Нержавеющая сталь была изобретена около ста лет назад. На широком рынке ножи из нержавейки, содержащие 12-13% хрома (Cr), появились в 1912 году. Но исследования металлургии и физических свойств этих сплавов проводились еще в 1902 г. Гулле и в 1909 г. Портевеном во Франции, а также Гисеном в 1907 г. в Англии. Однако «изобретателем» нержавеющих сталей считают инженера Х. Брирли. Он был первым, кто ясно представил промышленные возможности этого материала. Сейчас нержавеющая сталь заняла одно из лидирующих мест среди наиболее значимых материалов в мире. Класс материалов, объединенных термином «нержавеющие стали», точно не определен, но принято считать, что он включает в себя сплавы, основными составляющими которых являются железо и не менее 12% хрома. Они устойчивы к электрохимической, химической (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллитной и другим видам коррозии.
Увеличение содержания хрома повышает коррозионную стойкость материала. Повышение устойчивости стали к коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности защитные пленки, прочно связанные с основным металлом и предупреждающие контакт между сталью и наружной агрессивной средой. Этот защитный слой очень устойчив и даже после механического или химического повреждения, быстро приобретает свой прежний вид, и антикоррозионные качества металла остаются без изменений.
К хромо-никелевым сталям широко практикуется присадка других элементов (Ti, Nb), которые устраняют склонность к интеркристаллитной коррозии, присадка Si повышает жаростойкость.
При изготовлении деталей пищевой промышленности, не подвергаемых термической обработке, желательно применение сталей типа 18-8 с пониженным содержанием углерода (ниже 0,06%), которые не склонны к интеркристаллитной коррозии.
Нержавеющие стали по своей микроструктуре подразделяют на 3 основные категории: аустенитные, ферритные и мартенситные.
Аустенитные стали – не магнитные материалы. В дополнение к хрому содержат никель, который увеличивает сопротивление коррозии. К этой группе относят нержавеющие жаропрочные стали с повышенным содержанием никеля (10-20%) и хрома (17-25%), они имеют лучшее сопротивление к окислению при высоких температурах. Основным достоинством аустенитной структуры являются и высокие механические свойства. На сегодняшний день это самая широко используемая группа нержавеющих сталей.
Ферритные стали – магнитные, имеют низкое содержание хрома (в основном на уровне 13-17%) при определенном содержании углерода (0,08%).
Коррозионная стойкость ферритных сталей выше, чем мартенситных. Вместе с тем ферритная структура несколько снижает механические свойства и возможности обработки материала.
Мартенситные стали – магнитные, содержат обычно 13% хрома и умеренный уровень углерода (0,120,2%). Они упрочняются закалкой и отпуском подобно простым углеродистым сталям и поэтому находят применение, главным образом, при изготовлении режущих инструментов, столовых приборов и т. п. Стали с 13% хрома и более высоким содержанием углерода используются в основном для производства коррозионностойких режущих кромок. Аустенитные и ферритные сорта составляют 95% всех используемых нержавеющих сталей.
Преимущества нержавеющих сталей
Технологичность – они имеют очень высокую пластичность, поэтому широко применяются для деталей, изготавливаемых глубокой вытяжкой (кухонная посуда, различные емкости). Их недостаток: склонность ряда сталей к интеркристаллитной коррозии, которую преобретают в результате замедленного охлаждения или нагрева в интервале температур (500-850°С), а также после сварки. Современные методы металлообработки подразумевают, что нержавеющая сталь может быть порезана, сварена, сформована и обработана также, как традиционные стали и другие материалы.
Сопротивление коррозии – существуют сорта, которые могут сопротивляться коррозии не только в нормальных атмосферных и водных средах, но и во многих кислотах, щелочах и некоторых хлористых растворах, присущих окружающим средам, типичным для многих производств.
Прочность – механические свойства нержавеющих сталей позволяют уменьшить толщины и вес изделий без снижения прочностных характеристик. Аустенитные сорта не теряют прочности при низких температурах и меньших толщинах по сравнению с конструкционными сталями общего назначения. И, несмотря на то, что нержавеющие стали дороже, в данном случае возможна существенная экономия по отношению к традиционным материалам.
Гигиена – нержавеющая сталь признана наиболее гигиеничной поверхностью для приготовления пищевых продуктов. Уникальность ее поверхности в том, что она не имеет пор или трещин для проникновения грязи и бактерий. Это свойство по сравнению с другими поверхностями, делает нержавеющую сталь предпочтительной в строгих гигиенических условиях больниц, общественных кухонь, на скотобойнях, перерабатывающих предприятиях агропромышленного комплекса и при изготовлении пищевого оборудования.
Эстетический внешний вид – зависит от состояния поверхности. Яркая, легко обслуживаемая поверхность нержавеющей стали обеспечивает привлекательный и современный внешний вид изделий, является идеальной для постоянно растущего диапазона декоративных элементов. В настоящее время для изготовления кухонной посуды применяются нержавеющие стали с зеркальной поверхностью, получаемой различными режимами электрополировки. Причем, обработке могут подвергаться как готовые изделия, так и листы, для сохранения поверхности на них наклеивается полиэтиленовая пленка. Нержавеющая сталь хорошо комбинируется со стеклом, камнем, деревом. Это очень практичный материал, благородный и эстетичный одновременно. Благодаря разнообразию марок и видов поверхности нержавейка в состоянии удовлетворить широкому диапазону требований. Разнообразные требования, предъявляемые к нержавеющим сталям, привели к их интенсивному совершенствованию. На сегодняшний день рынок нержавеющих сталей в Украине вплотную столкнулся с необходимостью максимального расширения ассортимента недорогих коррозионно-стойких материалов, в то время как мировые производители предлагают потребителям целый спектр новых экономнолегированных материалов. Аналоги сталей мирового и отечественного рынков приведены в табл. 1.
Табл. 1. Харктеристики нержавеющих сталей
|
AISI |
Марка стали |
Класс стали |
Свойства |
Применение |
| 304 | 08Х18Н10 | A | Легко поддается сварке, устойчива к межкристаллитной коррозии; высокая прочность при низких температурах; поддается электрополировке | Установки для пищевой, химической, текстильной, нефтяной, бумажной и фармацевтической промышленности |
| 316 | 03Х17Н14М2 | A | Технические свойства при высоких температурах гораздо лучше, чем у аналогичных сталей, не содержащих молибден |
Химическое оборудование, инструменты, установки для переработки пищи, емкостях для отработанных масел |
| 321 | 12Х18Н10Т | A | Изготовление сварных конструкций и использование при t=(400- 800°С), устойчива к коррозии | Оборудование для химической, нефтеперерабатывающей промышленности |
| 409 | 08Х13 | Ф | Детали общего применения, которые могут быть адаптированы к различным условиям эксплуатации | Бытовые изделия (столовые приборы, кухонная посуда) |
| 410 | 12Х13 | M | Высокая ударная вязкость, хорошая коррозионная стойкость и жаропрочность | Изделия, работающие в слабоагрессивных средах; детали машин для виноделья, спирта, продуктов переработки отхода пищевой отрасли |
| 420 | 20Х13 – 40Х13 | M | Высокая износостойкость, пластичность, устойчивость к высоким температурам и коррозии | Оборудование пищевой отрасли (мойка, гигиеническая обработка сырья, сортировка продукции, тепловая обработка) |
| 430 | 08Х17 | Ф | Высокие прочностные, механические характеристики, теплопроводность, деформируемость, устойчивость к коррозии в серосодержащих средах | В системах теплообмена, в бытовых изделиях для пищевых продуктов для предотвращения перегрева в процессе приготовления |
| 439 | 08Х17Т | Ф | Материал для массового применения в различных условиях эксплуатации | Холодильники, стиральные машины, для изготовления раковин и др. |
Примечание. А – аустенитный; Ф – ферритный; М – мартенситный.
Несмотря на то, что нержавеющими сталями традиционно считают стали с содержанием хрома более 12%, современная зарубежная металлургия активно ведет работу над созданием нержавеющих материалов с более низким содержанием хрома (до 5%) при сохранении коррозионной стойкости на уровне сталей с 15-17% Cr. Это весьма актуально, поскольку одной из основных причин разрушения стальных нержавеющих конструкций часто является электрохимическая коррозия, обусловленная неоднородностью зон сварных швов и основного металла.
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) при эксплуатации в течение всего лишь нескольких часов в температурном диапазоне 450-750°С могут быть подвержены очень опасному виду коррозионного разрушения – межкристаллитной коррозии. А хромистые ферритные стали серии 400 не корродируют при температуре до 1000°С.
Кроме того, обладая сравнительно низкой удельной теплоемкостью, элементы конструкций из хромистых ферритных сталей быстрее прогреваются 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.
Пищевая и перерабатывающая промышленности
Сегодня нержавеющая сталь вместе со стеклом и некоторыми видами пластмасс является практически единственным материалом, который одобрен как сырье для изготовления оборудования для производства, хранения и транспортировки пищевых продуктов. Это связано с высокими гигиеническими, эстетическими и токсикологическими требованиями. Уже сейчас существуют и, определенно, будут ужесточены в будущем строгие ограничения на растворимость тяжелых металлов, имеющихся в материале оборудования, находящегося в контакте с продуктами.
Регламентируется также количество основных компонентов, входящих в состав нержавеющих сталей. Согласно европейским рекомендациям количество хрома и никеля, растворенного из стали в ходе стандартного теста по ISO 6486/1, допускается не выше 2 мг/дм2.
Для аустенитных сталей количество растворенных никеля и хрома меньше чем 0,02 мг/дм2 или, другими словами, в 100 раз меньше допустимого значения. Обычно для производства оборудования пищевой промышленности используются марки нержавеющей стали AISI 304 и AISI 316, в очень редких случаях могут потребоваться высоколегированные марки. Важным фактором является хорошая и гладкая (без изломов, неровностей и царапин) поверхность металла, но в некоторых случаях необходима электролитическая полировка. Шероховатость поверхности (Ra) не превышает 0,6 мкм.
Нержавеющая сталь является идеальным материалом для кухонной посуды. Все чаще и чаще обычные люди покупают изделия из нержавеющей стали. Сейчас модно иметь холодильник, кухонную плиту из нержавеющей стали, не говоря уже о столовых приборах, сковородах, кастрюлях и другой кухонной утвари. Внутренние части высококачественных посудомоечных, стиральных машин и мясорубок изготавливаются из нержавеющей стали.
Нержавеющая сталь – материал, связанный с понятием высокого уровня жизни и объем ее использования в домашнем хозяйстве постоянно растет. Хромистые нержавеющие стали обладают 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, измельчение продуктов, разделение и сортировка продукции, смешивание, тепловая обработка, расфасовка и упаковка, транспортировка и т.д.).
Согласно заключению Всероссийского научно-исследовательского института коррозии, аналоги стали серии AISI 400, изготовленные в соответствии с ГОСТ 13819, являются стойкими к кипящей питьевой воде, перегретому водяному пару, кипящему растительному и животному жиру, мясным продуктам, вину, этиловому спирту, пиву и пивному суслу и т.п. Эти стали могут быть использованы для изготовления оборудования солодовен (емкости для мойки и замачивания ячменя для приготовления солода, сушилки для зеленого солода, оборудование для очистки солода и т.п.).
Применение безникелевых нержавеющих сталей в пищевой и перерабатывающей отраслях промышленности регламентировано и рекомендовано многочисленными стандартами и другими нормативными документами. 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 08Х18Т, а с 2001 года ГОСТ Р 51687- 2000 «Приборы столовые и принадлежности кухонные из коррозионно-стойкой стали» регламентирует стали 30Х13, 40Х13 как материалы для изготовления кухонных ножей. ГОСТ 5632-72, также регламентирует использование некоторых хромистых ферритных сталей в качестве заменителей аустенитных хромоникелевых сталей типа 12Х18Н10Т для изготовления оборудования пищевой промышленности и кухонной посуды.
Кроме того, на данные марки сталей имеются санитарно-эпидеомиологические заключения о возможности их использования в контакте с пищевыми продуктами. В качестве заменителей никельсодержащих марок могут широко применяться хромо-марганцовистые нержавеющие стали аустенитного класса, которые обладают более высокой прочностью, чем хромо-никелевые при примерно одинаковой пластичности.
А сталь 12Х14Г14Н3Т является заменителем стали 12Х18Н10Т для изделий, применяемых в пищевой промышленности. Стали марок AISI 409, 420, 430, 439 и др. не только могут быть использованы в качестве заменителей никельсодержащих марок, но, превосходя последние по ряду свойств, часто оказываются незаменимыми при производстве оборудования пищевой промышленности. Эти стали обеспечивают ускоренный теплообмен в системах охлаждения пищевых резервуаров (системы с охлаждением гликолем, водой и другими охлаждающими средами).
Необходимо принимать во внимание коррозионную стойкость сталей серии AISI 400 в таких умеренно агрессивных пищевых средах, как животные и растительные жиры, этиловый спирт, соки, дрожжи, пивное сусло, сыры, крахмал, уксусная кислота, углекислота, дубильная кислота, окислительные растворы солей и т.п. Эти стали устойчивы в серосодержащих средах, а использование наиболее популярных никельсодержащих сталей в серосодержащих средах не рекомендовано, в том числе и по ГОСТ 632-72. Серосодержащие вещества, не говоря уже о различного рода хлоридах, широко применяются в пищевой промышленности (например, входят в состав консервантов и т.д.). Поэтому 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.
Рассмотрим некоторые области применения нержавеющих сталей в пищевой промышленности.
Молочные продукты. Аустенитные стали применяются для стерилизации и хранения молока в холодильниках, молочных сепараторах, сыроваренном оборудовании, а также в различных приспособлениях, посудомоечных машинах и цистернах для перевозок молока. Эти стали широко используются также в производстве мороженого и сухого молока.
Пивоварение. Из аустенитных сталей делают емкости для брожения, теплообменники, цистерны и бочки для перевозки пива, оборудование для производства дрожжей.
Фруктовые консервы и соки. Для консервирования плодов и соков широко используется двуокись серы, поэтому в таких случаях применяются стали, содержащие молибден.
Супы и соусы. В состав этих продуктов могут входить весьма агрессивные смеси, так как они являются кислыми и одновременно содержат хлориды. По этой причине здесь также часто приходится использовать стали с добавкой молибдена.
Пекарни. В этом случае важно иметь легко очищаемые поверхности, поэтому аустенитные стали подходят для изготовления смесительного оборудования и рабочих столов. У коррозионно-стойких нержавеющих сталей присутствует общая черта – содержание молибдена, никеля, ниобия, титана и др., причем механические и эксплуатационные свойства зависят от соотношения этих элементов.
Для того, чтобы сталь служила успешно и долго, необходимо тщательно подойти к выбору марки нержавеющей стали. Четкое представление о коррозионной стойкости, механических, физических свойствах нержавеющих сталей, стабильности свойств, диапазонах температурного использования, а также знание специфики их обработки и эксплуатации является залогом существенной экономии.
Меньшиков А.Г. доц.,
Реброва Е.М. ст. преп. кафедры
«Материаловедения» НТУ «ХПИ»
Реброва Е.М. ст. преп. кафедры
«Материаловедения» НТУ «ХПИ»
