Кислотостойкая сталь: марки, стойкость к кислотам и выбор листа

Что значит «кислотостойкая сталь»

«Кислотостойкая сталь» — торговое и разговорное название. В тексте ГОСТ 5632-2014 слова «кислотостойкий» нет: стандарт говорит о нержавеющих сталях и сплавах коррозионно-стойких, жаростойких и жаропрочных. Для кислот важны коррозионно-стойкие марки. Что именно они выдерживают, стандарт описывает в приложении А отдельно для каждой марки.

Стойкость не бывает абсолютной. Она зависит от четырёх вещей: какая кислота, какая концентрация, какая температура и есть ли примеси — хлориды, окислители, фтор. 316L почти не корродирует в 5 %-ной серной кислоте при 20 °C и быстро разрушается в 40 %-ной. В соляной кислоте она не годится уже при 5 % и комнатной температуре.

Поэтому правильный вопрос — не «какая сталь кислотостойкая», а «какая выдержит мою кислоту при моей концентрации и температуре». Среды делят на два типа. Окислительные, как азотная кислота, укрепляют пассивную плёнку хрома. Восстановительные, как серная средней концентрации и соляная, её разрушают, и там нужны никель, молибден и медь.

Марки кислотостойкой стали и их состав

По IMOA, каждый элемент работает в своей среде. Хром создаёт пассивную плёнку. Никель улучшает поведение в некоторых восстановительных кислотах. Молибден повышает стойкость к питтингу в хлоридах и в восстановительных средах — соляной и разбавленной серной кислоте. Медь добавляют против серной и фосфорной кислот. Atlas Steels отмечает, что медь особенно помогает в серной кислоте «средней» концентрации.

• 08Х18Н10 (AISI 304) и 12Х18Н10Т (AISI 321) — без молибдена. Годятся для азотной кислоты и слабых органических сред, но не для хлоридов, серной и соляной кислот. Титан в 12Х18Н10Т защищает сварные швы от МКК.
• 03Х17Н14М3 (AISI 316L) — основная «кислотостойкая» марка листа. Молибдена 2,2–2,8 %, PREN около 24. Держит слабую серную и фосфорную кислоты, органические кислоты. Подробнее — в статье о 316 и 316L.
• 10Х17Н13М2Т (близка к 316Ti) — ГОСТ рекомендует её для сварных конструкций в кипящей фосфорной, серной, 10 %-ной уксусной кислоте и в сернокислых средах.
• 06ХН28МДТ и AISI 904L — высокий никель, молибден и медь. 904L создавали для серной кислоты; по Atlas Steels PREN около 35. 06ХН28МДТ по ГОСТ — для серной кислоты разных концентраций до 80 °C. Это близкие, но разные стали: у 904L больше молибдена, у 06ХН28МДТ — меди, и есть титан. Разбор — в статье о 06ХН28МДТ.
• 03Х21Н21М4ГБ (ЗИ35) — по приложению А ГОСТ 5632-2014 для сварных узлов в горячей фосфорной кислоте с примесью фтористых и сернистых соединений, в серной кислоте низких концентраций до 80 °C и в азотной до 95 °C.
• Дуплекс 2205 (03Х22Н5АМ3) — прочность вдвое выше 316L и стойкость к хлоридному растрескиванию. PREN выше 35 по Sandvik. Подробнее — в статье о дуплексной стали.
• ХН65МВ (близок к Hastelloy C-276) — никелевый сплав. ГОСТ применяет его для сварных конструкций при повышенных температурах в сернокислых и солянокислых средах окислительного характера и в концентрированной уксусной кислоте. Special Metals называет C-276 исключительно стойким в серной и соляной кислотах.

Индекс PREN = Cr + 3,3·Mo + 16·N сравнивает стойкость к питтингу, а не к кислоте: как он считается и где перестаёт работать, разобрано в статье о питтинговой коррозии.

Стойкость к кислотам: таблица по маркам

Данные взяты из лабораторных таблиц Alleima (бывшей Sandvik). Они получены на чистых кислотах в растворах, близких к насыщению воздухом, для отожжённого металла с чистой поверхностью. В таблицах 304L — это Alleima 3R12, 316L — 3R60 (молибдена около 2,6 %), 904L — 2RK65, 2205 — SAF 2205.

Обозначения: «стойкая» — скорость коррозии менее 0,1 мм/год; «ограниченно» — 0,1–1,0 мм/год; «нет» — более 1,0 мм/год; «—» — нет данных. «Питтинг» и «МКК» — риск точечной и межкристаллитной коррозии. Это ориентиры: реальная среда с примесями ведёт себя иначе.

Для 304L и 316L по плавиковой кислоте у Alleima данных нет, а для 2205 в соляной кислоте стоит «ND» — оценка питтинга не давалась. Эти клетки мы оставили пустыми, а не заполнили догадкой.

Как читать изокоррозионные диаграммы

На диаграмме по осям отложены концентрация кислоты и температура, а линия показывает границу скорости коррозии 0,1 мм/год. ASSDA поясняет: ниже линии при непрерывной работе 365 дней в году потеря металла считается приемлемой, выше — нет. Диаграмма относится к чистой кислоте, и примеси сдвигают границу. Для 2205 в серной кислоте диаграмма Sandvik даёт примерно такие границы: около 4 % при 90 °C, 15 % при 70 °C, 22 % при 50 °C и 29 % при 30 °C. Для 316L при 50 °C граница лежит около 7 %, при 30 °C — около 15 %. В соляной кислоте при 60 °C граница 2205 — около 1 %, 316L — около 0,5 %. Значения сняты с графиков, поэтому точны до долей, а не до единиц процента.

Серная кислота: какую нержавейку брать

Серная кислота — самая частая причина выбирать «кислотостойкий» металл, и у неё три зоны.

• Слабая, до 10–20 %. При комнатной температуре справляется 316L. При 50 °C нужен 904L или дуплекс 2205: по Alleima в 10–20 % они стойки, 316L — ограниченно. При 80 °C в 10 % кислоте ограниченно держатся уже и 904L, и 2205. 304L не рекомендуется.
• Средняя, 20–80 %. Самая агрессивная зона: ASSDA называет её сильно восстановительной. 304L здесь не годится, 316L — в лучшем случае ограниченно и только в холоде, 2205 держит лишь до 30 %. 904L стойка в 50 % при 20 °C и в 30 % при 40 °C, но в 60 % при 40 °C — уже ограниченно. Atlas Steels объясняет это медью: она добавляет стойкость именно в средней зоне.
• Концентрированная, выше 90 %. Кислота становится окислительной, и в холоде обычные стали справляются. По Alleima в 94–98 % при 20–30 °C стойки и 304L, и 316L. При 50 °C и 98 % 304L уже не годится, а 316L остаётся стойкой.

904L по данным Sandmeyer и Outokumpu — одна из немногих нержавеющих сталей, полностью стойких в серной кислоте во всём диапазоне 0–100 %, но только до 35 °C. Выше граница определяется по таблицам и диаграммам. ГОСТ 5632-2014 называет 06ХН28МДТ для сварных конструкций в серной кислоте разных концентраций до 80 °C. Это рекомендация по применению, а не гарантия скорости коррозии, и для горячей кислоты средней концентрации её уточняют по таблицам. Для менее агрессивных условий ГОСТ даёт 06ХН28МТ: серная кислота до 20 % при температуре не выше 60 °C.

Хлориды и примеси. ASSDA показывает, что 200 мг/л хлоридов в серной кислоте резко снижают стойкость, а зона 40–60 % кислоты с хлоридами не по силам даже 904L и маркам с 6 % молибдена. Ниже 20 % кислоты и с заметными хлоридами могут работать несколько марок. Примеси бывают и полезными: ионы железа повышают стойкость 316. Поэтому решение принимают только по реальному составу раствора.

Азотная кислота — особый случай

Азотная кислота — окислитель. Она укрепляет пассивную плёнку, поэтому здесь хорошо работают стали с хромом, а молибден не помогает. По таблицам Alleima 304L, 316L, 904L и 2205 стойки в 10–30 % кислоте вплоть до кипения. Alleima называет 3R12 (304L) самой распространённой маркой на азотнокислых производствах: она работает в широком диапазоне температур и концентраций до около 60 % при кипении. Atlas Steels отмечает, что в агрессивной азотной кислоте 904L уступает 304L и 310L без молибдена.

• Проблема — МКК. ASSDA: при высокой концентрации и температуре выше комнатной стали страдают от межкристаллитной коррозии, если не взять марку с низким углеродом. Марки с молибденом могут пострадать от интерметаллидов, например сигма-фазы. В таблице Alleima кипящая 65 % кислота даёт риск МКК у всех четырёх марок.
• Горячая азотная. Для условий, где 304L достигает предела, Alleima предлагает 2RE10 (310L, около 24,5 % хрома и 20 % никеля): в испытании кипящей 65 % кислотой, по данным производителя, скорость коррозии заметно ниже. ГОСТ 5632-2014 называет 04Х18Н10 и 03Х18Н11 для азотной кислоты при повышенной температуре, а 08Х18Н12Б — более стойкой в азотной кислоте, чем 12Х18Н10Т.
• Концентрированная азотная. Нужны стали с кремнием. Industeel выпускает UR S1 (UNS S30600, EN 1.4361) с 4 % кремния: по данным производителя, кремний повышает стойкость к транспассивной межкристаллитной коррозии в кислоте свыше 90 % вплоть до кипения. В ГОСТ 5632-2014 для концентрированной азотной кислоты указана 15Х18Н12С4ТЮ (ЭИ654) с 3,8–4,5 % кремния.
• Азотная кислота с фтором. В травильной смеси 20 % HNO₃ и 4 % HF при 25 °C по данным Sandmeyer 316L корродирует больше 6 мм/год, а 904L — 0,47 мм/год, то есть ограниченно. Для растворов азотной кислоты с фторионами ГОСТ называет сплав ХН58В.

Соляная, плавиковая и фосфорная кислоты

Соляная кислота

Соляная кислота — главная проблема нержавейки: она разрушает пассивную плёнку и вызывает питтинг. В таблице видно: 304L при 0,2 % уже в зоне риска питтинга, 316L ограниченно годна в 1 % при 50 °C, а в 5 % при 20 °C не рекомендуется. 904L стойка в 1 % при 50 °C, но тоже с риском питтинга, а в 10 % не годится. Для 2205 диаграмма Sandvik даёт при 60 °C границу около 1 % кислоты.

Если соляная кислота есть в процессе, берут никелевые сплавы. ГОСТ 5632-2014 назначает ХН65МВ для сварных конструкций при повышенных температурах в сернокислых и солянокислых средах окислительного характера, а Н70МФВ — для соляной, серной и фосфорной кислот восстановительного характера. Для растворов с небольшим содержанием соляной кислоты Alleima называет подходящей 904L.

Плавиковая кислота

Плавиковая кислота растворяет оксидный слой, поэтому её используют в травильных смесях: Atlas Steels приводит смесь 15–25 % азотной и 1–8 % плавиковой кислоты при 20–60 °C. По таблицам Alleima 904L стойка в 1 % при 20 °C, а в 10 % уже нет, 2205 в 10 % тоже не годится. Для 304L и 316L данных нет. Плавиковую кислоту подбирают по специальным данным, а не по общим таблицам.

Фосфорная кислота

Чистая фосфорная кислота мягче серной. По Alleima 304L, 316L, 904L и 2205 стойки в 50 % при 85 °C; при 100 °C 316L и 304L ограниченно, 904L и 2205 стойки. ASSDA указывает порядок усиления: от ферритной 444 через 304, 316 и 317 к 904L. Но реальная кислота редко чистая. В экстракционной фосфорной кислоте (54 % P₂O₅, 1,1 % HF, 60 °C) по Sandmeyer 904L корродирует 1,2 мм/год, а 316L — больше 5 мм/год. Для горячей фосфорной кислоты с фтором ГОСТ рекомендует 03Х21Н21М4ГБ (ЗИ35).

Уксусная, муравьиная и лимонная кислоты

Органические кислоты щадящие. В 10 % уксусной кислоте при кипении 316L, 904L и 2205 стойки, а 304L ограниченно. В кипящей смеси 50 % уксусной и муравьиной кислот по Sandvik при 5 % муравьиной скорость коррозии 316L около 0,14 мм/год, а 2205 близка к нулю; при 25 % муравьиной — около 0,24 и 0,14 мм/год. Лимонная кислота 25 % при 85 °C не страшна 316L, 904L и 2205, а 304L годится ограниченно.

Хлориды вместе с кислотой

Когда в кислом растворе есть хлориды, цифры чистых таблиц не работают. Для кислот с галогенид-ионами — соляной, плавиковой, серной с хлоридами, экстракционной фосфорной — Outokumpu предпочитает более легированные стали Ultra 254 SMO и Ultra 4565, а не 904L. Sandvik советует при риске активной коррозии брать более легированные стали, например супердуплекс 2507. Дуплекс 2205 при хлоридах даёт и другое преимущество: он стоек к хлоридному растрескиванию под напряжением, тогда как 304L и 316L к нему склонны. Если нужна ещё и стойкость к морской воде, смотрите статью про нержавейку для морской воды.

Кислотостойкий лист: как выбрать марку и проверить сертификат

Кислотостойкий лист подбирают по четырём параметрам: кислота, концентрация, температура, наличие хлоридов и окислителей. Таблица ниже — отправная точка, а не замена испытания.

Сварка и межкристаллитная коррозия

Кислота «находит» слабое место шва. После сварки хром на границах зёрен связывается с углеродом, и зона разрушается в кислоте. Для сварных конструкций берут низкоуглеродистые марки (304L и 316L — углерода не больше 0,030 %, по IMOA) или стабилизированные титаном, как 12Х18Н10Т. ГОСТ отмечает, что 03Х17Н14М3 стойче к ножевой коррозии, чем титановые 10Х17Н13М2Т и 08Х17Н15М3Т. 904L сваривают с присадкой того же состава: по Sandmeyer, ликвация в шве может ухудшить стойкость. Механизм и испытания — в статье о межкристаллитной коррозии, метод проверки — ГОСТ 6032-2017.

Пассивация и травление

Кислотная среда ест не только металл, но и загрязнения на нём. После сварки и обработки поверхность очищают: ASSDA отмечает, что азотную и лимонную кислоты применяют для очистки и пассивации по ASTM A380 и A967, а Atlas Steels описывает пассивацию разбавленной азотной кислотой. Услуга травление и пассивация восстанавливает защитную плёнку на швах, а как убрать цвета побежалости — в статье «Как почистить нержавейку».

Что проверять в сертификате

• Марка и стандарт. Например, 03Х17Н14М3 по ГОСТ 5632-2014 или 316L по ASTM A240: составы у них расходятся, особенно по никелю.
• Химический состав плавки. Молибден: у 316L нужны 2,0–3,0 % по ASTM A240 и 2,2–2,8 % по ГОСТ; у 904L — 4–5 %, медь 1–2 %; у 06ХН28МДТ — медь 2,5–3,5 %. Углерод для сварки — не больше 0,030 %.
• Состояние поставки. Данные Alleima относятся к отожжённому металлу с нормальной структурой и чистой поверхностью. Термообработку (закалку) указывают в сертификате.
• Стойкость к МКК. Если лист идёт в сварную конструкцию — отметка об испытании по ГОСТ 6032.
• Соответствие марке. Магнит марку не определяет. Подтверждение — анализ плавки и при необходимости спектральный контроль: см. статью «Как проверить нержавейку» и FAQ 4 ASSDA.

Толстый лист кислотостойкой стали поставляют по ГОСТ 7350-77, тонкий — по ГОСТ 5582-75, зарубежный — по ASTM A240. Сравнение трёх основных марок — в статье 304, 316L и 321.

Кислотостойкий лист и прокат: что мы поставляем

В каталоге для кислотных сред есть страницы по маркам листа, трубы и круга.

• 316L (03Х17Н14М3) — основная марка для слабых кислот и хлоридов: лист AISI 316L, труба и круг.
• 316Ti (10Х17Н13М2Т) — стабилизированная титаном: лист AISI 316Ti, труба, круг.
• 904L (06ХН28МДТ) — для серной кислоты: лист AISI 904L, труба, круг. 06ХН28МДТ — ближайший отечественный аналог, но не идентичная сталь: замену согласуйте с проектировщиком.
• Дуплекс 2205 (03Х22Н5АМ3) — для кислот с хлоридами и нагруженных узлов: лист DUPLEX 2205, труба, круг.

316Ti, 904L и дуплекс 2205 поставляем под заказ: на складе их нет, расчёт индивидуальный. Сплавов на никелевой основе вроде ХН65МВ в каталоге нет. В заявке укажите кислоту, концентрацию, температуру, наличие хлоридов, толщину листа и стандарт — подберём марку. Решающее слово по ответственным аппаратам остаётся за расчётом или испытанием образца в вашей среде.