Коррозионностойкие и жаростойкие сплавы и стали используются при производстве ответственных деталей машин, аппаратов, приборов и технологического оборудования практически для всех отраслей промышленности. Главное общее свойство, присущее этим материалам – стойкость к разным видам коррозии в агрессивных средах и стабильность параметров при высоких температурах. Различаются они физико-механическими характеристиками, а также химическим составом, точнее, типом и объемом дополнительных химических элементов (легирующих добавок), введенных в базовую основу – железо или никель, которые и придают конечному материалу определенные качества.
Фланцы из коррозионностойкой стали
Классификация
Жаростойкие и коррозионностойкие стали и сплавы классифицируют по ГОСТ 5632-72 исходя из их ключевых физико-механических свойств.
Коррозионностойкие стали и сплавы отличаются способностью противостоять коррозионным процессам под воздействием широкого спектра естественных и искусственных коррозионных сред: атмосферной (в атмосфере воздуха, в условиях любого влажного газа), подводной, подземной (почвенной), щелочной, кислотной, солевой, под воздействием блуждающего тока и т.д. Окалиностойкие жаростойкие сплавы обладают долговременной стойкостью к химическому и электрохимическому разрушению (окислению) поверхности в агрессивных газообразных средах при температурах свыше 500-550°С, при работе без высоких нагрузок.
Легирование
Формирование специальных свойств коррозионно - и жаростойких сплавов и сталей производится способом легирования. Осуществляется легирование путем введения определенного количества хрома (Cr) и/или никеля (Ni) в расплав базового металла. У некоторых типов сталей и сплавов допускается наличие дополнительных легирующих, а также незначительного количества случайно попавших элементов, но никель и хром в их составе всегда имеет наибольшую массовую долю в соотношении к остальным примесям и добавкам.
Химический состав коррозионностойких сталей и сплавов
Наиболее распространенные коррозионностойкие стали и сплавы делятся на хромистые и хромоникелевые, в которых основным легирующим элементом выступает хром в соотношении не менее 10,5-13% от общей массы сплава, предназначенный для образования на его поверхности защитной оксидной пленки Cr2O3. Для стабилизации аустенитной структуры стали в нее добавляется никель (8-25%), для повышения прочности – углерод (0,1-2%), для увеличения стойкости к перепадам температур – титан (0,6-0,8%). В роли дополнительных легирующих элементов используют молибден, медь, ниобий, кремний, марганец и др. Аустенит – это одна из фаз состояния структуры кристаллической решетки стали и сплавов на основе железа с концентрацией углерода до 2%, обеспечивающая им максимальную стойкость к коррозии при высоких температурах. В большинстве сталей и сплавов кристаллическая решетка приобретает устойчивую (стабильную) аустенитную структуру только при нагреве до 727°С и выше. Формируется аустенитная структура путем введения в сплав определенных легирующих элементов (добавок), которые называют аустенизаторами. К числу аустенизаторов относят никель, кобальт, углерод, азот, медь и пр.
Бак из коррозионностойкой стали
Свойства коррозионностойких сталей и сплавов
Когда сплав обогащается хромом в объеме свыше 13%, то в сочетании с другими легирующими компонентами получается прочная нержавеющая сталь с повышенными коррозионно - и жаростойкими свойствами, а также с высокой устойчивостью к воздействию кислот и т.п. Например, коррозионностойкая сталь марки 08Х18Н10 может эксплуатироваться в средах средней агрессивности при температурах до 600°С. Жаростойкость сталей марки 36Х18Н25С2 и 15Х6СЮ достигает 800°С, марки 12Х17 – 900°С, а нержавеющая сталь марки 15Х25Т способна сохранять устойчивость к коррозии (окалиностойкость) при температуре в 1100°С (кратковременно).
