Что такое инокс: пассивный слой, марки и поверхности

Словом «нержавейка» мы называем и кухонную мойку, и перила на террасе, и полосу на входной двери. На самом деле это целое семейство сталей с разным составом, разной ценой и совершенно разным поведением, когда воздух вокруг солёный.

Эта статья — о нержавеющей стали как о материале: что делает её нержавеющей, почему всё упирается в слой толщиной несколько нанометров, как читается маркировка и что происходит с металлом, когда его режут, гнут, сваривают и чистят. Если вы сравниваете 304 и 316 как лицевой материал декоративной панели, об этом — в статье про бонд и нержавеющие панели. Здесь мы спускаемся на уровень ниже — в металлургию.

Слово французское, и это обещание

«Инокс» происходит от французского inoxydable — «неокисляемый»; в болгарский язык оно пришло через торговлю. Английское stainless обещает скромнее: «не пачкается». Французское слово обещает больше, чем металл способен выполнить.

И вот первый парадокс. Нержавеющая сталь окисляется — мгновенно, в момент контакта с воздухом — и именно это её спасает. Обещание не в том, что «не реагирует с кислородом», а в том, что «реагирует настолько быстро и упорядоченно, что самозапечатывается». Как термин «нержавейка» неточен; как описание механики — верно передаёт суть, только с обратным знаком.

История коротка: Пьер Бертье заметил кислотостойкость железо-хромовых сплавов ещё в 1821 году, а в 1913 году британец Гарри Бреарли обнаружил, что его высокохромистый образец просто не ржавеет.

Определение — это цифра: 10,5% хрома

«Нержавеющая» — не описательное понятие, а определение со значением. По EN 10088-1 сталь считается нержавеющей, если содержит минимум 10,5% хрома по массе и максимум 1,2% углерода. Ниже этого порога оксидная плёнка на поверхности прерывистая и пористая — где-то она есть, где-то нет, и коррозия проникает через прорехи. Выше порога плёнка становится сплошной.

Поэтому 10,5% — не круглое число из каталога, а граница поведения материала. На практике самые распространённые марки начинаются значительно выше этого минимума — при 16–18% хрома.

Пассивный слой: несколько нанометров, которые решают всё

Когда хром в стали встречается с кислородом, он образует оксид хрома — плотную, прочно сцепленную и химически стабильную плёнку толщиной 1–3 нанометра (Outokumpu указывает 1–3 нм, ISSF — 2–3 нм). Для масштаба: лист бумаги толщиной 0,1 мм примерно в 40 000 раз толще. Плёнка прозрачна, её не видно и не почувствовать на ощупь — блеск, который мы называем «нержавейкой», принадлежит металлу под ней. Механизм подробно описан Британской ассоциацией нержавеющей стали.

Разница с краской принципиальна. Краска — это слой, нанесённый сверху: поцарапаете её — и царапина останется царапиной, с неё начнётся ржавчина. Пассивный слой материал производит сам: поцарапаете его — хром на свежеобнажённой поверхности реагирует с кислородом вокруг, и плёнка снова замыкается. Это единственное «покрытие», которое ремонтирует само себя.

Но условие одно, и оно существенно: нужен кислород. Самовосстановление — это химическая реакция, и ей необходим реагент. Нержавейка, находящаяся под наслоением, под уплотнителем или в застойной воде без доступа воздуха, теряет способность к самозалечиванию именно там, где она нужнее всего.

Что разрушает пассивный слой

Практически все проблемы с нержавейкой — это проблемы данной плёнки. Четыре механизма объясняют почти всё, что может пойти не так:

• Хлориды. Хлорид-ион мал и агрессивен, он пробивает плёнку точечно, а не равномерно. Результат — питтинговая коррозия: тёмная ямка, растущая вглубь, пока поверхность вокруг выглядит нормально. Источники известны: морская соль в воздухе, зимняя противогололёдная соль на покрытии, хлорированная вода в бассейне, хлорные средства для ванной.
• Кислородное голодание. Под наслоением, под шайбой, за уплотнителем влага задерживается, кислорода мало, и плёнка не может восстановиться. Это щелевая коррозия — причина, по которой нержавейка часто сдаёт именно там, где кажется наиболее защищённой.
• Загрязнение обычной углеродистой сталью. Микроскопические частицы обычного железа, оставленные проволочной щёткой, шлифовальным диском или обычным рабочим столом, ржавеют сами по себе и запускают локальную атаку. Пятно проявляется спустя дни, а вину обычно списывают на «плохую нержавейку».
• Цвета побежалости после сварки. Сине-коричневые разводы вокруг шва — это оксидная плёнка, под которой сталь обеднена хромом; если её не удалить, именно здесь окажется слабое место изделия.

Четыре семейства и почему они отличаются

Нержавеющая сталь делится на семейства по кристаллической структуре, а та, в свою очередь, — по составу. Семейство определяет магнитность, гибку, свариваемость и цену.

Аустенитные (серия 300)

Самое распространённое семейство — сюда относятся 1.4301 (304) и 1.4401 (316). Содержат хром и никель; никель стабилизирует аустенитную структуру и придаёт ей характерные свойства: отличную пластичность, отличную свариваемость и в отожжённом состоянии — практическую немагнитность. По EN 10088-2 для 1.4301 холоднокатаная лента заявляется с Rp0,2 ≥ 230 МПа и Rm 540–750 МПа (горячекатаный лист — 210 и 520–720 МПа), при удлинении ≥ 45%. По EN 10088-1 теплопроводность при 20 °C составляет 15 Вт/(м·К), а средний коэффициент теплового расширения — 16 × 10⁻⁶ 1/К для диапазона 20–100 °C и 18 × 10⁻⁶ к 500 °C. (Американские спецификации для 304 обычно дают 16 и 17,3 — отсюда половина путаницы в технических характеристиках.)

Обратная сторона: сильно наклёпывается при холодной обработке, а никель — биржевой товар, поэтому лист из 304 дорожает и дешевеет по причинам, не связанным с вашим проектом.

Ферритные (серия 400)

Классический представитель — 1.4016 (430): 16–18% хрома, максимум 0,08% углерода и без никеля. Отсутствие никеля делает марку дешевле и с гораздо более стабильной ценой. Ферритная нержавейка магнитна, лучше проводит тепло (≈25 Вт/(м·К)) и меньше расширяется (10,0–11,0 × 10⁻⁶ 1/К) — преимущество при сварке, поскольку деформация меньше. Механически: Rp0,2 240–260 МПа, Rm 430–600 МПа (для толстого листа 430–630), но удлинение всего 18–20%.

Низкое удлинение — это ограничение: 430 хорошо гнётся, но не выдерживает глубокую вытяжку. Важнее коррозионная стойкость — 1.4016 предназначена для интерьера и слабоагрессивной среды: бытовая техника, кухонное оборудование, декоративные детали, дымоходы. Вблизи моря разница видна уже в первый год.

Мартенситные

Сюда относятся 1.4021 (X20Cr13, AISI 420) с 12–14% хрома и 0,16–0,25% углерода, и более углеродистая 1.4028 (X30Cr13, 0,26–0,35% C). Высокое содержание углерода позволяет закалку. EN 10088 не задаёт твёрдость, а состояния (+QT) в МПа; по данным производителей 1.4021 достигает около 46–50 HRC, а 1.4028 — 50–54 HRC. Отсюда и области применения: ножи, хирургические инструменты, валы, детали насосов и клапанов.

Цена за твёрдость — коррозионная стойкость: меньше хрома и больше углерода означают более слабый пассивный слой — поэтому кухонный нож ржавеет, если остаётся мокрым в раковине, а сама раковина вокруг него — нет.

Дуплекс

Дуплекс — это смесь аустенита и феррита примерно в равных долях. По EN 10088 марка 1.4462 содержит 21–23% хрома, 4,5–6,5% никеля, 2,5–3,5% молибдена и 0,10–0,22% азота. Здесь есть ловушка, которая стоит денег: американский UNS S32205 сужает те же границы до 22–23% Cr, 3,0–3,5% Mo и 0,14–0,20% N, так что лист, сертифицированный по 1.4462, автоматически не покрывает S32205. Результат — примерно вдвое более высокий предел текучести по сравнению с 316 при меньшем содержании никеля и очень высокой стойкости к хлоридам — химическая промышленность, морские конструкции, резервуары, мосты. Это не «универсально лучшая нержавейка»: она сложнее формуется и требует более строгого контроля при сварке.

Магнит — не тест на подлинность марки

Самый распространённый цеховой миф: «если магнит липнет — значит, не настоящая нержавейка». Отожжённая аустенитная нержавейка действительно практически немагнитна, но после холодной обработки часть аустенита превращается в мартенсит, и материал становится слабомагнитным — по резаным кромкам, в глубоко вытянутых углах, вокруг штампованных отверстий. Ферритные и мартенситные марки, в свою очередь, магнитны по определению и при этом остаются полностью законной нержавеющей сталью. И самое важное: магнит не отличит 304 от 316, потому что разница — в молибдене.

Как читать маркировку

В одной спецификации вы встретите две системы, и полезно уметь переводить их «на лету»:

Номер EN	Название EN	AISI	Что это значит
1.4301	X5CrNi18-10	304	Базовая аустенитная: ~18% Cr, ~8% Ni
1.4307	X2CrNi18-9	304L	Та же марка с низким содержанием углерода
1.4401	X5CrNiMo17-12-2	316	С молибденом для стойкости к хлоридам
1.4404	X2CrNiMo17-12-2	316L	316 с низким содержанием углерода
1.4016	X6Cr17	430	Ферритная, только хром, без никеля
1.4462	X2CrNiMoN22-5-3	2205	Дуплекс

Европейский номер (1.43xx, 1.44xx) — это то, что попадает в сертификат и в счёт-фактуру; американское обозначение (304, 316, 430) — то, что звучит в цехе. Если в документе написано 1.4301, вы купили 304 — независимо от того, что было сказано устно.

Название по EN читается буквально: X означает высоколегированную сталь, число после него — это содержание углерода, умноженное на 100, далее следуют легирующие элементы и их процентное содержание. X5CrNi18-10 = 0,05% углерода, 18% хрома, 10% никеля.

Что означает «L»

L — от low carbon, и это не косметическая приставка. Стандартные марки допускают около 0,07–0,08% углерода; L-марки ограничивают его до максимум 0,030%. Причина — сварка: при выдержке примерно в диапазоне 425–850 °C — единой границы нет, BSSA даёт 370–815 °C, Outokumpu 550–850 °C — углерод мигрирует к границам зёрен и связывается с хромом в карбиды хрома. Этот хром больше не участвует в формировании пассивного слоя, и вдоль границ остаётся зона, обеднённая хромом. Явление называется сенсибилизацией, а последствие — межкристаллитная коррозия, «разъедание шва».

316L решает проблему на входе: при содержании углерода ниже 0,030% недостаточно материала для образования карбидов, и шов остаётся стойким без дополнительной термообработки. Поэтому для всего сварного — резервуаров, перил, трубопроводов, рам — L-марка является разумным выбором, а не дорогой прихотью.

PREN: число, которое можно сравнивать

PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) ставит две марки на одну шкалу:

PREN = %Cr + 3,3 × %Mo + 16 × %N

Формула взвешивает три элемента, которые реально работают против питтинговой коррозии: хром входит с коэффициентом 1, молибден — с коэффициентом 3,3, азот — с коэффициентом 16. Подставьте состав марок — и станет ясно, почему дуплекс находится в другой категории, а 430 не годится для морской среды. Для владельца дома в полукилометре от пляжа вся эта математика сводится к одной фразе: спрашивайте про 316, а не просто про «нержавейку».

Важно понимать и то, чем PREN не является. Это не срок службы, и формула не учитывает ни состояние поверхности, ни щели, ни температуру, ни сварку. PREN сравнивает марки, а не готовые изделия.

Отделка поверхности по EN 10088-2

Поверхность — отдельная спецификация с кодом: цифра для проката (1 — горячий, 2 — холодный) плюс буква для обработки.

Четыре из них покрывают почти всё. 2B — стандартная холоднокатаная поверхность: слегка матовая и самая доступная. 2R (BA, bright annealed) — светлоотожжённая: очень гладкая и отражающая, но не полированная. 2J — шлифованная, знакомая «сатинированная нержавейка», US No. 4, с видимым направлением штриха. 2P — зеркальная полировка, US No. 8. Коды по EN не являются формальными эквивалентами американских номеров — соответствие приблизительное.

Отделка поверхности — это не только внешний вид. Чем она грубее, тем лучше удерживает соль, пыль и влагу и тем легче доходит до чайного пятнения (tea staining) — коричневатого налёта, который косметический, но портит всё впечатление. Австралийская ассоциация нержавеющей стали описывает это как типичную проблему на расстоянии примерно до 5 км от пляжа с прибоем и до 1 км от спокойной морской воды и рекомендует более гладкие отделки, такие как 2B и BA, вместо шлифованной No. 4; при менее благоприятных условиях — ветре, загрязнённом воздухе, закрытом месте — пятнение наблюдается даже на расстоянии 20 км от берега. Тот же источник считает 316 минимально допустимой маркой в пятикилометровой прибрежной полосе. Для морских и наружных архитектурных задач стандарт предлагает и более строгий код 2K — сатинированную полировку с дополнительным требованием к шероховатости менее 0,5 мкм поперёк штриха.

Отсюда два следствия. «Шлифованная нержавейка» — не спецификация: две шлифованные поверхности с разным абразивом ведут себя по-разному, поэтому требуйте код, а для взыскательных проектов — значение Ra. И направление штриха — часть заказа: две панели со штрихом в разных направлениях выглядят как разные материалы при боковом освещении.

Формовка, резка, сварка

Формовка. Аустенитная нержавейка сильно наклёпывается: чем больше её деформируют, тем твёрже она становится — больше усилие пресса, сильнее пружинящий эффект и иногда требуется промежуточный отжиг. Ферритная 1.4016 хорошо гнётся, но при удлинении 18–20% не годится для глубокой вытяжки.

Резка. Лазер быстр и точен, но режет теплом: по данным переработчиков, на листе 316L толщиной 10 мм вокруг реза остаётся термически повреждённая зона порядка 0,3–1 мм. Значение сильно зависит от режима и не стандартизировано — воспринимайте его как ориентир, а не гарантию. Гидроабразивная резка режет холодно — абразив и вода, без термически повреждённой зоны — и поэтому её предпочитают, когда кромка остаётся открытой в агрессивной среде. Штамповка и ножницы отлично работают на тонких листах при условии острого инструмента: тупой инструмент «размазывает» кромку и оставляет микротрещины.

Сварка. TIG и MIG с подходящим присадочным материалом и защитой корня шва аргоном, чтобы не окислить обратную сторону шва. После сварки цвета побежалости обязательно удаляются — травлением, щёткой из нержавеющей стали или электрохимически. Аустенитная нержавейка расширяется примерно на 16 × 10⁻⁶ 1/К, а к 500 °C — на 18 × 10⁻⁶, поэтому сварные конструкции стягиваются и деформируются сильнее, чем ожидает человек, привыкший работать с чёрной сталью. Сводная таблица по материалам и методам — в статье о технических параметрах материалов.

Золотое правило: ничего из углеродистой стали

Именно это правило отличает цех, реально работавший с нержавейкой, от цеха, который попробовал один раз. Инструменты для нержавейки не используются для чёрной стали и наоборот.

• Проволочные щётки — только из нержавеющей стали (для взыскательных задач — из 316L) или абразивные подкладки из нетканого материала.
• Отдельные диски, напильники, стойки и рабочие столы.
• Никаких стальных лент для упаковки и хранения на ржавых стеллажах.
• Искры от резки чёрной стали поблизости тоже загрязняют: это частицы горячего железа, которые внедряются в поверхность.

Коварство в том, что проблема проявляется с задержкой: поверхность выглядит чистой в цехе, а ржавые точки появляются после первого дождя — уже на смонтированном объекте.

Травление и пассивация: две разные вещи

Травление (pickling) — это кислотная обработка, обычно азотной и плавиковой кислотой, которая снимает тонкий слой металла вместе с окалиной, оксидами, внедрёнными частицами железа и цветами побежалости. Оно очищает.

Пассивация — последующая обработка азотной или лимонной кислотой, которая удаляет свободное железо и способствует формированию равномерного пассивного слоя. Она восстанавливает защиту. Процедуры описаны в ASTM A380 (очистка, обезжиривание, травление и пассивация) и ASTM A967 (химическая пассивация); в пищевой и фармацевтической промышленности лимонная кислота всё активнее вытесняет азотную.

Порядок важен: пассивация не справляется с цветами побежалости или окалиной — сначала выполняется травление. И она не «добавляет» покрытие, а расчищает материалу путь сделать своё дело.

Уход: «нержавеющая» не значит «без ухода»

Нержавейка не нуждается в покраске, но нуждается в мытье. Пассивный слой справляется со всем, пока соль и грязь не задерживаются на нём подолгу.

• Дождь — бесплатный уход. Коррозия появляется в первую очередь под козырьками, в нишах дверей, снизу ручек и профилей — там, куда дождь не достаёт, а соль — достаёт.
• Вода и мягкое нейтральное средство, ополаскивание, протирание по направлению штриха.
• Никогда — хлорные средства и соляная кислота. Отбеливатели и средства для швов — самая частая причина пятен на нержавейке в бытовых условиях.
• Периодичность зависит от среды: интерьер — редко; городская среда — периодически; морское побережье и зимние засоленные улицы — значительно чаще.

Когда элемент — часть двери или фасада, монтаж и уход идут рука об руку: что входит в первое, а что остаётся за владельцем, описано в разделе услуги.

Где применяется нержавеющая сталь

• Пищевая и фармацевтическая промышленность. Нет покрытия, которое могло бы отслоиться в продукт, поверхность моется агрессивными средствами и при высоких температурах, а гладкие отделки (2B, BA) не задерживают остатки. Швы шлифуются и пассивируются именно для того, чтобы не оставалось щелей.
• Морская среда и архитектура. 316 и дуплекс — для офшорных конструкций; фасадные облицовки, перила и кровли, которые служат десятилетиями без перекраски.
• Кухни, бытовая техника и медицина. Мойки и столешницы из 304; барабаны и внутренние панели часто из 430, поскольку среда контролируемая; мартенситные марки — для режущих инструментов.
• Строительство и оконно-дверные конструкции. Крепёж, анкеры, обшивка и декоративные накладки — включая вставки и полосы на входных дверях.

Частые заблуждения

1. «Нержавейка не ржавеет». Ржавеет — при хлоридах, в щелях и при загрязнении железом. Просто не так, как чёрная сталь.
2. «Более дорогая марка всегда лучше». 316 в сухом интерьере — потраченный впустую ресурс без эффекта; 430 на морском берегу — ошибка.
3. «Царапина губит нержавейку». Пассивный слой восстанавливается; проблема косметическая, особенно заметная поперёк штриха.
4. Смешение марок в одном узле. Лицевая панель из 316 с крепежом из более низкой марки сводит изделие к уровню более слабого элемента — именно в местах щелей.

Как читать спецификацию на нержавеющую сталь

1. Марка по номеру EN (1.4301, 1.4401, 1.4404…), а не только AISI и не просто «нержавейка».
2. Уровень содержания углерода — L или стандартная марка, если изделие сваривается.
3. Толщина и допуск.
4. Код отделки поверхности по EN 10088-2 (2B, 2R/BA, 2J, 2P) и направление штриха для шлифованных исполнений.
5. Защитная плёнка — есть ли, на сколько рассчитана, выдерживает ли солнце.
6. Способ резки и обработка кромки.
7. Обработка после сварки — травление и/или пассивация.
8. Инспекционный сертификат 3.1 по EN 10204 — запрашивайте его отдельно: начиная с редакции EN 10088-2 от 2014 года документом по умолчанию является протокол 2.2.

Коротко. Нержавеющая сталь — это сталь с содержанием хрома не менее 10,5%, которая сама формирует себе покрытие из оксида хрома толщиной 1–3 нанометра и сама его восстанавливает — при условии доступа кислорода. Всё остальное — следствия: хлориды пробивают плёнку точечно, кислородное голодание под наслоениями и уплотнителями — вторая причина коррозии, а частицы углеродистой стали — третья. Семейство определяет магнитность, формовку и цену; PREN даёт сопоставимую шкалу; код по EN 10088-2 описывает отделку поверхности, которая влияет как на внешний вид, так и на коррозионную стойкость.

О выборе марки и отделки поверхности для декоративной панели — в статье про бонд и нержавеющие панели, а о лицевых материалах — в разделе материалы. Готовые модели — в каталоге; когда сочетание марки, отделки поверхности и вставок должно быть нестандартным, панели изготавливаются по индивидуальным размерам болгарским производителем — смотрите раздел заказ по проекту или часто задаваемые вопросы.