Сталь, несомненно, является одним из самых важных материалов в современном обществе. Благодаря своей удивительной прочности и универсальности она играет важнейшую роль во многих зданиях, промышленном оборудовании и значительных инженерных проектах по всему миру.
Сталь бывает различных сплавов, в том числе углеродистая и нержавеющая сталь наиболее распространенные и широко используемые. Хотя оба сплава обладают определенными свойствами, которые делают их пригодными для различных применений, они также имеют заметные различия в структуре и эксплуатационных характеристиках.
В этой статье мы рассмотрим различия между углеродистой и нержавеющей сталью во многих аспектах.
Химический состав: углеродистая сталь VS нержавеющая сталь
Элемент | Углеродистая сталь | Нержавеющая сталь |
Углерод (C) | 0.05% – 2.1% | 0.03% – 1.2% |
Хром (Cr) | ≤ 0,5% | 10.5% – 30% |
Никель (Ni) | ≤ 0,4% | 8% – 35% |
Марганец (Mn) | 0.3% – 1.0% | 0.5% – 2.0% |
Кремний (Si) | 0.1% – 0.5% | 0.2% – 1.0% |
Фосфор (P) | ≤ 0,04% | ≤ 0,04% |
Сера (S) | ≤ 0,05% | ≤ 0,03% |
Молибден (Mo) | ≤ 0,1% | 2% – 3% |
Титан (Ti) | ≤ 0,1% | 0.1% – 0.6% |
Углеродистая сталь содержит большее количество углерода, обычно от 0,05% до 2,1%. Углерод является ключевым элементом, определяющим твердость и прочность стали. Высокоуглеродистая сталь обладает большей твердостью, но меньшей вязкостью.
Напротив, нержавеющая сталь содержит большее количество различных металлов:
- Нержавеющая сталь содержит не менее 10,5% хрома. Хром образует защитный оксидный слой, значительно повышающий коррозионную стойкость стали.
- Добавление никеля в нержавеющую сталь значительно повышает ее коррозионную стойкость, пластичность и прочность, особенно в высокотемпературных средах.
- Кремний в нержавеющей стали в первую очередь повышает ее устойчивость к окислению и помогает сохранять стабильность при высоких температурах.
- Нержавеющая сталь часто имеет повышенное содержание молибдена, особенно в высококачественных сплавах, таких как 316. Молибден повышает коррозионную стойкость, особенно в морской или химической среде.
Механические свойства: углеродистая сталь VS нержавеющая сталь
Механические свойства | Углеродистая сталь | Нержавеющая сталь |
Предел текучести | 250 - 600 МПа | 250 - 450 МПа |
Прочность на разрыв | 400 - 700 МПа | 500 - 800 МПа |
Удлинение | 20% – 40% | 40% – 60% |
Твердость | 80 - 100 HRB / 40 - 60 HRC | 70 - 95 HRB / 30 - 40 HRC |
Ударная вязкость | Ниже (зависит от содержания углерода) | Выше (особенно в условиях низких температур) |
Усталостная прочность | 200 - 400 МПа | 300 - 500 МПа |
Физические свойства: углеродистая сталь VS нержавеющая сталь
| Физические свойства | Углеродистая сталь | Нержавеющая сталь |
| Плотность | 7,85 г/см³ | 7,75 - 8,05 г/см³ |
| Температура плавления | 1425 - 1540°C | 1375 - 1530°C |
| Теплопроводность | 50 - 60 Вт/м-К | 15 - 25 Вт/м-К |
| Удельная теплоемкость | 460 - 500 Дж/кг-К | 500 - 600 Дж/кг-К |
| Коэффициент теплового расширения | 11 - 13 × 10-⁶/°C | 16 - 18 × 10-⁶/°C |
| Магнитные свойства | Сильно магнитный | Немагнитные или слабомагнитные (зависит от состава) |
| Электрическое сопротивление | 50 - 60 × 10-⁶ Ω-m | 70 - 75 × 10-⁶ Ω-m |
Процесс производства: углеродистая сталь VS нержавеющая сталь
Кастинг
Из-за различий в составах нержавеющей и углеродистой стали процессы их разливки сильно отличаются.
При плавке металла нержавеющая сталь требует вакуума или защиты инертным газом для предотвращения окисления, а температура превышает 1600°C. Углеродистая сталь, состоящая в основном из углерода и железа, может быть выплавлена в обычной электродуговой печи при температуре около 1500-1550°C, что упрощает процесс.
Нержавеющая сталь, благодаря высокому содержанию сплавов, обладает плохой текучестью. Поэтому для нее требуются более крупные затворы и системы нижнего налива для уменьшения окисления, а также она имеет более высокий коэффициент усадки (2,5%-3,0%). Для компенсации усадки требуется несколько стояков и охлажденное железо. Углеродистая сталь, обладающая лучшей текучестью и меньшей усадкой (1,8%-2,2%), нуждается в более простых формах и естественном охлаждении.
