Mangalloy - Mangalloy
Mangalloy , nazývaná také manganová ocel nebo Hadfieldova ocel , je legovaná ocel obsahující v průměru kolem 13% manganu . Mangalloy je známá svou vysokou rázovou houževnatostí a odolností proti oděru, jakmile je ve vytvrzeném stavu.
Vlastnosti materiálu
Mangalloy se vyrábí legováním oceli obsahující 0,8 až 1,25% uhlíku s 11 až 15% manganu . Mangalloy je jedinečná nemagnetická ocel s extrémními vlastnostmi proti opotřebení. Materiál je velmi odolný proti oděru a za podmínek nárazu dosáhne až trojnásobku své povrchové tvrdosti , aniž by došlo ke zvýšení křehkosti, která je obvykle spojena s tvrdostí. To umožňuje mangalloy zachovat svou houževnatost .
Většina ocelí obsahuje 0,15 až 0,8% manganu. Vysokopevnostní slitiny často obsahují 1 až 1,8% manganu. Při obsahu asi 1,5% manganu ocel křehne a tato vlastnost se zvyšuje, dokud není dosaženo obsahu asi 4 až 5% manganu. V tomto okamžiku se ocel rozdrtí na prach při úderu kladiva. Další zvyšování obsahu manganu zvýší jak tvrdost, tak tažnost . Při přibližně 10% obsahu manganu zůstane ocel při správném chlazení při pokojové teplotě v austenitické formě. Tvrdost i tažnost dosahují svých nejvyšších bodů kolem 12%, v závislosti na jiných legovacích činidlech. Primárním z těchto legovacích činidel je uhlík, protože přidání manganu do nízkouhlíkové oceli má malý účinek, ale dramaticky se zvyšuje se zvyšujícím se obsahem uhlíku. Původní Hadfieldova ocel obsahovala asi 1,0% uhlíku. Další legující činidla mohou zahrnovat kovy, jako je nikl a chrom ; přidáváno nejčastěji do austenitických ocelí jako stabilizátor austenitu; molybden a vanad ; používá se v ne austenitických ocelích jako feritový stabilizátor; nebo dokonce nekovové prvky, jako je křemík .
Mangalloy má spravedlivou mez kluzu, ale velmi vysokou pevnost v tahu , obvykle kdekoli mezi 350 a 900 megapascalů (MPa), která při tvrdnutí rychle stoupá. Na rozdíl od jiných forem oceli, když se materiál natáhne do bodu zlomu, „neklouzá dolů“ (zmenšuje se v nejslabším místě) a potom se neroztrhne. Místo toho kov zužuje a tvrdne, čímž se zvyšuje pevnost v tahu na velmi vysoké úrovně, někdy až 2 000 MPa. To způsobí, že sousední materiál se zúží, ztvrdne a to pokračuje, dokud není celý kus mnohem delší a tenčí. Typické prodloužení může být kdekoli od 18 do 65%, v závislosti jak na přesném složení slitiny, tak na předchozím tepelném zpracování. Slitiny s obsahem manganu v rozmezí od 12 do 30% jsou schopné odolat křehkým účinkům chladu, někdy i teplotám v rozmezí -127 ° C.
Mangalloy je tepelně zpracovatelný , ale mangan snižuje teplotu, při které se austenit transformuje na ferit . Na rozdíl od uhlíkové oceli mangalloy při rychlém ochlazení spíše změkne, než ztuhne, čímž se obnoví tažnost z tvrdě vytvrzeného stavu. Většina druhů je připravena k použití po žíhání a následném kalení ze žlutého ohně, bez nutnosti dalšího temperování , a obvykle mají normální tvrdost podle Brinella kolem 200 HB (zhruba stejná jako nerezová ocel 304), ale díky své Díky jedinečným vlastnostem má vtlačená tvrdost velmi malý vliv na stanovení tvrdosti poškrábání (odolnost kovu proti oděru a nárazu). Další zdroj uvádí, že základní tvrdost Brinellovy manganové oceli podle původní specifikace Hadfielda je 220, ale při nárazovém opotřebení se tvrdost povrchu zvýší na více než 550.
Mnoho použití mangalloy je často omezeno obtížností při obrábění ; někdy popisována jako „nulová obrobitelnost“. Kov nemůže být změkčen žíháním a rychle se vytvrzuje pod řeznými a brusnými nástroji, což obvykle vyžaduje pro obrábění speciální nástroje. Materiál lze vrtat extrémně obtížně pomocí diamantu nebo karbidu. Ačkoli to může být kováno ze žlutého ohně, může se rozpadnout, pokud je rozklepáno, když je horké, a je mnohem tvrdší než uhlíková ocel, když se zahřívá. Lze jej řezat kyslíko-acetylenovým hořákem , ale upřednostňovanou metodou je řezání plazmou nebo laserem . Přes svou extrémní tvrdost a pevnost v tahu nemusí být materiál vždy tuhý. Může být vytvořen válcováním za studena nebo ohýbáním za studena.
Dějiny
Mangalloy byl vytvořen Robertem Hadfieldem v roce 1882 a stal se první legovanou ocelí, která se stala komerčním úspěchem a vykazovala chování radikálně odlišné od uhlíkové oceli . Proto se obecně považuje za označení zrodu legovaných ocelí.
