сталях с целью повышения концентрации усвояемого азота и, во-вторых, обеспечивает возможность снижения содержания дорогостоящего Ni (при сохранение требуемой структуры и свойств) на сталях аустенитного и мартенситного классов [10].

Кобальт,так же, как Ni и Mn, является элементом замещения, расширяющим g-область. Легирование высокопрочных коррозионностойких сталей кобальтом в ряде случаев является необходимым, хотя значительно ограничивает объем применения кобальтосодержащих сталей из-за их высокой стоимости. Как аустенитообразующий элемент, подавляющий d-феррит, кобальт в 1,5-2 раза менее эффективен, чем Ni, однако имеет перед ним ряд преимуществ. Одно из них в том, что, подавляя d-феррит, кобальт очень слабо снижает мартенситную точку, что позволяет стали с Co дополнительно легировать такими элементами, как Сr, Mo и др., повышая тем самым сопротивление коррозионным поражениям и сохраняя мартенситную структуру стали.

Кроме того, кобальт, в отличие от Ni, не снижает, а несколько повышает температуру начала a®g - перехода при нагреве мартенситной матрицы, обеспечивая тем самым потенциальную возможность повышения температуры эксплуатации жаропрочных сталей.

В безуглеродистых мартенситностареющих сталях кобальт уменьшает растворимость Mo в мартенсите и обеспечивает дисперсионное упрочнение Fe-Cr-Ni-Co-Mo сталей при сохранении достаточно высокого сопротивления хрупким разрушениям. Высокая вязкость мартенситной матрицы, легированной Co, связана, как и при легировании Ni, с ослаблением степени закрепления дислокации атомами внедрения и понижением сопротивления кристаллической решетки движению дислокаций.

Особая, наиболее многогранная роль среди легирующих элементов принадлежит молибдену. Во-первых, молибден увеличивает пассивацию и химическую стойкость коррозионностойких сталей, в частности, в восстановительных средах и в присутствии Cl - ионов, когда пассивация за счет хрома недостаточна [11].

Во-вторых, молибден замедляет диффузию атомов внедрения и примесей, особенно по границам зерен, предотвращая или ослабляя тем самым выделение зернограничных фаз или сегрегаций на различных этапах термической обработки (закалка больших сечений, отпуск при повышенных температурах и т.д.) или при сварочных нагревах. Отсутствие зернограничных выделений и сегрегаций в высокопрочных коррозионно-стойких сталях, легированных Mo, резко повышает сопротивление хрупкому разрушению и коррозионным воздействиям. В-третьих, Mo замедляет разупрочнение мартенситной матрицы при температурах нагрева выше 500°С, что позволяет получить после отпусков при 500-550°С при высокой прочности повышенные значения вязкости и коррозионной стойкости. Кроме того, высокое содержание Mo (более 3 масс. %) в ряде композиций мартенситностареющих сталей (особенно при их дополнительном легировании Co) обеспечивает дисперсионное упрочнение при нагревах в интервале температур 350-550°С и высокий комплекс служебных характеристик.

Легирование высокопрочных коррозионностойких сталей другими ферритообразующими элементами решает следующие задачи:

1) связывание атомов внедрения в стойкие карбиды, нитриды и карбонитриды, не растворяющиеся при температурах закалки (Nb, V, Ti в количестве до 0,2 масс. %), что обеспечивает измельчение зерна и повышение коррозионной стойкости;

2) дисперсионное упрочнение (Ti, Al, V в количестве 0,5-1,5 масс. %, W в количестве 3-5 масс. %);

3) упрочнение мартенситной матрицы и повышение сопротивления коррозионному растрескиванию (Si в количестве до 1,2 - 3 масс. %).

Таким образом, можно сделать вывод о том, что высокопрочные коррозионностойкие стали для обеспечения высокого комплекса характеристик прочности, надежности и технологичности должны являться многокомпонентными сплавами, содержащими большой набор легирующих элементов, которые по-разному, как качественно, так и количественно, влияют на фазовый состав и структуру стали. В связи с этим оптимизация легирования рассматриваемых сталей различного назначения является достаточно сложной задачей. Первым этапом в систематизации различных, часто разрозненных и противоречивых экспериментальных данных по фазовому составу и структуре коррозионностойких сталей является их классификация и разработка диаграмм структурного состояния.

Где применяют и как делают нержавеющую сталь

Большой рывок в развитии металлургической промышленности сделали разработка и получение нержавейки. Нержавеющая сталь имеет высокий уровень антикоррозионной защиты. Легирующие элементы, входящие в состав, образуют поверхностную оксидную пленку, защищающую материал от воздействия агрессивных сред.

Сырьем для производства является чугун или отработанный металлопрокат. В полученный из него расплав добавляются хром, титан, молибден, никель. Содержание хрома в антикоррозионной стали от 10,5%. Сплав содержит также углерод, придающий материалу необходимую твердость и прочность. Количество данного вещества не должно превышать 1,2%.

Классификация

В металлургической промышленности различают более двухсот видов легированных сплавов. Они отличаются присутствием в составе разного количества дополнительных химических элементов.

