Кто изобрел нержавеющую сталь
Сто лет назад мир услышал о замечательном материале, который чрезвычайно широко применяется в самых различных областях нашей жизни, – нержавеющей стали.
Производитель утверждал, что она чрезвычайно подходит для изготовления столовых приборов, поскольку изделия из нее хорошо моются и не теряют блеска при контакте даже с самой кислой пищей. В качестве источника информации был назван американский консул в Шеффилде Джон Сэвидж. Вот так, без большого шума и с изрядным запозданием, мир узнал об изобретении нержавеющей стали.
Нержавеющие стали различаются свойствами, составом и назначением, но в целом их можно разделить на несколько основных групп по кристаллической структуре: ферритные, аустенитные, мартенситные и двухфазные (ферритно-аустенитные). Ферритные нержавеющие — это хромистые (10−30% хрома) и низкоуглеродистые (менее 0,1%) стали. Они достаточно прочные, пластичные, относительно несложно обрабатываются и при этом дешевы, но не поддаются термической обработке (закаливанию). Мартенситные нержавеющие — это хромистые (10−17% хрома) стали, содержащие до 1% углерода. Они хорошо поддаются термообработке (закаливанию и отпуску), что придает изделиям из таких сталей высокую твердость (из них делают ножи, подшипники, режущие инструменты). Мартенситные стали сложнее в обработке и из-за более низкого содержания хрома менее стойки к коррозии, чем ферритные. Аустенитные нержавеющие стали — хромоникелевые. Они содержат 16−26% хрома и 6−12% никеля, а также углерод и молибден. По коррозионной стойкости превосходят ферритные и мартенситные стали и являются немагнитными. Высокую прочность получают при нагартовке (наклепе), при термообработке (закалке) их твердость уменьшается. Двухфазные стали сочетают различные свойства ферритных и аустенитных сталей.
Предки нержавейки
Вообще-то такую сталь выпускали в Европе и США еще до шеффилдских металлургов. Обычная сталь, сплав железа и углерода, легко покрывается пленкой оксида железа — то есть ржавеет. К слову, именно это обстоятельство было одной из причин блестящего коммерческого успеха американского предпринимателя Кинга Кемпа Жиллетта, который придумал безопасную бритву. В 1903 году его фирма продала лишь 51 лезвие, в 1904-м — без малого 91 000, а к 1915 году общий объем продаж превысил 70 млн. Жиллеттовские лезвия, на которые шла нелегированная сталь из бессемеровских конвертеров, быстро ржавели и тупились и потому требовали частой замены. Любопытно, что рецепт борьбы с этой болезнью главного металла тогдашней индустрии был давно найден. В 1821 году французский геолог и горный инженер Пьер Бертье заметил, что сплавы железа с хромом обладают хорошей кислотоустойчивостью, и предложил делать из них кухонные и столовые ножи, вилки и ложки. Однако эта идея долго оставалась благим пожеланием, поскольку первые сплавы железа и хрома были очень хрупкими. Лишь в начале XX века были изобретены рецептуры сплавов железа, способные претендовать на титул нержавеющей стали. Среди их авторов был один из пионеров американского автомобилестроения Элвуд Хейнс, который собирался использовать свой сплав для изготовления металлорежущего инструмента. В 1912 году он подал заявку на соответствующий патент, который был получен лишь семью годами позже после длительных споров с Бюро патентов США.
Этот день в истории: 1913 год — впервые выплавлена нержавеющая сталь
13 августа 1913 года в Шеффилде (графство Саут-Йоркшир, Англия) британский металлург Гарри Брирли впервые в истории выплавил нержавеющую сталь.
Идея производства стали, которая могла сопротивляться коррозии в атмосфере и агрессивных средах, интересовала всех производителей металла на протяжении всего времени существования этого производства.
Однако относительный прорыв в этом вопросе произошел лишь в 20-х годах XIX века. Именно тогда Майкл Фарадей и Пьер Бертье отметили способность сплава хрома с железом сопротивляться кислотной коррозии.
Правда, реализовать это открытие на практике и получить сплав стали с высоким содержанием хрома в то время не удалось, так как ученые ещё не знали о роли низкого содержания углерода.
Выплавить первую в мире нержавеющую сталь удалось лишь спустя почти век уроженцу британского Шеффилда металлургу Гарри Брирли. В 12 лет он пошёл на завод, где работал его отец, в качестве рабочего. Позднее получил должность ассистента в химической лаборатории компании.
К тридцати годам Брирли заслужил репутацию опытного профессионала, умелого в решении практических проблем промышленной металлургии. В 1908 году, когда две основные сталелитейные компании Шеффилда договорились о совместном финансировании общей исследовательской лаборатории (лаборатории Брауна Ферта), Гарри Брирли предложили возглавить проект.
В неспокойные годы, предшествовавшие Первой мировой войне, производство оружия в Великобритании значительно возросло, но возникли практические проблемы из-за чрезмерного износа внутренних поверхностей стволов. Брирли начал исследование новых сталей, которые могли бы лучше противостоять эрозии, вызванной высокими температурами. Он начал эксперименты с добавлением хрома в сталь, опираясь на опыт Фарадея и Бертье.
Проводя металлографию для изучения микроструктуры экспериментальных сплавов путем воздействия разбавленного раствора азотной кислоты в спирте, Брирли обнаружил, что новые хромистые стали оказались очень устойчивы к химическому воздействию.
Интересно, что данное открытие натолкнуло металлурга на идею использовать его не в военной, а в мирной отрасли. Дело в том, что Шеффилд начиная еще с XVI века являлся центром производства всяческой столовой и кухонной утвари.
Брирли моментально оценил громадный потенциал хромистых сталей не только для работы в условия высоких температур (что было первоначальной целью для военных нужд), но и для массового производства столовых приборов, кастрюль и пищевого технологического оборудования.
До этого ножи из углеродистой стали ржавели, что было негигиенично, а заменой могли служить только дорогие столовые приборы из серебра или нейзильбера (сплав меди, никеля и цинка). Имея это в виду, Брирли расширил свои опыты, чтобы проверить действие на сталь пищевых кислот, таких как уксус и лимонный сок.
Именно работа в данном направлении и привела к созданию по-настоящему нержавеющей стали. Её первый в мире образец Брирли выплавил в своей лаборатории в электрической печи 13 августа 1913 года. Сплав содержал 0,24% по массе углерода и 12,8% по массе хрома.
За своё достижение в 1920 году он был награжден золотой медалью Бессемера. Заслуга Брирли как первооткрывателя признается также ведущей организацией по материалам ASM International, которая была основана в том же 1913 году. Правда, по ее информации, данную отливку под номером 1008 металлург сделал 20 августа 1913 года. Состав сплава — 12,8% хрома, 0,44% марганца, 0,2% кремния, 0,24% углерода и 85,32% железа.
Практически все исследования нержавеющих сталей были прерваны Первой мировой войной, но в 1920-х годах работы по ним возобновились. Брирли покинул лабораторию Брауна Ферта в 1915 году из-за разногласий относительно патентных прав, но исследования продолжались под руководством его преемника доктора Уильяма Хэтфилда.
Именно Хэтфилду приписывают разработку в 1924 году нержавеющей стали «18/8», которая даже сегодня, вероятно, является наиболее широко используемым сплавом этого типа. Помимо хрома (18% по массе), он имеет в составе никель (8% по массе).
Стоит сказать, что Гарри Брирли все же не остался без благодарной памяти потомков. К столетию со дня изобретения им нержавеющей стали на улице Говарда в Шеффилде художницей Сарой Йейтс была создана 13-метровая настенная композиция. Кроме того, в бывшей лаборатории Брауна Ферта установлены портрет и памятная табличка.
Что такое нержавеющая сталь. История создания и развитие технологий.
Нержавеющая сталь – это практически единственная технология металлургии, которая распространялась в другие отрасли именно из ножевой индустрии. Все остальные технологические решения производители ножей заимствовали из других отраслей и адаптировали под свои нужды.
Он работал в военной лаборатории Браун-Ферт в Шеффилде, где искал возможность защитить от внутренней эрозии стволы винтовок. В 1913 году ему удалось в результате экспериментов получить опытные образцы стали с содержанием 0,24 % углерода и 12,8 % хрома. Первая плавка состоялась в электрической печи 13 августа 1913 года. Она прошла успешно и новая сталь начала свое распространение по миру. За своё достижение в 1920 году Брирли был награжден золотой медалью Бессемера (за выдающиеся заслуги в производстве черных металлов). Первоначально Брирли предложил свою сталь производителю английских столовых ножей и именно при их производстве эта сталь использовалась впервые. Этот вариант нержавеющей стали имел очень малое содержание углерода и фактически относился к низкоуглеродистым сталям, не способным к хорошей термообработке и получению твердости выше 50 HRC. Но так как производимые из нее ножи были столовыми и не требовали заточки, они мгновенно завоевали популярность, положив начало новому технологическому прорыву не только в изготовлении ножей, но и посуды, оружия, машиностроения, электроэнергетики, и многих других отраслей.
Главным отличием нержавеющей стали от углеродистой является высокое содержание хрома. Незащищённая углеродистая сталь коррозирует под воздействием влажного воздуха и воды. Плёнка оксида железа, образующаяся в месте коррозии, активно участвует в разрушении поверхности металла. Оксид железа имеет более низкую плотность, чем сталь, поэтому при расширении слоя, пораженная ржавчиной сталь отслаивается и отпадает, разрушая клинок. В то же время в нержавеющей стали, за счет большого содержания хрома происходит пассивирование - переход поверхности металла в неактивное состояние, связанное с образованием на ее поверхности соединений, препятствующих коррозии, благодаря наличию на поверхности инертного слоя оксида хрома. Этот слой предотвращает дальнейшую коррозию, блокируя проникновение кислорода к поверхности стали, и останавливает ее разрушение. Пассивация происходит только при достаточно высоком содержании хрома и при наличии в нём кислорода. Количество хрома для надежного процесса пассивации составляет 12—20 %. При его содержании в 13 % и выше сплавы являются нержавеющими в обычных условиях и в слабоагрессивных средах, более 17 % — коррозионностойкими и в более агрессивных окислительных и других средах, в частности, в азотной кислоте крепостью до 50 %.
Качество нержавеющих сталей, используемых при изготовлении ножей всегда зависело от легирующих элементов. Если твердость обычной «углеродки» можно было увеличить существенно выше 60 HRC и получить пусть и интенсивно ржавеющую, хрупкую, но очень твердую сталь. То сделать это с «нержавейкой» было уже невозможно. Содержание хрома при увеличении температуры и длительности термообработки пропорционально уменьшалось (хром выгорал), тем самым терялись и рабочие качества клинка, и коррозионная устойчивость. Поэтому в течение многих лет нержавеющая сталь имела репутацию мягкой и обладающей низкой износостойкостью. В течение нескольких десятилетий ножи изготавливались из стали типа AISI 420 (российской 40Х13), а вершиной нержавеющих сталей была 440С, с твердостью порядка 59 HRC. Она ставилась на дорогие, премиальные ножи вплоть до 80-х годов, когда начала вытесняться отличной сталью 154СМ, имевшей в составе 14 % хрома или ее японским аналогом АТС 34. Обе эти стали во влажной среде покрывались несущественным питтингом, то есть не соответствовали в полной мере статусу «нержавеющих».
