Высокомарганцевые аустенитные стали

ВВЕДЕНИЕ         

 

Металлы относятся к числу наиболее распространенных материалов, которые человек использует для обеспечения своих жизненных  потребностей. В наши дни трудно найти такую область производства, научно-технической деятельности человека или просто его быта, где металлы не играли бы главенствующей роли как конструкционного материала. Металлы разделяют на несколько групп: черные, цветные и благородные.

   К группе черных металлов относятся  железо и его сплавы, марганец  и хром. К цветным относятся почти все остальные металлы периодической системы Д. И. Менделеева  конструкционных металлов железо стоит на первом месте и не уступит его еще долгое время, несмотря на то, что цветные металлы, полимерные и керамические материалы находят все большее применение. Железо и его сплавы составляют более 90% всех металлов, применяемых в современном производстве.        

Самым важным из сплавов железа является его сплав с углеродом. Углерод  придает прочность сплавам железа. Эти сплавы образуют большую группу чугунов и сталей. Сталями называют сплавы железа  с углеродом, содержание которого не превышает 2,14%. Сталь – важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта и т. д. Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении.

В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении - для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок. Сталеплавильное производство – это получение стали из чугуна и стального лома в сталеплавильных агрегатах металлургических заводов. Сталеплавильное производство является вторым звеном в общем производственном цикле черной металлургии. В современной металлургии основными способами выплавки стали являются кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный процесс.

 

 

 

 

 

 

 

1. ВЫСОКОМАРГАНЦЕВЫЕ АУСТЕНИТНЫЕ СТАЛИ

 

Наиболее распространенной износостойкой высоколегированной сталью является аустенитная сталь 110Г13Л, которая была создана англичанином Р. Гадфильдом в 1883 г. и широко используется в различных условиях эксплуатации, сопряженных с ударно-абразивным изнашиванием (зубья ковшей экскаваторов и драг, траки тяжелых гусеничных машин, бронефутеровочные плиты дробилок и мельниц, молотки мельниц, железнодорожные стрелки и крестовины).

 

1.1. Химический состав и влияние основных элементов и постоянных примесей на свойства стали 110Г13Л

Несмотря на то, что сталь Гадфильда известна 120 лет, широко применяется во многих странах, и изучению влияния химического состава и термической обработки на эксплуатационные свойства стали посвящено огромное число публикаций, основной химический состав стали 110Г13Л остался неизменным. Решающую роль в такой стабильности играет уникально широкий интервал марочного содержания основных элементов — углерода и марганца, в пределах которого физико-механические и эксплуатационные свойства стали изменяются несущественно. Этот концентрационный интервал (от 0,9 до 1,4 % углерода и 9-14 % марганца) на порядок превышает допуск содержания элементов в марочном составе любой конструкционной или инструментальной стали.

В Российской Федерации химический состав стали 110Г13Л (ГОСТ 977—88 (Отливки стальные) предусматривает 6 разновидностей высокомарганцевой стали, химический состав которых и области применения приведены в табл. 1.1.

Химический состав высокомарганцевых аустенитных сталей

(ГОСТ 977—88, 21357—87)                                                                                         Таблица 1.1

Марка стали	Массовая доля, %
	C	Mn	Si	Cr	Ni	Mo
110Г13Л	0,9 –1,5	11,5 - 15,0	0,3 – 0,9	≤ 1,0	≤ 1,0	-
110Г13Х2БРЛ	0,9 –1,5	11,50-14,5	0,3 – 1,0	1,0 – 2,0	≤ 0,5	-
110Г13ХБРЛ	0,9 – 1,5	11,5 - 14,5	0,3 – 0,9	0,8 – 1,5	≤ 0,3	-
110Г13ФТЛ	0,9 – 1,3	11,5 – 14,5	0,4 – 0,9	-	-	-
130Г14ХМФАЛ	1,2 – 1,4	12,5 – 15,0	≤ 0,6	1,0 – 1,5	≤ 1,0	0,2 – 0,3
120Г10ФЛ	0,9 – 1,4	8,5 – 12, 0	0,2 – 0, 9	≤ 1,0	≤ 1,0	-

 

Как правило, отношение Мn : С должно быть не менее 10 (за исключением стали 120Г10ФЛ). Благодаря высокому содержанию углерода и марганца сталь 110Г13Л обладает относительно стабильной (при охлаждении и деформации) аустенитной структурой. Мартенситные фазы в этой стали обнаружены только в результате больших степеней холодной деформации в количестве около 1%. Несмотря на низкую исходную твердость аустенита после закалки (180—220 НВ), сталь 110Г13Л обладает высокой способностью к деформационному упрочнению и в процессе эксплуатации приобретает твердость до 50—55 HRC. Это обусловливает хорошую износостойкость стали в условиях абразивного и особенно при ударно-абразивном изнашивании.

Как уже говорилось, сталь 110Г13Л — один из немногих машиностроительных материалов, в которых допускается колебание содержания основных компонентов в достаточно широких пределах, что обусловливает технологичность ее с точки зрения получения при выплавке регламентированного химического состава. Изготовление широкой номенклатуры отливок из стали 110Г13Л, работающих часто в несравнимых условиях сочетания ударных нагрузок и абразивного изнашивания, требует учета влияния основных элементов — углерода, марганца, кремния, серы и фосфора на механические и эксплуатационные свойства стали в пределах марочного химического состава. Необходимо также кратко рассмотреть влияние дополнительного легирования на улучшение служебных характеристик марганцевых сталей.

1.2 Углерод

Относительно влияния углерода на механические свойства и износостойкость стали 110Г13Л мнения различных исследователей в основном сходятся, расхождения есть лишь в рекомендациях допустимых пределов его содержания в стали применительно к различным условиям ее эксплуатации.

Углерод, образуя твердый раствор внедрения, упрочняет аустенит. Влияние углерода на деформационное упрочнение стали 110Г13Л связано с уменьшением подвижности дислокаций в результате их взаимодействия с атомами углерода. Повышение концентрации углерода в стали 110Г13Л от 0,63 до 1,5% в литом состоянии увеличивает твердость и прочностные свойства, а пластические — снижает в связи с увеличением количества избыточных карбидов и их укрупнением. Согласно аналогичным данным Н.Г. Давыдова и В.В. Ситнова, с увеличением в литой стали содержания углерода особенно свыше 1 % ее прочность и твердость возрастают, а пластические свойства (ударная вязкость, удлинение, сужение) резко падают практически до нуля при концентрации углерода 1,18 %.

После нормальной закалки (нагрев при 1100 °С в течение 4 — 8 ч, охлаждение в воде) тенденция зависимости механических свойств от концентрации углерода сохраняется: прочность закаленной стали увеличивается с ростом в ней количества углерода, а

 

 

относительное удлинение и сужение понижаются, однако зависимость становится слабее выраженной вследствие перевода большей части углерода в твердый раствор.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.1.  Зависимость ударной вязкости высокомарганцевой стали от содержания углерода и температуры нагрев под закалку, ⁰С

                             1 – 800; 2 – 900; 3 – 1050; 4 – 1150; 5 – 1250;   

С увеличением содержания углерода от 1,06 до 1,48 % ударная вязкость после закалки уменьшается. Колебания концентрации марганца в пределах 10 - 14% не оказывают значительного влияния на характер изменения этой зависимости. Увеличение содержания углерода свыше 1 -1,15% С вызывает снижение уровня ударной вязкости на 0,4—0,42 МДж/м² на каждые 0,1% С, что примерно равноценно снижению температуры испытания на 15—20 К.

Повышенное содержание углерода (>1,18 %) опасно для высокомарганцевых отливок, предназначенных к эксплуатации при температурах ниже – 30 °С особенно в условиях ударных нагрузок. Для этой группы отливок нельзя допускать содержания углерода в металле > 1,3 % и менее 0,8 % при – 40 °С из - за опасности их быстрого выхода из строя.

Оптимальное содержание углерода в стали 110Г13Л считается 0,9—1,1 % и только при снижении концентрации фосфора и кремния целесообразно поддерживать содержание углерода в пределах 1,0—1,3 %.

Снижение содержания углерода ниже 0,8 % может привести к образованию мартенсита деформации или даже мартенсита в процессе охлаждения отливок в осевых участках дендритов с пониженным углеродом и марганцем, вследствие чего снижаются прочностные и пластические характеристики стали, особенно при пониженных температурах. Поэтому допустимое нижнее содержание углерода в стали 110Г13Л 0,85—0,9 %.

 

 

 

 

1.3 Марганец

Марганец как и углерод относится к аустенитообразующим элементам и расширяет область существования у-фазы, образуя твердый раствор замещения в железе 12). При совместном присутствии в стали марганца и углерода это влияние усиливается. Марганец также повышает растворимость углерода в аустените при достаточно высокой температуре.

Содержание марганца в аустените высокоуглеродистой стали должно превышать определенные минимальные значения. В соответствии со структурной диаграммой марганцевых сталей Е.С. Бейна, а также по мнению Т. Нормана, охлажденная в воде сталь, содержащая 1,2 % С, будет иметь чисто аустенитную структуру при содержании марганца >5 %. Достижение достаточно высокой прочности и пластичности марганцевого аустенита обычно требует содержания марганца >10 %, что соответствует требованиям ГОСТ 2176—77. Результаты многих работ указывают на повышение устойчивости аустенита и механических свойств по мере увеличения содержания марганца в пределах марочного состава стали 110Г13Л.

Из результатов испытаний, проведенных на Уралмашзаводе, следует, что наибольшее сопротивление экскаваторных траков изгибающим нагрузкам (до появления трещин) обеспечивается при 11—13,5% Мп, 1,2—1,25% С и отношснии Мn : С = 11 — 11,5.

 

 

 

 

 

Рис. 1.2. Изменение концентрации марганца в стали 110Г13Л от 9 до 15%.

Влияние марганца на ударную вязкость сталей с содержанием углерода:

1 - 1,0% ; 2 – 1,2%; 3 – 1,47%

        Марганец, увеличивая стабильность аустенита, повышает хладостойкость и пластические свойства стали, особенно в деформированном состоянии, однако мало влияет на износостойкость при его содержании в стали более 8—10 % . Это качество стали 110Г13Л особенно важно для железнодорожных крестовин, бронефутеровочных плит дробилок и мельниц, работающих в условиях Крайнего Севера, так как они имеют поверхностные слои, находящиеся в наклепанном состоянии. В работе утверждается, что оптимальная пластичность этой стали достигается при содержании в ней не менее 11 % марганца. Для сочетания высокой пластичности и прочности рекомендуется иметь в металле 11—14 % Мn при 1,2 % С.

      С повышением содержания марганца в стали 110Г13Л увеличивается ее загрязненность карбидами после литья и термической обработки, снижается износостойкость, растет склонность к транскристаллитному строению и образованию горячих трещин. Поэтому тонкостенные отливки рекомендуется получать из металла с пониженным содержанием марганца (10,5 —11,5 %). Снижение концентрации марганца в стали до 9,0 % для звеньев гусениц практически исключило брак по горячим трещинам и заметно улучшило их износостойкость. При высоком содержании марганца и углерода количество остаточных карбидов в стали 110Г13Л увеличивалось, заметно возрастала их термодинамическая стойкость, наблюдалось образование стойких карбидов типа Ме₃С и других типов, которые даже при форсированной термической обработке полностью не растворялись в аустените и загрязняли границы зерен металла.

Указывают, что с уменьшением содержания марганца в стали с 13,80 до 10,75 % ее способность к упрочнению при малой степени деформации несколько возрастает. Звенья гусениц экскаваторов ЭКГ - 4, изготовленные из стали, содержавшей 9,0—11,0 % Мn, обладали долговечностью на 35— 40 % большей по сравнению со звеньями из стали с 12—14 % Мn.

Авторы работы рекомендуют использовать для толстостенных деталей, работающих в тяжелых условиях ударно - абразивного нагружения при нормальной и особенно отрицательных температурах, сталь с содержанием марганца не ниже 12 % при отношении Мn : С ≥ 12. Например, в литейном цехе Норильского горно - металлургического комбината более 80 % плавок высокомарганцевой стали для зубьев ковшей карьерных экскаваторов содержали ≥ 2 % Мn при отношении Мn : С ≥ 12.