Ферритные. Это малоуглеродистые сплавы, содержащие более 20% хрома, менее 0,15% углерода. Они имеют объемную кристаллическую структуру. Прочные, пластичные. Сталь данного вида обладает магнитными свойствами.
Аустенитные. Коррозионностойкие сплавы, имеющие в составе 18% хрома, от 8 до 9% никеля. Они сохраняют пластичность в холодном и горячем состоянии, хорошо поддаются сварке, обладают высокой прочностью. Существуют нестабилизированные и стабилизированные марки. Для последних сортов характерно присутствие титана и ниобия.
Мартенситные. Стали данного вида содержат 17% хрома, 0,05% углерода. Металлы пластичны, обладают упругостью, не вступают в реакцию с агрессивными средами. Они не подвержены воздействию высоких температур, считаются износостойким материалом.
Комбинированные. Существуют аустенитно-ферритные и аустенитно-мартенситные стали. Разработка и производство таких сплавов проводится под требования заказчика.

Маркировка нержавеющей стали

В России легирующие сплавы производятся в соответствии ГОСТ 5632-2014. Маркировка — сочетание цифр и буквенного обозначения. Число, стоящее в начале, говорит о содержании углерода в сплаве. Цифры, расположенные после букв, указывают среднюю массовую долю легирующего элемента, который указывается в виде букв русского алфавита.

Состав зарубежных марок нормируется стандартами, существующими в стране производителя. В Российской Федерации популярны стали AISI, получившие название от американского научно-исследовательского института «The American Iron and Steel Institute». Первая цифра указывает на тип сплава, две последующих говорят о порядковом номере во всей группе данного класса. Сниженное количество углерода в системе AISI обозначается дополнительной буквой L.

Таблица соответствия популярных зарубежных марок с российскими аналогами

Марка стали	ГОСТ 5632-2014	AISI
Ферритная	08Х13; 12Х13; 12Х17	409; 410; 430
Аустенитная	12Х18Н10Т; 08Х18Н10; 08Х17Н13М2	321; 304; 316
Мартенситная	20Х13; 30Х13; 40 Х13	420

Достоинства нержавеющих сталей

С развитием экономического и научно-технического прогресса растут требования к качеству материалов, используемых в областях народного хозяйства.

Высокий уровень антикоррозионных свойств.
Соответствие нормам, предусмотренным правилами пожарной безопасности.
Надежность, долгий срок службы без изменения технических характеристик.
Идеально сочетание с любыми строительными материалами.
Многообразие поверхностей: шлифованная, полированная, матовая, декоративная.
Широкий выбор металлопрокатной продукции.
Простота в обработке, формовании, сборке деталей, выполненных из данного вида стали.
Большой ассортимент марок, обладающих уникальными свойствами.
Экологическая безопасность, гигиена.

Применение

Перечисленные преимущества способствуют удержанию лидирующих позиций на рынке металлопроката. Антикоррозионные сплавы являются незаменимым материалом в тяжелом машиностроении, энергетической, нефтегазовой и сельскохозяйственной сферах.

Строительство, архитектура;
производство оборудования, инструментов медицинского назначения;
целлюлозно-бумажное производство;
пищевая промышленность;
транспортное машиностроение;
химическая промышленность;
электроэнергетика и электроника;
производство бытовой техники и предметов домашнего хозяйства.

Декоративные качества нержавеющих металлов и высокий уровень антикоррозионных свойств дают возможность использовать изготовленные из них детали и элементы для фасадов, рекламных установок, витрин, фонтанов. Из легированного материала изготавливают перила, двери, лестницы, лифты.

Жаропрочная нержавеющая сталь

К категории жаропрочных материалов относятся сплавы, способные под воздействием температур свыше 550º С сохранять свою структуру и не менять качественных характеристик. Химический состав и маркировка данного вида регламентирует ГОСТ 5632 — 2014. По способу производства такая нержавейка бывает литейной и деформируемой.

Теплоустойчивая нержавеющая сталь. Не поддается коррозии при 600°С.
Жаростойкая. Проявляет инертность к агрессивным средам при температурах свыше 550°С.
Жаропрочная. Противостоит механическим нагрузкам при 400 — 850°С.

Мартенситные. Марки, произведенные с применением перлитных добавок. Смесь металлов подвергается закалке при 950 — 1100 ºС. Полученные сплавы содержат более 0,15 % углерода, 11-17 % хрома и небольшое количество никеля, вольфрама, молибдена, ванадия. Они не вступают в реакцию со щелочами и кислотами. Продолжительное нахождение во влажной среде не отражается на их технических характеристиках.
Аустенитные. Стали имеют гомогенную или гетерогенную структуру. В гомогенном составе, не подвергаемом закалке, содержится повышенное количество углерода и максимум легирующих элементов: Ni, Сг, Мп, Mo, V, Nb. Такие сплавы устойчивы к температурам до 500°С. К данному классу относятся: 06Х14Н6Б, 08Х18Н12Т, 20Х23Н18, 07XI6H9M2. Гетерогенные марки в процессе производства проходят закалку и старение. Это необходимо для образования карбидных, карбидно-нитридных и интерметаллидных соединений. Они упрочняют границы матрицы и придают необходимую жаростойкость сплаву при температурах от 700 до 750°С. Представителями данного вида являются стали: 08Х17Н13М2Т, 20Х25Н20С2, 45Х14Н14В2М.
Никелевые и кобальтовые. Это одни из лучших жаропрочных материалов, способных сохранять в неизменном виде все технические параметры при температурных режимах до 900°С. Эти марки делятся на гомогенные и гетерогенные сплавы. К ним относятся: ХН77ТЮ, ХН55ВМТФКЮ, ХН70МВТЮБ.

