Нержавеющая сталь: сравнение с углеродистой, что такое сатинированная нержавейка

История создания нержавейки

Создание стали, стойкой к коррозии, приписывают Гарри Брирли. В 1913 году он занимался исследованиями стальных сплавов, необходимых для изготовления оружейных стволов. Металлург-самоучка действовал по системе проб и ошибок. Он добавлял в сплав различные присадки и проверял на прочность полученные образцы. Неудачные экземпляры он бросал в угол, где заготовки ржавели.

Его внимание привлёк небольшой слиток, который был извлечён из печи месяц назад: он не заржавел и выглядел как новый. Сплав на 85% состоял из железа. В состав входили также:

кремний;
марганец;
углерод;
хром.

Это был первый образец нержавеющей стали.

Современные детали из нержавеющей стали. В 1915 году английская фирма из города Шеффилд заявила о создании нового сплава с превосходным внешним видом: он не поддаётся коррозии и устойчив к истиранию.

Плюсы и минусы ножа из нержавеющей стали

Бывают разные виды ножей. На кухне встречаются ножи для мяса, овощей, хлеба. Хороший режущий инструмент должен иметь идеально ровную режущую кромку. Трещины или сколы свидетельствует о том, что качество материала очень низкое. Такой нож долго не прослужит.

Клинки, выполненные из углеродистой стали, имеют острую кромку, легко затачиваются. Но с течением времени они ржавеют и приходят в негодность.

Высокоуглеродистая сталь сочетает преимущества углеродистой стали и нержавейки. Острота́ и устойчивость к коррозии – вот главные свойства.

Преимущества

В производстве ножей лидирует нержавеющая сталь. Зачастую в материал добавляются компоненты, улучшающие качество изделий. Это хром, марганец, молибден, ванадий. Противостоять стальной нож ржавчине заставляет хром. Он придаёт и дополнительную прочность. Преимущества таких ножей:

Даже при длительном контактировании с водой и повышенной влажности ножи не ржавеют.
Обладают твёрдостью и не ломаются при падениях или сильных ударах.
Устойчивы к температурным перепадам, выдерживают высокие и низкие температуры.
На продукте не оставляют посторонние привкусы.
Радуют приятным видом. Они блестят, а при длительном применении не теряют качества.

Нож из нержавеющей стали.

Недостатки

Главный минус в том, что нож из нержавеющей стали быстро тупится. Частое затачивание приводит к уменьшению толщины материала. Следует также помнить, что не существует самозатачивающихся ножей. Любой нож, из какого бы материала он ни был сделан, через определённый промежуток времени теряет остроту.

Аустенитные нержавеющие стали

Никель является элементом, который повышает устойчивость аустенита. Присутствие никеля в стали увеличивает размер аустенитной области, тогда как феррит почти полностью изчезает из железо-хромово-углеродистых сплавов (рисунок 3).

Рисунок 3 — Сечение диаграммы состояния железо-хром-никель-углерод при 18 % хрома и 8 % никеля. При низком содержании углерода аустенит является устойчивым при комнатной температуре.

Если содержание углерода становиться ниже 0,03 %, то карбиды в стали вообще не образуются и сталь является полностью аустенитной при комнатной температуре (рисунок 4).

Рисунок 4 – Аустенитная нержавеющая сталь

Аустенитные нержавеющие стали обладают высокой пластичностью, способностью обработке давлением и коррозионной стойкостью.

Термическая обработка нержавеющих сталей аустенитного класса заключается в закалке в воде с температуры 1050-1100 °С. Такой нагрев вызывает растворение карбидов хрома, а быстрое охлаждение фиксирует состояние пресыщенного твердого раствора. Очень важно отметить, что в результате закалки твердость этих сталей не повышается, а снижается. Поэтому для аустенитных нержавеющих сталей закалка является смягчающей термической операцией.

Свою прочность аустенитная нержавеющая сталь получает за счет холодного наклепа — нагартовки. Аустенитные стали могут получать деформационное упрочнение до значительно более высоких величин, чем ферритные нержавеющие стали. При деформациях порядка 80-90 % предел текучести достигает 980-1170 МПа, а предел прочности — 1170-1370 МПа. Ясно, что такого наклепа можно достичь только при изготовлении таких видов изделий, как тонкий лист, лента, проволока.

Аустенитные нержавеющие стали являются немагнитными, что дает им преимущество во многих применениях.

Представителями аустенитных нержавеющих сталей являются стали 12Х18Н9 и 17Х18Н9, 12Х18Н10Т и 12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т, 08Х18Н12Б, 03Х18Н11 по ГОСТ 5632-72.

Особенности

Стойкость стали к коррозии обеспечивается сверхтонкой, богатой хромом оксидной плёнкой. Толщина очень мала (около 2 нанометров, или 0,002 мкм), поэтому плёнка прозрачная. Но она служит защитой сплава от действия окружающей среды.

Плёнка появляется после пассивации – добавления хрома в сплав. Содержание этого элемента доводят до 12%, тогда сплав признают нержавеющим.

Нержавеющие ножи только из мартенситных сталей

Ножи из мартенситов имеют требуемый уровень твёрдости. Из всех видов сплавов этот наиболее предпочтительный для изготовления ножей.

Влияние содержания углерода на твёрдость мартенсита

Твёрдость мартенсита без отпуска зависит от того, сколько содержится углерода в сплаве. Чем выше процентное соотношение последнего, тем твёрже материал. Это наглядно видно из таблицы.

Твёрдость мартенсита.

Термообработка

Термообработка мартенситных сталей мало чем отличается от термической обработки обычных углеродистых сталей и включает три ступени: аустенизация (нагрев под закалку), закалка и отпуск.

Время термической обработки мартенситных нержавеек намного меньше. Первая причина: в состав стали входят карбиды. Их растворение в аустените замедлено из-за того, что в составе есть молекулы хрома. Вторая причина: теплопроводность нержавейки ниже, чем у обычной углеродистой стали.

Карбиды

Из-за того, что в составе мартенситных нержавеющих сталей повышено содержание углерода, сопротивление коррозии ниже. Это происходит потому, что высокое содержание углерода уменьшает количественный состав хрома, который способен растворяться в аустените.

Частицы карбида (Cr, Fe)23C6, снижают содержание хрома (как известно, для коррозионной стойкости нужно 12%), что делает металл подверженным коррозии.

Обзор

Мартенситные нержавеющие стали могут быть высокоуглеродистыми или низкоуглеродистыми сталями с содержанием железа от 12% до 17% хрома, углерода от 0,10% (тип 410) до 1,2% (тип 440C):[8]

При температуре примерно до 0,4% C они используются в основном из-за их механических свойств (насосы, клапаны, валы …).
Выше 0,4% они используются в основном из-за их износостойкости (хирургические лезвия для столовых приборов, пластиковые формы для литья под давлением, насадки …).

Они могут содержать некоторое количество Ni (тип 431), что обеспечивает более высокое содержание Cr и / или Mo, тем самым улучшая коррозионную стойкость, а поскольку содержание углерода также ниже, стойкость улучшается. Марка EN 1.4313 (CA6NM) с низким содержанием C, 13% Cr и 4% Ni предлагает хорошие механические свойства, хорошую литье, хорошую свариваемость и хорошую устойчивость к кавитация. Он используется почти во всех гидроэлектрических турбинах в мире, в том числе на огромной плотине «Три ущелья» в Китае.

Добавки B, Co, Nb, Ti улучшают высокотемпературные свойства, особенно ползать сопротивление (для теплообменников паровых турбин).

Особым сплавом является тип 630 (также называемый 17/4 PH), который является мартенситным и твердеет за счет атмосферные осадки при 475 ° С.

Разновидности

Нержавеющие стали делятся на несколько видов:

ферритные;
мартенситные;
аустенитные.

Для ножей используют несколько видов нержавеющей стали.

Мартенситная

Материалы с мартенситной структурой хорошо поддаются закалке. К таким сталям относятся марки 65Х13, 95Х18, 440С. Они имеют высокую степень закалки по сравнению с простыми углеродистыми сплавами (1050-1100 против 750-800), но их твёрдость на одну-две единицы по Роквеллу ниже. Сказывается тот факт, что хром оказывает связывающее воздействие углерода, при этом снижается закалочная структура мартенсита. Это и породило название.

Ферритная

Ферритная структура мягкая, её нельзя закалить. Коррозионная стойкость у такого материала тянет на твёрдую троечку по пятибалльной шкале. Сюда относятся марки 04Х13, 02Х18.

Аустенитные или хромоникелевые стали

Аустенитные нержавейки – это стали марок: Х12Н8, Х12Н8Т10. Материал можно закалять, но при этом повышается вязкость и падает твёрдость.

Основные преимущества:

Высокая коррозионная стойкость не позволяет ржаветь от воды, кислот, грязи.
Не тускнеет со временем.
Обладает чудовищной вязкостью и пластичностью. При нагрузке на разрыв происходит удлинение проволоки в 16 раз. Даже латунь и медь не имеют такого свойства. После деформации свободно возвращает прежнюю форму.
При холодной ковке материал способен сильно затвердевать (до 45 ед. по Роквеллу) с сохранением вязкости.

Ферритно-аустенитный или двухфазный сплав

Существует обособленная группа: ферритно-аустенитная, по-другому такие образцы называют дуплексными или двухфазными сталями. Дуплексы включают в себя примерно половину феррита и половину аустенита, они имеют характеристики обеих фаз. Для получения такого сплава в микс, помимо хрома и никеля, добавляют молибден и ванадий. Это необходимо для увеличения прочности на разрыв и облегчения процесса сварки.

Нож из двухфазного сплава.

Очень важный показатель дуплексов – уникальная прочность. Из-за невысокой цены, а также лёгкости и податливости в обработке, успешно применяется во многих отраслях.

Механические свойства

Их можно упрочнить путем термической обработки (в частности, путем закалки и снятия напряжений, или путем закалки и отпуска (называемого QT).[9][10] Состав сплава и высокая скорость охлаждения при закалке способствуют образованию мартенсита. Незакаленный мартенсит имеет низкую вязкость и, следовательно, хрупкость. Закаленный мартенсит придает стали хорошую твердость и высокую вязкость, как показано ниже; в основном используется для медицинских инструментов (скальпелей, бритв и внутренних зажимов).[11]
Механические свойства нескольких распространенных марок мартенситной нержавеющей стали в соответствии со стандартом EN 10088-3

Минимальный предел текучести, МПа	Предел прочности при растяжении, МПа	Минимальное удлинение,%	Термическая обработка
1.4006	450	650 — 850	15	QT650
1.4021	600	650 — 850	12	QT800
1.4122	550	750 — 950	12	QT750
1.4057	700	900 — 1050	12	QT900
1.4418	700	840 — 1100	16	QT900
1.4542	790	960 — 1160	12	P960

В столбце термообработки QT относится к закалке и отпуску, P относится к закалке при осаждении

Ферритные нержавеющие стали

Ферритные нержавеющие стали содержат до 30 % хрома и не более 0,12 % углерода. Благодаря своей объемноцентрированной кристаллической структуре (ОЦК) ферритные стали имеют хорошую прочность и приличную пластичность , которые достигаются за счет упрочнения твердого раствора и деформационного упрочнения. Ферритные стали являются ферромагнитными или, говоря по-простому, «магнитят». Они не поддаются термической обработке. Ферритные стали имеют отличную коррозионную стойкость, обладают умеренной способностью поддаваться обработке давлением и являются относительно дешевыми.

К ферритным нержавеющим сталям относятся стали 08Х13, 12Х17, 08Х17Т, 15Х25Т, 15Х28 по ГОСТ 5632-72.

Сатинированная полировка

Существует разделение металлов по классу шероховатости. Материалы полируют либо подвергают другим видам обработки, чтобы добиться необходимого качества поверхности. Один из передовых способов – сатинирование. Название произошло от французского слова satin, что в переводе обозначает «атлас».

Поверхность сатинируют абразивом, зернистость которого составляет 240-320. Предметы с такой обработкой выглядят очень красиво. Сатинированная нержавеющая сталь имеет своеобразный блеск, подобный атласу. Кухонные принадлежности (ножи, чайники) в дизайнерском исполнении пользуются спросом.

Основные конкуренты нержавейки

Нержавейка уже больше века применяется для изготовления ножей и режущих инструментов. В настоящее время конкуренцию составляют три других группы:

чёрные металлы;
керамика;
высокоуглеродистые материалы.

Ножи первой группы подвержены коррозии, они недолговечны даже с учётом внешнего покрытия. Керамика имеет два критических недостатка: её сложно обслуживать, и невозможно такими инструментами рубить плотные, твёрдые материалы. Нержавейка лишена этих недостатков.

Керамические ножи.

Приспособление для резки из высокоуглеродистых материалов являются достойными конкурентами. Но ключевым моментом в производстве представителей этой группы является добавление некоторых компонентов.

Углеродистая и нержавеющая сталь – сравнение

Любая сталь содержит какое-то количество углерода, а также подвержена окислению и покрытию ржавчиной, в том числе и нержавейка. Углеродистые материалы подвержены коррозии в большей степени, для нержавеющего сплава это качество тоже присутствует, однако, произойдёт это при очень суровых условиях.

Способность впитывать запахи

Свежезаточенная чистая углеродистая сталь имеет приятный запах, но такое качество, как быстрое впитывание посторонних ароматов, является существенным минусом. Ножи из «углеродки» подойдут для обработки деревянных изделий, но вот на кухне им не место: избавиться от запаха лука и рыбы очень сложно. С нержавейкой таких проблем не бывает.

Заточка

При одинаковых пропорциях углерода в составе сплава, режущие кромки ножей из нержавеющей стали точить сложнее из-за увеличенной износостойкости. Для заточки требуются определённые инструменты. В этих целях используется мелкозернистый водный камень или керамический стержень. Ножи из обычной углеродистой стали правят поварским мусатом.

Заточка ножа из нержавейки.

На практике доказано, что они становится острее нержавеющих аналогов, но при этом теряется долговечность и износостойкость.

Простота в уходе

За инструментами, изготовленными из любой марки, нужен регулярный уход. Основные правила содержания ножей: чистка, правка, заточка и соответствующее хранение. При равных условиях чувствительнее окажется углеродистая сталь. На ней в первую очередь появится ржавчина.

Режущие свойства

В этом вопросе лидерами являются высокоуглеродистые материалы. Они имеют податливую структуру, режущую кромку можно сделать гораздо тоньше, согласно физическим законам, именно она придаёт «резучесть» и остроту.

Эстетическая сторона вопроса

Для нержавейки не нужно обеспечивать дополнительную защиту от коррозии. Уход за изделиями из них включает в себя простую полировку. Углеродистые стали подвергают самым разным способам обработки. Напыление создаёт матовую текстуру поверхности. Процедура, называемая воронение, придаёт приятный чёрный цвет и делает изделие элегантным. Необычный серо-зелёный оттенок можно получить путём применения такого вида покрытия как blackwash. Но всё равно со временем на «углеродке» появляется тёмный налёт. Это естественная защита клинка от дальнейшего окисления. С нержавейкой подобного не произойдёт.

При выборе стали для ножей нужно учитывать цели, которые преследует режущий инструмент.

При регулярном уходе, поддержании поверхности в сухости и чистоте, работать с ножом будет более комфортно за счёт «резучести» лезвия. Если нужен простой кухонный нож с высокой степенью надёжности, лучше выбрать нержавейку, так как этому изделию не потребуется уделять много времени для ухода.

Мартенситные и мартенситно-ферритные стали

Мартенситные и мартенситно-ферритные стали обладают хорошей коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в слабоагрессивных средах (в слабых растворах солей, кислот) и имеют высокие механические свойства. В основном их используют для изделий, работающих на износ, в качестве режущего инструмента, в частности ножей, для упругих элементов и конструкцией в пищевой и химической промышленности, находящихся в контакте со слабоагрессивными средами (например, 4…5 %-ная уксусная кислота, фруктовые соки и др.) Эти стали применяют после закалки и отпуска на заданную твердость.

Мартенситно-стареющие стали

В настоящее время разработан весьма широкий ряд мартенситно-стареющих сталей не только на основе системы Fe-Ni, но и на основе тройных систем (Fe-Ni-Co, Fe-Ni-Cr, Fe-Cr-Co), дополнительно легированных Mo, Co, Ti , Al и др. Общей особенностью сплавов этого класса является то, что они практически безуглеродистые (С£0,03%), и их матрица после закалки представляет собой a-твёрдый раствор, пересыщенный элементами замещения. При распаде a-твёрдого раствора при старении сплавов происходит выделение упрочняющих интерметаллидных фаз. Структура мартенситно-стареющих сталей после закалки представляет собой так называемый массивный или реечный мартенсит (рис 1.3), имеющий высокую плотность дефектов кристаллической решетки.

Рис 1.3 — Структура мартенситно-стареющих сталей после закалки:

а – световой микроскоп, ×240; б – электронный микроскоп, ×16000

Электронно-микроскопические исследования тонкой структуры такого мартенсита показали, что основная масса кристаллов имеет неправильную форму. Наиболее крупные кристаллы имеют среднюю полосу – мидриб, представляющую собой сгущения двойников. Остальная часть кристалла имеет дислокационную структуру [14].

Суммарное упрочнение мартенситно-стареющих сталей складывается из упрочнения твёрдого раствора путем легирования, упрочнения при пластической деформации (если таковая реализуется) и старения (рис. 1.4).

Рис. 1.4 — Схема упрочнения мартенситностареющих сталей

Для твёрдых растворов замещения упрочнение определяется концентрацией растворенного элемента, а также различием атомных радиусов растворённого элемента и растворителя (1этап согласно схеме на рис.1.4). Прирост прочности в результате мартенситного g®a- превращения (2 этап) связан для пластинчатого мартенсита со сдвиговой пластической деформацией при бездиффузионной перестройке решетки. Суммарный прирост предела текучести Δs0,2 в случае примерно 30%-ного легирования составляет 200 МПа и после мартенситного превращения » 300…600 МПа.

Холодная пластическая деформация может быть одним из факторов дополнительного повышения прочности мартенситно-стареющих сталей, если речь идет о таких изделиях, как проволока, лента, холоднокатаный лист (3 этап). Интенсивность деформационного упрочнения мартенситно-стареющих сталей на Fe-Ni основе невелика, большее деформационное упрочнение имеют стали на Fe-Cr-Ni основе.

Относительно небольшую склонность мартенситностареющих сталей к наклепу связывают с высокой подвижностью имеющихся и генерированных при деформации дислокаций. Тем не менее, пластической деформацией можно получить прирост предела текучести, временного сопротивления разрыву на 400…800 МПа.

Наиболее заметным является эффект упрочнения благодаря старению легированного мартенсита замещения при нагреве предварительно закалённого (или закаленного или деформированного) сплава на 400…650 °С вследствие развития процессов распада пересыщенного твёрдого раствора и образования высокодисперсных равномерно распределённых частиц интерметаллидных фаз, когерентно связанных с матрицей. В рассматриваемых сталях распад твёрдого раствора протекает в матрице, имеющей высокую плотность дислокаций. Это облегчает условия гетерогенного зарождения упрочняющих фаз, способствует распаду пересыщенного твёрдого раствора.

Важнейшим преимуществом мартенситно-стареющих сталей перед другими высокопрочными материалами является необычно высокое сопротивление хрупкому разрушению.

По ряду технологических свойств мартенситно-стареющие стали превосходят стали других классов соответствующего уровня прочности. Для них характерны: высокая пластичность отсутствие трещинообразования при охлаждении возможность сведения упрочняющей обработки к операциям закалки и старения малая изменяемость геометрических размеров в процессе окончательной термической обработки – старения хорошая свариваемость и возможность получения равнопрочности сварного шва и основного изделия при проведении последующего старения [6].

Ферритные стали

Ферритные хромистые стали имеют высокую коррозионную стойкость в азотной кислоте, водных растворах аммиака, в аммиачной селитре, смеси азотной, фосфорной и фтористоводородной кислот, а так же в других агрессивных средах.

Коррозионная стойкость сталей ферритного класса повышается с увеличением содержания в них хрома, уменьшением содержания углерода и азота. В зарубежной практике разработаны стали с низким суммарным содержанием углерода и азота (0,025…0,035%), содержащие 18…28 % Сr и 2…4 % Mo, стабилизированные Ti или Nb. Эти стали называют суперферритами; они имеют высокую стойкость во многих агрессивных средах, стойки против коррозии под напряжением, питтинговой и щелевой коррозии. Только при С £ 0,03 % в структуре стали наблюдается чисто ферритная структура.

Аустенитные стали

Хромоникелевые стали.

Введение в сталь никеля сильно расширяет g-область, снижает температуру мартенситного превращения и при 8 % Ni сталь с 18 % Cr и 0,1 % С переходит в класс аустенитных. Мартенситная точка Мн при охлаждении для этих сталей лежит несколько ниже комнатной температуры, а мартенситная точка при деформации Мн – выше.

Точное положение точки Мн сталей типа 18-8 определяется соотношением хрома, углерода, никеля и примесей в стали и меняется в широких пределах от 0 до (-180) + (-190) °С.

Мартенсит может быть получен пластической деформацией или обработкой холодом. Важно отметить, что состав 18 % Cr – 8% Ni при 0,1 % С требует минимального количества никеля для обеспечения аустенитной структуры, т.е. является наиболее экономически выгодным, что и определило широкую распространённость сталей этого типа.

Основным преимуществом сталей аустенитного класса является их высокие служебные характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и хорошая технологичность. Поэтому, аустенитные коррозионностойкие стали нашли широкое применение в качестве конструкционного материала в различных отраслях машиностроения.

В хромоникелевых аустенитных сталях промышленных плавок возможны следующие фазовые превращения:

1) образование карбидных, карбонитридных фаз и σ-фазы при нагревах в интервале 650…850 °С;

2) растворение этих фаз при нагреве до более высоких температур (1100…1200°С);

3) образование d-феррита при высокотемпературных нагревах;

4) образование a- и e-мартенситных фаз при охлаждении и пластической деформации.

В качестве перспективного высокопрочного материала для таких важных изделий, как упругие элементы или специальные виды некоторых инструментов (например, медицинских) обоснованное применение получили деформационно-стареющие аустенитные стали различного структурного типа – стабильные и нестабильные [16].

Мартенситная нержавеющая сталь — Martensitic stainless steel