Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с марганцевой стали )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Этикетка на раме велосипеда с указанием мангаллоя

Мангаллой , также называемый марганцевой сталью или сталью Гадфилда , представляет собой легированную сталь, содержащую в среднем около 13% марганца . Мангаллой известен своей высокой ударной вязкостью и устойчивостью к истиранию после упрочнения.

Свойства материала [ править ]

Мангаллой изготавливается путем легирования стали, содержащей от 0,8 до 1,25% углерода и от 11 до 15% марганца . [1] Мангаллой - это уникальная немагнитная сталь с чрезвычайно высокими противоизносными свойствами. Материал очень устойчив к истиранию и в условиях ударов достигает трехкратной поверхностной твердости без какого-либо увеличения хрупкости, которое обычно связано с твердостью. [2] Это позволяет мангаллою сохранять свою прочность .

Большинство сталей содержат от 0,15 до 0,8% марганца. Высокопрочные сплавы часто содержат от 1 до 1,8% марганца. [3] [4] [5] При содержании марганца около 1,5% сталь становится хрупкой, и этот показатель увеличивается до тех пор, пока не будет достигнуто содержание марганца от 4 до 5%. В этот момент сталь превратится в пыль от удара молотка. Дальнейшее увеличение содержания марганца повысит как твердость, так и пластичность . При содержании марганца около 10% при правильном охлаждении сталь останется в аустенитной форме при комнатной температуре. [6] И твердость, и пластичность достигают наивысшего значения около 12%, в зависимости от других легирующих добавок. [1]Основным из этих легирующих добавок является углерод, поскольку добавление марганца к низкоуглеродистой стали оказывает незначительное влияние, но резко возрастает с увеличением содержания углерода. Исходная сталь Гадфилда содержала около 1,0% углерода. Другие легирующие агенты могут включать такие металлы, как никель и хром ; чаще всего добавляется в аустенитные стали в качестве стабилизатора аустенита; молибден и ванадий ; используется в неаустенитных сталях в качестве стабилизатора феррита ; или даже неметаллические элементы, такие как кремний . [4]

Мангаллой имеет удовлетворительный предел текучести, но очень высокий предел прочности.обычно составляет от 350 до 900 мегапаскалей (МПа), которая быстро растет по мере затвердевания. В отличие от других видов стали, при растяжении до предела прочности материал не «сужается» (становится меньше в самом слабом месте), а затем разрывается. Вместо этого металлические шейки и деформация упрочняются, повышая предел прочности на разрыв до очень высоких уровней, иногда до 2000 МПа. Это заставляет соседний материал сужаться, затвердевать, и это продолжается до тех пор, пока вся деталь не станет намного длиннее и тоньше. Типичное удлинение может составлять от 18 до 65%, в зависимости от точного состава сплава и предшествующей термообработки. Сплавы с содержанием марганца от 12 до 30% способны противостоять хрупкому воздействию холода, иногда до температур в диапазоне -196 ° F (-127 ° C). [4] [7]

Мангаллой поддается термообработке , но марганец снижает температуру, при которой аустенит превращается в феррит . В отличие от углеродистой стали , мангаллой при быстром охлаждении скорее размягчается, чем твердеет, восстанавливая пластичность из упрочненного состояния. Большинство марок готово к использованию после отжига, а затем закалки от желтого тепла без дальнейшего отпуска и обычно имеют нормальную твердость по Бринеллю около 200 HB (примерно такая же, как у нержавеющей стали 304), но из-за ее уникальные свойства, твердость вдавливания очень мало влияет на определение твердости царапины(износостойкость и ударопрочность металла). [8] Другой источник сообщает, что базовая твердость марганцевой стали по Бринеллю в соответствии с исходной спецификацией Гадфилда составляет 220, но при ударном износе поверхностная твердость возрастет до более чем 550. [9]

Многие применения мангаллоя часто ограничены его трудностью в обработке ; иногда описывается как имеющий «нулевую обрабатываемость». [7] Металл нельзя размягчить путем отжига, и он быстро затвердевает под режущими и шлифовальными инструментами, что обычно требует специальных инструментов для обработки. Материал чрезвычайно сложно просверлить алмазом или твердым сплавом. Хотя ее можно выковать из желтого тепла, она может раскрошиться, если ее ударить добела, а при нагревании она намного прочнее углеродистой стали. [10] Его можно резать с помощью кислородно-ацетиленовой горелки , но плазменная или лазерная резка является предпочтительным методом. [11]Несмотря на свою чрезвычайную твердость и прочность на разрыв, материал не всегда может быть жестким. [10] Он может быть сформирован холодной прокаткой или холодной гибкой. [11]