Применение жаропрочных сталей

детали термических печей;
детали конвейерных лент транспортеров печей;
установки для термообработки;
камеры сжигания топлива;
моторы, газовые турбины;
аппараты для конверсии метана;
печные экраны;
выхлопные системы; нагревательные элементы.

Жаропрочный нержавеющий металл – лучший материал для производства деталей и механизмов, эксплуатация которых будет проходить в агрессивных средах, при повышенных температурах.

Таблица соответствия зарубежных и российских марок

Класс стали	AISI	ГОСТ 5632-2014
Аустенитные	303	12Х18Н9

Полированная нержавеющая сталь

Данный вид нержавейки представляет собой материал с абсолютно гладкой поверхностью и высоким отражающим эффектом. Технологический процесс ее производства отличается от остальных видов нержавейки способом обработки поверхности. Она проводится на специальном оборудовании с использованием контрольно-измерительных приборов.

Обработка абразивными материалами с помощью специальной ленты.
Шлифование мелкозернистыми шкурками или щетками.
Финишная отделка шлифовальными кругами до зеркального состояния.

Трубы со шлифованной поверхностью используются для транспортировки нефти, газа, жидких пищевых продуктов и спирта.
Полированный металлопрокат востребован у дизайнеров. Он позволяет создавать креативные архитектурные проекты.
Материал широко используется для изготовления бытовой техники, медицинского оборудования и инструмента, приборов для пищевой промышленности.

Полированные легированные металлы применяют во всех областях народного хозяйства, где требуется абсолютно гладкий и прочный материал, отвечающий нормам экологической безопасности.

Пищевая нержавеющая сталь

Данный вид металлопроката относится к шлифованным и отличается от остальных сортов особым способом обработки его поверхности. Финишный слой материала пищевого назначения шлифуется до появления блеска. Данный вид нержавейки экологически безопасен, не вступает в реакцию с кислотами, щелочами, моющими средствами.

08Х18Н10 – широко используется для выпуска пищевого оборудования.
08Х13 – металл, подходящий для изготовления кухонной посуды, столовых принадлежностей.
20Х13, 40Х13 – идеальный материал для производства моек и емкостей, в которых проводят тепловую и гигиеническую обработку продуктов. Его используют для выпуска оборудования, предназначенного для производства вина, спирта, продуктов питания.
08Х17 – востребованный материал для посуды, подвергающейся воздействию высоких температур.

Оптимальное количество легирующих элементов, входящих в состав нержавейки, образует защитную пленку на поверхности металла. Использование данного вида стали необходимо для производства изделий, которые подвергаются долгому воздействию паров воды, нагреванию и кипячению жидких пищевых продуктов. Благодаря свойствам пищевой стали при приготовлении еды не происходит химического взаимодействия между продуктами и емкостью, в которой они находятся.

Заключение

Развитие научно-технического прогресса и появление современных синтетических материалов не оказали влияние на востребованность нержавеющей стали. Залогом ее популярности являются уникальные свойства. Повышенная стойкость к коррозии и высоким температурным нагрузкам, надежность, сохранение технических характеристик в процессе длительной эксплуатации, соответствие нормам экологической безопасности.

4 группы коррозионностойкой стали

Коррозионностойкая сталь (нержавеющая) – это сталь, стойкая по отношению к коррозии. Такое свойство приобретает железосодержащий металл, когда к основному химическому элементу – Fe добавляют хром в значительном количестве. Получают сплав, характеризующийся новыми качествами, главным из которых является повышенная коррозионностойкость, то есть невосприимчивость к окислительным процессам, происходящем на воздухе или в других средах.

Поиском способов защиты стального материала от коррозии занимались давно, покрывая его различными составами и красками. Действительно эффективный способ был найден в 1913 году англичанином Г. Бреарли, который получил патент на изобретение стали с высоким содержанием хрома, что позволяло материалу сопротивляться процессам коррозии.

Химическая основа коррозионностойких сплавов

Нержавеющие сплавы железа основаны на правиле, в соответствии с которым при добавлении к неустойчивому к коррозии металлу другой металл, который образует с ним твердый раствор, то стойкость к процессам ржавления возрастает скачкообразно, а не пропорционально.

При наличии 13% хрома и выше сплавы не ржавеют в обычных условиях и в средах, которые принято относить к слабоагрессивными.
Если в составе хрома 17% и больше, коррозионностойкие качества проявляются в агрессивных окислительных, щелочных и др. растворах.

Химическая основа сопротивляемости коррозии заключается в образовании на поверхности предмета из нержавеющей стали пассивирующей пленки окислов благодаря хрому. Эта пленка не пропускает кислород и останавливает окислительные процессы от проникновения внутрь. Эффективность защиты зависит от состояния поверхности металла, отсутствия дефектов и внутренних напряжений в материале.

Элементы., которые сопутствуют железу в стальных сплавах: С – углерод, Si – кремний, Mn – марганец, S – сера, P – фосфор и другие

Легирование стали, то есть улучшение её физико-механических характеристик, проводится и другими химическими элементами, помимо Cr. К таким элементам относятся металлы различных групп.
В нормативной документации условные обозначения элементов даются на русском языке: Ni – никель (Н), Mn – марганец (Г), Ti – титан (Т), Co – кобальт (К), Mo – молибден (М), Cu – медь (Д).

