Виды нержавеющих сталей и чем их сваривать: классы, подбор сварочных материалов и обработка швов

Пять классов нержавеющих сталей

Нержавеющие стали делят по структуре — от неё зависят и коррозионная стойкость, и поведение при сварке.

Аустенитные (хромоникелевые)

Самый распространённый класс: немагнитны, хорошо свариваются, дают высокую общую коррозионную стойкость, но не упрочняются термообработкой. Базовая — 08Х18Н10 (AISI 304); стабилизированная титаном против межкристаллитной коррозии — 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т (AISI 321); низкоуглеродистая — 03Х18Н11 (AISI 304L). С молибденом, для стойкости к хлоридам и питтингу, — 08Х17Н13М2 и 10Х17Н13М2Т (AISI 316 / 316Ti) и 03Х17Н14М3 (AISI 316L). Жаростойкие с высоким содержанием хрома и никеля — 10Х23Н18 (AISI 310S).

Ферритные (высокохромистые)

Магнитны, содержат хром почти без никеля, дешевле аустенитных. Умеренная коррозионная стойкость (хороши в окислительных и атмосферных средах, слабы в восстановительных и хлоридных), не упрочняются закалкой, свариваются ограниченно из-за роста зерна в зоне термического влияния. Типичные: 12Х17 (AISI 430), стабилизированная 08Х17Т (≈ AISI 439/430Ti), высокохромистая 15Х25Т (≈ AISI 446).

Мартенситные

Магнитны, упрочняются закалкой и отпуском, дают высокую прочность и твёрдость ценой пониженной коррозионной стойкости. Свариваются тяжело — закаливаются в зоне термического влияния, склонны к трещинам. Типичные: 12Х13 (AISI 410), 20Х13 / 30Х13 / 40Х13 (AISI 420), высокоуглеродистая 95Х18 (≈ AISI 440).

Аустенитно-ферритные (дуплексные)

Структура примерно поровну феррит и аустенит — отсюда сочетание высокой прочности и высокой стойкости к хлоридному питтингу и коррозионному растрескиванию. Российская классическая — 08Х22Н6Т (≈ AISI 329); современные дуплекс 2205 (UNS S32205) и супердуплекс 2507 (UNS S32750) применяют под международными обозначениями. Требуют аккуратной сварки: перегрев нарушает баланс фаз.

Дисперсионно-твердеющие (PH)

Узкий, но важный класс: высокая прочность после старения при неплохой коррозионной стойкости. Марки 07Х16Н6, 09Х17Н7Ю (≈ 17-7PH). Применяются точечно — авиация, пружины, высоконагруженные валы; свариваются по специальным процедурам.

Какими материалами производить сварку каждого класса и почему именно ими

Логика подбора одна: наплавленный металл должен либо соответствовать основному по составу, либо осознанно превосходить его там, где это предотвращает трещины и коррозию. Ниже — соответствие классов и сварочных материалов каталога.

Три механизма объясняют весь выбор. Молибден против питтинга: различие материалов 308-типа и 316-типа — именно молибден; без него наплавленный металл беззащитен перед хлоридами, поэтому 316-группу нельзя сваривать материалом 308-типа. Стабилизация и низкий углерод против межкристаллитной коррозии: при нагреве в зоне термического влияния выпадают карбиды хрома, приграничные зоны обедняются хромом — низкоуглеродистые («L») и стабилизированные сварочные материалы этого не допускают. Баланс фаз у дуплекса: дуплекс коррозионностоек только при сохранении соотношения феррит/аустенит; сварочный материал с повышенным содержанием никеля и контроль тепловложения удерживают этот баланс, иначе дорогая сталь корродирует как рядовая.

Технологические особенности сварки

У каждого класса — своя главная опасность, и режим сварки строится вокруг неё.

Аустенитные имеют высокий коэффициент теплового расширения — отсюда коробление; сваривают с низким тепловложением, низкой межпроходной температурой (ориентир ≤150 °C), частыми прихватками, защищают корень формирующим газом. Главная опасность — сенсибилизация (выпадение карбидов хрома при перегреве).

Ферритные склонны к росту зерна и охрупчиванию зоны термического влияния при перегреве; тепловложение минимизируют, для толстых сечений иногда дают небольшой подогрев, избегают длительного пребывания в опасном интервале температур.

Мартенситные закаливаются в зоне термического влияния и склонны к трещинам; необходим подогрев (ориентировочно 200–300 °C), последующий отпуск для снятия твёрдости и напряжений, контроль водорода. Без этого шов и околошовная зона получаются хрупкими.

Дуплексные требуют тепловложения в узком диапазоне: слишком мало — избыток феррита и падение вязкости, слишком много — выделение сигма-фазы и нитридов хрома с потерей стойкости к питтингу. Межпроходную температуру держат низкой; термообработку после сварки обычно не выполняют.

Общие правила: защита корня внутренних швов формирующим газом (окисленный корень становится очагом коррозии), отдельный инструмент только для нержавеющей стали (контакт с углеродистой сталью заносит железо и вызывает точечную коррозию), для разнородных соединений — буферные сварочные материалы.

После сварки: удаление цветов побежалости и пассивация

Сварка разрушает главное защитное свойство нержавеющей стали — поверхностный слой оксида хрома. Вдоль шва образуются цвета побежалости: зона обеднённого хромом оксида, которая корродирует первой. Поэтому обработка шва после сварки — не косметика, а восстановление коррозионной стойкости. Она включает удаление шлака и цветов побежалости, травление (снятие повреждённого слоя) и пассивацию (восстановление защитной хромовой плёнки), а также механическую зачистку только нержавеющим инструментом.

