Недорогие коррозионностойкие безникелевые хромистые стали марок AISI 409 и 430 (400-й серии) сегодня являются одними из наиболее востребованных на рынке металлопроката

Согласно стандарту ASTM А240, безникелевые хромистые стали марок AISI 409 и 430 (серии AISI 400) относятся к категории общего применения и могут быть адаптированы к различным условиям эксплуатации в любых отраслях промышленности. К тому же это оптимальный выбор материала для решения целого комплекса технических задач.

Механические свойства листового проката из различных нержавеющих сталей в соответствии со стандартами ASTM A240 и А 176-99 приведены в табл. 1.

Следует отметить, что реальные величины предела прочности, предела текучести и относительного удлинения листового проката из сталей 409, 430 и 439 существенно превышают регламентируемые стандартом A240 значения ( В=500-550 МПа; 0,2 =250-350 МПа; 5=25-30%).

Таблица 1. Механические свойства листового проката по стандарту ASTM A240

Марка стали, ее приблизительный российский аналог и класс	Предел прочности, MПa (мин., кроме марки 420)	Предел текучести (0,2%), MПa (мин.)	Относительное удлинение, % (мин.)	Твердость HB (макс.)
304 (08Х18Н10), аустенитная	515	205	40	201
316, (03Х17Н14М2), аустенитная	515	205	40	217
321 (08Х18Н10Т), аустенитная	515	205	40	217
409 (~08Х13), ферритная	380	205	22	179
420 (20-40Х13), мартенситная*	макс. 690	-	-	217
430 (08Х17), ферритная	450	205	22	183
439 (08Х17Т), ферритная	415	205	22	183

*) Мартенситная нержавеющая сталь (аналог отечественных сталей 20-40Х13), которая упрочняется термообработкой и обладает высокой износостойкостью. Эта сталь обладает хорошей пластичностью (в состоянии поставки), высокой ударной вязкостью, хорошей коррозионной стойкостью и жаростойкостью. В отожженном (умягченном) состоянии поставки структура стали представляет собой смесь ферритной и карбидной фазы. При нагревании до температуры 1000-1060 °С и последующей закалке (на воздухе или в масле) образуется мартенсит, твердость которого прямо пропорциональна содержанию углерода. Образующиеся карбиды хрома дополнительно дисперсно упрочняют структуру стали, повышая ее твердость (до 55 HRC) и износостойкость после закалки и отпуска.

Стали серии 400 сохраняют достаточно высокие механические свойства при повышенных температурах эксплуатации (см. рис.), обеспечивая конструкционную прочность оборудования.

Если конструкции из нержавеющих сталей длительно эксплуатируются при высоких температурах, то следует учитывать температурно-временные факторы, которые могут негативно влиять на прочностные характеристики. Например, отечественные никельсодержащие нержавеющие стали и стали серии 300 (за исключением 321 и 347 марок), в отличие от сталей серии AISI 400, при эксплуатации в течение всего лишь нескольких часов в температурном диапазоне 450-750 °С могут быть подвержены очень опасному виду коррозионного разрушения - межкристаллитной коррозии (МКК). А хромистые ферритные стали серии 400 не склонны к высокотемпературной МКК при температуре до 1000 °С.

Одной из основных причин разрушения стальных нержавеющих конструкций часто является коррозия, обусловленная электрохимической гетерогенностью зон термического влияния сварных швов и основного металла. Поэтому уменьшение содержания углерода в сталях является важным фактором предотвращения щелевой и ножевой коррозии в сварных соединениях. Низкое содержание углерода в ферритных сталях серии AISI 400 (реально до 0,03 %) и низкая величина деформационного упрочнения по сравнению с никельсодержащими сталями обуславливают не только высокую стойкость против МКК, но и способность хорошо свариваться и сравнительно легко обрабатываться механически без наклепа, присущего аустенитным сталям.

Таблица 2. Технологические свойства сталей 300/й и 400/й серий

Технологические свойства	Аустенитные стали серии AISI 300 (304, 316, 321)	Ферритные стали серии AISI 400 (409, 430)
Механическая обработка (фрезерование, токарная обработка)	Удовлетворительно	Хорошо
Упрочнение термообработкой	Не упрочняются	Не упрочняются
Вытяжка	Отлично	Отлично
Перфорация	Удовлетворительно	Хорошо
Резка гильотинными ножницами	Удовлетворительно	Хорошо
Листовая разделительная штамповка	Удовлетворительно	Хорошо
Штамповка	Хорошо	Хорошо
Шлифовка	Удовлетворительно	Удовлетворительно
Свариваемость	Отлично	Отлично*

*) При использовании аустенитных присадочных материалов, обеспечивающих высокие прочностные свойства и повышенную пластичность сварного шва.

Иногда при высокотемпературном нагреве фактор времени может повлиять на прочностные свойства и хромистых нержавеющих сталей. Сталь марки 430, содержащая 16-18% хрома, может потерять прочностные свойства при остывании, но только после очень длительной непрерывной эксплуатации (более 100 часов) в температурном диапазоне 425-530 °С вследствие так называемого 475-градусного охрупчивания. Экономнолегированная хромом сталь марки 409 не подвержена данному типу разрушения и, следовательно, более предпочтительна для использования в качестве материала для конструкций, подвергающихся подобному очень длительному нагреву (например, конвекционные печи непрерывного цикла, работающие в температурном диапазоне до 500 °С).

Технологические свойства различных групп сталей приведены в табл. 2.

Хромистая нержавеющая сталь по сравнению с никельсодержащей аустенитной нержавейкой обладает низким коэффициентом термического расширения (КТР) и повышенной теплопроводностью (табл. 3). Это предопределяет ее преимущественное использование (в том числе и трубного проката) в различных теплообменных конструкциях. Сварные конструкции и трубопроводы из хромистых сталей существенно меньше изменяют размеры при колебаниях температуры, что снижает разрушающие усталостные нагрузки при перепадах температуры и предотвращает возможные утечки из гидравлических соединений. Кроме того, обладая сравнительно низкой тепловой инерцией (удельной теплоемкостью), элементы конструкций из ферритных хромистых сталей быстрее прогреваются (и, соответственно остывают) при меньших энергозатратах. Это позволяет избежать возможного инерционного перегрева, что весьма актуально для широкого ряда пищевых производств. Эти стали выдерживают высокие пиковые температурные нагрузки (до 950 °С) и могут непрерывно эксплуатироваться при температурах как минимум до 700°С.

Физические свойства различных групп сталей приведены в табл. 3.

ПРИМЕНЕНИЕ ХРОМИСТЫХ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ

Пищевая и перерабатывающая промышленности

Хромистые нержавеющие стали, обладающие высокой коррозионной стойкостью во многих пищевых средах, могут быть использованы для изготовления технологического оборудования, применяемого на различных этапах пищевого производства (мойка или гигиеническая обработка сырья, продуктов и оборудования, измельчение, разделение и сортировка продукции, смешивание, тепловая обработка, расфасовка и упаковка, транспортировка и т.д.). Согласно заключению Всероссийского научно_исследовательского института коррозии стали, серии AISI 400, в соответствии с ГОСТ 13819, являются "весьма стойкими" или "стойкими" в кипящей питьевой воде, перегретом водяном паре, сырном зерне, кипящем растительном и животном жире, мясных продуктах, вине, этиловом спирте, пиве, пивном сусле, и т.п. Эти стали могут быть использованы, например, для изготовления оборудования солодовен (приготовление солода, солодоращение, емкости для мойки и замочки ячменя для приготовления солода, сушилки для зеленого солода, оборудование для очистки солода, росткоотбивные машины, устройства для удаления ростков и пыли и т.п.).

Применение безникелевых нержавеющих сталей в пищевой и перерабатывающей отраслях промышленности регламентировано и рекомендовано многочисленными стандартами и другими нормативными документами. Например, ГОСТ 27002 "Посуда из коррозионно_стойкой стали" указывает на то, что "для изготовления корпусов и крышек посуды должна применяться … сталь марок … 08Х13, 12Х13, 15Х25Т, 12Х17". В свою очередь, в перечне рекомендуемых нержавеющих сталей для изготовления моек в ГОСТ Р 50851 "Мойки из нержавеющей стали" обозначена сталь 08Х18Тч, а с 2001 года ГОСТ Р 516872000 "Приборы столовые и принадлежности кухонные из коррозионностойкой стали" регламентирует стали 30Х13, 40Х13 как материалы для изготовления кухонных ножей. Основной "нержавеющий" ГОСТ 5632, также регламентирует использование некоторых хромистых ферритных сталей в качестве заменителей аустенитных хромоникелевых сталей типа 12Х18Н10Т "для изготовления кухонной утвари и оборудования пищевой промышленности". Кроме того, на данные марки сталей имеются санитарно_эпидеомиологические заключения (№№ 77.ФУ.05.849.П.003098.12.03 от 11.12.2003; 50.РА.01.187.П.000842.03.04 от 16.03.2004 и др.) о возможности их использования в контакте с пищевыми продуктами.

Таблица 3. Физические свойства нержавеющих сталей

Марка стали	Плотность, кг/м3	Модуль упругости, ГПа	Коэффициент термического расширения, x10/6/°C			Теплопроводность при 100°C, Вт/м.К	Удельная теплоемкость (0-100 °C), Дж/кг.K
304	7900	193	17,2	17,8	18,4	16,2	500
316	7950	193	15,9	16,2	17,5	16,2	500
321	7900	193	16,6	17,2	18,6	16,1	500
409	7680	200	11,7	12,0	12,4	24,9	460
430	7750	200	10,4	11,0	11,4	26,1	460

Стали марок AISI 409, 420, 430, 439 и др. не только могут быть использованы в качестве заменителей никельсодержащих марок, но и, превосходя последние по ряду свойств, часто оказываются незаменимыми при производстве оборудования пищевой промышленности. Как уже было сказано, хромистые стали обладают низким КТР и повышенной теплопроводностью, и это предопределяет их преимущественное использование в таких теплообменных конструкциях, как охладительные градильни и т.п. Низкий КТР обеспечивает более надежное фиттинговое крепление и обеспечивает ускоренный теплообмен в системах охлаждения пищевых резервуаров (системы с охлаждением гликолем, водой и другими охлаждающими средами). К тому же из-за низкой теплопроводности бытовая посуда из нержавеющей никельсодержащей стали часто производится с толстым теплораспределительным дном, что неминуемо приводит к повышению ее стоимости.

Конечно, выбор никельсодержащих сталей, особенно сталей, легированных молибденом, не подвергается сомнению в случаях контакта с высокоагрессивными кислотными или щелочными средами. Однако в подавляющем большинстве производств пищевой отрасли подобные среды не используются. Гораздо более актуально принимать во внимание стойкость к коррозии сталей серии 400 в таких умеренно агрессивных пищевых средах, как животные и растительные жиры, этиловый спирт, мясные соки, дрожжи, пивное сусло, сыры, крахмал, уксусная кислота, углекислота, дубильная кислота, окислительные растворы солей и т.п. Кроме того, стали типа 12Х18Н10Т являются наименее стойкими к коррозионному хлоридному растрескиванию под нагрузкой, а стали серии AISI 400, напротив, обладают максимальной стойкостью в подобных средах. Добавим, что хромистые стали устойчивы в серосодержащих средах, а использование наиболее популярных никельсодержащих сталей в серосодержащих средах не рекомендовано в том числе и по ГОСТ 5632. Серосодержащие вещества, не говоря уже о различного рода хлоридах, широко применяются в пищевой промышленности (например, входят в состав консервантов и т.д.). Конечно, необходимы индивидуальные тесты на коррозионную стойкость, которая определяется температурой, контактом с другими материалами, нагрузкой, степенью непосредственного контакта с технологическими и пищевыми средами, длительностью непрерывной работы, абразивным воздействием продуктов, влиянием моющих и дезинфицирующих растворов, а также другими специфическими условиями.

Строительство и архитектура

Листовой и трубный прокат может успешно использоваться для решения широкого спектра архитектурно-строительных, дизайнерских, технических и прочих задач. Например, для изготовления таких стационарных и модульных конструкций, как стеллажи, стенды, полки, элементы интерьера и экстерьера, опорные конструкции для торгового интерьера, торговые полки, витрины и т.п.

В производстве трубопроводов и архитектурных конструкций в ряде случаев оптимально использовать трубы из относительно недорогой нержавеющей стали AISI 439, которая является улучшенным аналогом стали 08Х17Т и в соответствии с ГОСТ 5632-72 "применяется в качестве заменителя стали марок 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т", в том числе и для сварных конструкций. Трубы из стали 439 не подвержены МКК, а сверхнизкая концентрация углерода (реально <0,02%) и наличие стабилизирующего титана или ниобия является гарантией предотвращения обеднения хромом сварных швов и зон термического влияния, что повышает их коррозионную стойкость и предотвращает формирование закалочных структур, приводящих к трещинообразованию при сварке. Трубы из этих сталей легко подвергаются механической обработке, холодному деформированию и вытяжке. Химический состав и способ изготовления гарантируют высокую однородность и отсутствие расслаивания трубного проката, а также повышенную коррозионную стойкость и качество сварных соединений.

Высокотемпературное печное оборудование, дымоходы, вентиляционные короба, системы выхлопа

Во всем мире из ферритных хромистых сталей изготавливают элементы конструкций, эксплуатируемые в горячих газовых средах, которые образуются при переработке и сжигании топлива и содержат водяной пар, оксиды углерода, углеводороды, окислы азота, двуокись серы, сероводород и т.д. Стали серии AISI 400 коррозионно устойчивы к нефти и продуктам ее дистилляции, эфирным и машинным маслам и т.п. Кроме того, сера как составная часть продуктов сгорания нефтепродуктов в виде окислительной двуокиси серы оказывает разрушительное действие на никельсодержащие аустенитные стали. Присутствие в стали никеля приводит к образованию легкоплавкой эвтектики "сульфид никеля - никель", которая проникает вглубь стали по границам зерен, вызывая ее охрупчивание. Еще более опасным врагом никельсодержащих сталей является восстановительная среда сероводорода (H2S). А стали 400 серии сохраняют в таких условиях свои высокие коррозионные свойства

Использование безникелевых нержавеющих сталей, конечно, не ограничивается приведенными примерами. Данные марки сталей могут применяться для изготовления различных конструкций нефтегазового машиностроения (рамки для каплеулавливателей в нефтяных сепараторах, тарелки и насадки ректификационных колонн и т.д.). Мартенситная сталь AISI 420 используется в тех случаях, когда необходимо сочетание высокой износостойкости и хорошей коррозионной стойкости: при изготовлении режущего и мерительного инструмента, кухонной утвари, деталей турбин и котлов, крепежа, пружин, карбюраторных игл, штоков поршневых компрессоров, деталей внутренних устройств аппаратов и других различных деталей, работающих на износ в слабоагрессивных средах до 450 °С.

В заключение отметим, что для продвижения на отечественные рынки давно освоенных зарубежными производителями высококачественных и относительно недорогих нержавеющих сталей серии AISI 400 наш производитель должен ясно представлять, что имеет дело с классом сталей, которые отличаются от привычных ему никельсодержащих сталей типа 12Х18Н10Т или серии AISI 300. Желание существенно сэкономить должно быть подкреплено учетом специфики обрабатываемости и сварки безникелевых сталей, а также четким представлением об их коррозионной стойкости, механических и физических свойствах, стабильности свойств при эксплуатации, диапазонах температурной применимости, соответствия способа обработки и т.д. Знание специфики обработки и эксплуатации этих сталей, желание производителя адаптировать технологический цикл под новые для него стали - залог существенной экономии. Например, стоимость листового проката сталей 409 и 430 и заметно ниже стоимости проката отечественных сталей-аналогов (08Х13 и 12Х17), и в 1,5-2 раза ниже, чем стоимость никельсодержащих марок AISI 304 (08Х18Н10) и 321 (08-12Х18Н10Т).