Сталь Гадфильда. Непоколебимая выдержка.

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.

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.

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.

Выводы

Сталь Гадфильда является очень востребованным материалом. Её популярность обусловлена большим количеством положительных качеств, которыми она обладает. Высокая устойчивость к износам и возможность применения материала в условиях высокого давления и ударов делает сталь Гадфильда очень привлекательной для производителей различных изделий. Продукция, изготовленная из такой стали, отличается очень высоким сроком эксплуатации. При обработке такого материала следует помнить о его свойствах, которые не позволяют применять режущие инструменты. Для обработки стали Гадфильда следует прибегнуть к плавлению. Сталь Гадфильда применяется в производстве самых различных тяжёлых изделий, использование которых предполагает наличие весьма сложных условий и большого срока эксплуатации.

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.

Условные обозначения

Механические свойства

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.

И ножи из нее;

Сталь Гадфильда

Вероятно, вы уже догадались, что в этой статье снова речь пойдет о холодной ковке. Ну а что мне еще остается делать, если нет средств? Нет, да и фиг с ними, тем более что можно как говориться быть нормальным героем и пойти в обход.

Итак, сталь Гадфильда. Марка 110Г13Л, т.е. 1,1% углерода, 13% — марганец, «Л» обозначает, что сталь для литья.

Где ее найти и как отличить? Эта сталь почти вся льется, ее не прессуют, не куют и не штампуют. Почему? Об этом ниже. Из нее делают зубья для ковшей экскаваторов, плиты для дробильных машин, вероятно ударную часть отбойных молотков.

С одной стороны это несколько облегчает жизнь: найти изношенный эксковаторный зуб – не такая уж проблема. С другой стороны это же ее сильно усложняет: каким образом этот зуб распустить на полосы, пригодные для изготовления ножа или другого инструмента?

Но сначала о свойствах этой стали.

1. высокая ударная вязкость. Эта сталь отлично держит удары, даже если есть надрезы и трещины. Не колется и не ломается.

2. Наклеп. У этой стали он по истине колоссальный. Твердость ее дорастает до 80 единиц по Роквеллу (это при том что хрупкости особо не наблюдается)! И это не просто теория. Если ножом из этой стали бить по наковальне, то сначала ничего не происходит, а затем он начинает оставлять заметные зарубки на закаленной поверхности. После повторной заточки рубит и режет толстый медный провод без всякого вреда для себя.

3. но с другой стороны повышенная слабость к коррозии. Марганец – активный металл и ржавчина съедает эту сталь быстрее, чем обычную чернягу. Это существенный минус.

4. быстрый, очень быстрый рост наклепа. Это накладывает определенные трудности. Если переусердствовать, то раздираемая внутренними напряжениями эта сталь развалится на куски. Самая первая поковка при усадке на 40% у меня рассыпалась как размоченное печенье.

5. закаливается, но как и в случае с нержавейкой все происходит наоборот. После застывания отливки качество стали довольно низкое, т.к. на границах зерен аустенита, из которого она собственно и состоит, есть мелкие включения карбидов, которые легко образуют трещины между зернами и приводят к быстрому разрушению. Для устранения этого сталь закаливают при температуре 1100 по Цельсию в воде, нагрев должен быть очень медленным, 150 град./час с последующей выдержкой в соответствии с сечением отливки или заготовки. Закалка выравнивает структуру металла, полностью переводя его в аустенит и убирая наклеп. Соответственно твердость стали после закалки – низкая, вязкость высокая.

Вот то, что нужно знать об этой стали, приступая к работе.

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.

Сталь 110Г13Л (сталь Гадфильда)

Зарубежные аналоги

Вид поставки

Расшифровка

Цифра 110 в обозначении стали 110Г13Л обозначает среднее содержание углерода в стали сотых долях процента, т.е. среднее содержание углерода в стали 1,1%.

Буква Г озгначает, что сталь легирована марганцем, а цифра 13 за буквой указывает среднее содержание марганца в целых единицах, т.е. среднее содержание марганца в стали 13%.

Буква Л в конце марки стали означает, что сталь литейная.

Характеристики и применение

Высокомарганцевая аустенитная сталь 110Г13Л (сталь Гадфильда) разработана специально в качестве литейной и не имеет аналогов среди деформируемых. После закалки в воде с 1100 °C имеет аустенитную структуру и характеризуется сочетанием очень высокой износостойкости и ударной вязкости.

Согласно ГОСТ 977-88 сталь 110Г13Л обладает высоким сопротивлением износу при одновременном воздействии высоких давлений или ударных нагрузок. Применяется для изготовления:

• Корпуса вихревых и шаровых мельниц,
• щеки и конуса дробилок,
• трамвайные и железнодорожные стрелки и крестовины,
• гусеничные траки,
• звездочки,
• зубья и передние стенки ковшей экскаваторов,
• железнодорожные крестовины и др. тяжелонагруженные детали,
• другие детали, работающие на ударный износ
• работающие под действием статических и высоких динамических нагрузок и от которых требуется высокая износостойкость.

Сталь 110Г13Л не применяется для сварных конструкций.

Химический состав, % (ГОСТ 2176-77)

Химический состав, % (ГОСТ 977-88)

Химический состав, % (ГОСТ 21357-87)

ПРИМЕЧАНИЕ. Для повышения износостойкости отливок из стали 110Г13Л допускается ее микролегирование титаном до 0,05%, ванадием до 0,3%, молибденом до 0,2%.

Рекомендуемые режимы термической обработки (ГОСТ 21357-87)

ПРИМЕЧАНИЕ. Структура стали 110Г13Л после термической обработки должна быть чисто аустенитной.

Механические свойства отливок сечением 30 мм при различных температурах испытания

ПРИМЕЧАНИЕ. Закалка с 1050-1100 °С в воде.

Предел выносливости