История появления коррозионно-стойких (нержавеющих) сталей

По ГОСТ 5632-14:

«Коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллитной коррозии, коррозии под напряжением и др.;»

Пьер Бертье (Pierre Berthier) 1782-1861

Французский учёный металлург Пьер Бертье ещё в 1821 заметил особые свойства железо-хромистых сплавов. Среди прочих они отличаются повышенной стойкостью к воздействию ряда кислот и окружающего воздуха. Благодаря обнаруженным свойствам французский металлург предложил изготавливать из хромистых сплавов железа столовые приборы. Однако он не смог объяснить: ни природу коррозионной стойкости получаемых сплавов, ни избавить их от излишней хрупкости. Идея Пьера Бертье не могла быть реализована по той причине, что металлургия 19-го века не обладала достаточными технологиями для производства сталей с малым содержанием углерода. Что вкупе с большим содержанием хрома обуславливает металлическому изделию крайнюю хрупкость на фоне высокой прочности. Что делало их нетехнологичными в плане обработки при производстве.

Ганс Гольдшмидт Johannes Wilhelm (Hans) Goldschmidt  1861-1923

Для получения низкоуглеродистого хрома немецкий учёный Ганс Гольдшмидт предложил использовать алюминотермию.

Он запатентовал эту технологи в 1895, а в 1898 году освоил алюминотермический процесс в промышленном масштабе. В следствие чего алюминотермию в Европе и многих других странах мира до сих пор принято называть «Реакцией или Процессом Гольдшмидта». Что позволило многим учёным металлургам и химикам в начале прошлого века проводить эксперименты со сплавами железа и хрома при низком содержании углерода.

Независимо друг от друга в разных уголках мира стала появляться информация о новых для того времени сплавах, которые можно отнести к коррозионностойким.

Так с 1904 по 1911 год французский учёный Леон Гийе (Leon Alexandre Guillet) изучает и публикует свойства низкоуглеродистых сплавов железа, хрома и никеля. В своих работах он подробно описал сплавы близкие к сталям А410, А420, А442, А446 и А440 по AISI (American Iron and Steel Institute) – американский институт стали и сплавов.

В 1911 году в Германии учёный Филипп Моннарц (Philip Monnartz) публикует ряд статей в журнале Metallurgie, основанных на его исследованиях с 1908 года. К сожалению его вклад в развитие нержавеющих хромистых сталей недооценён в русскоязычных изданиях об истории металлургии. Однако современники считали его труды фундаментом для дальнейшего развития коррозионностойких сталей.

Что же именно Филиппа Моннарца обнаружил и чем поделился с миром в своих трудах.

Во первых, он указал на тот факт, что стали с содержанием хрома 12% оказывают сопротивление азотной кислоте и не корродируют под воздействием окружающего воздуха.

Во вторых, Ф.Моннарц объяснил коррозионная стойкость хромистых сталей наличием защитного от коррозии слоя оксида хрома Cr2O3, который образуется на поверхности изделия под воздействием окисления воздухом (в бóльшей мере – содержащимся в нём кислородом). Этот слой по своей природе является самовосстанавливающимся. Поэтому, как указал учёный, метизы из сталей с содержанием хрома не менее 12% сохраняют свои «нержавеющие» свойства даже после механического повреждения поверхности.

В третьих, Ф.Моннарц отметил необходимость малого содержания углерода для предотвращения образования карбидов хрома при производстве этих сплавов. Для чего он предлагал легировать стали такими элементами как: титаном, колумбием, ванадием, вольфрамом или молибденом. Последнему Филипп Моннарц отдавал наибольшее предпочтение. Он отметил, что содержание 2-3% молибдена в сталях с 12% хрома значительно увеличивает их коррозионную стойкость.

Яхта Half Moon, Germania, 1908

Тем временем в 1908 году на немецкой верфи Фридриха Круппа Германия была спущена яхта Half Moon (так же известная как: Germania и Exen) водоизмещением 250 т. Она сильно выделялась на фоне остальных шхун того времени конструкцией корпуса, который был выполнен из хромоникелевой стали. Вес её составлял 366 тонн.

Бенно Штраус (Benno Strauß) 1873-1944	Эдуард Маурер (Eduard Maurer) 1886-1969

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

Тем не менее, официально принято считать, что массовое признание в мире нержавеющим сталям подарил английский металлург, сын рабочего сталевара – Гарри Бреарли (Harry Brearley). 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. Это было особенно важно в условиях политического кризиса, сложившегося в Европе на тот момент. 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.

Гарри Бреарли  (Harry Brearley) 1871-1948

Бреарли пытался найти новые сплавы, которые бы удовлетворяли заданным свойствам. Они должны были быть достаточно прочными и сохранять коррозионную стойкость даже при кратковременном воздействии высоких температур. Металловедение того времени, как наука, пребывала в зачаточном состоянии. Практически все научные поиски велись учёными, металлургами, а порой и самоучками, как Бреарли, в разных уголках мира без какого-либо информационного сообщения между собой. Поэтому Гарри, как и многие другие, действовал интуитивно: методом проб и ошибок. Упорно и методично он 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 Гарри Бреарли на Non-Rusting steel (дословно: нержавеющая сталь, англ.) в 1913 году. В настоящий момент эта сталь имеет номер А420 по AISI и относится к мартенситным нержавеющим сталям.

При том что, по своим свойствам полученный сплав абсолютно не соответствовал требованиям «оружейной стали», Бреарли осознавал, что коррозионная стойкость и податливость при обработке нового материала пригодятся 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 (Ernest Stuart), сотрудником мануфактуры R.F. Mosley's, специализирующейся на изготовлении столовых приборов. Именно последний предложил термин Stainless Steel, дословно с английского: «сталь без коррозии» или коррозионностойкая 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, но 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 (William Herbert Hatfield) запатентовал хромоникелевую сталь (18% Cr и 8% Ni), близкую по содержанию химических элементов и своим свойствам к аустенитным сталям марки А2 по ГОСТ Р ИСО 3506 или А304 по AISI.