Для стабилизации аустенитной структуры стали, то есть укрепления кристаллической решетки железа, добавляется никель. Прочность закрепляется добавками углерода. Устойчивость к перепадам температуры обеспечивается присадками титана. В особенно агрессивных средах, к примеру – кислотных, действуют сложнолегированные сплавы с присадками никеля, молибдена, меди и других компонентов.

Маркировка нержавеющих видов стали

В маркировке металлов используются буквы и цифры.

Существует российская классификация марок стали, которая используется в технических и нормативных документах. Параллельно бытует распространенная в мире группа стандартов, разработанных институтом Американским институтом стали и сплавов – AISI (American Iron and Steel Institute) для легированных и нержавеющих сталей.

Российские стандарты используют следующую схему. Для примера приведена аустенитная сталь 12Х15Г9

Элемент маркировки	Двузначное число	Буквы	Цифры	Буквы	Цифры
Что означает	Количество углерода – С в сотых долях процента	Легирующие элементы	Процентное содержание легирующих металлов (округленно до целого числа)	Легирующие элементы	Процентное содержание легирующих металлов (округленно до целого числа)
Пример	12	Х (Хром)	15 (15%)	Г (Марганец)	9 (9%)

В системе AISI материалы обозначаются тремя-четырьмя цифрами: две первые – группа сталей, две другие — среднее содержание углерода. Буквы могут находиться после второй цифры, впереди или за цифрами.

Примеры: 410, 410S, 1045.

Коррозионностойкая сталь — основные виды

Коррозионостойкие сплавы определяют по их способности противостоять под действием большого набора естественных и искусственных коррозионных сред: атмосферных, подводной, грунтовой (подземной), щелочной, кислотной, солевой, среды блуждающих токов.
Стойкость проявляется к воздействиям химической, электрохимической, межкристаллитной коррозии.

Классификация нержавеющих сплавов регулируется нормативными документами ГОСТ, в которых описывается сталь в соответствии с производственными процессами и применением.

Сплавы делятся на несколько групп по критерию структуры. Они различаются по процентному содержанию углерода и составу легирующих компонентов. Эти соотношения определяют, где и каким образом может применяться тот или иной тип стали.

Ферритные
Мартенситные.
Аустенитные.
Комбинированные.

Ферритная группа

К группе ферритов относятся хромистые стали. Они маркируются литерой F. Стали с большим содержанием хрома — до 30%, и небольшим углерода – до 0,15%. Обладают ферромагнитными свойствами, то есть характеризуются намагниченностью за пределами магнитного поля при низкой критической температуре.

Для достижения оптимальных свойств регулируется и находится баланс между содержанием углерода и хрома.

Плюсы – высокая прочность и столь же высокая пластичность.

Хорошая деформируемость в условиях холодной деформации.
Высокая коррозийная стойкость.
Может подвергаться термообработке методом отжига.

Идет на производстве трубопроката, листовых и профилированных промежуточных и конечных изделий.

Химическая и нефтехимическая промышленность. Оборудование и конструкции для работы в кислотной и щелочной среде.
Тяжелое машиностроение.
Энергетика.
Приборостроение для промышленности.
Производство бытовой аппаратуры и приборов.
Пищевая промышленность.
Медицинская промышленность.

Примеры марок сталей по ГОСТ и их применения:

Сталь 08Х13 – ферритный хромистый сплав. Применяется для производства столовых приборов.

Сталь 12Х13 – ферритный хромистый сплав. Используется для хранения алкогольсодержащих продуктов.

Сталь 12Х17– ферритный хромистый жаропрочный сплав. В емкостях из него проводится высокотемпературная обработка пищевых продуктов.

Мартенситная группа

Под мартенситом понимается структура, которая получается в результате закалки заготовки или слитка металла с последующим отпуском. Закалка заключается в нагреве до температуры, которая превышает критическую, отпуск – последующее быстрое охлаждение металла.
В результате этого процесса перестраивается кристаллическая решетка, делая материал более твердым. Но может повыситься и хрупкость.

Такая процедура дает сплавы, в которых сочетаются

Высокая твердость.
Высокая прочность.
Хорошая упругость.
Устойчивость к коррозии.
Жаропрочность.

Если повысить содержание углерода в сплаве, увеличиваются качества твердости и устойчивости к изнашиванию.

Сталь предназначена для изготовления металлоизделий для функционирования в агрессивных средах средней и слабой интенсивности. Свойство упругости позволяет изготавливать такие компоненты оборудования, как пружины, фланцы, валы. Из мартенситной и мартенситно-ферритной комбинированной стали изготавливают режущие элементы — ножи для конструкций в химической промышленности, а также в пищевой.

Сталь 20Х13, 30Х13, 40Х13 – мартенситный сплав. Применяется в производстве кухонного оборудования.

Сталь 14Х17Н2 — мартенситно-ферритный комбинированный сплав, содержит никель. Используется для производства компрессоров, оборудования для эксплуатации в агрессивных средах и при пониженной температуре.

Аустенитная группа

Аустенитный класс нержавеющих сталей отличается химическим строением, внедрением атомов углерода в молекулярную решетку железа. Содержит большой процент хрома и никеля – до 33%. Это высоколегированные металлы. Немагнитность позволяет применять сплавы в широком спектре производственных процессов.

Пластичность в холодном и горячем состоянии.
Прочность.
Свариваемость на высоте.
Стойкость к агрессивным средам, пример которых — азотная кислота.
Экологическая чистота.
Устойчивость к электромагнитным излучениям.