Химический состав жаростойких сплавов
В отличие от коррозионностойких сталей, изготавливаемых на основе железа с легированием хромом и никелем, жаростойкие сплавы производятся на основе никеля. Именно большая массовая доля никеля (не менее 55%), температура плавления которого равна 1455°С, обеспечивает сплавам защиту от коррозии и физическую стабильность при работе в различных средах при очень высоких температурах. Чтобы увеличить и без того высокую жаропрочность сплава, никель легируется хромом (15-23%) и в незначительном объеме (1-5%) обогащается тугоплавкими металлами (кремний, молибден, титан, марганец, вольфрам, тантал, ниобий и др.) с температурой плавления выше 1700°С. Для экономии дорогостоящего никеля в состав некоторых марок сплава вводят железо (до 25%).
Свойства жаростойких сплавов
Одним из наиболее распространенных жаростойких сплавов на основе никеля является нихром, который по своим свойствам превосходит лучшие жаропрочные стали. В данном случае речь идет именно о жаростойкости (жаростойкость характеризует сопротивление металлов и сплавов газовой коррозии при высоких температурах) нихрома, которую не следует путать с жаропрочностью (жаропрочность - способность сталей и сплавов выдерживать механические нагрузки при высоких температурах в течение определенного времени). В отличие от коррозионностойкой нержавеющей стали, нихромы не имеют достаточной механической прочности, чтобы в течение продолжительного времени работать в нагруженном состоянии, из них нельзя штамповать или точить детали, зато они чрезвычайно жаростойки и пластичны, поэтому отлично подходят для производства большого спектра высокоэффективных нагревательных элементов.
К примеру, 60-процентная массовая доля никеля в составе нихрома марки ХН60Ю обеспечивает ему возможность длительной работы в агрессивной окислительной среде (в азоте, аммиаке и др.) при рабочей температуре до 1150°С, а температура плавления этого материала составляет 1390°С. В свою очередь рабочая температура нихрома марки Х20Н80 достигает 1250°С. Здесь следует заострить внимание на том, что никелевые жаростойкие сплавы чаще всего производят в виде полуфабрикатов - проволоки и ленты, поэтому рабочая температура детали из нихрома будет зависеть еще и от диаметра проволоки или сечения ленты.
Стоимость жаро- и коррозионностойких сталей и сплавов
Поскольку коррозионностойкие стали и жаростойкие сплавы в плане их применения имеют мало точек пересечения, т.к. каждый материал обладает своей специфической нишей, сравнивать стоимость материалов было бы не совсем корректно. И, тем не менее, для полноты и объективности данного обзора отметим, что килограмм обыкновенной коррозионностойкой стали аустенитного класса стоит в 20 раз дешевле килограмма жаростойкого сплава. Такое положение дел обусловлено дефицитом и высокой стоимостью никеля. Несмотря на это жаростойкие сплавы пользуются неизменным и стабильным спросом на рынке, оставаясь незаменимыми во многих сферах, тем более, что их ближайшие аналоги, например, кобальтовые сплавы, стоят еще дороже, причем настолько, что их используют только в исключительных случаях.
Области применения
Количество жаростойких изделий, для производства которых применяется коррозионностойкая нержавеющая сталь сложно перечислить в рамках одной статьи. В их числе элементы аппаратов и сосудов для кислот, щелочей и солевых растворов различной концентрации, арматура, теплообменники и трубы, предназначенные для работы в условиях слабоагрессивных сред, детали и корпуса пищевого и химического оборудования, печей, турбин, двигателей машин, самолетов. Разумеется, нержавеющая сталь незаменима при изготовлении посуды и медицинских биксов (стерилизационных емкостей).
Реактор для химической промышленности
Сфера использования сплавов на основе никеля (нихромов) обусловлена не только их уникальной коррозионной и жаростойкостью, устойчивостью к большому спектру химических воздействий (окислению), но и высокой пластичностью. Из нихромовой проволоки изготавливают нагревательные элементы для лабораторных и промышленных печей, реостатов, сушильных аппаратов, электротермического и кухонного оборудования (в том числе бытового), резисторы, нити электронных сигарет и многое другое.