Benjamin Huntsman byl jedním z prvních, kdo začal do oceli přidávat další kovy. Jeho proces výroby kelímkové oceli , vynalezený v roce 1740, byl poprvé, kdy se ocel dokázala plně tavit v kelímku. Huntsman již používal různé tavidla, aby pomohl odstranit nečistoty z oceli, a brzy začal přidávat surové železo bohaté na mangan zvané Spiegeleisen , což výrazně snížilo přítomnost nečistot v jeho oceli. V roce 1816 německý výzkumník Carl JB Karsten poznamenal, že přidání poměrně velkého množství manganu do železa by zvýšilo jeho tvrdost, aniž by to ovlivnilo jeho tvárnost a houževnatost, ale směs nebyla homogenní a výsledky experimentu nebyly považovány za spolehlivé. „a nikdo nepochopil, že skutečným důvodem, proč železo těžené v Noriku vyrábělo tak vynikající ocel, spočívalo ve skutečnosti, že obsahovalo malé množství manganu nekontaminovaného fosforem, arzenem nebo sírou, a stejně tak surovinou pro manganovou ocel. " V roce 1860 Sir Henry Bessemer , který se snažil zdokonalit svůj Bessemerův proces výroby oceli, zjistil, že přidání spiegeleisen do oceli po jejím vyfouknutí pomohlo odstranit přebytečnou síru a kyslík . Síra kombinuje se železem za vzniku sulfidu, který má nižší teplotu tání než ocel, což způsobuje slabá místa, která brání válcování za tepla . Mangan se obvykle přidává do většiny moderních ocelí v malém množství kvůli jeho silné schopnosti odstraňovat nečistoty.
Hadfield byl při hledání oceli, které by mohly být použity pro odlévání z tramvajových kol, která bude vykazovat i tvrdosti a houževnatosti, protože obyčejné uhlíkové oceli nekombinují tyto vlastnosti. Ocel může být vytvrzena rychlým ochlazením, ale ztrácí svou houževnatost a stává se křehkou. Ocelové odlitky obvykle nelze rychle ochladit, protože nepravidelné tvary se mohou zdeformovat nebo prasknout. Mangalloy se ukázal jako mimořádně vhodný pro odlévání, protože nevytvářel plynové kapsy zvané „foukací otvory“ a nevykazoval extrémní křehkost jiných odlitků.
Hadfield studoval výsledky ostatních, kteří experimentovali s mícháním různých prvků s ocelí, jako jsou Benjamin Huntsman a AH Allen. V té době byla výroba oceli spíše uměním než vědou, kterou vyráběli zkušení řemeslníci, kteří byli často velmi tajní. Před rokem 1860 tedy neexistovaly žádné metalurgické údaje o oceli, takže informace o různých slitinách byly sporadické a často nespolehlivé. Hadfield se začal zajímat o přidání manganu a křemíku. Společnost Terre Noire Company vytvořila slitinu zvanou „feromangan“, obsahující až 80% manganu. Hadfield začal smícháním feromanganu s kelímkovou ocelí a křemíkem, čímž se vyrobila slitina 7,45% manganu, ale materiál byl pro jeho účely neuspokojivý. Ve svém dalším pokusu vynechal křemík a přidal do směsi více feromanganu, čímž získal slitinu s 1,35% uhlíku a 13,76% manganu. Při vytváření mangalloy Hadfield testoval materiál v domnění, že výsledky musely být chybné. Vypadalo to nudné a měkké, se submetalickým leskem podobným vzhledu jako olovo , přesto mu z pilníku odstřihlo zuby. Nedržel by hranu jako řezný nástroj, ale nemohl by být řezán pilami ani obroben na soustruhu . Byl nemagnetický, přestože obsahoval více než 80% železa, a měl velmi vysoký elektrický odpor . Pokusy o jeho broušení jednoduše glazovaly a vyleštily povrch. Nejvýraznější, když byl zahřátý a zchlazen , choval se téměř opačně než obyčejná uhlíková ocel. Po provedení několika stovek testů si uvědomil, že musí být přesné, ačkoli důvod kombinace tvrdosti a houževnatosti v té době vzdoroval jakémukoli vysvětlení. Hadfield napsal: „Existuje nějaký podobný případ mezi jinými slitinami železa, pokud lze použít termín slitina? Žádné metalurgické pojednání se o nich nezmiňuje ... Možná, když bude lépe pochopena povaha zákonů upravujících slitiny, bude to bylo zjištěno, že je pouze jedním z dalších případů ... ".
Hadfieldův vynález byl první slitinou oceli, která prokázala značné rozdíly ve vlastnostech ve srovnání s uhlíkovou ocelí. V moderní době je známo, že mangan inhibuje transformaci tvárné austenitické fáze na tvrdý křehký martenzit , ke kterému dochází u normálních ocelí, když jsou kaleny při kalení. Austenit Hadfieldových ocelí je termodynamicky nestabilní a při mechanickém nárazu se změní na martenzit, čímž se vytvoří tvrdá povrchová vrstva.
Hadfield si svou ocel nechal patentovat v roce 1883, ale dalších pět let strávil zdokonalováním směsi, takže ji veřejnosti představil až v roce 1887. Nakonec se rozhodl pro slitinu obsahující 12 až 14% manganu a 1,0% uhlíku, která byla dostatečně tvárná, aby být odsazen, ale tak tvrdě, že to nebylo možné řezat. Stala se první legovanou ocelí, která se stala komerčně životaschopnou. Hadfield původně prodával svou ocel pro použití v železnicích a tramvajích, ale rychle ji začal vyrábět pro vše od pilových desek až po trezory.
Použití
Mangalloy se používá v těžebním průmyslu, míchačkách cementu , drtičích horninách , železničních výhybkách a přejezdech, pásových pásech pro traktory a v jiných vysoce nárazových a abrazivních prostředích. Používá se také v prostředích s vysokým nárazem, jako je stroj na kuličkování. Tyto slitiny nacházejí nové využití jako kryogenní oceli díky své vysoké pevnosti při velmi nízkých teplotách.
Viz také
- Ferromangan , feroslitina s mnohem vyšším obsahem manganu (obvykle kolem 80%), nikoli ocel, ale spíše přísada používaná při výrobě ocelí