Нержавеющая сталь

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Нержавеющая сталь»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( март 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Нержавеющая сталь используется для промышленного оборудования, когда важно, чтобы оборудование прослужило и можно было содержать в чистоте.

Стали
Фазы
Феррит Аустенит Цементит Графитовый Мартенсит
Микроструктуры
Сфероидит Перлит Бейнит Ледебурит Закаленный мартенсит Видманштеттен структуры
Классы
Тигельная сталь Углеродистая сталь Стальная пружина Легированная сталь Мартенситностареющая сталь Нержавеющая сталь Погодостойкая сталь Инструментальная сталь
Другие материалы на основе железа
Чугун Серый чугун Белое железо Ковкий чугун Ковкое железо Кованое железо

Нержавеющая сталь ^{[1] [2] [3] : 276} - это группа сплавов на основе железа, которые содержат минимум приблизительно 11% хрома , ^{[4] : 3 [5] [6]} состав, предотвращающий ржавление железа. ^[7], а также обладает термостойкими свойствами. ^{[4] : 3 [5] [8] [9] [10] [11]} Различные типы нержавеющей стали включают элементы: углерод (от 0,03% до более 1,00%), азот , алюминий ,кремний , сера , титан , никель , медь , селен , ниобий и молибден . ^{[4] : 3} Конкретные типы нержавеющей стали часто обозначаются трехзначным числом, например, нержавеющая сталь 304 .

Устойчивость нержавеющей стали к ржавчине является результатом присутствия в сплаве хрома, который образует пассивную пленку, которая защищает основной материал от коррозии и может самовосстановиться в присутствии кислорода. ^{[4] : 3} Коррозионную стойкость можно дополнительно повысить за счет:

• увеличение содержания хрома до уровня выше 11%; ^[5]
• добавление 8% или более никеля; ^[5] и
• добавление молибдена (что также улучшает устойчивость к « точечной коррозии »). ^[5]

Добавление азота также улучшает устойчивость к точечной коррозии и увеличивает механическую прочность. ^[5] Таким образом, существует множество марок нержавеющей стали с различным содержанием хрома и молибдена в зависимости от среды, в которой сплав должен выдерживать. ^[12]

Устойчивость к коррозии и пятнам, низкие эксплуатационные расходы и знакомый блеск делают нержавеющую сталь идеальным материалом для многих применений, где требуются как прочность стали, так и устойчивость к коррозии. Кроме того, нержавеющую сталь можно катать в листы , пластины, стержни, проволоку и трубки. Их можно использовать в посуде , столовых приборах , хирургических инструментах , основных приборах , строительных материалах в больших зданиях, промышленном оборудовании (например, на бумажных фабриках , химических заводах , водоочистных станциях).), а также резервуары и цистерны для химикатов и пищевых продуктов. Коррозионная стойкость материала, легкость его очистки паром и стерилизации, а также отсутствие необходимости в поверхностных покрытиях побудили использовать нержавеющую сталь на кухнях и предприятиях пищевой промышленности. ^{[ необходима цитата ]}

История [ править ]

Изобретение из нержавеющей стали с последующим рядом научных разработок, начиная с 1798 годом, когда хром был впервые показан в Академию французского по Луи Воклен . В начале 1800-х годов Джеймс Стоддарт, Майкл Фарадей и Роберт Маллет наблюдали стойкость хромово-железных сплавов («хромистых сталей») к окислителям . Роберт Бунзен обнаружил устойчивость хрома к сильным кислотам. Коррозионная стойкость железо-хромовых сплавов, возможно, была впервые признана в 1821 году Пьером Бертье , который отметил их устойчивость к воздействию некоторых кислот и предложил использовать их в столовых приборах. ^[14]

В 1840-х годах и сталелитейщики Шеффилда, и Krupp производили хромистую сталь, а в 1850-х годах последний использовал ее для пушек. ^[15] В 1861 году Роберт Форестер Мушет получил патент на хромистую сталь. ^[16]

Эти события привели к тому, что Дж. Баур из Бруклинского завода хромовой стали впервые произвел хромсодержащую сталь для строительства мостов. Патент США на этот продукт был выпущен в 1869 году. ^{[1] : 2261 [17]} За этим последовало признание коррозионной стойкости хромовых сплавов англичанами Джоном Т. Вудсом и Джоном Кларком, которые отметили диапазон содержания хрома от 5 до 30. %, с добавлением вольфрама и «среднего углерода». Они преследовали коммерческую ценность инновации с помощью британского патента на «погодостойкие сплавы». ^{[1] : 261,11 [18] [ требуется полная ссылка ]}

В конце 1890-х годов немецкий химик Ганс Гольдшмидт разработал алюминотермический ( термитный ) процесс получения безуглеродистого хрома. Между 1904 и 1911 годами несколько исследователей, в частности Леон Гийе из Франции, подготовили сплавы, которые сегодня считаются нержавеющей сталью. ^[19]

В 1908 году Фридрих Крупп Germaniawerft построил в Германии 366-тонную парусную яхту Germania с корпусом из хромоникелевой стали. В 1911 году Филип Моннарц сообщил о взаимосвязи между содержанием хрома и коррозионной стойкостью. 17 октября 1912 года инженеры Krupp Бенно Штраус и Эдуард Маурер запатентовали аустенитную нержавеющую сталь как Nirosta. ^{[20] [ необходим сторонний источник ] [21] [22]}

Аналогичные события происходили в Соединенных Штатах, где Кристиан Данцизен и Фредерик Беккет производили промышленную ферритную нержавеющую сталь. В 1912 году Элвуд Хейнс подал заявку на патент США на сплав мартенситной нержавеющей стали, который был выдан только в 1919 году ^[23].

В поисках коррозионно-стойкого сплава для оружейных стволов в 1912 году Гарри Брирли из исследовательской лаборатории Браун-Ферт в Шеффилде, Англия, обнаружил и впоследствии ввел в промышленное производство мартенситный сплав нержавеющей стали. Об открытии было объявлено два года спустя в газетной статье The New York Times в январе 1915 года . ^[13]

Позже этот металл продавался под маркой «Staybrite» фирмой Firth Vickers в Англии и использовался для нового навеса у входа в отель Savoy в Лондоне в 1929 году. ^[24] Брирли подал заявку на патент США в 1915 году, но обнаружил, что у Хейнса был патент. уже зарегистрированный. Брирли и Хейнс объединили свои средства и вместе с группой инвесторов сформировали American Stainless Steel Corporation со штаб-квартирой в Питтсбурге , штат Пенсильвания. ^{[1] : 360}

Изначально нержавеющая сталь продавалась в США под разными торговыми марками, такими как «Allegheny metal» и «Nirosta steel». Даже в металлургической отрасли имя оставалось неопределенным; в 1921 году один отраслевой журнал назвал ее «нестойкой сталью». ^[25] В 1929 году, до Великой депрессии, в США ежегодно производилось и продавалось более 25 000 тонн нержавеющей стали. ^[26]

Крупные технологические достижения 1950-х и 1960-х годов позволили производить крупнотоннажные партии по доступной цене:

• Процесс AOD ( обезуглероживание кислородом аргона ) для удаления углерода и серы
• Непрерывное литье и горячая прокатка полосы ^[27]
• Z-Миллы , или Сендзимир стан холодной прокатки ^{[28] [29]}

Семейства нержавеющей стали [ править ]

Существует пять основных семейств, которые в первую очередь классифицируются по их кристаллической структуре : аустенитные, ферритные, мартенситные, дуплексные и дисперсионные.

Аустенитная нержавеющая сталь [ править ]

Аустенитная нержавеющая сталь ^{[30] [31]} является самым большим семейством нержавеющих сталей, на которые приходится около двух третей всего производства нержавеющей стали (см. Производственные показатели ниже). ^[32] Они обладают аустенитной микроструктурой, которая представляет собой гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру. ^[33] Эта микроструктура достигается легированием стали достаточным количеством никеля и / или марганца и азота для поддержания аустенитной микроструктуры при всех температурах, от криогенной области до точки плавления. ^[33] Таким образом, аустенитные нержавеющие стали не подвергаются закалке с помощью термической обработки, поскольку они обладают одинаковой микроструктурой при всех температурах. ^[33]

Аустенитные нержавеющие стали можно подразделить на две подгруппы, серию 200 и серию 300:

• Серия 200 ^[34] представляет собой сплавы хрома, марганца и никеля, в которых максимально используется марганец и азот для минимизации использования никеля. Благодаря добавлению азота они обладают примерно на 50% более высоким пределом текучести, чем листы из нержавеющей стали серии 300.
  • Тип 201 закаливается путем холодной обработки. ^[35]
  • Тип 202 - нержавеющая сталь общего назначения. Уменьшение содержания никеля и увеличение марганца приводит к слабой коррозионной стойкости. ^[36]
• Серия 300 - это хромоникелевые сплавы, аустенитная микроструктура которых достигается почти исключительно за счет легирования никелем; некоторые высоколегированные марки содержат азот для снижения потребности в никеле. 300-я серия - самая большая группа и наиболее широко используемая.
  • Тип 304 : Самый известный сорт - Тип 304, также известный как 18/8 и 18/10 из-за его состава 18% хрома и 8% / 10% никеля соответственно. ^[37]
  • Тип 316 : второй по распространенности аустенитной нержавеющей сталью является тип 316. Добавление 2% молибдена обеспечивает большую стойкость к кислотам и локальной коррозии, вызываемой ионами хлора. Низкоуглеродистые версии, такие как 316L или 304L, имеют содержание углерода ниже 0,03% и используются для предотвращения проблем с коррозией, вызванных сваркой. ^[38]

Ферритные нержавеющие стали [ править ]

Ферритные нержавеющие стали обладают ферритной микроструктурой, как углеродистая сталь, которая представляет собой объемно -центрированную кубическую кристаллическую структуру и содержит от 10,5% до 27% хрома с очень небольшим количеством никеля или без него. Эта микроструктура присутствует при всех температурах из-за добавления хрома, поэтому они не упрочняются при термообработке. Они не могут быть усилены холодной обработкой в ​​такой же степени, как аустенитные нержавеющие стали. Они магнитные.

Добавление ниобия (Nb), титана (Ti) и циркония (Zr) к типу 430 обеспечивает хорошую свариваемость (см. Раздел о сварке ниже).

Из-за почти полного отсутствия никеля они дешевле, чем аустенитные стали, и присутствуют во многих продуктах, в том числе:

• Выхлопные трубы автомобилей (Типы 409 и 409 Cb ^[2] используются в Северной Америке; стабилизированные марки типов 439 и 441 используются в Европе) ^[39]
• Архитектурные и структурные применения (Тип 430, который содержит 17% Cr) ^[40]
• Строительные компоненты, такие как шиферные крюки, кровля и дымоходы.
• Силовые пластины в твердооксидных топливных элементах, работающих при температуре около 700 ° C (1292 ° F) (высокохромистые ферриты, содержащие 22% Cr) ^[41]

Мартенситные нержавеющие стали [ править ]

Мартенситные нержавеющие стали обладают широким спектром свойств и используются в качестве нержавеющих конструкционных сталей, нержавеющих инструментальных сталей и жаропрочных сталей. Они магнитные и не так устойчивы к коррозии, как ферритные и аустенитные нержавеющие стали, из-за низкого содержания хрома. Они делятся на четыре категории (с некоторым перекрытием): ^[42]

1. Марки Fe-Cr-C. Это были первые используемые марки, которые до сих пор широко используются в инженерных и износостойких областях.
2. Марки Fe-Cr-Ni-C. Часть углерода заменяется никелем. Они обладают более высокой прочностью и более высокой коррозионной стойкостью. Марка EN 1.4303 (литейная марка CA6NM) с 13% Cr и 4% Ni используется для большинства турбин Пелтона , Каплана и Фрэнсиса на гидроэлектростанциях ^[43], поскольку она обладает хорошими литейными свойствами, хорошей свариваемостью и хорошей устойчивостью к кавитационной эрозии.
3. Марки дисперсионного твердения. Марка EN 1.4542 (также известная как 17 / 4PH), самая известная марка, сочетает в себе мартенситное упрочнение и дисперсионное твердение . Он обеспечивает высокую прочность и хорошую ударную вязкость и используется, в частности, в аэрокосмической отрасли.
4. Марки, устойчивые к ползучести. Небольшие добавки ниобия, ванадия , бора и кобальта увеличивают прочность и сопротивление ползучести примерно до 650 ° C (1202 ° F).

Термическая обработка мартенситных нержавеющих сталей [ править ]

Мартенситные нержавеющие стали можно подвергать термообработке для улучшения механических свойств.

Термическая обработка обычно включает три этапа: ^[44]

1. Аустенизация, при которой сталь нагревается до температуры в диапазоне 980–1 050 ° C (1800–1 920 ° F), в зависимости от марки. Полученный аустенит имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру.
2. Закалка . Аустенит превращается в мартенсит, твердую объемноцентрированную тетрагональную кристаллическую структуру. Закаленный мартенсит очень твердый и слишком хрупкий для большинства применений. Некоторое количество остаточного аустенита может остаться.
3. Темперирование. Мартенсит нагревают примерно до 500 ° C (932 ° F), выдерживают при температуре, а затем охлаждают на воздухе. Более высокие температуры отпуска уменьшают предел текучести и предел прочности на разрыв, но увеличивают сопротивление удлинению и ударопрочность.

Мартенситные нержавеющие стали, легированные азотом [ править ]

Замена некоторого количества углерода в мартенситных нержавеющих сталях на азот - недавняя разработка. ^{[ когда? ]} Ограниченная растворимость азота увеличивается за счет процесса электрошлакового рафинирования под давлением (PESR), в котором плавление осуществляется при высоком давлении азота. Была получена сталь с содержанием азота до 0,4%, что привело к повышению твердости и прочности, а также к более высокой коррозионной стойкости. Поскольку PESR является дорогостоящим, более низкое, но значительное содержание азота было достигнуто с использованием стандартного процесса обезуглероживания кислородом аргона (AOD). ^{[45] [46] [47] [48] [49]}

Дуплекс из нержавеющей стали [ править ]

Дуплексные нержавеющие стали имеют смешанную микроструктуру аустенита и феррита, идеальное соотношение составляет 50:50, хотя коммерческие сплавы могут иметь соотношение 40:60. Они характеризуются более высоким содержанием хрома (19–32%) и молибдена (до 5%) и более низким содержанием никеля, чем аустенитные нержавеющие стали. Дуплексные нержавеющие стали имеют примерно вдвое больший предел текучести, чем аустенитная нержавеющая сталь. Их смешанная микроструктура обеспечивает повышенную стойкость к хлоридному коррозионному растрескиванию под напряжением по сравнению с аустенитной нержавеющей сталью типов 304 и 316.

Дуплексные марки обычно делятся на три подгруппы в зависимости от их коррозионной стойкости: обедненный дуплекс, стандартный дуплекс и супердуплекс.

Свойства дуплексных нержавеющих сталей достигаются при общем более низком содержании легирующих элементов, чем у аналогичных супер-аустенитных сталей, что делает их использование экономически эффективным для многих областей применения. Целлюлозно-бумажная промышленность одной из первых начала широко использовать дуплексную нержавеющую сталь. Сегодня нефтегазовая промышленность является крупнейшим пользователем и требует более устойчивых к коррозии марок, что привело к разработке супердуплексных и гипердуплексных марок. Совсем недавно был разработан менее дорогой (и немного менее устойчивый к коррозии) дуплекс, в основном для структурного применения в строительстве (арматурные стержни для бетона, плиты для мостов, прибрежные работы) и в водной промышленности.

Нержавеющие стали с дисперсионным твердением [ править ]

Нержавеющие стали с дисперсионным твердением имеют коррозионную стойкость, сравнимую с аустенитными разновидностями, но могут быть подвергнуты дисперсионному упрочнению до даже более высокой прочности, чем другие мартенситные сорта. Существует три типа нержавеющих сталей с дисперсионным твердением: ^[50]

• Мартенситный 17-4 PH ^[51] (AISI 630 EN 1.4542) содержит около 17% Cr, 4% Ni, 4% Cu и 0,3% Nb.

Обработка раствора при температуре около 1040 ° C (1900 ° F) с последующей закалкой приводит к относительно пластичной мартенситной структуре. Последующая обработка старением при 475 ° C (887 ° F) выделяет фазы, богатые Nb и Cu, которые повышают прочность до предела текучести более 1000 МПа. Этот выдающийся уровень прочности используется в высокотехнологичных приложениях, таких как аэрокосмическая промышленность (обычно после переплавки для удаления неметаллических включений, что увеличивает усталостную долговечность). Еще одним важным преимуществом этой стали является то, что старение, в отличие от отпуска, проводится при температуре, которая может быть применена к (почти) готовым деталям без деформации и обесцвечивания.

• Полуаустенитный 17-7PH ^[51] (AISI 631 EN 1.4568) содержит около 17% Cr, 7,2% Ni и 1,2% Al.

Типичная термообработка включает обработку на твердый раствор и закалку. На этом этапе структура остается аустенитной. Затем мартенситное превращение достигается либо криогенной обработкой при -75 ° C (-103 ° F), либо тяжелой холодной обработкой (деформация более 70%, обычно путем холодной прокатки или волочения проволоки). Старение при 510 ° C (950 ° F), при котором выделяется интерметаллическая фаза Ni ₃ Al, проводится, как указано выше, на почти готовых деталях. При этом  достигаются уровни предела текучести выше 1400 МПа.

• Аустенитный A286 ^[52] (ASTM 660 EN 1.4980) содержит около 15% Cr, 25% Ni, 2,1% Ti, 1,2% Mo, 1,3% V и 0,005% B.

Структура остается аустенитной при всех температурах.

Типичная термообработка включает обработку раствором и закалку с последующим старением при 715 ° C (1319 ° F). При старении образуется осадок Ni ₃ Ti, который увеличивает предел текучести примерно до 650  МПа при комнатной температуре. В отличие от вышеуказанных марок, механические свойства и сопротивление ползучести этой стали остаются очень хорошими при температурах до 700 ° C (1292 ° F). В результате A286 классифицируется как суперсплав на основе Fe , используемый в реактивных двигателях, газовых турбинах и деталях турбоагрегатов.

Оценки [ править ]

Существует более 150 марок нержавеющей стали, из которых 15 наиболее распространены. Существует несколько систем классификации нержавеющих и других сталей, в том числе марок стали согласно SAE США.

Коррозионная стойкость [ править ]

В отличие от углеродистой стали, нержавеющая сталь не подвержена равномерной коррозии во влажной среде. Незащищенная углеродистая сталь легко ржавеет при воздействии воздуха и влаги. Образующийся поверхностный слой оксида железа пористый и хрупкий. Кроме того, поскольку оксид железа занимает больший объем, чем исходная сталь, этот слой расширяется и имеет тенденцию отслаиваться и отпадать, подвергая нижележащую сталь дальнейшему воздействию. Для сравнения: нержавеющие стали содержат достаточно хрома для пассивирования., спонтанно образуя микроскопически тонкую инертную поверхностную пленку оксида хрома в результате реакции с кислородом воздуха и даже с небольшим количеством растворенного кислорода в воде. Эта пассивная пленка предотвращает дальнейшую коррозию, блокируя диффузию кислорода к стальной поверхности и, таким образом, предотвращает распространение коррозии в объеме металла. [3] Эта пленка является самовосстанавливающейся, даже если она поцарапана или временно повреждена из-за неблагоприятных условий окружающей среды, которые превышают присущую ей коррозионную стойкость. ^{[53] [54]}

Устойчивость этой пленки к коррозии зависит от химического состава нержавеющей стали, в основном от содержания хрома. Принято различать четыре формы коррозии: равномерную, локализованную (точечную коррозию), гальваническую и SCC (коррозионное растрескивание под напряжением). Любая из этих форм коррозии может возникнуть, если нержавеющая сталь не подходит для рабочей среды.

Обозначение «CRES» относится к коррозионно-стойкой стали. Большинство, но не все, упоминания CRES относятся к нержавеющей стали - материалы, не относящиеся к нержавеющей стали, также могут быть коррозионно-стойкими. ^[55]

Равномерная коррозия [ править ]

Равномерная коррозия имеет место в очень агрессивных средах, обычно там, где производятся или интенсивно используются химические вещества, например, в целлюлозно-бумажной промышленности. Атакует вся поверхность стали, и степень коррозии выражается скоростью коррозии в мм / год (обычно для таких случаев приемлемо менее 0,1 мм / год). Таблицы коррозии содержат рекомендации. ^[56]

Обычно это происходит, когда нержавеющая сталь подвергается воздействию кислотных или щелочных растворов. Коррозия нержавеющей стали зависит от вида и концентрации кислоты или основания и температуры раствора. Равномерной коррозии обычно легко избежать благодаря обширным опубликованным данным о коррозии или легко выполняемым лабораторным испытаниям на коррозию.

Кислоты [ править ]

Кислые растворы можно разделить на две основные категории: восстанавливающие кислоты, такие как соляная кислота и разбавленная серная кислота , и окисляющие кислоты , такие как азотная кислота и концентрированная серная кислота. Повышение содержания хрома и молибдена обеспечивает повышенную стойкость к восстанавливающим кислотам, в то время как увеличение содержания хрома и кремния обеспечивает повышенную устойчивость к окисляющим кислотам.

Серная кислота - один из наиболее производимых промышленных химикатов. При комнатной температуре нержавеющая сталь типа 304 устойчива только к 3% кислоте, тогда как нержавеющая сталь марки 316 устойчива к 3% кислоте при температуре до 50 ° C (122 ° F) и 20% кислоте при комнатной температуре. Таким образом, нержавеющая сталь марки 304 редко используется в контакте с серной кислотой. Тип 904L и сплав 20 устойчивы к серной кислоте даже при более высоких концентрациях, превышающих комнатную температуру. ^{[57] [58]} Концентрированная серная кислота обладает окислительными свойствами, как азотная кислота, и поэтому кремнийсодержащие нержавеющие стали также могут использоваться. ^{[ необходима цитата ]}

Соляная кислота повреждает любую нержавеющую сталь, и ее следует избегать. ^{[4] : 118 [59]}

Все виды нержавеющей стали устойчивы к воздействию фосфорной и азотной кислот при комнатной температуре. При высоких концентрациях и повышенных температурах может произойти коррозия, и требуются более высоколегированные нержавеющие стали. ^{[60] [61]}

Как правило, органические кислоты менее агрессивны, чем минеральные кислоты, такие как соляная и серная кислоты. По мере увеличения молекулярной массы органических кислот их коррозионная активность снижается. Муравьиная кислота имеет самый низкий молекулярный вес и является слабой кислотой. Тип 304 можно использовать с муравьиной кислотой, хотя она имеет тенденцию обесцвечивать раствор. Тип 316 обычно используется для хранения и обращения с уксусной кислотой , коммерчески важной органической кислотой. ^[62]

Базы [ править ]

Нержавеющие стали типов 304 и 316 не подвержены влиянию слабых оснований, таких как гидроксид аммония , даже в высоких концентрациях и при высоких температурах. Те же сорта, которые подвергаются воздействию более сильных оснований, таких как гидроксид натрия, при высоких концентрациях и высоких температурах, вероятно, будут подвергаться некоторому травлению и растрескиванию. ^[63] Увеличение содержания хрома и никеля обеспечивает повышенное сопротивление.

Органика [ править ]

Все марки устойчивы к повреждению альдегидами и аминами , хотя в последнем случае тип 316 предпочтительнее, чем тип 304; Ацетат целлюлозы повреждает тип 304, если температура не поддерживается на низком уровне. Жиры и жирные кислоты воздействуют только на тип 304 при температурах выше 150 ° C (302 ° F) и на тип 316 SS выше 260 ° C (500 ° F), в то время как на тип 317 SS не действуют никакие температуры. Тип 316L требуется для переработки мочевины . ^{[4] [ необходима страница ]}

Локальная коррозия [ править ]

Локальная коррозия может происходить несколькими путями, например, точечная коррозия и щелевая коррозия . Эти локальные приступы чаще всего возникают в присутствии ионов хлора . Более высокие уровни хлоридов требуют более высоколегированных нержавеющих сталей.