История [ править ]

Шлем Броди времен Первой мировой войны , сделанный из стали Хэдфилда

Мангаллой был создан Робертом Хэдфилдом в 1882 году, став первой легированной сталью, которая стала коммерчески успешной и показала поведение, радикально отличающееся от углеродистой стали . Таким образом, обычно считается, что это рождение легированных сталей. [12]

Бенджамин Хантсман одним из первых начал добавлять в сталь другие металлы. Его процесс изготовления тигельной стали , изобретенный в 1740 году, был первым случаем, когда сталь была способна полностью расплавить в тигле. Хантсман уже использовал различные флюсы, чтобы помочь удалить примеси из стали, и вскоре начал добавлять богатый марганцем чугун под названием Spiegeleisen , который значительно уменьшил присутствие примесей в его стали. [12] В 1816 году немецкий исследователь Карл Дж. Б. Карстен [13] заметил, что добавление довольно большого количества марганца к железу повысило бы его твердость, не влияя на его пластичность и ударную вязкость, [14]но смесь не была однородной, и результаты эксперимента не считались надежными. [15] «и никто не понимал, что настоящая причина, по которой железо, добытое в Норикуме, давало такую ​​превосходную сталь, заключается в том, что оно содержало небольшое количество марганца, незагрязненного фосфором, мышьяком или серой, как и сырье для марганцовистая сталь ». [16] В 1860 году сэр Генри Бессемер , пытаясь усовершенствовать свой бессемеровский процесс производства стали, обнаружил, что добавление шпигеля в сталь после продувки помогает удалить излишки серы и кислорода . [3] Сера соединяется с железом, образуясульфид, который имеет более низкую температуру плавления, чем сталь, вызывает слабые места, препятствующие горячей прокатке . Марганец обычно добавляют в большинство современных сталей в небольших количествах из-за его высокой способности удалять примеси. [17]

Хэдфилда был в поисках стали , которая может быть использована для литья из трамвайных колес , которые будут проявлять как твердость и прочность, так как обычные углеродистые стали не сочетать эти свойства. Сталь может закаляться при быстром охлаждении, но теряет свою вязкость и становится хрупкой. Стальные отливки обычно нельзя быстро охладить, поскольку неправильные формы могут покоробиться или потрескаться. Мангаллой оказался чрезвычайно подходящим для литья, так как он не образовывал газовых карманов, называемых «газовыми раковинами», и не проявлял чрезвычайной хрупкости по сравнению с другими отливками. [18] [12]

Хэдфилд изучал результаты других, которые экспериментировали со смешиванием различных элементов со сталью, таких как Бенджамин Хантсман и А.Х. Аллен. В то время производство стали было скорее искусством, чем наукой, и производилось квалифицированными мастерами, которые часто были очень скрытными. Таким образом, никаких металлургических данных о стали до 1860 г. не существовало, поэтому информация о различных сплавах была спорадической и часто ненадежной. Хэдфилд заинтересовался добавлением марганца и кремния. Компания Terre Noire создала сплав под названием «ферромарганец», содержащий до 80% марганца. Хэдфилд начал с смешивания ферромарганца с тигельной сталью и кремнием, получив сплав с 7,45% марганца, но этот материал не подходил для его целей. В своей следующей попытке он отказался от кремния и добавил в смесь больше ферромарганца,получение сплава с 1,35% углерода и 13,76% марганца. Создав мангаллой, Хэдфилд протестировал материал, полагая, что результаты должны быть ошибочными. Он выглядел тусклым и мягким, внешне похожим насвинец , но срезал зубы с пилки. Он не держал бы лезвие как режущий инструмент, но его нельзя было резать пилой или обрабатывать на токарном станке . Он был немагнитным, несмотря на то, что содержал более 80% железа, и имел очень высокое электрическое сопротивление . Попытки отшлифовать его просто глазуровали и шлифовали поверхность. Наиболее поразительно то, что при нагревании и закалке она вела себя почти противоположно простой углеродистой стали. [12]Проведя несколько сотен тестов, он понял, что они должны быть точными, хотя в то время причина сочетания твердости и прочности не поддавалась никакому объяснению. Хэдфилд писал: «Есть ли подобный случай среди других сплавов железа, если можно использовать термин сплав? Никакой металлургический трактат не упоминает о них ... Возможно, когда природа законов, регулирующих сплавы, будет лучше понят, это будет оказался только один из других случаев ... ". [19]