Для получения стабильного аустенита, гранецентрированной кристаллической решетки железа, сталь легируют никелем, повышая его содержание до 9%. Легирование проводится титаном и ниобием для повышения устойчивости к межкристаллитной коррозии. Такие сплавы получили наименование стабилизированных.

Коррозионностойкие стали группы относятся к труднообрабатываемым металлам. Для облегчения работы с ними применяют методы термообработки: отжиг и двойную закалку.
Отжиг проводится нагреванием до 1200 гр. С около 3-х часов. Остывание проходит в воде или масляной жидкости, или на открытом воздухе. Таким способом повышается гибкость сплава за счет снижения твердости.
Двойная закалка предполагает процесс нормализации твердого раствора металла при температуре 1200 гр. С. Вторично закалка проходит при 1000 гр. С. Происходит увеличение пластичности и жаропрочности – устойчивости к высоким температурам.

Применение

Разнообразные емкости.
Строительные конструкции.
Трубы из коррозионностойкой стали.
Агрегаты для нефтехимии и химического производства.
Конструкции для нефтяных вышек, очистительных станций.
Механизмы, работающие под водой, такие как, турбины.
Силовые приборы в энергетической сфере.
Компоненты и агрегаты для автомобилей, самолетов.
Оборудование для продуктов питания.
Медицинская, фармакологическая аппаратура.
Элементы крепежа.
Сварные конструкции.
И другие виды продукции.

Сталь 12Х18Н10Т — высоколегированный хромистый сплав, с присадками никеля и титана. Из нее делают оборудование для нефтепереработки и химической промышленности.

Сталь 12Х18Н10Т — аустенитная хромистая сталь с присадкой никеля. Из нее изготавливаются трубопроводы для химической и пищевой индустрии с ограничениями по температуре.

Сталь 12Х15Г9НД — высоколегированный сплав, содержащий хром, марганец, никель, медь. Применяется в производстве трубопроводных систем и ёмкостей, работающих с органическими кислотами умеренной агрессивности

Комбинированные сплавы

Сочетают структуру и свойства аустенитно-мартенситной или аустенитно-ферритной категорий.

Аустенитно-ферритные стали содержат небольшое количество никеля, в них высокое содержание хрома (более 20%), легирование проводится ниобием, титаном, медью. После прохождения термической обработки отношение феррита и аустенита становится равновесным. Такие сплавы более прочные, чем аустенитные, отличаются пластичностью, устойчивостью к межкристаллической коррозии. Они хорошо выдерживают ударные нагрузки.

Аустенитно-мартенситная группа металлов с содержанием хрома в границах 12-18%, никеля в границах 3,7 -7,5%. Могут использоваться присадки алюминия. Упрочнение проводится закалкой при температуре более 975 гр. С, и последующим отпуском при температуре 450-500 гр. С. Они обладают повышенным показателем предела текучести: характеристики, которая указывает на напряжение, при котором рост деформации продолжается без роста нагрузки. Сплавы демонстрируют хорошую свариваемость и хорошие механические качества.

Типология сталей по хромовым и никелевым присадкам

Среди сталей коррозионностойкого ряда популярны хромистые и хромоникелевые.

Антикоррозионные железосодержащие материалы, в которых находится хром, иначе называют хромистыми сталями.

Теплоустойчивые мартенситные хромистые (Cr менее 10%).
Хромистые антикоррозийные. (Cr в составе не превышает 17%).
Антикоррозионные и сложнолегированные (Наличие Cr в границах 12-17%).
Хромо-азотистые и кислотоупорные ферритного типа (Состав Cr в границах между 16% и 17%).
Жаростойкие легированные: с добавками алюминия, молибдена, кремния и иных металлов.

Для хромистых сплавов в целях усиления пластичности и стабилизации кристаллической решетки применяются стабилизирующие элементы, которые снижают содержание углеродной составляющей.

Аустенитные с низким процентным показателем углерода и стабилизирующими элементами.
Кислотостойкие, содержащие присадочные металлы.
Жаропрочные, в составе которых процент никеля и хрома – свыше 20%.
Аустенитно-мартенситные и аустенитно-ферритные с показателями никеля и хрома на среднем уровне.

Особенности производства коррозионностойких сталей

Все производственные процессы в металлургии регулируются нормативными документами ГОСТ и ТУ.

Это касается и металлов с антикоррозийными свойствами.

Максимальная твердость по шкале Бринелля (НБ). Этот метод подразумевает испытание с помощью вдавливания с использованием способа восстановленного отпечатка или невосстановленного отпечатка и определяется по таблице.
Относительное удлинение, измеряемое в %. Параметр определяет пластические свойства металла. Относительное удлинение – увеличение длины испытываемого образца после прохождения предела текучести до разрушения.
Предел текучести в Н/м2. Характеристика механических особенностей материала, связанных с напряжением, при котором деформация увеличивается, когда нагрузка закончилась. Единица измерения – паскаль или ньютон на м квадратный.
Сопротивление на разрыв или предел прочности в Н/м2. Максимальное значение напряжений материала перед тем, как он разрушится.
Допуска по отклонениям процентного отношения химических элементов в готовой продукции

Пределы процентного содержания химических элементов.
Нижний предел массовой доли отдельных легирующих компонентов, таких как марганец.
Процентное отношение вредных примесей цветных металлов: олова, свинца, висмута, сурьмы, кадмия, мышьяка и других.

