Физические и химические свойства нержавеющих металлов
Красноломкость – это сопротивляемость металла к трещинам при горячей обработке давлением (штамповка, ковка, прокатка) в диапазоне температур красного или жёлтого каления (850-1150°C).
Хладноломкость – свойство металла трескаться или ломаться при холодной механической обработке.
Нержавеющие сплавы делятся на три группы:
1. Коррозионностойкая сталь – от неё требуется устойчивость к коррозии в простых промышленных и бытовых условиях (из неё можно делать детали для нефтегазовой, легкой, машиностроительной промышленности, бытовую нержавеющую посуду, хирургические инструменты).
2. Жаростойкая сталь – от неё требуется жаростойкость, то есть устойчивость к ржавению при высокой температуре в очень агрессивных средах, например, на химических производствах.
3. Жаропрочная сталь – от неё требуется жаропрочность, то есть повышенная механическая прочность при высокой температуре.
По химическому составу нержавеющие сплавы делятся на три вида:
1. Хромистые
Мартенситные;
Полуферритные (мартенситно-ферритные);
Ферритные.
2. Хромоникелевые
Аустенитные;
Аустенитно-ферритные;
Аустенитно-мартенситные;
Аустенитно-карбидные.
3. Хромомарганцево-никелевые
Стали марки AISI-304 -321 -316L причисляют к хромоникелевым сталям, аустенитному классу высоколегированных сталей, образующих при кристаллизации преимущественно однофазную аустенитную структуру γ-Fe c гранецентрированной кристаллической (ГЦК) решеткой, которая сохраняет форму при охлаждении материала до криогенных температур. Содержание другой фазы – высоколегированного феррита (δ-Fe с объёмно-центрированной кристаллической (ОЦК) решеткой) изменяется от 0 до 10%.
Эти сплавы содержат 18-25% Сг (хрома) благодаря этому металл жаро- и коррозионно устойчивый, а также 8-35% Ni (никеля), стабилизирующего аустенитную структуру и повышающего жаропрочность, увеличивая пластичность и технологичность сталей в большом интервале температур.
Это позволяет применять их в качестве коррозионностойких, жаростойких, жаропрочных криогенных конструкционных материалов в химических, теплоэнергетических и атомных установках, где они одновременно подвергаются воздействию напряжений, высоких температур и агрессивных сред.
Маркировка нержавеющих сплавов по AISI включают в себя 3 цифры и следующие за ними одну или две буквы. Первая цифра маркировки определяет класс стали. Обозначения аустенитных нержавеющих сталей начинаются с цифр 2ХХ и 3ХХ, а ферритные и мартенситные стали начинаются с 4ХХ.
Таблица соответствия стандартов сталей
Европейская |
Аналоги стали |
||||||
UNS |
SIS |
BS |
JIS |
ГОСТ |
AISI |
Германия |
|
1.4301 |
S30400 |
2332/33 |
304S31 |
SUS304 |
08X18H10 |
304 |
X5CrNi1810 |
1.4404 |
S31603 |
2348 |
316S11 |
SUS316L |
03X17H13M2 |
316L |
X2CrNiMo17-12-2 |
1.4541 |
S32100 |
2337 |
321S31 |
SUS321 |
08X18H10T |
321 |
X6CrNiTi18 -10 |
Дополнительные буквы, следующие за цифрами, используемые для маркировки нержавеющих сплавов по AISI означают:
хххL
Низкое содержание углерода 0,03%
хххS
Нормальное содержание углерода <0,08%
хххLN
Низкое содержание углерода <0,03% + добавлен азот
хххF
Повышенное содержание серы и фосфора
хххH
Расширенный интервал содержания углерода
хххN
Добавлен азот
хххSe
Добавлен селен
хххB
Добавлен кремний
хххTi
Добавлен титан
хххCu
Добавлена медь
Главным преимуществом сталей аустенитного класса AISI-304 -321 -316L являются их повышенные эксплуатационные характеристики (пластичность, прочность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и отличная технологичность. Поэтому аустенитные коррозионностойкие сплавы широко используются в качестве конструкционного материала в разных отраслях машиностроения.
Продукция из аустенитных нержавеющих сплавов при нормальных условиях – не магнитятся, но после холодного деформирования (любой механической обработки) могут получить небольшие магнитные признаки (часть аустенита превращается в феррит).
Чем отличаются между собой сплавы AISI
AISI-304
Аустенитная, с малым содержанием углерода в составе. Модификация стали AISI-304 имеет большую сферу применения и высокий спрос у потребителей, потому что является универсальным сплавом. AISI-304 имеет лучшие (относительно других марок) характеристики свариваемости, сопротивлению ржавчине и окислению. Сорт этой марки обладает превосходными низкотемпературными параметрами и одновременно рекомендована к применению при высоких температурах. Среди множества других сплавов ее также выделяют механические характеристики, химический состав и относительно невысокая стоимость. AISI 304 имеет высокую пластичностью для таких операций механической обработки как прокат, волочение.
AISI-316L
Сплав аналогичен AISI-304 с очень низким содержанием углерода и добавлением молибдена около 2,5%. Сталь AISI-316L представляет собой улучшенный вариант версии AISI-304, который дополнительно обогащен молибденом. Плюс в этой стали более высокое содержание никеля. Эта версия стали имеет на много большую устойчивость к сопротивлению коррозии в агрессивных средах. В условиях паров уксусной кислоты, едкого хлора или морской воды содержание молибдена позволяет стали быть устойчивой к различным видам коррозии, среди которых можно назвать, в том числе, питтинговую (точечную) и щелевую. Более низкая общая коррозионная устойчивость в относительно мало агрессивных средах позволяет показывать прекрасную сопротивляемость коррозии в загрязненном воздухе и в приморской зоне.
AISI-321
Хромоникелевая сталь с примесью титана (Ti). Состав стали AISI-321 обладает высокими характеристиками сопротивления коррозии и высоким температурам, однако при этом она менее устойчива к воздействию серосодержащих сред. Эту сталь рекомендуется применять при температурах от 600°С до 800°С. Стоит отметить, что срок ее службы может быть очень длительным. Сталь AISI321 не подвержена межкристаллитной коррозии, поскольку в ее составе есть титан, применяемый для придания сплавам высокой твердости. Отдельное внимание стоит обратить на то, что в сваренном состоянии сталь AISI-321 не должна применяться в чрезмерно кислых агрессивных средах. Сплав более устойчив к механическому воздействию в отличии от AISI-304 -316L.
Применение сталей AISI
AISI-304
Это самая распространенная в использовании сталь. Она обладает высокой пластичностью, что позволяет широко применять AISI-304 в штампованных изделиях с большим уровнем вытяжки и сложным рельефом, например при производстве моек, раковин и тому подобных элементов быта. Благодаря малому содержанию углерода сталь AISI-304 обладает высокими сварочными свойствами.
Пищевая промышленность: производство различных емкостей, передающих устройств. Изготовление дымоходов, систем вентиляции и дымоудаления. Пищевые производства: молочные и пивоваренные, применяется сталь AISI-304 в качестве главного материала для производства оборудования, инструмента и приборов.
Вторыми по важности отраслями промышленности, которые не могут обойтись без стали AISI-304, можно назвать медицинскую и фармацевтическую. В этих отраслях AISI-304 применяют при изготовлении фармакологического и медицинского оборудования и инструментов, медицинской мебели и имплантатов.
Значительный объем потребления стали AISI-304 приходится на химическую и нефтехимическую отрасль. Благодаря высокой сопротивляемости агрессивным средам трубы из AISI-304 в этих областях используются повсеместно. Также, в нефтегазовой сфере большой объем потребления приходится на изготовление скважинных фильтров, плоских щелевых сит и решеток, которые производятся из профилированной нержавеющей проволоки.
AISI-316L
Из-за своего высокого сопротивления коррозии и окислению, хороших механических свойств, AISI-316 используется во многих секторах промышленности. Некоторые из них включают: баки и судна для хранения коррозионных жидкостей, специализированное промышленное оборудование в химическом, бумажно-целлюлозном, продовольственном, горнодобывающем, фармацевтическом и нефтехимическом секторах экономики, архитектурные конструкционные элементы, находящиеся в коррозионных средах.
AISI-321
Нержавеющая сталь AISI-321 используется во многих областях производства.
Машиностроение и металлообработка: для производства деталей механизмов и машин.
Пищевая и химическая промышленность: для производства емкостей цистерн и трубопроводов (труб и трубопроводной арматуры), контактирующих с кислыми и щелочными средами, в том числе, с продуктами питания.
Изготовление оборудования, работающего в диапазоне высоких температур: теплообменников, печной арматуры, корпусов тепловых и паровых котлов.
