В 1913 году английский металлург Гарри Брирли, работая над проектом по усовершенствованию стволов винтовок, случайно обнаружил, что добавление хрома к низкоуглеродистой стали придает ей стойкость к образованию пятен. Помимо железа, углерода и хрома, современная нержавеющая сталь может также содержать другие элементы, такие как никель, ниобий, молибден и титан.
Никель, молибден, ниобий и хром повышают коррозионную стойкость нержавеющей стали. Именно добавление в сталь минимум 12% хрома делает ее менее устойчивой к ржавчине или пятнам, чем другие типы стали. Хром в стали соединяется с кислородом в атмосфере, образуя тонкий невидимый слой хромсодержащего оксида, называемый пассивной пленкой. Размеры атомов хрома и их оксидов похожи, поэтому они аккуратно упаковываются вместе на поверхности металла, образуя стабильный слой толщиной всего в несколько атомов. Если металл порезан или поцарапан и пассивная пленка разрушена, быстро образуется больше оксида и восстанавливается открытая поверхность, защищая ее от окислительной коррозии.
Железо с другой стороны, быстро ржавеет, потому что атомарное железо намного меньше его оксида, поэтому оксид образует рыхлый, а не плотно упакованный слой и отслаивается. Пассивная пленка требует кислорода для самовосстановления, поэтому нержавеющая сталь имеет плохую коррозионную стойкость в условиях с низким содержанием кислорода и плохой циркуляцией. В морской воде хлориды соли будут атаковать и разрушать пассивную пленку быстрее, чем это может быть восстановлено в среде с низким содержанием кислорода.
Типы нержавеющей стали
Три основных типа нержавеющих сталей: аустенитная, ферритная и мартенситная. Эти три типа сталей идентифицируются по их микроструктуре или преобладающей кристаллической фазе.
- Аустенитная : Аустенитные стали имеют аустенит в качестве первичной фазы (гранецентрированный кубический кристалл). Это сплавы, содержащие хром и никель (иногда марганец и азот), со структурой типа 302, состоящей из железа, 18% хрома и 8% никеля. Аустенитные стали не упрочняются термической обработкой. Самая известная нержавеющая сталь – это, вероятно, тип 304, иногда называемый T304 или просто 304. Хирургическая нержавеющая сталь типа 304 – это аустенитная сталь, содержащая 18-20% хрома и 8-10% никеля.
- Ферритные: ферритные стали имеют феррит (объемно-центрированный кубический кристалл) в качестве основной фазы. Эти стали содержат железо и хром на основе состава Тип 430 с 17% хрома. Ферритная сталь менее пластична, чем аустенитная сталь, и не закаливается при термообработке.
- Мартенситный : характерная ромбическая микроструктура мартенсита. впервые был замечен немецким микроскопистом Адольфом Мартенсом около 1890 года. Мартенситные стали – это низкоуглеродистые стали, созданные на основе состава типа 410 из железа, 12% хрома и 0,12% углерода.. Они могут быть закалены и закалены. Мартенсит придает стали большую твердость, но он также снижает ее ударную вязкость и делает ее хрупкой, поэтому мало сталей полностью закалены.
Есть и другие марки нержавеющих сталей, такие как дисперсионно-упрочненные, дуплексные и литые нержавеющие стали. Нержавеющая сталь может производиться с различной отделкой и текстурой и может быть окрашена в широкий спектр цветов.
Пассивирование
Есть некоторые споры о том, можно ли повысить коррозионную стойкость нержавеющей стали с помощью процесса пассивации. По сути, пассивация – это удаление свободного железа с поверхности стали. Это выполняется путем погружения стали в окислитель, например, в раствор азотной или лимонной кислоты. Поскольку верхний слой железа удаляется, пассивация уменьшает обесцвечивание поверхности.
Хотя пассивация не влияет на толщину или эффективность пассивного слоя, она полезна в получение чистой поверхности для дальнейшей обработки, такой как гальваника или покраска. С другой стороны, если окислитель не полностью удален со стали, что иногда случается с деталями с плотными стыками или углами, может возникнуть щелевая коррозия. Большинство исследований показывают, что уменьшение коррозии поверхностными частицами не снижает подверженность точечной коррозии.