Магнитные характеристики антикоррозионных сплавов

Параметр магнитности характерен для некоторых металлов. Он зависит от таких характеристик, как основная структура металла, состав и особенности сплавов.

Комбинации этих переменных предопределяют уровень магнитных характеристик.

Ферриты и мартенситы задают ферромагнитные характеристики сплавов. Они настолько же магнитные, как и углеродистая сталь. Магнитные виды материалов легко подвергаются сварке и штамповке, годятся для изготовления р инструментов с режущими поверхностями и столовых приборов.

Немагнитные сплавы – аустенитные и аустенитно-ферритные хромистых и марганцевых марок.

Отличаясь большой прочностью и коррозийной устойчивостью, широко применяются в строительной сфере и в разнообразных производственных процессах.

Описание основных марок высоколегированной стали

Целью внесения легирующих компонентов является изменение физических свойств стали — повышение прочности, противодействие коррозии, повышение гибкости. В зависимости от концентрации легирующих элементов различают три вида — низколегированная (дополнительных компонентов менее 2,5%), среднелегированная (от 2,5 до 10%) и высоколегированная сталь (от 10 до 50%).

Какими основными отличиями обладает высоколегированная сталь? Какие марки высоколегированных сталей существуют? И о чем нужно помнить при проведении сварочных работ? Ниже мы узнаем ответы на эти вопросы.

Основные особенности

Высоколегированная сталь помимо углерода и железа содержит большое количество легирующих добавок (от 10 до 50%). В качестве дополнительных компонентов: хром, никель, кремний, марганец, вольфрам, молибден, ванадий, алюминий, кобальт, титан, а также различные редкоземельные металлы.

Чаще всего в качестве дополнительных компонента выступает хром и никель — остальные компоненты обычно содержатся в небольших количествах. Хотя есть и некоторые исключения: простой пример — аустенитные марки высоколегированных сталей могут содержать марганец в концентрации от 1 до 15%.

Причины внесения легирующих добавок очень простые — они изменяют структуру и физические свойства стального сплава, что позволяет человеку получить металл с нужными свойствами.

Категории

Окалиностойкие (жаростойкие) высоколегированные стали. Основная особенность подобных сплавов — полная устойчивость к умеренно-высоким температурам (до 550 градусов по Цельсию) окружающей среды в ненагруженном состоянии. Иными словами, подобные стали хорошо выдерживают перегрев в течение длительного времени в том случае, если им не нужно держать какой-либо тяжелый вес. Обратите внимание, что помимо высоких температур окалиностойкие стали также хорошо переносят длительное воздействие химических реагентов средней степени токсичности.
Жаропрочные высоколегированные стали. По названию можно подумать, что жаропрочные и жаростойкие сплавы — это одно и то же, однако это не совсем так. Жаропрочные сплавы выдерживают высокие температуры (до 800 градусов и выше) в состоянии высокой нагрузки, но в течение короткого времени. Иными словами, подобные сплавы выдерживают большой нагрев в течение небольшого срока (тогда как жаростойкие сплавы выдерживают средний нагрев в течение долгого времени). Кратковременная устойчивость также распространяется и на высокотоксичные химические реагенты.
Антикоррозийные (нержавеющие) стальные сплавы. Обладают полной устойчивостью ко всем основным видам коррозии (поверхностная, кристаллическая, электрохимическая и так далее). Обратите внимание, что в состав подобных сплавов легирующие компоненты равномерно распределяются по всему стальному сплаву, что делает материал равномерно устойчивым ко всем антикоррозийным воздействиям. Почему это так важно? Простой пример: при хромировании формируется только внешнее антикоррозийное покрытие, которое может повреждаться или стираться по естественным причинам — высоколегированные сплавы содержат антикоррозийные добавки по всему металлу, что делает подобные сплавы более устойчивыми.

Применение

Высоколегированные стали нашли свое широкое применение в быту. Из них делают различные детали — для автомобилей (грузовых, легковых, электрических и так далее), кораблей, самолетов, танков. Также высоколегированные стали очень часто используются в строительстве для создания несущих конструкций балочного типа.

Легирующие компоненты в таком случае могут играть множество ролей — они делает материал более жаростойким, они улучшают его антикоррозийные свойства и так далее. Также из высоколегированной стали делают посуду, медицинские инструменты, домашнюю утварь и так далее.

Маркировка легированной стали

XXX — специальный буквенный префикс, отображает тип стального сплава (расшифровку мы дадим ниже).
YYY — этот фрагмент представляет собой число, которое отображает количество углерода в сплаве. Если стоит два числа — это значит, что содержание углерода выражается в сотых долях процента. Если стоит одно число — содержание углерода в десятых долях процента.
ZZZ — буквенно-числовая последовательность, которая отображает легирующие компоненты и их приблизительное количество (расшифровку мы тоже дадим ниже).

Расшифровка

Давайте теперь разберемся с префиксом XXX — этот код указывает на особые свойства стали. В техническом смысле он представляет собой одну или несколько букв (чаще всего одну), которая обозначает то или иное свойство. Префикс XXX практически вышел из употребления и на практике он используется редко. Основные значения, которые может принимать префикс, представлены в таблице ниже:

Символ префикса XXX	Расшифровка префикса
Э	Электротехническая сталь
А	Автоматная сталь
Р	Режущая сталь
Л	Сталь, полученная методом литья

Последовательность ZZZ показывает наличие в стальном сплаве дополнительных легирующих компонентов. Если какой-либо компонент в стальном сплаве содержится в концентрации более 1%, то в таком случае рядом с буквой указывается процентное содержание этого элемента. Буквы расшифровываются следующим образом:

Значение ZZZ	Расшифровка
Х	Хром
Н	Никель
С	Кремний
В	Вольфрам
М	Молибден
Ф	Ванадий
Ю	Алюминий
Г	Марганец
К	Кобальт
Т	Титан

А10Х13СЮ — автоматная сталь, которая содержит 0,10% углерода, 13% хрома, а также кремний и алюминий в концентрации менее 1%
Л12Х17 — литая сталь, которая содержит 0,12% углерода и 17% хрома.
12Х18Н12Т — сталь, которая содержит 0,12% углерода, 18% хрома, 12% никеля, а также титан в концентрации менее 1%.

Виды и марки высоколегированной стали

Категория сталей	Основные особенности	Марки соответствующей категории
Мартенситные марки	Содержат углерод в приличных количествах (до 0,7%), содержание хрома среднее (от 8 до 19%), в незначительных количествах содержат кремний и/или марганец	07Х16Н4Б, 13Х11Н2В2МФ, 30Х13
Ферритные марки	Низкое содержание углерода (до 0,15%), высокое или среднее содержание хрома (от 12 до 30%), в очень небольших количествах может содержать кремний, титан и/или марганец	12Х17, 08Х13, 15Х25Т
Аустенитные марки	Низкое содержание углерода (до 0,2%), умеренное или среднее содержание хрома (от 10 до 18%), никель в различных концентрациях (от 3 до 25%), марганец в различных концентрациях (от 1 до 14%), в небольших количествах может содержаться кремний, азот	20Х25Н20С2, 12Х25Н16Г7АР
Композитные мартенситно-ферритные марки	Низкое содержание углерода (до 0,2%), большое или среднее содержание хрома (от 10 до 16%), в небольших количествах — ванадий, марганец, кремний	12Х13, 15Х12ВНМФ
Композитные аустенитно-ферритные марки	Низкое содержание углерода (не более 0,18%), высокое содержание хрома (в среднем 23%), марганец в различных концентрациях (есть сплавы как с низким содержанием 0,5%, так и с высоким содержанием 9%), возможны небольшие вкрапления кремния, алюминия, титана	15Х18Н12С4ТЮ, 12Х21Н5Т
Композитные аустенитно-мартенситные марки	Углерод в различных концентрациях (от 0,1 до 1%), высокое содержание хрома (в среднем около 16%), в небольших концентрациях — алюминий, кремний, титан	08Х17Н6Т, 09Х15Н8Ю1

Сварка высоколегированных сталей

Повышенная теплопроводность приводит к тому, что на поверхности металла собирается лишнее тепло, которое значительно легче проплавяет сталь в глубину. Поэтому при проведении сварки нужно снизить величину сварочного тока на 15-25%, чтобы избежать повреждения детали.
Из-за увеличенного коэффициента расширения металла при нагреве также происходит более серьезная деформация металла. В случае работы с объемными жесткими объемными конструкциями также увеличивается риск образования трещин. Поэтому при осуществлении сварки нужно соблюдать повышенную осторожность.

Советы

Помимо этого существует и масса других особенностей сварки высоколегированных сталей. При работе со сплавами, которые не содержат титан или ниобий, нужно помнить о температуре нагрева сварочной дуги. При нагреве металла до температуры выше 500 градусов такие сплавы теряют свои антикоррозийные свойства.

Если же во время сварки вы по какой-либо причине довели фрагмент металла до температуры выше 500 градусов, то в таком случае необходимо выполнить закалку либо нагреть фрагмент до температуры 850 градусов. В таком случае легирующие скопления растворяются и равномерно распределятся по всему сплаву.

Из-за наличия легирующих добавок значительно повышается риск растрескивания стали во время сварки. Чтобы этого избежать, нужно использовать электроды с покрытием на основе молибдена, марганца или вольфрама. В случае применения таких инструментов место шва приобретает мелкозернистую структуру, которая препятствует образованию трещин.

Также снижает риск растрескивания шва предварительный нагрев стали до температуры 100-300 градусов по Цельсию. В таком случае тепло будет равномерно распределяться по всей толщине металла и препятствовать образованию трещин.

Стальные сплавы с содержанием углерода в концентрации менее 0,12% перед сваркой нужно обязательно нагревать. Если этого не сделать, то с большой долей вероятности после сварки на месте шва образуются трещины и коррозионные наросты.

Подведем итоги. Высоколегированная сталь — это особая разновидность стального сплава, в котором содержится большое количество дополнительных компонентов. Общее количество легирующих добавок должно составлять не менее 10%. Чаще всего в качестве подобных добавок выступают хром, никель и марганец.

Остальные элементы (кремний, титан, алюминий, вольфрам) обычно входят в состав высоколегированных сталей в небольших количествах. Легирующие компоненты позволяют изменить физические и химические свойства стального сплава. Они делают материал более жаростойким, упругим, устойчивым к коррозии.

Из высоколегированной стали делают различные детали: для авто и пароходов, элементы несущих конструкций, посуду, медицинское оборудование.

Высоколегированная сталь проходит специальную маркировку согласно государственным требованиям ГОСТ. Маркировка представляет собой специальный код, которые имеет вид буквенно-числового значения.

