В производстве трубопроводных деталей используется нержавеющая сталь разных изготовителей или готовые комплектующие из этого конструкционного материала. Поэтому важно знать принципы взаимозаменяемости коррозионностойких, жаропрочных, жаростойких сплавов и сталей.
Вообще, сталями принято называть сплавы металлического элемента Fe (железа) с неметаллом С (углеродом) при содержании в них последнего элемента менее 2,14%. Причем, получают сталь из чугуна методом окисления, выводя из состава лишний углерод, а заодно и избыточный фосфор, серу, марганец и кремний.
Конвертерная, пудлинговая и кричная сталь изначально не имеют никаких полезных примесей, кроме вышеуказанных. Такой сплав называется углеродистой сталью. При добавлении любого количества других химических элементов сплав автоматически становится легированным, независимо от соотношения в нем углерода и железа.
Таким образом, обе категории сталей – углеродистая и легированная, имеют внутри себя подразделение по количеству указанных добавок. Низкоуглеродистые и низколегированные, среднеуглеродистые и среднелегированные, высокоуглеродистые и высоколегированные, соответственно.
При этом в низкоуглеродистых сталях содержится 0,01 – 0,025% углерода, а в структуре присутствует третичный цементит, делающий невозможным их практическое применение. В среднеуглеродистых сталях количество углерода составляет 0,26 – 0,8% (в некоторой специальной технической литературе до 0,77%). Структура материала состоит из феррита и перлита, позволяя использовать его в широком спектре производств.
В высокоуглеродистых сталях процент углерода находится в пределах 0,8 – 2,14%. Структура металла состоит из перлита и цементита, но уже вторичного, боле стабильного.
В низколегированных, среднелегированных и высоколегированных сталях содержится менее 2,5%, 2,5 – 10% или более 10% полезных добавок. Существует еще одна дополнительная категория микролегированных сталей с содержанием примесей менее 0,1%. Причем, учитывается процентное содержание всех химических элементов в сумме, а не как углерода в отдельности.
Каждая из легирующих добавок автоматически увеличивает себестоимость стали, поэтому должна быть экономически обоснована перед производством сплава. Химические элементы в составе легированной стали придают ей следующие свойства:
· Ф – ванадий V служит раскислителем, то есть повышает плотность материала, снижает размер зерна, повышает прочность, твердость;
· В – вольфрам W многократно увеличивает прочность и красностойкость (твердость при красном калении), обрабатываемость, снижает отпускную хрупкость;
· К – кобальт Co способствует повышению жаропрочности, ударопрочности и магнитных свойств;
· С – кремний Si повышает прочность с сохранением ударной вязкости, увеличивает магнитопроницаемость, электрическое сопротивление, окалиностойкость, кислотостойкость, упругость;
· Г – марганец Mg сильно раскисляет сталь, повышает прочность, износостойкость и твердость;
· М – молибден Mo увеличивает сопротивление коррозии, прочность, упругость и красностойкость;
· Н – никель Ni повышает термообрабатываемость, пластичность, прочность и коррозионостойкость;
· Т – титан Ti отвечает за коррозионностойкость, обрабатываемость, раскисление, увеличение плотности и прочность сплава;
· Х – хром Cr является основным компонентом, обеспечивающим коррозионную стойкость, повышает прочность и твердость при некотором снижении пластичности.
В свою очередь, легированные стали имеют классификацию по
По умолчанию нержавеющая сталь содержит вредные примеси, которые не обозначаются в маркировке. Сера немного улучшает обрабатываемость стали, при этом снижая истираемость и коррозионостойкость, увеличивает хрупкость и красноломкость, усталость. Фосфор становится причиной хладноломкости и хрупкости при небольшом увеличении обрабатываемости.
Для слабоагрессвных сред и обычных условий используются коррозионностойкие стали с содержанием хрома 12 – 16%. Для более агрессивных сред содержание хрома увеличивают до 17 – 20%. Дальнейшее увеличение коррозионной стойкости в особо агрессивных средах обеспечивается присадками кремния, меди, молибдена и никеля.
Структура хромистых сталей может состоять из феррита, мартенсита и двух этих микроструктур одновременно. В хромоникелевых и хромомарганцевоникелевых содержится аустенит в чистом виде либо в сочетании с карбидом, мартенситом, ферритом.
Добавление ниобия и титана стабилизируют нержавейку от межкристаллитной коррозии.
В отечественных стандартах ГОСТ, учебной и технической документации нержавейка обозначается по аналогии с легированными сталями – после углерода в сотых долях процента последовательно перечисляются добавки, цифры после них указывают на процентное содержание данного химического элемента. При этом 1% легирующей добавки обычно не указывается. Последовательность указания химических элементов следующая:
· хром Х;
· никель Н;
· титан Т;
· ниобий Б;
· вольфрам В;
· ванадий Ф;
· молибден М;
· марганец Г;
· медь Д;
· бор Р;
· алюминий Ю.
Потребность в новых нержавеющих сталях периодически возникала, прежде всего, с развитием двух отраслей – ракетостроение и самолетостроение. Безусловными лидерами в этих отраслях народного хозяйства были Германия в Европе, СССР вне категорий и континентов и США в Америке.
Во времена «холодной войны» ни о каком сотрудничестве между этими странами речи не было. Поэтому исторически сложились три классификации нержавеющих сплавов и сталей – ГОСТ, DIN и AISI. Причем, стандарты Германии и США, еще как-то, увязывались между собой, так как между ними существовала торговля технологиями и техническими средствами.
Поэтому полные аналоги нержавейки по ГОСТ, AISI, DIN встречаются очень редко. Более-менее близкие по составу легирующих добавок марки сталей сведены в таблицу, и рассортированы на группы:
Группа |
ГОСТ |
AISI |
DIN |
С1 |
20Х13 |
420 |
1.4021 |
F1 |
12Х17 |
430 |
1.4016 |
A1 |
12Х18Н10Т |
303 |
1.4305 |
А2 |
12Х18Н10 |
304 |
1.4301 |
08Х18Н10 |
304Н |
1.4948 |
|
03Х18Н11 |
304L |
1.4306 |
|
А3 |
08Х18Н10Т |
321 |
1.4541 |
А4 |
03Х17Н14М2 |
316 |
1.4401 |
03Х17Н14М3 |
316S |
1.4435 |
|
03Х17Н14М3 |
316L |
1.4404 |
|
А5 |
08Х17Н13М2Т |
316Ti |
1.4571 |
Где F, C и А ферритные, мартенситные и аустенитные стали, соответственно.
Регламентом ГОСТ 5632 нормируется наименование конструкционных материалов:
· нержавеющими сталями считаются стали с минимальным содержанием углерода и хрома 1,2% и 10,5%, соответственно;
· все остальное является сплавами на никелевой и железоникелевой основе;
Все коррозионностойкие стали условно разбиты на шесть классов – аустенитные, аустенитно-ферритные, аустенитно-мартенситные, ферритные, мартенсито-ферритные, мартенситные. Сталям нержавеющим и сплавам жаропрочным, жаростойким, коррозионостойким присвоены номера от 1-1, соответствующего марке 05Х16Н5АБ, до 8-41 (ХН80ТБЮ).
Дополнительно некоторые сплавы и марки сталей имеют условное буквенно-цифровое обозначение типа ЭИ962 (11Х11Н2В2МФ), ЧС80 (07Х12НМФБР), КО-3 (08Х18Г8Н2Т) и так далее. Номера мартенситного класса начинаются с 1, мартенсито-ферритного с 2, ферритного с 3, аустенито-мартенситного с 4, аустенито-ферритного с 5, аустенитного с 6, железноникелевого сплава с 7, никелевого сплава с 8.
В Германии действует стандарт DIN, для сторонних европейских стран, сотрудничающих с ней, разработаны нормативы DIN EN. Для соответствия международным нормам создан DIN ISO. Нержавеющие стали здесь имеют шифрованное обозначение:
· первая цифра 1 отделяется точкой от остального кода;
· после нее идет двухзначное число, указывающее на группу – 40 – мартенситные и ферритные стали, 43 и 49 – аустенитные А2, 44 – аустенитные А4, 45 и 48 – аустенитные А3 и А5.
В Соединенных Штатах нержавеющими сталями и сплавами занимается специальный институт. Стандарты имеют аббревиатуру AISI, система обозначений в них кодированная:
· для углеродистых и легированных сталей имеется классификация по группам 10 – 94 в зависимости от процентного содержания конкретных химических соединений или легирующих добавок;
· нержавеющие стали выделены в отдельную категорию, обозначаются трехзначным кодом;
· первая цифра 2 или 3 указывает на принадлежность к аустенитному классу;
· если обозначение начинается с цифры 4, то это мартенситная сталь;
· две последние цифры условного обозначения – это порядковый номер в группе;
· после трех обязательных цифр могут идти буквенные символы;
· буквами Cu, B, Se, F, N обозначаются медь, углерод, кремний, селен, сера/фосфор, азот, соответственно;
· буквы H, LN, S, L указывают на расширенный интервал углерода, его низкое содержание в купе с азотом, нормальное и низкое содержание, соответственно.
Самой молодой считается 900 серия нержавеющих сталей AISI. В нее входят сплавы 904 и 904L супераустенитной категории. Отечественным аналогом AISI 904L является железоникелевый сплав 06ХН28МДТ за номером 7-5 с содержанием меди, титана, молибдена.
Самый большой ассортимент нержавеющих сталей по составу описан в российских стандартах ГОСТ и немецких DIN. Вариантов сплавов AISI значительно меньше. Поэтому, когда встает вопрос о взаимозаменяемости, подбор осуществляется по двум критериям – схожесть структуры конструкционного материала и примерно равное содержание углерода, лигатур.
То есть, вначале выбирается группа аустенитной, ферритной или другой интересующей стали. Затем корректируется процентное содержание добавок, обуславливающих необходимые ее свойства.