Нержавеющая сталь: почему мы называем ее нержавеющей?

Современные нержавеющие стали и их использование

То, что мы сейчас называем нержавеющей сталью, делится на четыре семейства, которые в общих чертах относятся к их микроскопической кристаллической структуре и различным металлургическим фазам:

Аустенитные стали: нержавеющая сталь аустенитной фазы состоит из никеля и молибдена в качестве основных легирующих элементов и имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру. Добавление никеля повышает его коррозионную стойкость и пластичность, а молибден повышает коррозионную стойкость в кислых условиях. Распространенные марки аустенитной нержавеющей стали — 304 и 316.
Обычное использование: этот тип нержавеющей стали считается жаростойким и обычно используется для производства теплообменников, котлов и печей. Другими распространенными применениями аустенитной нержавеющей стали являются компоненты аэрокосмической отрасли, электроника, детали локомотивов и химические резервуары. Нержавеющие стали серии 200 также относятся к аустенитному семейству, но содержат марганец в качестве дополнительного легирующего элемента.

 

Мартенситные стали: семейство нержавеющих сталей с мартенситной фазой использует углерод и хром в качестве основных легирующих элементов. При более высоких концентрациях углерода материал имеет объемноцентрированную тетрагональную кристаллическую структуру; более низкие концентрации углерода образуют объемно-центрированную кристаллическую структуру. Мартенсит образуется при быстрой закалке аустенита при комнатной температуре. Мартенситная нержавеющая сталь широко известна как нержавеющая сталь серии 400, например марки 410, 420 и 440.
Обычное использование: мартенситная нержавеющая сталь обычно используется там, где требуются твердость и долговечность, например, в столовых приборах, инструментах, лопатках турбин, крепежных изделиях и шестернях.

 

Ферритные стали: нержавеющая сталь с ферритной фазой немагнитна и имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую структуру. Его основными легирующими компонентами являются хром, железо (отсюда и название ферритный) и небольшая концентрация углерода. Таким образом, ферритная нержавеющая сталь мягче, но также обладает повышенной пластичностью и улучшенной формуемостью, но ее нельзя подвергать термической обработке. Примерами ферритной нержавеющей стали являются другие марки серии 400, такие как 409, 430 и 446.
Обычное использование: ферритные нержавеющие стали часто используются для изготовления кухонной посуды, автомобильных компонентов и промышленного оборудования.

 

Дуплексные стали: дуплексная нержавеющая сталь представляет собой смесь аустенитной и ферритной стали.
Обычное использование: дуплексные стали часто используются в нефтегазовой, бумажной и химической промышленности.

Истоки нержавеющей стали: основы в 1800-х годах

История нержавеющей стали пронизана скандалами, похожими на историю моего любимого ученого Николы Теслы и его соперника Томаса Эдисона. Как и их захватывающая история (каламбур), нержавеющая сталь была изготовлена ​​несколькими мужчинами, присвоившими себе работу другого человека. Есть целые страны, которые до сих пор спорят, кто является «изобретателем» нержавеющей стали.

Хотя некоторые утверждают, что нержавеющая сталь использовалась кузнецами в древней Индии, Шри-Ланке, на Аравийском полуострове и в Китае до промышленной революции, эти истории не были хорошо зафиксированы. Что мы действительно знаем, так это то, что в начале 1800-х годов ученые в нескольких странах наблюдали явление, связанное с металлическими сплавами, содержащими хром и железо, — они оказались способны противостоять кислотной коррозии.

Французский металлург Пьер Бертье считается первым, кто в 1821 году осознал, что коррозионностойкий стальной сплав можно получить, добавив хром в железо. Хотя металлурги пришли к такому выводу, они еще не осознавали важность ограничения содержания углерода в тех же сплавах для предотвращения межкристаллитной коррозии и разрушения из-за хрупкости. Но они начали хорошее начало, выяснив, как хром изменяет физические свойства металлического сплава.

В Англии в 1872 году Джон Кларк и Джон Вудс подали первый официальный патент на то, что мы сейчас считаем нержавеющей сталью. Они назвали свой продукт «водостойкий сплав», и он был удивительно похож на современные сплавы, но в материале все еще было слишком много углерода.

Первым, кто официально признал проблему углерода, был исследователь, известный как Брюстлейн, в 1875 году. Его открытие положило начало нескольким десятилетиям исследований по разработке оптимальной смеси металлов и метода производства низкоуглеродистой стали. Хотя сегодня у нас есть современные процессы создания металлических сплавов, наука тогда была в зачаточном состоянии. Поиск способа отделения хрома от углерода, в котором он был обнаружен естественным образом, был основным препятствием для производства низкоуглеродистой стали на основе хрома.
Примерно через два десятилетия после прозрения Брустлейна о низкоуглеродистости, в 1895 году Ганс Гольдшмидт разработал процесс алюминотермической реакции для производства/переработки хрома без углерода. Это был поворотный момент, который позволил разработать современную нержавеющую сталь. Химическая реакция так называемого метода восстановления алюминия для получения металлического хрома показана ниже.

Кр₂O₃+ 2Al → 2Cr + Al₂O₃

Метод восстановления алюминия для производства хрома

Это процесс, при котором оксид хрома (и любые примеси, содержащиеся в нем естественным путем, такие как кремний, сера или углерод) и алюминий добавляются в стальной контейнер, покрытый органическим связующим веществом, оксидом алюминия или оксидом магния, и нагреваются. Смесь воспламеняется с пероксидом бария, чтобы вызвать экзотермическую реакцию - это означает, что при производстве хрома и образующегося шлака происходит чистое выделение энергии (тепла).

Сегодня этот процесс до сих пор используется для производства «чистого» оксида хрома и алюминия для различных применений последующей обработки. Концентрации компонентов для химической реакции могут быть изменены для получения различных уровней чистоты получаемых металлов.

Достижения в области нержавеющей стали в 1900-х годах

В начале 1900-х годов было сделано несколько важных открытий в развитии семейства сплавов нержавеющей стали:

– В 1904 году Леон Гиле открыл несколько сплавов железо-хромовой нержавеющей стали серии 400 и исследовал сплавы железа, никеля и хрома серии 300, хотя он не осознавал, что эти металлы устойчивы к коррозии.

– П. Моннарц и В. Брошюр обнаружили, что добавление хрома в металлический сплав повышает его коррозионную стойкость, и определили минимальную концентрацию хрома как 10,5%. Они также работали над детализацией и исследованием повышенной коррозионной стойкости, которую обеспечивает добавление молибдена.

Почему мы называем это нержавеющей сталью

Следующее важное достижение произошло в 1913 году, когда Гарри Брирли, как считается, официально открыл нержавеющую сталь в попытке создать устойчивую к эрозии сталь. Гарри Брирли, вероятно, является правильным ответом на простой вопрос о том, кто изобрел нержавеющую сталь, но правда не так проста. Он экспериментировал с добавлением хрома в сталь, но остальная часть его истории пропитана мифами.

Некоторые говорят, что Брерли выбросил свой экспериментальный металлический сплав в мусор только для того, чтобы вытащить его позже и понять, что сталь не окрасилась и не заржавела. Другие утверждают, что ему пришлось протравить свой образец азотной кислотой, чтобы исследовать его под микроскопом, но он обнаружил, что металл не ржавеет под воздействием азотной и других кислот или восстановителей. Гарри видел потенциал своего сплава для использования в лезвиях ножей, но его не поддержали работодатели, и он не мог добиться того, чтобы сплав устойчив к ржавчине или образованию пятен в течение длительного периода времени.

Итак, постепенно его друг Эрнест Стюарт обнаружил, что закалка лезвий ножей повышает их устойчивость к ржавчине и пятнам. Бреарли хотел назвать этот материал «Нержавеющая сталь», но Стюарт назвал его «Нержавеющая сталь» из-за его способности противостоять образованию пятен после воздействия раствора уксуса.

Кроме того, хотя Бреарли претендует на открытие нержавеющей стали, другие утверждают, что открыли ее раньше него, в том числе:

В 1908 году компания Kupp Iron Works разработала хромоникелевый сплав для морского применения.

В 1911 году Элвуд Хейнс создал устойчивую к коррозии сталь, которая заменила его ржавые лезвия бритвы.

Из 1911-1914 Беккет и Данцизен создали несколько сплавов ферритной стали.

В 1912 году Макс Мауэрманн заявил, что создал нержавеющую сталь, но, скорее всего, он создал лишь жизнеспособный метод производства нержавеющей стали. Он подал патент на этот процесс, но в то время он был оспорен, и изобретателем нержавеющей стали он был признан только после своей смерти.

Богатая история нержавеющей стали и развитие различных марок этого материала обязаны усилиям многих ученых, исследователей, металлургов и инженеров. За последнее столетие виды нержавеющей стали, методы производства и переработки улучшились. Теперь мы можем полностью использовать и монополизировать природные явления окисления нержавеющей стали.

От своего противоречивого происхождения до очень сложного и интересного с металлургической точки зрения настоящего, нержавеющая сталь является невероятно универсальным и прочным металлом, подходящим даже для самых сложных проектов.