Сварка нержавеющей стали

1. Свойства нержавеющей стали

За счет добавления хрома (Cr) к железу (Fe), железо становится устойчивым к коррозии в атмосферных условиях. Когда содержание хрома повышается до 11-12% и более, устойчивость стали к коррозии становится примечательно высокой.

Поэтому сталь с таким высоким содержанием хрома получила название нержавеющей стали, при этом "нержавеющая" означает, что она не подвержена коррозии и ржавлению.

Высокая устойчивость нержавеющей стали к коррозии объясняется тем, что хром в ее составе окисляется в атмосферных условиях и формирует на поверхности стали защитную пленку, так называемую пассивную пленку.

В зависимости от условий окружающей среды, в которых будет использоваться нержавеющая сталь, содержание хрома увеличивают, и в состав стали также добавляется никель (Ni) и другие элементы.

Однако устойчивость к коррозии достигается в принципе за счет хрома, поэтому хром является важнейшим элементом в составе нержавеющей стали. Стандарт JIS определяет нержавеющую сталь как "легированную сталь, содержащую в своем составе хром или хром и никель для повышения устойчивости к коррозии, при этом содержание никеля составляет около 10,5% или более." Справочник по сварке AWS (Выпуск 4) также определяет нержавеющую сталь как "легированную сталь с определенным содержанием хрома не менее 11%, с наличием других легирующих добавок или без них."

Нержавеющая сталь обладает высокой жаропрочностью, а также устойчивостью к коррозии, что делает ее широко применимой в разных областях - от предметов домашнего обихода до химического оборудования, судов, вагонов, машин для переработки пищевых продуктов, строительных материалов и оборудования для АЭС, поэтому нержавеющая сталь играет важную роль в разных отраслях индустрии.

2. Разные типы нержавеющей стали

Нержавеющую сталь можно разделить на два класса - хромовую нержавеющую сталь и хромоникелевую нержавеющую сталь.

Эти два класса могут быть далее классифицированы на основании металлографических структур стали, как показано на Илл.1. Хромовая нержавеющая сталь может быть разделена на мартенситную и ферритную, а хромоникелевая нержавеющая сталь может быть разделена на аустенитную, аустенитно-ферритную (дуплексную) и дисперсионно-твердеющую сталь.

(1) Мартенситная нержавеющая сталь

Типичной маркой мартенситной нержавеющей стали согласно стандарту JIS является SUS410 (AISI 410) (См. Таблицу 1.).

Эта сталь содержит 13% хрома, и ее металлографическая структура при комнатной температуре является мартенситной, она твердая и хрупкая.

Хотя при использовании стали этой марки можно получить хорошие механические качества путем тепловой обработки (отпуска), она уступает другим маркам нержавеющей стали в устойчивости к коррозии из-за низкого содержания хрома.

Мартенситная нержавеющая сталь используется для лопастей турбин, клапанов и рессор, требующих высокой прочности, устойчивости к снашиванию и термостойкости.

Таблица 1. Требования к химическому составу мартенситных нержавеющих сталей (взято из JIS G 4305−1999 и дополнено AISI)^*1 （％）

Марка стали JIS (AISI)	C	Si	Mn	P	S	Cr
SUS410 (410)	Макс. 0.15	Макс. 1.00	Макс. 1.00	Макс. 0.040	Макс. 0.030	11.50~13.50
SUS410S (410S)	Макс. 0.08	Макс. 1.00	Макс. 1.00	Макс. 0.040	Макс. 0.030	11.50~13.50
(Примечание) *1. Требования AISI приводятся в соответствующей спецификации.

(2) Ферритная нержавеющая сталь

В Таблице 2 представлены типичные марки ферритной нержавеющей стали.

Она содержит около 18% хрома и обладает ферритной металлографической структурой, которая отличается мягкостью и хорошей механической обрабатываемостью. Однако при нагревании при высокой температуре возникают металлургические проблемы.

По сравнению с мартенситной нержавеющей сталью она отличается более высокой устойчивостью к коррозии, и даже устойчива к воздействию азотной кислоты (HNO3) благодаря более высокому содержанию хрома.

Ферритная нержавеющая сталь широко используется для интерьеров и экстерьеров архитектурных сооружений, кухонных приспособлений, автомобилей, и бытовых электроприборов.

Таблица 2. Требования к химическому составу ферритных нержавеющих сталей (взято из JIS G 4305 и дополнено AISI)^*1 （％）

Марка стали JIS (AISI)	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	N	Другие
SUS405 (405)	Макс. 0.08	Макс. 1.00	Макс. 1.00	Макс. 0.040	Макс. 0.030	11.50~14.50	－	－	Al : 0.10~0.30
SUS430 (430)	Макс. 0.12	Макс. 0.75	Макс. 1.00	Макс. 0.040	Макс. 0.030	16.00~18.00	－	－	－
SUS430LX (－)	Макс. 0.030	Макс. 0.75	Макс. 1.00	Макс. 0.040	Макс. 0.030	16.00~19.00	－	－	Ti or Nb : 0.10~1.00
SUS444 (444)	Макс. 0.025	Макс. 1.00	Макс. 1.00	Макс. 0.040	Макс. 0.030	17.00~20.00	1.75~2.50	Макс. 0.025	Ti, Nb, Zr или общее 8× (C%+N%)~0.80
(Примечание) *1. Требования AISI приводятся в соответствующей спецификации.

(3) Аустенитная нержавеющая сталь

В Таблице 3 представлены типичные марки аустенитной нержавеющей стали.

Самая распространенная марка аустенитной нержавеющей стали - SUS304 или AISI 304 (18%Cr−8%Ni). SUS316 или AISI 316 (18%Cr−12%Ni−2%Mo), также широко применяемая, обладает более высокой устойчивостью к коррозии.

Аустенитная нержавеющая сталь обладает хорошей устойчивостью к коррозии, обрабатываемостью, механическими свойствами и свариваемостью. Она широко используется в производстве сосудов для хранения, теплообменников, водоочистных сооружений, кухонных приспособлений, ванн, раковин и т.д.

Таблица 3. Требования к химическому составу аустенитных нержавеющих сталей(взято из JIS G 4305−1999 и дополнено AISI)^*1 （％）

Марка стали JIS (AISI)	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Cu	N	Другие
SUS304 (304)	Макс. 0.08	Макс. 1.00	Макс. 2.00	Макс. 0.045	Макс. 0.030	8.00 ~10.50	18.00 ~20.00	－	－	－	－
SUS304L (304L)	Макс. 0.030	Макс. 1.00	Макс. 2.00	Макс. 0.045	Макс. 0.030	9.00 ~13.00	18.00 ~20.00	－	－	－	－
SUS304LN (304LN)	Макс. 0.030	Макс. 1.00	Макс. 2.00	Макс. 0.045	Макс. 0.030	8.50 ~11.50	17.00 ~19.00	－	－	0.12 ~0.22	－
SUS309S (309S)	Макс. 0.08	Макс. 1.00	Макс. 2.00	Макс. 0.045	Макс. 0.030	12.00 ~15.00	22.00 ~24.00	－	－	－	－
SUS310S (310S)	Макс. 0.08	Макс. 1.50	Макс. 2.00	Макс. 0.045	Макс. 0.030	19.00 ~22.00	24.00 ~26.00	－	－	－	－
SUS316 (316)	Макс. 0.08	Макс. 1.00	Макс. 2.00	Макс. 0.045	Макс. 0.030	10.00 ~14.00	16.00 ~18.00	2.00 ~3.00	－	－	－
SUS316L (316L)	Макс. 0.030	Макс. 1.00	Макс. 2.00	Макс. 0.045	Макс. 0.030	12.00 ~15.00	16.00 ~18.00	2.00 ~3.00	－	－	－
SUS316LN (316LN)	Макс. 0.030	Макс. 1.00	Макс. 2.00	Макс. 0.045	Макс. 0.030	10.50 ~14.50	16.50 ~18.50	2.00 ~3.00	－	0.12 ~0.22	－
SUS317 (317)	Макс. 0.08	Макс. 1.00	Макс. 2.00	Макс. 0.045	Макс. 0.030	11.00 ~15.00	18.00 ~20.00	3.00 ~4.00	－	－	－
SUS317L (317L)	Макс. 0.030	Макс. 1.00	Макс. 2.00	Макс. 0.045	Макс. 0.030	11.00 ~15.00	18.00 ~20.00	3.00 ~4.00	－	－	－
SUS321 (321)	Макс. 0.08	Макс. 1.00	Макс. 2.00	Макс. 0.045	Макс. 0.030	9.00 ~13.00	17.00 ~19.00	－	－	－	Ti : 5×C% мин.
SUS347 (347)	Макс. 0.08	Макс. 1.00	Макс. 2.00	Макс. 0.045	Макс. 0.030	9.00 ~13.00	17.00 ~19.00	－	－	－	Nb : 10×C% мин.
SUS329 J3L*2 (31803)	Макс. 0.030	Макс. 1.00	Макс. 2.00	Макс. 0.040	Макс. 0.030	4.50 ~6.50	21.00 ~24.00	2.50 ~3.50	－	0.08 ~0.20	－
SUS329 J4L*2 (32250)	Макс. 0.030	Макс. 1.00	Макс. 1.50	Макс. 0.040	Макс. 0.030	5.50 ~7.50	24.00 ~26.00	2.50 ~3.50	－	0.08 ~0.30	－
SUS630*3 (S17400)	Макс. 0.07	Макс. 1.00	Макс. 1.00	Макс. 0.040	Макс. 0.030	3.00 ~5.00	15.00 ~17.50	－	3.00 ~5.00	－	Nb : 0.15~0.45
(Примечание) *1. Требования AISI приводятся в соответствующей спецификации. *2. Аустенитно-ферритная нержавеющая сталь (Дуплексная) *3. Дисперсионно-твердеющая нержавеющая сталь

