Сталь гадфильда 110г13л сварка

Обновлено: 24.01.2025

Цифра 110 в обозначении стали 110Г13Л обозначает среднее содержание углерода в стали сотых долях процента, т.е. среднее содержание углерода в стали 1,1%.

Буква Г озгначает, что сталь легирована марганцем, а цифра 13 за буквой указывает среднее содержание марганца в целых единицах, т.е. среднее содержание марганца в стали 13%.

Буква Л в конце марки стали означает, что сталь литейная.

Характеристики и применение

Высокомарганцевая аустенитная сталь 110Г13Л (сталь Гадфильда) разработана специально в качестве литейной и не имеет аналогов среди деформируемых. После закалки в воде с 1100 °C имеет аустенитную структуру и характеризуется сочетанием очень высокой износостойкости и ударной вязкости.

Согласно ГОСТ 977-88 сталь 110Г13Л обладает высоким сопротивлением износу при одновременном воздействии высоких давлений или ударных нагрузок. Применяется для изготовления:

Корпуса вихревых и шаровых мельниц,
щеки и конуса дробилок,
трамвайные и железнодорожные стрелки и крестовины,
гусеничные траки,
звездочки,
зубья и передние стенки ковшей экскаваторов,
железнодорожные крестовины и др. тяжелонагруженные детали,
другие детали, работающие на ударный износ
работающие под действием статических и высоких динамических нагрузок и от которых требуется высокая износостойкость.

Сталь 110Г13Л не применяется для сварных конструкций.

Химический состав, % (ГОСТ 2176-77)

C	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	S	Р
C	Si	Mn	не более
0,90-1,40	0,80-1,00	11,50-15,00	1,00	1,00	—	0,05	0,120

Химический состав, % (ГОСТ 977-88)

C	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	S	Р
C	Si	Mn	не более
0,90-1,50	0,30-1,00	11,50-15,00	1,00	1,00	0,30	0,050	0,12

Химический состав, % (ГОСТ 21357-87)

C	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	S	Р
C	Si	Mn	не более
0,90-1,20	0,40-0,90	11,50-14,50	0,30	0,30	0,30	—	—

ПРИМЕЧАНИЕ. Для повышения износостойкости отливок из стали 110Г13Л допускается ее микролегирование титаном до 0,05%, ванадием до 0,3%, молибденом до 0,2%.

Механические свойства отливок сечением 30 мм при различных температурах испытания

σ_0,2, МПа	σ_в, МПа	δ₅, %	ψ, %	KCU, Дж/см 2 , при температуре испытаний, °С					Твердость НВ
σ_0,2, МПа	σ_в, МПа	δ₅, %	ψ, %	+20	-20	-40	-60	-80	Твердость НВ
360-380	654-830	34-53	34-43	260-350	240-320	220-300	190-300	90-210	186-229

ПРИМЕЧАНИЕ. Закалка с 1050-1100 °С в воде.

Предел выносливости

Предел длительной прочности [85]

σ₂₀₀ 1000 = 882 МПа; σ₅₅₀ 1000 = 107 МПа; σ₃₀₀ 1000 = 686 МПа; σ₄₀₀ 1000 = 441 МПа.

Характеристика стали Гадфильда: состав, применение

Металлургическая отрасль - одна из важнейших составляющих ВВП каждой страны, также она производит уникальные и полезные материалы. Без производимой металлургическими заводами продукции человечество не смогло бы обойтись. Сталь – один из них. Существуют разные виды этого материала, которые применяются во многих отраслях. Сталь, которая обладает высокой пластичностью и степенью износа, она же – сталь Гадфильда, – уникальный сплав. Требования к нему регламентируются ГОСТом 977-88 и зарубежными аналогами (США, Англия, Германия, Китай, Япония, Финляндия, Испания, Корея).

История стали Гадфильда

Исходя из названия, можно утверждать, что именно Роберт Гадфильд получил этот сплав. Кем же был этот разработчик? Роберт Гадфильд – английский металлург, который получил сплав с повышенной прочностью в 1882 году. Достаточно быстро эта сталь получила распространение и оказалась весьма уникальным материалом.

После того как Гадфильд разработал уникальную сталь, его разработкой заинтересовались военные. Это неудивительно, так как подобный сплав является неотъемлемым компонентом для создания защитной экипировки для военных.

Пехотные шлемы повышенной прочности – первая защитная экипировка, в основе которой лежит сталь Гадфильда. Подобные шлемы использовались солдатами британской армии, затем разработкой заинтересовались военные США и начали их производство. До 80-х технология стали Гадфильда не изменялась. Но с 80-х годов был разработан органопластик, который по прочности не уступал материалу, разработанному британским металлургом, но был намного легче.

Шлемы для пехоты – это не единственное применение стали Гадфильда. Британская компания «Виккерс» первой начала использовать для других целей эту высококачественную сталь. Гусеничный танковый трак начали производить из сплава Гадфильда в 20-х годах. Сталь увеличила пробег танковых траков с 500 до 4800 километров. Во время Первой мировой войны подобное увеличение пробега считали чуть ли не чудом. Сталь Гадфильда стала незаменимой для танкостроения. Вскоре этот сплав применяли не только в танкостроении, но и в других отраслях. В СССР сталь Гадфильда начала выплавляться в 1936 году.

Сталь Гадфильда: состав

Элемент (табл. Менделеева)

Анализируя химический состав, в особенности процентное содержание углерода и марганца, можно увидеть, что это аустенитная сталь. Подобная структура повышает износостойкость и упрочняет сплав. Таким образом, сталь является стойкой к деформационным процессам, обладая высокой степенью пластичности и ударной вязкостью. Металлурги утверждают, что этот сплав был первой легированной сталью, которую начали массово производить.

Свойства стали Гадфильда

Благодаря своим свойствам аустенитная сталь не могла обрабатываться режущими инструментами, так как обладает высокой вязкостью. Для изготовления продукции из этого материала может подойти только литье.

Сплав Гадфильда имеет высокую способность к наклепу, которая значительно выше, чем у аналогичных стальных сплавов. Аустенитная сталь имеет низкую твердость, но и высокую износостойкость при ударах, высоком давлении и при температурных перепадах. Исходя из этих характеристик можно говорить о том, что сталь британского металлурга подходит для работы в агрессивных средах.

Особенности технологии сварки стали Гадфильда

Теплопроводность аустенита значительно ниже, чем у других сталей, в 4-6 раз. Коэффициент теплового расширения в разы больше, чем у малоуглеродистых сталей – в 1,9 раз. Это очень важные характеристики металла, так как влияет на возможность возникновения холодных трещин в области воздействия температур.

Существует значительная вероятность и горячих трещин, что связано с литейной усадкой сплава, которая в 1,6 раза больше малоуглеродистого металла. Высокая температура трансформирует аустенитную структуру в мартенситную, что повышает риск возникновения трещин в области воздействия высоких температур.

Сферы применения стали Гадфильда

Благодаря своему химическому составу, характеристикам и особенностям аустенит используется во многих отраслях. Используя стальные изделия, можно быть уверенным в их надежности и высочайшей прочности.

Износостойкая сталь является достаточно популярным материалом. Огромное количество промышленных предприятий, которые производят высокопрочную продукцию, используют сталь Гадфильда. Следующую продукцию производят из этого сплава:

Машиностроительную продукцию.
Траки гусениц танков.
Тракторы.
Железнодорожные крестовины.
Стрелочные переводы, способные работать в жестких ударных нагрузках и условиях истирания.
Тюремные решетки на окна.
Компоненты дробилок.

Занимательным является изготовление тюремных решеток из аустенита. Многие считают, что это форменное издевательство над заключенными, которые предпринимают попытку к бегству. Согласно классике жанра многие родственники проносят ножовки для заключенных, которые в надежде на свободу начинают пилить оконные решетки.

В случае использования обычного металла существует вероятность побега. Но сплав Гадфильда – это износостойкая сталь, которую обычной ножовкой распилить невозможно. Если начать распиливать решетки из сплава Гадфильда, то начинается наклеп поверхности, что влечет за собой упрочнение аустенита. Ножовка увеличивает твердость решетки до твердости ножовки и выше. Поэтому можно говорить о нереальности побега.

Сталь 110Г13Л

Марка стали 110Г13Л – легированная, которая используется для отливок и имеет особые свойства. Эта сталь имеет высокую износостойкость при ударах или перепадах давления.

Применение марки стали 110Г13Л

Эту марку стали используют при производстве следующих материалов:

Тяжелонагруженные детали, которые должны быть износостойкими.
Конус дробилки.
Зубья, стенки экскаваторов.
Корпус шаровых, вихревых мельниц.

Аналоги марки стали

Подобную сталь выпускают многие страны.

Свойства марки стали 110Г13Л

Технологические и механические свойства материала приведены в таблицах.

Не используется для изготовления сварных конструкций

Механические свойства при Т=20 o С марки стали 110Г13Л

Отливки, ГОСТ 21357-87

Закалка 1050 - 1100 ° C, в воде происходит охлаждение

Мех. свойства устанавливаются по требованиям заказчика

Термическая обработка

Термическая обработка стали Гадфильда напрямую зависит от уровня содержания углерода в сплаве. Чем высший уровень углерода, тем выше должна быть температура. К примеру, если в сплаве он находится на уровне 1%, то температура должна быть не ниже 900 градусов. Если углерода 1,5%, то обработка возможна при 1000 градусов. Если в сплаве углерод находится на уровне 1,6%, то температура должна быть выше 1050 градусов. Затем следует охлаждение водой.

Высокая температура необходима для полного растворения карбидов, ухудшающих качество отливки, и для роста аустенитных зерен. Срок выдержки отливки зависит от ее толщины. Так, толщина в 30 миллиметров требует выдержки в 4 часа, а в 125 миллиметров - в 24 часа.

Износоустойчивость стали Гадфильда в литом состоянии такая же, как и после закалки. Структура аустенита окружается карбидной сеткой и ведет себя в условиях износа так же, как и однородный закаленный сплав. Именно поэтому можно утверждать, что литый аустенит в некоторых микрообъемах имеет ту же вязкость и износостойкость, что и закаленная сталь. Ее повышенная хрупкость объясняется влиянием карбидной сетки, которая вызывает сильную концентрацию внутренних напряжений.

Сталь Гадфильда была разработана несколько десятилетий назад. Сегодня легированная сталь – это неотъемлемая часть производства многих товаров в разных отраслях. Без нее такие отрасли, как машиностроение, нефтегазовая, химическая, пищевая, энергетическая промышленности не смогли бы нормально функционировать. Не стоит забывать о строительстве, танкостроении и разработке новых видов оружия, которые используют новые достижения металлургической промышленности. Однако инженеры и металлурги не до конца понимают все свойства, особенности и характеристики легированных сталей.

Сталь 110Г13Л (сталь Гадфильда)

Области применения стали Гадфильда

Одним из самых интересных материалов, производимых в металлургии, можно назвать сталь Гадфильда. Это первая легированная, высокомарганцовистая сталь массового выпуска и активного применения. Из-за своих необычных свойств она применяется в тех областях народного хозяйства, где все остальные виды стали не подходят. Ее вполне заслуженно можно назвать суперсталью. Она имеет низкую твердость, но хорошую износостойкость при ударах, высоком давлении и перепадах температуры. Эта сталь подходит для использования в агрессивных средах и экстремальных условиях.

Легирование

марганец,
титан,
кобальт,
вольфрам,
алюминий,
никель,
хром,
кремний,
ванадий,
ниобий.

Все эти добавки по-разному влияют на конечные качества получаемого сплава. Прежде чем целенаправленно добавлять в металл легирующие составляющие, люди познакомились с природными легированными сплавами, буквально упавшими с неба в виде железных метеоритов. Это железо применялось уже давно. Оно содержит до 8,5% никеля — активно применяемого сегодня легирующего элемента.

Изобретен этот вид стали был в 1882 г металлургом-англичанином Робертом Гадфильдом (был принят в почетные члены Академии Наук СССР в 1933 г.). Это высокопластичная сталь с большим содержанием марганца. Получилась эта марка стали настолько удачной, что и сейчас, практически без изменений в химическом составе, широко используется в самых разных отраслях промышленности. В СССР технологию выплавки этой стали освоили к 1936 году. В России и среди стран-членов Содружества Независимых Государств она известна под маркой 110Г13Л (или Г13Л). Литера «Л» обозначает, что эта сталь — для литья. Требования регламентируются ГОСТом 977-88 и его аналогами за рубежом.

Область применения

Изготавливают из нее части механизмов, рельсовые крестовины, стрелочные переводы, сердечники для прокатки труб, гусеничные траки, броневые листы, детали дробилок, козырьки землечерпательных машин, все устройства, где требуется особая стойкость к износу при больших давлениях, ударным нагрузкам и истиранию. До 80-х годов из нее изготавливались защитные шлемы для солдат в британской и американской армиях. За двадцатый век их было выпущено порядка 30 миллионов штук. Эти шлемы — лишь один из способов использования стали Гадфильда. В 20-х годах из нее начали изготавливать траки для танков — это та часть гусениц, которая подвергается наибольшему воздействию и истиранию при передвижении тяжелых машин. Изготовленные из этой стали они позволили увеличить пробег техники без ремонта гусениц или их замены почти в 10 раз, с 500 км до 4800 км.

Сталь Гадфильда очень важна, она стала незаменимой в военной промышленности и танкостроении. С течением времени этот вид стали начали применять и в других областях деятельности.

Состав и свойства

Fe — 82%,
Mn — 11,5-15%,
C — 0,9-1,6%,
Si — 0,3-1%,
другие составляющие — до 5%.

При таком проценте марганца и углерода сталь имеет аустенитную структуру. Именно она придает металлу повышенную стойкость к износам и склонность к увеличению прочности при нарушении геометрии первоначальной формы в результате удара. Аустенит — это структура металла, определяющая его технические характеристики, которые невозможно получить в другом состоянии, так как при изменении строения изменяются и свойства. Это твердый раствор углерода и легирующих компонентов в железе. Количество углерода и количество марганца в сплаве прямо связаны между собой. При увеличении количества углерода, необходимо увеличивать и содержание марганца. Длительность эксплуатации защитных покрытий, изготовленных из стали Гадфильда (футеровок), зависит именно от количества углерода в металле. Так как марганец — активный металл, то сталь Гадфильда имеет повышенную слабость к коррозии, это существенный недостаток этого сплава.

Изделия из этой стали требуют особого ухода для защиты от коррозионного разрушения.

Упрочнение

Упрочнение при ударной деформации, или нагартовка — это процесс, применяемый для увеличения прочности металла, которое не может быть получено термическим воздействием (закалкой). Эта технология обработки направлена на изменение формы изделия методом холодной ковки, пластической деформации, ввода в металл механической энергии. В результате чего твердость сплава повышается, увеличивается его прочность, но уменьшается пластичность.

А невозможность закалки стали Гадфильда с получением привычного эффекта — упрочнения закаляемой детали – заметил сам изобретатель этого вида металла. При попытке закалить образец выяснилось, что металл стал не тверже, а мягче. Замена сред закалки не помогла, образец оставался мягким. Неожиданным было и то, что новая сталь не поддавалась ни токарной, ни фрезерной обработке. При попытке отковать образец холодным способом, без нагрева, участки, подвергнувшиеся ударам молота, стали твердыми. И чем большее количество ударов они получали, тем тверже становились. Попытка обработать металл напильником также закончилась неудачей. Чем сильнее был нажим напильника, тем сильнее было сопротивление металла, образец становился все более твердым.

Из-за невозможности перепилить прут из стали Гадфильда напильником, она применяется для изготовления тюремных решеток. При попытке перерезания прутка такой решетки, происходит сильный наклеп той части, которая подвергается воздействию. Значительно увеличивается твердость стали, до твердости самого напильника и даже выше. В результате попытка перепилить тюремную решетку обречена на провал.

Что такое наклеп?

Наклеп — увеличение прочности металлов и сплавов вследствие изменения их структуры в процессе пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации. То есть температуры, при которой на месте потерявших форму, вытянутых зерен металла начинают возникать и расти новые зерна с неискаженной решеткой, правильной округлой формы. При наклепе металла его плотность уменьшается, происходит это из-за нарушения порядка в расположении атомов, искажения атомной решетки, образования микропор, увеличения плотности дефектов. Уменьшение плотности означает увеличение удельного объема единицы массы. Наружный наклепанный слой стремится расшириться, а внутренние не позволяют ему этого сделать. В металле возникают остаточные сжимающие напряжения. Они бывают очень полезными, так как способны приостанавливать процесс появления и увеличения поверхностных усталостных трещин.

Нельзя гарантировать равномерное постоянство удельных давлений в шарнире в пределах от 80 до 200 кг/см, при которых проявляется способность стали к наклепу, и тем самым выявляется ее свойство противостоять износу. Ниже этих показателей наклеп стали Гадфильда не наблюдается, а выше — возникает ее остаточная деформация, соответственно нельзя полноценно использовать её способности. Многочисленные наблюдения за работой тракторов СТЗ НАТИ в поле показали, что после примерно тысячи часов эксплуатации износ отверстий проушин шарнирных соединений равен 0,3 — 0,4 см, а в результате полутора-двух тысяч часов работы проушины истираются практически на всю толщину стенки 0,8 см или разрушаются ранее.

Изменение свойств сплава

Когда металл подвергается механическому воздействию, в нем образуются микроскопические дефекты — дислокации, если такое воздействие продолжается, эти дефекты начинают смещаться и взаимодействовать. Они образуют новую структуру материала, которая сопротивляется дальнейшему пластическому изменению формы. Эта структура увеличивает способность металла сопротивляться прилагаемым усилиям, повышает предел текучести материала и снижает его вязкость. Это очень важно для тех металлов и сплавов, которые не упрочняются при термообработке.

При комнатной температуре сталь Гадфильда практически немагнитна, но, после холодной деформации, появляются магнитные свойства. Это явление сопровождается появлением в структуре металла плотных плоскостей скольжения дислокаций, которые дробят зерна на отдельные блоки. Открытием Гадфильда и Хопкинсона стало то, что испытание образца стали на разрыв, придало ему слабомагнитные свойства. Появление ферромагнетизма показывает, что после такого вида нагрузок, часть металла переходит в состояние а-железа.

Способы обработки

Холодная обработка металлов давлением — известный способ намеренного создания наклепа. Типичными технологическими процессами такой обработки металлов являются волочение, холодная ковка, прокатка, прессование (экструзия). Если переусердствовать с обработкой, то деталь из стали Гадфильда может развалиться на куски из-за усиливающихся внутренних напряжений, которые ее разрушают. Поэтому при обработке, например, лезвия ножа, которое рекомендуется слегка отбить перед итоговой заточкой, или отбивке косы (а это и есть холодная ковка), нужно наносить очень легкие удары и внимательно относиться к отдаче от молотка. Как только он начинает отскакивать, значит пора прекращать удары, иначе лезвие может раскрошиться.

Из-за высокой вязкости стали Гадфильда, детали из нее практически не могут обрабатываться режущими инструментами. Для массового изготовления продукции из этой стали подходит только литье. Формы для отливки должны быть выполнены очень тщательно, чтобы изготовленные детали не подвергать дополнительной обработке. После отливки изделия и застывания металла, качество стали достаточно низкое, так как на границе зерен аустенита есть мелкие включения карбидов, которые легко образуют трещины между зернами и приводят к быстрому разрушению. Токарная обработка возможна лишь с применением быстрорежущих сталей с высокой теплостойкостью. То есть инструмент, при возникающих в режущей кромке высоких температурах, должен сохранять высокую твердость и противостоять износу.

Особенности закалки и сварки

Если углерода 1%, то температура должна быть не ниже 900 градусов.
Если углерода 1,5% — 1000 градусов.
При количестве углерода на уровне 1,6% — температура нагрева выше 1050 градусов.

Нагрев должен быть очень медленным, не более 150 градусов в час, с последующей выдержкой в зависимости от размеров отливки и заключительным охлаждением водой.

При толщине отливки в 30 мм потребуется 4 часа выдержки, а в 125 мм — сутки. Такая обработка полностью убирает наклеп, переводит металл в аустенит, выравнивая его структуру. Соответственно твердость стали после закалки низкая, а вязкость высокая.

При сварке этого вида стали обязательно нужно учитывать ее особенности. В зоне термического воздействия и в наплавленном металле, из-за изменения при нагреве аустенитной структуры металла в мартенситную, высока вероятность появления холодных трещин из-за низкой, в 4-6 раз меньше, по сравнению с другими видами сталей, теплопроводности и увеличенного в 1,9 раз коэффициента теплового расширения. Есть вероятность появления и горячих трещин, так как литейная усадка стали Гадфильда более чем в полтора раза больше, чем любой малоуглеродистой стали. Поэтому рекомендуется сварочные работы проводить в проточной воде, либо, в крайнем случае, с последующим охлаждением шва.

Читайте также:

Марка стали	Рекомендуемый режим термической обработки	Предел текучести	Временное сопротивление	Относительное удлинение	Относительное сужение	Ударная вязкость		Твердость
						KCV(-60)	KCU(-60)
		МПа		%		кгс*м/см 2		НВ
110Г13Л	Закалка с 1050-1100 °С в воде	400	800	25	35	7,0	—	190