Сталь с высоким содержанием марганца

Обновлено: 19.05.2024

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.

Спецификации и использование марганцевых сплавов

Отечественные низколегированные стали повышенной и высокой прочности

ГлавнаяО компанииСтатьиБрони для дробилок — выбор оптимального сплава Важной составляющей стоимости эксплуатации дробильно-сортировочного завода является стоимость быстроизнашиваемых элементов. И первое, что приходит в голову, когда слышишь быстроизнашиваемые элементы — это брони, плиты для дробилок. В этой заметке будет рассказано о путях оптимизации этой статьи расходов или как сделать, чтобы быстроизнашиваемые стояли дольше.

Вначале кратко какое воздействие бывает:

сжатие
сдвиг
удар
скользящий удар или истирание

В нашей стране самый распространённый сплав, который используется для производства броней, это марганцовистая сталь. Но не всегда «марганцовка» лучшее решение. Как выбрать какой сплав оптимален для задачи? Для этого надо изучить физические свойства сплавов.

Марганцовистая сталь (и высокомарганцовистая)

Ударная прочность 250-300 Дж/см2. Твёрдость 200 HB (17 HRc).

Типичным и хорошо известным у нас представителем “марганцовки” (марганцовистой стали) является 110Г13Л (она же сталь Гадфильда). По отечественному стандарту ГОСТ 977-88 она помимо железа и углерода (до 1,3%) содержит до 13% марганца, до 1% хрома, другие постоянно встречающиеся примеси (фосфор и сера, например), которые определяют ее свойства. По более широким нормам к обычным марганцовистым сталям относят сплавы с содержанием марганца 11-14%. Начальные и последующие свойства этой стали связаны с хромом, чем ближе содержание хрома к 1%, тем менее вязкая и более хрупкая сталь изначально, а значит у нее выше и без наклепа износостойкие свойства к мелкому и среднему материалу при дроблении, но и риск разлома при сжатии или ударе крупным куском выше. Нахождение баланса вязкости и твердости является ключевым.

Также среди материалов для изготовления броней дробилок в мире предлагается новый стандарт: высокомарганцовистая сталь, в которой повышены содержания углерода (до 1,5%), марганца 18% и выше. На плавку таких сталей есть экологические ограничения, поэтому заводы по производству этой новинки как оригинальные, так и копирующие идею, находятся преимущественно в Китае. При этом у пользователей нет однозначного впечатления от улучшения. Так как стоящие в очереди далее элементы хром и загрязняющие примеси (всё те же сера и фосфор) в конечном итоге оказывают большее влияние, а возможность получить некачественное по добавкам и примесям литье будет давать отрицательные отзывы, в то время как правильный выбор состава и контроль качества обычной марганцовистой стали — положительные, что на фоне более высокой цены на высокомарганцовистую сталь делает ее применение менее оправданным.

Данная сталь успешно применяется для изготовления износостойких элементов практически всех типов дробилок (щековых, конусных и роторных с горизонтальным валом).

Коротко о марганцовистой стали

Марганцовистая сталь была изобретена Робертом Гадфильдом в 1882 году, и, несмотря на все проводимые исследования, огромные затраты времени и средств, производимая в настоящее время марганцовистая сталь имеет тот же самый химический состав, который был первоначально предложен Гадфильдом.
Роберт Гадфильд установил, что марганцовистая сталь совершенно не похожа на все другие. Он попытался подвергнуть закалке откованный образец и обнаружил, что сталь стала не тверже, как все стали после закалки, а мягче. Но это была не единственная неожиданность – новая сталь не поддавалась ни токарной, ни фрезерной обработке. Предпринимались попытки закаливать сталь Гадфильда в различных средах, но тщетно – она оставалась мягкой. Когда ее подвергали холодной ковке, то участки, на которые приходились удары молота, становились твердыми, и чем больше была степень деформации, тем тверже становилась сталь. При обработке напильником наблюдалось аналогичное явление. Сопротивление металла под напильником росло по мере надавливания: чем сильнее был нажим, тем больше сопротивление.

Благодаря высокой твердости и износостойкости, а также способности выдерживать и поглощать сильные удары без разрушения сталь Гадфильда быстро завоевала признание в промышленности: ее стали использовать для изготовления тех деталей, которые в процессе эксплуатации постоянно подвергаются сильным ударам и обычно быстро выходят из строя по причине истирания. В горной промышленности это такие детали, как, например, щеки дробилок, била для роторных дробилок, шары для шаровых мельниц, гусеничные траки.

