Сталь Гадфильда и её исключительное место в металлургии

Сталь марки 110Г13Л (согласно ГОСТ 977-88), также именуемая в честь своего изобретателя – Роберта Аббота Гадфильда – "сталью Гадфильда" не теряет своей актульности и по сей день. Это высоколегированная сталь, и её особенные свойства обусловлены значительным содержанием в своем составе марганца (рис. 1). Металлический марганец был открыт ещё в 1774 году шведским химиком Йоханом Готлибом Ганом и его коллегой Карлом Вильгельмом Шееле. Й.Ган получил марганец, нагревая в печи пиролюзит с углем. Через 108 лет, в 1882 году, английский металлург Роберт Аббот Гадфильд первым добавил его в сталь и выявил металл с неповторимыми свойствами [3].

Рис. 1. Хим. состав стали Гадфильда по ГОСТ 2176-77

Р.Гадфильд провел над новой сталью опыты и получил неожиданные результаты: после закалки образец не увеличил свою твердость, подобно прочим сталям, а наоборот – снизил. Несмотря на то, что закаливание металлург проводил в различной среде сталь не изменяла своей особенности. Главное свойство стали можно было обнаружено, когда она проходила холодную ковку: твердость образца увеличивалась в тех местах, по которым наносили удары молотом. Причем, чем сильнее была вызванная деформация, тем тверже становился металл. Также новый металл по поддавался резанию, тем самым упрочняясь, а значит, не подходил для токарной и фрезерной обработок [1]. Таким образом, перед металлургом была сталь с уникально сильным свойством наклепа [2], значительно большим, чем у обычных сталей с такой же твердостью. График влияния наклепа на твердость (рис. 2) наглядно это показывает. Такие свойства стали Гадфильда основаны на мгновенном переходе аустенита в мартенсит(рис. 3) при наличии большой нагрузки и температуры, что происходит при ударе.

Рис. 2. Влияние наклепа на твердость

Рис. 3. Диаграмма Fe-Mn (13%)-C

Вышеперечисленные свойства оказались применимы во многих отраслях промышленности. А поскольку применение резания и ковки для получения изделий из стали Гадфильда невозможно, детали из этой стали получаются исключительно отливкой или электроэрозионной обработкой.

Чтобы повысить механические свойства, улучшить структуру стали, её подвергают специальной термической обработке – аустенизации, которая состоит в следующем: литые заготовки, собранные в «садку», нагревают выше температуры Т-Т (рис. 3) (1050-1100 °С) для того, чтобы в аустените растворить карбиды, фосфиды, нитриды железа и марганца. Затем эту структуру фиксируют, охлаждая отливки в холодной проточной воде, температура которой не должна превышать 30 °С в процессе всей термической обработки [3].

Высокая вязкость аустенита, износостойкость и низкая твердость стали Гадфильда при большом уровне наклепа начали незаменимо использоваться там, где материал должен выдерживать и поглощать сильные удары без быстрого выхода из строя: начиная с рельсовых крестовин и стрелочных переводов на железнодорожных путях, военной брони, танковых, а далее и тракторных гусениц, щёк и конусов у дробилок, заканчивая тюремными решетками и зубьями и передними стенки для ковша экскаватора, корпусами вихревой и шаровой мельниц и т.д.(рис. 3-6) [1].

Рис. 4. Гусеницы трактора

Рис. 5. Рельсовые крестовины

Рис. 6. Щеки дробилки

Рис. 7. Зубья для ковша
Рис. 4-7. Применение стали Гадфильда

В конечном итоге, к изложенному в этой статье можно сделать вывод: сталь Гадфильда занимает важное место в развитии металлургической промышленности. Дав новый виток в этом развитии, она стала незаменимой. Сталь Гадфильда имеет свойства, которым практически нет аналогов и которые были необходимы многим областям металлопроизводства.