Секрет стали Гадфильда

История

Сталь названа в честь британского металлурга Роберта Гадфильда, который в 1883 году запатентовал сталь с содержанием марганца около 12-13%.

Исследуя сплавы железа с марганцем, Гадфильд заметил, что такая сталь после закалки в воде с высокой температуры приобретает уникальное сочетание свойств: исключительно высокую износостойкость поверхности при ударном и абразивном воздействии и высокую вязкость сердцевины, что резко отличало ее от существовавших в то время сталей. 

Химический состав

Классический химический состав стали Гадфильда строго нормирован:

• углерод (C): 1,0 - 1,4% — необходим для образования аустенита и упрочнения при наклепе.
• марганец (Mn): 11,0 - 15,0% — ключевой легирующий элемент, обеспечивающий стабильность аустенита.
• кремний (Si): 0,3 - 0,8% — раскислитель, повышает прочность.
• фосфор (P): не более 0.10% — вредная примесь, снижает вязкость.
• сера (S): не более 0.05% — вредная примесь, образует легкоплавкие сульфиды.

«Магическое» соотношение

 Главная особенность химического состава стали Гадфильда - высокое соотношение Mn/C (обычно ~ 10-12). Именно это соотношение гарантирует, что весь углерод будет связан в карбиды марганца, а не железа, что и обеспечивает образование стабильного, пластичного аустенита в области низких температур.

Марганец образует с железом твёрдый раствор замещения: атомы марганца замещают некоторые атомы основного элемента — железа - в узлах кристаллической решетки, с углеродом — твёрдый раствор внедрения: атомы углерода располагаются в междоузлиях — пустотах между атомами железа. 

Напомним, что в обычных углеродистых сталях область существования аустенита находится в области температур выше 727°C , ниже этой температуры сталь существует в виде феррита. Феррит, как и аустенит, пластичен, но он практически не растворяет углерод (максимальное содержание углерода в феррите при 727°C всего 0,02%, а при комнатной температуре — 0, 006%). Поэтому при температурах ниже 727°C избыточный, не растворившийся в феррите, углерод связывается с железом в карбид Fe3C, называемый цементитом. Цементит прочный, но хрупкий. Растворимость углерода в аустените на несколько порядков выше, чем в феррите (максимальная — 2,14%, при 727°C). Содержание в стали углерода критически важно для очень важной термической обработки, улучшающей её свойства — закалки. Для получения эффекта от закалки сталь должна содержать не менее 0,3-0,4% углерода. Феррит, в отличие от аустенита, такого содержания растворённого углерода обеспечить не может. Но у аустенита есть другая проблема — в углеродистых сталях, как уже было отмечено, он не может существовать в области температур ниже 727°C. И вот тут свою ключевую роль играет марганец, обеспечивая условия для существования аустенита в области нормальных температур, при которых обычно эксплуатируется стальные изделия, машины, механизмы и т.п. в повседневной жизни. 

Для того чтобы сталь можно было уверено назвать «сталью Гадфильда» одного химического состава не достаточно, необходимо обязательно провести её закалку, при строго определённых условиях, отличных от большинства других сталей. Цель закалки в рассматриваемом случае — не получить мартенсит, чего добиваются для «обычных» сталей, а зафиксировать при комнатной температуре однородный аустенит. Температура закалки в этом случае (например, для стали 110Г13Л) выше, чем углеродистых сталей и находится в интервале 1050 - 1100°C, что необходимо для полного растворения карбидов. Если температура будет ниже 1050°C — карбиды останутся (хрупкость), выше 1100°C — произойдёт нежелательный рост зерна, в результате перегрева (снижение прочности). Закалочная среда: вода с температурой не выше 30°C, лучше — проточная, для предотвращения выделения карбидов по границам зёрен (масло/воздух не обеспечивают нужную скорость охлаждения). Марганец резко снижает температуру начала мартенситного (сдвигового, бездиффузионнго) превращения (Мн): в обычной углеродистой стали мартенсит начинает образовываться при 200-300°C.

Добавление марганца снижает эту температуру приблизительно до -100°C, т.е. при охлаждении в воде до комнатной температуры (20-30°C) мы не достигаем и даже не приближаемся к температуре Мн. Следовательно, мартенситное превращение просто не запускается. Аустенит остается метастабильным, но неизменным.

Отпуск после закалки на аустенит для стали Гадфильда, в отличие от углеродистых сталей, не проводится, поскольку он может вызвать выделение карбидов из аустенита резкому охрупчиванию материала. 

Таким образом, после правильной термической обработки (закалки с 1050 - 1100°C) микроструктура представляет собой однородный аустенит с небольшим количеством карбидов (чаще всего (Fe,Mn)₃C) по границам зерен. 

Но аустенит, как известно, мягкий и пластичный, а твёрдым и износостойким он становится в результате интенсивной деформации, когда в его структуре возникает огромное количество дислокаций — дефектов кристаллического строения, которые блокируют движение друг-друга, сильно упрочняя металл. Когда энергии деформации становится очень много инициируется сдвиговый механизм мартенситного превращения: атомы железа и углерода смещаются на расстояния, меньшие межатомных, без диффузии, образуя новую, тетрагональную кристаллическую решётку мартенсита. 

Таким образом, в деформированном аустените образуются иглы и пластины очень твёрдого и хрупкого деформационного мартенсита, обеспечивающего феноменальную износостойкость стали Гадфильда в условиях ударного воздействия. 

Технология производства

Производство стали Гадфильда сложнее, чем обычных сталей, из-за высокого содержания марганца. 

Плавка выполняется в дуговых или индукционных электропечах. Тщательно контролируется содержание вредных примесей (P, S).

Разливка: марганец повышает склонность стали к ликвации (неоднородности химического состава) и образованию горячих трещин. Поэтому требуется особая осторожность при выборе температурного режима и конструкции литниковой системы.

Свойства

• Высокая пластичность и вязкость в исходном состоянии: предел прочности на растяжение σв ≈ 800-1000 МПа, относительное удлинение δ ≈ 30-40%. Это нехарактерно для столь высокоуглеродистой стали и объясняется аустенитной структурой.
• Низкая начальная твердость: твёрдость после закалки составляет всего 180-220 HB (это примерно как у мягкой низкоуглеродистой стали). Это позволяет обрабатывать ее резанием и легко деформировать.
• Выдающаяся наклепываемость: при механическом воздействии (ударе, давлении, трении) поверхность стали интенсивно наклепывается. Твердость поверхностного слоя может возрастать до 500-600 HB и более. Образуется тонкий, чрезвычайно твердый и износостойкий слой, который прочно сцеплен с вязкой сердцевиной, поглощающей энергию удара.
• Высокая износостойкость при ударном абразивном износе: превосходит почти все другие стали и многие наплавленные сплавы в условиях сильных ударов и истирания (например, камнями, песком, рудой).
• Немагнитность: Аустенитная структура делает сталь парамагнитной (не притягивается магнитом).

Обработка

Механическая обработка стали Гадфильда (резка, точение, сверление) затруднена из-за высокой вязкости и наклепываемости (сталь "тянется" и "льнет" под инструментом) и для решения этой проблемы требуются:

• низкие скорости резания.
• большая глубина резания (работа ниже наклепанного слоя).
• прочные инструменты с большими углами заострения.
• использование твердосплавного инструмента.

Сварка стали Гадфильда затруднена вследствие высокого риска образования горячих трещин в зоне термического влияния из-за ликвации и роста зерна аустенита. Если необходимо, применяют наплавку с последующей закалкой.

Сортамент

Сталь Гадфильда производится по различным национальным стандартам. Наиболее известные марки:

• Россия/СНГ: 110Г13Л (ранее 116Г13Л). Буква "Л" означает "литейная".

Цифры: 1 - группа сталей; 13 - среднее содержание марганца ~13%; 110 - среднее содержание углерода ~1,10%.

• США: ASTM A128 Grade A, B-1, B-2 и др.
• Европа: DIN 1.3401 (X120Mn12).
• Китай: ZGMn13.

Поставляется в основном в виде отливок (футеровочные плиты, зубья ковшей, крестовины стрелочных переводов) и реже — в виде проката (лист, поковки).

Применение

Применяется везде, где материал подвергается интенсивному ударному и абразивному износу:

• Горнодобывающая промышленность: ковши экскаваторов, зубья и ковши драглайнов, крепления буровых установок, детали дробилок.
• Транспортное машиностроение: стрелочные переводы и крестовины рельсовых путей (наиболее массовое применение).
• Военная промышленность: башни танков, бронеплиты, элементы защитных сооружений (в начале-середине XX века).
• Строительная техника: ножи землеройной техники, лопасти смесителей для абразивных материалов.
• Прочие области: камнедробильное оборудование, детали муфт трения, трамвайные стрелки.

При эксплуатации деталей из стали Гадфильда деталь не просто изнашивается, а постоянно создает на своей поверхности новый, более твердый слой именно в тех местах, которые подвергаются наибольшим ударным нагрузкам. Следует отметить отсутствие эффективности стали Гадфильда при статическом трении : если нет ударных нагрузок, вызывающих значительную пластическую деформацию, образование мартенсита не происходит, и мягкий аустенит быстро изнашивается.

Таким образом, сталь Гадфильда (110Г13Л) — это классический пример материала, который не обладает выдающимися свойствами в исходном состоянии, но приобретает их непосредственно в процессе эксплуатации благодаря наклепу, что делает её незаменимой для условий высокоударного абразивного износа.

Заключение

Сталь Гадфильда - яркий пример материала, обладающего уникальной способностью реагировать на ударно-абразивные нагрузки резким увеличением своих физико-механических свойств. Причем, уникальность заключается не в выдающихся свойствах стали в исходном состоянии, а в феноменальной способности приобретать их непосредственно в процессе эксплуатации.

Истинный потенциал материала раскрывается под воздействием ударных нагрузок. В результате деформационного упрочнения и сдвигового превращения метастабильного аустенита в мартенсит поверхность стали упрочняется до беспрецедентных значений, формируя износостойкий слой, в то время как сердцевина сохраняет высокую ударную вязкость. Это создаёт идеальный «композит», самостоятельно формирующийся именно в зоне максимального износа.

Несмотря на сложности производства, литья и обработки, сталь Гадфильда не имеет полноценных аналогов в областях, связанных с ударно-абразивным износом. От крестовин железнодорожных путей до ковшей гигантских экскаваторов она продолжает доказывать свою незаменимость, демонстрируя блестящий симбиоз металлургической науки и практической инженерии.

Горячекатаный лист из стали Гадфильда всегда можно приобрести в компании МЕТАЛЛСЕРВИС