Кто и когда изобрел нержавеющую сталь
Elton-zoloto.ru

Драгоценные металлы

Кто и когда изобрел нержавеющую сталь

История создания нержавеющей стали

Кто был изобретателем нержавейки?

Создание нержавеющей стали

Возможно, как только вы услышите этот вопрос, на вашем лице появится ухмылка и вы скажете себе: «Это Гарри Брайрли! Несомненно, это он». Конечно, на самом деле всё может быть не так уж и просто.

С самого рассвета человечества люди наперегонки пытались открыть новые технологии, стать первыми, чьё имя будет связано с открытием. И хотя за миллионы лет мы значительно развились, в нас всё ещё живёт желание быть первыми в чём-то.

Некоторые люди, разумеется, часто пытаются выдать чужое открытие за своё собственное. Конечно, часть открытий делаются группами, или же разные люди делают их одновременно. Но до тех пор, пока кто-то один не сможет доказать, что именно он что-то открыл, всегда найдутся желающие это оспорить.

Итак, нержавеющая сталь.

Первая проблема с определением понятия «изобретатель» заключается в том, что не до конца понятно, кто им считается. Должен ли это быть тот человек, который первым задокументировал явление изобретения? Запатентовал? Или же тот, кто, собственно, что-то изобрёл? Вторая проблема – то, что определение нержавеющей стали до 1911 года не было окончательно сформулировано. Поэтому, видимо, нам не стоит учитывать те хромово-алюминиевые сплавы, которые не содержат необходимые 10,5% хрома.

“Изобретатели” нержавейки объявлялись в самых разных странах: в Британии, Германии, Франции, Польше, США и даже в Швеции.

Всё началось благодаря англичанам Стоддарду и Фарадею и французу Пьеру Бертьё около 1820-1821 годов. Эти учёные, кроме всего прочего, заметили, что сплавы железа с хромом были устойчивы к воздействию на них некоторых кислот. Однако они проводили испытания только со сплавами с малой долей хрома. Попытки произвести сплавы с большей его долей провалились из-за того, что учёные не понимали важности малого содержания углерода.

В 1872 году другая пара британских учёных, Вудс и Кларк, подали запрос на патент на сплав железа, устойчивый к погодным условиям и кислотам, содержащий 30-35% хрома и 2% вольфрама. Несмотря на это, они не занялись созданием этого сплава. Это начал лишь в 1875 году француз по имени Брюстлейн, который понял важность малого содержания углерода для успешного произведения нержавеющей стали. Он установил, что процент углерода не должен превышать 0,15%.

На протяжении следующих 20 лет продолжался процесс застоя в исследовании способов производства нержавейки, когда никто из учёных в этом не преуспел.

Только в 1895 году Ганс Гольдшмидт из Германии разработал процесс алюминотермии для производства хрома, не содержащего углерод. Тогда производство нержавеющей стали стало возможным.

В 1904 году французский учёный Леон Гуллит провёл глубокое исследование разных железо-хромовых сплавов. Его работа положила основу тому, что сейчас известно как стандарты нержавеющей стали 410, 420, 442, 446 и 440 по стандарту AISI (Американского института стали и сплавов).

В 1909 году британец Гиссен опубликовал работу по изучению никелево-хромовых сплавов. Тогда же житель Франции А. Портевин изучал то, что сейчас называется нержавеющей сталью стандарта 430 AISI.

Только в 1911 немцы П. Моннарц и В. Борчерс установили взаимосвязь между содержанием хрома и устойчивости к коррозии. Они заметили, что при наличии как минимум 10,5% хрома в сплаве устойчивость к ней значительно увеличивается. Также они опубликовали работы о влиянии молибдена на устойчивость к коррозии.

И здесь в истории изобретения нержавейки появляется новое имя. Гарри Брайрли, рождённый в г. Шеффилде в Англии в 1871 году. Он был назначен ведущим исследователем в фирме Brown Firth Laboratories в 1908 году. В 1912 году он получил от небольшой фирмы, производящей оружие, заказ на нахождение способа продлить срок жизни оружейных стволов, производимых этой фирмой. Проблема заключалась в том, что они разрушались слишком быстро из-за эрозии. Брайрли поставил перед собой цель создать сталь, устойчивую к эрозии, а не к коррозии. Пока он экспериментировал, Брайрли создал несколько видов сплавов, содержащих от 6% до 15% хрома и разные доли углерода.

13 августа 1913 года Брайрли создал сталь с содержанием 12,8% хрома и 0,24% углерода, которая считается первой в мире нержавеющей сталью. Сам процесс обнаружения им подобных свойств у полученного сплава точно неизвестен. Самая распространённая версия заключается в том, что он, подобно Александру Флемингу через 20 лет после этого, выбросил полученную сталь и совершенно случайно заметил её устойчивость к разрушению. Разумеется, вероятность правдивости этой истории не стопроцентна.

Другой вариант истории, более вероятный, но менее интересный, утверждает, что Брайрли проверял полученный металл на устойчивость к химическому воздействию с помощью азотной кислоты. Заметив устойчивость к ней, он начал проверять воздействие других повреждающих веществ – уксуса и лимонного сока. Он был поражён тому, что и в этом случае его сплавы были устойчивы и к этим веществам и понял, что его изобретение найдёт обширное применение в области произовдства столовых приборов.

К сожалению, работодателей Гарри не впечатлила его находка, из-за чего ему пришлось обратиться к местному производителю столовых приборов – фирме R. F. Mosley. Он обратился к своему другу детства, Эрнесту Стюарту, работавшему в другой компании по производству столовых приборов, которая называлась Mosley’s Portland Works. Брайрли сделал это потому, что встретил некоторые трудности при производстве лезвий для ножей. За три недели Стюарт довёл процесс до совершенства. Гарри Брайрли хотел назвать своё изобретение «безржавчинной сталью», однако прижилось название «нержавеющая сталь», которое придумал Эрнест Стюарт.

Так Гарри Брайрли и изобрёл нержавеющую сталь. Вот только здесь есть ещё кое-что, что стоит упомянуть.

История нержавеющей стали

История нержавеющей стали началась более двух веков назад, в 1797 году, когда ученый-химик Воклен, исследуя свойства хрома, обнаружил уникальную особенность данного металла – чрезвычайную устойчивость к воздействию кислоты. Прошло много лет, прежде чем это важное открытие нашло практическое применение в самых разных сферах нашей жизни.

Изобретение нержавеющей стали: у истоков

Версия основная – официальная

Официальным создателем нержавейки считается металлург Гарри Бреарли (Брирли) – английский исследователь, возглавлявший в начале 20 века лабораторию по изучению металлов. Деятельность лаборатории курировали сталеплавильные компании Шеффилда, первостепенной целью которых было изучение стальных сплавов, предназначавшихся для отливки оружейных стволов.

Пытаясь создать сплав с высокими прочностными и жаростойкими характеристиками, Бреарли добавлял к железу различные присадки и опытным способом исследовал получившиеся свойства металла. Неудачные образцы складировались тут же в лаборатории и со временем ржавели. Однажды ученый заметил, что одна из заготовок, отлитая больше месяца назад, не покрылась ржавчиной, а сохранила свой первоначальный блеск.

Этот состав, открытый случайно, и был взят за основу современных нержавеющих сплавов. В его состав входило железо, хром, марганец, углерод и кремний. Именно Гарри Бреарли в 1913 г. получил патент на первый мартенситный сплав, ставший предшественником современной марки AISI 420.

Другие исследователи нержавеющих металлов

Но не все согласны с первенством Бреарли в истории изобретения нержавейки. В 1821 г. французский исследователь Пьер Бертье доказал, что добавление никеля в состав сплава делает его устойчивым к ржавчине. Правда, у этого предшественника нержавейки выявилась другая проблема. Материал получался очень хрупким, что являлось серьезным недостатком для его использования. В дальнейшем над первоначальным рецептом работал ряд авторов. Один из них – Элвуд Хейнс подал документы для получения патента на год раньше Бреарли, но смог получить его только спустя семь лет.

В 1904 году Джиллет в производстве бритвы использовал сплав, химические свойства которого хорошо противостояли коррозийным процессам. Немецкий ученый Филипп Моннартц в 1911 г. опубликовал свои результаты изучения коррозионностойкой стали. Э. Маурэр и Б. Штраус в 1912 г. получили патент на аустенитный нержавеющий состав с высоким содержанием хрома и никеля.

Тем не менее, Бреарли был признан основоположником и главным исследователем дальнейших теоретических и практических разработок в области нержавейки.

Вывод нержавейки на массовый рынок

Бреарли продолжил свои опыты с необычной заготовкой и выяснил, что получившийся состав устойчив к воздействию кислот. Несомненно, у новой стали был большой потенциал. Несмотря на то, что в оружейном производстве применения она не нашла, ее успешно можно было использовать в других сферах.

Ученый предложил ведущим металлургическим компаниям использовать прокат с новыми химическими свойствами для изготовления столовых приборов, но не встретил заинтересованности со стороны производителей. Они считали материал бесперспективным, дорогим в производстве и отказались изготавливать продукцию и продвигать ее на рынке. Дальнейшая судьба нержавейки оказалась под большим вопросом.

Но через год Э. Стюарт, сотрудник компании, производящей столовые приборы, согласился в качестве эксперимента выпустить пробную партию ножей. Продукция получила высокую оценку среди потребителей и, после усовершенствования технологии изготовления, компания Шеффилда признала хорошие перспективы нового изобретения на рынке.

Производство набирало обороты. Всего через несколько лет на изобретение были получены патенты в Европе, США и Канаде. В результате сотрудничества Бреарли и Хейнса была создана международная корпорация по производству и изготовлению продукции из мартенситных и ферритных нержавеющих сталей.

Популяризация нержавеющих сплавов

Широкую известность среди мировой общественности нержавеющая сталь получила чуть более 100 лет назад, после выхода заметки в New York Times о технологическом прорыве, совершенном компанией Шеффилда. По заявлению британского производителя, новый вид изделий не подвержен коррозии, не теряет первоначального блеска под воздействием воды и кислот, не покрывается пятнами и не тускнеет со временем.

Изначально новый сплав предназначался для изготовления столовых приборов, но уже через несколько лет стал использоваться в самых разных отраслях промышленности и машиностроения.

Типы нержавеющих сталей

В результате многочисленных экспериментов с базовым химическим составом и соотношением присадок были выделены основные группы сплавов:

  • Ферритные – низкоуглеродные, с большим содержанием хрома (до 30%), пластичные и легкие в обработке.
  • Мартенситные – хромисто-углеродные составы, обладающие высокой прочностью.
  • Аустенитные (хромо-никелевые) – немагнитные сплавы, по антикоррозийным свойствам превосходящие ферритные и мартенситные.
  • Комбинированные – сочетающие свойства аустенитных и ферритных сталей.

Нержавеющая сталь сегодня – основные сферы использования

Современную жизнь сложно представить без нержавейки. Когда нержавеющая сталь появилась в промышленности, это упростило многие технологические процессы и помогло модернизировать производство, вывести его совершенно на новый уровень развития.

Долговечный и практичный металл получил широкое распространение в пищевой промышленности. Оборудование, производственные линии, емкости и резервуары для транспортировки и хранения продукции, столовые приборы и посуда – роль нержавейки в этой сфере, действительно, огромна.

В медицине нержавейка решила проблемы обработки и гигиеничности инструментов и рабочих поверхностей. Она используется при изготовлении медицинского оборудования и мебели, расходных материалов, инструментов.

Основное назначение коррозионностойкой стали в данной отрасли – производство деталей, устройств и агрегатов для станкостроения, транспортного машиностроения, нужд промышленности.