Например, при отливке фланцев объем стояков в литьё из нержавеющей стали составляет 15%-20% от общей массы отливки, в то время как для фланцев из углеродистой стали - только 8%-12%.
Углеродистая сталь имеет простой химический состав, состоящий в основном из железа и углерода, с меньшим количеством легирующих элементов. Благодаря стабильной структуре и отличным физическим свойствам она легко поддается обработке. Углеродистая сталь обладает умеренной твердостью, низкой склонностью к упрочнению и меньшим износом инструмента. Кроме того, стружка легко ломается и меньше накапливается тепла, что значительно повышает эффективность обработки.
В отличие от нее, нержавеющая сталь содержит много легирующих элементов (таких как хром, никель и молибден), что обусловливает высокую твердость, прочность и низкую теплопроводность. В результате обрабатывать нержавеющую сталь сложнее. Она склонна к закалке, выделению тепла и быстрому износу инструмента.
Для обработки нержавеющей стали необходимо использовать специальные инструменты из твердых сплавов или с покрытием. Скорость резания должна быть снижена, скорость подачи увеличена, а для отвода тепла и смазки необходимо использовать достаточное количество охлаждающей жидкости. При фрезеровании, токарной обработке или сверлении нержавеющей стали также необходимо использовать соответствующие параметры.
Сварка
Углеродистая сталь обладает хорошими сварочными свойствами, особенно низкоуглеродистая сталь, которая подходит для различных методов сварки (таких как дуговая сварка и газовая сварка). Этот процесс прост и экономически эффективен. Однако высокоуглеродистая сталь требует предварительного нагрева и послесварочной термообработки, чтобы избежать растрескивания и хрупкости. В целом, сварка углеродистой стали относительно проста и подходит для большинства распространенных применений.
Сварочные свойства нержавеющей стали зависят от ее типа. Аустенитная нержавеющая сталь (например, 304 и 316) обладает хорошей свариваемостью, но требует внимания к коррозионной стойкости зоны термического влияния и потенциальному горячему растрескиванию. Мартенситные и ферритные нержавеющие стали плохо поддаются сварке и требуют предварительного нагрева и послесварочной термообработки. Для сварки нержавеющей стали обычно требуются специализированные методы (например, сварка TIG), а технические требования выше. Она идеально подходит для применения в тех случаях, когда требуется коррозионная стойкость и эстетичный внешний вид.
Сравнение стоимости: углеродистая сталь и нержавеющая сталь
Углеродистая сталь имеет значительное преимущество в стоимости, особенно с точки зрения сырья, производственных процессов и затрат на обработку. Ее сырье, в основном железо и углерод, недорогое и легкодоступное. Производственный процесс прост и отработан, а инвестиции в оборудование и затраты на его обслуживание невелики.
Кроме того, углеродистая сталь легко поддается резке, сварке и формовке. Ее эффективность обработки высока, износ инструмента минимален, а тепловыделение невелико, что еще больше снижает затраты на обработку. Эти характеристики делают углеродистую сталь идеальным выбором для проектов с ограниченным бюджетом и низкими требованиями к коррозионной стойкости.
Однако углеродистая сталь требует более высоких эксплуатационных расходов, поскольку она подвержена ржавчине. Для предотвращения коррозии необходима регулярная обработка поверхности, например, покраска или оцинковка.
Напротив, хотя нержавеющая сталь имеет более высокую стоимость сырья, производства и обработки, ее превосходная коррозионная стойкость означает, что она не требует дополнительного обслуживания, что приводит к снижению долгосрочных эксплуатационных расходов.
Углеродистая сталь подходит для сценариев с ограниченным первоначальным бюджетом и низкими требованиями к коррозионной стойкости. Хотя нержавеющая сталь имеет более высокую первоначальную стоимость, низкие эксплуатационные расходы и превосходная коррозионная стойкость делают ее более рентабельной в долгосрочной перспективе, особенно для проектов с более высокими требованиями к производительности. Выбирая между ними, следует учитывать конкретные потребности и бюджет.
Коррозионная стойкость: углеродистая сталь VS нержавеющая сталь
Углеродистая сталь плохо противостоит коррозии, поскольку не имеет эффективного защитного механизма. Она легко вступает в реакцию с водой и кислородом, образуя оксид железа (ржавчину), и быстрее корродирует во влажной, кислой или щелочной среде.
Для повышения коррозионной стойкости углеродистая сталь часто требует обработки поверхности, например, цинкования, окраски или гальванического покрытия. Однако такая обработка увеличивает стоимость и усложняет обслуживание. Даже после обработки углеродистая сталь все равно может со временем корродировать и требует регулярного обслуживания.
Нержавеющая сталь, напротив, обладает превосходной коррозионной стойкостью, в основном благодаря содержащемуся в ней хрому. Хром вступает в реакцию с кислородом, образуя плотный оксидный слой (пассивирующую пленку), который эффективно предотвращает дальнейшую коррозию.
