Effekter av olika element vid gjutning av manganståldelar

Olika element har olika funktioner i manganstålgjutning. Det finns vissa effekter av olika element vid gjutning av manganståldelar.

Kolelementeffekt i manganståldelar

Kol  är ett av de två viktigaste elementen i manganstål tillsammans med mangan. Manganstål är en övermättad lösning av kol. För de flesta standardkvaliteter av manganstål är kol och mangan i ett ungefärligt förhållande av Mn/C=10. Dessa stål är därför typiskt 12 % Mn och 1,2 % C. Detta förhållande skapades huvudsakligen av tidiga ståltillverkningsbegränsningar och det fasta förhållandet har ingen verklig betydelse. Att öka kolhalten höjer sträckgränsen och sänker duktiliteten. Se nedanstående figur för effekterna av att öka kolhalten på egenskaperna hos 13 % manganstål.

Den främsta betydelsen av ökat kolinnehåll är dock att öka slitstyrkan mot mejsling, se nedan. De flesta manganstål används vid mejslingsnötning och slitagesituationer med hög stöt, så tillverkare försöker maximera kolhalten. Praktiska gränser finns och när kolhalten överstiger 1,3 % blir sprickbildning och olösta korngränskarbider mer utbredda. De högsta kvaliteterna av manganstål, de med högt manganinnehåll, har drivit den övre kolgränsen långt över 1,3 %.

Manganelementeffekt i manganståldelar

Mangan är en austenitstabilisator och gör denna familj av legeringar möjlig. Det minskar austenit till ferrit omvandlingstemperatur och hjälper därför till att bibehålla en fullständigt austenitisk struktur vid rumstemperatur. Legeringar med 13 % Mn och 1,1 % C har martensitstarttemperaturer under -328°F. Den nedre gränsen för manganhalt i vanligt austenitiskt manganstål är nära 10 %. Ökande mangannivåer tenderar att öka lösligheten av kväve och väte i stålet. Premiumlegeringar med högre kolhalter och ytterligare legeringselement finns med manganhalter från 16-25 % mangan. Dessa legeringar ägs av sina tillverkare.

Silikonelementeffekt i manganståldelar

Kiselhalter upp till 1 % anses vanligtvis vara säkra i manganstål, men kislet utövar ingen märkbar påverkan på de mekaniska egenskaperna. Med en kiselhalt på 2,2 % har Avery visat en kraftig minskning av styrka och duktilitet. De flesta av de rapporterade experimenten har gjorts med små sektionsstorlekar på mindre än 1 tum när man beaktar kiselinnehåll och tyngre sektionsstorlekar, slaghållfastheten kan minska kraftigt med ökande kiselhalt. Se följande bild för effekten av att lägga till 1,5 % Si till en 6-tums sektionsstorlek.

Uppgifterna visar en 75% minskning av slagenergin när kislet ökas till denna nivå. Det rekommenderas att hålla kiselhalterna i manganstål låga, till mindre än 0,6 % kisel vid tillverkning av sektionsstorlekar över 1 tum.

Kromelementeffekt i manganståldelar

Krom används för att öka draghållfastheten och flödesmotståndet hos manganstål. Tillsatser på upp till 3,0 % används ofta. Krom ökar den lösningsglödgade hårdheten och minskar segheten hos manganstålet. Krom ökar inte den maximala bearbetningshärdade hårdhetsnivån eller töjningshärdningshastigheten. Krombärande kvaliteter kräver högre värmebehandlingstemperaturer eftersom kromkarbider är svårare att lösa upp i lösning. I vissa applikationer kan krom vara fördelaktigt, men i många applikationer är det ingen fördel med att tillsätta krom till manganstål.

Nickelelementeffekt i manganståldelar

Nickel är en stark austenitstabilisator. Nickel kan förhindra omvandlingar och karbidutfällning även vid reducerade kylningshastigheter under kylning. Detta kan göra ett nickel till ett användbart tillskott i produkter som har tunga sektionsstorlekar. Ökande nickelhalt är förknippat med ökad seghet, en liten minskning av draghållfastheten och har ingen effekt på sträckgränsen. Nickel används också vid svetsning av tillsatsmaterial för manganstål för att göra det avsatta materialet fritt från karbider. Det är typiskt att ha lägre kolhalter i dessa material tillsammans med det förhöjda nickelet för att ge önskat resultat.

Molybdenelementeffekt i manganståldelar

Molybdentillsatser till manganstål resulterar i flera förändringar. Först sänks martensitens starttemperatur vilket ytterligare stabiliserar austeniten och fördröjer karbidutfällning. Därefter ändrar molybdentillsatser morfologin hos karbiderna som bildas vid återupphettning efter att materialet har genomgått en lösningsbehandling. Korngränsfilmer av nålformade karbider bildas vanligtvis, men efter tillsats av molybden sammansmälts karbiderna som fälls ut och sprids genom kornen. Resultatet av dessa förändringar är att stålets seghet förbättras genom tillsats av molybden. En annan fördel med molybdentillsatser kan vara förbättrade mekaniska egenskaper som gjuts. Detta kan vara en verklig fördel under gjutning. I högre kolkvaliteter kommer molybden att öka tendensen till begynnande fusion, så försiktighet måste iakttas för att undvika detta eftersom de resulterande mekaniska egenskaperna kommer att försämras kraftigt.

Molybden är fördelaktigt när mycket tunga sektionstjocklekar ska tillverkas i manganstål. Dessa är sektioner som är över 6 tum och särskilt de som är över 10 tum i sektionsstorlek.
Dessa sektionsstorlekar kan hittas i stora primära gyratoriska krossmantlar och tjocka käftformar. För dessa gjutgods rekommenderas att tillsätta molybden i intervallet 0,9 % till 1,2 % samtidigt som kolhalten reduceras till 0,9 % till 1,0 %. Molybden är fördelaktigt när mycket tunga sektionstjocklekar ska tillverkas i manganstål. Dessa är sektioner som är över 6 tum och särskilt de som är över 10 tum i sektionsstorlek. Dessa sektionsstorlekar kan hittas i stora primära gyratoriska krossmantlar och tjocka käftformar. För dessa gjutgods rekommenderas att tillsätta molybden i intervallet 0,9 % till 1,2 % samtidigt som kolhalten reduceras till 0,9 % till 1,0 %.

Aluminiumelementeffekt i manganståldelar

Aluminium används för att deoxidera manganstål, vilket kan förhindra pinhole och andra gasdefekter. Det är typiskt att använda tillsatser på 3lbs/ton i skänken. Ökat aluminiuminnehåll minskar de mekaniska egenskaperna hos manganstål samtidigt som det ökar sprödheten och hetsöndringen. I praktiken är det tillrådligt att hålla aluminiumrester ganska låga för de flesta typer av manganstål. Nya material som innehåller höga halter av aluminium och cirka 30 % mangan utvecklas för höghållfasta, viktkänsliga applikationer. I dessa fall används den låga densiteten hos aluminiumet för att sänka densiteten hos den resulterande legeringen.

Titanelementeffekt i manganståldelar

Titan kan användas för att deoxidera manganstålet. Dessutom kan titan binda upp kvävgas i titannitrider. Dessa nitrider är stabila föreningar vid ståltillverkningstemperaturer. När det väl är bundet är kvävet inte längre tillgängligt för att orsaka hål i gjutgodset. Titan kan också användas för att förfina kornstorleken, men effekten är minimal i tyngre sektioner.

Ceriumelementeffekt i manganståldelar

Cerium kan användas för att förfina kornstorleken på manganstål. Föreningarna av cerium har en lägre obalans med austenitiskt manganstål än andra föreningar och bör därför göra det till en bättre kornförfinare för denna legering. Det undertrycker också korngränsen karbidutfällning, vilket stärker korngränserna. Slaghållfasthet rapporteras också vara förbättrad för manganstål legerade med cerium.

Fosforelementeffekt i manganståldelar

Fosfor är mycket skadligt för manganstål. Den bildar en svag eutektisk fosfolipidfilm vid austenitkornens gränser. Fosfor är svårt att ta bort från manganstål och den mest effektiva metoden för att kontrollera det är noggrant val av laddningsmaterial. ASTM A128 anger ett fosformaximum på 0,07 %, men det rekommenderas att hålla fosfornivån långt under denna nivå vid tillverkning av högkvalitativt manganstål.

Svavelelementeffekt i manganståldelar

Svavel, även om det inte är en fördel i de flesta stål, orsakar få problem i manganstål. De höga manganhalterna håller svavlet bundet i mangansulfidinneslutningar av sfäroidtyp.

Borelementeffekt i manganståldelar

Bor har använts för att försöka producera spannmålsförfining i manganstål. När bornivåerna ökar fälls emellertid ett sprött boridkarbid-eutektikum ut vid korngränserna. Bor påskyndar också nedbrytningen av austeniten om manganstålet återupphettas, vilket gör materialet osetsbart. Det rekommenderas inte att använda bor i manganstål.

Mr. Nick Sun     [email protected]