Как и когда появилась нержавеющая сталь?
О технологических новинках публика часто узнает из средств массовой информации, однако такие сообщения обычно не опираются на дипломатические источники. 31 января 1915 года это правило было нарушено. Газета New York Times опубликовала небольшую заметку, озаглавленную A Non-Rusting Steel. В газетном сообщении говорилось, что компания из британского города Шеффилда выпустила на рынок новый вид стали, «которая не поддается коррозии, не тускнеет и не покрывается пятнами». Производитель утверждал, что она чрезвычайно подходит для изготовления столовых приборов, поскольку изделия из нее хорошо моются и не теряют блеска при контакте даже с самой кислой пищей. В качестве источника информации был назван американский консул в Шеффилде Джон Сэвидж. Вот так, без большого шума и с изрядным запозданием, мир узнал об изобретении нержавеющей стали.
Предки нержавейки
Вообще-то такую сталь выпускали в Европе и США еще до шеффилдских металлургов. Обычная сталь, сплав железа и углерода, легко покрывается пленкой оксида железа — то есть ржавеет. К слову, именно это обстоятельство было одной из причин блестящего коммерческого успеха американского предпринимателя Кинга Кемпа Жиллетта, который придумал безопасную бритву. В 1903 году его фирма продала лишь 51 лезвие, в 1904-м — без малого 91 000, а к 1915 году общий объем продаж превысил 70 млн. Жиллеттовские лезвия, на которые шла нелегированная сталь из бессемеровских конвертеров, быстро ржавели и тупились и потому требовали частой замены. Любопытно, что рецепт борьбы с этой болезнью главного металла тогдашней индустрии был давно найден. В 1821 году французский геолог и горный инженер Пьер Бертье заметил, что сплавы железа с хромом обладают хорошей кислотоустойчивостью, и предложил делать из них кухонные и столовые ножи, вилки и ложки. Однако эта идея долго оставалась благим пожеланием, поскольку первые сплавы железа и хрома были очень хрупкими. Лишь в начале XX века были изобретены рецептуры сплавов железа, способные претендовать на титул нержавеющей стали. Среди их авторов был один из пионеров американского автомобилестроения Элвуд Хейнс, который собирался использовать свой сплав для изготовления металлорежущего инструмента. В 1912 году он подал заявку на соответствующий патент, который был получен лишь семью годами позже после длительных споров с Бюро патентов США.
Случайная находка
Но официальным родителем всем известной нержавейки стал человек, который ее вовсе не искал и создал лишь благодаря счастливому случаю. Этот жребий выпал на долю английского металлурга-самоучки Гарри Брирли, который в 1908 году возглавил небольшую лабораторию, учрежденную двумя шеффилдскими сталеплавильными компаниями. В 1913 году он проводил исследования стальных сплавов, которые предполагалось использовать для изготовления ружейных стволов. Научное металловедение пребывало тогда в зачаточном состоянии, поэтому Брирли действовал методом проб и ошибок, проверяя на прочность и жароустойчивость сплавы с разными присадками. Неудачные заготовки он попросту складывал в углу, и они там спокойно ржавели. Как-то он заметил, что отливка, извлеченная из электрической печи месяц назад, вовсе не выглядит ржавой, а блестит как новая. Этот сплав содержал 85,3% железа, 0,2% кремния, 0,44% марганца, 0,24% углерода и 12,8% хрома. Он-то и стал первым в мире образцом той стали, о которой позднее сообщила газета New York Times. Он был выплавлен в августе 1913 года.
Провал и успех
Брирли заинтересовался необычной отливкой и вскоре выяснил, что она хорошо сопротивляется действию азотной кислоты. Хоть в качестве оружейной стали новый сплав успеха и не принес, Брирли понял, что этот материал найдет множество других применений. Шеффилд с XVI столетия известен изделиями из металла, такими как ножи и столовые приборы, так что Брирли решил опробовать свой сплав в этом качестве. Однако двое местных фабрикантов, которым он отправил отливки, отнеслись к его предложению скептически. Они сочли, что ножи из новой стали требуют больших трудозатрат для изготовления и закалки. Металлургические компании, в том числе и та, в которой работал Брирли, тоже не горели энтузиазмом. Понятно, что и ножовщики, и производители металла опасались, что изделия из нержавеющей стали окажутся настолько долговечными, что рынок быстро насытится и спрос на них упадет. Поэтому вплоть до лета 1914 года все попытки Брирли убедить промышленников в перспективности нового сплава ни к чему путному не привели.
Но потом ему повезло. В середине лета судьба столкнула его со школьным товарищем Эрнестом Стюартом. Стюарт, сотрудник компании R.F. Mosley & Co, выпускавшей столовые приборы, поначалу вообще не поверил в реальность существования стали, которая неподвластна ржавчине, однако согласился в виде эксперимента изготовить из нее несколько ножей для сыра. Изделия получились отменными, однако Стюарт счел эту затею неудачной, поскольку его инструменты при изготовлении этих ножей быстро тупились. Но в конце концов Стюарт и Брирли все-таки подобрали режим нагрева, при котором сталь поддавалась обработке и не становилась хрупкой после охлаждения. В сентябре Стюарт сделал небольшую партию кухонных ножей, которые он раздал знакомым для тестирования с одним условием: он попросил вернуть их в случае появления на клинках ножей пятен или ржавчины. Но ни один нож так и не вернулся в его мастерскую, и вскоре шеффилдские фабриканты признали новую сталь.
Небесное железо
Довольно часто можно встретить утверждение, что метеоритное железо не ржавеет. На самом деле это чистой воды миф. Железоникелевые метеориты имеют в своем составе около 10% никеля, но не содержат хрома, поэтому не обладают коррозионной стойкостью. В этом можно убедиться, посетив минералогический раздел какого-нибудь музея естественной истории. Присмотревшись к образцам железоникелевых метеоритов (скажем, Сихотэ-Алиньского, который часто встречается в таких экспозициях), можно увидеть многочисленные следы ржавчины. А вот образец железоникелевого метеорита, купленный в магазине минералогических сувениров, скорее всего, действительно не будет ржаветь. Причина — в «предпродажной подготовке», которая заключается в покрытии образца густой защитной смазкой. Стоит смыть эту смазку при помощи растворителя — и тогда влага и кислород атмосферы возьмут реванш.
Резцы и ножи
В августе 1915 года Брирли получил на свое изобретение патент в Канаде, в сентябре 1916 года — в США, затем и в нескольких европейских странах. Строго говоря, он патентовал даже не сам сплав, а лишь изготовленные из него ножи, вилки, ложки и прочие столовые приборы. Хейнс опротестовал американский патент Брирли, ссылаясь на свой приоритет, но в конце концов стороны пришли к соглашению. Это сделало возможным учреждение в Питтсбурге совместной англо-американской корпорации The American Stainless Steel Company. Но это уже совсем другая история. Стоит отметить, что нержавеющая сталь Хейнса содержала куда больше углерода, нежели сталь Брирли, и потому имела иную кристаллическую структуру. Это и понятно: углерод обеспечивает твердость при закалке, а Хейнс стремился создать именно сплав для изготовления станочных резцов и фрез. Сейчас стали хейнсовского типа называют мартенситными, а стали, которые исторически восходят к сплаву Брирли, — ферритными (существуют и другие виды нержавеющих сталей).
Индийское чудо
Железная (Кутубова) колонна — одна из главных достопримечательностей Дели. Воздвигнутая в 415 году, она за 1600 лет почти не пострадала от коррозии — лишь на поверхности виднеются небольшие пятнышки ржавчины, в то время как обычные стальные изделия подобного размера за такое время почти полностью окисляются и рассыпаются в пыль. В попытках объяснить этот феномен было выдвинуто множество гипотез: использование очень чистого или метеоритного железа, естественное азотирование поверхности, воронение, постоянная обработка маслом и даже естественное радиоактивное облучение, превратившее верхний слой в аморфное железо. Были попытки объяснить сохранность колонны и внешними факторами — в частности, очень сухим климатом. Анализы показали, что колонна состоит из 99,7% железа и не содержит хрома, то есть не является нержавеющей в современном смысле слова. Основная примесь в материале колонны — фосфор, и именно в этом, по мнению ученых, главная причина коррозионной стойкости. На поверхности образуется слой фосфатов FePO4·H3PO4·4H2O толщиной менее 0,1 мм, причем, в отличие от ржавчины, которая рассыпается и не препятствует дальнейшему окислению, этот слой образует прочную защитную пленку, предотвращающую ржавение железа.
Естественный вкус
Стюарт не только открыл путь к применению новой стали, но и нашел для нее общепринятое ныне англо-язычное название stainless steel, «сталь без пятен». Если верить стандартному объяснению, оно пришло ему в голову, когда он окунул отполированную стальную пластинку в уксус и, глядя на результат, с удивлением произнес: «This steel stains less», то есть «На этой стали остается мало пятен». Брирли называл свое детище несколько иначе — rustless steel, что соответствует русскоязычному термину «нержавеющая сталь». Кстати, заглавие заметки в New York Times возвещало о появлении именно нержавеющей (а не слаборжавеющей!) стали.
Секрет ее несложен. При достаточной концентрации хрома (не менее 10,5% и до 26% для особо агрессивных сред) на поверхности изделий из нержавейки формируется твердая прозрачная пленка оксида хрома Cr2O3, прочно сцепленная с металлом. Она образует невидимый глазу защитный слой, который не растворяется в воде и препятствует окислению железа, а следовательно, не позволяет ему ржаветь. У этой пленки есть еще одно ценнейшее качество — она самовосстанавливается в поврежденных местах, поэтому ей не страшны царапины. Столовые приборы из нержавейки приобрели огромную популярность еще и потому, что позволили избавиться от специфического привкуса, свойственного недорогой металлической посуде. Слой оксида хрома предоставляет возможность наслаждаться естественным вкусом пищи, поскольку препятствует непосредственному контакту вкусовых сосочков языка с металлом. В общем, нержавеющая сталь, которую современная индустрия выпускает во множестве разновидностей — поистине замечательное случайное изобретение.
Типы нержавейки
Нержавеющие стали различаются свойствами, составом и назначением, но в целом их можно разделить на несколько основных групп по кристаллической структуре: ферритные, аустенитные, мартенситные и двухфазные (ферритно-аустенитные). Ферритные нержавеющие — это хромистые (10−30% хрома) и низкоуглеродистые (менее 0,1%) стали. Они достаточно прочные, пластичные, относительно несложно обрабатываются и при этом дешевы, но не поддаются термической обработке (закаливанию). Мартенситные нержавеющие — это хромистые (10−17% хрома) стали, содержащие до 1% углерода. Они хорошо поддаются термообработке (закаливанию и отпуску), что придает изделиям из таких сталей высокую твердость (из них делают ножи, подшипники, режущие инструменты). Мартенситные стали сложнее в обработке и из-за более низкого содержания хрома менее стойки к коррозии, чем ферритные. Аустенитные нержавеющие стали — хромоникелевые. Они содержат 16−26% хрома и 6−12% никеля, а также углерод и молибден. По коррозионной стойкости превосходят ферритные и мартенситные стали и являются немагнитными. Высокую прочность получают при нагартовке (наклепе), при термообработке (закалке) их твердость уменьшается. Двухфазные стали сочетают различные свойства ферритных и аустенитных сталей.