Мангаллой , также называемый марганцевой сталью или сталью Гадфильда , представляет собой легированную сталь, содержащую в среднем около 13% марганца . Мангаллой известен своей высокой ударной вязкостью и стойкостью к истиранию в закаленном состоянии.
Мангаллой производится путем легирования стали, содержащей от 0,8 до 1,25% углерода, с 11 до 15% марганца . [1] Мангаллой — уникальная немагнитная сталь с экстремальными противоизносными свойствами. Материал очень устойчив к истиранию и достигает в три раза большей твердости поверхности в условиях удара , 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 черта усиливается до тех пор, пока не будет достигнуто содержание марганца около 4-5%. В этот момент сталь будет измельчаться при ударе молотка. Дальнейшее увеличение содержания марганца увеличит как твердость, так и пластичность . При содержании марганца около 10% сталь останется в своей аустенитной форме при комнатной температуре, если ее правильно охладить. [6] И твердость, и пластичность достигают своих наивысших точек около 12% в зависимости от других легирующих агентов. [1] Основным из этих легирующих агентов является углерод, поскольку добавление марганца к низкоуглеродистой стали оказывает незначительное влияние, но резко увеличивается с увеличением содержания углерода. Исходная сталь Гадфильда 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]
Mangalloy имеет достаточный предел текучести , но очень высокую прочность на разрыв , обычно от 350 до 900 мегапаскалей (МПа), которая быстро растет по мере его упрочнения. В отличие от других видов стали, при растяжении до точки разрыва материал не «сужается» (становится меньше в самой слабой точке) и затем разрывается. Вместо этого металл сужается и упрочняется, увеличивая прочность на разрыв до очень высоких уровней, иногда до 2000 МПа. Это заставляет прилегающий 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 как от точного состава сплава, так и от предшествующей термической обработки. 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 размягчается, а не затвердевает при быстром охлаждении, восстанавливая пластичность из закаленного состояния. Большинство марок готовы к использованию после отжига и последующей закалки из желтого каления, без дальнейшей необходимости в отпуске , и обычно имеют нормальную твердость по Бринеллю около 200 HB (примерно такую же, как у нержавеющей стали 304), но из-за ее уникальных свойств твердость при вдавливании очень мало влияет на определение твердости по Бринеллю (стойкость металла к истиранию и удару). [8] Другой источник сообщает, что базовая твердость по Бринеллю марганцевой стали согласно оригинальной спецификации Гадфилда составляет 220, но при ударном износе твердость поверхности увеличится до более чем 550. [9]
Многие из применений мангаллоя часто ограничиваются его сложностью в обработке ; иногда его описывают как имеющий «нулевую обрабатываемость». [7] Металл не может быть размягчен отжигом и быстро затвердевает под режущими и шлифовальными инструментами, обычно требуя специального инструмента для обработки. Материал можно сверлить с большим трудом с помощью алмаза или карбида. Хотя его можно ковать из желтого каления, он может крошиться, если его ударить молотком, когда он раскален добела, и он намного прочнее углеродистой стали при нагревании. [10] Его можно резать кислородно-ацетиленовой горелкой , но предпочтительным методом является плазменная или лазерная резка . [11] Несмотря на свою чрезвычайную твердость и прочность на разрыв, материал не всегда может быть жестким. [10] Его можно формовать путем холодной прокатки или холодной гибки. [11]
Роберт Форестер Мюшет экспериментировал с марганцем в стали на заводе Бессемера в 1856 году и использовал до 2-5 процентов в своей самозакаливающейся инструментальной стали. [12] Александр Пурсель из французской Terre-Noire Cie. смог к Всемирной выставке 1878 года в Париже произвести ферромарганец с содержанием марганца до 80 процентов и лишь небольшим количеством углерода. Хэдфилд перевел брошюру, которая сопровождала экспозицию Пурселя, и был очень заинтересован в продукте. [12]
Мангаллой был создан Робертом Хэдфилдом в 1882 году, став первой легированной сталью , которая одновременно имела коммерческий успех и продемонстрировала поведение, радикально отличающееся от углеродистой стали . Таким образом, ее обычно считают рождением легированной стали. [13]
Бенджамин Хантсман был одним из первых, кто начал добавлять другие металлы в сталь. Его процесс изготовления тигельной стали , изобретенный в 1740 году, был первым, 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 , что значительно уменьшило наличие примесей в его стали. [13] В 1816 году немецкий исследователь Карл Дж. Б. Карстен [14] заметил, что добавление довольно большого количества марганца к железу увеличит его твердость, не влияя на его ковкость и вязкость, [15] но смесь не была однородной, и результаты эксперимента не считались надежными. [16] «и никто не понимал, что настоящая причина, по которой железо, добываемое в Норикуме, давало такую превосходную сталь, заключалась в том, что оно содержало небольшое количество марганца, не загрязненного фосфором, мышьяком или серой, и поэтому было сырьем для марганцевой стали». [17] В 1860 году сэр Генри Бессемер , пытаясь усовершенствовать свой бессемеровский процесс производства стали, обнаружил, что добавление шпигелейзена к стали после ее выдувки помогло удалить избыток серы и кислорода . [3] Сера соединяется с железом, образуя сульфид , который имеет более низкую температуру плавления , чем сталь, вызывая появление слабых мест, что препятствовало горячей прокатке . Марганец обычно добавляют в большинство современных сталей в небольших количествах из-за его мощной способности удалять примеси. [18]
Хэдфилд искал сталь, которую можно было бы использовать для литья трамвайных колес , которая бы обладала как твердостью, так и вязкостью, поскольку обычные углеродистые стали не сочетают эти свойства. Сталь можно закалить быстрым охлаждением, но она теряет свою вязкость, становясь хрупкой. Стальные отливки обычно нельзя быстро охлаждать, поскольку неправильные формы могут деформироваться или трескаться. Мангаллой оказался чрезвычайно подходящим для литья, поскольку он не образовывал газовых карманов, называемых «пузырьками», и не проявлял крайней хрупкости других отливок. [19] [13]
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, производимым искусными мастерами, которые часто были очень скрытными. Таким образом, никаких металлургических данных о стали не существовало до 1860 года, 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 со смешивания ферромарганца с тигельной сталью и кремнием, получив сплав с 7,45% марганца, но материал был 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 проверил материал, думая, что результаты, должно быть, были ошибочными. Он выглядел тусклым и мягким, с полуметаллическим блеском, похожим по внешнему виду на свинец , но при этом срезал зубья с его напильника. Он не держал заточку как режущий инструмент, и его нельзя было резать пилами 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 покрывали и полировали поверхность. Самое поразительное, что при нагревании и закалке он вел себя почти противоположно простой углеродистой стали. [13] Проведя несколько сотен испытаний, он понял, что они должны быть точными, хотя причина сочетания твердости и прочности в то время не поддавалась никакому объяснению. Хэдфилд писал: «Есть ли какой-либо случай, подобный этому, 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 признано лишь одним из других случаев...» [20] .
Изобретение Хэдфилда стало первым сплавом стали, который продемонстрировал значительные различия в свойствах по сравнению с углеродистой сталью. [13] В современную эпоху известно, что марганец препятствует превращению ковкой аустенитной фазы в твердый хрупкий мартенсит , которое происходит в обычных сталях при их закалке в процессе закалки. Аустенит сталей Хэдфилда термодинамически нестабилен и при механическом воздействии преобразуется в мартенсит, образуя таким образом твердый поверхностный слой.
Хэдфилд запатентовал свою сталь в 1883 году, но провел следующие пять лет, совершенствуя смесь, поэтому не представил ее публике до 1887 года. В конце концов он остановился на сплаве, содержащем 12–14% марганца и 1,0% углерода, который был достаточно пластичным, чтобы его можно было вдавливать, но настолько твердым, что его нельзя было резать. Он стал первой легированной сталью, которая стала коммерчески жизнеспособной. Хэдфилд изначально продавал свою сталь для использования в железных дорогах и трамваях, но быстро начал производить ее для всего, от пильных пластин до сейфов. [13]
Mangalloy используется в горнодобывающей промышленности, бетономешалках , камнедробилках , железнодорожных стрелках и переездах, гусеничных звеньях тракторов и других средах с высоким уровнем ударов и абразивности. Он также используется в средах с высоким уровнем ударов, например, внутри дробеструйной машины. Эти сплавы находят новое применение в качестве криогенных сталей из-за их высокой прочности при очень низких температурах.
frsбыла вызвана, но не определена (см. страницу справки ).