Хромоникелевая нержавеющая сталь

Нержавеющей, или кислотоустойчивой, сталью называют такой сплав железа, углерода и некоторых других элементов, который обладает высокой антикоррозийной устойчивостью в условиях дей­ствия кислот, щелочей и растворов солей. В зависимости от соста­ва и процентного содержания элементов, входящих в состав спла­ва, определяются физические, механические и другие свойства стали.

Впервые нержавеющая Хромоникелевая сталь была получена в 1912 г Основными компонентами этой стали являются хром и никель, которые на основе у- и ст-железа образуют однородный твердый раствор (см с 48) Для образования такого однородного раствора берут 18 % хрома и 9 % никеля. С уменьшением количе­ства никеля или увеличением количества хрома сплав становится двуханодным на всем интервале температур

Одним из недостатков хромоникелевой нержавеющей стали яв­ляется опасность возникновения в ней межкристаллической кор­розии, так как в присутствии некоторого количества углерода и хрома в определенных условиях образуются карбиды хрома, рас­полагающиеся по границам зерен. Для избежания межкристалли­ческой коррозии и получения стали с более высокими физико-хи­мическими и механическими свойствами кроме хрома и никеля в ее состав вводят и другие легирующие элементы

В зависимости от характера и количественного содержания элементов сталь приобретает различные свойства и подразделяет­ся на классы В стоматологической практике применяют хромони-келевую нержавеющую сталь аустенитного класса трех марок (табл. 1, ГОСТ 5632—61)

Кроме указанных в таблице элементов в состав хромоникеле­вой нержавеющей стали могут входить кремний, сера, фосфор и др.

В состав специально изготовленной заводом «Электросталь» по специальному заказу ГИСО (1938 г.) стали, применяемой для из­готовления зубных протезов, входит 0,1 % углерода, 0,8 % крем­ния, 0,3—0,7 % марганца, 0,02 % серы, 0,03 % фосфора, 18 % хро­ма, 8 % никеля, 0,26 % титана.

47

Таблица. 1. Ма[	рки хромоник	елевой не (ГОСТ 56	ржавеюще 32-61)	и стали а	1устенитно	го класса
		Содержа	ние элемен	тов		Тип
Марка стали	Углерод	Марганец	Хром	Никель	Титан	стали
XI 8Н9 (ЭЯ—1) 2Х18Н9 (ЭЯ—2) XI 8Н9Т (ЭЯ-1Т)	0,12 0,13—0,21 0,12	1—2 1—2 1—2	17—19 17—19 17—19	8—10 8—10 8—9,5	0,7	18—9 18-9 18-9

Характеристика элементов сплава

Железо по распространенности в природе среди металлов занимает второе место после алюминия. В свободном состоянии

не встречается, входит в состав различных пород — железных руд. Такими рудами являются закись-окись железа—магнитный же­лезняк, красная окись железа — красный железняк и бурая окись железа. По запасам железных руд Советский Союз занимает пер­вое место в мире.

Железные руды из недр добываются обычно открытым (шахт­ным или карьерным) способом. Так как содержание железа в руде невелико (до 26 %), то руду вначале обогащают. В результате обо­гащения процентное содержание железа в руде повышается до 70 %. Затем руда поступает в доменные печи, где происходит вос­становление железа углем. Уголь при сгорании соединяется с кис­лородом и железо таким образом освобождается.

Железо — это металл серебристого цвета с синеватым оттенком. Плотность 7,86 г/см³, твердость по Бринеллю 65 кг/см², темпера­тура плавления 1530°С, температура кипения 2450°С, коэффици­ент линейного расширения 0,000012. В химическом отношении же­лезо является активным металлом. В присутствии влаги даже при комнатной температуре быстро разрушается — покрывается тол­стым слоем окиси. Еще более быстрый процесс разрушения железа происходит в водных растворах солей и кислот.

Железо широко используется в народном хозяйстве, в том чис­ле в зубопротезной практике при изготовлении инструментов. Оно входит в состав различных сплавов—нержавеющую сталь и при­пои. В нержавеющей стали составляет основную массу сплава.