В начале 90-х годов прошлого века, начали получать широкое распространение стали порошкового передела, начиная с S30V, которая имела те же 14% хрома. Но при этом более качественный состав и наличие дополнительных легирующих элементов, существенно увеличивших ее устойчивость к коррозии. Прогресс неумолим, и сейчас в распоряжении ножеманов всего мира есть отличные порошки с 20% хрома в составе, например M390 от Bohler-Uddeholm или CPM 20 CV от Crucible. Это уже подлинно нержавеющие стали, способные работать даже в сложной кислотной среде и при этом демонстрирующие очень высокую износостойкость, прочность и агрессивный рез. Сейчас кажется, что развитие нержавеющих сталей уже дошло до предела, который выражен, в частности, такими «ванадиевыми монстрами», как сталь М398, содержащую 20% хрома, 2,7% углерода и 7,2 % ванадия. Глядя на такой состав элементов, создается впечатление достигнутого идеала качеств ножевой стали и кажется, что это уже совершенно избыточные параметры. Однако прогресс не остановить и впереди нас ждут новые изобретения металлургов в области нержавеющих сталей.
История нержавеющей стали
История нержавеющей стали началась более двух веков назад, в 1797 году, когда ученый-химик Воклен, исследуя свойства хрома, обнаружил уникальную особенность данного металла – чрезвычайную устойчивость к воздействию кислоты. Прошло много лет, прежде чем это важное открытие нашло практическое применение в самых разных сферах нашей жизни.
Изобретение нержавеющей стали: у истоков
Версия основная - официальная
Официальным создателем нержавейки считается металлург Гарри Бреарли (Брирли) – английский исследователь, возглавлявший в начале 20 века лабораторию по изучению металлов. Деятельность лаборатории курировали сталеплавильные компании Шеффилда, первостепенной целью которых было изучение стальных сплавов, предназначавшихся для отливки оружейных стволов.
Пытаясь создать сплав с высокими прочностными и жаростойкими характеристиками, Бреарли добавлял к железу различные присадки и опытным способом исследовал получившиеся свойства металла. Неудачные образцы складировались тут же в лаборатории и со временем ржавели. Однажды ученый заметил, что одна из заготовок, отлитая больше месяца назад, не покрылась ржавчиной, а сохранила свой первоначальный блеск.
Этот состав, открытый случайно, и был взят за основу современных нержавеющих сплавов. В его состав входило железо, хром, марганец, углерод и кремний. Именно Гарри Бреарли в 1913 г. получил патент на первый мартенситный сплав, ставший предшественником современной марки AISI 420.
Другие исследователи нержавеющих металлов
Но не все согласны с первенством Бреарли в истории изобретения нержавейки. В 1821 г. французский исследователь Пьер Бертье доказал, что добавление никеля в состав сплава делает его устойчивым к ржавчине. Правда, у этого предшественника нержавейки выявилась другая проблема. Материал получался очень хрупким, что являлось серьезным недостатком для его использования. В дальнейшем над первоначальным рецептом работал ряд авторов. Один из них – Элвуд Хейнс подал документы для получения патента на год раньше Бреарли, но смог получить его только спустя семь лет.
В 1904 году Джиллет в производстве бритвы использовал сплав, химические свойства которого хорошо противостояли коррозийным процессам. Немецкий ученый Филипп Моннартц в 1911 г. опубликовал свои результаты изучения коррозионностойкой стали. Э. Маурэр и Б. Штраус в 1912 г. получили патент на аустенитный нержавеющий состав с высоким содержанием хрома и никеля.
Тем не менее, Бреарли был признан основоположником и главным исследователем дальнейших теоретических и практических разработок в области нержавейки.
Вывод нержавейки на массовый рынок
Бреарли продолжил свои опыты с необычной заготовкой и выяснил, что получившийся состав устойчив к воздействию кислот. Несомненно, у новой стали был большой потенциал. Несмотря на то, что в оружейном производстве применения она не нашла, ее успешно можно было использовать в других сферах.
Ученый предложил ведущим металлургическим компаниям использовать прокат с новыми химическими свойствами для изготовления столовых приборов, но не встретил заинтересованности со стороны производителей. Они считали материал бесперспективным, дорогим в производстве и отказались изготавливать продукцию и продвигать ее на рынке. Дальнейшая судьба нержавейки оказалась под большим вопросом.
Но через год Э. Стюарт, сотрудник компании, производящей столовые приборы, согласился в качестве эксперимента выпустить пробную партию ножей. Продукция получила высокую оценку среди потребителей и, после усовершенствования технологии изготовления, компания Шеффилда признала хорошие перспективы нового изобретения на рынке.
Производство набирало обороты. Всего через несколько лет на изобретение были получены патенты в Европе, США и Канаде. В результате сотрудничества Бреарли и Хейнса была создана международная корпорация по производству и изготовлению продукции из мартенситных и ферритных нержавеющих сталей.
Популяризация нержавеющих сплавов
Широкую известность среди мировой общественности нержавеющая сталь получила чуть более 100 лет назад, после выхода заметки в New York Times о технологическом прорыве, совершенном компанией Шеффилда. По заявлению британского производителя, новый вид изделий не подвержен коррозии, не теряет первоначального блеска под воздействием воды и кислот, не покрывается пятнами и не тускнеет со временем.
Изначально новый сплав предназначался для изготовления столовых приборов, но уже через несколько лет стал использоваться в самых разных отраслях промышленности и машиностроения.
Типы нержавеющих сталей
В результате многочисленных экспериментов с базовым химическим составом и соотношением присадок были выделены основные группы сплавов:
- Ферритные – низкоуглеродные, с большим содержанием хрома (до 30%), пластичные и легкие в обработке.
- Мартенситные – хромисто-углеродные составы, обладающие высокой прочностью.
- Аустенитные (хромо-никелевые) – немагнитные сплавы, по антикоррозийным свойствам превосходящие ферритные и мартенситные.
- Комбинированные – сочетающие свойства аустенитных и ферритных сталей.
Нержавеющая сталь сегодня – основные сферы использования
Современную жизнь сложно представить без нержавейки. Когда нержавеющая сталь появилась в промышленности, это упростило многие технологические процессы и помогло модернизировать производство, вывести его совершенно на новый уровень развития.
Пищевая промышленность
Долговечный и практичный металл получил широкое распространение в пищевой промышленности. Оборудование, производственные линии, емкости и резервуары для транспортировки и хранения продукции, столовые приборы и посуда – роль нержавейки в этой сфере, действительно, огромна.
В медицине нержавейка решила проблемы обработки и гигиеничности инструментов и рабочих поверхностей. Она используется при изготовлении медицинского оборудования и мебели, расходных материалов, инструментов.
Машиностроение
Основное назначение коррозионностойкой стали в данной отрасли – производство деталей, устройств и агрегатов для станкостроения, транспортного машиностроения, нужд промышленности.
Химическая промышленность
В нефтехимической промышленности коррозионностойкие стали используют в производстве реакторов, труб, агрегатов, узлов, конструкций, резервуаров, к которым предъявляются высокие требования прочности и стойкости к агрессивным средам.
Архитектура и строительство
В архитектуре и строительстве из нержавеющих сплавов изготавливаются элементы декора и отделки, опорные конструкции. Материал великолепно сочетается с деревом, стеклом, камнем и в любом интерьере будет смотреться превосходно.
Космос и авиация
В авиационно-космической промышленности материал незаменим для создания специального оборудования, приборов, деталей.
С годами возможности использования антикоррозийных сплавов только расширяются. Правильно подобранные и обработанные металлоизделия – идеальный материал для длительного и беспроблемного использования. В настоящее время существуют десятки разновидностей металлопроката нержавейки, свойства которого определяются требованиями соответствующей отрасли.
История нержавеющей стали: кто и когда ее изобрел
Читайте также: