Mangalloy - Mangalloy

Etykieta na ramie roweru wskazująca mangaloy

Mangalloy , zwany również stalą manganową lub stalą Hadfielda , to stal stopowa zawierająca średnio około 13% manganu . Mangalloy jest znany ze swojej wysokiej udarności i odporności na ścieranie po utwardzeniu przez zgniot.

Właściwości materiału

Mangalloy jest wytwarzany ze stali stopowej , zawierającej od 0,8 do 1,25% węgla, z 11 do 15% manganu . Mangalloy to wyjątkowa stal niemagnetyczna o ekstremalnych właściwościach przeciwzużyciowych. Materiał jest bardzo odporny na ścieranie i w warunkach uderzenia osiągnie nawet trzykrotną twardość powierzchniową , bez wzrostu kruchości, która zwykle wiąże się z twardością. Dzięki temu mangalloy zachowuje swoją wytrzymałość .

Większość stali zawiera od 0,15 do 0,8% manganu. Stopy o wysokiej wytrzymałości często zawierają od 1 do 1,8% manganu. Przy około 1,5% zawartości manganu stal staje się krucha, a cecha ta wzrasta aż do osiągnięcia około 4 do 5% zawartości manganu. W tym momencie przy uderzeniu młotka stal skruszy się. Dalszy wzrost zawartości manganu zwiększy zarówno twardość jak i ciągliwość . Przy około 10% zawartości manganu stal pozostanie w postaci austenitu w temperaturze pokojowej, jeśli zostanie prawidłowo schłodzona. Zarówno twardość, jak i ciągliwość osiągają najwyższy punkt około 12%, w zależności od innych dodatków stopowych. Podstawowym z tych środków stopowych jest węgiel, ponieważ dodanie manganu do stali niskowęglowej ma niewielki wpływ, ale gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem zawartości węgla. Oryginalna stal Hadfielda zawierała około 1,0% węgla. Inne środki stopowe mogą obejmować metale, takie jak nikiel i chrom ; dodawany najczęściej do stali austenitycznych jako stabilizator austenitu; molibden i wanad ; stosowany w stalach nieaustenitycznych jako stabilizator ferrytu ; a nawet pierwiastki niemetaliczne, takie jak krzem .

Mangalloy ma dobrą granicę plastyczności, ale bardzo wysoką wytrzymałość na rozciąganie , zwykle w zakresie od 350 do 900 megapaskali (MPa), która szybko rośnie w miarę twardnienia. W przeciwieństwie do innych form stali, po rozciągnięciu do punktu zerwania, materiał nie „szyje się” (zmniejsza się w najsłabszym miejscu), a następnie nie rozdziera się. Zamiast tego metalowe szyjki i elementy robocze twardnieją, zwiększając wytrzymałość na rozciąganie do bardzo wysokich poziomów, czasami nawet do 2000 MPa. Powoduje to, że sąsiedni materiał zwęża się, twardnieje i trwa to aż cały kawałek będzie znacznie dłuższy i cieńszy. Typowe wydłużenie może wynosić od 18 do 65%, w zależności zarówno od dokładnego składu stopu, jak i wcześniejszej obróbki cieplnej. Stopy o zawartości manganu w zakresie od 12 do 30% są w stanie wytrzymać kruche działanie zimna, czasami temperatury w zakresie −196 °F (−127°C).

Mangalloy można obrabiać cieplnie , ale mangan obniża temperaturę, w której austenit przekształca się w ferryt . W przeciwieństwie do stali węglowej , mangaloy mięknie zamiast twardnieć po szybkim ochłodzeniu, przywracając ciągliwość ze stanu utwardzonego przez zgniot. Większość gatunków jest gotowa do użycia po wyżarzaniu, a następnie hartowaniu z żółtego ciepła, bez dalszej potrzeby odpuszczania i zwykle ma normalną twardość Brinella około 200 HB (w przybliżeniu taką samą jak stal nierdzewna 304), ale ze względu na swoją unikalne właściwości, twardość wgniecenia ma bardzo mały wpływ na określenie twardości zarysowania (odporność metalu na ścieranie i uderzenia). Inne źródło podaje, że podstawowa twardość stali manganowej według Brinella według oryginalnej specyfikacji Hadfielda wynosi 220, ale przy zużyciu udarowym twardość powierzchni wzrośnie do ponad 550.

Wiele zastosowań mangalloy jest często ograniczanych przez trudności w obróbce ; czasami opisywane jako mające „zerową skrawalność”. Metal nie może być zmiękczony przez wyżarzanie i szybko twardnieje pod narzędziami tnącymi i szlifującymi, zwykle wymagającymi specjalnego oprzyrządowania do obróbki. Materiał można wiercić z ekstremalną trudnością przy użyciu diamentu lub węglika. Chociaż można go wykuć z żółtego ciepła, może się kruszyć, gdy jest rozgrzany do białości, a po podgrzaniu jest znacznie twardszy niż stal węglowa. Można go ciąć palnikiem tlenowo-acetylenowym , ale preferowaną metodą jest cięcie plazmowe lub laserowe . Pomimo swojej ekstremalnej twardości i wytrzymałości na rozciąganie, materiał nie zawsze może być sztywny. Może być formowany przez walcowanie na zimno lub gięcie na zimno.

Historia

Hełm Brodie z I wojny światowej , wykonany ze stali Hadfield

Mangalloy został stworzony przez Roberta Hadfielda w 1882 roku, stając się pierwszą stalą stopową, która odniosła zarówno sukces komercyjny, jak i wykazała zachowanie radykalnie odmienne od stali węglowej . Dlatego powszechnie uważa się, że oznacza narodziny stali stopowych.

Benjamin Huntsman był jednym z pierwszych, którzy zaczęli dodawać inne metale do stali. Jego proces wytwarzania stali w tyglu , wynaleziony w 1740 roku, był pierwszym przypadkiem, w którym stal można było całkowicie stopić w tyglu. Huntsman używał już różnych topników do usuwania zanieczyszczeń ze stali i wkrótce zaczął dodawać bogatą w mangan surówkę o nazwie Spiegeleisen , która znacznie zmniejszyła obecność zanieczyszczeń w jego stali. W 1816 roku niemiecki badacz Carl JB Karsten zauważył, że dodanie dość dużych ilości manganu do żelaza zwiększyłoby jego twardość bez wpływu na jego ciągliwość i wytrzymałość, ale mieszanka nie była jednorodna, a wyniki eksperymentu nie zostały uznane za wiarygodne. „i nikt nie rozumiał, że prawdziwym powodem, dla którego żelazo wydobywane w Noricum wytwarzało tak znakomitą stal, było to, że zawierało ono niewielką ilość manganu nieskażonego fosforem, arsenem lub siarką, podobnie jak surowiec stali manganowej. " W 1860 roku sir Henry Bessemer , próbując udoskonalić swój Bessemerski proces wytwarzania stali, odkrył, że dodanie spiegeleisen do stali po jej wydmuchaniu pomogło usunąć nadmiar siarki i tlenu . Siarka łączy się z żelazem, tworząc siarczek, który ma niższą temperaturę topnienia niż stal, powodując powstawanie słabych punktów, które uniemożliwiały walcowanie na gorąco . Mangan jest zwykle dodawany do większości nowoczesnych stali w niewielkich ilościach ze względu na jego silną zdolność do usuwania zanieczyszczeń.

Hadfield był w poszukiwaniu stali, które mogą być wykorzystywane do odlewania z tramwajowych kół, które wykazują zarówno twardość i wytrzymałość, ponieważ zwykłe stale węglowe nie łączą te właściwości. Stal może być hartowana przez szybkie schłodzenie, ale traci twardość, stając się krucha. Odlewy stalowe zwykle nie mogą być szybko schłodzone, ponieważ nieregularne kształty mogą się wypaczać lub pękać. Mangalloy okazał się wyjątkowo odpowiedni do odlewania, ponieważ nie tworzył kieszeni gazowych zwanych „otworami wydmuchowymi” i nie wykazywał ekstremalnej kruchości innych odlewów.

Hadfield studiował wyniki innych, którzy eksperymentowali z mieszaniem różnych elementów ze stalą, takich jak Benjamin Huntsman i AH Allen. W tamtych czasach produkcja stali była raczej sztuką niż nauką, produkowaną przez wykwalifikowanych rzemieślników, którzy często byli bardzo tajemniczy. W związku z tym przed 1860 rokiem nie istniały żadne dane metalurgiczne dotyczące stali, więc informacje o różnych stopach były sporadyczne i często niewiarygodne. Hadfield zainteresował się dodatkiem manganu i krzemu. Firma Terre Noire stworzyła stop zwany „żelazomanganem”, zawierający do 80% manganu. Hadfield rozpoczął od zmieszania żelazomanganu ze stalą tyglową i krzemem, uzyskując stop 7,45% manganu, ale materiał ten był niezadowalający dla jego celów. W kolejnej próbie pominął krzem i dodał do mieszanki więcej żelazo-manganu, uzyskując stop o zawartości 1,35% węgla i 13,76% manganu. Po stworzeniu mangalloy Hadfield przetestował materiał, myśląc, że wyniki musiały być błędne. Wyglądał matowo i miękko, z submetalicznym połyskiem podobnym wyglądem do ołowiu , ale odcinał zęby od jego pilnika. Nie utrzymałby krawędzi jako narzędzie tnące, ale nie można go było ciąć piłami ani obrabiać na tokarce . Był niemagnetyczny, mimo że zawierał ponad 80% żelaza i miał bardzo wysoką oporność elektryczną . Próby szlifowania to po prostu glazury i polerowania powierzchni. Najbardziej uderzające, po podgrzaniu i schłodzeniu , zachowywało się prawie odwrotnie do zwykłej stali węglowej. Po wykonaniu kilkuset testów zdał sobie sprawę, że muszą one być dokładne, chociaż przyczyna połączenia twardości i wytrzymałości nie była wówczas wytłumaczona. Hadfield napisał: „Czy istnieje podobny przypadek wśród innych stopów żelaza, jeśli można użyć terminu stop? Żaden traktat metalurgiczny nie odnosi się do nich… Być może, gdy lepiej zrozumie się naturę praw rządzących stopami, będzie to okazało się, że jest to tylko jeden z innych przypadków...".

Wynalazek Hadfielda był pierwszym stopem stali, który wykazał znaczne różnice we właściwościach w porównaniu ze stalą węglową. W dzisiejszych czasach wiadomo, że mangan hamuje przemianę ciągliwej fazy austenitu w twardy, kruchy martenzyt, co ma miejsce w przypadku zwykłych stali, gdy są one hartowane w procesie hartowania. Austenit stali Hadfielda jest niestabilny termodynamicznie i pod wpływem uderzenia mechanicznego przekształci się w martenzyt, tworząc w ten sposób twardą warstwę powierzchniową.

Hadfield opatentował swoją stal w 1883 roku, ale następne pięć lat spędził na doskonaleniu mieszanki, więc nie zaprezentował jej publicznie aż do 1887 roku. Ostatecznie zdecydował się na stop zawierający od 12 do 14% manganu i 1,0% węgla, który był wystarczająco plastyczny, aby być wcięty, ale tak twardy, że nie można go przeciąć. Stała się pierwszą stalą stopową, która stała się komercyjnie opłacalna. Hadfield początkowo sprzedawał swoją stal do użytku w kolejnictwie i tramwajach, ale szybko zaczął ją produkować do wszystkiego, od pił tarczowych po sejfy.

Posługiwać się

Mangalloy jest stosowany w przemyśle wydobywczym , betoniarkach , kruszarkach skał , rozjazdach i przejazdach kolejowych, gąsienicach gąsienicowych do ciągników i innych środowiskach o dużym wpływie i ścieraniu. Jest również stosowany w środowiskach o dużym wpływie, takich jak wewnątrz maszyny do kulowania. Stopy te znajdują nowe zastosowania jako stale kriogeniczne ze względu na ich wysoką wytrzymałość w bardzo niskich temperaturach.

Zobacz też

  • Ferromangan , żelazostop o znacznie wyższej zawartości manganu (zwykle około 80%), nie stal, ale raczej składnik używany do produkcji stali

Bibliografia