В твердом состоянии железо встречается в двух аллотропных формах. До температуры 910 °С оно находится в форме «-кристал-лов, имеющих кристаллическую решетку объемно центрированного куба. При 910 °С «-кристаллы переходят в у-кристаллы, имеющие решетку куба с центрированными гранями. При температуре 1400 °С у-кристаллы переходят опять в «-кристаллы, которые при такой температуре именуют б-кристаллами. При низких темпера турах «-кристаллы сильно ферромагнитны, а при температуре 768— 770 °С ферромагнетизм исчезает.

48

•

Хром в природе встречается в различных соединениях. Часто сопутствует железу в составе железных руд. Добывается из хро­мистого железняка (хромида) путем восстановления в доменных печах.

Хром — металл белого цвета с синеватым оттенком. Плотность 7,2 г/см³, температура плавления 1910°С, температура кипения 2200 °С, коэффициент линейного расширения 0,00000081, твердость по Бринеллю 450 кг/см². Хром обладает высокой антикоррозийной стойкостью, поэтому его используют для предохранения других металлов от коррозии путем нанесения тонким слоем на поверх­ность изделия, т. е. производят хромирование. С кислородом хром соединяется лишь при температуре выше 1000 °С, образуя при этом окись хрома (СггОз) или хромовый ангидрид (СгОз). Хром раство­ряется в соляной кислоте и не взаимодействует с азотной кислотой.

В зубопротезной технике для покрытия поверхности инструмен­тов и металлических частей зубных протезов используют чистый хром и соединения хрома с кислородом (окись хрома и хромовый ангидрид), входящие в состав полировочных средств.

В период поисков материалов для замены благородных метал­лов в зубном протезировании металлические детали, изготовлен­ные из меди, латуни, алюминия, серебра и других металлов, под­вергались электролитическому хромированию. После первых по­ложительных опытов по применению нержавеющей стали в зуб­ном протезировании начали хромировать и стальные протезы.

Хром также входит в состав хромоникелевых и хромокобальто-вых сплавов. Введение хрома в состав стали повышает ее твердость и антикоррозийные свойства. Однако соединяясь с углеродом ста­ли, хром образует карбиды, которые при нарушении режима тер­мической обработки стали выпадают из однородного твердого рас­твора и располагаются по границам кристаллов сплава. При этом сплав приобретает неоднородную структуру с резко повышенной химической активностью. Поэтому для повышения антикоррозий­ных свойств в состав сплава должно входить хрома не меньше 12—13 %. При меньшем процентном содержании хрома сталь те­ряет антикоррозийную стойкость.

Никель встречается в природе в виде различных химических соединений. Наиболее распространенными соединениями никеля являются никелевый блеск (№Аз8) и гарньерит (№МпН25Ю4). Наиболее распространенным способом промышленной добычи ни­келя является агломерация *. Химически чистый никель добывают путем электролиза сернокислого никеля.

1 * Руда сплавляется с гипсом и известняком, а затем продувается воздухом, в результате чего образуется сульфид никеля (№5) и окисленное железо. При дальнейшем обжиге получают закись никеля (№0), которую подвергают элек­троплавке в смеси с древесным углем. При этом получают никель в чистом виде

49

Никель представляет собой металл серебристо-белого цвета. Плотность 8,9 г/см³, температура плавления 1455 °С, температура кипения 2900 °С, твердость по Бринеллю 68 кг/см², коэффициент линейного расширения 0,0000128. Хорошо куется и вальцуется, об­ладает высокой прочностью и сопротивляемостью на разрыв. В хи­мическом отношении никель относится к стойким металлам. Он не окисляется на воздухе, н.е разлагается в воде и щелочах, поддается слабому разрушению в азотной, серной и соляной кислотах. Более значительному разрушению подвергается в разбавленной азотной

кислоте.

Никель получил широкое применение в народном хозяйстве, главным образом, для предохранения поверхностей металлических изделий от коррозии — никелирование. Большое практическое зна­чение имеет введение никеля в состав различных сплавов стали и припоя. В соединении с железом и хромом никель образует мелко^-зернистый твердый раствор—феррит или аустенит, повышающий пластичность, вязкость и упругость сплава.

В хромоникелевой нержавеющей стали при содержании 18 % хрома для получения аустенитной структуры содержание никеля должно быть не ниже 9 %. С уменьшением количества никеля сплав становится двухфазным. Увеличение содержания хрома свы­ше 18 % при 9 % никеля в сплаве также ведет к образованию двух­фазного состояния и понижению антикоррозийной стойкости ста­ли. Постоянства соотношения хрома и никеля необходимо придер­живаться не только в марках стали, выпускаемых заводским способом, но и в сплавах, подвергающихся различной обработке, так как плавка стали электрической дугой и ацетиленокислородным пламенем изменяет не только процентное содержание углерода, но и соотношение в сплаве хрома и никеля.

Углерод встречается в природе в виде алмаза, графита и аморф­ного углерода, а также в виде многочисленных соединений с раз­личными элементами.

А л м а з — это самое твердое вещество, встречающееся в приро­де, используется как шлифовальный материал. Отшлифованные ал­мазы называются бриллиантами.

Г р а ф и т (от греч. §га^о — пишу) обладает большой мягкостью, высокой температурой плавления (около 4000°С) и химической стойкостью. Графит используют для изготовления электродов и ти-гел.ей, в которых производится выплавка металлов, а также для других целей.

В качестве примера аморфного углерода может слу­жить сажа, которую широко используют в лакокрасочной и рези­новой промышленности.

Известно свыше миллиона соединений углерода с различными элементами. Углерод является обязательным компонентом нержа-

50

веющей стали и других сплавов. Свойства стали находятся в пря­мой зависимости от количества в ней углерода. Он повышает твер­дость сплава, однако содержание углерода в сплаве должно быть минимальным, ибо чем больше процентное содержание углерода, тем благоприятнее условия для коррозии и ухудшения физико-хи­мических и технологических свойств сплава.

Углерод, содержащийся в металле, оказывает влияние на про­цесс образования горячих трещин в нем. О влиянии углерода на трещиноустойчивость стали имеется два противоположных мнения. Одни авторы (А. А. Рыжиков, П. И. Яммшонов и др.) считают, что сталь, содержащая около 0,2 % углерода, наиболее склонна к об­разованию горячих трещин. Другие авторы (Н. Г. Гершович, Ю. А. Неходзе, М. А. Неймарк и др.) считают, что наилучшей стой­костью к образованию горячих трещин обладает сталь, содержащая 0,2 % углерода.

По данным Н. А. Трубщина (1962), трещиноустойчивость ста­ли с содержанием около 0,2 % углерода зависит от ее линейной усадки, так как «при величине линейной усадки, равной или боль­ше 1,2—2,3 %, сталь с содержанием углерода около 0,2 % оказы­вается более стойкой против образования горячих трещин, чем сталь с другим содержанием углерода. Если же линейная усадка мень­ше 1,2—1,3 %, трещиноустойчивость стали с 0,2 % углеродом, на­оборот, наименьшая».

Сера в природе встречается как в чистом виде, так и в виде со­единений. Сера входит в состав некоторых руд — железного колче­дана (Ре82), каменного угля, горных пород (гипс), солей, а также находится в составе тканей животных и растений.

В чистом виде сера представляет собой твердое вещество жел­того цвета. Температура плавления 114 °С. Широко используется в народном хозяйстве, главным образом в производстве резины и спичек.

В состав нержавеющей стали сера входит как сопутствующий элемент, от которого нельзя полностью освободиться при восстанов­лении железа, и играет отрицательную роль.

При температуре 940...988°С сера с железом образует соеди­нение Ре5, которое, нарушая связь между зернами стали, способ­ствует ее разрушению. Так как образование Ре5 происходит во время горячей обработки стали, это приводит к повышению хруп­кости ее в горячем состоянии, чем понижаются ее механические свойства. Такую сталь называют красноломкой. Красноломкая сталь легко разрушается при термической обработке. Для пони­жения красноломкости в состав стали вводят марганец, который связывает серу. Так как содержание соединения марганца с серой должно быть ограничено, в специальных сталях допускается со­держание серы не более 0,03—0,04 %.

51

Фосфор (светоносен) получил свое название вследствие спо­собности светиться в темноте. В природе в свободном состоянии не встречается. В почве и минералах (апатитах и фосфоритах) содер­жится в виде солей фосфорной кислоты. Фосфор также входит в состав растений и животных. В костях животных находится в виде фосфорнокислого калия, придавая им определенную твердость. В мышечной и нервной ткани фосфор содержится в виде сложных органических соединений.

Фосфор имеет две аллотропные формы — белый и красный фос­фор. Белый фосфор—бесцветное вещество с выраженным токсическим действием. На воздухе быстро окисляется и воспла­меняется, поэтому хранят его под водой, в которой он почти.не растворяется. Красный фосфор — порошок красно-бурого цвета, химически менее активен и токсичен. При определенных ус­ловиях красный фосфор может быть переведен в белый и наобо­рот.

Опытным путем выявлено, что даже сотые доли процента фос­фора в составе нержавеющей стали придают ей хрупкость в хо­лодном состоянии, т. е. под влиянием фосфора углеродистая сталь делается хладноломкой. Фосфор, как и сера, является сопутствую­щей примесью при получении стали.

Марганец довольно распространен в природе. Наиболее часто встречаются пиролюзиты — минералы, содержащие марганец в ви­де двуокиси марганца (М§0г). Металлический марганец получают путем восстановления его окислов алюминием.

Применяется марганец, главным образом, в металлургической промышленности для р.аскисления стали. В тех количествах, в ко­торых он присутствует в стали, он полностью входит в твердый раствор с железом, если этому не препятствует сера. Образуя твер­дый раствор, марганец несколько повышает твердость и прочность стали, но слегка уменьшает ее пластичность. При наличии серы свя­зывает ее, образуя Мп8, и тем самым уменьшает ее краснолом­кость, что повышает механические свойства стали.

Кремний по распространенности в природе занимает второе мес­то после кислорода. На его долю приходится почти четвертая часть всей массы земной коры. В свободном состоянии в природе не встречается, а находится в многочисленных соединениях, образую­щих горные породы и минералы—гранит, гнейс, кварц, полевой шпат, слюду, глину и др.

Кристаллический кремний блестящий, хрупкий, не растворяет­ся в кислотах. Широко используется в силикатной промышленнос­ти. Из него изготовляют различные строительные материалы. В со­став нержавеющих сплавов кремний входит в различных пропор­циях. В небольших количествах он раскисляет сталь и несколько повышает ее антикоррозийные свойства. В больших количествах

52

повышает твердость и прочность стали, увеличивает ее антикорро­зийные свойства, особенно при низких температурах.

Титан — металл серебристо-белого цвета. Плотность 4,5 г/см³, температура плавления 1672 °С.

Свойства титана в значительной степени зависят от его чистоты. Титан высокой чистоты (99,9 %) получают йодидным способом.

Различают две аллотропические модификации титана: низко­температурную а-модификацию с гексагональной решеткой и вы­сокотемпературную (3-модификацию с кубической объемно-центри­рованной решеткой. Переход к- в р-модификацию происходит при температуре 882 °С.

Титан имеет высокую антикоррозийную стойкость в различных средах, но менее устойчив в платиновой, концентрированных сер­ной и азотной кислотах.

Титан обладает химическим сродством с углеродом. При введе­нии его небольших количеств в состав нержавеющей стали свя­зывает углерод, что предупреждает образование и выпадение кар-бидов хрома и последующее развитие процессов межкристалличес­кой коррозии.

В стоматологической практике двуокись титана используют для нанесения облицовочного покрытия металлических частей несъем­ных конструкций протезов (комбинированные коронки и комбини­рованные звенья мостовидных протезов). —

Хромоникелевая нержавеющая сталь Свойства сплава представляет собой сплав серебристого цвета с блестящей поверхностью. Плот­ность 7,2—7,8 г/см³, температура плавления 1400... 1450 °С, коэф­фициент линейного расширения 0,000016, теплоемкость 0,118, проч­ность- на разрыв 56—75 кг/см², твердость по Бринеллю 140— 180 кг/см².

Хромоникелевая сталь обладает хорошей вязкостью и пластич­ностью. Ее прокатывают в очень тонкие листы (до 0,01 мм толщи­ной), которые в свою очередь подвергают вытягиванию, штамповке и другим воздействиям. В расплавленном состоянии Хромоникеле­вая сталь обладает хорошей текучестью, легко заполняет литьевые формы. При переходе из расплавленного состояния в твердое об­разует однородную мелкозернистую, аустенитную структуру, бла­годаря которой отмечается высокая антикоррозийная стойкость. Сталь устойчива в условиях пребывания на воздухе, в слюне, в растворах солей и некоторых слабых кислот.

Перечисленные свойства стали под влиянием механических воздействий (ковки, вальцовки, штамповки и др.) резко меняются. Сталь, претерпевшая механические воздействия, приобретает по­вышенную твердость и теряет пластичность, появляются слабо вы­раженные магнитные свойства. Если такую сталь подвергать даль-

53

Рис. 4. Структура хромоникелевой стали беспвечного протеза:

а—до термической обработки; б—после тер­мической обработки.

нейшему механическому воздействию, может про­изойти ее разрушение — появление трещин и даже разрывов (рис.3).

Изменение свойств спла­ва объясняется изменени­ем его структуры, смеще­нием кристаллов, т. е. на­рушением кристалличе­ской решетки.

Рис. 3. Структура хромоникелевой стали после механических воздействий.

Для придания спла­ву его прежних свойств изделие подвергают тер­мической обработке, т. е. прокаливают или обжига­ют (рис. 4). Прокалива­ние может производиться как при помощи пламени сгорающих па­ров бензина в паяльном аппарате, так и в ацетиленокислородном пламени в течение короткого времени при температуре не менее 1000... 1100 °С (до соломенно-желтого цвета) с последующим бы­стрым охлаждением изготовляемой детали в холодной воде или струе холодного воздуха. При прокаливании следу­ет помнить, что недоста­точное нагревание сплава не только не улучшает его механических свойств, но и понижает антикорро­зийную стойкость,так как при температуре 500... 800 °С создаются благо­приятные условия для об­разования карбидов хро­ма и последующего их вы­падения между зернами аустенитной структуры, что приводит к образова­нию межкристаллической коррозии. Быстрое охла­ждение изделия после об­жига препятствует выпа­дению карбидов хрома.

Тонкая пластинка не­ржавеющей стали, пора-

женная интеркристаллической коррозией, при ударе не издает ме­таллического звука, легко разрушается, вплоть до образования по­рошка. Межкристаллическая коррозия объясняется тем, что кар-биды и зерна аустенита имеют различные электрохимические по­тенциалы, а разность потенциалов у мест контакта двух фаз при­водит к коррозии.

Для уменьшения межкристаллической коррозии целесообразно вводить в состав стали стабилизаторы—титан или ниобий, кото­рые, связывая углерод, уменьшают возможность соединения его с хромом. Более правильный путь борьбы с межкристаллической коррозией—уменьшение количества углерода '•в общей массе сплава.

/ Нержавеющую хромоникелевую сталь используют в ортопеди­ческой стоматологии для изготовления различных конструкций зубных протезов, ортопедических и челюстно-лицевых аппаратов, коронок, металлических и комбинированных мостовидных протезов, кламмеров и дуг для съемных конструкций протезов, различных ак­тиваторов и других частей ортодонтических и челюстно-лицевых аппаратов. Выпускается сталь как в виде слитков различной вели­чины, так и в виде специальных заготовок — гильз, литых зубов, фасеток, кламмеров, лент, проволок, дуг и т. д. -— С внедрением в стоматологическую практику индивидуального литья выпуск специальных заготовок значительно уменьшен. Из заготовок изготовляют соответствующие детали путем тщательной их припасовки и механической обработки, а из слитков отливают необходимые детали путем предварительного расплавления стали в специальных плавильных печах и заполнения этим расплавом специальной литьевой формы.