3. Физические свойства нержавеющей стали

В Таблице 4 представлено сравнение физических свойств нержавеющих и углеродистых сталей.

При сварке нержавеющих сталей необходимо учитывать то, что физические свойства нержавеющих сталей и углеродистых сталей значительно отличаются, и это прямо или косвенно влияет на их свариваемость.

Например, при том, что коэффициент термического расширения мартенситной и ферритной нержавеющей стали почти такой же, что и у углеродистой стали, для аустенитной нержавеющей стали этот показатель в 1,5 раза выше по сравнению с углеродистой сталью. Это означает, что деформация и напряжение при сварке аустенитной нержавеющей стали гораздо выше, чем при сварке углеродистой стали.

Более того, если сварное соединение, содержащее аустенитную сталь и углеродистую сталь, подвергается воздействию термических циклов, в нем возникают термические напряжения из-за разницы коэффициентов термического расширения двух материалов. Поэтому использование сварных соединений с разными металлами, включая аустенитную нержавеющую сталь, в условиях циклических изменений температуры является проблематичным.

Кроме того, электрическое сопротивление нержавеющей стали намного выше, чем углеродистой стали, поэтому при дуговой сварке в защитной среде происходит обгорание покрытых электродов из нержавеющей стали. Таким образом, подходящий сварочный ток ниже, чем для электродов из углеродистой стали.

Мартенситные и ферритные нержавеющие стали являются ферромагнитыми, тогда как аустенитные нержавеющие стали обычно немагнитные.

Однако нередко сварочные материалы из аустенитной нержавеющей стали отчасти содержат ферритную структуру, в таких случаях сталь в определенной мере обладает магнитными свойствами.

Наличие или отсутствие магнитных свойств позволяет определить марку стали при сварочных процедурах. В частности, предварительное нагревание не применяется для немагнитных нержавеющих сталей, но оно часто бывает эффективным для магнитных нержавеющих сталей.

Таблица 4. Сравнение физических свойств

	Углеродистая сталь	Мартенситная нержавеющая сталь	Ферритная нержавеющая сталь	Аустенитная нержавеющая сталь
Теплопроводимость 10−2Cal/cm/sec℃	Примерно 11	Примерно 6	Примерно 6	Примерно 4
Коэффициент термического расширения 10−6/℃	Примерно 11	Примерно 11	Примерно 11	Примерно 17
Электрическое сопротивление μΩcm	15	57	60	72
Магнитные свойства	Да	Да	Да	Нет

Верх страницы