Марки стали и технические характеристики нержавейки

Основные характеристики

Рассматривая сплав AISI 321, технические характеристики которого определяют распространение в самых различных отраслях промышленности, следует учитывать нижеприведенные качества:

1. Жаропрочность и жаростойкость. Эти особенности стали позволяют использовать ее при изготовлении ответственных изделий. Трение, эксплуатация в сложных условиях приводит к нагреванию структуры, за счет чего снижаются основные эксплуатационные характеристики. Жаропрочность и жаростойкость определяют то, что структура более устойчива к нагреву. Получаемые изделия могут эксплуатироваться при температуре от 600 до 800 градусов Цельсия. При этом изделие может выдерживать длительное воздействие высокой температуры, сохраняя свои качества.
2. Включение в состав титана позволило существенно увеличить устойчивость к межкристаллической коррозии. AISI 321, аналог которого обладает схожими эксплуатационными качествами, за счет добавления титана становится более дорогим материалом.

Физические свойства AISI 321

Несмотря на высокую коррозионную стоимость, что связано с включением в состав большого количества хрома и никеля, AISI 321 не рекомендуется применять в высоко окисляющихся средах.

Российским аналогом данной стали является 08Х18Н10Т.

История

В 1820—1821 годах Майкл Фарадей и Пьер Бертье отметили способность сплава хрома с железом сопротивляться кислотной коррозии. Поскольку учёные ещё не знали о роли низкого содержания углерода, они не смогли получить сплав с высоким содержанием хрома[4].

Нержавеющая сталь была запатентована в 1912 году немецкими инженерами Krupp. Патент касался аустенитной стали. Название нержавеющая сталь впервые использовал английский инженер Гарри Брирли. Он работал в военной промышленности в лабораториях Браун-Ферт в Шеффилде. В 1913 году Гарри Брирли (англ. Harry Brearley), экспериментировавший с различными видами и свойствами сплавов, обнаружил способность стали с высоким содержанием хрома сопротивляться кислотной коррозии.

Англичанину удалось убедить в своем новом изобретении производителя ножей Р. Ф. Мосли. Изначально нержавеющая сталь использовалась только для изготовления столовых приборов. В 1924 году Великобритания запатентовала сталь по стандарту AISI 304, содержащую 18 % хрома и 8 % никеля.

Химический состав

Нержавеющая сталь AISI 321 обладает особым химическим составом, который и определяет основные эксплуатационные характеристики. Основные элементы:

1. Основных химическим элементом принято считать углерод. В рассматриваемом случае его концентрация 0,08%. Небольшое количество этого элемента в составе обеспечивает хорошую свариваемость AISI 321 и пластичность структуры.
2. За коррозионную стойкость отвечает хром. Для повышения защиты структуры от воздействия высокой влаги и некоторых других веществ концентрация выдерживается в пределе от 17 до 19%.
3. Никель также включается в сплав в большой концентрации, около 12%. За счет этого получаемые изделия становятся пластичными и более прочными.
4. Марганец включается в структуру AISi, концентрация составляет не более 2%. Он есть у большинства нержавеек.
5. Как ранее было отмечено, при изготовлении сплава добавляется и титан, который существенно расширяет область его применения. Однако, процесс внесения этого элемента характеризуется высокой сложностью, что приводит к повышению стоимости металла.

Металлопрокат AISI 321

Химический состав стали AISI 321 определяют то, что материал не обладает магнитными свойствами, однако поверхность не характеризуется устойчивостью к окислению. Особенности состава усложняют процесс закалки.

Сварка нержавеющих сталей

Сварка нержавеющих сталей имеет особенности, характерные для всех высоколегированных сталей. Прежде всего, при сварке надо учитывать и предотвращать выгорание различных элементов и изменение, в связи с этим, химического состава шва, опасность перегрева места сварки, возникающего из-за низкой теплопроводности (до 50 % от обычных сталей) и высокого удельного электрического сопротивления свариваемого металла, а также, значительные тепловые деформации, вызванные более высоким коэффициентом теплового расширения.

Электросварку нержавеющих сталей можно осуществлять методом контактной сварки и различными способами дуговой сварки. При ручном способе часто применяется аргонно-дуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом с ручной подачей присадочной проволоки, полуавтоматическая сварка плавящимся электродом в среде защитного газа а также сварка штучными (покрытыми) электродами. При автоматической сварке технологии аналогичны полуавтоматической. В качестве защитной среды при сварке малоответственных деталей угольным или плавящимся электродом может применяться углекислый газ, при сварке ответственных деталей — инертные газы аргон или гелий, а также, смеси газов. Сварка вольфрамовым электродом в среде углекислого газа возможна только при применении двойного сопла с внутренней струей аргона, защищающей электрод. Для удаления окисной пленки и повышения качества шва, применяются флюсы.

Газовая ацетилено-кислородная сварка также возможна, но сейчас практически не применяется, хотя долгое время это был единственный способ сварки тонкостенных деталей из нержавеющих сталей. В настоящее время, при сварке тонких металлов, распространен импульсный режим электросварки, при котором на постоянный («дежурный») ток дуги в 5..10 А накладываются импульсы сварочного тока с частотой 2..3 Гц. Величина сварочного тока в импульсе регулируется в широких пределах 10…200 А.[8]

Аустенитные нержавеющие стали вроде 12Х18Н9, 12Х18Н10[прим. 1] (примерно из таких прокатывают листовую нержавеющую сталь) не переносят прокаливания. Прокаливание вызывает в них структурные изменения, из-за которых после прокаливания в стали начнётся межзерновая (межкристаллитная) коррозия. Межзерновая коррозия опасна ещё и тем, что не вызывает потерю товарного вида изделия, так что изделие, будучи по-прежнему красивым и блестящим, под нагрузкой может внезапно разрушиться.

Для защиты от межкристаллитной коррозии в такие стали добавляют титан (Т) или ниобий (Б) в количестве 5 — 0,6 %. Легированные таким образом стали обозначаются: 12Х18Н9Т

, 12Х18Н9
Б
, 12Х18Н10
Т
, 12Х18Н10
Б
[прим. 2]. Соответственно, аустенитные нержавеющие стали для сварки годятся (если без последующей термообработки) те, которые с буквой «Т» или «Б» в конце.

Штучные (покрытые[прим. 3]) сварочные электроды выпускаются не только из чёрной стали (для сварки чёрных сталей), но и из нержавеющей стали (например, «УОНИИ-13/НЖ»[прим. 4]). Электрическое сопротивление нержавеющей стали больше, чем электрическое сопротивление чёрной стали, поэтому сварочные электроды из неё делают короче, чем электроды из чёрной стали, так как слишком длинный нержавеющий электрод может расплавиться (сразу по всей длине) и обрушиться до того, как будет израсходован полностью.

Для приваривания детали из нержавеющей стали к детали из чёрной стали нужны т. н. переходные электроды. В этом случае сталь, из которой сделаны переходные электроды, должна иметь в своём составе повышенное (примерно в полтора раза[прим. 5]) содержание легирующих элементов (например, «Х25Н18…»; «Х23Н15…»). Переходные электроды имеют зелёное покрытие.

Сварочные электроды с голубым покрытием — для сварки пищевой нержавеющей стали (баки, цистерны, трубопроводы, лопасти мешалок и т. п. для пищевой промышленности).

Механические свойства материала 321

Нержавеющая сталь AISI 321 характеризуется довольно большим количеством свойств:

1. Предел текучести выдерживают в пределе 205 МПа.
2. Минимальный показатель предела прочности не менее 515 МПа.
3. Твердость материала довольно высокая, показатель выдерживается на уровне 163 НВ по Бриннелю.
4. При выборе материала учитывается то, какое относительное удлинение. Рассматриваемый сплав имеет показатель 40%.
5. Усталостная прочность около 260 N/мм2.

Прочность при повышенных температурах

Довольно высокие механические свойства определяют широкое распространение сплава. Как ранее было отмечено, термическая обработка проводится крайне редко. Это связано с тем, что приходится нагревать заготовку до температуры более 1000 градусов Цельсия. Для этого требуется специальное оборудование, к примеру, современная печь ТВЧ. В некоторых случаях термическая обработка возможна, но процесс достаточно дорогостоящий.

Физические свойства

Рассматриваемая нержавейка АИСИ 321 применяется при изготовлении деталей, которые подвержены механическому воздействию и некоторых химических веществ. К основным физическим свойствам можно отнести нижеприведенные моменты:

1. Показатель плотности составляет 7,79 г/см3. Подобная плотность характерна для многих сталей.
2. Высокая степень свариваемости позволяет использовать AISI 321 при изготовлении различных сварных конструкций. Как ранее было отмечено, именно низкая концентрация углерода определяет хорошую свариваемость. Проводить сварочные работы можно при применении различного оборудования, подогревать заготовку не нужно.
3. Хорошая степень обрабатываемости резанием. Именно поэтому поставляемые заготовки могут подвергаться различной механической обработке: точение, фрезерование, сверление и шлифование.

Трубопроводная арматура

Включение в состав титана определяет существенное повышение стоимости материала. Поэтому рекомендуется использовать его при изготовлении ответственных деталей и механизмов, которые эксплуатируются в сложных условиях.

Сферы использования

Сталь AISI 321, применение которой прежде всего связано с жаропрочностью и коррозионной стойкостью, считается одной из самых распространенных. Особенности химического состава определяют то, что сплав рекомендуется использовать в отраслях, где оказывается высокая температура на поверхность. Примером использования нержавейки назовем:

1. Изготовление различных изделий для химической, нефтехимической и текстильной промышленностей.
2. В медицине и фармацевтике материал также получил широкое применение.
3. Нержавейка используется при производстве сварного оборудования: трубы, муфели, реторы и другие.
4. В машиностроении и авиационном строительстве материал цениться по причине коррозионной стойкости и жаропрочности.
5. Хорошая жаропрочность определяет применение сплава при создании котлов, газовых устройств, коллекторов сброса и другой аппаратуры. Подобные изделия должны выдерживать длительное воздействие жара.
6. При создании теплообменников и различного сварочного оборудования. Теплообменники должны быстро передавать тепло в окружающую среду.
7. При создании конструкций, которые применяются на открытом воздухе или при условии сильного нагрева. Обычные металлы не могут прослужить долго в случае эксплуатации над открытом небом, так как выпадающие осадки приводят к появлению коррозии. Со временем она портит декоративные качества изделия и снижает прочность структуры.

Для повышения основных эксплуатационных качеств может проводиться различная термическая обработка. Примером назовем отжиг, который проводится при температуре около 1000 градусов Цельсия. Отпуск проводится при температуре 800 градусов Цельсия, выполняется горячая обработка, для чего материал нагревается до 1300 градусов Цельсия.

Большое распространение получили сварные трубы из листов нержавейки. Применение современных технологий позволяет повысить жесткость и прочность получаемых изделий. На производственные линии поставляется в виде листовой стали или проката, а также прутка.

Производство и применение

Согласно данным «International Stainless Steel Forum», мировой объём выплавки нержавеющей стали в 2009 году составил 24,579 млн тонн[7]

Пять копеек Украины, 1992, нержавеющая сталь

• Хромистые нержавеющие стали: Клапаны гидравлических прессов;
• Турбинные лопатки;
• Арматура крекинг-установок;
• Режущий инструмент;
• Пружины;
• Бытовые предметы;

Нержавеющие стали используются как в деформированном, так и в литом состоянии.