Энциклопедия

Хромомарганцевая сталь – это разновидность легированной стали, в которой основными легирующими элементами выступают хром и марганец. Такой сплав относится к высококачественным конструкционным материалам, обладающим сочетанием высокой прочности, износостойкости и коррозионной стойкости. Хром в составе обеспечивает образование на поверхности стали прочной оксидной плёнки, защищающей металл от ржавления (особенно при содержании хрома свыше ~12%, когда сталь становится нержавеющей). Марганец же улучшает прочностные характеристики и пластичность сплава, а также влияет на способность стали сохранять аустенитную структуру при различных температурах.

Хромомарганцевые стали широко применяются в промышленности благодаря выгодному сочетанию свойств и относительной экономичности. Добавка марганца позволяет частично или полностью заменить дорогой никель, что снижает себестоимость нержавеющих сталей без значительной потери рабочих характеристик. Такие стали востребованы в машиностроении, энергетике, металлургии и других отраслях B2B-сектора, где требуются материалы с высокой твёрдостью поверхности, вязкостью сердцевины и сопротивлением износу. Благодаря оптимальному балансу прочности и пластичности хромомарганцевые сплавы успешно конкурируют с хромоникелевыми сталями во многих областях применения.

Сталь данного типа обладает рядом отличительных черт. Она может быть как нержавеющей (при повышенном содержании Cr), так и обычной легированной, в зависимости от химического состава. Марганец увеличивает прокаливаемость стали и способствует сохранению аустенитной (немагнитной) структуры, особенно при добавлении азота. 

Многие марки таких сталей отличаются высокой ударной вязкостью, в том числе при низких температурах, и способностью к поверхностному самоупрочнению под нагрузкой (за счёт мартенситных превращений при ударе или трении). В то же время есть и ограничения: например, коррозионная стойкость хромомарганцевых нержавеющих сталей обычно немного ниже, чем у классических хромоникелевых сплавов 18/8, а обрабатываемость и свариваемость могут требовать специальных мер из-за склонности к наклёпу и образованию карбидных выделений. 

Далее в статье будут подробно рассмотрены состав, свойства, классификация, производство и области применения хромомарганцевых сталей, а также их преимущества и ограничения.

Определение и состав хромомарганцевой стали

Хромомарганцевая сталь – это сталь на основе железа, легированная преимущественно хромом и марганцем (обозначения элементов Cr и Mn соответственно). В зависимости от конкретной марки содержание хрома может варьироваться от небольших (~1%) до высоких концентраций (12–25% и более), а содержание марганца – от ~1% до 10–15% и выше.

В состав также обязательно входит углерод (обычно 0,1–0,5%, хотя в износостойких высокомарганцовистых сталях его доля может достигать ~1–1,2%) и могут присутствовать дополнительные легирующие элементы: кремний, никель, азот, молибден, бор, титан, ниобий и др. – в зависимости от назначения сплава. Таким образом, термин "хромомарганцевая сталь" объединяет группу сплавов, где Cr и Mn совместно обеспечивают нужные свойства материала.

Роль основных элементов

• Хром (Cr) является ключевым элементом для повышения коррозионной стойкости и жаростойкости стали. При содержании ≈12% и более он образует с железом твёрдый раствор, на поверхности которого формируется пассивирующая оксидная плёнка – это превращает сталь в коррозионностойкую (нержавеющую). Кроме того, хром повышает прокаливаемость и твёрдость стали благодаря образованию твёрдых карбидов хрома, что улучшает износоустойчивость инструмента и деталей. 
• Марганец (Mn) в составе стали играет несколько ролей. Он повышает прочность и ударную вязкость, особенно при пониженных температурах (например, увеличение содержания Mn повышает ударную вязкость стали на глубоком холоду). Также марганец является аустенитообразующим элементом: подобно никелю, он стабилизирует γ-фазу (аустенит) и препятствует образованию феррита, хотя его эффективность ниже, чем у никеля. Чтобы достичь того же аустенитного строения, марганца требуется примерно вдвое больше по массе, чем никеля. При высоком содержании марганец заметно увеличивает растворимость азота в жидкой стали, позволяя легировать сплав азотом (до ~0,5–0,6%) без специальных методов высокого давления. Внедрение азота дополнительно укрепляет кристаллическую решётку (усиление твёрдого раствора) и повышает прочность стали, хотя избыток N может несколько снизить пластичность.

Помимо Cr и Mn, в хромомарганцевых сталях обычно присутствуют и другие элементы. 

• Углерод (C) отвечает за твёрдость и закаливаемость: при повышении его содержания свыше ~0,3% можно получить полностью аустенитную структуру при умеренных долях Cr (~18%) и Mn (~9%), однако высокоуглеродистые стали хуже противостоят межкристаллитной коррозии. Поэтому в нержавеющих хромомарганцевых сплавах обычно стараются ограничить углерод или стабилизировать его карбиды с помощью добавок Ti, Nb и др. 
• Легирование азотом (N) – современный приём, позволяющий без повышения углерода сохранить аустенит; однако коррозионная стойкость Cr-Mn-N сталей несколько ниже, чем у классических Cr-Ni сталей. 
• Кремний (Si) часто вводится (~1–4%) как дешёвый раскислитель и для повышения прочности; в высококремнистых аустенитных CrMn-сталях кремний позволяет насытить раствор хромом до предельных значений, улучшая сочетание прочности и пластичности. 
• Присадка молибдена (Mo) и вольфрама (W) повышает жаропрочность и сопротивление ползучести при высоких температурах; титан (Ti) измельчает зерно и снижает склонность к перегреву и отпускной хрупкости. 
• Добавки редкоземельных элементов, бора, ниобия и др. используются в отдельных марках для улучшения жаростойкости и долгосрочной прочности (например, бор увеличивает стойкость к межкристаллитной коррозии в литых аустенитных сталях при малых дозах ~0,005%, но ухудшает при избытке >0,05% из-за образования боридов).

Сравнение с другими легированными сталями

По своему составу хромомарганцевые стали занимают промежуточное положение между хромистыми (Fe-Cr) и хромоникелевыми (Fe-Cr-Ni) сплавами. В классификации коррозионностойких сталей их выделяют в отдельную группу наряду с хромоникель-марганцевыми (Fe-Cr-Ni-Mn) системами. 

В отличие от классических хромоникелевых сталей (типа 08Х18Н10, содержащих ~8% Ni), хромомарганцевые аналоги часто содержат мало или вовсе не содержат никеля, заменяя его более дешёвым марганцем и азотом. Это удешевляет производство, но несколько снижает коррозионную стойкость в агрессивных средах – особенно в присутствии хлоридов – и температуру начала окалинообразования. 

С другой стороны, высокомарганцевые стали (такие, как знаменитая сталь Гадфилда с ~13%Mn) демонстрируют уникальную износостойкость за счёт эффекта самозакаливания при ударе, чего нет у обычных хромистых или никелевых сталей. 

Таким образом, выбор между Cr-Mn и Cr-Ni сталями зависит от приоритетных свойств и экономических факторов: хромомарганцевые сплавы рациональны там, где требуется прочность, износостойкость и допустимо чуть меньшее сопротивление коррозии, либо где высокая цена никеля делает альтернативные составы более выгодными.

Свойства хромомарганцевой стали

Ниже поговорим о ключевых характеристиках, которые важно учитывать при выборе данного материала.

Механические свойства

Хромомарганцевые стали характеризуются высокими показателями прочности в сочетании с хорошей пластичностью и ударной вязкостью. Конкретные свойства сильно зависят от состава и термообработки. 

• Конструкционные хромомарганцевые стали среднего состава (например, 30ХГСА: ~0,3% C, ~1% Cr, ~1% Mn, Si и др.) после закалки и отпуска способны обеспечивать предел прочности порядка 800–1000 МПа при относительном удлинении ~10–15% и ударной вязкости, достаточной для работы деталей под ударными нагрузками. 
• Цементуемые марки (типа 18ХГТ, 20ХГ) после насыщения углеродом и закалки приобретают сверхтвёрдую износостойкую поверхность (твёрдость закалённого слоя ~58–62 HRC) при вязкой сердцевине. 
• Высокомарганцевые аустенитные стали (12–14% Mn, 1% C) в исходном состоянии имеют умеренную прочность (~600–800 МПа) и твердость ~200 HB, но обладают чрезвычайно высокой работоспособностью под ударной нагрузкой: при эксплуатационных ударах поверхность такой стали наклёпывается, превращаясь частично в мартенсит, и упрочняется до твёрдости 450–550 HB. Этот эффект обеспечивает исключительную износостойкость – например, сталь 110Г13Л (аналог Hadfield Steel) широко применяется в дробильном оборудовании, гусеницах и др., сохраняя вязкость и не разрушаясь при мощных ударах.

Пластичность хромомарганцевых сталей, как правило, находится на высоком уровне. Аустенитные марки (особенно с легированием азотом) могут демонстрировать относительное удлинение 50–60% и более в холоднодеформированном состоянии, что упрощает холодную формовку изделий. 

Марганец в аустените способствует повышенной пластичности: повышение его содержания (в рамках однофазной аустенитной области) обычно уменьшает временное сопротивление разрыву, но увеличивает относительное удлинение стали. К примеру, при 8–12% Mn достигается наилучшее сочетание жаростойкости и пластичности окалины, тогда как при слишком низком (<8%) или высоком (>12%) содержании Mn наблюдается образование нежелательных хрупких эвтектик с оксидами ванадия, снижающих термическую стойкость сплава. 

Ударная вязкость хромомарганцевых сталей особенно высока у аустенитных разновидностей – они сохраняют вязкость вплоть до криогенных температур (отдельные марки, например 03Х13АГ19, не теряют пластичности вплоть до ~70 К) за счёт отсутствия фазовых превращений и высокой стабильности аустенита. При испытаниях литых образцов высокопрочной аустенитной стали с азотом была получена ударная работа разрушающего удара порядка 200–360 Дж/см², в сочетании с относительным сужением ψ = 50–70% и пределом текучести 360–450 МПа – это свидетельствует о выдающемся сочетании прочности и вязкости.

Коррозионная стойкость

Способность сопротивляться ржавлению у хромомарганцевых сталей определяется в основном содержанием хрома и присутствием других коррозионно-стойких элементов (Ni, Mo, N и т.д.). Нержавеющие хромомарганцевые стали обычно содержат от 12% до 18% Cr; при таких уровнях хрома они способны сохранять металлический блеск в атмосфере и агрессивных средах, образуя пассивную плёнку оксида хрома. Однако отсутствие никеля слегка снижает общую стойкость против некоторых видов коррозии. Например, аустенитная сталь типа 17-8-4-N (около 17% Cr, 8% Mn, 4% Ni + N) несколько менее устойчива в агрессивной среде, чем классическая 18-8 (18% Cr, 8% Ni), хотя и относится к коррозионностойким материалам. 

Опыт эксплуатации показал, что средняя глубина коррозии труб из жаростойкой хромомарганцевой стали ДИ59 (15% Cr, ~9% Mn, с N и др. легирующими элементами) за 5 лет работы составила всего 0,2 мм, тогда как у традиционной хромоникелевой стали 12Х18Н12Т за тот же период коррозионное разрушение достигало 0,4–0,5 мм. 

Таким образом, в ряде условий (например, при наличии сернистых соединений) хромомарганцевые сплавы могут даже превосходить по стойкости обычные нержавейки за счёт образования более тугоплавких сульфидов марганца вместо никелевых. В морской воде литые хромомарганцевые стали корродируют относительно медленно и равномерно (порядка 0,05–0,1 мм/год). 

Применение катодной защиты показывает, что такие стали не создают гальванических пар с углеродистой сталью (можно защищать совместно). Однако в сильных окислителях и кислотах устойчивость Cr-Mn сталей несколько уступает аналогичным Cr-Ni сплавам – к примеру, присутствие 0,5–1% Ni и Mo обычно требуется, чтобы избежать точечной коррозии в хлоридных растворах. 

В целом, правильно подобранный состав (соотношение Cr, Mn, N и других легирующих) играет решающую роль: коррозионная стойкость сильно зависит от оптимального баланса легирующих элементов под конкретную агрессивную среду.

Жаропрочность и твёрдость

Хромомарганцевые стали могут обладать хорошей жаростойкостью – сопротивлением окислению и ползучести при повышенных температурах – однако в этом отношении они часто уступают сплавам с никелем. 

 Механические свойства Cr-Mn сталей при нагреве приближаются к показателям ферритных хромистых сталей: прочность при высоких температурах относительно невысока. Так, хромомарганцевая сталь ДИ59 была разработана специально для работы при 600–650 °С в паровых котлах и показывает надёжность в условиях, где 12Х18Н12Т преждевременно теряет ресурс из-за образований сульфидных эвтектик. 

 Для повышения жаропрочности в состав хромомарганцевых сталей вводят специальные добавки – например, тот же ДИ59 содержит легирующие элементы, повышающие длительную прочность и стабильность аустенита при 700–800 °С. Принципиально, жаропрочность можно повысить за счёт твёрдого раствора (Cr, Mn, Si, N) и карбидного упрочнения (Ti, Nb, Mo). 

 Некоторые экспериментальные мартенситно-стареющие стали комбинируют систему Fe-Cr-Mn-Ni с элементами, образующими интерметаллиды (типа Fe-Ni-Co-Ti), достигая временного сопротивления разрыву до 2000–2500 МПа, однако это уже особый класс сплавов. 

 Твёрдость хромомарганцевых сталей сильно разнится: закаливаемые конструкционные имеют твердость сердцевины ~250–300 HB (после улучшения) при поверхностной закалке до 60 HRC, а высокомарганцевые аустенитные стали в поставочном состоянии – около 180–220 HB с возможностью повышения до ~500 HB в результате наклёпа. 

 Инструментальные хромомарганцевые стали для штампов (с Si, Ti) демонстрируют красностойкость и твёрдость, сравнимую с молибденовыми горячеработающими сталями: они устойчивы против разгара (смягчения) и износа при нагреве, обеспечивая долгий срок службы штампового инструмента.

Классификация и маркировка

Хромомарганцевые стали включают несколько подгрупп, различающихся по назначению и структуре сплава. Ниже приведены основные категории и примеры марок:

• Конструкционные хромомарганцевые стали
  
  Это легированные стали, предназначенные для деталей машин и механизмов. Делятся на цементуемые (низкоуглеродистые, для последующей цементации) и улучшаемые (среднеуглеродистые, для закалки и отпуска). Примеры: 18ХГТ (0,18% C; 1% Cr; 1% Mn; Ti) – цементуемая сталь, используемая для зубчатых колес, валов, цапф и других деталей, требующих твёрдой износостойкой поверхности и вязкой сердцевины.
  
  После цементации и закалки 18ХГТ обеспечивает высокую твёрдость поверхностного слоя при сохранении ударной вязкости основы; благодаря низкой флокеночувствительности она хорошо сваривается и выдерживает динамические нагрузки.
  
  Марка 30ХГСА (0,30% C; ~1% Cr; ~1% Mn; Si; качественная) – улучшенная конструкционная сталь повышенной прочности, применяется для тяжелонагруженных деталей (пальцы, оси, шестерни) после закалки и отпуска.
  
  К конструкционным также относятся стали типа 20ХГ, 38ХГН, 18Х2Г4 (с разным содержанием Cr, Mn, Ni) – они используются для валов, штоков, крепежа и т.д.
  
  Отличительная черта конструкционных Cr-Mn сталей – сочетание прочности с вязкостью; они обеспечивают надёжную работу деталей при ударных и переменных нагрузках длительное время.
• Инструментальные варианты
  
  Некоторые хромомарганцевые стали используются для изготовления инструмента – главным образом штампов, ножей, режущих и измерительных приспособлений. Как правило, это высокоуглеродистые сплавы с добавками кремния, ванадия, титана и др., обеспечивающие высокую твёрдость и красностойкость.
  
  Пример – опытная хромокремнемарганцевая сталь для горячих штампов (патент №98182): ~0,5% C; 1,5% Si; 1,2% Mn; 5% Cr + Ti или Zr. Она не содержит дефицитных Ni, Mo, W, но обладает высокой стойкостью против окалины и износа в нагретом состоянии. Другой пример – рельсовая сталь типа 80ХМФА (в составе ~0,8% C; Cr, Mn, V) применялась для ударного инструмента.
  
  Также к инструментальным можно отнести некоторые пружинные стали, например 65Г (0,65% C; 0,9% Mn) – хотя она без хрома, но аналогичные с Cr добавляют для повышения прочности.
  
  В целом, инструментальные хромомарганцевые сплавы характеризуются твёрдостью 60 HRC и выше после закалки, сохраняют режущие свойства при нагреве и относительно недороги благодаря отсутствию никеля и вольфрама. Однако их коррозионная стойкость невысока, поэтому они применяются преимущественно с покрытием или в условиях, не требующих нержавеющих свойств.
• Износостойкие высокомарганцевые стали
  
  Сюда относятся аустенитные стали с очень высоким содержанием Mn (10–14%) и обычно умеренным хромом (0–2%). Главный представитель – сталь Гадфилда (Hadfield Steel), в отечественной маркировке 110Г13Л (≈1,1% C; 13% Mn; литая).
  
  Эта сталь известна способностью сильно наклёпываться: при ударе её аустенит частично превращается в мартенсит, резко повышая твёрдость поверхности. Благодаря этому детали из 110Г13Л (дробильные плиты, шаровые мельницы, крестовины рельсовых переводов, гусеницы и др.) обладают самоужесточением в процессе работы и чрезвычайно стойки к истиранию. При этом исходная вязкость и способность поглощать удар у них очень высока, что предотвращает хрупкое разрушение.
  
  Некоторые легированные варианты высокомарганцевых сталей дополнительно содержат Cr (например, Hadfield X120Mn12 в стандарте DIN имеет ~1.2% C, ~12% Cr, ~12% Mn) или небольшие добавки молибдена – это несколько повышает прочность основы без потери износостойкости.
  
  К износостойким Cr-Mn материалам можно отнести и антифрикционные ковкие сплавы (например, аустенитный чугун с Cr и Mn для трущихся узлов), однако классическая 13%-ная марганцовистая сталь остаётся базовым решением для экстремальных ударных изношенных сред.
• Коррозионностойкие (нержавеющие) стали на базе Cr-Mn
  
  Это аустенитные или частично ферритные сплавы с высоким содержанием хрома (от 12% до 20%) и умеренным марганцем (обычно 5–10%), часто с небольшим процентом никеля и азота. Они относятся к аустенитному классу нержавеющих сталей и служат более дешёвой альтернативой традиционным 18Cr-8Ni сплавам.
  
  Примеры российских марок:
  
  2Х15Г9НД (≈12% Cr; 9% Mn; низкий Ni + N) – низконикелевая нержавейка, устойчивая в атмосфере и слабых кислотах, экономия никеля 25–50%.
  
  03Х13АГ19 (литейная ЧС36, ~13% Cr; 19% Mn; с Al, N) – немагнитная сталь аустенитного класса повышенной прочности при нормальной температуре и высокой вязкости вплоть до криогенных (~70К).
  
  Международные аналоги включают стали серии AISI 200 – например, AISI 201 (17% Cr; 5.5% Mn; ~4% Ni; 0.25% N), AISI 202 и др., применяемые для кухонной посуды, оборудования пищевой промышленности и бытовой техники.
  
  Есть также дуплексные (двухфазные феррито-аустенитные) Cr-Mn стали, в которых часть никеля заменена марганцем: пример – патентованная коррозионностойкая феррито-аустенитная сталь с ~24–26% Cr, 13–15% Mn и микродобавками Zr, Ca, Ba. Она сочетает высокую коррозионную стойкость в морской воде (скорость коррозии 0,0022–0,08 мм/год) с достаточной пластичностью и прочностью (σ_0.2 360–450 МПа).
  
  В целом, Cr-Mn нержавеющие стали сегодня получают всё большее распространение в качестве конструкционных нержавеющих сплавов, пригодных для сварных конструкций, оборудования пищевой и химической отраслей, где их несколько меньшая коррозионная стойкость компенсируется более высокой прочностью и экономической эффективностью.

В российской системе маркировки буквы Х и Г в обозначении стали указывают на присутствие хрома и марганца соответственно. Цифры перед буквами – средний процент С (в сотых долях), после букв – содержание данного легирующего элемента в целых процентах. 

 Например, сталь 18ХГТ содержит ~0,18% C, около 1% Cr и 1% Mn (буква Т указывает на титан до ~0,1% в составе). Марка 30ХГСА – ~0,30% C; 1% Cr; 1% Mn; С обозначает кремний (Si ~1,2%); А – высокая чистота (низкие S и P). 110Г13Л – литая сталь с ~1,10% C и ~13% Mn (Х не указано, т.к. Cr нет). 

 В европейских стандартах применяются аналогичные стали: так, 20MnCr5 (DIN/EN 1.7147) соответствует 20ХГ, X120Mn12 (DIN 1.3401) соответствует 110Г13Л, 20CrMnTi (китайский GB) аналогична 18ХГТ с добавкой Ti. 

 В стандартах AISI/SAE конструкционные Cr-Mn стали могут обозначаться по числовой системе – например, SAE 5120 (≈20ХГ) или 5115 (~15ХГ), инструментальные – как L2, L6 (легированные Ni-Cr-Mn стали для инструментов), а нержавеющие – серии 200 (201, 202). 

 Российские ГОСТы регламентируют состав и свойства: конструкционные – ГОСТ 4543, нержавеющие – ГОСТ 5632 (в последнем присутствуют низконикелевые аустенитные стали с марганцем, напр. 12Х15Г9НД, 10Х14Г14Н4Т и др.). 

 Для удобства идентификации при хранении проката принято цветовое маркирование: так, группа хромомарганцевых сталей обозначается синей и чёрной полосой по торцу прутка или пачки листов. На экспорт выпускаются аналогичные сплавы под стандартными обозначениями ASTM/AISI, что облегчает их применение в международных проектах.

Производство и обработка

Теперь поговорим о том, как изготавливается данная сталь и какие этапы обработки она может проходить.

Выплавка и металлургия

Производство хромомарганцевых сталей требует тщательного контроля состава из-за склонности сплава к поглощению газов (азота, водорода) и образованию нежелательных фаз при остывании. Как правило, такие стали выплавляются в электродуговых печах или индукционных печах, позволяющих точно дозировать легирующие элементы. 

 Марганец вводят в виде ферромарганца; хром – как феррохром или металлический хром. В процессе плавки важно провести качественное раскисление (кремнием, алюминием) во избежание газовой пористости, особенно при повышенном содержании марганца. 

 Благодаря тому, что марганец повышает растворимость азота, возможно легирование азотом прямо при выплавке – в обычной атмосфере печи можно растворить до ~0,5–0,6% N без образования пор. Некоторые высокопрочные марки специально насыщаются азотом с использованием азотированных шихтовых материалов либо в печах с азотной атмосферой. 

 Для обеспечения однородности структуры применяют внепечную обработку: вакуумирование (для удаления водорода и предотвращения флокенов), модифицирование шлака кальцием (для связывания серы) и микролегирование (титан, редкоземы – для связывания кислорода и азота в виде стабильных нитридов/оксидов).

 Особое внимание уделяется предотвращению горячих трещин и ликвации при разливке. Стали с высоким содержанием Cr, Mn и особенно с Al склонны к образованию литейных дефектов (горячих трещин, усадочных раковин), поэтому большое значение имеют оптимальная скорость охлаждения слитка и термическая обработка заготовок. 

 Литые заготовки высокомарганцевых сталей (например, 110Г13Л) обычно подвергают водоотливу (быстрому охлаждению) или специальному термическому режиму, чтобы избежать выделения карбидов по границам зерен, снижающих ударную вязкость. 

 Практикуется нормализация литых структур: нагрев до высокой температуры (1000–1050 °С) с выдержкой и быстрым охлаждением – это растворяет крупные карбиды и обеспечивает однородный аустенит. В некоторых случаях применяют изотермическую закалку или распад аустенита для получения заданной структуры.

Термическая обработка

Конструкционные хромомарганцевые стали обрабатываются по типовым режимам. Цементуемые марки (18ХГТ, 20ХГ и аналоги) сначала подвергаются цементации (насыщению углеродом) при ~900 °С, затем закаливаются (обычно в масло) и низкотемперируют. Это даёт твёрдость поверхностного слоя ~60 HRC и прочную сердцевину бейнитно-мартенситного строения. 

 Улучшаемые стали (30ХГСА и др.) закаливают от ~820–850 °С (масло или вода в зависимости от сечения) с последующим отпуском при 500–600 °С для снятия внутренних напряжений – после такого улучшения достигается баланс прочности (~800–900 МПа) и ударной вязкости. 

 Высокомарганцевые аустенитные стали (110Г13Л) термической обработке на твёрдость не поддаются – их структура остается аустенитной вне зависимости от охлаждения, поэтому стандартный режим для них – решёточный отжиг. Он проводится нагревом до ~1000–1100 °С с быстрым охлаждением (водой); цель – растворить карбиды и устранить ликвационные неоднородности. После такого отжига твердость 110Г13Л минимальна (~180 HB), но материал обладает максимальной пластичностью и готовностью к последующему наклёпу в эксплуатации. 

 Некоторые специальные аустенитные стали с азотом могут подвергаться холодной пластической деформации (прокатке, ковке) с последующим старением при ~700 °С, что повышает их прочность за счёт выделения нитридов (так у стали ДИ59 достигают повышения предела ползучести).

 Термообработка инструментальных Cr-Mn сталей обычно аналогична другим инструментальным: закалка с температуры 800–850 °С (масло) и высокий отпуск при ~200–300 °С для достижения стабильности структуры. Патентованная хромокремнемарганцевая сталь для штампов, например, рекомендовалась к закалке от 950 °С с отпуском при 300 °С – благодаря содержанию Ti/Zr она образует мелкодисперсные карбиды, препятствующие размягчению при нагреве. 

 Следует отметить, что при термообработке хромистых марганцовистых сталей важно избегать длительного нахождения в интервале 500–700 °С, так как возможно проявление отпускной хрупкости у некоторых составов. Добавка молибдена, как упоминалось, снижает склонность к этому явлению.

Механическая обработка и сварка

По технологичности обработки хромомарганцевые стали несколько отличаются от обычных сталей. Конструкционные низко- и среднеуглеродистые марки (типа 18ХГТ, 30ХГСА) обрабатываются резанием относительно неплохо в отожженном или улучшенном состоянии – их обрабатываемость близка к хромистым сталям. 

 Высокомарганцевые аустенитные стали, напротив, очень трудно поддаются резанию: вязкий аустенит при резании сильно наклёпывается, быстро затупляя инструмент. 

 Сталь Гадфилда обычно механически обрабатывают либо в закалённом состоянии специальным твердым инструментом с отрицательным передним углом, либо прибегают к шлифовке. 

 Современные твердосплавные резцы с охлаждением позволяют токарную обработку марганцевой стали, но с невысокой скоростью резания. 

 Сварка хромомарганцевых сталей также имеет особенности. Конструкционные стали с Cr и Mn можно сваривать всеми видами сварки без склонности к образованию холодных трещин (например, 18ХГТ имеет низкую флокеночувствительность и при сварке прочность шва близка к основному металлу). Однако высокохромистые аустенитные сплавы с марганцем требуют применения аустенитных присадочных материалов с повышенным содержанием Mn и контролем термовкладов. 

 При слишком медленном охлаждении зоны термического влияния возможны выделения карбидов хрома и нитридов, что приводит к охрупчиванию и снижению коррозионной стойкости сварного соединения. Чтобы этого избежать, используют низкоуглеродистые и высокоазотистые присадки, минимизируют время пребывания в опасном интервале температур и проводят последующую закалку или отпуск. 

 Для высокомарганцевых сталей применяют сварочные электроды с основным покрытием и специальным составом, предотвращающим образование пор (из-за выделения большого количества марганца и углерода в дуге). В случае литых износостойких деталей (например, била дробилок) часто практикуют наплавку твёрдых хромо-марганцевых сплавов на ударную поверхность для продления ресурса.

Применение хромомарганцевой стали

Данная разновидность широко используется в различных сферах. Ниже мы приведем примеры того, как может применяться хромомарганцевая сталь.

Машиностроение и транспорт

Благодаря сочетанию твёрдости и вязкости хромомарганцевые стали находят применение в деталях машин, работающих в тяжёлых условиях. Конструкционные цементуемые марки (18ХГТ, 20ХГ и др.) используются для изготовления шестерёнок, коленчатых валов, полуосей, червячных пар, цапф, зубчатых колёс и других узлов трансмиссий. После цементации эти детали получают высокую износостойкость на поверхности, что важно для долговечности механизмов. Одновременно вязкий сердечник из хромомарганцевой стали выдерживает ударные нагрузки при переменных режимах работы (например, удары и вибрации в редукторах). 

  Улучшаемые стали (30ХГСА и аналоги) идут на изготовление валов, осей, штоков гидроцилиндров, ответственных болтов и других деталей, где требуются высокая прочность и ударная вязкость. К примеру, сталь 30ХГСА применяют в элементах ходовой части и подвески автомобилей, тракторов, железнодорожного транспорта. 

  В железнодорожном машиностроении хромомарганцевые стали используют для крупных поковок: бандажей колёс, крестовин стрелочных переводов, деталей автосцепок – в этих узлах ценится их способность противостоять ударам и абразивному износу.

Детали с высокой износостойкостью

Хромомарганцевые сплавы незаменимы там, где детали испытывают интенсивный абразивный или ударно-абразивный износ. Классический пример – марганцовистая сталь Гадфилда (110Г13Л): из неё делают рабочие поверхности горнодобывающего и дробильного оборудования. Зубцы экскаваторных ковшей, плиты щёковых дробилок, молоты и билы роторных дробилок, дробящие конусы – все эти детали часто выполняются из высокомарганцевой аустенитной стали, способной упрочняться при ударе. 

 В нефтегазовой промышленности износостойкие хромомарганцевые стали вытесняют дорогие хромоникелевые: например, литые детали бурового оборудования, насосов и арматуры (работающие в абразивной среде) из аустенитной Cr-Mn стали служат дольше за счёт комбинации коррозионной стойкости и способности сопротивляться эрозионному износу. 

 В судостроении хромомарганцевые стали применяют для гребных винтов: интерес представляет кавитационно-стойкий сплав 30Х10Г10 (предложенный И.Н. Богачёвым), который самоупрочняется в процессе кавитации и тем самым повышает срок службы винтовых лопастей. 

 Также износостойкие Cr-Mn стали перспективны для рабочих колес насосов, мешалок и другого оборудования, где наблюдается истирание в коррозионной среде – там они заменяют дорогие дуплексные нержавейки.

Режущие инструменты и ножи

Некоторые марки хромомарганцевой стали используются для изготовления режущего и штампового инструмента. В первую очередь это горячеработающие штампы для кузнечно-прессового производства: разработанные еще в 1950-х гг. хромокремнемарганцевые стали с Ti/Cr обеспечивали ресурсы штампов сравнимые с легированными никелем и молибденом, при меньшей стоимости. Они нашли применение в массовом производстве простых поковок. 

 Режущий инструмент (фрезы, сверла) из Cr-Mn сталей изготавливается редко – обычно такие стали используют для ножевых изделий средней ценовой категории.
Например, нержавеющие стали AISI 201/202 (17% Cr, 5–7% Mn) применяются для кухонных ножей и столовых приборов: они достаточно коррозионностойкие и твёрдые (после закалки до ~50 HRC), при этом дешевле хромоникелевых 304/321. Однако в профессиональном инструменте хромомарганцевые сплавы почти не применяются, уступая место высокоуглеродистым хромованадиевым и быстрорежущим сталям. Зато в качестве пружин и рессор в технике часто служат стали типа 65Г и легированные 70ХГ, 60С2ХГФ – марганец и хром в них повышают упругость и выдерживают многократные циклические нагрузки без разрушения.

Оборудование и техника

В химической, пищевой и энергетической промышленности хромомарганцевые стали нашли своё применение как конструкционные нержавеющие материалы.
Низконикелевые Cr-Mn-N стали (например, 12Х15Г9НД) используют для изготовления резервуаров, трубопроводов, теплообменников, работающих в слабокислых средах и при умеренных температурах – они обеспечивают требуемую коррозионную стойкость при меньшей стоимости металла. 

 В пищевом машиностроении и бытовой технике нержавеющие хромомарганцевые стали типа AISI 201 применяются для деталей, не контактирующих с особо агрессивными средами: это корпусные детали оборудования, раковины, элементы кухонных плит и вытяжек, барабаны стиральных машин и т.п.. 

 В электроэнергетике – как было отмечено – сталь ДИ59 (15Cr-9Mn-Nb-N) успешно применяется для изготовления труб пароперегревателей в котельных установках, работающих на мазуте. Эти трубы выдерживают температуру металла ~650 °С и агрессивное действие сернистых газов, значительно превосходя по ресурсу старую марку 12Х18Н12Т (продление срока службы в 4–5 раз). 
Тем самым Cr-Mn сталь решила проблему серной коррозии в энергетике, образуя сульфиды марганца с температурой плавления выше 1000 °С. 

 В атомной промышленности немагнитные хромомарганцевые стали рассматриваются как материалы для подкритических сборок и оборудования (из-за невосприимчивости к магнитному полю и хорошей прочности), а также для криогенной техники – высокая пластичность при низких температурах важна для резервуаров сжиженных газов. 

 Сферы применения хромомарганцевых сталей постоянно расширяются по мере совершенствования их свойств и появления новых марок.

Преимущества и ограничения

Как и любой другой материал, хромомарганцевая сталь имеет свои достоинства и недостатки. О них будет рассказано в следующей части статьи.

Сильные стороны

Хромомарганцевые стали ценятся за уникальное сочетание прочности, пластичности и износостойкости. Их основные преимущества:

• Высокая прочность и вязкость
  За счёт комплекса легирующих элементов такие стали обеспечивают высокие механические характеристики. Даже без никеля многие хромомарганцевые сплавы демонстрируют ударную вязкость на уровне аустенитных сталей – например, немагнитная Cr-Mn сталь с 20–45% Mn обладает KCU 200–360 Дж/см² при σ_0.2 до 450 МПа. Это означает повышенную надёжность конструкций, способных гасить ударные нагрузки без разрушения.
• Отличная износостойкость
  Наличие марганца (особенно в больших количествах) позволяет реализовать эффект наклёпа – при ударе или трении поверхность упрочняется за счёт мартенситного превращения. Благодаря этому детали из хромомарганцевых сталей (рельсы, дробилки, тяговые цепи) служат дольше, сопротивляясь абразивному износу лучше, чем обычные стали. По сути, такие сплавы совмещают твёрдость поверхности и вязкую сердцевину уже в процессе эксплуатации. Кроме того, хромовые карбиды в структуре дополнительно повышают сопротивление истиранию режущего инструмента.
• Коррозионная стойкость при умеренной цене
  В нержавеющих исполнениях Cr-Mn стали позволяют снизить содержание никеля или вовсе обходиться без него, что удешевляет сплав. Марганец и хром совместно обеспечивают формирование пассивирующей плёнки (при Cr≥12%), а введение азота компенсирует отсутствие никеля, сохраняя аустенитную структуру. Хотя стойкость к коррозии таких сталей немного ниже, чем у 18Cr-8Ni, в большинстве не слишком агрессивных сред они работают успешно. Заметный плюс – высокая сопротивляемость серосодержащим средам: марганец, обладая большим сродством к сере, образует тугоплавкие сульфиды, что защищает металл от быстрого "серного" растрескивания. Это свойство позволило увеличить ресурс котельных труб в 4–5 раз при переходе с хромоникелевой на хромомарганцевую сталь.
• Аустенитная (немагнитная) структура
  Многие Cr-Mn стали могут сохранять аустенит даже при относительно невысоком содержании Ni, особенно при легировании азотом и повышенном Mn. Немагнитность выгодна для определённых применений (пример – корпуса приборов в магнитных полях, детали ЭМК). К тому же аустенитные хромомарганцевые стали обладают отличной морозостойкостью – даже при криогенных температурах они не переходят в хрупкое состояние, что важно для криогенных сосудов и арматуры.
• Хорошая технологичность сварки (для конструкционных марок)
  Среднеуглеродистые хромомарганцевые стали (типа 18ХГТ) сравнительно неприхотливы при сварке: низкая склонность к образованию флокенов и холодных трещин позволяет сваривать их без термического растрескивания шва. Это даёт преимущество при изготовлении сварных металлоконструкций сложной конфигурации – швы не ослабляют соединение благодаря сходной структуре и свойствам основного металла и наплавленного.

Ограничения и недостатки

Наряду с достоинствами у хромомарганцевых сталей имеются и определённые слабые стороны, которые важно учитывать при выборе материала:

• Чуть меньшая коррозионная стойкость, чем у Cr-Ni сталей
  
  Полная замена никеля на марганец приводит к некоторому снижению сопротивления коррозии, особенно межкристаллитной и точечной. Азот, введённый для компенсации, не полностью восполняет защитные свойства Ni, поэтому Cr-Mn-N стали обычно уступают классическим 304/321 в агрессивных средах (морская вода, хлориды). Для обеспечения равной коррозионной стойкости часто приходится повышать содержание хрома или добавлять молибден, что усложняет состав сплава. Таким образом, в очень жестких средах (концентрированные кислоты, высокотемпературные хлориды) может потребоваться либо дополнительная защита, либо выбор другой стали.
• Сложности обработки и изготовления
  
  Высокая прочность и вязкость аустенитных хромомарганцевых сталей осложняет их механическую обработку. При резании они быстро наклёпываются, вызывая интенсивный износ инструмента. Необходимо использование твёрдосплавного режущего инструмента, малых подач и охлаждения. Сварка аустенитных Cr-Mn сталей требует строгого контроля: при нарушении режима возможно образование хрупких карбидных и нитридных фаз по границам зерен в зоне шва, что приводит к "сварочной" хрупкости и падению коррозионной стойкости. Поэтому необходимо применять специальные сварочные материалы и технологические приёмы (например, сварка короткой дугой с минимальной зоной термического влияния, последующая закалка для растворения выделений). В литейном производстве сплавы с высоким Cr и Mn капризны: чтобы избежать горячих трещин и пористости, требуется чистое расплавленное сырьё и контролируемое охлаждение отливок. Всё это несколько усложняет технологию изготовления изделий из хромомарганцевой стали.
• Склонность к образованию хрупких фаз
  
  При несбалансированном составе (например, избытке углерода без стабилизаторов) хромомарганцевая сталь может формировать карбидные сети по границам зерен, снижающие пластичность и усталостную прочность. Также, как отмечалось, при сварке возможны нитриды и σ-фаза. Некоторые сплавы чувствительны к отпускной хрупкости: например, если сталь содержит примеси фосфора, то после отпуска в диапазоне 450–600 °С ударная вязкость может снижаться. Для устранения этих проблем обычно применяют микролегирование (Ti, Nb для связывания C и N в стабильные карбонитриды) или специальные термические приёмы (быстрое охлаждение через опасный интервал температур). Но в целом хромомарганцевые стали требуют более тщательной металлургической "чистоты" – высокие свойства достигаются только при низком содержании вредных примесей (S, P) и однородной структуре. Поэтому качественные Cr-Mn стали часто относятся к категории "А" (высококачественные) с регламентированным низким уровнем примесей.
• Ниже жаропрочность
  
  Для длительной работы при очень высоких температурах (>700 °С) большинство обычных хромомарганцевых сталей не предназначены. Их длительная прочность и ползучесть обычно ниже, чем у легированных никелем жаропрочных сталей. Поэтому в области сверхвысоких температур (турбины, камеры сгорания) Cr-Mn стали применяются редко, уступая место сплавам на основе Ni и Co. Исключение составляют специальные модифицированные стали (с азотом, кремнием, бором и т.д.), разработанные для высокотемпературных конструкций, но это узкоспециальные материалы. Для большинства же задач при температурах выше 600 °С лучше использовать хромоникелевые жаропрочные стали или дуплексные.
• Особенности эксплуатации
  
  Изделия из хромомарганцевых сталей иногда требуют иной подход в эксплуатации. Например, детали из стали Гадфилда нельзя шлифовать до зеркального состояния – им нужна определенная шероховатость, чтобы быстрее инициировался наклёп при работе (после чего они набирают максимальную твёрдость). Сварные конструкции из Cr-Mn сталей желательно подвергать пассивации или дуплексному отжигу для восстановления коррозионной стойкости швов. Кроме того, Cr-Mn нержавейки менее устойчивы к хлоридному растрескиванию под напряжением (SCС), чем Cr-Ni аналоги, поэтому при контактировании с горячими хлорсодержащими средами стоит ограничивать напряжения или использовать ингибиторы. В морской воде без катодной защиты Cr-Mn сталь может образовывать гальваническую пару с высоконикелевыми сплавами, ускоряя их коррозию; потому сочетание разных материалов требует внимания. Эти моменты не являются критическими недостатками, но подразумевают более вдумчивую эксплуатацию и обслуживание изделий.

Хромомарганцевая сталь представляет собой важный класс легированных сталей, в котором совмещены преимущества хромистых и марганцовистых сплавов. Она даёт конструкторам материал с высокой прочностью, отличной износостойкостью и достаточной коррозионной стойкостью при заметно более низкой стоимости по сравнению с традиционными хромоникелевыми сталями. 

 Мы рассмотрели, что такое хромомарганцевая сталь: это сплав на основе Fe-C с содержанием хрома (для защиты от коррозии) и марганца (для прочности и аустенитности), часто дополненный другими элементами для улучшения свойств. Различают конструкционные, инструментальные, нержавеющие и высокомарганцевые разновидности – каждая нашла свою нишу в промышленности, от шестерёнок и валов до дробилок и котельных труб. Главные достоинства этих сталей – комбинация твёрдой поверхности и вязкого сердечника после термообработки, способность к самозакаливанию под нагрузкой, высокие прочностные показатели при динамических воздействиях и невосприимчивость к хрупкому разрушению при низких температурах.

В каталоге на сайте СПб Металл вы можете ознакомиться с ассортиментом стали разных типов, в том числе и хромомарганцевой. Если вам потребуется консультация, вы всегда можете обратиться к нашим специалистам по телефону или с помощью форм обратной связи на сайте.