Нержавеющая сталь хорошо работает в большинстве сред, особенно в окислительных средах, таких как воздух и пресная вода, и обычно не требует дополнительной обработки поверхности. Даже в агрессивных средах, таких как морская вода или кислотные среды, коррозионная стойкость нержавеющей стали намного выше, чем у углеродистой стали, хотя в экстремальных условиях может возникнуть точечная или щелевая коррозия.
Углеродистая сталь подходит для тех случаев, когда коррозионная стойкость не является первостепенной задачей, но она требует дополнительной обработки поверхности и регулярного обслуживания. Нержавеющая сталь, обладающая превосходной коррозионной стойкостью и низкими эксплуатационными расходами, лучше подходит для долгосрочного применения, особенно в суровых условиях. При выборе следует руководствоваться конкретными потребностями окружающей среды и экономическими соображениями.
Сравнение применения: углеродистая сталь VS нержавеющая сталь
Применение углеродистой стали
Строительство и строительная инженерия:
Углеродистая сталь широко используется в крупных конструкциях, таких как здания, мосты и железные дороги, благодаря своей высокой прочности на растяжение и твердости. Низкая стоимость и высокая прочность делают ее идеальным материалом для изготовления несущих элементов, таких как стальные балки и колонны.
Автомобильное производство:
В автомобильной промышленности углеродистая сталь часто используется для изготовления каркасов кузовов, шасси и колесных дисков. Благодаря своей прочности и износостойкости она выдерживает удары и трение во время эксплуатации автомобиля.
Обработка:
Углеродистая сталь отлично подходит для изготовления шестерен, подшипников, инструментов и других механических деталей благодаря своей высокой твердости и прочности. Благодаря хорошей обрабатываемости и низкой стоимости она широко используется в производстве станков и оборудования.
Нефтегазовая промышленность:
Благодаря своей прочности и устойчивости к высоким температурам углеродистая сталь широко используется в бурении нефтяных скважин, трубопроводах и сосудах под давлением. Однако ее слабая коррозионная стойкость часто требует нанесения дополнительных защитных покрытий.
Судостроение и аэрокосмическая промышленность:
Хотя углеродистая сталь используется в судостроении и аэрокосмической промышленности, для нее часто требуются защитные покрытия или низколегированная сталь, поскольку она плохо работает в агрессивных средах.
Применение нержавеющей стали
Медицинское оборудование и инструменты:
Нержавеющая сталь широко используется в медицинской промышленности благодаря своей превосходной коррозионной стойкости и биосовместимости. Из нее изготавливают хирургические инструменты, имплантаты (например, искусственные суставы, зубные имплантаты) и медицинское оборудование (например, больничные кровати и корпуса приборов).
Пищевая промышленность и производство напитков:
Благодаря устойчивости к коррозии и окислению нержавеющая сталь широко используется в производстве оборудования для пищевой промышленности, емкостей для напитков и кухонной утвари. Она не вступает в реакцию с продуктами питания, что делает ее идеальным материалом для производства оборудования для пищевой промышленности и контейнеров для хранения.
Химическая и нефтехимическая промышленность:
Нержавеющая сталь широко используется в трубопроводах, контейнерах и реакторах в химической, нефтяной и газовой промышленности. Ее коррозионная стойкость обеспечивает длительное использование в суровых химических средах.
Морская техника:
Благодаря своей коррозионной стойкости нержавеющая сталь широко используется в морской среде, например, на морских платформах, кораблях, водолазном оборудовании и морских трубопроводах.
Аэрокосмическая промышленность и высокотемпературные среды:
Устойчивость нержавеющей стали к высоким температурам делает ее пригодной для использования в аэрокосмической промышленности, особенно для компонентов двигателей и внешних конструкций, которые должны выдерживать высокие температуры и давление.
Архитектурный декор и мебель:
Нержавеющая сталь также используется в архитектурном декоре и мебели благодаря своей эстетичности и долговечности. Например, она широко используется для отделки наружных стен, лестничных перил и сантехники, обеспечивая одновременно высокую декоративность и долговечность.
Углеродистая сталь часто используется в областях, где требуется высокая прочность, твердость и износостойкость, особенно в строительстве, производстве и автомобильной промышленности, где часто возникают большие нагрузки или ударные нагрузки.
Нержавеющая сталь больше подходит для сред, требующих коррозионной стойкости, устойчивости к высоким температурам или химической стойкости, особенно в таких отраслях, как здравоохранение, пищевая промышленность, химическая и морская техника.
Чем может помочь Манек
Компания Manek предлагает своим клиентам ряд индивидуальных услуг для нержавеющей и углеродистой стали, включая литье по выплавляемым моделям, литье в песок, литье под давлением, механическую обработку с ЧПУ, изготовление листового металла, а также различные виды обработки поверхности.
Мы также предоставляем целый ряд других производственных возможностей. Вы можете бесплатно получить расценки на такие услуги, как 3D-печать, литье пластмасс под давлением и порошковая окраска.