Изобретение Хэдфилда было первым сплавом стали, продемонстрировавшим значительные различия в свойствах по сравнению с углеродистой сталью. [12] В наше время известно, что марганец ингибирует превращение ковкой фазы аустенита в твердый хрупкий мартенсит, которое имеет место для обычных сталей, когда они закалены в процессе закалки. Аустенит сталей Гадфилда термодинамически нестабилен и при механическом воздействии превращается в мартенсит, образуя твердый поверхностный слой.

Хэдфилд запатентовал свою сталь в 1883 году, но следующие пять лет потратил на совершенствование смеси, поэтому не представлял ее публике до 1887 года. В конце концов он остановился на сплаве, содержащем от 12 до 14% марганца и 1,0% углерода, который был достаточно пластичным, чтобы быть с отступом, но так сильно, что его нельзя разрезать. Она стала первой легированной сталью, которая стала коммерчески жизнеспособной. Изначально Хэдфилд продавал свою сталь для использования в железных дорогах и трамваях, но быстро начал производить ее для всего, от листовых пил до сейфов. [12]

Используйте [ редактировать ]

Мангаллой используется в горнодобывающей промышленности, в бетономешалках , камнедробилках , железнодорожных стрелках и переездах, гусеничных гусеницах для тракторов и в других средах с сильными ударами и абразивом. Он также используется в условиях сильных ударов, например, внутри дробеструйного станка. Эти сплавы находят новое применение в качестве криогенных сталей благодаря их высокой прочности при очень низких температурах.

См. Также [ править ]

  • Ферромарганец , ферросплав с гораздо более высоким содержанием марганца (обычно около 80%), не сталь, а ингредиент, используемый при производстве сталей.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Справочник Эрика Оберга и FD Jones Machinery Восемнадцатое издание Industrial Press Inc., 1970 г., стр. 1917 г.
  2. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2010-08-28 . Проверено 5 мая 2009 .CS1 maint: archived copy as title (link)
  3. ^ a b «Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2019-05-28 . Проверено 5 мая 2015 .CS1 maint: archived copy as title (link)
  4. ^ a b c Энциклопедия материалов, деталей и отделки, второе издание Мела Шварца - CRC Press 2012, стр. 392
  5. ^ Элементы металлургии и инженерных сплавов под редакцией Флейка К. Кэмпбелла - ASM International 2008 Страница 376
  6. ^ http://www.acmealloys.com/Austenitic%20Manganese%20Steels.PDF
  7. ^ a b Марганец в порошковой металлургической стали Андрей Шалак, Марсела Селецка - Cambridge International Science Publishing, 2012 г., стр. 274
  8. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2009-03-27 . Проверено 5 мая 2009 .CS1 maint: archived copy as title (link)
  9. ^ http://www.titussteel.com/our-products/wear-steel/manganese/
  10. ^ a b Записная книжка инженера-механика Уильяма Кента - Джон Уайли и сыновья 1904 г. Страница 407
  11. ^ a b «Ford Steel Co: сталь AR, термообработанная, износостойкая, ударопрочная сталь» .
  12. ^ a b c d e f Sheffield Steel и Америка: век коммерческой и технологической независимости Джеффри Твидейл - Cambridge University Press, 1987, стр. 57-62
  13. ^ Людвиг Бек Die Geschichte des Eisens in Technischer und kulturgeschichtlicher Beziehung, стр. 31-33
  14. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2011-04-25 . Проверено 5 мая 2009 .CS1 maint: archived copy as title (link)
  15. ^ Хэдфилд, Роберт Эбботт ; Форрест, Джеймс (1888). Марганец-сталь . Учреждение. п. 5.
  16. ↑ Коллин Маккалоу (1990), «сталь», в «Глоссарии», «Первый человек в Риме» , перепечатка 1991 г., Нью-Йорк: Эйвон, с. 1030.
  17. ^ Элементы металлургии и инженерных сплавов Флейка К. Кэмпбелла - ASM International 2008 Страница 376
  18. ↑ Хэдфилд и Форрест (1888) , стр. 1–12
  19. ↑ Хэдфилд и Форрест (1888) , стр. 5–12