В нефтехимической промышленности коррозионностойкие стали используют в производстве реакторов, труб, агрегатов, узлов, конструкций, резервуаров, к которым предъявляются высокие требования прочности и стойкости к агрессивным средам.

Читать еще:  Как варить в маске хамелеон

Архитектура и строительство

В архитектуре и строительстве из нержавеющих сплавов изготавливаются элементы декора и отделки, опорные конструкции. Материал великолепно сочетается с деревом, стеклом, камнем и в любом интерьере будет смотреться превосходно.

Космос и авиация

В авиационно-космической промышленности материал незаменим для создания специального оборудования, приборов, деталей.

С годами возможности использования антикоррозийных сплавов только расширяются. Правильно подобранные и обработанные металлоизделия – идеальный материал для длительного и беспроблемного использования. В настоящее время существуют десятки разновидностей металлопроката нержавейки, свойства которого определяются требованиями соответствующей отрасли.

LiveInternetLiveInternet

Музыка

Поиск по дневнику

Подписка по e-mail

Постоянные читатели

Сообщества

Трансляции

Статистика

История нержавеющей стали

Среда, 15 Августа 2018 г. 17:00 + в цитатник

Проучено от michabit46

Сто лет назад мир услышал о замечательном материале, который чрезвычайно широко применяется в самых различных областях нашей жизни, — нержавеющей стали.

О технологических новинках публика часто узнает из средств массовой информации, однако такие сообщения обычно не опираются на дипломатические источники. 31 января 1915 года это правило было нарушено. Газета New York Times опубликовала небольшую заметку, озаглавленную A Non-Rusting Steel. В газетном сообщении говорилось, что компания из британского города Шеффилда выпустила на рынок новый вид стали, «которая не поддается коррозии, не тускнеет и не покрывается пятнами».

Производитель утверждал, что она чрезвычайно подходит для изготовления столовых приборов, поскольку изделия из нее хорошо моются и не теряют блеска при контакте даже с самой кислой пищей. В качестве источника информации был назван американский консул в Шеффилде Джон Сэвидж.

Вот так, без большого шума и с изрядным запозданием, мир узнал об изобретении нержавеющей стали.

Типы нержавейки

Нержавеющие стали различаются свойствами, составом и назначением, но в целом их можно разделить на несколько основных групп по кристаллической структуре: ферритные, аустенитные, мартенситные и двухфазные (ферритно-аустенитные). Ферритные нержавеющие — это хромистые (10−30% хрома) и низкоуглеродистые (менее 0,1%) стали. Они достаточно прочные, пластичные, относительно несложно обрабатываются и при этом дешевы, но не поддаются термической обработке (закаливанию).

Мартенситные нержавеющие — это хромистые (10−17% хрома) стали, содержащие до 1% углерода. Они хорошо поддаются термообработке (закаливанию и отпуску), что придает изделиям из таких сталей высокую твердость (из них делают ножи, подшипники, режущие инструменты). Мартенситные стали сложнее в обработке и из-за более низкого содержания хрома менее стойки к коррозии, чем ферритные. Аустенитные нержавеющие стали — хромоникелевые.

Они содержат 16−26% хрома и 6−12% никеля, а также углерод и молибден. По коррозионной стойкости превосходят ферритные и мартенситные стали и являются немагнитными. Высокую прочность получают при нагартовке (наклепе), при термообработке (закалке) их твердость уменьшается. Двухфазные стали сочетают различные свойства ферритных и аустенитных сталей.

Предки нержавейки

Вообще-то такую сталь выпускали в Европе и США еще до шеффилдских металлургов. Обычная сталь, сплав железа и углерода, легко покрывается пленкой оксида железа — то есть ржавеет. К слову, именно это обстоятельство было одной из причин блестящего коммерческого успеха американского предпринимателя Кинга Кемпа Жиллетта, который придумал безопасную бритву. В 1903 году его фирма продала лишь 51 лезвие, в 1904-м — без малого 91 000, а к 1915 году общий объем продаж превысил 70 млн.

Жиллеттовские лезвия, на которые шла нелегированная сталь из бессемеровских конвертеров, быстро ржавели и тупились и потому требовали частой замены. Любопытно, что рецепт борьбы с этой болезнью главного металла тогдашней индустрии был давно найден. В 1821 году французский геолог и горный инженер Пьер Бертье заметил, что сплавы железа с хромом обладают хорошей кислотоустойчивостью, и предложил делать из них кухонные и столовые ножи, вилки и ложки. Однако эта идея долго оставалась благим пожеланием, поскольку первые сплавы железа и хрома были очень хрупкими. Лишь в начале XX века были изобретены рецептуры сплавов железа, способные претендовать на титул нержавеющей стали.

Среди их авторов был один из пионеров американского автомобилестроения Элвуд Хейнс, который собирался использовать свой сплав для изготовления металлорежущего инструмента. В 1912 году он подал заявку на соответствующий патент, который был получен лишь семью годами позже после длительных споров с Бюро патентов США.

Лезвия для станков Gillette делали из твердой углеродистой стали. Они были не слишком долговечны, поскольку легко ржавели от постоянного воздействия влаги.

Случайная находка
Но официальным родителем всем известной нержавейки стал человек, который ее вовсе не искал и создал лишь благодаря счастливому случаю. Этот жребий выпал на долю английского металлурга-самоучки Гарри Брирли, который в 1908 году возглавил небольшую лабораторию, учрежденную двумя шеффилдскими сталеплавильными компаниями.

В 1913 году он проводил исследования стальных сплавов, которые предполагалось использовать для изготовления ружейных стволов. Научное металловедение пребывало тогда в зачаточном состоянии, поэтому Брирли действовал методом проб и ошибок, проверяя на прочность и жароустойчивость сплавы с разными присадками. Неудачные заготовки он попросту складывал в углу, и они там спокойно ржавели.

Как-то он заметил, что отливка, извлеченная из электрической печи месяц назад, вовсе не выглядит ржавой, а блестит как новая. Этот сплав содержал 85,3% железа, 0,2% кремния, 0,44% марганца, 0,24% углерода и 12,8% хрома. Он-то и стал первым в мире образцом той стали, о которой позднее сообщила газета New York Times. Он был выплавлен в августе 1913 года.

А столовые ножи производства одной из компаний в Шеффилде, возможно, были не такими острыми, но зато хорошо сопротивлялись коррозии.

Провал и успех

Брирли заинтересовался необычной отливкой и вскоре выяснил, что она хорошо сопротивляется действию азотной кислоты. Хоть в качестве оружейной стали новый сплав успеха и не принес, Брирли понял, что этот материал найдет множество других применений. Шеффилд с XVI столетия известен изделиями из металла, такими как ножи и столовые приборы, так что Брирли решил опробовать свой сплав в этом качестве.

Однако двое местных фабрикантов, которым он отправил отливки, отнеслись к его предложению скептически. Они сочли, что ножи из новой стали требуют больших трудозатрат для изготовления и закалки. Металлургические компании, в том числе и та, в которой работал Брирли, тоже не горели энтузиазмом.

Понятно, что и ножовщики, и производители металла опасались, что изделия из нержавеющей стали окажутся настолько долговечными, что рынок быстро насытится и спрос на них упадет. Поэтому вплоть до лета 1914 года все попытки Брирли убедить промышленников в перспективности нового сплава ни к чему путному не привели.

Но потом ему повезло. В середине лета судьба столкнула его со школьным товарищем Эрнестом Стюартом. Стюарт, сотрудник компании R.F. Mosley & Co, выпускавшей столовые приборы, поначалу вообще не поверил в реальность существования стали, которая неподвластна ржавчине, однако согласился в виде эксперимента изготовить из нее несколько ножей для сыра. Изделия получились отменными, однако Стюарт счел эту затею неудачной, поскольку его инструменты при изготовлении этих ножей быстро тупились.

Но в конце концов Стюарт и Брирли все-таки подобрали режим нагрева, при котором сталь поддавалась обработке и не становилась хрупкой после охлаждения. В сентябре Стюарт сделал небольшую партию кухонных ножей, которые он раздал знакомым для тестирования с одним условием: он попросил вернуть их в случае появления на клинках ножей пятен или ржавчины. Но ни один нож так и не вернулся в его мастерскую, и вскоре шеффилдские фабриканты признали новую сталь.

Железоникелевые метеориты имеют в своем составе около 10% никеля, но не содержат хрома, поэтому не обладают коррозионной стойкостью. В этом можно убедиться, посетив минералогический раздел какого-нибудь музея естественной истории. Присмотревшись к образцам железоникелевых метеоритов (скажем, Сихотэ-Алиньского, который часто встречается в таких экспозициях), можно увидеть многочисленные следы ржавчины.

А вот образец железоникелевого метеорита, купленный в магазине минералогических сувениров, скорее всего, действительно не будет ржаветь. Причина — в «предпродажной подготовке», которая заключается в покрытии образца густой защитной смазкой. Стоит смыть эту смазку при помощи растворителя — и тогда влага и кислород атмосферы возьмут реванш.

Небесное железо. Довольно часто можно встретить утверждение, что метеоритное железо не ржавеет. На самом деле это чистой воды миф.

Резцы и ножи

В августе 1915 года Брирли получил на свое изобретение патент в Канаде, в сентябре 1916 года — в США, затем и в нескольких европейских странах. Строго говоря, он патентовал даже не сам сплав, а лишь изготовленные из него ножи, вилки, ложки и прочие столовые приборы. Хейнс опротестовал американский патент Брирли, ссылаясь на свой приоритет, но в конце концов стороны пришли к соглашению. Это сделало возможным учреждение в Питтсбурге совместной англо-американской корпорации The American Stainless Steel Company. Но это уже совсем другая история.

Стоит отметить, что нержавеющая сталь Хейнса содержала куда больше углерода, нежели сталь Брирли, и потому имела иную кристаллическую структуру. Это и понятно: углерод обеспечивает твердость при закалке, а Хейнс стремился создать именно сплав для изготовления станочных резцов и фрез. Сейчас стали хейнсовского типа называют мартенситными, а стали, которые исторически восходят к сплаву Брирли, — ферритными (существуют и другие виды нержавеющих сталей).

Естественный вкус

Стюарт не только открыл путь к применению новой стали, но и нашел для нее общепринятое ныне англо-язычное название stainless steel, «сталь без пятен». Если верить стандартному объяснению, оно пришло ему в голову, когда он окунул отполированную стальную пластинку в уксус и, глядя на результат, с удивлением произнес: «This steel stains less», то есть «На этой стали остается мало пятен». Брирли называл свое детище несколько иначе — rustless steel, что соответствует русскоязычному термину «нержавеющая сталь». Кстати, заглавие заметки в New York Times возвещало о появлении именно нержавеющей (а не слаборжавеющей!) стали.

Секрет ее несложен. При достаточной концентрации хрома (не менее 10,5% и до 26% для особо агрессивных сред) на поверхности изделий из нержавейки формируется твердая прозрачная пленка оксида хрома Cr2O3, прочно сцепленная с металлом. Она образует невидимый глазу защитный слой, который не растворяется в воде и препятствует окислению железа, а следовательно, не позволяет ему ржаветь. У этой пленки есть еще одно ценнейшее качество — она самовосстанавливается в поврежденных местах, поэтому ей не страшны царапины.

Столовые приборы из нержавейки приобрели огромную популярность еще и потому, что позволили избавиться от специфического привкуса, свойственного недорогой металлической посуде. Слой оксида хрома предоставляет возможность наслаждаться естественным вкусом пищи, поскольку препятствует непосредственному контакту вкусовых сосочков языка с металлом. В общем, нержавеющая сталь, которую современная индустрия выпускает во множестве разновидностей — поистине замечательное случайное изобретение.

Читать еще:  Какой чугун называется белым

Индийское чудо.

Железная (Кутубова) колонна — одна из главных достопримечательностей Дели. Воздвигнутая в 415 году, она за 1600 лет почти не пострадала от коррозии — лишь на поверхности виднеются небольшие пятнышки ржавчины, в то время как обычные стальные изделия подобного размера за такое время почти полностью окисляются и рассыпаются в пыль.

В попытках объяснить этот феномен было выдвинуто множество гипотез: использование очень чистого или метеоритного железа, естественное азотирование поверхности, воронение, постоянная обработка маслом и даже естественное радиоактивное облучение, превратившее верхний слой в аморфное железо. Были попытки объяснить сохранность колонны и внешними факторами — в частности, очень сухим климатом.

Анализы показали, что колонна состоит из 99,7% железа и не содержит хрома, то есть не является нержавеющей в современном смысле слова. Основная примесь в материале колонны — фосфор, и именно в этом, по мнению ученых, главная причина коррозионной стойкости. На поверхности образуется слой фосфатов FePO4·H3PO4·4H2O толщиной менее 0,1 мм, причем, в отличие от ржавчины, которая рассыпается и не препятствует дальнейшему окислению, этот слой образует прочную защитную пленку, предотвращающую ржавение железа.

История создания нержавеющих сталей

Согласно ГОСТ 5632-2014:«коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали и сплавы: Стали и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллитной коррозии, коррозии под напряжением и др.»

Впервые мир узнал о появлении нержавеющей стали в 1915 году из неприметной статьи в журнале New York Times под названием A Non-Rusting Steel. В ней сообщалось, что в английском городе Шеффилд некая компания выпустила на рынок совершенно новую по своим свойствам сталь, «которая не поддается коррозии, не тускнеет и не покрывается пятнами». В статье писали, что она наилучшим образом подходит для производства столовых приборов. Изделия из новой стали отлично отмываются и не теряют своего блеска при контакте даже с самыми кислыми продуктами.

Вот так, абсолютно незаметно без особого внимания, мир узнал о революции в металлургии – изобретении нержавеющей стали.

Однако, сплавы железа, не подверженного коррозии, не сразу открылись человеку. Попытки получения коррозионно-стойких сталей предпринимались задолго до этого. Ещё в 1820 году английские экспериментаторы Джеймс Стоддард и Майкл Фарадей начали проводить эксперименты с легированием стали, в том числе и хромом. Почти одновременно с ними французский ученый-металлург Пьер Бертье в 1821 году обратил внимание на необыкновенные свойства железо-хромистых сплавов.

Pierre Berthier 1782-1861

Они отличались отличной стойкостью к воздействию некоторых кислот и атмосферного воздуха. Поэтому П.Бертье предложил использовать сплав железа с хромом для изготовления столовых приборов. К сожалению, кроме требуемой коррозионной стойкости, полученный им материал отличался чрезвычайной хрупкостью. Это создавало трудности в его обработке. И новые сплавы французского металлурга так и не нашли практического применения в массовом производстве.

Повышенная хрупкость предложенного П.Бертье сплава обусловлена высоким содержанием углерода, который попадал в сталь вместе с хромом в процессе легирования. Мeталлургия первой половины 19-го века не располагала технологией получения свободного от углерода хрома.

В 1856 г. Анри Сент-Клер Девиль впервые обосновал возможность восстановления оксидов менее активных металлов порошками алюминия. Применимость этого способа для восстановления оксида хрома была доказана в 1859 г. одновременно немецким химиком Фридрихом Вёлером и академиком Петербургской академии наук Николаем Николаевичем Бекетовым. Однако промышленное освоение этого процесса остановилось до момента относительно дешевого способа производства алюминия.

Johannes Wilhelm (Hans) Goldschmidt 1861-1923

И уже в 1895 году немецкий ученый Ганс Гольдшмидт разработал технологию получения низкоуглеродистого хрома – алюминотермию, а в 1898 году освоил алюминотермический процесс в промышленных масштабах. Его открытие дало возможность многим ученым-металлургам возобновить эксперименты со сплавами железа и низкоуглеродистого хрома. С тех пор и по сей день процесс алюмотермии принято называть «Реакцией Гольдшмидта» или «Процессом Гольдшмидта».

В результате этого в начале 20-го века из разных уголков мира независимо друг от друга начали появляться новости о совершенно новых сплавах железа, которые можно причислить к коррозионно-стойким сталям.

Так с 1904 по 1911 год французский ученый Леон Гийе изучает и публикует ряд статей о свойствах низкоуглеродистых сплавах железа, хрома и никеля. В этих работах он дал описание сплавам, близким по составу к современным коррозионно-стойким сталям марок А410, А420, А442, А446 и А440 по AISI (American Iron and Steel Institute – американский институт стали и сплавов).

В 1911 году в немецком журнале Metallurgie появляется ряд статей под авторством Филиппа Моннарца. В них он раскрывал суть своих исследований в области нержавеющих сплавов железа, проводимых им с 1908 года. В этих работах Моннарц дал ответ на ряд фундаментальных вопросов по коррозионной стойкости хромистых сталей.

Во-первых, он определил минимальное содержание хрома в стали, равное 12%, которое обеспечивает ее стойкость к воздействию азотной кислоты, а также окружающего воздуха.

Во-вторых, он был первым, кто объяснил коррозионную стойкость железо-хромистых сплавов наличием на их поверхности тонкого, но очень плотного слоя оксидов хрома Cr2O3, которые образуются в результате окисления кислородом воздуха. Этот слой по своей природе является самовосстанавливающимся. Поэтому стали с содержанием хрома выше 12% даже после механического повреждения сохраняют свойство сопротивляться коррозии.

В-третьих, Ф. Моннарц указал на необходимость низкого содержания углерода. Он объяснил, что углерод связывает хром в карбиды. И по своим химическим свойствам они уже не могут участвовать в образовании защитной оксидной пленки. Тем самым углерод снижает коррозионную стойкость сталей. Для предотвращения его негативного влияния Ф.Моннарц предлагал внедрять в сталь такие легирующие элементы как: титан, ниобий, ванадий, вольфрам или молибден. Последнему учёный придавал наибольшее значение. Моннарц отметил, что содержание 2-3% молибдена в сталях с 12% хрома значительно увеличивает их коррозионную стойкость.

Benno Shtraus 1873-1944, Eduard Maurer 1886-1969

В Германии, уже в 1912 году, Бенно Штраус, директор научно-исследовательского института концерна Krupp Iron Works (г.Эссен), совместно с инженер Эдуардом Маурером запатентовали первую аустенитную хромоникелевую сталь, легированную хромом (21% Cr) и никелем (7% Ni).

Harry Brearley 1871-1948

Тем не менее, официально принято считать, что массовое признание в мире нержавеющим сталям подарил английский металлург, сын рабочего сталевара – Гарри Бреарли. В 1908 он был приглашён возглавить научно-исследовательскую Лабораторию Брауна Фирта (Brown Firth Laboratories), только что образованную в г. Шеффилд. Она была учреждена шеффелдскими сталеплавильными компаниями: John Brown & Company и Thomas Firth & Sons. Работа Г.Бреарли была связана с изготовлением ружейных стволов. В Великобритании резко увеличилось производство оружия – страна готовилась к войне. Но изготовленные стволы имели ограниченный ресурс. Используемые для этого стали обладали хрупкостью и начинали корродировать при экстремально высоких температурах от выстрелов.

Бреарли пытался найти новые сплавы, которые бы удовлетворяли заданным свойствам: прочность и коррозионная стойкость при длительном воздействии высоких температур. Металловедение того времени, как нaука, пребывала в зачаточном состоянии. В эпоху информационного вакуума Гарри, как и многие другие, действовал интуитивно: методом проб и ошибок. Упорно и методично исследовал влияние различных добавок на прочность и жароустойчивость низкоуглеродистых сталей с содержанием хрома (Cr) от 6 до 15%. Тем временем в углу скопилась уже груда ржавых несостоявшихся образцов. Он обратил внимание, что некоторые из них сохранили свой первоначальный вид. И это при том, что в ходе своих исследований он травил отполированные образцы спиртовым раствором азотной кислоты – они всё равно не покрывались следами коррозии, а оставались блестящими, как и прежде. Это была сталь с содержанием углерода (С) 0,24%, легированная: хромом (12,8% Cr), марганцем (0,44% Mn), кремнием (0,2% Si) и др. Сплав того образца в итоге лёг в основу патента 1913 года Гарри Бреарли на Non-Rusting steel (дословно: нержавеющая сталь, англ.). В настоящий момент эта сталь имеет номер А420 по AISI и относится к мартенситным коррозионностойким сталям.

При том что, по своим свойствам полученный сплав абсолютно не соответствовал требованиям «оружейной стали», Бреарли осознавал, что коррозионная стойкость и хорошая обрабатываемость нового материала найдут применение в других областях металлургии. Город Шеффилд с XVI столетия славился своими металлическим столовыми приборами. Поэтому ничего удивительного в том, что Гарри решил использовать свою сталь для производства ножей, вилок и другой кухонной утвари. Местные фабриканты не оценили его предложения в силу, как им показалось, значительных трудозатрат для производства изделий из нового сплава. Волею судьбы в 1914 Гарри Бреали встретился со своим школьным товарищем, Эрнестом Стюартом, сотрудником мануфактуры R.F. Mosley’s, специализирующейся на изготовлении столовых приборов. Именно последний предложил термин Stainless Steel, дословно с английского: «сталь без коррозии» или коррозионно-стойкая сталь. Правда стоит отметить, что Э.Стюарт не сразу поверил в существование такого сплава, но согласился изготовить несколько образцов ножей. После нескольких экспериментов Бреарли и Стюарт подобрали необходимые термические режимы, при которых сталь поддавалась обработке, а ножи не были хрупкими после охлаждения.

Первыми клиентами стали близкие и знакомые друзья, которым были розданы экспериментальные ножи с одним лишь условием. Они должны были вернуть их обратно, если на лезвиях появятся следы коррозии. Ни один нож так и не вернули. Позднее, в 1915 году в New York Times была опубликована ничем неприметная статья под названием A Non-Rusting Steel.

Спустя почти 10 лет, в 1924 году, один из последователей Гарри Бреарли – Вильям Х.Хатфилд запатентовал хромоникелевую cталь (18% Cr и 8% Ni), близкую по содержанию химических элементов и своим свойствам к аустенитным сталям марки А2 по ГОСТ ISO 3506 или А304 по AISI.

Этой статьей команда инженеров BEST-Крепёж открывает серию публикаций на интернет-портале promvest.info.

Необычный формат будет интересен, и даже полезен, многим читателям. Регулярные статьи будут знакомить Вас как с техническими аспектами нержавеющего крепежа, так и с нюансами общего их бытового применения.

За 14 лет работы компании BEST-Крепёж в наш технический отдел поступило множество разнообразных, порой весьма интересных и непростых, вопросов. Мы отобрали наиболее достойные Вашего внимания. Ответы на них могут быть полезны всем, кто так или иначе связан с нержавеющим крепежом и такелажными изделиями.

Приглашаем читателей задавать свои вопросы, касающиеся свойств нержавеющих сталей и крепёжных изделий, на сайте BEST-Крепёж в разделе Справочник.

И, возможно, ответ именно на Ваш вопрос окажется в нашей следующей публикации.

Ваш нержавеющий партнёр, Компания BEST-Крепёж

LiveInternetLiveInternet

Музыка

Поиск по дневнику

Подписка по e-mail

Постоянные читатели

Сообщества

Трансляции

Статистика

История нержавеющей стали

Среда, 15 Августа 2018 г. 17:00 + в цитатник

Проучено от michabit46

Сто лет назад мир услышал о замечательном материале, который чрезвычайно широко применяется в самых различных областях нашей жизни, — нержавеющей стали.

О технологических новинках публика часто узнает из средств массовой информации, однако такие сообщения обычно не опираются на дипломатические источники. 31 января 1915 года это правило было нарушено. Газета New York Times опубликовала небольшую заметку, озаглавленную A Non-Rusting Steel. В газетном сообщении говорилось, что компания из британского города Шеффилда выпустила на рынок новый вид стали, «которая не поддается коррозии, не тускнеет и не покрывается пятнами».

Читать еще:  Как паять чипы

Производитель утверждал, что она чрезвычайно подходит для изготовления столовых приборов, поскольку изделия из нее хорошо моются и не теряют блеска при контакте даже с самой кислой пищей. В качестве источника информации был назван американский консул в Шеффилде Джон Сэвидж.

Вот так, без большого шума и с изрядным запозданием, мир узнал об изобретении нержавеющей стали.

Типы нержавейки

Нержавеющие стали различаются свойствами, составом и назначением, но в целом их можно разделить на несколько основных групп по кристаллической структуре: ферритные, аустенитные, мартенситные и двухфазные (ферритно-аустенитные). Ферритные нержавеющие — это хромистые (10−30% хрома) и низкоуглеродистые (менее 0,1%) стали. Они достаточно прочные, пластичные, относительно несложно обрабатываются и при этом дешевы, но не поддаются термической обработке (закаливанию).

Мартенситные нержавеющие — это хромистые (10−17% хрома) стали, содержащие до 1% углерода. Они хорошо поддаются термообработке (закаливанию и отпуску), что придает изделиям из таких сталей высокую твердость (из них делают ножи, подшипники, режущие инструменты). Мартенситные стали сложнее в обработке и из-за более низкого содержания хрома менее стойки к коррозии, чем ферритные. Аустенитные нержавеющие стали — хромоникелевые.

Они содержат 16−26% хрома и 6−12% никеля, а также углерод и молибден. По коррозионной стойкости превосходят ферритные и мартенситные стали и являются немагнитными. Высокую прочность получают при нагартовке (наклепе), при термообработке (закалке) их твердость уменьшается. Двухфазные стали сочетают различные свойства ферритных и аустенитных сталей.

Предки нержавейки

Вообще-то такую сталь выпускали в Европе и США еще до шеффилдских металлургов. Обычная сталь, сплав железа и углерода, легко покрывается пленкой оксида железа — то есть ржавеет. К слову, именно это обстоятельство было одной из причин блестящего коммерческого успеха американского предпринимателя Кинга Кемпа Жиллетта, который придумал безопасную бритву. В 1903 году его фирма продала лишь 51 лезвие, в 1904-м — без малого 91 000, а к 1915 году общий объем продаж превысил 70 млн.

Жиллеттовские лезвия, на которые шла нелегированная сталь из бессемеровских конвертеров, быстро ржавели и тупились и потому требовали частой замены. Любопытно, что рецепт борьбы с этой болезнью главного металла тогдашней индустрии был давно найден. В 1821 году французский геолог и горный инженер Пьер Бертье заметил, что сплавы железа с хромом обладают хорошей кислотоустойчивостью, и предложил делать из них кухонные и столовые ножи, вилки и ложки. Однако эта идея долго оставалась благим пожеланием, поскольку первые сплавы железа и хрома были очень хрупкими. Лишь в начале XX века были изобретены рецептуры сплавов железа, способные претендовать на титул нержавеющей стали.

Среди их авторов был один из пионеров американского автомобилестроения Элвуд Хейнс, который собирался использовать свой сплав для изготовления металлорежущего инструмента. В 1912 году он подал заявку на соответствующий патент, который был получен лишь семью годами позже после длительных споров с Бюро патентов США.

Лезвия для станков Gillette делали из твердой углеродистой стали. Они были не слишком долговечны, поскольку легко ржавели от постоянного воздействия влаги.

Случайная находка
Но официальным родителем всем известной нержавейки стал человек, который ее вовсе не искал и создал лишь благодаря счастливому случаю. Этот жребий выпал на долю английского металлурга-самоучки Гарри Брирли, который в 1908 году возглавил небольшую лабораторию, учрежденную двумя шеффилдскими сталеплавильными компаниями.

В 1913 году он проводил исследования стальных сплавов, которые предполагалось использовать для изготовления ружейных стволов. Научное металловедение пребывало тогда в зачаточном состоянии, поэтому Брирли действовал методом проб и ошибок, проверяя на прочность и жароустойчивость сплавы с разными присадками. Неудачные заготовки он попросту складывал в углу, и они там спокойно ржавели.

Как-то он заметил, что отливка, извлеченная из электрической печи месяц назад, вовсе не выглядит ржавой, а блестит как новая. Этот сплав содержал 85,3% железа, 0,2% кремния, 0,44% марганца, 0,24% углерода и 12,8% хрома. Он-то и стал первым в мире образцом той стали, о которой позднее сообщила газета New York Times. Он был выплавлен в августе 1913 года.

А столовые ножи производства одной из компаний в Шеффилде, возможно, были не такими острыми, но зато хорошо сопротивлялись коррозии.

Провал и успех

Брирли заинтересовался необычной отливкой и вскоре выяснил, что она хорошо сопротивляется действию азотной кислоты. Хоть в качестве оружейной стали новый сплав успеха и не принес, Брирли понял, что этот материал найдет множество других применений. Шеффилд с XVI столетия известен изделиями из металла, такими как ножи и столовые приборы, так что Брирли решил опробовать свой сплав в этом качестве.

Однако двое местных фабрикантов, которым он отправил отливки, отнеслись к его предложению скептически. Они сочли, что ножи из новой стали требуют больших трудозатрат для изготовления и закалки. Металлургические компании, в том числе и та, в которой работал Брирли, тоже не горели энтузиазмом.

Понятно, что и ножовщики, и производители металла опасались, что изделия из нержавеющей стали окажутся настолько долговечными, что рынок быстро насытится и спрос на них упадет. Поэтому вплоть до лета 1914 года все попытки Брирли убедить промышленников в перспективности нового сплава ни к чему путному не привели.

Но потом ему повезло. В середине лета судьба столкнула его со школьным товарищем Эрнестом Стюартом. Стюарт, сотрудник компании R.F. Mosley & Co, выпускавшей столовые приборы, поначалу вообще не поверил в реальность существования стали, которая неподвластна ржавчине, однако согласился в виде эксперимента изготовить из нее несколько ножей для сыра. Изделия получились отменными, однако Стюарт счел эту затею неудачной, поскольку его инструменты при изготовлении этих ножей быстро тупились.

Но в конце концов Стюарт и Брирли все-таки подобрали режим нагрева, при котором сталь поддавалась обработке и не становилась хрупкой после охлаждения. В сентябре Стюарт сделал небольшую партию кухонных ножей, которые он раздал знакомым для тестирования с одним условием: он попросил вернуть их в случае появления на клинках ножей пятен или ржавчины. Но ни один нож так и не вернулся в его мастерскую, и вскоре шеффилдские фабриканты признали новую сталь.

Железоникелевые метеориты имеют в своем составе около 10% никеля, но не содержат хрома, поэтому не обладают коррозионной стойкостью. В этом можно убедиться, посетив минералогический раздел какого-нибудь музея естественной истории. Присмотревшись к образцам железоникелевых метеоритов (скажем, Сихотэ-Алиньского, который часто встречается в таких экспозициях), можно увидеть многочисленные следы ржавчины.

А вот образец железоникелевого метеорита, купленный в магазине минералогических сувениров, скорее всего, действительно не будет ржаветь. Причина — в «предпродажной подготовке», которая заключается в покрытии образца густой защитной смазкой. Стоит смыть эту смазку при помощи растворителя — и тогда влага и кислород атмосферы возьмут реванш.

Небесное железо. Довольно часто можно встретить утверждение, что метеоритное железо не ржавеет. На самом деле это чистой воды миф.

Резцы и ножи

В августе 1915 года Брирли получил на свое изобретение патент в Канаде, в сентябре 1916 года — в США, затем и в нескольких европейских странах. Строго говоря, он патентовал даже не сам сплав, а лишь изготовленные из него ножи, вилки, ложки и прочие столовые приборы. Хейнс опротестовал американский патент Брирли, ссылаясь на свой приоритет, но в конце концов стороны пришли к соглашению. Это сделало возможным учреждение в Питтсбурге совместной англо-американской корпорации The American Stainless Steel Company. Но это уже совсем другая история.

Стоит отметить, что нержавеющая сталь Хейнса содержала куда больше углерода, нежели сталь Брирли, и потому имела иную кристаллическую структуру. Это и понятно: углерод обеспечивает твердость при закалке, а Хейнс стремился создать именно сплав для изготовления станочных резцов и фрез. Сейчас стали хейнсовского типа называют мартенситными, а стали, которые исторически восходят к сплаву Брирли, — ферритными (существуют и другие виды нержавеющих сталей).

Естественный вкус

Стюарт не только открыл путь к применению новой стали, но и нашел для нее общепринятое ныне англо-язычное название stainless steel, «сталь без пятен». Если верить стандартному объяснению, оно пришло ему в голову, когда он окунул отполированную стальную пластинку в уксус и, глядя на результат, с удивлением произнес: «This steel stains less», то есть «На этой стали остается мало пятен». Брирли называл свое детище несколько иначе — rustless steel, что соответствует русскоязычному термину «нержавеющая сталь». Кстати, заглавие заметки в New York Times возвещало о появлении именно нержавеющей (а не слаборжавеющей!) стали.

Секрет ее несложен. При достаточной концентрации хрома (не менее 10,5% и до 26% для особо агрессивных сред) на поверхности изделий из нержавейки формируется твердая прозрачная пленка оксида хрома Cr2O3, прочно сцепленная с металлом. Она образует невидимый глазу защитный слой, который не растворяется в воде и препятствует окислению железа, а следовательно, не позволяет ему ржаветь. У этой пленки есть еще одно ценнейшее качество — она самовосстанавливается в поврежденных местах, поэтому ей не страшны царапины.

Столовые приборы из нержавейки приобрели огромную популярность еще и потому, что позволили избавиться от специфического привкуса, свойственного недорогой металлической посуде. Слой оксида хрома предоставляет возможность наслаждаться естественным вкусом пищи, поскольку препятствует непосредственному контакту вкусовых сосочков языка с металлом. В общем, нержавеющая сталь, которую современная индустрия выпускает во множестве разновидностей — поистине замечательное случайное изобретение.

Индийское чудо.

Железная (Кутубова) колонна — одна из главных достопримечательностей Дели. Воздвигнутая в 415 году, она за 1600 лет почти не пострадала от коррозии — лишь на поверхности виднеются небольшие пятнышки ржавчины, в то время как обычные стальные изделия подобного размера за такое время почти полностью окисляются и рассыпаются в пыль.

В попытках объяснить этот феномен было выдвинуто множество гипотез: использование очень чистого или метеоритного железа, естественное азотирование поверхности, воронение, постоянная обработка маслом и даже естественное радиоактивное облучение, превратившее верхний слой в аморфное железо. Были попытки объяснить сохранность колонны и внешними факторами — в частности, очень сухим климатом.

Анализы показали, что колонна состоит из 99,7% железа и не содержит хрома, то есть не является нержавеющей в современном смысле слова. Основная примесь в материале колонны — фосфор, и именно в этом, по мнению ученых, главная причина коррозионной стойкости. На поверхности образуется слой фосфатов FePO4·H3PO4·4H2O толщиной менее 0,1 мм, причем, в отличие от ржавчины, которая рассыпается и не препятствует дальнейшему окислению, этот слой образует прочную защитную пленку, предотвращающую ржавение железа.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector