В 1882 году английским металлургом Робертом Гадфильдом была получена новая марка стали с высоким содержания марганца (11-14,5 % Mn, Fe — 82 %, Si — 1 %, С — 1 %) . Главными ее свойствами были высокое сопротивление износу при больших давлениях или ударных нагрузках, а также высокая пластичность. Вскоре эта простая, но инновационная разработка нашла широкое применение в промышленности. Причем эта марка стали получилась такой удачной, что из нее до сих изготовляют траки гусениц танков, тракторов, машин, броневые листы, щёки дробилок, рельсовые крестовины, стрелочные переводы, работающие в условиях ударных нагрузок и истирания, и даже оконные решетки в тюрьмах.
Ну да обо всем по порядку… Вскоре после выпуска стали Гадфильда в массовое производство ей заинтересовались военные. И уже к началу первой мировой войны на вооружение британской, а позднее и американской армии были приняты пехотные шлемы, изготовленные из этой чудо-стали. Причем производили их практически без изменения технологии вплоть до 80-х годов, заменив позднее материал на более легкий и столь же прочный органопластик.
Помогла сталь Гадфильда и танкострению. Применение стали Гадфильда для изготовления траков танковых гусениц впервые было освоено британской в конце 1920-х годов. Указанная сталь позволила значительно увеличить ресурс гусениц танков с 500 км пробега (рекорд периода Первой мировой войны) до 4800 км. Кстати в СССР выплавку стали Гадфильда освоили к 1936 году. Отливки из стали редко подвергаются дополнительной обработке, так как она плохо обрабатывается резанием из-за наклепа поверхности в процессе резания. Поэтому применение стали Гадфильда для изготовления решеток в тюрьмах явилось, пожалуй, самым издевательским приёмом против заключенных. Даже имея пилу по металлу, перепилить такую решетку невозможно, поскольку в процессе резания происходит сильный наклеп обрабатываемой поверхности, и как следствие — упрочнение, увеличение твердости до твердости режущей ее пилы и выше. Этот фактор и обуславливает невозможность перепилить решетку, изготовленную из стали Гадфильда.
Металлургическая отрасль – одна из важнейших составляющих ВВП каждой страны, также она производит уникальные и полезные материалы. Без производимой металлургическими заводами продукции человечество не смогло бы обойтись. Сталь – один из них. Существуют разные виды этого материала, которые применяются во многих отраслях. Сталь, которая обладает высокой пластичностью и степенью износа, она же – сталь Гадфильда, – уникальный сплав. Требования к нему регламентируются ГОСТом 977-88 и зарубежными аналогами (США, Англия, Германия, Китай, Япония, Финляндия, Испания, Корея).
История стали Гадфильда
Исходя из названия, можно утверждать, что именно Роберт Гадфильд получил этот сплав. Кем же был этот разработчик? Роберт Гадфильд – английский металлург, который получил сплав с повышенной прочностью в 1882 году. Достаточно быстро эта сталь получила распространение и оказалась весьма уникальным материалом.
После того как Гадфильд разработал уникальную сталь, его разработкой заинтересовались военные. Это неудивительно, так как подобный сплав является неотъемлемым компонентом для создания защитной экипировки для военных.
Пехотные шлемы повышенной прочности – первая защитная экипировка, в основе которой лежит сталь Гадфильда. Подобные шлемы использовались солдатами британской армии, затем разработкой заинтересовались военные США и начали их производство. До 80-х технология стали Гадфильда не изменялась. Но с 80-х годов был разработан органопластик, который по прочности не уступал материалу, разработанному британским металлургом, но был намного легче.
Шлемы для пехоты – это не единственное применение стали Гадфильда. Британская первой начала использовать для других целей эту высококачественную сталь. Гусеничный танковый трак начали производить из сплава Гадфильда в 20-х годах. Сталь увеличила пробег танковых траков с 500 до 4800 километров. Во время Первой мировой войны подобное увеличение пробега считали чуть ли не чудом. Сталь Гадфильда стала незаменимой для танкостроения. Вскоре этот сплав применяли не только в танкостроении, но и в других отраслях. В СССР сталь Гадфильда начала выплавляться в 1936 году.
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.
Свойства стали Гадфильда
Благодаря своим свойствам аустенитная сталь не могла обрабатываться режущими инструментами, так как обладает высокой вязкостью. Для изготовления продукции из этого материала может подойти только литье.
Сплав Гадфильда имеет высокую способность к наклепу, которая значительно выше, чем у аналогичных стальных сплавов. Аустенитная сталь имеет низкую твердость, но и высокую износостойкость при ударах, высоком давлении и при температурных перепадах. Исходя из этих характеристик можно говорить о том, что сталь британского металлурга подходит для работы в агрессивных средах.
Читать также: Чем отличается тиристор от симистора
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.
Особенности технологии сварки стали Гадфильда
Теплопроводность аустенита значительно ниже, чем у других сталей, в 4-6 раз. Коэффициент теплового расширения в разы больше, чем у малоуглеродистых сталей – в 1,9 раз. Это очень важные характеристики металла, так как влияет на возможность возникновения холодных трещин в области воздействия температур.
Существует значительная вероятность и горячих трещин, что связано с литейной усадкой сплава, которая в 1,6 раза больше малоуглеродистого металла. Высокая температура трансформирует аустенитную структуру в мартенситную, что повышает риск возникновения трещин в области воздействия высоких температур.
Сферы применения стали Гадфильда
Благодаря своему химическому составу, характеристикам и особенностям аустенит используется во многих отраслях. Используя стальные изделия, можно быть уверенным в их надежности и высочайшей прочности.
Износостойкая сталь является достаточно популярным материалом. Огромное количество промышленных предприятий, которые производят высокопрочную продукцию, используют сталь Гадфильда. Следующую продукцию производят из этого сплава:
- Машиностроительную продукцию.
- Траки гусениц танков.
- Тракторы.
- Железнодорожные крестовины.
- Стрелочные переводы, способные работать в жестких ударных нагрузках и условиях истирания.
- Тюремные решетки на окна.
- Компоненты дробилок.
Занимательным является изготовление тюремных решеток из аустенита. Многие считают, что это форменное издевательство над заключенными, которые предпринимают попытку к бегству. Согласно классике жанра многие родственники проносят ножовки для заключенных, которые в надежде на свободу начинают пилить оконные решетки.
В случае использования обычного металла существует вероятность побега. Но сплав Гадфильда – это износостойкая сталь, которую обычной ножовкой распилить невозможно. Если начать распиливать решетки из сплава Гадфильда, то начинается наклеп поверхности, что влечет за собой упрочнение аустенита. Ножовка увеличивает твердость решетки до твердости ножовки и выше. Поэтому можно говорить о нереальности побега.
Термическая обработка
Термическая обработка стали Гадфильда напрямую зависит от уровня содержания углерода в сплаве. Чем высший уровень углерода, тем выше должна быть температура. К примеру, если в сплаве он находится на уровне 1%, то температура должна быть не ниже 900 градусов. Если углерода 1,5%, то обработка возможна при 1000 градусов. Если в сплаве углерод находится на уровне 1,6%, то температура должна быть выше 1050 градусов. Затем следует охлаждение водой.
Высокая температура необходима для полного растворения карбидов, ухудшающих качество отливки, и для роста аустенитных зерен. Срок выдержки отливки зависит от ее толщины. Так, толщина в 30 миллиметров требует выдержки в 4 часа, а в 125 миллиметров – в 24 часа.
Износоустойчивость стали Гадфильда в литом состоянии такая же, как и после закалки. Структура аустенита окружается карбидной сеткой и ведет себя в условиях износа так же, как и однородный закаленный сплав. Именно поэтому можно утверждать, что литый аустенит в некоторых микрообъемах имеет ту же вязкость и износостойкость, что и закаленная сталь. Ее повышенная хрупкость объясняется влиянием карбидной сетки, которая вызывает сильную концентрацию внутренних напряжений.
Сталь Гадфильда была разработана несколько десятилетий назад. Сегодня легированная сталь – это неотъемлемая часть производства многих товаров в разных отраслях. Без нее такие отрасли, как машиностроение, нефтегазовая, химическая, пищевая, энергетическая промышленности не смогли бы нормально функционировать. Не стоит забывать о строительстве, танкостроении и разработке новых видов оружия, которые используют новые достижения металлургической промышленности. Однако инженеры и металлурги не до конца понимают все свойства, особенности и характеристики легированных сталей.
Сталь Гадфильда – сталь (11-14,5 % Mn, 0,9-1,3 % С) с высоким сопротивлением износу (истиранию) при больших давлениях или ударных нагрузках, также для неё характерна высокая пластичность.
Предложена в 1882 году английским металлургом Р. Гадфильдом (англ. Robert Hadfield). Обозначение марки стали в соответствии с ГОСТ 977-88 — 110Г13Л . Сталь Гадфильда сильно наклёпывается при ударных нагрузках. Из неё изготовляют траки гусениц танков, тракторов, машин, щёки дробилок, рельсовые крестовины, стрелочные переводы, работающие в условиях ударных нагрузок и истирания, а также – оконные решетки в тюрьмах, которые невозможно перепилить. Отливки из стали редко подвергаются дополнительной обработке, так как она плохо обрабатывается резанием из-за наклёпа поверхности в процессе резания.
Читать также: Как снять с дрели патрон с конусом
Сталь Гадфильда – ГОСТ 977-88 распространяется на стальные отливки, изготавливаемые всеми способами литья из нелегированных и легированных конструкционных, легированных со специальными свойствами литейных сталей.
Структура стали 110Г13Л ( Стали Гадфильда ) после литья – аустенит и избыточные карбиды (Mn, Fe)3C. Данная структура стали приводит к изменению свойств – повышается вязкость и износостойкость. При нагреве изделий до t =1070 – 1100 ºС избыточные карбиды растворяются в железе. После этого литые изделия из стали 110Г13Л при температуре t=1100 ºС закаливают в воде.
Сталь 110Г13Л после закалки имеет аустенитную структуру. Согласно ГОСТ 977-88 марка стали 110Г13Л, класс стали – аустенитная, код ОКП 411250.
Аустенит – твердый раствор углерода в γ- железе стали 110Г13Л при температуре 910 – 1392 ºС. Атом углерода в решетке γ-железа стали 110Г13Л располагается в центре элементарной ячейки. Кристаллическая решетка γ- железа стали 110Г13Л – гранецентрированный куб с периодом решетки а=0,3645 нм. Модификация α- железо стали 110Г13Л существует при температуре ниже 910 ºС и выше 1392 ºС. Для интервала температур 1392 – 1539 ºС α- железо нередко в литературе обозначают δ – железо. Кристаллическая решетка α- железо стали 110Г13Л – объемноцентрированный куб с периодом решетки а=0,28600 нм.
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.
