Где применяется марганцевая сталь

Обновлено: 01.05.2024

Различные типы элементов, содержащихся в стали, придают ей уникальные свойства.

Что такое марганцевая сталь и свойства марганцевой стали

Марганцевая сталь, также называемая сталью Mangalloy или Hadfield, представляет собой легированную сталь, которая содержит от 0,8 до 1,25% углерода и от 11 до 15% марганца. Марганцевая сталь представляет собой немагнитную сталь с исключительными противоизносными свойствами, высокой стойкостью к истиранию, высокой ударной вязкостью, высокой прочностью на растяжение и умеренным пределом текучести. Материал достигает трехкратной твердости поверхности в условиях удара без какого-либо увеличения хрупкости. Базовая твердость марганцевой стали по Бринеллю составляет 220, но при ударном износе твердость поверхности увеличивается до более чем 550. Мангалой поддается термообработке.

Для чего используется марганцевая сталь?

Марганцевая сталь широко используется в горнодобывающей промышленности (бетономешалки, камнедробилки, гусеницы для тракторов), железнодорожной промышленности (железнодорожные стрелки и переезды), оконных решетках в тюрьмах, сейфах, пуленепробиваемых шкафах, противосверлильных плитах, переработке металла. , а также в других средах с высокими ударными нагрузками, например, внутри машины для дробеструйной обработки. Марганец, используемый в дробильных установках, таких как добыча полезных ископаемых и переработка, имеет аналогичные функции. Стрелочные переводы на путях испытывают огромную нагрузку, при ударе колеса поезда о поверхность рельса марганцевый рельс незначительно деформируется. Этот удар и деформация заставят поверхность затвердеть, а закаленная поверхность будет сопротивляться износу в будущем.

Обработка марганцевой стали

Многие области применения марганцевой стали часто ограничиваются ее сложностью обработки, иногда ее описывают как нулевую обрабатываемость. Мангалой не размягчается отжигом и быстро затвердевает под режущими и шлифовальными инструментами, для обработки обычно требуются специальные инструменты. Этот материал можно просверливать алмазными или твердосплавными инструментами, но существуют большие трудности. Его можно резать кислородно-ацетиленовой горелкой, но предпочтительным методом является плазменная или лазерная резка.

Разница между марганцевой сталью и углеродистой сталью - марганцевая сталь против углеродистой стали

Мангаллой был создан Робертом Хэдфилдом в 1882 году, это первая легированная сталь, которая имеет значительные отличия в свойствах по сравнению с углеродистой сталью.

1. Первое различие между марганцевой сталью и углеродистой сталью заключается в том, что мангаллой размягчается, а не затвердевает при быстром охлаждении, а затем восстанавливает пластичность из нагартованного состояния.

2. Марганцевая сталь намного прочнее углеродистой стали при нагревании.

3. Марганцевая сталь может противостоять удару значительно дольше, чем высокоуглеродистая сталь.

4. Марганцевая сталь менее устойчива к истиранию, чем высокоуглеродистая сталь, прошедшая термообработку.

5. Углеродистые стали приобретают прочность при отпуске, марганцевая сталь теряет пластичность при отпуске.

Сталь марки 60 или углеродистая сталь AISI 1095, что выбрать?

Марганцевая сталь марки 60 представляет собой тип высокопрочной стали, в основном используемой в тех случаях, когда необходимо выдерживать жесткие условия работы, такие как удары, выдавливание, износ и т. д. Изнашивание является одним из основных источников повреждения стали марки 60. AISI 1095 — пружинная сталь, относящаяся к типу стали, специально используемой для изготовления пружин и упругих элементов благодаря своей эластичности в закаленном и отпущенном состоянии. Эластичность стали зависит от ее способности к упругой деформации, то есть в пределах указанного диапазона способность к упругой деформации заставляет ее нести определенную нагрузку, и после снятия нагрузки не возникает остаточная деформация. AISI 1095 — высокоуглеродистая сталь с высокой твердостью и износостойкостью, обычно используется для изготовления различных кинжалов и ножей.

Производство марганцевой стали

Для производства аустенитных марганцевых сталей применяются печи исключительно с основной футеровкой. Выплавка марганцевой стали в кислых печах не производится вследствие быстрого разъедания кислой футеровки. Например, высокочастотная печь с кислой футеровкой выдерживает 160 плавок обычной углеродистой стали. При выплавке же в ней марганцевой стали футеровка печи не выдержала и 20 плавок. Причиной этого является активное восстановление окиси кремния футеровки марганцем стали согласно уравнению 2Mn + Si02 = 2MnO-f-Si, что вызывает, с одной стороны, сильную эрозию и, с другой стороны, загрязнение стали окислами марганца. Поэтому марганцевую сталь выплавляют в основных печах: высокочастотных, электродуговых и мартеновских.

При ее выплавке нужно учитывать, что содержание углерода не должно быть высоким из соображений уменьшения количества газов и неметаллических включений в ванне, образующихся при взаимодействии углерода с другими элементами; вместе с тем в качестве присадок желательно применять дешевые и в первую очередь ферромарганец с большим содержанием углерода. Этим требованиям вполне удовлетворяют дуговые электропечи и мартеновские печи. Высокочастотные печи являются менее подходящими, так как для получения нужного соотношения Мп: С = 10 нужно применять шихту, состоящую только из мягкой стали и присадок с низким содержанием углерода. Эти печи для производства аустенитных марганцевых сталей используется очень редко.

До того как электропечи нашли широкое применение в промышленности, марганцевые стали обычно изготовлялись в мартеновских печах. В последних можно получить сталь высокого качества, но вследствие затруднений при раскислении стали после удаления фосфора и углерода эти печи используются только в тех случаях, когда для изготовления очень крупных отливок электропечи не в состоянии выдать достаточного количества стали. На одном чехословацком металлургическом заводе за последнее время был введен дуплекс-процесс. В мартеновской печи изготовляется сталь, а в вагранке плавят ферромарганец. Жидкая сталь и расплавленный ферромарганец затем сливаются в ковш, чем и заканчивается процесс изготовления марганцевой стали.

На другом заводе применили другой способ. В небольшой вагранке расплавляли ферромарганец, в другой вагранке плавили шихту, состоящую из чугуна и стального скрапа. Расплавленный чугун переливался в бессемеровский конвертор, в котором углерод выжигался до содержания его 0,1%. Полученная таким образом мягкая сталь смешивалась с расплавленным ферромарганцем в литейном ковше. Этим способом часто невозможно получать марганцевую сталь, содержащую менее 1,5% углерода при содержании 0,14% фосфора. Интересно, что этот старый способ, не применявшийся в последнее время, снова используется в Англии при производстве различных деталей шарнирных цепей.

Можно утверждать, что аустенитная марганцевая сталь изготовляется в настоящее время главным образом в дуговых электропечах. Процесс производства сталей этого типа в электропечах происходит следующим образом: шихта составляется из стальной стружки и кускового скрапа в соотношении 1: 4. Обычно в такой шихте уже содержится 4 — 6% присадок, создающих шлак. После расплавления определяется содержание углерода и марганца в стали, затем удаляется шлак и на зеркало ванны забрасывается железная окалина или железная руда. Таким образом, производится раскисление, дегазация и дефосфорация стали. Для получения максимального содержания углерода (максимум 0,05%) снимается окислительный шлак и в печь забрасывается кокс, антрацит или электродный бой с небольшим количеством ферромарганца. После успокоения ванны и предварительного определения содержания углерода и марганца плавка завершается присадкой необходимого количества ферромарганца.

Технология литья. На основании производственного опыта было определено, что оптимальная температура выпуска стали из печи в ковш должна быть равной 1520 — 1570 градусов, а температура стали при заливке форм — 1440 — 1500 градусов (температуры измерялись термопарой погружения). В действительности температура плавления высоко марганцевой стали значительно ниже.

Спецификации и использование марганцевых сплавов

Основное применение марганец находит в сталелитейной промышленности в форме ферромарганцевых добавок. Для коммерческого использования производится несколько видов марганцевых сплавов. Эти сплавы могут быть разделены на 4 основные категории:

Высокоуглеродистый ферромарганец, который обычно содержит около 78% марганца и около 7.5% углерода.
Очищенный ферромарганец, в котором содержание углерода находится в пределах от 1.5% до 0.5%.
Силикомарганец с содержанием кремния от 17% до 20% и соответственным содержанием углерода от 2.0% до 1.5%.
Низкоуглеродистый ферромарганец с содержанием кремния 26-31% и содержанием углерода от 0.5% до 0.05%.

Диапазон спецификаций марганцевых сплавов весьма велик. Некоторые поставщики производят более 20 наименований. Эти сплавы варьируются по содержанию марганца, угля, кремния, фосфора и даже азота. В связи с тем, что низкофосфористые марганцевые руды весьма редки, многие потребители, в особенности производители стали, платят высокую цену за низкофосфористые сплавы. В таблице 2.1 приведены спецификации высоко / средне / низкоуглеродистых ферромарганцевых сплавов (ВУ / СУ / НУ), а также стандартного (Ст), низкоуглеродистого (НУ) и сверхнизкоуглеродистого (СНУ) силикомарганца.

Примеси в марганцевых сплавах

В последнее время все более растет спрос на высококачественную сталь с низким содержанием примесей, что увеличивает требования к производителям марганцевых сплавов по улучшению качества их продукции за счет уменьшения количества примесей, в особенности таких как углерод, сера и фосфор. Коммерческое производство марганцевых сплавов из обычного сырья неизменно сопровождается попаданием разнообразных примесей в конечный продукт (металл). Типичная концентрация некоторых из них приведена в таблице 2.2.

Использование марганцевых сплавов

Поскольку около 90% производимого марганца потребляется сталелитейной промышленностью, мировой спрос на марганец почти полностью диктуется ею. Существую различные сорта стали и при производстве каждого требуется различное количество марганца. Средний расход марганца на тонну стали в промышленно развитых странах в настоящее время составляет около 7.5 кг. Производство и спрос на марганец нахлдится в точном сооттветствии с производтвом и спросом на сталь. В 2005 году производство нерафинированной стали составило 1130 миллионов тон.

Основную часть производимой стали составляет универсальная низкоуглеродистая сталь содержащая от 0.15% до 0.8% марганца. Также производится большое количество низкоуглеродистого стального листа в котором содержание марганца не превышает 0.3%. Высокопрочные сорта стали, составляющие 3-4% от кол-ва производимой стали, содержат более 1% марганца. Сорта стали, содержащие более 13% марганца, обладают уникальными свойствами, что делает из незаменимыми в таких областях, которые требуют от стали повышенной прочности и износоустойчивости, например при производстве конусных дробилок, щековых дробилок и зубцов для земляного оборудования.

Нержавеющая сталь, которой выпускается 2% от общего производства стали, использует в сплаве хром и никель, а также около 1% марганца. Причем никель может быть полностью или частично замещен марганцем, если повысить его содержание до 4—16%. Такие сорта стали еще не производятся в больших масштабах, однако спрос на них может увеличиться в зависимости от соотношения цены на никель и марганец.

Марганцевая руда и окалина могут напрямую использоваться в домнах при производстве чугуна, но основное потребление марганца приходится на ферромарганец, силикомарганец и металлический марганец. Только порядка 5% всего марганца, используемого сталелитейной промышленностью проходит через доменный процесс. Марганцевые добавки в чугун являются небольшой частью общего потребления. Основное использование марганца в качестве марганцевых сплавов или металлического марганца происходит на конечном этапе производства стали или в процессе легирования при производстве высоколегированных сортов стали.

Общее мировое производство марганцевых сплавов в 2004 г. составило около 10,4 миллионов тон, что на 14 % больше чем в 2003. В это количество включено 3,55 тонн высокоуглеродистого ферромарганца, 5.9 мил. тонн силикомарганца и 0.93 мил. тонн средне- и низкоуглеродистого ферромарганца. Увеличение за последние годы произошло, в основном, за счет Китая, который в 2004 году производил 44 % от общемирового количества.

Нерафинированая сталь изготавливается путем очиски чугуна, металлолома при помощи Процесса Прямого Восстановления железа (ППВ). Большая часть нерафинированой стали производится либо в обычной кислородной печи, либо в электродуговой печи. Лишь небольшое количество производится в мартеновских печах, бессемеровских конвертерах или другими способами. Марганец добавляется в сталь в следующих случаях:

Для увеличения прочности, жесткости и износостойкости стали в качестве легирующего элемента
Для соединения с серой с последующим ее удалением
Для контроля структуры сульфидов
В качестве раскислителя

Особый интерес представляет воздействие марганца на железоуглеродистую систему с последующим увеличением прочности стали. Железо кристаллизируется в альфа-железо (феррит) при комнатной температуре, что является основой с объёмноцентрированной кубической структурой. При температурах выше 910°C структура трансформируется в гамма железо (аустенит), который является гранецентрированной кубической структурой. По мере охлаждения стали, углерод растворенный в аустените, осаждается в качестве карбида железа (цементит), а аустенит переходит в феррит. Цементит и феррит осаждаются в виде характерной ламинарной структуры, известной как перлит.

Важной функцией марганца является снижение температуры при которой аустенит переходит в феррит, таким образом предотвращая осаждение цементита на периферии ферритного зерна, а также для рафинирования производных перлитных структур. Прочность и жесткость стали зависят от величины зерна и относительного объема перлита. Легирующие элементы, включая марганец, влияют на затвердение феррита, но этот эффект имеет ограниченное действие в сравнении с углеродом, азотом, фосфором и даже кремнием. Когда процесс охлаждения ускоряется закалкой, аустенит переходит в более прочные структуры, такие как бейнит и мартенсит.

Марганец улучшает качества стали после закалки посредством своего воздействия на температуру фазового перехода. Марганец также обладает слабыми карбидообразующими свойствами. Оба этих качества являются важными в работе с сортами стали подвергающимися термообработке. Другим важным свойством марганца является то, что марганец, как и никель стабилизирует аустенит в стали. Поскольку марганец не является столь же сильным стабилизатором как никель, для достижения равноценного эффекта требуется использование большего количества марганца. Тем не менее, преимущество марганца в том, что он гораздо дешевле никеля. Воздействие марганца на формирование аустенита может быть усилено азотом.

Нерафинированная сталь содержит большое количество серы и кислорода. Марганец играет ключевую роль в очищении стали, поскольку, соединяясь с серой, он способствует ее очищению. Его реакция с остаточной серой, приводящая к появлению сульфида марганца, предотвращает появление красноломкости стали, а также образование внутренних отложений жидкого сульфида железа. Из общего количества марганца, применяемого в металлургии, около 30% добавляется для вывода серы и в качестве раскислителя, а остальные 70% – в качестве легирующего элемента.

Кремний является основным раскислителем и легирующим элементом в некоторых сортах стали, например в пружинной стали. Марганец является более мягким раскислителем чем кремний и алюминий, но он усиливает их воздействие, так как образует устойчивые марганцевые силикаты и алюминаты. Силикомарганец является более эффективным раскислителем, чем просто ферросилиций или ферромарганец. Восстановление при помощи силикомарганца способствует лучшему очищению стали, так как жидкий силикат марганца стремится к образованию единой массы и, таким образом, легче отделяется от расплава, чем твердый SiO₂, образованный в процессе восстановления ферросилиция. Этот метод также снижает забиваемость патрубка при выпуске.

До недавнего времени производители стали использовали смесь высокоуглеродистого ферромарганца и ферросилиция для вышеупомянутых нужд, однако в последнее время наблюдается тенденция к использованию одного только силикомарганца. При выплавке стали в электродуговых печах, большее количество потребляемого марганца поступает в виде силикомарганца. Ожидается, что рост потребления силикомарганца будет увеличиваться быстрее, чем потребление высокоуглеродистого ферромарганца. Использование силикомарганца эффективней сокращает количество примесей фосфора, углерода, алюминия и азота в стали в сравнении с использованием обычного высокоуглеродистого ферромарганца (ВУ FeMn) и ферросилиция, содержащего 75% Si (FeSi75). Стандарный силикомарганец используется в большинстве сортов стали, содержащих кремний и марганец, где сочетание углерода, марганца, кремния и микроэлементов должно быть достигнуто наиболее
экономичным путем.

Средне- и низкоуглеродистый ферромарганец (СУ и НУ) используется в тех сортах стали, где содержание углерода не может быть уменьшено путем добавки обычного ферросплава.. Сорта с низким и средним содержанием углерода (0.5%—1.5%) производятся, в основном, при помощи кислородной очистки ВУ ферромарганца. Кроме этого, низко и среднеуглеродистые сплавы производятся силикотермическим методом, в результате реакции между кремнием силикомарганцевого сплава и марганцевой рудой. Силикотермический метод все еще используется на некоторых заводах, особенно при производстве низкоуглеродистых сортов. В связи с увеличением производства низкоуглеродистых сортов стали потребление очищенных лигатур с низким содержанием углерода все более увеличивается. В 2004 году мировое производство рафинированного ферромарганца (

Электролитический марганец является наиболее чистой формой марганца, его мнимальное содержание составляет 99.9%. Он используется в производстве алюминиевых и медных сплавов, для получения специальных сортов нержавеющей стали и других особых сортов стали, а также в электронике. В 2000 году было произведено приблизительно 150000 тон электролитического марганца.

Низкоуглеродистый и сверхнизкоуглеродистый силикомарганец (НУ SiMn and СНУ SiMn) увеличивают производительность при производстве нержавеющей стали путем исключения декарбонизации. из последнего этапа производства стали. Использование НУ SiMn обеспечивает более экономичный процесс производства там, где требуется использование марганца и кремния в производстве НУ стали.

Наибольшее применение в цветных металлах марганец находит в алюминиевых сплавах. Марганец улучшает коррозиестойкость алюминия. Алюминиевые сплавы с содержанием марганца от 1 % и более широко используются в производстве банок для напитков, а также в пищеобрабатывающем оборудовании. Марганцовистая бронза является сплавом на основе меди, усиленная небольшими добавками марганца (до 4.5%). Эти сплавы используются при производстве морских винтов, фиттингов, шестерней и подшипников.

Марганец также используется в неметаллургических областях. Самым большим неметаллургическим рынком является производство перманганата калия, сульфата марганца, оксида марганца и хлорида марганца, а также двуокиси марганца для сухих электрических батареек. Перманганат калия является мощным окислителем, он используется в химии и медицине в качестве дезинфектанта.

Разливка и фракционирование ферромарганца

Электропечной ферромарганец, как и доменный, разливается на ленточных конвейерных машинах с чугунными изложницами. Температура сплава при разливке 1380—1340 °С, толщина слитка в изложнице 85 мм.

Эти же машины используются также для разливки силикомарганца и малофосфористого шлака. Качество ферромарганца по химическому составу соответствует требованиям ГОСТ 4755—80 (см. табл. 11.10).

Ферромарганец доставляется потребителям в кусках массой не более 20 кг или в дробленом виде. Дробленый ферромарганец изготавливают по классам крупности в соответствии с табл. 11.19.

При изготовлении ферромарганца в кусках количество мелочи, проходящей через сито с отверстиями 20×20 мм, не должно превышать 10 % массы партии — для высокоуглеродистого ферромарганца марок ФМн78; 20 % массы партии — для высокоуглеродистого ферромарганца марок ФМн70; 15 % массы партии — для низко- и среднеуглеродистого ферромарганца. Допускается наличие в парти и кусков более 20 кг в количестве, не превышающем 5 % массы партии.

Фракционирование ферросплавов на НЗФ осуществляется дробильно-сортировочным комплексом (ДСК), в состав которого входят: щековая дробилка фирмы «Киекеп», оснащенная приспособлением для регулирования выходной щели от 50 до 150 мм и обеспечивающая дробление металла без трения, вибрационный грохот фирмы «Беко», состоящий из короба в сборе с тремя съемными ситами, и питатель Р1-1211.

ДСК позволяет получать фракционирование ферросплава. Путем дробления слитков на дробилке и рассева дробленного сплава на грохоте, рассева сплава без предварительного дробления, рассева сплава без дробления с последующим дроблением только надрешеточного продукта и рассевом сплава на грохоте.

В зависимости от требуемого класса крупности готовой продукции на дробилке устанавливают определенную выходную щель, а на грохоте необходимые сита с размерами ячеек 80×80 мм, 70×70 мм, 50×50 мм, 20×20 мм, 10×10 мм и 5×5 мм.

Производительность ДСК составляет 120—150 тыс. т/год в зависимости от фракции.

В настоящее время на заводе внедрена прогрессивная технология разливки марганцевых ферросплавов в ячеистые мульды, а также освоено фракционирование сплавов так называемым методом усадочнотермического разрушения с последующим рассевом, что исключает стадию механического дробления.

МАРГАНЦОВИСТАЯ БРОНЗА

Бронза, основным легирующим элиментом которой является марганец. Отличается высокими мех. св-вами, коррозионной стойкостью и жаропрочностью . Марганец при повышенной т-ре неограниченно растворяется в меди как в жидком, так и в твердом состоянии. Т-ра рекристаллизации меди при наличии марганца повышается на 150—200° С. М. б., содержащие до 20% Мn, при всех т-рах в твердом состоянии являются однофазными, поэтому легко поддаются обработке давлением в горячем и холодном состоянии, допуская деформацию при холодной прокатке до 80% .

Химический состав марганцовистых бронз полуфабрикаты из марганцовистой бронзы выпускают в виде прутков, полос и лент. Марганцовистая бронза применяют в морском судостроении для отливки деталей арматуры, эксплуатируемой при т-ре до 250° С, и для отливки крупных деталей простой конфигурации, втулок, подшипников, деталей электрооборудования.

Лит.: Сучков Д. И. Медь и ее сплавы. Мальцев, М. В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов.

МАРГАНЦОВИСТАЯ ЛАТУНЬ

Латунь, основным легирующим элементом которой является марганец. Сплав отличается хорошими мех. св-вами при повышенной т-ре, легко поддается обработке давлением, обладает повышенной теплопроводностью. Добавки марганца и алюминия повышают прочность, а также коррозионную стойкость сплава к хлоридам и морской воде. М. л., как и двойные (простые) латуни, склонна к саморастрескиванию.

Лит.: Буталов В. А. Заменители дефицитных металлов и сплавов.

МАРГАНЦЕВЫЙ ПОРОШОК — мелкие частицы марганца различной формы. Получают, порошок преим. в лабораторных условиях электролизом водных растворов марганцевых солей, напр. MnS04. Ртутную амальгаму, образующуюся (с ртутным катодом) в процессе электролиза, фильтруют, а затем ртуть дистиллируют в вакууме. Электролизом водных растворов солей в двухслойной ванне (верхний слой — органическая жидкость, нижний — водный раствор марганцевой соли) с вращающимся катодом порошок получают в виде коллоидных частиц. Полученные обоими способами порошки — пирофорны.

Лит.: Альтман А. Б. Некоторые закономерности магнитных свойств марганец-висмутовых постоянных магнитов. В кн.: Физика металлов и металловедение, В. В. Бушип.