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 в закаленном состоянии.
Мангаллой изготавливается путем легирования стали, содержащей от 0,8 до 1,25% углерода, от 11 до 15% марганца . [1] Мангаллой — уникальная немагнитная сталь с исключительными противоизносными свойствами. Материал очень устойчив к истиранию и в условиях удара достигает трехкратной поверхностной твердости без какого-либо увеличения хрупкости , которая обычно связана 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 эта характеристика увеличивается до тех пор, пока содержание марганца не достигнет примерно 4–5%. В этот момент сталь измельчится при ударе молотка. Дальнейшее увеличение содержания марганца приведет к увеличению как твердости, так и пластичности . При содержании марганца около 10% сталь останется в аустенитной форме при комнатной температуре, если ее правильно охладить. [6] И твердость, и пластичность достигают наивысших показателей около 12%, в зависимости от других легирующих добавок. [1] Основным из этих легирующих агентов является углерод, поскольку добавление марганца в низкоуглеродистую сталь имеет небольшой эффект, 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 хороший предел текучести , но очень высокий предел прочности , обычно от 350 до 900 мегапаскалей (МПа), который быстро возрастает по мере затвердевания. В отличие от других видов стали, при растяжении до предела материал не «сжимается» (уменьшается в самом слабом месте), а затем разрывается на части. Вместо этого металлические шейки и затвердевают, увеличивая предел прочности до очень высокого уровня, иногда до 2000 МПа. Это приводит к тому, что соседний материал сжимается и затвердевает, 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 как от точного состава сплава, так и от 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 термической обработке , но марганец снижает температуру, при которой аустенит превращается в феррит . В отличие от углеродистой стали , мангаллой при быстром охлаждении размягчается, а не затвердевает, восстанавливая пластичность из наклепанного состояния. Большинство марок готовы к использованию после отжига , а затем закалки от желтого тепла, без необходимости дальнейшего отпуска и обычно имеют нормальную твердость по Бринеллю около 200 HB (примерно такая же, как у нержавеющей стали 304), но из-за уникальные свойства, твердость при вдавливании очень мало влияет на определение твердости при царапинах (стойкость металла к истиранию и ударам). [8] Другой источник сообщает, что базовая твердость марганцевой стали по Бринеллю в соответствии с исходной спецификацией Гадфилда составляет 220, но при ударном износе твердость поверхности увеличится до более чем 550. [9]
Многие области применения мангаллоя часто ограничиваются сложностью его механической обработки ; иногда описывается как имеющий «нулевую обрабатываемость». [7] Металл не размягчается при отжиге и быстро затвердевает под воздействием режущих и шлифовальных инструментов, что обычно требует специального инструмента для обработки. Материал с крайним трудом можно просверлить с использованием алмаза или твердого сплава. Хотя его можно выковать при желтом нагреве, он может рассыпаться, если ковать его добела, и при нагревании он намного прочнее, чем углеродистая сталь. [10] Его можно разрезать кислородно -ацетиленовой горелкой , но предпочтительным методом является плазменная или лазерная резка . [11] Несмотря на чрезвычайную твердость и прочность на разрыв, материал не всегда может быть жестким. [10] Его можно формовать путем холодной прокатки или холодной гибки. [11]
Мангаллой был создан Робертом Хэдфилдом в 1882 году и стал первой легированной сталью , которая имела коммерческий успех и продемонстрировала поведение, радикально отличающееся от углеродистой стали . Таким образом, обычно считается, что это знаменует собой рождение легированных сталей. [12]
Бенджамин Хантсман был одним из первых, кто начал добавлять в сталь другие металлы. Его процесс изготовления тигельной стали , изобретенный в 1740 году, стал первым случаем, когда сталь удалось полностью расплавить в тигле. Хантсман уже использовал различные флюсы для удаления примесей из стали и вскоре начал добавлять богатый марганцем чугун под названием Spiegeleisen , который значительно уменьшал 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 увеличит его твердость, не влияя на его ковкость и ударную вязкость, [14] но смесь не была однородной, и результаты эксперимент не был признан достоверным. [15] «и никто не понимал, что настоящая причина, по которой железо, добытое в Норикуме, давало такую превосходную сталь, заключалась в том, что оно содержало небольшое количество марганца, незагрязненного фосфором, мышьяком или серой, и таким же было сырье, марганцевая сталь». [16] В 1860 году сэр Генри Бессемер , пытаясь усовершенствовать свой бессемеровский процесс производства стали, обнаружил, что добавление шпигеляйзена в сталь после ее продувки помогает удалить избыток серы и кислорода . [3] Сера соединяется с железом, образуя сульфид , который имеет более низкую температуру плавления, чем сталь, вызывая слабые места, которые препятствуют горячей прокатке . Марганец обычно добавляют в большинство современных сталей в небольших количествах из-за его мощной способности удалять примеси. [17]
Хэдфилд искал сталь, которую можно было бы использовать для отливки трамвайных колес , которая обладала бы как твердостью, так и ударной вязкостью, поскольку обычные углеродистые стали не сочетают в себе эти свойства. Сталь может быть закалена при быстром охлаждении, но теряет прочность, становясь хрупкой. Стальные отливки обычно не поддаются быстрому охлаждению, поскольку неправильная форма может деформироваться или треснуть. Мангаллой оказался чрезвычайно подходящим для литья, поскольку не образовывал газовых карманов, называемых «дырками», и не проявлял крайней хрупкости, как другие отливки. [18] [12]
Хэдфилд изучал результаты других экспериментаторов по смешиванию различных элементов со сталью, таких как Бенджамин Хантсман и А. Х. Аллен. В то время производство стали было скорее искусством, чем наукой, и его производили опытные мастера, которые часто вели себя очень скрытно. Таким образом, до 1860 года никаких металлургических данных о стали 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 содержанием марганца 7,45%, но материал оказался неудовлетворительным для его целей. В своей следующей попытке он исключил кремний и добавил в смесь больше ферромарганца, получив сплав с 1,35% углерода и 13,76% марганца. Создав мангаллой, Хэдфилд протестировал материал, думая, что результаты должны быть ошибочными. Он выглядел тусклым и мягким, с субметаллическим блеском , похожим на свинец , но все же срезал зубья с его напильника. Он не мог удерживать заточку в качестве режущего инструмента, 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 его отшлифовать просто застеклили и отполировали поверхность. Самое поразительное, что при нагревании и закалке она вела себя почти противоположно обычной углеродистой стали. [12] Проведя несколько сотен тестов, он понял, что они должны быть точными, хотя причина сочетания твердости и прочности в то время не поддавалась никакому объяснению. Хэдфилд писал: «Есть ли подобный случай среди других сплавов железа, если можно использовать термин «сплав»? Ни один металлургический трактат не упоминает о них... Возможно, когда природа законов, управляющих сплавами, будет лучше понята, это будет оказался лишь одним из других случаев...». [19]
Изобретение Хэдфилда стало первым сплавом стали, свойства которого продемонстрировали значительные различия по свойствам по сравнению с углеродистой сталью. [12] В настоящее время известно, что марганец препятствует превращению ковкой фазы аустенита в твердый хрупкий мартенсит , который имеет место для обычных сталей при их закалке в процессе закалки. Аустенит сталей Гадфилда термодинамически нестабилен и при механическом воздействии превращается в мартенсит, образуя таким образом твердый поверхностный слой.
Хэдфилд запатентовал свою сталь в 1883 году, но следующие пять лет потратил на совершенствование смеси и не представил 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 вмятинами, но настолько твердым, что его невозможно было разрезать. Она стала первой легированной сталью, ставшей коммерчески жизнеспособной. Первоначально Хэдфилд продавал свою сталь для использования на железных дорогах и трамваях, но быстро начал производить ее для всего: от пильных пластин до сейфов. [12]
Мангаллой использовался в горнодобывающей промышленности, бетоносмесителях , камнедробилках , железнодорожных стрелках и переездах, гусеничных гусеницах для тракторов и других средах с высокими ударными нагрузками и абразивами. Он также используется в средах с высокими ударными нагрузками, например, внутри дробеструйной машины. Эти сплавы находят новые применения в качестве криогенных сталей из-за их высокой прочности при очень низких температурах.