Нержавеющая сталь против углеродистой стали: комплексное сравнение

Когда дело доходит до выбора правильного материала для вашего проекта, важно знать разницу между нержавеющей сталью и углеродистой сталью. В этом руководстве вы познакомитесь со свойствами, преимуществами и подходящими случаями их использования, чтобы сделать правильный выбор.

Понимание нержавеющей стали и углеродистой стали

Два наиболее часто используемых материала в обрабатывающей и строительной промышленности включают нержавеющую сталь и углеродистую сталь. Но что их отличает? Теперь давайте подробнее рассмотрим их основные составы и наиболее важные характеристики.

Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь это сплав, содержащий минимум 10.5% хрома. Этот состав является ключом к его самой заметной особенности: коррозионной стойкости. При контакте с кислородом хром выходит в виде тонкой и невидимой пленки оксида хрома. Этот слой, также известный как «пассивный слой», защищает нижний металл от дальнейшей коррозии, поскольку диффузия кислорода ограничена. 

Нержавеющая сталь также известна тем, что имеет несколько марок, в которых они различаются по формированию сплава для сохранения своих свойств. Некоторые распространенные марки включают: 

• 304: Эта марка является одной из самых популярных и известна своими прекрасными качествами эрозионной стойкости и другими механическими характеристиками, которые позволяют легко формовать изделия. 
• 316: Почти то же самое, что и 304, но в основном используется в условиях, которые могут включать воздействие хлоридов, т. е. в морских условиях. 
• 430: Это ферритная нержавеющая сталь, обладающая превосходной формуемостью, а также хорошей коррозионной стойкостью к азотным кислотам.

Углеродистая сталь

Углеродистая сталь представляет собой комбинацию железа и углерода, где углерод является основным ингредиентом. Содержание углерода, как правило, колеблется между 0,05% и 2,1%, и этот процент очень важен и влияет на свойства стали. Углеродистая сталь, напротив, не содержит много хрома или других подобных элементов, которые делают ее устойчивой к коррозии, как нержавеющая сталь. 

Углеродистая сталь часто классифицируется в зависимости от содержания углерода:

• Низкоуглеродистая сталь (мягкая сталь): углерод от 0,05% до 0,25%
• Среднеуглеродистая сталь: углерод 0,25% - 0,60%
• Высокоуглеродистая сталь: углерод от 0,60% до 2,1%

Увеличение содержания углерода также повышает прочность стали, в результате чего она становится жесткой, но менее пластичной.

Основные различия между нержавеющей сталью и углеродистой сталью

Давайте рассмотрим основные факторы, отличающие эти два типа стали.

Состав

Основное различие между нержавеющей сталью и углеродистой сталью заключается в их составе:

Нержавеющая сталь содержит: 

• Железо (Fe): основной металл
• Хром (Cr): Не менее 10,5%, что имеет решающее значение для коррозионной стойкости
• Никель (Ni): Обычно встречается, но способствует улучшению коррозионных свойств и формуемости материала. 
• Другие легирующие элементы: к ним относятся молибден, титан, медь и т. д., которые добавляются для улучшения некоторых желаемых характеристик. 

Углеродистая сталь содержит: 

• Железо (Fe): Основной компонент
• Углерод (C): от 0,05% до 2,1% контролирует такие свойства стали, как прочность и твердость. 
• Небольшие количества других элементов: марганца, кремния и меди, которые в небольшой степени влияют на характеристики стали. 

Присутствие хрома в нержавеющей стали меняет правила игры. Хром реагирует с кислородом воздуха и создает на поверхности тонкий и невидимый слой оксида хрома, не давая металлу корродировать. Именно эта характеристика самовосстановления наделяет нержавеющую сталь гораздо более высоким уровнем коррозионной стойкости.

Коррозионная стойкость

Когда дело доходит до борьбы с ржавчиной и коррозией, нержавеющая сталь — явный победитель. Вот почему:

Нержавеющая сталь: В нержавеющей стали хром преобразуется в оксидный слой. Если этот слой каким-либо образом поцарапать, то он немедленно образуется и защищает металл от дальнейшей ржавчины. Это делает его пригодным для использования в районах с суровыми условиями, например, вблизи морей и на химических предприятиях. 

Углеродистая сталь: Когда хромовый компонент удаляется из углеродистой стали, она становится гораздо более уязвимой к ржавчине и коррозии. При реакции с влагой и кислородом он превращается в оксид железа или ржавчину, что ослабляет структуру металла в долгосрочной перспективе. 

Если есть особые требования к коррозионной стойкости конструкций, то обычно предпочтение отдается нержавеющей стали. Однако в случаях, когда проект не требует высокой коррозионной стойкости, но хочется сэкономить на расходах на закупку материалов, углеродистая сталь может быть подходящим вариантом.

