Виды и свойства нержавеющих сталей

Химический реактор высокого давления GSA 0.3

Марка AISI 304, 304L Mарка AISI 310, 310S Марки AISI 316, AISI 316Ti, AISI 316L, AISI 316H Марка AISI 321 Марка AISI 430 Hastelloy C-276

В современном производстве стали больше внимания уделять качеству материала, из которого изготовлено оборудование, и только потом уже его стоимости, ведь починка деталей или всей установки, простой, очистка и техническое обслуживание могут обойтись намного дороже, чем правильно выбранный агрегат из качественного материала.

Нержавеющая сталь была открыта более века назад, и с тех пор прочно заняла своё место на рынке материалов, в некоторых производствах замены ей по ряду показателей нет.

Нержавеющие стали - это сплавы, содержащие не менее 12% хрома (Cr) — основного легирующего элемента. В сочетании со сталью хром образует нерастворимую самовосстанавливающуюся оксидную плёнку на металле, препятствующую коррозии и увеличивающую физико-механические показатели сплава. Нержавеющие стали содержат и другие легирующие элементы: никель (Ni), марганец (Mg), титан (Ti), ниобий (Nb), кобальт (Co) и молибден (Mo). Помимо них в сталях всегда присутствуют углерод (C), кремний (Si), марганец (Mg), сера (S), фосфор (P).

В зависимости от области применения подбирается и состав сплава. На производстве со слабоагрессивными средами, требующими высокой жёсткости материалов, например в машиностроении, станкостроении, легкой промышленности, используются наиболее твёрдые мартенситные структуры, обладающие при этом средними значениями устойчивости к коррозии. Напротив, наиболее коррозионностойкие ферритные стали при высоких показателях пластичности достаточно мягкие, и применяются в другом ряде отраслей машиностроения, легкой и пищевой промышленности. Аустенитно-мартенситные стали относят к переходной группе, они сочетают в себе высокие показатели твёрдости и сопротивляемости внешней среде, используются в агрессивных средах, например, в химической и фармацевтической промышленности.

Большой выбор сталей и сплавов, выпускаемых в разных странах, создал необходимость создания единой системы маркировки сталей, но до сих пор международные организации так и не разработали её. Наиболее часто применяется система маркировки AISI, разработанная американским институтом чугуна и стали (American Iron and Steel Institute). Расшифровка маркировки, например AISI 304, такая: первая цифра (3) - это группа (аустенитная), следующие - сорт стали, буквы, если они есть, обозначают характерные различия внутри марки, например AISI 304L - сталь с более низким содержанием углерода - 0,03% и менее. Система маркировки AISI используется наряду с национальными системами маркировки, её используют в Америке для продукции, идущей на импорт, в Китае и других странах Азии, в Восточной Европе.

В России для маркировки сталей используется система ГОСТ. Например, марке AISI 304 соответствует ГОСТ 08Х18Н10 (марке 304L - 03Х18Н11). Советские стандарты, в отличие от AISI, легко читаются: первые цифры обозначают содержание углерода, последующие буквы и цифры - элементы и их процентное содержание.

Марка AISI 304 и 304L

Марка AISI 304 универсальна и потому используется наиболее часто. Благодаря своему составу и механическим свойствам обладает массой преимуществ: стойкость к перепадам температуры, свариваемость и сопротивление коррозии/окислению; сталь этой марки - хорошее сочетание цены и качества. AISI 304 относится к группе аустенитных сталей, это низкоуглеродистая сталь (не превышает 0.08 % C), богатая хромом и никелем (16-18% и 9-11% соответственно). Сталь AISI 304 применяют для изготовления химических реакторов, включая ёмкости высокого давления. Используется для окислительных сред, например, для сильных неорганических кислот в малых концентрациях и при низких температурах; для слабых органических кислот при средних температурах и соприкосновении с воздухом. Применяется при температурах до 300°С в отраслях, требующих чистоты: производство запчастей и оборудования в пищевой, фармацевтической, химической и бродильной промышленности, производство морозильных устройств и их элементов. Пригодна для труб с водой, водяным паром и пищевыми кислотами (исключение — соляный раствор). Рекомендуемый температурный диапазон для этой марки - 269-600°С. Оптимальная рабочая температура не выше +300°С, может выдержать краткосрочное поднятие температуры до 900°С. Сталь подвержена точечной коррозии; при повышении до 60°С испытывает межкристаллитную коррозию в соляных растворах.

AISI 304 L имеет более низкое содержание углерода по сравнению с AISI 304, что улучшает ее сопротивление межкристаллитной коррозии в сварных швах и областях медленного охлаждения. Детали прочно свариваются и могут эксплуатироваться без последующей обработки шва, независимо от толщины.

Mарка AISI 310, 310S

Марка AISI 310 - самая жаростойкая в классе нержавеющих сталей и поэтому используется при высоких температурах в печном оборудовании. Содержание хрома и никеля придают стали превосходное сопротивление окислению. Эта cталь не магнитная, хорошо сваривается, но хуже, чем стали марки AISI 304/AISI 304L. Рабочая температура до 1500°С, рекомендуемый рабочий диапазон 800-1100 °С. Применяется при изготовлении деталей установок для конверсии метана, пиролиза и др. в химической и нефтяной промышленности, для газопроводов, камер сгорания. Может применяться для нагревательных элементов сопротивления.

Существует так же низкоуглеродистая (по сравнению с 310) марка 310S, предлагается для использования там, где возможна коррозия высоко-температурными газами или конденсатами.

Марки AISI 316, AISI 316Ti, AISI 316L, AISI 316H

Производятся так же стали марки AISI 316H и L(низкоуглеродная) со свойствами, аналогичными AISI 316, но прочность свою сохраняют при использовании при температурах до 500°С и до 425°С соответственно.

Марка AISI 321

Марка AISI 321 не закаливаемая аустенитная, очень стойка к межкристаллитной коррозии, и поэтому используется для работ в более агрессивных средах, чем марки AISI 304 и 316. Эта сталь устойчива к окислению на воздухе, жаропрочна, может использоваться при температурах 600-800°С. Марка не магнитная и обладает хорошей свариваемостью, применяется для изготовления разнообразных сварных установок, работающих в повышенной агрессивности, в энергетическом и атомном машиностроении, металлургической, химической, нефтегазовой, пищевой и медицинской промышленностях.

Марка AISI 430

Марка AISI 430 обладает повышенной твёрдостью. В отожженном состоянии имеет отличные способности к обработке: можно подвергать вытяжке, пластической деформации, штамповке, перфорации отверстий. Обладает ферромагнитными свойствами, которые исключают межкристаллитное разрушение при воздействии высоких температур (от 500°С). Сохраняет свои механические свойства при воздействии температуры в 800 °С. Сталь этой марки хорошо переносит резкие перепады температур. AISI 430 используется в пищевой, винодельческой и алкогольной промышленности, применяется в машиностроении для изготовления деталей, в производстве торгового оборудования, оборудования для теплообменников, автомобилестроении, изготовлении декоративных конструкций и изделий. Не подходит для использования в сварных конструкциях, подвергающихся значительным нагрузкам. Сталь AISI 430 сваривается электро- и аргонодуговой сваркой. Хорошо противостоит коррозии в азотной и некоторых других органических кислотах. Сохраняет высокую коррозионную устойчивость даже в серосодержащей среде, что делает ее незаменимой для использования в нефтегазовой и химической промышленности.

Для легирования специальных сталей применяют дорогостоящие присадки: никель, титан, ниобий, цирконий, ванадий и т.п. При выборе конструкционных материалов руководствуются их коррозионной устойчивостью в различных кислотных средах, наглядно продемонстрированных на диаграммах:

Коррозионная стойкость металлов в серной кислоте (H2SO4)

Коррозионная стойкость металлов в соляной кислоте(HCl)

Никелевые сплавы обладают массой полезных свойств: ферромагнетизм, высокая стойкость к коррозии в газовых и жидких средах, способность образовывать твёрдые растворы со многими металлами, не подвержены аллотропическим превращениям. Благодаря способности никеля растворять в себе значительное количество других металлов и сохранять пластичность, создано множество разнообразных никелевых сплавов. Например жаростойкость никеля на воздухе может быть улучшена путём сплава с Al, Si или Cr. Ввод в никель Al, Si и Mn (алюмель) и 10% Cr (хромель) даёт сплав с хорошим сочетанием термоэлектрических свойств и жаростойкости. Термопары, изготовленные из хромель-алюмелевых сплавов, наиболее часто применяются в промышленности и в лабораторной технике.

Широкое применение получили сплавы на основе никеля и хрома - нихромы. Наиболее используемые - нихромы с 80% Ni, самые жаростойкие сплавы после хромелей, используемые в промышленности. При попытках удешевить нихромы за счёт снижение содержания в них Ni был создан ферронихром, в котором часть никеля заменена железом (самый распространённой состав - 60% Ni, 15% Cr и 25% Fe). Эксплуатационные качества и стойкость к высоким температурам (до 1200-1250°С) нихромов выше, чем ферронихромов, которые используют при более низких температурах.

Сплавы Ni-Mo и Ni-Cr-Mo используются для химических установок, работающих в высокоагрессивных средах, таких как соляная, серная и фосфорная кислота различной концентрации при температурах, близких к температуре кипения. Эти сплавы, самые стойкие из всех известных коррозионностойких сталей в вышеперечисленных средах, выпускаются под названиями Хастеллой (Hastelloy) и Реманит. Hastelloy – зарегистрированная торговая марка, эта сталь используется рядом компаний, в том числе швейцарской компанией Premex - производителем реакторов высокого давления. Разнообразные марки Hastelloy содержат различное количество элементов - Mo (до 30%), Cr (до 23%), Fe (до 29%), С (до 0.15 %), а некоторые его марки легируют W (около 5%), Si (до 10%), Co (до 2,5%), а так же V, Ta, Nb и другими элементами. Хастеллои известны повышенной стойкостью в соляной, серной, фосфорной, уксусной, муравьиной кислотах, а так же в средах, содержащих ионы хлора и фтора.

Hastelloy C-276

Сплав С276 относится к суперсплавам на основе никеля, хрома и молибдена с добавлениями вольфрама. Сплав обладает превосходной стойкостью к коррозии в агрессивных средах, таких как серной и соляной кислотам, растворителям, муравьиной и уксусной кислотам, уксусному ангидриду, гипохлоритам при высоких температурах (до 1038°С), и даже фосфорной кислоте при температурах ниже кипения и концентрации ниже 65%. Однако, из-за невысокого содержания хрома его нельзя использовать с сильными окислителями, вроде концентрированной азотной кислоты. Высокое содержание никеля и молибдена делает этот сплав устойчивым к растрескиванию и точечной и щелевой коррозии в восстановительных средах. Благодаря малому содержанию углерода, образование карбидов в процессе сварки минимально, что улучшает коррозионную стойкость сплава.

Hastelloy C-276 используется в химическом и нефтехимическом технологическом оборудовании, силовых генераторах, фармакологии, целлюлозно-бумажной промышленности.