Для этой задачи применяется пассивирующая паста SE-paste. Она наносится кистью ровным слоем на остывшую до комнатной температуры поверхность; пассивирующий раствор взаимодействует с металлом и формирует защитный слой оксида хрома. Время выдержки зависит от марки стали и температуры — ориентировочно 15–60 минут для нержавеющих сталей и 5–20 минут для медно-никелевых сплавов; после выдержки поверхность промывают деминерализованной (бессолевой) водой. Паста применима также для травления меди и медных сплавов.

По безопасности: SE-paste содержит гидрофтористую кислоту с едким запахом — работать только в хорошо вентилируемом помещении, в защитной одежде для кожи и глаз; пасту беречь от нагрева и солнечных лучей, при попадании на кожу немедленно смывать водой. Поставляется в банке 2 кг.

Отрасли и типовые узлы применения

Класс стали выбирают под задачу — вот типовые применения.

Аустенитные 08Х18Н10 / 12Х18Н10Т — основной материал пищевой, молочной, фармацевтической и химической промышленности: ёмкости, трубопроводы, теплообменники, а также архитектурные и декоративные конструкции. Аустенитные 10Х17Н13М2Т добавляют молибден и применяются там, где присутствуют хлориды: морское оборудование, целлюлозно-бумажное производство, фармацевтика высокой чистоты. Ферритные 12Х17 — бытовая техника, элементы выхлопных систем автомобилей, декоративные панели, то есть узлы без высоких нагрузок и агрессивной химии. Мартенситные 20Х13 — там, где прочность и твёрдость важнее коррозионной стойкости: режущий инструмент, ножи, лопатки, валы, клапаны, крепёж. Дуплексные 08Х22Н6Т — нефтегазовая отрасль, морские платформы, опреснительные установки, химовозы, высокохлоридные технологические среды. Жаростойкие 10Х23Н18 — печи, реторты, теплоэнергетическое оборудование.

Отдельная большая область — линии обработки поверхности: гальванические ванны, травильные и пассивационные линии, оборудование подготовки перед нанесением покрытий. Здесь нержавеющая сталь работает в постоянном контакте с агрессивной химией, а конструкции почти всегда сварные — и именно сварной шов становится слабым звеном.

Показательный пример такой линии — окрасочное производство в автомобильной промышленности. Когда говорят о сварке в окрасочном цехе, обычно подразумевают кабины напыления, однако кабина — это оцинкованная сталь и рядовая конструкционная сварка. Коррозия и внеплановые остановки приходят с линии подготовки поверхности и катафореза: обезжиривание, травление, фосфатирование, деминерализованная промывка, ванны катафореза. Это крупные сварные ёмкости из нержавеющей стали, и характерная черта их отказов в том, что течь появляется по сварному шву, а не по основному металлу листа — потому что наплавленный металл и зона побежалости по стойкости заведомо уступают основному металлу, а катафорезное покрытие ложится в том числе на швы и щели, то есть шов работает в той же среде, что и стенка, но с меньшей исходной стойкостью.

Требование к шву здесь задаёт химия конкретной стадии. Промывочные и деминерализованные баки с мягкой водой допускают материал 308-типа (AWG 3008). Фосфатная и хлоридная среда при 50–60 °C требует молибдена — материалы 316-типа (AWG ROST 1913, AWG 316, AWG 3016); замена 316 на 308 «ради экономии» на этой стадии оборачивается сквозным питтингом по шву. Кислые стадии травления — кислотостойкий материал (AWG M 4519). Тяжёлые хлоридные узлы — дуплекс (AWG ROST 594, AWG M 2507). Стык ванны с углеродистой рамой — материал 309-типа (AWG 3009); для ремонта — E312/E307 (AWG 425, AWG ROST 330). Корень, который невозможно поддуть изнутри, — самозащитный AWG TF3016. И обязательная послесварочная обработка: непротравленные цвета побежалости в фосфатно-хлоридной среде корродируют первыми, поэтому травление и пассивация шва (в том числе пастой SE-paste) здесь критичны.

Вопросы и ответы

Как определить, каким сварочным материалом выполнять сварку нержавеющей стали? По структурному классу стали и по среде эксплуатации: 304/321 — материал 308-типа, 316 — материал 316-типа с молибденом, дуплекс — материалом дуплексного типа, мартенсит — с подогревом, феррит — чаще аустенитным материалом 309-типа. Слово «нержавеющая» само по себе сварочный материал не определяет.

Чем 316 отличается от 304 при сварке? Молибденом. Материал 316-типа держит хлоридный питтинг, 304/308 — нет. В хлоридной или фосфатной среде материал 308-типа корродирует по шву.

Почему нержавеющая конструкция ржавеет по сварному шву? Три типовые причины: сварочный материал без молибдена в хлоридной среде, межкристаллитная коррозия из-за перегрева, необработанные цвета побежалости. Все три сходятся в шве.

Зачем пассивировать шов после сварки? Сварка разрушает защитный слой оксида хрома вдоль шва. Пассивация (например, пастой SE-paste) восстанавливает эту плёнку; без неё шов корродирует первым.

Можно ли сваривать мартенситную сталь так же, как аустенитную? Нет. Мартенсит закаливается в зоне термического влияния и склонен к трещинам — необходимы подогрев и отпуск либо пластичный аустенитный буферный шов для ремонта.