Μαγγάνιο: Αποξείδωση, Αποθείωση και Ενδυνάμωση
Το μαγγάνιο είναι ένα από τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα στοιχεία κραματοποίησης στον χάλυβα, επειδή εκτελεί πολλές εργασίες ταυτόχρονα: είναι καλός αποοξειδωτής και αποθείωσης και είναι οικονομικός ενισχυτικός. Ο χάλυβας περιέχει γενικά μια ορισμένη ποσότητα μαγγανίου, το οποίο εξαλείφει ή εξασθενεί την καυτή ευθραυστότητα που προκαλείται από το θείο και έτσι βελτιώνει τη θερμή εργασιμότητα.
Ο μηχανισμός είναι μια διαφορά στη χημική συγγένεια. Το μαγγάνιο συνδυάζεται με το θείο πιο εύκολα από το σίδηρο, σχηματίζοντας θειούχο μαγγάνιο αντί θειούχου σιδήρου. Οι μεμβράνες θειούχου σιδήρου στα όρια των κόκκων είναι η κλασική αιτία θερμού βραχυκύκλωσης κατά την έλαση και τη σφυρηλάτηση, επομένως η διατήρηση του θείου δεσμευμένη καθώς το θειούχο μαγγάνιο προστατεύει το υλικό μέσω της θερμής περιοχής εργασίας.
Πώς το μαγγάνιο αλλάζει τη δομή του χάλυβα
Το στερεό διάλυμα που σχηματίζει το μαγγάνιο με τον σίδηρο αυξάνει τη σκληρότητα και την αντοχή τόσο του φερρίτη όσο και του ωστενίτη. Το μαγγάνιο σχηματίζει επίσης καρβίδια και μπορεί να εισέλθει στον τσιμεντίτη, αντικαθιστώντας μερικά από τα άτομα σιδήρου. Η παρουσία του μειώνει τις κρίσιμες θερμοκρασίες μετασχηματισμού και εξευγενίζει τον περλίτη, ο οποίος αυξάνει την αντοχή του περλιτικού χάλυβα έμμεσα. Το μαγγάνιο σταθεροποιεί τον ωστενίτη δεύτερο μετά το νικέλιο και αυξάνει σημαντικά τη σκληρυνσιμότητα, γι' αυτό πολλοί κραματοποιημένοι χάλυβες κατασκευάζονται γύρω από περιεκτικότητα σε μαγγάνιο που δεν υπερβαίνει το 2% μαζί με άλλα στοιχεία.
Το μαγγάνιο είναι άφθονο και ευπροσάρμοστο, επομένως εμφανίζεται σχεδόν παντού: σε δομικούς χάλυβες με απλό άνθρακα και σε χάλυβες ελατηρίου που φέρουν σχετικά υψηλή περιεκτικότητα σε μαγγάνιο, όπως ο τύπος 60Si2Mn που καθορίζεται στο GB/T 1222. Σε αυτές τις ποιότητες το μαγγάνιο συμβάλλει τόσο στην αντοχή όσο και στην σκληρότητα που απαιτείται για την σκληρύνση κατά τη διάρκεια{3}.
Υψηλός-Μαγγάνιος στη φθορά-Ανθεκτικός χάλυβας
Σε χάλυβα υψηλής-άνθρακα και-μεγάλου μαγγανίου ανθεκτικό στη φθορά-η περιεκτικότητα σε μαγγάνιο μπορεί να φτάσει το 10% έως το 14%. Μετά την επεξεργασία με διάλυμα η δομή είναι ωστενιτική και σκληρή, με καλή ολκιμότητα. Όταν η επιφάνεια παραμορφώνεται από κρούση, το παραμορφωμένο στρώμα εργασίας-σκληραίνει και αναπτύσσει υψηλή αντοχή στην τριβή, ενώ το εσωτερικό παραμένει αρκετά σκληρό ώστε να απορροφά περαιτέρω κρούση. Τα προϊόντα χύτευσης αυτής της οικογένειας προσδιορίζονται σύμφωνα με το ASTM A128, το οποίο καλύπτει τα χυτά χάλυβα από ωστενιτικό μαγγάνιο.
Ισχύουν δύο προφυλάξεις όπου χρησιμοποιείται μαγγάνιο σε υψηλότερα επίπεδα. Το μαγγάνιο αυξάνει την τάση του χάλυβα προς την τραχύτητα των κόκκων και προς την ευθραυστότητα. Καθιστά επίσης τον χάλυβα ευαίσθητο στο υδρογόνο: εάν η ψύξη μετά από τήξη, έκχυση ή σφυρηλάτηση δεν ελέγχεται σωστά, μπορεί να αναπτυχθούν λευκές κηλίδες ή νιφάδες στο εσωτερικό του χάλυβα, γι' αυτό και ο έλεγχος της διαδικασίας γύρω από την ψύξη και την περιεκτικότητα σε υδρογόνο έχει σημασία όσο και η ίδια η ανάλυση.
Αλουμίνιο: Αποξείδωση, Καθαρισμός κόκκων και Νίτρωση
Το αλουμίνιο χρησιμοποιείται κυρίως για αποξείδωση και εξευγενισμό κόκκων. Στους χάλυβες εναζώτου προωθεί το σχηματισμό ενός σκληρού,-ανθεκτικού στη διάβρωση νιτριδωμένης στρώσης, γι' αυτό επιλέγονται οι ποιότητες νιτρώσεως που φέρει αλουμίνιο-όπως το 38CrMoAl για εξαρτήματα που χρειάζονται μια πολύ σκληρή-ανθεκτική επιφάνεια σε σκληρό πυρήνα. Το αλουμίνιο αναστέλλει επίσης τη γήρανση του χάλυβα χαμηλής-άνθρακας σε συνδυασμό με το άζωτο και βελτιώνει τη σκληρότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες.
Σε υψηλότερη περιεκτικότητα, το αλουμίνιο βελτιώνει την αντίσταση στην οξείδωση του χάλυβα και την αντίστασή του στην προσβολή σε οξειδωτικά οξέα και σε περιβάλλοντα υδρόθειου, και βελτιώνει τις ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες του χάλυβα, ιδίως σε ηλεκτρικούς χάλυβες με προσανατολισμό κόκκων. Στον χάλυβα γενικά, το αλουμίνιο έχει ισχυρό αποτέλεσμα ενίσχυσης στερεού διαλύματος και στα ανθρακωμένα μέρη βελτιώνει την αντοχή στη φθορά, την αντοχή στην κόπωση και τις μηχανικές ιδιότητες του πυρήνα.
Σε ανθεκτικά στη θερμότητα-κράματα, το αλουμίνιο και το νικέλιο σχηματίζουν διαμεταλλικές ενώσεις που αυξάνουν την αντοχή σε υψηλή- θερμοκρασία. Τα κράματα σιδήρου-χρωμίου-αλουμινίου που περιέχουν αλουμίνιο παρουσιάζουν σχεδόν-σταθερή ηλεκτρική αντίσταση μαζί με εξαιρετική αντοχή στην οξείδωση σε υψηλές{{6} θερμοκρασίες, γι' αυτό και αυτή η οικογένεια χρησιμοποιείται για αντιστάσεις και θερμαντικά στοιχεία.
Περίσσεια αλουμινίου και τυπικό εύρος περιεχομένου
Το αλουμίνιο είναι ωφέλιμο μόνο εντός ορίων και τα όρια είναι-συγκεκριμένα και όχι καθολικά. Εάν χρησιμοποιηθεί πάρα πολύ αλουμίνιο κατά την αποξείδωση, ο χάλυβας αναπτύσσει ανώμαλες δομές και δείχνει μια τάση προς γραφιτοποίηση. Στους φερριτικούς και περλιτικούς χάλυβες, η υψηλή περιεκτικότητα σε αλουμίνιο μειώνει την αντοχή και την ανθεκτικότητα σε υψηλές θερμοκρασίες και δημιουργεί πρακτικές δυσκολίες στην τήξη και στην έκχυση, επειδή τα εγκλείσματα αλουμίνας αυξάνουν το ιξώδες του τήγματος και μπορούν να μπλοκάρουν τα ακροφύσια.
| Στοιχείο και εφαρμογή | Τυπικό περιεχόμενο | Κύρια λειτουργία |
|---|---|---|
| Μαγγάνιο, ανθρακούχο δομικό χάλυβα | 0.3–1.5% | Αποξείδωση, αποθείωση, ενίσχυση στερεού διαλύματος |
| Μαγγάνιο, κράμα χάλυβα με άλλα στοιχεία | έως 2% | Σκληρότητα, σταθεροποίηση ωστενίτη, ραφινάρισμα περλίτη |
| Μαγγάνιο,-ανθεκτικός χάλυβας κατά ASTM A128 | 10–14% | Δουλέψτε-στην ωστενιτική αντοχή στη φθορά με σκληρό πυρήνα |
| Αλουμίνιο, αποξείδωση σκοτωμένου χάλυβα | 0.02–0.06% | Αποξείδωση και εξευγενισμός κόκκων ως νιτρίδιο αλουμινίου |
| Αλουμίνιο, νιτρώδης χάλυβας | 0.7–1.1% | Σκληρή, ανθεκτική στη διάβρωση-νιτρωμένη θήκη |
| Αλουμίνιο, ανθεκτικά στη θερμότητα-κράματα Fe-Cr-Al | 4.5–6% | Αντοχή στην οξείδωση με σταθερή ηλεκτρική αντίσταση |
Διαβάζοντας ως ομάδα, αυτές οι περιοχές δείχνουν γιατί τα δύο στοιχεία καθορίζονται συνήθως μαζί και ελέγχονται χωριστά. Το μαγγάνιο προστίθεται για τη δομή και την καθαριότητα, το αλουμίνιο για την αποξείδωση και την απόδοση της επιφάνειας και τα ανώτερα όρια και των δύο τίθενται από τα ελαττώματα που εμφανίζονται όταν η προσθήκη πιέζεται πολύ μακριά.
Η επαλήθευση στην πράξη βασίζεται στη χημική ανάλυση κάθε θερμότητας για μαγγάνιο, αλουμίνιο, θείο και άζωτο, όπως ισχύει, σε συνδυασμό με μεταλλογραφική εξέταση για τον τύπο συμπερίληψης και το μέγεθος κόκκου και με μέτρα ελέγχου υδρογόνου όπου παράγονται υψηλές-ποιότητες μαγγανίου.
FAQ
Ε: Γιατί προστίθεται μαγγάνιο στον χάλυβα;
Λειτουργεί ως αποοξειδωτικό και αποθειωτικό, αποτρέπει τη θερμή ευθραυστότητα σχηματίζοντας θειούχο μαγγάνιο αντί για θειούχο σίδηρο και ενισχύει τον φερρίτη και τον ωστενίτη με σκλήρυνση σε στερεό διάλυμα.
Ε: Τι συμβαίνει εάν το μαγγάνιο είναι πολύ χαμηλό για το θείο που υπάρχει;
Το θείο παραμένει ικανό να σχηματίζει θειούχο σίδηρο στα όρια των κόκκων, το οποίο προκαλεί θερμό βραχυκύκλωμα κατά την έλαση ή τη σφυρηλάτηση. Το επαρκές μαγγάνιο διατηρεί το θείο συνδυασμένο ως θειούχο μαγγάνιο.
Ε: Γιατί ο χάλυβας με υψηλό-μαγγάνιο σκληραίνει υπό την κρούση;
Διατηρεί μια σκληρή ωστενιτική δομή μετά την επεξεργασία του διαλύματος και η παραμόρφωση του έργου του επιφανειακού στρώματος-το σκληραίνει, έτσι η αντίσταση στην τριβή αυξάνεται ενώ το εσωτερικό παραμένει όλκιμο.
Ε: Γιατί η περιεκτικότητα σε αλουμίνιο στον χάλυβα διατηρείται χαμηλή;
Η περίσσεια αλουμινίου παράγει μη φυσιολογικές δομές και τάση προς γραφιτοποίηση, μειώνει την αντοχή και τη σκληρότητα σε υψηλές θερμοκρασίες στους φερριτικούς και περλιτικούς χάλυβες και δημιουργεί εγκλείσματα αλουμίνας που διαταράσσουν την τήξη και την έκχυση.
Ε: Γιατί χρησιμοποιείται το αλουμίνιο στη νιτροποίηση χάλυβων;
Το αλουμίνιο σχηματίζει σκληρά νιτρίδια κατά τη διάρκεια της νιτρίδωσης, δημιουργώντας ένα σκληρό, ανθεκτικό στη διάβρωση θήκη σε έναν σκληρό πυρήνα, ο οποίος είναι η βάση για ποιότητες αζώτου αλουμινίου-, όπως το 38CrMoAl.
Ε: Το αλουμίνιο βελτιώνει την αντοχή στη διάβρωση;
Σε υψηλότερες περιεκτικότητες βελτιώνει την αντίσταση στην οξείδωση και στην προσβολή σε οξειδωτικά οξέα και σε περιβάλλοντα υδρόθειου και συμβάλλει στην αντίσταση στην οξείδωση των κραμάτων αντοχής σε σίδηρο-χρώμιο-αλουμινίου.
