Stal wysokomanganowa trudnościeralna – 11G12 – X120Mn12
Stal Hadfielda
Prekursorem i wynalazcą, który opatentował w 1882 roku nowy gatunek o zawartości Manganu – Mn w średnim stężeniu 12%, był Robert Abbott Hadfield – Angielski metalurg urodzony w 28.11.1858r., w Sheffield, który dokonał przełomu odkrywając niezwykłą własność stali – wysokiej odporności na ścieranie w wyniku utwardzania się wyrobu podczas nacisku, poprzez dodanie do stali o zakresie węgla 1,00-1,25% Manganu w proporcji 1:10.
Nowo powstały gatunek okazał się wielkim sukcesem i do dziś jest wykorzystywany w produkcji podzespołów narażonych na ścieranie, co pchnęło rozwój gospodarczy w wielu krajach, a elementy dotychczas wykonywane z innych stali odpornych na ścieranie, zostały wyparte przez ich szybszą eksploatację.
Poza samą wysoką zawartością Węgla i Manganu w składzie chemicznym, Stal Hadfielda nie posiada więcej oddziałujących na własności dodatków stopowych poza samym Krzemem, który jest dodawany zazwyczaj standardowo w innych gatunkach. W niektórych odpowiednikach może występować niewielki zakres chromu, niklu i miedzi.
Stali wysokomanganowej w Polsce nadano nazwanę 11G12, która nie jest objęta normami resortowymi i państwowymi i jedynie występuje wg normy branżowej BN-68/0631-04, BN-90/0631-03. Jej odpowiednikiem wg niemieckiej normy DIN jest – X120Mn12.
Stal Hadfielda jako jedna z nielicznych stali węglowych stopowych, posiada strukturę austenityczną. Nabywa swoich własności dopiero w stanie po przesyceniu w wodzie lub oleju (przy mniejszych detalach) z temperatury 1000-1050℃. Wyroby ze stali wysokomanganowej są niemagnetyczne, jednak w stanie odpuszczonym, źle obrobionym cieplnie lub utwardzonym na zimno stal wykazuje częściowo własności ferromagnetyczne.
Prócz odporności na ścieranie, stal hadfielda wykazuje odporność na nacisk i uderzenia, jednak przy cześciach narażonych na tarcie i ścieranie bez nacisku - szmerglowanie, wyrób nie utwardza się, w wyniku czego wierzchnia warstwa może ulegać ścieraniu. Nawiązując do niezwykle wysokiej odporności na ścieranie, drugą stroną medalu jest niezwykle trudna obróbka mechaniczna materiału.
Aby przygotować wyrób do obróbki mechanicznej, celowo wygrzewa się stal hadfielda do temperatury w granicach 500℃ z następnym szybkim ochładzaniem w wodzie, co nadaje stali manganowej strukturę martenzytyczną.
Poza samym gatunkiem 11G12 do stali trudnościeralnych należał również niezwykle mało dostępny gatunek 55G15 wg normy BN-68/0631-03.
Jak obrabiać mechanicznie stal trudnościeralną X120Mn12, 1.3401
Wyroby ze stali wysokomanganowej 12% obrabia się głównie za pomocą ściernic z węglika krzemu SiC o ziarnie grubym 16-36 i wiązaniu półtwardym. W przypadku pęknięć do wykonania szlifu stosuje sięściernice tarczowe dwustronnie stożkowe, a do szlifowania pęcherzy - ściernice trzpieniowe. Szlif należy wykonywać na sucho, z średnim naciskiem aby nie dopuścić do nagrzania materiału, które wywoła zmiany strukturalne i osłabi wyrób.
Stale szybkotnące takie jak np. SW18 są za słabe do jakiejkolwiek obróbki stali hadfielda. W tym celu przy doborze niskich parametrów obróbki wiórowej, można stosować stal szybkotnącą wg starej normy SK10 - odpowiednik HS18-0-1-10, 1.3265 wg DIN/EN. Ułatwiając obróbkę można zastosować węgliki spiekane w gatunku H20. Stan przesycony materiału nie skreśla możliwości obróbki mechanicznej, jednak dotkliwie ją utrudnia, to też w stanie utwardzonym na zimno i żarzonym w temperaturze 540-560℃ obróbka będzie o 1-2 godziny szybsza. Po zabiegu obróbki stal musi zostać przesycona. Ponadto należy nadmienić - przy montażu fabrykantu, że stal w stanie żarzonym posiada inną objętość niż w stanie przesyconym. Obróbkę wiórową należy wykonywać tylko na najlepszych obrabiarkach nie wykazujących drgań i wstrząsów.
Najprostszą metodą obrabiania powierzchni wyrobu na gotowo jest szlifowanie średnim naciskiem na sucho, aby nie dopuścić do nagrzania mogącego wywołać zmiany struktury wyrobu. Stal tą można również przy mniejszych przekrojach ciąć palnikiem acetylenowo-tlenowym, zaś obróbka skrawaniem możliwa jest przy zastosowaniu narzędzi ze stali szybkotnących kobaltowych, bądź nakładkami z węglików spiekanych.
| Orientacyjne wartości współczynnika rozszerzalności liniowej stali niemagnetycznych α.106 między 20℃ a temperaturą podaną niżej | Orientacyjne współczynniki przewodnictwa cieplnego stali niemagnetycznych przy róźnych temperaturach | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| mm/m/ ℃ | Kal/cm.sek. ℃ | ||||||||||
| 100℃ | 200℃ | 300℃ | 400℃ | 500℃ | 20℃ | 100℃ | 200℃ | 300℃ | 400℃ | 500℃ | |
| 16,5 | 17,2 | 17,5 | 18,5 | 18,8 | 0,035 | 0,038 | 0,042 | 0,045 | 0,047 | 0,050 | |
Jakimi metodami ciąć stal X120Mn12, 1.3401, 11G12
Cięcie palnikiem acetylenowo-tlenowym austenitycznej stali 11G12, nie jest trudniejsze niż cięcie zwykłych stali węglowych. Przy zabiegu należy uwzględnić możliwość powstania zmian strukturalnych wywołanych nagrzaniem od wysokiej temperatury płomienia. Aby ciąć materiał z należytą szybkością z równomiernym posuwem i odległością palnika od powierzchni wyrobu, zaleca się przeprowadzać przy pomocy urządzeń automatycznych, lub półautomatycznych stosując najkorzystniejsze parametry cięcia przystosowane do grubości ciętego materiału czyli - dobór dobrej dyszy tlenowej, łuski, ciśnienia gazu i tlenu.
Krawędzie cięcia, na których nie da się uniknąć silniejszego tworzenia zgorzeliny i drobnych& zmian strukturalnych, należy oszlifować na głębokość od 1-2mm. Przy cięciu palnikiem zaleca się stosować intensywne chłodzenie okolic cięcia natryskiem wodnym, aby nie dopuścić do zmian strukturalnych w miejscu ciętym palnikiem.
W materiałach z gatunku X120Mn12 można swobodnie wycinać z powodzeniem również otwory za pomocą palnika.
Spawanie i napawanie stali X120Mn12 - elektrody, zabiegi dodatkowe i uwagi
W wyniku małej trwałości struktury austenitycznej stali wysokomanganowej X120Mn12 i 11G12 w podwyższonych temperaturach, jedyną metodą spawania i napawania gwarantującą najniższe nagrzanie i przebywanie stali w temperaturach rozpadu austenitu, jest spawanie i napawanie łukiem elektrycznym elektrodami o małej średnicy i niskim natężeniu prądu. Dobór odpowiedniego gatunku elektrod niweluje ryzyko powstania odkształceń połączeń spawanych i tworzenia się pęknięć w spoinie. Do spawania stosuje się elektrody ES18-8, ES18-8-6, ES24-18, oraz EN400Mn.
Stal 11G12 nie znosi bez pogorszenia jej wysokich własności mechanicznych wolnego podgrzewania i chłodzenia w temperaturach około 400-900℃. Długotrwałe ciepło spawania prowadzi do częściowego rozpadu struktury austenitycznej i wydzielania węglików wzdłuż granic ziarn nie tylko w spoinie lub napoinie, lecz również w materiale rodzimym, tzn. w strefie przyspoinowej.
Blachy, odkuwki i pręty ze stali trudnościeralnej wysokomanganowej
Powyżej opisane stale wysokomanganowe trudnościeralne określa Norma branżowa BN-68/0631-03, BN-68/0631-04, BN-90/0631-04 oraz Norma PN-EN ISO 4957, wg których dostarczane są:
- Wyroby płaskie wg PN-EN 10029, PN-EN 10163
- Wyroby kute swobodnie wg PN-81/H-93020, PN-84/H-94004
- Odlewy staliwo wg PN-H-83160, PN-EN 10349,