Μαγγάνιο
Το μαγγάνιο είναι ένα από τα σημαντικότερα στοιχεία κράματος που χρησιμοποιούνται στη μεταλλουργία χάλυβα. Στον άλφα σίδηρο, η διαλυτότητά του φτάνει έως και 5%, ενώ στον γάμμα σίδηρο είναι πρακτικά απεριόριστη. Είναι φθηνό, άμεσα διαθέσιμο και ενσωματώνεται εύκολα στο τηγμένο μέταλλο. Στους κραματοποιημένους χάλυβες, συχνά αντικαθιστά το ακριβό νικέλιο και, ως τεχνολογικό πρόσθετο, δρα ως αποξειδωτικό και σταθεροποιητής θείου, δεσμεύοντας το θείο με τη μορφή θειούχου μαγγανίου, το οποίο περνά στη σκωρία. Ο μαγγανιούχος χάλυβας, γνωστός ως χάλυβας Hadfield, ποιότητας 1.3401 – X120Mn12, έχει ιδιαίτερα υψηλή περιεκτικότητα σε μαγγάνιο – έως και 12%.
Χάρη στο φαινόμενο της αυτοσκλήρυνσης κατά τη χρήση, αυτός ο χάλυβας παρουσιάζει εξαιρετική αντοχή στην τριβή και τις κρούσεις, καθιστώντας τον αναντικατάστατο, μεταξύ άλλων, στις βιομηχανίες εξόρυξης, σιδηροδρόμων και τσιμέντου.
Μαγγάνιο ως στοιχείο κράματος
Η προσθήκη μαγγανίου στο κράμα βελτιώνει σημαντικά την ποιότητα του χάλυβα, καθιστώντας τον πιο συμπιέσιμο, αυξάνοντας τη σκληρότητα και την αντοχή σε εφελκυσμό, καθώς και το όριο διαρροής. Το Mn είναι το στοιχείο που αυξάνει σημαντικά τη σκληρότητα του χάλυβα. Στους χάλυβες εργαλείων, το μαγγάνιο σε συγκέντρωση περίπου 2% μειώνει την παραμορφωσιμότητα κατά τη σκλήρυνση, ενώ στους χάλυβες χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα, το μαγγάνιο σε συγκέντρωση 2% αυξάνει την ολκιμότητα. Στους χάλυβες μεσαίας περιεκτικότητας σε άνθρακα, η αύξηση της ποσότητας αυτού του στοιχείου στο 4-6% προκαλεί μειωμένη ολκιμότητα και ευθραυστότητα.
Οι χάλυβες με χαμηλή περιεκτικότητα σε μαγγάνιο (αερόψυκτοι) έχουν φερριτική - περλιτική ή περλιτική δομή, ανάλογα με την περιεκτικότητα του κράματος σε άνθρακα. Οι χάλυβες με μέτρια περιεκτικότητα σε αυτό το στοιχείο έχουν μαρτενσιτική δομή, ενώ αυτοί με υψηλή περιεκτικότητα σε μαγγάνιο έχουν ωστενιτική δομή.
Τα πιο δημοφιλή είναι τα κράματα μαγγανίου-χάλυβα που περιέχουν έως και 3% Mn, και οι ωστενιτικοί χάλυβες με περιεκτικότητα σε μαγγάνιο 10-18%. Ο χάλυβας που περιέχει 12-14% μαγγάνιο είναι πολύ ανθεκτικός στην τριβή – χάλυβας Hadfield (X120Mn12, X120Mn13,1.3401, PN 110G12, PN 11G12, AFNOR Z120Mn12 κ.λπ.)
Μαγγάνιο – ατομικός αριθμός 25, ατομική μάζα 54.93, σημείο τήξης 1260°C, σημείο βρασμού 2150°C, πυκνότητα 7,200 g/cm3 (Εγκυκλοπαίδεια Τεχνολογίας, Wydawnictwo "Śląsk")
Ανακάλυψη μαγγανίου
Η ύπαρξη του νέου στοιχείου επισημάνθηκε για πρώτη φορά από τον Johann Heinrich Pott (1692-1777) – έναν Γερμανό χημικό και τον ανακαλύπτη του βολφραμίου – έναν χημικό και φαρμακοποιό σουηδικής καταγωγής, τον Wilhelm Scheele (1742-1786), αλλά το μαγγάνιο αποκτήθηκε για πρώτη φορά από έναν άλλο Σουηδό χημικό, τον Johan Gottlieb Gahn (1745-1818) το 1774.
Στην αρχαιότητα, το διοξείδιο του μαγγανίου θεωρούνταν ένα από τα πολλά οξείδια του σιδήρου και χρησιμοποιούνταν, μεταξύ άλλων, για τον χρωματισμό γυαλιού σε αποχρώσεις του μωβ. Το μαγγάνιο είναι ένα φυσικό συστατικό του χάλυβα και του χυτοσιδήρου, πάντα παρόν σε ποσότητες 0,1–0,8% – σε αυτό το επίπεδο, δεν θεωρείται στοιχείο κράματος.
Το 1860, ο Σερ Χένρι Μπέσεμερ (1813-1898), θέλοντας να βελτιώσει περαιτέρω τη διαδικασία στην οποία εργαζόταν (τη διαδικασία Μπέσεμερ), παρατήρησε ότι η κράμα μαγγανίου και άνθρακα σε χάλυβα απομάκρυνε υπερβολικές ποσότητες επιβλαβούς θείου και περιττού οξυγόνου.
Η τεχνική εφαρμογή του μαγγανίου ανακαλύφθηκε από τον Βρετανό μεταλλουργό μηχανικό Ρόμπερτ Χάντφιλντ (1858-1940) . Το 1882 ξεκίνησε πειράματα με χάλυβα υψηλής περιεκτικότητας σε μαγγάνιο και το 1888 εισήγαγε το πρώτο κράμα χάλυβα στον κόσμο που περιείχε πάνω από 1% άνθρακα και περίπου 12% μαγγάνιο.
Χάλυβας υψηλής περιεκτικότητας σε μαγγάνιο ανθεκτικό στην τριβή
Ακόμα και σήμερα γνωστός ως χάλυβας Hadfield (π.χ., DIN 1.3401, X120Mn12, PN 110G12), έχει πολύ ενδιαφέρουσες ιδιότητες. Παρουσιάζει αντοχή στην τριβή μόνο όταν οι επιφάνειες τριβής υποβάλλονται ταυτόχρονα σε υψηλή πίεση, π.χ., γραμμές δεξαμενών και σκυρόδεμα. Όταν απουσιάζει η πίεση, ο χάλυβας μαγγανίου Hadfield δεν παρουσιάζει μεγαλύτερη αντοχή στην τριβή από άλλες μέσες ποιότητες χάλυβα.
Μια άλλη ενδιαφέρουσα ιδιότητα αυτού του τύπου μετάλλου είναι ότι σκληραίνει υπό την πίεση εργαλείων τόρνευσης, φρεζών κ.λπ. Λόγω αυτής της ιδιότητας, είναι πολύ δύσκολο να κατεργαστεί και μέχρι πρόσφατα, τα περισσότερα εξαρτήματα και μέρη που κατασκευάζονταν από αυτόν τον τύπο χάλυβα παράγονταν αποκλειστικά ως χυτό χάλυβα (π.χ.: L120G13, L120G13H, GX120Mn12, GX120MN13, 1.3403) και χυτό.
Ο χάλυβας Hadfield ανθεκτικός στην τριβή (X120Mn12, 1.3401, 11G12, 10G12, A 128, Z120Mn12), παράγεται ως έλασης επίπεδες ράβδοι (επίπεδες ράβδοι), έλασης στρογγυλές ράβδοι , τετράγωνες ράβδοι, σφυρήλατες ράβδοι, σφυρήλατα φύλλα.
Σίδερο Κάρβουνο χρώμιο Νικέλιο Βανάδιο Μαγγάνιο Πυρίτιο μολυβδαίνιο βολφράμιο χαλκός Τιτάνιο Αλουμίνιο κοβάλτιο Νιόβ Φώσφορος σιάρκα Οξυγόνο άζωτο