Для удобства высоколегированная сталь разбивается на 6 классов — мартенситные сплавы, ферритные, аустенитные и 3 композитных сплава. Сварка высоколегированных сталей должна выполняться с учетом некоторых специальных правил. Сварку следует проводить аккуратно, чтобы избежать образования трещин.

Нержавеющая сталь - химический состав и основные легирующие элементы

Нержавеющая сталь – это наиболее востребованный материал для производства металлопроката, сложных механизмов, резервуаров, сосудов и других металлоизделий, функционирующих в сложных рабочих и климатических условиях. Применение нержавеющей стали достаточно широко – от металлургии до частного строительства.

Сам термин «нержавеющая сталь» означает группу легированных сплавов, которые отличаются повышенной коррозионной стойкостью, жаропрочностью и износостойкостью.

Выделяют три основные группы нержавеющей стали:

коррозионностойкая – это нержавеющая сталь, которой характерна высокая сопротивляемость атмосферной коррозии при средних температурах.
жаростойкая – это нержавеющая сталь, для которой характерна высокая устойчивость к образованию окалины при повышенных температурах, а также стойкость к коррозии в сильно агрессивных химических средах при высоких температурах.
жаропрочная – это нержавеющая сталь, которая способна не терять в первоначальных качествах (не деформироваться и не разрушаться) под нагрузками при повышенных температурах.

На данную классификацию влияет химический состав той или иной марки, и процентное присутствие химических элементов.

В зависимости от химического состава нержавеющие стали делятся на:

хромистые – к данной группе относятся мартенситные, полуферритные (мартенситно-ферритные) и ферритные марки. Химический состав таких сталей содержит до 20% хрома.
хромоникелевые – к данной группе относятся аустенитные, аустенитно-ферритные, аустенитно-карбидные марки. Процент хрома в химсоставе может достигать 33%.
хромомарганцевоникелевые – в химическом составе таких марок никель заменяется частью марганца (в пределах от 2 до 8%), что никак не понижает качества самого сплава.

Влияние химических элементов на свойства нержавеющих сталей

Ниже представлены основные легирующие элементы, которые могут входить в состав нержавеющих сталей, и их влияние на механические и физические свойства сплавов.

Хром (Cr) – один из самых распространенных легирующих элементов. Присутствие этого элемента в химсоставе обеспечивает стали прочность, твёрдость и упругость, незначительно уменьшая пластичность. Кроме того, хром повышает устойчивость материала ко всем видам коррозии, в том числе и в агрессивных средах, обеспечивает устойчивость магнитных сил и стойкость к окислительным процессам.

Никель (Ni) – элемент, который улучшает пластичность, ударную вязкость и прокаливаемость стали. Также усиливает действие хрома, обеспечивая защиту от коррозии. Никель в химическом составе способствует снижению теплового расширения, что позволяет использовать нержавеющую сталь в контакте с кислотными растворами (соляная, фосфорная, серная).

Молибден (Mo) – благоприятно влияет на коррозионную стойкость сплава, а также повышает его красностойкость, предел прочности на растяжение, стойкость к окислению при повышенных температурах и стойкость к питтингу.

Марганец (Mn) – присутствие в химическом составе свыше 1% данного элемента обеспечивает увеличение твердости, устойчивости к ударным нагрузкам и износостойкость, при этом не снижая пластичность нержавеющей стали.

Вольфрам (W) – достаточно дорогостоящий легирующий элемент. Вольфрам способен образовывать карбиды (твердые химические соединения), которые резко повышают твердость и жаропрочность стали. Вольфрам препятствует росту зерна при нагревании и устраняет хрупкость при отпуске.

Титан (Ti) – повышает прочность стали, улучшает коррозионное сопротивление, а также обеспечивает высокую податливость сплава различным методам обработки.

Кремний (Si) – при его содержании в 1-1,5% улучшаются показатели прочности, электросопротивления и магнитопроницаемости стали, при этом сохраняется вязкость стали. Кроме того, кремний способствует повышению стойкости сплава к образованию окалины.

Кобальт (Co) – повышает ударное сопротивление нержавеющих сталей, а также увеличивает стойкость сплавов к повышенным температурам.

Алюминий (Al) – данный элемент снижает старение стали, повышает текучесть, жаростойкость, улучшает ударное сопротивление и стойкость к образованию окалины.

Ниобий (Nb) – повышает защиту от межкристаллической коррозии в сварных металлоконструкциях.

Медь (Сu) – обеспечивает защиту от атмосферной коррозии и прочность стали.

Применение металлопроката из нержавеющей стали

Поставляется нержавеющая сталь в виде рулонной стали, поковок, прутков, из которых впоследствии изготавливают нержавеющие листы, тавровые и двутавровые балки, швеллеры, трубы и трубопроводные фланцы, фитинги, запорно-регулирующую арматуры, крепеж и пр.

Благодаря высоким механическим и физическим свойствам сплавов, нержавеющий металлопрокат особенно востребован в:

нефтегазовой, химической, теплоэнергетический отрасли;
металлургии, строительстве, литейном производства;
атомной, аэрокосмической, криогенной промышленности;
пищевой, медицинской, фармацевтической отрасли;
производстве кораблей, судов, морских грузоподъемных кранов;
изготовлении высокоточных измерительных приборов;
изготовлении режущих, дробящих, перемалывающих деталей тяжелых машин и станков.

Нержавеющая сталь активно используется для производства оборудования, эксплуатирующего при экстремально высоких и низких температурах в сложных рабочих условиях.

Читайте также: