Марганцевые стали представляют собой отдельную подгруппу высоколегированных конструкционных сталей, химический состав которых состоит в основном из никеля, кобальта и молибдена. По самому химическому составу можно сказать, что они находятся между группой железо-никелевых сплавов, инструментальных сталей и конструкционных сталей для термообработки. Дело в том, что углерод, присутствующий в легированных марках для упрочнения, закалки или азотирования, находится в гораздо большей концентрации (обычно >0,1%), что в случае марганцевых сталей ограничивается <0,03%.

Второй вопрос, который необходимо учитывать, — это твердый раствор углерода и карбидные фазы, которые вытесняются выделением интерметаллических фаз. Марганцевые стали являются одними из самых прочных видов железо-никелевых сплавов с высокой пластичностью, которые, как одни из немногих, могут работать в широком диапазоне температур: от -200 до 600℃, а их закаливаемость практически неограниченна.

Другие характеристики включают хорошую обрабатываемость, свариваемость и возможность непрерывной работы при высоких и пониженных температурах (в зависимости от марки). Название «мартенситно-стареющие» происходит от сочетания двух слов, относящихся к термической обработке и структуре, полученной после нее, - мартенсит и старение - Martensite + aging в английском языке.

Термическая обработка

Термическая обработка марганцевых сталей представляет собой процесс пересыщения, при котором сталь приобретает мартенситную структуру в результате старения. Она заключается в закаливании изделия, как правило, в диапазоне температур 800-900 °C в зависимости от марки, с охлаждением на воздухе. Отпуск осуществляется при температуре 450–550 °C. В процессе закалки можно достичь прочности на разрыв порядка 1000–1200 МПа и твердости в диапазоне 30–40 HRC.

Однако неполная термообработка не гарантирует получение полностью удовлетворительных механических свойств. Благодаря отпуску материалы Maraging приобретают твердость порядка 40-60 HRC, при этом прочность Rm можно оценить в пределах 1500 - 2200 МПа. Процесс закалки или перенасыщения стали Maraging приводит к образованию мартенситной структуры.

Химический состав и характеристики

Химический состав стали включает, среди прочего, никель, кобальт, титан и молибден. Остальные компоненты, присутствующие в небольших количествах, — это алюминий, иногда хром, цирконий, вольфрам, ниобий и бериллий. Каждый из вышеперечисленных основных легирующих добавок оказывает существенное влияние на механические и физические свойства, структуру материала и характеристики при работе в различных средах.

Ограничение содержания углерода было введено с целью устранения нежелательных карбидов. Никель, как один из наиболее ценных легирующих добавок, делает материал устойчивым к хрупкому разрушению, снижает порог хрупкости, отвечает за закаливаемость и, следовательно, облегчает превращение структуры в мартенситную. Кобальт значительно влияет на твердость и прочность, особенно при повышенных температурах. Отсутствие необходимого количества углерода в составе требует использования заменителя, который усилит прочностные свойства и твердость.

Кобальт дополнительно снижает растворимость молибдена и вольфрама в альфа-железе. Молибден — третий по концентрации элемент, который сильно взаимодействует с кобальтом. Он положительно влияет на пластичность стали, дополнительно способствуя образованию межметаллических фаз внутри зерен.

Титан, присутствующий в ограниченной концентрации, упрочняет сплав. В заключение разговора о различных легирующих добавках следует упомянуть о негативном влиянии азота, фосфора и серы. Два последних элемента в почти всех видах стали, за исключением автоматических марок, считаются примесями, а азот способствует образованию азотидов.

Марганцевая сталь и ее применение

Марганцевые стали, несомненно, представляют собой уникальный класс высоколегированных сталей, потенциал которых можно обосновать широким применением в оборонной, авиационной, химической промышленности, космонавтике, судостроении, нефтяной и нефтехимической промышленности, строительстве и энергетике.

Эти марганцевые стали используются в производстве высоконапорных резервуаров, установок, лопастей роторов и паровых турбин, деталей ракетных двигателей, корпусов и обшивки кораблей, ответственных пружин, подшипников, стволов скорострельных орудий, огнестрельного оружия, шарниров крыльев, валов вертолетов, валов газовых турбин, а также зубчатых колес, батискафов, дисков компрессоров, предохранительных клапанов, роторов судовых генераторов, некоторых шатунов, приводных валов, элементов распределительного механизма транспортных средств и подшипников.

Для многих читателей может оказаться интересным тот факт, что изделия типа maraging могут быть условно отнесены к группе инструментов или быстрорежущих сталей — конечно, с учетом области применения, можно встретить изготовленные инструменты и матрицы для горячей обработки, а также специальные ножи, детали станков.