Нефтегазовая промышленность: для производства емкостей и цистерн высокой прочности, предназначенных для хранения веществ (сжатых и сжиженных газов) под давлением.
Установка сварных конструкций (опор, колонн, балок), взаимодействующих с агрессивными средами.
Значение химических элементов, присутствующих в нержавеющих сталях AISI










Таблица химических параметров сплавов
Марка стали AISI |
Химический состав, % | |||||||||
C | Si | Mn | P | S | N | Cr | Mo | Ni | Ti | |
304 | <0,07 | <1,00 | <2,00 | <0,045 | <0,015 | <0,011 | 17,00-19,50 | 8,00-10,50 | ||
316 L | <0,030 | <1,00 | <2,00 | <0,045 | <0,015 | <0,011 | 16,50-18,50 | 2,00-2,50 | 10,00-13,00 | |
321 | <0,08 | <1,00 | <2,00 | <0,045 | <0,015 | 17,00-19,00 | 9,00-12,00 | <0,70 |
Физические характеристики сталей AISI
Свойства | Eдиница
измерения |
AISI 304 | AISI 316L | AISI 321 |
Предел текучести, Rp | N/mm² | 190 | 200 | 190 |
Временное сопротивление разрыву, Rm | N/mm² | 500-700 | 500-700 | 500-700 |
Относительное удлинение, А100 | % | 45 | 40 | 45 |
Твердость | HRC | 215 | 215 | 215 |
Плотность | кг/м³ | 7,93 | 8,0 | 7,9 |
Температура плавления | °С | 1 420 | 1 440 | 1 420 |
Удельная теплоемкость | J/kg∙K | 500 | 500 | 500 |
Тепловое расширение | W/m∙K | 15 | 15 | 15 |
Электрическое сопротивление | Ом | 0,73 | 0,75 | 0,73 |
Магнитная проницаемость | kA/m | 1,015 | 1,005 | 1,01 |
Модуль упругости, Е | MPa | 200 | 200 | 200 |
Свариваемость нержавеющих сплавов
AISI-430 сложная в сварке марка так как относится к ферритным сплавам и не содержит никеля, точнее швы получаются хрупкими.
Основная причина потери рабочих характеристик сталями ферритного класса – межкристаллитная коррозия (МКК), в результате которой разрушение происходит по границам зерен.
Для устранения этого негативного явления избегают резкого охлаждения металла от +800°C, проводят стабилизирующий отжиг.
Варить марку AISI-430 и ей подобные, надо с высоколегированной присадочной проволокой и будет прочно, главное долго не перегревать.
Марки AISI-304/316/321 являются аустенитными поэтому шов получается намного прочнее.
Ещё по теме: Сварка нержавеющей стали
Химические и физические различия нержавеющих сплавов FAQ
Какие нержавеющие сплавы лучше сопротивляются коррозии?
Было обнаружено, что сплавы, имеющие высокую концентрацию азота (N), хрома (Cr) и молибдена (Mo), демонстрируют высокую устойчивость к точечной коррозии.
Числовой эквивалент стойкости к точечной коррозии (RREN). Чем выше значение показателя PREN, тем выше устойчивость к точечной коррозии.
AISI-904L - 36
AISI-316 - 26
AISI-304 - 19
AISI-430 - 16
Что такое красноломкость?
Красноломкость — это сопротивляемость металла к трещинам при горячей обработке давлением (штамповка, ковка, прокатка) в диапазоне температур красного или жёлтого каления (850-1150°C).
Что такое хладноломкость?
Хладноломкость — свойство металла трескаться или ломаться при холодной механической обработке.
Какая нержавеющая сталь легче поддаётся сварке?
Аустенитные сплавы варятся легче и шов прочнее AISI-304/316/321. Ферритный сплав AISI-430 сложнее сваривается и требуется соблюдение технологии сварки - варить нужно с высоколегированной присадочной проволокой и долго не перегревать.
Что означают дополнительные буквы следующие за цифрами в маркировке AISI?
хххL - Низкое содержание углерода 0,03%;
хххS - Нормальное содержание углерода <0,08%;
хххLN - Низкое содержание углерода <0,03% + добавлен азот;
хххF - Повышенное содержание серы и фосфора;
хххH - Расширенный интервал содержания углерода;
хххN - Добавлен азот;
хххSe - Добавлен селен;
хххB - Добавлен кремний;
хххTi - Добавлен титан;
хххCu - Добавлена медь.