13 августа 1913 года английский металлург Гарри Бреарли проводил эксперименты в Шеффилде с совершенно иной целью, чем создание кухонных ножей, медицинских инструментов или облицовки небоскрёбов.
Он искал сталь, которая лучше выдерживала бы условия эксплуатации оружейных стволов. Среди экспериментальных сплавов оказался образец с высоким содержанием хрома, который продемонстрировал необычно высокую устойчивость к коррозии.
Так началась одна из самых известных историй в металлургии XX века.
Её часто пересказывают как историю случайного изобретения нержавеющей стали. Реальность немного сложнее. Эксперименты с железохромистыми сплавами проводились и раньше, а в 1912 году специалисты немецкой Krupp Бенно Штраус и Эдуард Маурер получили патенты на хромоникелевые стали, устойчивые к коррозии.
Бреарли независимо пришёл к другому варианту – мартенситной хромистой стали, и одним из первых увидел в новом материале коммерческий потенциал. Это оказалось не менее важно, чем само лабораторное открытие.
Причём применение нашлось совсем не там, где его первоначально искали.
Из оружейной лаборатории – на кухню
Шеффилд начала XX века был одним из мировых центров производства столовых приборов. Поэтому Бреарли довольно быстро понял, где ещё может пригодиться сталь, которая значительно лучше сопротивляется коррозии.
На кухне обычная углеродистая сталь требовала постоянного ухода. Лезвия могли покрываться пятнами, темнеть и ржаветь при контакте с влагой и пищевыми продуктами.
Новый материал предлагал очевидное преимущество.
Вместе с Эрнестом Стюартом, работавшим на предприятии по производству столовых приборов, Бреарли начал испытывать новую сталь для ножей. Именно с этой историей связывают появление английского названия stainless steel – «нержавеющая сталь».
За несколько лет материал, появившийся в металлургической лаборатории, начал превращаться в коммерческий продукт.
Почему она вообще не ржавеет
Название «нержавеющая сталь» немного обманчиво. Абсолютно неуязвимой для коррозии она не является.
Главный секрет находится в составе сплава.
При достаточном содержании хрома на поверхности стали в присутствии кислорода образуется чрезвычайно тонкий защитный оксидный слой. Его принято называть пассивным.
Глазом увидеть его невозможно, однако именно он отделяет металл от окружающей среды и резко замедляет дальнейшую коррозию.
Особенно интересно другое свойство этой защиты. Если поверхность получает небольшое механическое повреждение и рядом присутствует кислород, пассивный слой способен сформироваться заново.
Дальнейшее развитие металлургии позволило управлять свойствами нержавеющих сталей добавлением никеля, молибдена и других легирующих элементов. Так появилось множество марок для совершенно разных условий: от пищевой промышленности до химических производств и архитектуры.
Самый известный пример – сталь типа 304, содержащая примерно 18% хрома и 8% никеля. Сегодня это одна из наиболее распространённых марок нержавеющей стали в мире.
Нержавейка поднимается на небоскрёб
Новому материалу понадобилось совсем немного времени, чтобы выбраться из кухни на улицы крупнейших городов.
В конце 1920-х годов в Нью-Йорке строился Chrysler Building. Архитектор Уильям Ван Ален хотел создать вершину, которую невозможно было бы спутать ни с одним другим зданием Манхэттена.
Для облицовки знаменитой короны и шпиля использовали хромоникелевую нержавеющую сталь.
Выбор был не только декоративным. На высоте металл десятилетиями подвергается воздействию дождя, снега, перепадов температуры и городской атмосферы. Материал должен был сохранять внешний вид без постоянной защиты поверхности.
Решение оказалось удачным.
Прошли десятилетия, а металлическая корона Chrysler Building по-прежнему остаётся одной из самых узнаваемых деталей нью-йоркского силуэта.
Особенно впечатляет скорость развития технологии. Между экспериментами Бреарли в Шеффилде и появлением нержавеющей стали на вершине одного из самых знаменитых небоскрёбов мира прошло меньше двух десятилетий.
Почти 900 тонн нержавеющей стали
Следующий масштабный эксперимент произошёл уже после Второй мировой войны.
В 1947-1948 годах архитектор Ээро Сааринен победил в конкурсе на создание монумента в Сент-Луисе. Его проект представлял собой гигантскую арку высотой 192 метра – Gateway Arch.
Строительство началось в 1963 году и завершилось 28 октября 1965-го.
Внешняя поверхность арки выполнена из нержавеющей стали Type 304 с характерной шлифованной отделкой. На облицовку ушло почти 900 метрических тонн нержавеющей стали – больше, чем в любом другом проекте на тот момент, а толщина внешних пластин достигает 6,3 миллиметра.
При этом Gateway Arch нельзя считать конструкцией, целиком состоящей из нержавейки.
Её устройство гораздо интереснее.
Наружная оболочка выполнена из нержавеющей стали, внутренняя – из углеродистой, а между ними залит бетон. Получилась своеобразная многослойная силовая система.
Нержавеющая наружная поверхность при этом выполняет не просто декоративную роль: она является частью несущей конструкции арки.
Вся конструкция целиком, с учётом бетона и углеродистой стали, весит 17 246 тонн.
Инженеры рассчитывали арку и на серьёзные ветровые нагрузки. При ветре до 240 км/ч вершина конструкции может отклоняться примерно на 46 сантиметров – это заложено в расчётах и не считается неисправностью.
Материал, который за полвека до этого испытывали в лаборатории Шеффилда, стал частью одной из наиболее необычных инженерных конструкций XX века.
Как нержавейка стала повседневным металлом
Сегодня увидеть нержавеющую сталь гораздо проще, чем представить мир без неё.
Она находится в кухонной мойке и столовых приборах, медицинском оборудовании и пищевых производствах, химических предприятиях, автомобилях, железнодорожном транспорте, архитектурных конструкциях и элементах городской инфраструктуры.
Именно распространённость материала создаёт иллюзию его простоты.
На практике «нержавейка» – это большое семейство сталей с различным химическим составом и свойствами. Одни марки рассчитаны прежде всего на коррозионную стойкость, другим требуется высокая прочность, третьим – способность работать при повышенных температурах или в агрессивной химической среде.
Поэтому за привычной металлической мойкой и облицовкой небоскрёба стоит одна и та же металлургическая идея, но далеко не всегда один и тот же материал.
Почему для России это до сих пор непростой металл
Есть и менее очевидная сторона этой истории.
Более чем через сто лет после появления первых коммерческих нержавеющих сталей производство такой продукции остаётся технологически сложной отраслью, а мировой рынок заметно сконцентрирован в Азии.
Для России вопрос особенно важен из-за зависимости ряда сегментов внутреннего рынка от импортной продукции.
В последние годы ситуация начала меняться: развиваются проекты по расширению собственного производства плоского нержавеющего проката и другой продукции. Это важно не только для производителей посуды или бытовой техники. Нержавеющие стали востребованы в машиностроении, энергетике, химической и пищевой промышленности – отраслях, где требования к материалам значительно выше бытовых.
Поэтому современная история нержавеющей стали уже связана не с поиском нового сплава, а с совершенно другой задачей: кто способен производить необходимые марки, в каких объёмах и по какой цене.
Российский рынок в этом смысле представляет особенно интересный пример. Насколько страна зависит от импорта нержавеющей стали и какие проекты должны изменить эту ситуацию, подробно разбирали здесь.
Получается любопытная историческая дуга.
В начале XX века металлурги пытались понять, как заставить сталь сопротивляться коррозии. Через несколько десятилетий из неё уже делали небоскрёбы и монументы. Сегодня сам материал давно перестал быть технологической экзотикой, зато способность производить его в нужном количестве и качестве стала вопросом промышленной конкурентоспособности.
Эксперимент 1913 года давно закончился.
История материала, который из него вырос, ещё нет.
