Нержавейка

Что за нержавеющая сталь. Почему она ржавеет. И что делать, чтобы она не ржавела.

Почему сталь ржавеет.

Сталь состоит из "зерен" или "доменов" - это разные кристаллы сплава железа (аустенит или мартенсит) или даже разные металлы. Эти "зерна" могут иметь различные электрические заряды. При нехватке электронов атом железа может вступить в реакцию с кислородом. Если влаги нет, то образуется оксид железа (Fe2O3). Что само по себе не так и страшно. Но если присутствует влага, то этот оксид железа соединяется с водой и там формируются ещё и другие соединения с железом ( 4Fe + 3H2O + 3O2 = Fe2O3•H2O + FeO•OH + Fe(OH)3 ) и тут проблема в том, что при этом образуется не твёрдое соединение, а рыхлое. Зерно разрушается, другая монолитная конструкция не появляется, часть железа теряется, образуется каверна, увеличивается площадь открытого металла. (Тут я может быть не совсем точен в фактах, но по найденной инфе примерно так дело обстоит)

Заряженные зерна стали, условные "аноды" и "катоды"

Как с этим бороться.

Тут два основных аспекта:

уменьшить общую площадь поверхности - отполировать. Будет меньше неровностей, будет сложнее "поймать" влагу.
создать преграду между металлом и воздухом.
С первым пунктом всё достаточно понятно. Со вторым немного сложнее. Потому что способов создать преграду довольно много: можно покрасить краской, можно сделать воронение (создать слой оксидов на поверхности, чтобы там уже нечему было окисляться с присутствием воды), можно добавить хром, чтобы он окислялся в первую очередь и создавал оксидную пленку.

Слой ржавчины слева - не создает преграду для кислорода, слой нейтральной пленки оксидов - создаёт препятствие.

Хром в стали.

Когда мы добавляем в состав стали хром, то он помогает создать оксидную пленку на поверхности металла и защитить железо от окисления. Звучит просто. А на деле - не очень.
Как вы помните из прошлого поста про порошки, хром образует карбиды. Конечно, для этого нужен ещё и углерод. И правда такова, что если у нас много углерода и много хрома - образуются карбиды хрома. А они нам не дают защиту от коррозии.
Тут сильно влияет термическая обработка стали, аустенизация. Потому что во время неё могут разрушаться карбиды хрома. Это зависит от количество хрома в стали (чем его больше, тем больше температура разрушения карбида), и от количества углерода (больше углерода - больше карбидов). Количество углерода может влиять на температуру плавления, чем его больше, тем температура ниже (надеюсь, тут я вас не обманываю, но инфа такая была, по крайней мере для высоколегированных сталей)
В общем, это сложный баланс между составом стали и термической обработкой. И основная цель - как можно больше хрома оставить в "растворе" стали, но не в виде карбидов.
Можно условно сказать, что сталь нержавеющая - это когда в "растворе" содержится 10% и более хрома. Не просто в составе стали, а именно в растворе.

Другие легирующие элементы.

Помимо хрома, для усиления сопротивлению коррозии в сталь добавляют Молибден, Вольфрам и Азот.
Молибден усиливает пленку из оксида хрома. Уменьшает количество слабых мест в оксидной пленке. И для этих целей его оптимально добавлять порядка 1-2%.
Вольфрам тоже помогает сопротивляться окислению, но его влияние не слишком велико.
Азот, добавленный в значительном количестве улучшает коррозионную стойкость. Вроде как немного специфически: улучшается сопротивление к питтингу, межкристаллической коррозии. Возможно, азот добавляют не только для сопротивления коррозии, но он в этом тоже помогает.

Химия питтинга. Нужна вода, как носитель электролитов, прореха в оксидной пленке, и вот у нас уже железо выходит наружу.

D2 на примерах.

Так как стало всё сложно и непонятно, то давайте попробуем с этим разобраться на примере стали D2.
С этой сталью не всё так просто, потому что её делают кто во что горазд. Как будто бы и нет никакого ГОСТа, чтобы соответствовать, ну или никто за этим не следит. Но мы будем опираться на более-менее стандартную D2 в следующих рассуждениях.

Итак, содержание хрома в D2 должно быть около 12%. Это не мало и даёт какие-то шансы на то, что это может быть нержавейкой.
С другой стороны, в D2 много углерода, что даёт возможность потратить много хрома на карбиды.
И вот у нас есть табличка, где смоделировано количество хрома, молибдена и карбидов в зависимости от температуры аустенизации.

И тут мы видим, что чем больше температура (до точки плавления), тем меньше карбидов и больше хрома в растворе. И надо сказать, что даже в этом случае, хрома в растворе меньше 10, даже в этом случае сталь не будет хорошей нержавейкой. А так же появятся другие "бонусы" в виде меньшей прочности.

Ещё по табличке мы видим, что при обычной температуре аустенизации D2 (1850F) хрома в растворе - около 6%. Что очень мало и не даст необходимых нержавеющих свойств. Если мы будем добавлять хром в D2, то для обретения нержавеющих свойств его должно быть хотя бы 16.6%

По оси Х - увеличиваем количество хрома. По оси Y - сколько его получается в "растворе". Три графика - для трёх температур аустенизации.

Выводы.

Судить о нержавеющих свойствах стали основываясь ТОЛЬКО на химическом составе - не совсем правильно. Температурная обработка влияет на нержавеющие свойства. Но, безусловно, если хрома в принципе меньше 10-11%, то нержавейкой это вряд ли будет. Если хрома 10-13% и нет дополнительно молибдена, вольфрама или азота, то тоже особо надеяться не стоит.
D2 это не нержавейка. При любых раскладах ей не хватает хрома в растворе для получения достаточных нержавеющих свойств.
"а у меня D2 не ржавеет" vs "а у меня заржавела за 5 нс". Очень сложно проконтролировать что за сталь у вас называется "D2". Практически невозможно отконтролировать, как её термически обработали. Поэтому все неправы. Нормальная D2 заржавеет так или иначе. Если же не ржавеет, то тут два варианта: фантастический и реалистический. Фантастический - вам добавили хром в D2. Реалистический - у вас не D2.
Тут сообщу, что у меня есть один нож из D2, и он не заржавел. При этом есть доверие магазину, где я его купил, и есть какое-никакое доверие производителю (Kershaw). Надо сказать, что я его мокрым не оставляю, воздух у меня дома довольно сухой, пОтом, соленой водой я его тоже не обрабатываю. Так что либо этого хватает, либо это не D2 :)
заботьтесь о своих ножах. Они могут быть ржавеющими, но хорошо выполнять свою работу. Поэтому мойте и вытирайте нож, покрывайте его защитным маслом (пресловутым баллистолом), подойдет любое жидкое масло, по большому счёту. Но там потом учитывайте использование: моторная синтетика на кухонном ноже - это не слишком полезно для здоровья.

Бонус.

Таблица с рейтингом сопротивления коррозии. (больше - лучше). Жирная линия - раздел "ржавеющих" сталей от нержавеющих.
Austenitize - температура аустенизации (в Фаренгейтах, потому что я своровал все эти картинки у американцев)

Пост подготовлен на основе материалов knifesteelnerds.com.