Сталь Гадфильда: применение, химический состав и структура

Одним из самых интересных материалов, производимых в металлургии, можно назвать сталь Гадфильда. Это первая легированная, высокомарганцовистая сталь массового выпуска и активного применения. Из-за своих необычных свойств она применяется в тех областях народного хозяйства, где все остальные виды стали не подходят. Ее вполне заслуженно можно назвать суперсталью. Она имеет низкую твердость, но хорошую износостойкость при ударах, высоком давлении и перепадах температуры. Эта сталь подходит для использования в агрессивных средах и экстремальных условиях.

Легирование

Легирование — это изменение состава стали с помощью рассчитанного количества вспомогательных элементов, примесей, для придания ей определенных физических качеств. В числе наиболее часто применяемых легирующих составляющих значатся:

• марганец,
• титан,
• кобальт,
• вольфрам,
• алюминий,
• никель,
• хром,
• кремний,
• ванадий,
• ниобий.

Все эти добавки по-разному влияют на конечные качества получаемого сплава. Прежде чем целенаправленно добавлять в металл легирующие составляющие, люди познакомились с природными легированными сплавами, буквально упавшими с неба в виде железных метеоритов. Это железо применялось уже давно. Оно содержит до 8,5% никеля — активно применяемого сегодня легирующего элемента.

Изобретен этот вид стали был в 1882 г металлургом-англичанином Робертом Гадфильдом (был принят в почетные члены Академии Наук СССР в 1933 г.). Это высокопластичная сталь с большим содержанием марганца. Получилась эта марка стали настолько удачной, что и сейчас, практически без изменений в химическом составе, широко используется в самых разных отраслях промышленности. В СССР технологию выплавки этой стали освоили к 1936 году. В России и среди стран-членов Содружества Независимых Государств она известна под маркой 110Г13Л (или Г13Л). Литера «Л» обозначает, что эта сталь — для литья. Требования регламентируются ГОСТом 977-88 и его аналогами за рубежом.

Обозначения

Область применения

Изготавливают из нее части механизмов, рельсовые крестовины, стрелочные переводы, сердечники для прокатки труб, гусеничные траки, броневые листы, детали дробилок, козырьки землечерпательных машин, все устройства, где требуется особая стойкость к износу при больших давлениях, ударным нагрузкам и истиранию. До 80-х годов из нее изготавливались защитные шлемы для солдат в британской и американской армиях. За двадцатый век их было выпущено порядка 30 миллионов штук. Эти шлемы — лишь один из способов использования стали Гадфильда. В 20-х годах из нее начали изготавливать траки для танков — это та часть гусениц, которая подвергается наибольшему воздействию и истиранию при передвижении тяжелых машин. Изготовленные из этой стали они позволили увеличить пробег техники без ремонта гусениц или их замены почти в 10 раз, с 500 км до 4800 км.

Сталь Гадфильда очень важна, она стала незаменимой в военной промышленности и танкостроении. С течением времени этот вид стали начали применять и в других областях деятельности.

История

Сталь Гадфильда, как уже можно было догадаться по самому её названию, была получена неким Гадфильдом. Но мало кто знает, кто этот человек, и когда была эта сталь им предложена. Если углубиться в историю, то можно узнать тот факт, что этот материал повышенной прочности был получен английским металлургом Робертом Гадфильдом в 1882 году. Она получила широкое распространение довольно скоро, так как на поверку оказалась весьма интересным материалом.

Вскоре после того, как сталь Гадфильда была выпущена в массовое производство, ей заинтересовались военные. И не случайно. Сталь высокой прочности должна была стать очень важным материалом для создания некоторых элементов защитной военной экипировки.

Внедрение стали Гадфильда в военную отрасль началось с того, что материал был использован для создания высокопрочных пехотных шлемов. Сначала такие шлемы были приняты на вооружение в британской армии, но американские военные не остались в стороне и тоже взялись за производство аналогичных шлемов. Технология создания шлемов из стали Гадфильда была неизменна вплоть до 80-х. Дело в том, что к тому времени уже ставшую знаменитой сталь заменили на органопластик, так как он был более лёгким, но оставался довольно прочным.

Также сталь Гадфильда широко применялась в танкостроении. Она использовалась для изготовления гусеничных траков для танков. Первой сталь Гадфильда для этой цели стала использовать из Британии в конце 20-х годов. Применение этой стали в изготовлении траков танковых гусениц позволило существенно увеличить пробег до 4800 км. Кстати, до использования чудо — стали пробег составлял 500 км. Что самое интересное, этот небольшой показатель считался настоящим рекордом в годы Первой мировой войны. Этот факт показывает насколько важно было использование стали Гадфильда в области танкостроения.

Впоследствии применение стали Гадфильда осуществлялось не только в военных областях. В Советском Союзе выплавку такой стоили освоили только к 1936 году.

Состав и свойства

Процентный химический состав стали Гадфильда таков:

• Fe — 82%,
• Mn — 11,5-15%,
• C — 0,9-1,6%,
• Si — 0,3-1%,
• другие составляющие — до 5%.

При таком проценте марганца и углерода сталь имеет аустенитную структуру. Именно она придает металлу повышенную стойкость к износам и склонность к увеличению прочности при нарушении геометрии первоначальной формы в результате удара. Аустенит — это структура металла, определяющая его технические характеристики, которые невозможно получить в другом состоянии, так как при изменении строения изменяются и свойства. Это твердый раствор углерода и легирующих компонентов в железе. Количество углерода и количество марганца в сплаве прямо связаны между собой. При увеличении количества углерода, необходимо увеличивать и содержание марганца. Длительность эксплуатации защитных покрытий, изготовленных из стали Гадфильда (футеровок), зависит именно от количества углерода в металле. Так как марганец — активный металл, то сталь Гадфильда имеет повышенную слабость к коррозии, это существенный недостаток этого сплава.

Изделия из этой стали требуют особого ухода для защиты от коррозионного разрушения.

Упрочнение

Упрочнение при ударной деформации, или нагартовка — это процесс, применяемый для увеличения прочности металла, которое не может быть получено термическим воздействием (закалкой). Эта технология обработки направлена на изменение формы изделия методом холодной ковки, пластической деформации, ввода в металл механической энергии. В результате чего твердость сплава повышается, увеличивается его прочность, но уменьшается пластичность.

А невозможность закалки стали Гадфильда с получением привычного эффекта — упрочнения закаляемой детали – заметил сам изобретатель этого вида металла. При попытке закалить образец выяснилось, что металл стал не тверже, а мягче. Замена сред закалки не помогла, образец оставался мягким. Неожиданным было и то, что новая сталь не поддавалась ни токарной, ни фрезерной обработке. При попытке отковать образец холодным способом, без нагрева, участки, подвергнувшиеся ударам молота, стали твердыми. И чем большее количество ударов они получали, тем тверже становились. Попытка обработать металл напильником также закончилась неудачей. Чем сильнее был нажим напильника, тем сильнее было сопротивление металла, образец становился все более твердым.

Из-за невозможности перепилить прут из стали Гадфильда напильником, она применяется для изготовления тюремных решеток. При попытке перерезания прутка такой решетки, происходит сильный наклеп той части, которая подвергается воздействию. Значительно увеличивается твердость стали, до твердости самого напильника и даже выше. В результате попытка перепилить тюремную решетку обречена на провал.

Сталь Гадфильда. Непоколебимая выдержка.

Сталь марки 110Г13Л хорошо известна профессионалам тяжелой промышленности. Известна она и людям от промышленности далеким, правда, под более благозвучным названием – «сталь Гадфильда». И даже в непрофессиональной среде наслышаны о впечатляющей твердости сплава. Главный «секрет» особых характеристик этой стали – ее основной легирующий элемент – металлический марганец.

Шведский минералог Юхан Готлиб Ган в 1774 году первым смог выделить металлический марганец, нагрев в печи руду пиролюзита с углем. Первым же добавить новый элемент в состав стали в 1882 году догадался британский металлург Роберт Аббот Гадфильд. Сегодня марганцовистая сталь имеет тот же самый химический состав и носит имя своего изобретателя.

Металлург сразу понял – новый металл принципиально не похож на все остальные: Гадфильд попытался закалить образец, но сталь стала не тверже, как все стали после закалки, а мягче. Дальше – больше. Новый металл не поддавался ни токарной, ни фрезерной обработке. Ученый пытался закаливать сталь в различных средах, но она упорно становилась мягкой при обработке.

Когда же ее наконец подвергли холодной ковке, то выяснилась неожиданная особенность: участки, на которые приходились удары молота, становились твердыми. Чем больше была степень деформации, тем тверже становилась сталь. Аналогичный эффект сталь выдавала и при обработке напильником. По мере надавливания сопротивление металла росло: чем сильнее был нажим, тем больше сопротивление.

Уникальная твердость и износостойкость новой стали, ее способность выдерживать и поглощать сильные удары без разрушения стали пропуском в мир большой промышленности. Ее начали использовать для изготовления тех деталей, которые постоянно подвергаются сильным ударам и быстро выходят из строя. Первое применение стали Гадфильда нашли строители железных дорог. Из нее изготавливали рельсовые крестовины и стрелочные переводы, работающие в условиях ударных нагрузок и истирания.

Вскоре прочным сплавом заинтересовались и военные. Во времена Первой мировой из листовой стали Гадфильда изготавливали пехотные шлемы для британской и американской армий. Вооруженным силам под звездно-полосатым флагом шлемы служили верой и правдой до 1980-ых годов. За двадцатый век военные выпустили порядка 30 миллионов шлемов из марганцовистой стали.

Оценив достоинства сплава на шлемах, военные дали ему «зеленый свет» и в более масштабных проектах. В 1920-ых началось применение металла в танкостроении. Первой использовать металл для траков танковых гусениц стала британская фирма Vickers. Новый материал совершил настоящий прорыв: теперь боевые машины выдерживали почти 5000 километров пробега – в 10 раз больше, чем раньше.

Пожалуй, самым необычным, но вполне естественным применением марганцовистого сплава стали тюремные оконные решетки. Забудьте все фильмы, в которых герой-заключенный буквально выпиливает себе путь на волю. С решеткой из стали Гадфильда проделать этот трюк не получится – во время распиливания происходит сильный наклеп обрабатываемой поверхности – металл становится таким же твердым, как и пила и даже тверже.

Сегодня сталь Гадфильда чаще всего используют в горнодобывающей промышленности и машиностроении. Благодаря большой твердости, значительной вязкости и феноменальному сопротивлению истиранию сталь применяют для рабочих деталей дробилок, мельниц, траков тракторов и машин, ковшей экскаваторов и вообще всех деталей, подверженных сильному механическому воздействию. Вся продукция, изготовленная из такой стали, отличается очень высоким сроком эксплуатации.

Отличными потребительскими качествами сталь обязана, как мы уже говорили, своему химическому составу. По классическому «рецепту» сплав содержит 13% марганца и 1% углерода. Марганец удаляет из металла примеси серы и кислорода и способствует насыщение стали углеродом и азотом. А при таких пропорциях элементов в составе, сталь имеет аустенитную структуру. Она-то и обеспечивает повышенную устойчивость к износам и упрочнение при деформации. Марганцовистая сталь может похвастаться колоссальным наклепом – твердость сплава достигает 80 единиц по Роквеллу.

Сталь Гадфильда – один из самых полезных, а порой и незаменимых материалов. Она используется в тех областях, где использование другой стали порой просто невозможно.

Источник

Что такое наклеп?

Наклеп — увеличение прочности металлов и сплавов вследствие изменения их структуры в процессе пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации. То есть температуры, при которой на месте потерявших форму, вытянутых зерен металла начинают возникать и расти новые зерна с неискаженной решеткой, правильной округлой формы. При наклепе металла его плотность уменьшается, происходит это из-за нарушения порядка в расположении атомов, искажения атомной решетки, образования микропор, увеличения плотности дефектов. Уменьшение плотности означает увеличение удельного объема единицы массы. Наружный наклепанный слой стремится расшириться, а внутренние не позволяют ему этого сделать. В металле возникают остаточные сжимающие напряжения. Они бывают очень полезными, так как способны приостанавливать процесс появления и увеличения поверхностных усталостных трещин.

Нельзя гарантировать равномерное постоянство удельных давлений в шарнире в пределах от 80 до 200 кг/см, при которых проявляется способность стали к наклепу, и тем самым выявляется ее свойство противостоять износу. Ниже этих показателей наклеп стали Гадфильда не наблюдается, а выше — возникает ее остаточная деформация, соответственно нельзя полноценно использовать её способности. Многочисленные наблюдения за работой тракторов СТЗ НАТИ в поле показали, что после примерно тысячи часов эксплуатации износ отверстий проушин шарнирных соединений равен 0,3 — 0,4 см, а в результате полутора-двух тысяч часов работы проушины истираются практически на всю толщину стенки 0,8 см или разрушаются ранее.

Изменение свойств сплава

Когда металл подвергается механическому воздействию, в нем образуются микроскопические дефекты — дислокации, если такое воздействие продолжается, эти дефекты начинают смещаться и взаимодействовать. Они образуют новую структуру материала, которая сопротивляется дальнейшему пластическому изменению формы. Эта структура увеличивает способность металла сопротивляться прилагаемым усилиям, повышает предел текучести материала и снижает его вязкость. Это очень важно для тех металлов и сплавов, которые не упрочняются при термообработке.

При комнатной температуре сталь Гадфильда практически немагнитна, но, после холодной деформации, появляются магнитные свойства. Это явление сопровождается появлением в структуре металла плотных плоскостей скольжения дислокаций, которые дробят зерна на отдельные блоки. Открытием Гадфильда и Хопкинсона стало то, что испытание образца стали на разрыв, придало ему слабомагнитные свойства. Появление ферромагнетизма показывает, что после такого вида нагрузок, часть металла переходит в состояние а-железа.

Способы обработки

Холодная обработка металлов давлением — известный способ намеренного создания наклепа. Типичными технологическими процессами такой обработки металлов являются волочение, холодная ковка, прокатка, прессование (экструзия). Если переусердствовать с обработкой, то деталь из стали Гадфильда может развалиться на куски из-за усиливающихся внутренних напряжений, которые ее разрушают. Поэтому при обработке, например, лезвия ножа, которое рекомендуется слегка отбить перед итоговой заточкой, или отбивке косы (а это и есть холодная ковка), нужно наносить очень легкие удары и внимательно относиться к отдаче от молотка. Как только он начинает отскакивать, значит пора прекращать удары, иначе лезвие может раскрошиться.

Из-за высокой вязкости стали Гадфильда, детали из нее практически не могут обрабатываться режущими инструментами. Для массового изготовления продукции из этой стали подходит только литье. Формы для отливки должны быть выполнены очень тщательно, чтобы изготовленные детали не подвергать дополнительной обработке. После отливки изделия и застывания металла, качество стали достаточно низкое, так как на границе зерен аустенита есть мелкие включения карбидов, которые легко образуют трещины между зернами и приводят к быстрому разрушению. Токарная обработка возможна лишь с применением быстрорежущих сталей с высокой теплостойкостью. То есть инструмент, при возникающих в режущей кромке высоких температурах, должен сохранять высокую твердость и противостоять износу.

Особенности закалки и сварки

Для устранения низкого качества стали после застывания отливки, ее подвергают своеобразной закалке (отличающейся от привычной, повышающей твердость металла) при температуре, в зависимости от количества углерода в сплаве, от 900 до 1100 градусов.

• Если углерода 1%, то температура должна быть не ниже 900 градусов.
• Если углерода 1,5% — 1000 градусов.
• При количестве углерода на уровне 1,6% — температура нагрева выше 1050 градусов.

Нагрев должен быть очень медленным, не более 150 градусов в час, с последующей выдержкой в зависимости от размеров отливки и заключительным охлаждением водой.

При толщине отливки в 30 мм потребуется 4 часа выдержки, а в 125 мм — сутки. Такая обработка полностью убирает наклеп, переводит металл в аустенит, выравнивая его структуру. Соответственно твердость стали после закалки низкая, а вязкость высокая.

При сварке этого вида стали обязательно нужно учитывать ее особенности. В зоне термического воздействия и в наплавленном металле, из-за изменения при нагреве аустенитной структуры металла в мартенситную, высока вероятность появления холодных трещин из-за низкой, в 4-6 раз меньше, по сравнению с другими видами сталей, теплопроводности и увеличенного в 1,9 раз коэффициента теплового расширения. Есть вероятность появления и горячих трещин, так как литейная усадка стали Гадфильда более чем в полтора раза больше, чем любой малоуглеродистой стали. Поэтому рекомендуется сварочные работы проводить в проточной воде, либо, в крайнем случае, с последующим охлаждением шва.

Стандарты