Локальную коррозию трудно предсказать, поскольку она зависит от многих факторов, в том числе:

• Концентрация хлорид-иона. Даже если концентрация хлоридного раствора известна, локальная коррозия может возникнуть неожиданно. Хлорид-ионы могут неравномерно концентрироваться в определенных областях, например, в щелях (например, под прокладками) или на поверхностях в паровых пространствах из-за испарения и конденсации.
• Температура: повышение температуры увеличивает восприимчивость.
• Кислотность: повышение кислотности увеличивает восприимчивость.
• Застой: застойные условия повышают восприимчивость.
• Окисляющие вещества: присутствие окисляющих веществ, таких как ионы трехвалентного и двухвалентного железа, увеличивает восприимчивость.

Устойчивость к питтинговой коррозии [ править ]

Точечная коррозия считается наиболее распространенной формой локальной коррозии. Коррозионная стойкость нержавеющих сталей к питтинговой коррозии часто выражается PREN , полученным по формуле:

${\ displaystyle {\ text {PREN}} = \% {\ text {Cr}} + 3.3 \ cdot \% {\ text {Mo}} + 16 \ cdot \% {\ text {N}}}$,

где члены соответствуют массовому содержанию хрома, молибдена и азота в стали. Например, если бы сталь состояла из 15% хрома,% Cr было бы равно 15.

Чем выше PREN, тем выше стойкость к питтинговой коррозии. Таким образом, увеличение содержания хрома, молибдена и азота обеспечивает лучшую стойкость к точечной коррозии.

Щелевая коррозия [ править ]

Хотя PREN определенной стали теоретически может быть достаточным, чтобы противостоять точечной коррозии, щелевая коррозия все же может происходить, когда плохая конструкция создает ограниченные области (перекрывающиеся пластины, поверхности раздела шайб и т. Д.) Или когда на материале образуются отложения. В этих выбранных областях PREN может быть недостаточно высоким для условий эксплуатации. Хорошие методы проектирования и изготовления в сочетании с правильным выбором сплава могут предотвратить такую ​​коррозию. ^[64]

Коррозионное растрескивание под напряжением [ править ]

Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC) - это внезапное растрескивание и отказ компонента без деформации.

Это может произойти при соблюдении трех условий:

• Деталь подвергается напряжению (приложенной нагрузкой или остаточным напряжением).
• Окружающая среда агрессивная (высокий уровень хлоридов, температура выше 50 ° C (122 ° F), присутствие H ₂ S).
• Нержавеющая сталь не обладает достаточной стойкостью к SCC.

Механизм SCC является результатом следующей последовательности событий:

1. Происходит точечная коррозия.
2. Трещины начинаются с места зарождения ямы.
3. Затем трещины распространяются по металлу в межкристаллитном или межкристаллитном режиме.
4. Происходит сбой.

В то время как точечная коррозия обычно приводит к неприглядным поверхностям и, в худшем случае, к перфорации нержавеющего листа, отказ SCC может иметь серьезные последствия. Поэтому это считается особой формой коррозии.

Поскольку SCC требует выполнения нескольких условий, с ним можно справиться с помощью относительно простых мер, в том числе:

• Снижение уровня напряжений (в нефтегазовых спецификациях указаны требования к максимальному уровню напряжений в средах, содержащих H ₂ S).
• Оценка агрессивности окружающей среды (высокое содержание хлоридов, температура выше 50 ° C (122 ° F) и т. Д.).
• Выбор правильного типа нержавеющей стали: супераустенитной, такой как 904L, или супердуплексной ( ферритные нержавеющие стали и дуплексные нержавеющие стали очень устойчивы к SCC).

Гальваническая коррозия [ править ]

Гальваническая коррозия ^[65] (также называемая «коррозией разнородных металлов») относится к коррозионным повреждениям, возникающим при соединении двух разнородных материалов в коррозионном электролите. Самый распространенный электролит - это вода, от пресной до морской. Когда образуется гальваническая пара, один из металлов в паре становится анодом и корродирует быстрее, чем один, в то время как другой становится катодом и корродирует медленнее, чем в одиночку. Нержавеющая сталь из-за того, что имеет более высокий потенциал положительного электрода, чем, например, углеродистая сталь и алюминий, становится катодом, ускоряя коррозию анодного металла. Примером может служить коррозия алюминиевых заклепок, скрепляющих листы нержавеющей стали при контакте с водой. ^[66]

Относительные площади поверхности анода и катода важны для определения скорости коррозии. В приведенном выше примере площадь поверхности заклепок мала по сравнению с поверхностью листа из нержавеющей стали, что приводит к быстрой коррозии. ^[66] Однако, если крепежные детали из нержавеющей стали используются для сборки алюминиевых листов, гальваническая коррозия будет намного медленнее, поскольку плотность гальванического тока на поверхности алюминия будет на порядок меньше. ^[66] Частой ошибкой является сборка пластин из нержавеющей стали с крепежными элементами из углеродистой стали; в то время как использование нержавеющей стали для крепления пластин из углеродистой стали обычно допустимо, обратное - нет.

Обеспечение электрической изоляции между разнородными металлами, где это возможно, эффективно предотвращает этот тип коррозии. ^[66]

Высокотемпературная коррозия (образование накипи) [ править ]

При повышенных температурах все металлы вступают в реакцию с горячими газами. Наиболее распространенной высокотемпературной газовой смесью является воздух, в котором кислород является наиболее реактивным компонентом. Во избежание коррозии на воздухе температура углеродистой стали ограничена приблизительно 480 ° C (900 ° F). Стойкость к окислению в нержавеющих сталях повышается при добавлении хрома, кремния и алюминия. Небольшие добавки церия и иттрия увеличивают адгезию оксидного слоя к поверхности. ^[67]

Добавление хрома остается наиболее распространенным методом повышения стойкости к высокотемпературной коррозии нержавеющих сталей; хром реагирует с кислородом с образованием окалины оксида хрома, которая снижает диффузию кислорода в материал. Минимальное содержание хрома в 10,5% в нержавеющих сталях обеспечивает устойчивость к температуре примерно 700 ° C (1300 ° F), а 16% хрома обеспечивает стойкость примерно до 1200 ° C (2200 ° F). Тип 304, наиболее распространенный сорт нержавеющей стали с 18% хрома, устойчив к температуре около 870 ° C (1600 ° F). Другие газы, такие как диоксид серы , сероводород , монооксид углерода , хлор., также атакуют нержавеющую сталь. Устойчивость к другим газам зависит от типа газа, температуры и легирующего состава нержавеющей стали. ^{[68] [69]}

Ферритные марки Fr-Cr-Al с добавлением до 5% алюминия обладают электрическим сопротивлением и стойкостью к окислению при повышенных температурах. К таким сплавам относится кантал , выпускаемый в виде проволоки или лент. ^[70]

Свойства [ править ]

Физические свойства [ править ]

Электричество и магнетизм [ править ]

Как и сталь, нержавеющая сталь является относительно плохим проводником электричества со значительно более низкой электропроводностью, чем медь. В частности, электрическое контактное сопротивление (ECR) нержавеющей стали возникает в результате плотного защитного оксидного слоя и ограничивает его функциональность при применении в качестве электрических соединителей. ^[71] Медные сплавы и соединители с никелевым покрытием, как правило, демонстрируют более низкие значения ECR и являются предпочтительными материалами для таких приложений. Тем не менее, соединители из нержавеющей стали используются в ситуациях, когда ECR предъявляет более низкие критерии проектирования и требуется устойчивость к коррозии, например, при высоких температурах и окислительной среде. ^[72]

Магнитные свойства [ править ]

Мартенситные и ферритные нержавеющие стали являются магнитными .

Ферритная сталь состоит из кристаллов феррита - формы железа с содержанием углерода до 0,025%. Из-за своей кубической кристаллической структуры ферритная сталь поглощает лишь небольшое количество углерода, который состоит из одного железа в каждом углу и центрального атома железа. Центральный атом отвечает за его магнитные свойства.

Марки с низким коэрцитивным полем Hc были разработаны для электроклапанов, используемых в бытовых приборах, и для систем впрыска в двигателях внутреннего сгорания. Для некоторых приложений требуются немагнитные материалы, например, магнитно-резонансная томография .

Отожженные аустенитные нержавеющие стали обычно немагнитны , хотя наклепанье может сделать холоднодеформированные аустенитные нержавеющие стали слегка магнитными. Иногда, если аустенитная сталь сгибается или режется, по краю нержавеющей стали возникает магнетизм, потому что кристаллическая структура перестраивается.

Раздражение [ править ]

Истирание , иногда называемое холодной сваркой, представляет собой форму сильного адгезионного износа, который может возникнуть, когда две металлические поверхности находятся в относительном движении друг к другу и под сильным давлением. Крепежные детали из аустенитной нержавеющей стали особенно подвержены истиранию резьбы, хотя другие сплавы, которые сами создают защитную оксидную пленку на поверхности, такие как алюминий и титан, также подвержены этому. При скольжении с высоким контактным усилием этот оксид может деформироваться, разрушаться и удаляться с частей детали, обнажая оголенный химически активный металл. Когда две поверхности выполнены из одного материала, эти открытые поверхности могут легко сплавиться. Разделение двух поверхностей может привести к разрыву поверхности и даже к полному заклиниванию металлических компонентов или креплений. ^{[74] [75]}

Истирание можно уменьшить за счет использования разнородных материалов (бронза против нержавеющей стали) или использования различных нержавеющих сталей (мартенситная против аустенитной). Кроме того, резьбовые соединения можно смазывать для образования пленки между двумя частями и предотвращения истирания. Nitronic 60, полученный путем селективного легирования марганцем, кремнием и азотом, продемонстрировал пониженную склонность к образованию галлов. ^[75]

Стандартная отделка [ править ]

Стандартная отделка прокатного стана может наноситься на плоский прокат из нержавеющей стали непосредственно с помощью валков или механических абразивов. Сталь сначала прокатывается до нужного размера и толщины, а затем отжигается для изменения свойств конечного материала. Любое окисление , образующееся на поверхности ( прокатная окалина ), удаляется травлением , и на поверхности создается пассивирующий слой. Затем можно нанести окончательную отделку для достижения желаемого эстетического вида.

Следующие обозначения используются для описания отделки из нержавеющей стали:

• № 0: горячекатаный, отожженный, толстый лист
• № 1: Горячекатаный, отожженный и пассивированный
• № 2D: Холоднокатаный, отожженный, травленый и пассивированный
• № 2B: То же, что и выше, с дополнительным проходом через полированные ролики.
• № 2BA: светлый отжиг (BA или 2R), как указано выше, затем светлый отжиг в бескислородных атмосферных условиях
• № 3: грубое абразивное покрытие наносится механически
• № 4: Матовая отделка
• № 5: Атласная отделка
• № 6: матовое покрытие (матовое, но более гладкое, чем № 4)
• № 7: Светоотражающая отделка
• № 8: Зеркальное покрытие
• № 9: Обработка бисером
• № 10: Термоокрашенное покрытие - предлагает широкий выбор электрополированных и термически окрашенных поверхностей.

Соединение нержавеющих сталей [ править ]

Для нержавеющих сталей доступен широкий спектр процессов соединения, хотя сварка является наиболее распространенной. ^{[76] [38]}

Сварка нержавеющих сталей [ править ]

Легкость сварки во многом зависит от типа используемой нержавеющей стали. Аустенитные нержавеющие стали легче всего сваривать с помощью электрической дуги , и их сварочные свойства аналогичны свойствам основного металла (не подвергается холодной деформации). Мартенситные нержавеющие стали также можно сваривать с помощью электродуговой сварки, но, поскольку зона термического влияния (HAZ) и зона плавления (FZ) образуют мартенсит при охлаждении, необходимо принять меры для предотвращения растрескивания сварного шва. Почти всегда требуется термообработка после сварки, а в некоторых случаях также необходим предварительный нагрев перед сваркой. ^[38]

Электродуговая сварка ферритной нержавеющей стали типа 430 приводит к росту зерна в зоне термического влияния (ЗТВ), что приводит к хрупкости. Это в значительной степени было преодолено с помощью стабилизированных ферритных марок, в которых ниобий, титан и цирконий образуют выделения, препятствующие росту зерен. ^{[77] [78]} Дуплексная сварка нержавеющей стали электрической дугой - обычная практика, но требует тщательного контроля параметров процесса. В противном случае происходит выделение нежелательных интерметаллических фаз, что снижает ударную вязкость сварных швов. ^[79]

Процессы электродуговой сварки ^[76] [ править ]

• Газовая дуговая сварка металлическим электродом , также известная как сварка в среде инертного газа (MIG).
• Газовая вольфрамовая дуговая сварка , также известная как сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG)
• Плазменная сварка
• Порошковая сварка
• Дуговая сварка защищенным металлом (покрытый электрод)
• Сварка под флюсом

Сварка MIG и TIG - наиболее распространенные методы.

Другие сварочные процессы [ править ]

• Сварка шпилек
• Точечная сварка сопротивлением
• Сварка контактным швом
• Сварка оплавлением
• Лазерная сварка

Склеивание [ править ]

Нержавеющая сталь может быть связана с клеями, такими как силикон, модифицированные силилом полимеры и эпоксидные смолы . В некоторых ситуациях также используются акриловые и полиуретановые клеи. ^[80]

Производственный процесс и цифры [ править ]

Производственный процесс [ править ]

Большая часть производства нержавеющей стали в мире производится с помощью следующих процессов:

• Электродуговая печь (EAF): скрап нержавеющей стали, лом других черных металлов и сплавы черных металлов (Fe Cr, Fe Ni, Fe Mo, Fe Si) плавятся вместе. Затем расплавленный металл выливают в ковш и переводят в процесс AOD (см. Ниже).
• Обезуглероживание аргоном и кислородом (AOD): углерод из расплавленной стали удаляется (превращая его в газообразный монооксид углерода ), и для достижения желаемого химического состава вносятся другие корректировки состава.
• Непрерывное литье (CC): расплавленный металл затвердевает в слябы для плоских изделий (типичная секция имеет толщину 20 сантиметров (8 дюймов) и ширину 2 метра (6,6 фута)) или блюмов (секции варьируются в широких пределах, но 25 на 25 см (9,8 дюйма) дюйм × 9,8 дюйма) - средний размер).
• Горячая прокатка (HR): слябы и блюмы повторно нагреваются в печи и подвергаются горячей прокатке. Горячая прокатка уменьшает толщину слябов до рулонов толщиной около 3 мм (0,12 дюйма). Блюмы, с другой стороны, подвергают горячей прокатке в прутки, которые разрезают на куски на выходе из прокатного стана, или катанку, которая наматывается в бухты.
• Холодная обработка (CF) зависит от типа обрабатываемого продукта:
  • Горячекатаные рулоны протравливаются в растворах кислоты для удаления окалины с поверхности, затем подвергаются холодной прокатке на прокатных станах Сендзимира и отжигаются в защитной атмосфере до получения желаемой толщины и качества поверхности. Дальнейшие операции, такие как продольная резка и формовка труб, могут выполняться на последующих предприятиях.
  • Горячекатаные прутки правят, затем подвергают механической обработке с требуемым допуском и чистовой обработкой.
  • Бухты катанки впоследствии перерабатываются для производства холоднокатаных прутков на волочильных станках, крепежа на болтовых станках и проволоки на одно- или многопроходных волочильных машинах.

Показатели производства [ править ]

Данные о мировом производстве нержавеющей стали ежегодно публикуются Международным форумом по нержавеющей стали. ^[32]

Распределение производства по семействам нержавеющих сталей в 2017 г .:

• Аустенитные нержавеющие стали Cr-Ni (также называемые серией 300, см. Раздел «Марки» выше): 54%
• Аустенитные нержавеющие стали Cr-Mn (также называемые серией 200): 21%
• Ферритные и мартенситные нержавеющие стали (также называемые серией 400): 23%

Приложения [ править ]

Архитектура [ править ]

Использование нержавеющей стали в зданиях может быть как практичным, так и эстетичным. В моде в период ар-деко , наиболее известное использование нержавеющей стали можно увидеть в верхней части здания Крайслер . Благодаря долговечности многие из этих построек сохранили свой первозданный вид.

Нержавеющая сталь используется при строительстве современных зданий, таких как башни-близнецы Петронас и здание Цзинь Мао . ^[81] Здание парламента Австралии в Канберре имеет флагшток из нержавеющей стали весом более 220 метрических тонн (240 коротких тонн). ^[82] Самым большим зданием из нержавеющей стали в Северной Америке является здание аэрации в Компостном центре Эдмонтона . ^[83] Купол La Geode в Париже состоит из 6433 равносторонних треугольников из полированной нержавеющей стали, которые образуют сферу , отражающую небо. ^[84]Развитие высокопрочных марок нержавеющей стали, таких как марки «обедненная дуплекс», привело к увеличению их использования в конструкциях. ^{[85] [86]}

Благодаря низкой отражательной способности нержавеющая сталь используется в качестве кровельного материала для аэропортов, что предотвращает ослепление пилотов. Он также используется из-за своей способности поддерживать поверхность крыши близко к температуре окружающей среды. Примеры таких аэропортов включают международный аэропорт Сакраменто в Калифорнии и международный аэропорт Хамад в Катаре .

Нержавеющая сталь используется для пешеходных и автомобильных мостов в виде труб, плит или арматурных стержней. ^[87] Примеры включают: мост Кала Галдана на Менорке, первый построенный автодорожный мост из нержавеющей стали; Чэмплэйн мост в Монреале ; ^[87] мост Oudesluijs в Амстердаме , мост, сделанный с использованием Construction 3D-печати ; ^[88] мост Падре Аррупе в Бильбао , который соединяет музей Гуггенхайма в Бильбао с университетом Деусто. ^[89] Пешеходный мост Сан-Фрутос в Испании; Мост Камнереза, Гонконг ; ^[87] иМост Хеликс , пешеходный мост в Сингапуре.

• В концертном зале Уолта Диснея используется облицовка из нержавеющей стали.

• Арка ворот из нержавеющей стали (тип 304) высотой 630 футов (190 м) определяет горизонт Сент-Луиса.

• Башня Крайслер-билдинг в Нью-Йорке облицована нержавеющей сталью Nirosta типа 302 ^{[90] [81]}

• Art Deco скульптуры на здании Ниагара-Mohawk питания в Сиракузы, штат Нью - Йорк

• Мост Кала Галдана , Менорка

• Мост Хеликс , Сингапур

Использование в искусстве и памятниках [ править ]

Америка [ править ]

• Облачные ворота , скульптура Аниша Капура . (Чикаго, США)
• Арка Gateway (на фото) полностью облицована нержавеющей сталью: 886 тонн (804 метрических тонны) пластины 0,25 дюйма (6,4 мм), отделка № 3, нержавеющая сталь типа 304. ^[91] (Сент-Луис, США)
• Кристо де Чьяпас Хайме Латапи Лопес . Создано в 2007 г. (Туксла Гуттирес, Мексика)
• Метаморфоза Давида Черна. Создано в 2011 г. (Шарлотт, США) ^[92]
• Unisphere , созданный в качестве тематического символа Всемирной выставки в Нью-Йорке 1964 года , изготовлен из нержавеющей стали марки 304L в виде сферического каркаса диаметром 120 футов (37 м). (Нью-Йорк, США)
• Мемориал ВВС США имеет структурную оболочку из аустенитной нержавеющей стали. (Арлингтон, США)

Азия [ править ]

• Павильон "Цветение" Чжан Вана. Создано в 2015 г. (Шанхай, Китай).

Европа [ править ]

• Алюминиевая облицовка сфер и трубок Атомиума была обновлена ​​облицовкой из нержавеющей стали в 2006 году (Брюссель, Бельгия).
• Памятник Юраю Яношику (Терхова, Словакия)
• «Танец эмержентского фонтана » Чэнь Чжэнь. Создан в 2008 г. (Париж, Франция)
• Человек из стали (скульптура) , в настоящее время строится. (Ротерхэм, Англия)
• Памятник Сибелиуса выполнен полностью из труб из нержавеющей стали (Хельсинки, Финляндия)
• Sun Voyager от Джона Гуннара Арнасона 9 м × 18 м × 7 м . Создан в 1990 г. (Рейкьявик, Исландия).
• Линда Бакке «Большой лось » . Создано в 2015 г. (Стор-Эльдваль, Норвегия).
• Келпи (Фолкерк, Шотландия)

Вода [ править ]

Нержавеющие стали давно используются в контакте с водой ^[93] из-за их превосходной коррозионной стойкости. Применения включают ряд условий, включая водопровод, ^[94] питьевую воду ^[95] и очистку сточных вод, ^[96] опреснение и очистку рассола. ^{[97] [98]} Нержавеющие стали типов 304 и 316 являются стандартными конструкционными материалами, контактирующими с водой. Однако с увеличением содержания хлоридов используются более высоколегированные нержавеющие стали, такие как тип 2205, а также супераустенитные и супердуплексные нержавеющие стали. ^[99]

Важные соображения для достижения оптимальных характеристик коррозии: ^[100]

• правильный выбор марки по содержанию хлоридов в воде;
• по возможности избегать щелей за счет хорошего дизайна;
• соблюдение надлежащей производственной практики, особенно удаление теплового оттенка сварного шва;
• оперативный дренаж после гидроиспытаний.

Использование трубопроводов из нержавеющей стали помогло снизить потери питьевой воды в Токио, Сеуле и Тайбэе. ^[101]

Конверсия целлюлозы, бумаги и биомассы [ править ]

Нержавеющая сталь широко используется в целлюлозно-бумажной промышленности, чтобы избежать загрязнения продукта железом, а также из-за их коррозионной стойкости к различным химическим веществам, используемым в процессе изготовления бумаги. ^{[102] [103]} Например, дуплексные нержавеющие стали используются в варочных котлах для преобразования древесной щепы в древесную массу. Супераустенитные соединения 6% Mo используются в отбеливающей установке, а тип 316 широко используется в бумагоделательной машине .

Химическая и нефтехимическая переработка [ править ]

Нержавеющие стали широко используются в химической и нефтехимической промышленности из-за их коррозионной стойкости к водным, газообразным и высокотемпературным средам, их механических свойств при всех температурах, а иногда и других особых физических свойств. ^{[104] [105] [106] [107]}

Еда и напитки [ править ]

Аустенитная нержавеющая сталь (серия 300), особенно марки 304 и 316, является предпочтительным материалом для пищевой промышленности, хотя также используются мартенситные и ферритные стали (серия 400). Нержавеющая сталь имеет преимущество, потому что она не влияет на вкус продукта, легко очищается и стерилизуется для предотвращения бактериального загрязнения пищевых продуктов и долговечна. В пищевой промышленности и производстве напитков нержавеющая сталь широко используется в кухонной посуде, пищевой промышленности, коммерческих кухнях, пивоварении, виноделии и мясопереработке. ^[108]

Кислые продукты с высоким содержанием соли, такие как томатный соус и сильно соленые приправы, такие как соевый соус, могут потребовать более высоколегированных нержавеющих сталей, таких как супераустенитные стали с 6% Мо, для предотвращения точечной коррозии под действием хлоридов.

Транспорт [ править ]

Автомобили

Allegheny Ludlum Corporation работал с Фордом на различных концептуальных автомобилей с кузовами из нержавеющей стали с 1930 - х по 1970 - е годы , чтобы продемонстрировать потенциал материала. У Кадиллак Эльдорадо Броамо 1957 и 1958 годов крыша из нержавеющей стали. В 1981 и 1982 годах в серийных автомобилях DMC DeLorean использовались панели кузова из нержавеющей стали Type 304 поверх стеклопластикового монокока . Междугородные автобусы Motor Coach Industries частично изготовлены из нержавеющей стали. Кормовая панель кузова Porsche CaymanМодель (2-дверное купе хэтчбек) выполнена из нержавеющей стали. Из-за множества изгибов и углов Cayman во время создания прототипа кузова было обнаружено, что обычную сталь нельзя формовать без трещин. Таким образом, Porsche был вынужден использовать нержавеющую сталь.

Наибольшее применение нержавеющей стали в автомобилях - выхлопная труба. Требования по защите окружающей среды, направленные на снижение уровня загрязнения и шума на протяжении всего срока службы автомобиля, привели к использованию ферритных нержавеющих сталей (обычно AISI409 / 409Cb в Северной Америке, EN1.4511 и 1.4512 в Европе). Они используются для коллектора, трубок, глушителя, катализатора, выхлопной трубы. Термостойкие марки EN1.4913 или 1.4923 используются в частях турбокомпрессоров, тогда как другие жаропрочные марки используются для рециркуляции выхлопных газов, а также для впускных и выпускных клапанов. Кроме того, в системах впрыска Common Rail и их форсунках используется нержавеющая сталь.

Нержавеющая сталь зарекомендовала себя как лучший выбор для различных применений, таких как ребра жесткости для щеток стеклоочистителя, шарики устройства приведения в действие ремня безопасности в случае аварии, пружины, застежки и т.

Некоторые производители автомобилей используют нержавеющую сталь в качестве декоративных элементов в своих автомобилях.

Легкие пригородные поезда (трамвайные ссылки)

Нержавеющая сталь теперь используется в качестве одного из материалов для трамвайных колец, наряду с алюминиевыми сплавами и углеродистой сталью. Дуплексные сорта, как правило, предпочтительнее благодаря их коррозионной стойкости и более высокой прочности, что позволяет снизить вес и продлить срок службы в морских условиях. ^[109]

Пассажирские вагоны

Железнодорожные вагоны обычно изготавливаются с использованием гофрированных панелей из нержавеющей стали для дополнительной прочности конструкции. Это было особенно популярно в 1960-х и 1970-х годах, но с тех пор стало меньше. Одним из ярких примеров был ранний Pioneer Zephyr . Известные бывшие производители подвижного состава из нержавеющей стали включали компанию Budd Company (США), лицензию на которую получила японская Tokyu Car Corporation , и португальская компания Sorefame . Многие железнодорожные вагоны в США по-прежнему изготавливаются из нержавеющей стали. В Индии, где развивается железнодорожная инфраструктура, вводятся в эксплуатацию новые вагоны из нержавеющей стали. ^[110] Южная Африка также вводит в эксплуатацию вагоны из нержавеющей стали. ^[111]

Самолет

Бадд также построил два самолета, Budd BB-1 Pioneer и Budd RB-1 Conestoga , из трубы и листа нержавеющей стали. Первый самолет с тканевым обшивкой крыла выставлен в Институте Франклина. Это самая длинная выставка самолетов, когда-либо существовавших с 1934 года. RB-2 был почти полностью выполнен из нержавеющей стали, за исключением поверхностей управления. Один из них сохранился в Музее авиации и космонавтики Пима , рядом с военно-воздушной базой Дэвис-Монтан .

Американский самолет- амфибия Fleetwings Sea Bird 1936 года также был построен с корпусом из нержавеющей стали точечной сварки.

Из-за его термической стабильности компания Bristol Airplane Company построила полностью из нержавеющей стали высокоскоростной исследовательский самолет Bristol 188 , который впервые совершил полет в 1963 году. Однако возникшие практические проблемы привели к тому, что более поздние высокоскоростные самолеты, такие как Concorde , использовали алюминиевые сплавы. Точно так же экспериментальный американский бомбардировщик Mach 3, XB70 Valkyrie , широко использовал нержавеющую сталь в своей внешней конструкции из-за сильного нагрева на таких высоких скоростях.

Использование нержавеющей стали в основных самолетах затруднено из-за ее чрезмерного веса по сравнению с другими материалами, такими как алюминий.

Космический корабль

Нержавеющая сталь также находит применение в космических полетах. В ранних ракетах Atlas использовали нержавеющую сталь в их топливных баках. Внешняя оболочка из модулей и Integrated Truss Structure на Международной космической станции используют сплавы из нержавеющей стали. ^{[112] [113]} Компоненты будущей космической стартовой системы и структурная оболочка космического корабля SpaceX Starship станут второй и третьей ракетами, соответственно, с использованием нержавеющей стали.

Медицина [ править ]

Хирургические инструменты и медицинское оборудование обычно изготавливаются из нержавеющей стали из-за ее прочности и способности стерилизовать в автоклаве . Кроме того, хирургические имплантаты, такие как костные арматуры и заменители (например, тазобедренные суставы и черепные пластинки), изготавливаются из специальных сплавов, устойчивых к коррозии, механическому износу ^[114] и биологическим реакциям in vivo .

Нержавеющая сталь используется в стоматологии в самых разных областях. Нержавеющая сталь обычно используется во многих инструментах, которые необходимо стерилизовать, таких как иглы, ^[115] эндодонтические файлы при терапии корневых каналов , металлические штифты в зубах, обработанных корневыми каналами, временные коронки и коронки для временных зубов и дуги. и брекеты в ортодонтии. ^[116] Сплавы хирургической нержавеющей стали (например, низкоуглеродистая сталь 316) также использовались в некоторых ранних дентальных имплантатах. ^[117]

Энергия [ править ]

Нержавеющая сталь широко используется на всех типах электростанций, от атомных ^[118] до солнечных. ^[119] Нержавеющие стали идеально подходят в качестве механических опор для энергоблоков, когда требуется проницаемость газов или жидкостей, например, фильтры в охлаждающей воде или очистке горячего газа ^[120], или в качестве конструкционных опор при электролитической выработке энергии. ^[121]

Нержавеющая сталь используется в электролизерах ( наиболее распространены протонообменные мембраны и твердооксидные электролизеры ), которые преобразуют электрическую энергию в газообразный водород путем электролиза воды. И наоборот, нержавеющая сталь используется в топливных элементах, которые выполняют противоположную реакцию, объединяя водород и кислород для производства воды и электроэнергии.

Кулинарный [ править ]

Нержавеющая сталь часто предпочтительнее для кухонных моек из-за ее прочности, долговечности, термостойкости и простоты очистки. В более совершенных моделях акустический шум регулируется путем нанесения упругого грунтовочного покрытия для гашения вибраций. Материал также используется для облицовки таких поверхностей, как техника и фартуки . ^{[ необходима цитата ]}

Посуда и формы для выпечки могут быть покрыты нержавеющей сталью, чтобы улучшить их чистоту и долговечность, а также позволить их использовать в индукционной варке (для этого требуется нержавеющая сталь магнитного класса, например 432). Поскольку нержавеющая сталь плохо проводит тепло, ее часто используют в качестве тонкой поверхностной оболочки поверх сердечника из меди или алюминия, который лучше проводит тепло. ^{[ необходима цитата ]}

Столовые приборы часто изготавливаются из нержавеющей стали ^[122], что снижает коррозию, простоту очистки, незначительную токсичность и позволяет избежать придания пищевого запаха ^[123] электролитической активности .

Ювелирные изделия [ править ]

Нержавеющая сталь используется для изготовления ювелирных изделий и часов, причем сталь 316L обычно используется. Окисление нержавеющей стали на короткое время придает ей сияющий цвет, который также можно использовать для окрашивания. ^[124] Валадий, нержавеющая сталь и 12% никелевый сплав используются для изготовления колец класса и милитари. Валадий обычно окрашен в серебро, но его можно покрыть гальваническим покрытием, чтобы придать ему золотой оттенок. Разновидность золотого тона известна как Sun-lite Valadium. Другие типы сплавов Valadium имеют разные торговые названия, например, « Siladium » и «White Lazon ».

Огнестрельное оружие [ править ]

В состав некоторых видов огнестрельного оружия входят компоненты из нержавеющей стали в качестве альтернативы вороненой или паркерной стали. Некоторые модели пистолетов , такие как Smith & Wesson Model 60 и Colt M1911 , могут быть полностью изготовлены из нержавеющей стали. Это дает глянцевую поверхность, похожую на никелированную. В отличие от металлического покрытия, покрытие не подвержено отслаиванию, отслаиванию, истиранию от трения (как при многократном извлечении из кобуры) или ржавчине при появлении царапин.

3D-печать [ править ]

Некоторые поставщики 3D-печати разработали запатентованные смеси для спекания нержавеющей стали для использования в быстром прототипировании. Одним из популярных сортов нержавеющей стали, используемых в 3D-печати, является нержавеющая сталь 316L. Из-за высокого температурного градиента и высокой скорости затвердевания изделия из нержавеющей стали, изготовленные с помощью 3D-печати, имеют тенденцию иметь более совершенную микроструктуру; это, в свою очередь, приводит к лучшим механическим свойствам. Однако нержавеющая сталь не так широко используется, как такие материалы, как Ti ₆ Al ₄ V, из-за доступности более экономичных традиционных методов производства нержавеющей стали.

Стоимость жизненного цикла [ править ]

Расчеты стоимости жизненного цикла (LCC) используются для выбора конструкции и материалов, которые приведут к наименьшим затратам на протяжении всего срока службы проекта, такого как здание или мост. ^{[125] [126]}

Формула в простой форме выглядит следующим образом: ^{[127] [ необходима ссылка ] [128]}

${\displaystyle {\text{LCC}}={\text{AC}}+{\text{IC}}+\sum _{n=1}^{N}{\frac {\text{OC}}{(1+i)^{n}}}+\sum _{n=1}^{N}{\frac {\text{LP}}{(1+i)^{n}}}+\sum _{n=1}^{N}{\frac {\text{RC}}{(1+i)^{n}}}}$

где LCC - общая стоимость жизненного цикла, AC - стоимость приобретения, IC - стоимость установки, OC - затраты на эксплуатацию и обслуживание, LP - стоимость потерянного производства из-за простоя, а RC - стоимость заменяемых материалов.

Кроме того, N - это планируемый срок действия проекта, i - процентная ставка, и n - год, в котором имеет место конкретный OC, LP или RC. Процентная ставка (i) используется для преобразования расходов за разные годы в их приведенную стоимость (метод, широко используемый банками и страховыми компаниями), чтобы их можно было добавлять и справедливо сравнивать. Использование формулы суммы ( ) учитывает тот факт, что расходы в течение срока действия проекта должны накапливаться ^{[ требуется пояснение ]} после того, как они скорректированы с учетом процентной ставки. ^{[ необходима цитата ]}${\textstyle \sum }$

Применение LCC при выборе материалов

Нержавеющая сталь, используемая в проектах, часто дает более низкие значения LCC по сравнению с другими материалами. Более высокая стоимость приобретения (AC) компонентов из нержавеющей стали часто компенсируется улучшением эксплуатационных расходов и затрат на техническое обслуживание, сокращением производственных затрат (LP) и более высокой стоимостью при перепродаже компонентов из нержавеющей стали. ^{[ необходима цитата ]}

Расчеты LCC обычно ограничиваются самим проектом. Однако могут быть и другие расходы, которые заинтересованная сторона проекта может пожелать рассмотреть: ^{[ необходима цитата ]}

• Коммунальные предприятия, такие как электростанции, водоснабжение и очистка сточных вод, а также больницы, не могут быть закрыты. Любое обслуживание потребует дополнительных затрат, связанных с продолжающимся обслуживанием.
• Косвенные общественные издержки (с возможными политическими последствиями) могут возникать в некоторых ситуациях, таких как закрытие или сокращение трафика на мостах, создание очередей, задержки, потеря рабочего времени для людей и увеличение загрязнения из-за простаивающих транспортных средств.

Устойчивое развитие - переработка и повторное использование [ править ]

Средний углеродный след нержавеющей стали (всех марок, всех стран) оценивается в 2,90 кг CO ₂ на 1 кг произведенной нержавеющей стали ^[129], из которых 1,92 кг составляют выбросы от сырья (Cr, Ni, Mo); 0,54 кг от электричества и пара и 0,44 кг - прямые выбросы (т. Е. От завода по производству нержавеющей стали). Обратите внимание, что нержавеющая сталь, производимая в странах, которые используют более чистые источники электроэнергии (например, во Франции, которая использует ядерную энергию), будет иметь меньший углеродный след. Ферритные материалы без Ni будут иметь меньший след CO _2, чем аустенитные материалы с 8% Ni или более.

Углеродный след не должен быть единственным фактором устойчивости при выборе материалов:

• в течение всего срока службы продукта техническое обслуживание, ремонт или досрочное окончание срока службы (запланированное устаревание) могут увеличить его общую площадь, намного превышающую первоначальные различия в материалах. Кроме того, потеря обслуживания (обычно для мостов) может вызвать большие скрытые расходы, такие как очереди, потраченное впустую топливо и потерю человеко-часов.
• Количество материала, используемого для оказания той или иной услуги, зависит от производительности, особенно от уровня прочности, что позволяет использовать более легкие конструкции и компоненты.

Нержавеющая сталь на 100% пригодна для вторичной переработки . ^{[130] [131] [132]} В среднем объект из нержавеющей стали состоит примерно на 60% из переработанного материала, из которых примерно 40% приходится на продукцию с истекшим сроком службы, а оставшиеся 60% приходится на производственные процессы. ^[133] То, что препятствует более высокому уровню рециркуляции, - это наличие лома нержавеющей стали, несмотря на очень высокий уровень рециркуляции. Согласно отчету International Resource Panel 's Metal Stocks in Societyзапасы нержавеющей стали, используемые в обществе, на душу населения составляют 80–180 кг в более развитых странах и 15 кг в менее развитых странах. Существует вторичный рынок, на котором перерабатывается лом, пригодный для использования на многих рынках нержавеющей стали. В основном это рулон, лист и заготовки. Этот материал покупается по цене ниже базовой и продается штамповщикам коммерческого качества и производителям листового металла. На материале могут быть царапины, ямки и вмятины, но он соответствует текущим спецификациям. ^{[ необходима цитата ]}

Цикл из нержавеющей стали

Цикл производства нержавеющей стали начинается с лома углеродистой стали, первичных металлов и шлака.

Следующий шаг - производство горячекатаного и холоднокатаного проката на металлургических заводах. Производится некоторый лом, который напрямую повторно используется в плавильном цехе.

Третий этап - изготовление компонентов. Часть лома производится и попадает в цикл переработки. Сборка готовой продукции и ее использование не приводят к материальным потерям.

Четвертый этап - это сбор нержавеющей стали для вторичной переработки по окончании срока службы товаров (например, кухонной посуды, целлюлозно-бумажных комбинатов или автомобильных запчастей). Именно здесь наиболее сложно заставить нержавеющую сталь попадать в цикл переработки, как показано в таблице ниже:

Наноразмерная нержавеющая сталь [ править ]

Наночастицы из нержавеющей стали были получены в лаборатории. ^{[135] [136]} Они могут применяться в качестве добавок для высокопроизводительных приложений. Например, сульфуризация, фосфоризация и азотирование для производства наноразмерных катализаторов на основе нержавеющей стали могут улучшить электрокаталитические характеристики нержавеющей стали для разделения воды. ^[137]

Воздействие на здоровье [ править ]

Сварка [ править ]

Существуют обширные исследования, указывающие на некоторый вероятный повышенный риск рака (особенно рака легких) из-за вдыхания сварочного дыма при сварке нержавеющей стали. ^{[138] [139] [140] [141] [142] [143]} Предполагается, что при сварке нержавеющей стали образуются канцерогенные пары из оксидов кадмия, никеля и хрома. ^[144] По данным Австралийского онкологического совета : «В 2017 году все типы сварочного дыма были классифицированы как канцероген Группы 1 ». ^[144]

Кулинария [ править ]

Нержавеющая сталь обычно считается биологически инертной. Однако во время приготовления небольшие количества никеля и хрома вымываются из новой посуды из нержавеющей стали и превращаются в очень кислую пищу. ^[145] Никель может способствовать риску рака, особенно рака легких и носа . ^{[146] [147]} Однако никакой связи между посудой из нержавеющей стали и раком не установлено. ^[148]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Международный стандарт ISO15510: 2014. (требуется подписка)
• Пекнер Д. и Бернштейн И.М. (1977). Справочник по нержавеющим сталям . Справочники Макгроу-Хилла. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. п. нет. неопределенные. ISBN 9780070491472. Дата обращения 8 марта 2020 .CS1 maint: uses authors parameter (link)^{[ требуется страница ]}
• Lacombe, P .; Бару, Б. и Беранже, Г. (1990). Les aciers inoxydables [ Нержавеющая сталь ] (на французском языке). Париж, Франция: Ред. де телосложение. п. нет. неопределенные. ISBN 9780868831428. Дата обращения 8 марта 2020 .CS1 maint: uses authors parameter (link)^[ Требуется ^{страница ]} Редактор отметил появление соответствующих материалов в главах 14 и 15, но из-за отсутствия номера страницы это утверждение не может быть подтверждено.

Викискладе есть медиафайлы по теме нержавеющей стали .

Найдите нержавеющую сталь в Викисловаре, бесплатном словаре.