Прочность и долговечность

И нержавеющая, и углеродистая сталь обладают впечатляющей прочностью, но они хороши в разных областях:

Нержавеющая сталь: 

1. В большинстве случаев он обладает более высокой прочностью на разрыв, чем углеродистая сталь, то есть более способен выдерживать нагрузку до возможного разрушения. 
2. По сравнению с углеродистой сталью он обладает большей пластичностью, что позволяет ему гнуться, не ломаясь.
3. Обладает лучшей прочностью на растяжение при высоких температурах, чем другие углеродистые стали. 
4. Упрочнение марок нержавеющей стали, таких как 304 и 316, может повысить прочность материала путем холодной обработки. 
5. Превосходное соотношение прочности и веса, поэтому его можно использовать там, где вес является определяющим фактором. 

Углеродистая сталь: 

1. Во многих случаях он обладает более высоким пределом текучести, чем нержавеющая сталь, поэтому может выдерживать большее напряжение, прежде чем полностью деформируется. 
2. Обычно прочнее нержавеющей стали и поэтому может выдерживать износ в определенных условиях. 
3. Легко поддается термической обработке, что значительно увеличивает его прочность и твердость. 
4. Высокоуглеродистые стали могут достигать очень высоких уровней прочности, но за счет снижения пластичности.

Какой из них выбрать, во многом будет зависеть от конкретных сильных сторон, которые вам нужны. Например: 

• Если вам нужен материал, который обеспечивает усталостную прочность и изгиб без разрушения, как в пружинах или в некоторых архитектурных решениях, то нержавеющая сталь может стать подходящим материалом. 
• Углеродистая сталь, с другой стороны, может оказаться более подходящей, если вам нужен материал, который не деформируется под давлением, как в случае с строительными опорами, производителями конструкций и механизмов. 
• Там, где требуется высокая прочность в сочетании с коррозионной стойкостью, например, в судостроении или на химических заводах, идеальным вариантом может оказаться нержавеющая сталь.

Теплостойкость

Что касается устойчивости к высоким температурам, оба типа стали имеют свои сильные стороны:

Нержавеющая сталь: Любая марка нержавеющей стали устойчива к термической обработке, поскольку обладает высокой прочностью и устойчивостью к коррозии. Прочность некоторых марок может сохраняться без значительного ухудшения при температурах до 2000°F (1093°C). Это связано с тем, что нержавеющая сталь должна использоваться в условиях, где ожидаются чрезвычайно высокие температуры, например, в печах, деталях двигателей и т. д. 

Углеродистая сталь: Хотя углеродистая сталь является высокотемпературным типом материала, она имеет сравнительно более низкие жаропрочные свойства, чем нержавеющая сталь. Высокое применение тепла может сделать материал слабым и более склонным к процессу окисления при использовании на углеродистой стали. Тем не менее, несколько термообработанных углеродистых сталей способны выдерживать такие свойства при умеренно высоких температурах. 

При выборе подходящего материала для вашего проекта, в месте с экстремальными температурами, особенно там, где может возникнуть коррозия, безопаснее выбрать вариант из нержавеющей стали. Для операций при умеренных температурах углеродистая сталь может справиться с этой работой по более разумной цене, чем легированные стали.

Сравнение стоимости

При оценке стоимости этих материалов следует учитывать не только первоначальную цену:

Нержавеющая сталь: Во-первых, эти материалы дороже обычной углеродистой стали, поскольку стоимость легирующих элементов выше. Однако из-за своей долговечности и отсутствия необходимости в частом обслуживании и/или замене, они обходятся дешевле при использовании в коррозионных зонах. 

Углеродистая сталь: Они обычно менее дороги на первых этапах проекта или начальных фазах разработки. Поэтому их можно использовать в ситуациях, когда коррозия не будет представлять значительной проблемы или когда возможно частое обслуживание. Но когда они подвергаются воздействию коррозионной атмосферы, то необходимо нести большие расходы с точки зрения обслуживания, замены и режимов отказов. 

Пожалуйста, не забывайте, что стоимость материала также подразумевает изготовление, установку, обслуживание и даже расходы на замену. С точки зрения затрат, хотя нержавеющая сталь относительно дороже углеродистой стали на начальном этапе проекта, в долгосрочной перспективе она дает меньшие затраты.

Технологичность и изготовление

Простота работы с этими материалами может существенно повлиять на сроки и стоимость вашего проекта:

Нержавеющая сталь: 

• Сварка: Обычно его трудно сваривать из-за его высокой скорости теплового расширения, а также низкой теплопроводности. Для этого все еще часто требуются специальные методы и оборудование.
• Обработка: Их немного сложнее обрабатывать из-за их чрезвычайной твердости и эффекта упрочнения материалов. Это может потребовать специальных патронов или инструментов для резки, а также может привести к тому, что процесс резки станет немного более длительным. 
• Формовка: Кроме того, он более пластичен по сравнению с углеродистой сталью, что, в свою очередь, означает, что ему можно придавать различные формы без риска его поломки. 

Углеродистая сталь: 

• Сварка: Хотя она тверже углеродистой стали, ее сравнительно легче сваривать, чем нержавеющую сталь. Тем не менее, она имеет более низкий коэффициент теплового расширения и более высокую скорость теплопроводности, что также снижает риск деформации. 
• Обработка: в целом, легче поддается обработке, чем нержавеющая сталь, что позволяет использовать более дешевые инструменты и, следовательно, ускорить производство. 
• Формовка: Несмотря на то, что он жестче нержавеющей стали, его все равно относительно легко формовать и изменять форму.

Ваш выбор может зависеть от возможностей вашего производства, а также от плотности соответствующего проекта. Если вы работаете со сложными конструкциями или вам нужно формировать сложные формы, нержавеющая сталь может быть предпочтительнее. Для создания объектов с менее сложными структурами или если вы хотите сваривать или обрабатывать их, то углеродистая сталь может быть предпочтительнее.

Приложения

Уникальные свойства каждого типа стали делают их пригодными для различных областей применения:

Нержавеющая сталь обычно используется в:

• Оборудование для переработки пищевых продуктов: позволяет поддерживать хорошую гигиену, поскольку оно не подвержено коррозии и легко чистится. 
• Медицинские приборы и хирургические инструменты: решающее значение имеют их биосовместимость и устойчивость к процессам стерилизации.
• Химические перерабатывающие предприятия: Благодаря своей способности противостоять воздействию различных химических соединений они могут контактировать с едкими веществами. 
• Морская среда: устойчива к коррозии в соленой воде, что делает этот тип стали пригодным для строительства судов и морских платформ, в том числе. 
• Архитектурное применение: благодаря своему потрясающему внешнему виду и универсальности он используется для облицовки зданий и скульптур.

Углеродистая сталь часто встречается в:

• Строительство (конструкционная сталь): Благодаря своей прочности и экономичности продукт хорошо подходит для строительства зданий и мостов. 
• Автомобильные детали: его прочность и доступность делают его пригодным для многих компонентов транспортных средств.
• Инструменты и машины: Он твердый и обладает хорошей износостойкостью, поэтому его используют для изготовления ножей и тяжелого оборудования. 
• Трубопроводы: лучше всего использовать их при транспортировке нефти и газа, поскольку они прочные и недорогие. 
• Железнодорожные пути: Они достаточно долговечны и прочны, чтобы выдерживать чрезвычайно высокие нагрузки без возникновения таких проблем, как износ. 
• Сковороды (после прокаливания): поскольку они обладают хорошей теплопроводностью, их часто используют для приготовления пищи, кроме того, после прокаливания они образуют антипригарную поверхность. 

Конечно, ваше решение будет в основном зависеть от характеристик вашего конкретного применения. Некоторые из факторов, которые следует учитывать при принятии решения, включают коррозионную среду, прочность, температуру и стоимость.

Требования к техническому обслуживанию

Потребности в обслуживании этих материалов могут существенно повлиять на долгосрочные затраты и удобство использования:

Нержавеющая сталь: 

• Низкие требования к техническому обслуживанию 
• Устойчив к пятнам и коррозии 
• В большинстве случаев требуется только ополаскивание мягкой мыльной водой. 
• Иногда может потребоваться полировка для сохранения внешнего вида. 

Углеродистая сталь: 

• Более высокие требования к техническому обслуживанию, особенно в коррозионной среде 
• Необходимо регулярно мыть и сушить, чтобы избежать ржавчины. 
• Может быть подвержен коррозии и может потребовать защитного покрытия или покраски. 
• Также обязательно периодически осматривать автомобили на предмет ржавчины и повреждений. 

Другими словами, если легко обслуживать, особенно в экстремальных условиях, то нержавеющая сталь является предпочтительным решением. Но если вы можете обеспечить регулярное обслуживание и окружающая среда не слишком агрессивна, углеродистая сталь окажется гораздо менее дорогой.

Воздействие на окружающую среду

Оба типа стали имеют экологические характеристики:

Нержавеющая сталь: 

• Этот материал можно перерабатывать снова и снова, не снижая при этом качество продукта, в котором он используется. 
• Имеют длительный срок службы; это означает, что их не придется часто менять 
• Производство может быть энергоемким из-за легирующих элементов.

Углеродистая сталь: 

• Их также можно перерабатывать, но в ходе процесса их свойства могут немного измениться. 
• Сокращение срока службы продукции в коррозионной среде означает, что ее придется заменять чаще. 
• Обычно на его производство уходит меньше энергии по сравнению с нержавеющей сталью. 

Оба могут использоваться в подходе к устойчивому проектированию, но относительное положительное воздействие на окружающую среду в большинстве случаев связано с конкретным использованием и соображениями жизненного цикла рассматриваемого материала. Долговечность нержавеющей стали связана с ее способностью к переработке, и во многих ситуациях ее использование оказывается лучше для окружающей среды, чем использование материала, который всегда часто заменяется.

Заключение

Ваш выбор между нержавеющей сталью и углеродистой сталью зависит от ваших конкретных потребностей. Некоторые из факторов, которые следует учитывать, могут включать коррозионную стойкость, прочность, методы изготовления и степень стоимости в долгосрочной перспективе. Каждый материал имеет свои преимущества и недостатки, и использование идеального материала может существенно повлиять на вашу задачу. Если вы ищете профессиональный совет по наиболее подходящему материалу для использования в вашем проекте, вам нужно перейти на КДМ.