Пояснения по содержанию марганца

Известны многочисленные публикации, посвященные изучению влияния марганца на износ деталей дробилок. Ниже описываются различия между марками стали.

Mn 12-14 – эта марганцовистая сталь традиционно являлась стандартной маркой для карьерного оборудования. Она не уступает другим маркам по возможности наклепа в процессе работы. При переработке особо абразивных материалов наклепанный слой, обычно имеющий глубину около 3 мм, может быть изношен или снят за счет абразивного износа при ударе, что ведет к быстрому износу более мягкого ненаклепанного подстилающего металла. Эта марка стали обладает начальной твердостью около 200 BHN (твердость по Бринеллю). В процессе эксплуатации твердость возрастает примерно до 450 BHN.
Mn 16-18 – как правило, на 7% дороже в производстве, чем марка Mn 12-14. Эта сталь с повышенным содержанием марганца имеет примерно такие же характеристики, как и предыдущая марка. Первоначальная твердость этой стали несколько выше и составляет около 230 BHN. За счет большего содержания углерода эта марка стали быстрее наклепывается, и поэтому влияние абразивного износа при ударе уменьшается. Но максимальная твердость у этой марки стали составляет около 400 BHN. Эта марка считается наиболее универсальным материалом для любых применений.
Mn 22-24 – из рассматриваемых марганцовистых сталей эта марка имеет наивысшую начальную твердость 248 BHN, но не обеспечивает более эффективного наклепа, чем более низкие марки. В очень редких ситуациях она может наклепываться чуть быстрее, чем более низкие марки, однако ее преимущества непропорциональны стоимости, которая на 14% выше стоимости марганцовистой стали Mn 12-14. Предложения этой марки являются скорее маркетинговым ходом и не дают никаких реальных преимуществ.

Влияние углерода на содержание марганца

Существует прямая связь между количеством углерода, которое может оставаться в сплаве, и содержанием марганца. При увеличении содержания углерода в сплаве необходимо увеличивать и содержание марганца. Это послужило причиной рождения мифа о том, что увеличение содержания марганца в сплаве увеличивает срок службы футеровок. На самом деле, срок службы определяется именно содержанием углерода.

Для увеличения срока службы футеровок по износу важно иметь максимальное содержание углерода.

При содержании Mn 18% достигается оптимальный уровень углерода.

Для определения необходимого количества углерода при сохранения механических свойств сплава необходимо учитывать толщину детали. Чем больше сечение детали, тем труднее удержать углерод во время закаливания.

Мартенситная сталь (в российской терминологии мартенситно-стареющая сталь) для броней

Ударная прочность 100-300 Дж/см2. Твёрдость 44-57 HRc.

В России известна мартенситно-стареющая сталь — это почти безуглеродистая сталь (менее 0,03%) с высоким содержанием различных легирующих элементов (прежде всего никель и кобальт, в меньшей степени молибден, хром), которая приобретает структуру мартенсита при закалке и выравнивание соотношения прочности, вязкости и пластичности при старении, то есть это материал затратный по химическому составу и по двойной термической обработке (закалка и старение). С одной стороны эти стали обладают высокими и очень высокими прочностными показателями (предел временной прочности при растяжении 2000 МПа и выше), связанными с этим износостойкостью как на удар, так и на истирание, но в силу существенно большей стоимости, чем даже легированных высокопрочных сталей, их применение ограничено областями, где такие стали незаменимы, а в приложении к износостойким материалам для быстроизнашиваемых элементов дробилок это пока что материал, который предлагают в экспериментальном режиме. У нас он в этом качестве практически не известен и не применяется. Ее поведение и преимущества в реальных задачах дробления не описаны.

За рубежом тоже предлагается использование мартенситной стали, но с более высоким содержанием углерода и других элементов, для изготовления износостойких частей.

Данная сталь могла бы применяется как альтернатива для износостойких элементов из марганцовистой стали, то есть для дробилок щековых, конусных и роторных с горизонтальным валом.

Промышленное применение

Одно из наиболее интересных свойств этой марки – это резкое упрочнение при наклёпе. Приведём лишь два характерных примера:

изготовление из данной марки траков танковых гусениц позволило увеличить их ресурс более чем в девять раз – с 500 до 4800 километров пробега;
отлитые из неё же тюремные оконные решётки (да, есть у этой стали и такое специфическое применение) невозможно перепилить – под действием пилы по металлу твёрдость решётки в точке реза возрастает до твёрдости самой пилы (или даже выше).

Осуществляющие заказное литьё из стали 110Г13Л фирмы как правило используют следующие способы:

литьё в землю/песок по деревянным моделям;
литьё по выплавляемым моделям в холодно-твердеющие смеси;
литьё по выплавляемым моделям в жидко-стекольные смеси с жидким катализатором.

Все перечисленные способы позволяют производить детали сложной/уникальной конфигурации с высокой степенью точности и чистоты поверхностей практически независимо от размера и конечной массы самих отливок.

Износостойкий (белый) чугун (высокохромистый сплав) для броней дробилок

Ударная прочность до 10 Дж/см2. Твердость 560-590 HB (около 57-60 HRc).

Находит применение для дробилок с ударным принципом разрушения при небольшой крупности питания: роторных с горизонтальным и вертикальным валом (для последних в России довольно широкое применение).

Кавитационные марганецсодержащие стали

Основным требованием к сталям этого назначения является высокое сопротивление изделий интенсивному кавитационному воздействию, т. е. часто встречающемуся виду поверхностного воздействия извне на элементы машин и оборудования. Установлено, что релаксация локальных напряжений в результате импульсных, гидродинамических воздействий на границе среда — поверхность изделий, изготовленных из метастабильных сталей, наилучшим образом достигается при наличии в структуре стали мартенсита. За рубежом в качестве кавитационностойких материалов используют хромистые и хромоникелевые стали с добавками марганца и меди (1Х17Н6Г8, США), структура которых представлена хромоникелевым и хромоникелевомарганцевым аустенитом. (Однако установлено, что марганцевый аустенит вследствие своей металлофизической природы (меньшие значения дефектов упаковки, большая степень микроискажений) характеризуется меньшей подвижностью дислокаций. В этой связи предложен ряд марок стали, содержащих наряду с хромом (10— 14 %) от 10 до 12 % Mn.

Антиферромагнитные стали с марганцем

Разработаны и находят применение аустенитные антиферромагнитные стали с особыми физическими свойствами. Основным легирующим элементом в сталях этой группы является марганец, содержание которого должно обеспечивать аустенитную структуру (~20 % ). Для придания высокой прочности сталь легируют вольфрамом, ванадием (50Г20ФВ7, 50Г20Х4ФВ7 и др.). Вольфрам обладает низким коэффициентом линейного расширения, что способствует образованию марганцевого аустенита с низкими значениями коэффициента термического расширения.

Известна также большая группа марганецсодержащих сложнолегированных сталей, в которых упрочнение достигается благодаря формированию избыточных фаз выделения (карбидов, нитридов, интерметаллидов, элементов V, W, Mo, Nb, Ti, Ta, Zr, Al). Эти стали широко используются для производства труб (45Г17Ю3, 45Г15, Н9Х3Ф2Ю и др.).

Высокомарганцовистой стали и их сварка

Высокомарганцевые стали других областей применения

Немагнитную сталь, содержащую 14—35 % Mn, 0,15—3 % Cr, 0,15 3 % Ni, 0,4—1,5 % C, до 3 % Si, 0,1—2 % V, 0,001—0,113 % В рекомендуется использовать как конструкционный материал для двигателей автомобилей и ядерных реакторов. Для деталей плазменных генераторов термоядерных реакторов разработана высокомарганцевая немагнитная сталь с высоким удельным электрическим сопротивлением следующего состава, %: 0,01— 1,5 C, 0,3— 10,0 Si, 10-30 Mn, Cr ≤ 5, и (или) Ni ≤ 5, и (или) Cu ≤ 5 , и (или) Co ≤ 5, и (или) Al ≤ 1, и (или) Nb ≤ 1, и или Ti ≤ 1 , и (или) V ≤ 1 %. В качестве примера указано, что сталь состава 0,25 % C, 5,80 % Si, 25,3 % Mn, 0,016 % P и 0,011 % S имеет удельное электрическое сопротивление ρ = 104,7 мкОм/см и μ = 1,001.

В последние годы одна из японских фирм начала производство немагнитных аустенитных сталей с высоким содержанием марганца, используемых в энергетическом оборудовании при сверхнизких температурах. Отмечено, что стали серии KHMN и R316LNX в сравнении с широко известными сталями SU304, SUS316LN отличаются стабильными механическими свойствами при температурах ≤ 4 К, имеют низкую стоимость, высокую прочность, низкий коэффициент теплового расширения и др. Предложен состав высокомарганцевой немагнитной стали (15—30 % Mn; 2 —8 % Cr; 0,001—0,1 % Mg; 0,1-0,5 % V; 0,01—0,3 % N; 0,1 — 1,0 % Si), характеризующейся малым коэффициентом линейного расширения, повышенной вязкостью. Для изготовления элементов оборудования, эксплуатируемого при сверхнизких температурах, предложена сталь (9—35 % Mn; 10—20 % Cr; 0,1—8 % Ni; 0,001—0,2 % Al; 0,001—0,5 % Ca; 0,05—4 % Mo и более одного элемента из ряда Cu, W, Co, Nb, Ti и V в сумме 0,01 —4 %), которая имеет высокое сопротивление коррозии.

Установлена целесообразность использования сплавов системы Fe — Si — Mn — C — Al для изготовления маломагнитных деталей криотурбогенераторов, которые должны обладать малой магнитной проницаемостью. Высокомарганцевая аустенитная сталь (0,2—0,5 % C; 0,1— 1,5 % Si; 7—20 % Mn; 2 —20 % Cr; 0,2 — 1,5 % V; 0,2 —8 % Ni; 0,01— 1,0 % Ti; 3,5 % W (или 3,0 % Mo) и 0,3 % N) используется для инструмента горячей штамповки. Сталь этого состава хорошо сваривается без растрескивания и подкаливания околошовной зоны. Высокое содержание марганца в стали (0,2—0,9 % C; 14 —22 % Mn), легированной хромом, способствует снижению коэффициента теплового расширения и повышению обрабатываемости резанием. Наряду с этим сталь обладает удовлетворительной свариваемостью, хорошей коррозионной стойкостью и высокой работой ударного разрушения (до 100 Дж) при 195 °С. При температуре —269 °С сталь имеет высокую прочность до 1300 МПа. Разработаны составы высокомарганцевых сталей для производства проволоки для сит, используемых для просеивания керамических материалов, угольной крошки кокса и др. Химический состав одной из этих сталей следующий: 17—21 % Mn; 0,15—0,39 % C;

Марганцовистые стали

Марганец как легирующий элемент широко применяется и в порошковой металлургии. Так же, как и никель, он принадлежит к переходным металлам. Марганец расширяет область существования y-Fe, значительно увеличивает твердость феррита, повышает устойчивость переохлажденного аустенита и снижает температуру мартенситного превращения. Марганец существенно повышает прокаливаемость порошковых сталей. Он является карбидообразующим элементом. С углеродом он образует карбид Mn3C, более устойчивый и прочный, чем карбид железа (цементит). При введении марганца в железоуглеродистые сплавы чистые карбиды марганца не образуются, а получаются всегда сложные (двойные) карбиды цементитного типа (Fe, Мn)3С, в которых часть атомов железа замещена атомами марганца. Содержание его в цементите определяется его количеством в стали. В высокомарганцовистой стали аустенитного класса в такой двойной карбид входит больше марганца, чем железа (около 80% Mn и 20% Fe), а в среднемарганцовистой с содержанием менее 3 % Mn, наоборот, в такой карбид входит больше железа, чем марганца (около 80 % Fe и 20 % Mn).

Для конца 70-х – начала 80-х годов характерен возрастающий интерес к порошковым марганцовистым сталям, обусловленный необходимостью разработки недорогих легированных порошковых сталей для массового производства. Однако использование марганца (так же, как и хрома) в качестве легирующего элемента для получения порошковых сталей связано с целым рядом трудностей, обусловленных высоким сродством этих элементов к кислороду.

Для снижения степени окисления марганца и образования трудновосстановимых оксидов в процессе спекания рекомендуется использовать чистые исходные компоненты и осушенные среды спекания. Кроме того, предлагается вводить в среду спекания HCl, HBr, HF или вводить в шихту борную кислоту или бораты металлов, использовать геттерирующие засыпки, содержащие ферроалюминий или ферросилиций. Марганец можно добавлять к порошку железа в виде измельченного ферромарганца или специальной лигатуры. Напротив, авторы работы, исследуя процесс получения марганцовистых сталей из смеси порошков, приходят к выводу, что решающим процессом следует считать сублимацию марганца и образование газовой фазы при спекании. Пары марганца, оседая на частичках железа, активируют диффузию легирующего элемента. Для наиболее эффективного действия сублимации на процесс легирования и спекания по мнению автора следует добавлять марганец в наивысшей концентрации. В таких условиях происходит взаимодействие паров марганца, выделяющихся из прессовки, с кислородом защитной среды, и образующиеся оксиды уносятся потоком и не образуются в объеме материала.

Ряд авторов отмечает уменьшение количества марганца в заготовке в процессе спекания вследствие его испарения. При этом убыль легирующего компонента зависит от доли открытой пористости. Возрастание давления прессования способствует подавлению процесса испарения и уноса марганца.

Процессы спекания и структурообразования марганцовистых сталей исследованы в работе. В качестве исходных материалов использовали порошки восстановленного и электролитического железа, ферромарганца с 78 % марганца, графита. Спекание осуществляли в вакууме при температуре 1100 °С. Усадка сталей и механические свойства после спекания приведены в табл. 31.

Уменьшение усадки с ростом содержания марганца, очевидно, связано с увеличением пористости. Установлено, что поры расположены в центрах протяженных областей аустенита в марганце, образованной мелкопластинчатым перлитом. Отмечается, что прочность спеченных сталей во всех случаях была заметно ниже, чем прочность литых и термообработанных сталей, что по мнению автора является следствием гетерогенности материала. Это приводит к необходимости введения более высокого количества легирующих элементов, чем следовало бы, если исходить из традиционной практики.

Структурообразование и свойства марганцовистых сталей на основе распыленного и восстановленного порошков железа изучены в работе. В качестве легирующей добавки использованы углеродистый ферромарганец (75 % Mn; 7,7 % С) с размером частиц 0,04 мм.

Сталь Гадфильда

Данная марка стали была изобретена ещё в конце XIX века английским металлургом Р. Гадфильдом и представляет собой легированную марганцем сталь аустенитного класса, обладающую специальными свойствами: у неё исключительное сопротивление к истиранию (износу) при ударных нагрузках, а также высокая пластичность и склонность к наклёпу. Её химический состав достаточно прост: доля марганца лежит между 11-14.5%, а углерода – между 0.9-1.3% (именно поэтому в соответствии с отечественным ГОСТ 977-88 она имеет маркировку 110Г13Л, в которой отражено процентное содержание этих легирующих компонент).

Кремнемарганцовистые стали

Сталь 10Г2С1. Эта сталь, разработанная в начале 50-х гг., как и сталь 09Г2, для уменьшения закаливаемости и склонности к образованию трещин при сварке, а также для понижения порога хладноломкости содержит не более 0,12% С. В первоначальном варианте состава этой стали предусматривалось наличие 0,15-0,30% Сu, роль которой, главным образом, заключалась в повышении коррозионной стойкости и до некоторой степени прочности. Сталь 10Г2С1 раскисляют и легируют по той же технологии, что и сталь 09Г2. На некоторых заводах сталь предварительно раскисляют в печи силикомарганцем (из расчета ввода в печь примерно 0,2 % Si). Проведенными на некоторых металлургических комбинатах экспериментами была установлена рациональность уменьшения количества вводимого в печь ферромарганца при раскислении сталей 10Г2С1, 09Г2 и 09Г2С с 7-8 до 3-4 кг/т. Окончательное раскисление металла в ковше осуществляют добавкой 0,8 кг/т Аl и 0,04% Ti (без учета угара). Оптимальная температура конца прокатки листовой стали 10Г2С1 составляет 800-900° С. Нормализация листов при 890-930° С приводит к повышению характеристик прочности и ударной вязкости. При исключении из состава стали меди для сохранения прочности на прежнем уровне содержание кремния было повышено на 0,1 %. Однако для наиболее ответственных назначений, например для судостроения, соответствующими техническими условиями предусматривалось обязательное наличие меди. Анализ распределения механических свойств стали 10Г2С1 по результатам сдаточных испытаний листов массового производства разных заводов показывает, что с повышением толщины проката прочность и пластичность падают. Отдельные заводы для повышения механических свойств, в первую очередь пластичности и вязкости, часто прибегают к термической обработке, в основном к нормализации, а иногда и к улучшению. В первую очередь это относится к листам большой толщины. Были исследованы стали 09Г2С и 10Г2С1 с медью и без нее. С увеличением толщины листа характеристики прочности снижаются. На характеристики пластичности изменение толщины (в исследованных пределах) повлияло незначительно при общем высоком их уровне. По уровню прочности сталь марки 09Г2С несколько уступает стали 10Г2С1, а по ударной вязкости несколько превосходит ее. Были определены температурные границы критического интервала хрупкости и условные пороги хладноломкости. Температура условных порогов хладноломкости определялась по следующим критериям:

1 — ударная вязкость снижалась до 15 % своего максимального значения
при вязком разрушении; 2—сужение у дна надреза снижалось до 20% своего максимального
значения при вязком разрушении; 3 — ударная вязкость отдельных образцов впервые снижалась до 20 Дж/см2.

Читайте также: