Aceros al Manganeso

ACEROS AL MANGANESO

 

Los factores que determinan la calidad de los aceros al manganeso tipo Hadfield ASTM A128 son su composición química, el tratamiento térmico y la condición de impacto en la operación de trabajo.

 

El Manganeso es uno de los elementos fundamentales e indispensables, está presente en casi todas las aleaciones de acero. El Manganeso es un formador de austenita.

El acero de manganeso austenitico original que contiene alrededor de 1.2% C y 12.% Mg fue inventado por el señor Robert Hadfield en 1882. El acero Hadfield fue único ya que combinaba una alta dureza y ductibilidad con alta capacidad para el trabajo duro y usualmente resistencia al desgaste.

Este material posee una incomparable capacidad de endurecimiento por deformación plástica y por ello es utilizado en aplicaciones donde se requiere resistencia al impacto y contra la abrasión. El material es unifásico y presenta una estructura austenitica capaz de elevar su dureza desde 180 hasta 900 Brinell sin presentar transformación martensítica (TRIP). Su composición química permite que el mecanismo de endurecimiento sea únicamente la acumulación de dislocaciones por absorción de energía y por esta razón, las propiedades del material evolucionan localmente permitiendo las piezas adquieren una superficie dura manteniendo su centro tenaz.

 

Después de ser fundidas, las piezas se someten a un tratamiento térmico de solubilización y posterior temple para alcanzar la estructura adecuada.

El acero Hadfield se utiliza extensivamente y con leves modificaciones en su composición y/o tratamiento térmico, sobre todo en los campos de movimiento de tierra, minería, perforación de pozos, siderurgia, industria ferroviaria y en la fabricación de los productos del cemento y de la arcilla. Este acero se utiliza en equipos tales como trituradoras de roca, molinos, dientes de pala y bombas para manejar grava. Otros usos incluyen martillos y rejillas para el reciclaje de los automóviles. También tiene usos militares en vehículos blindados. Se utiliza en actividades donde se requieran propiedades antibroca y debido a que es resistente al desgaste metal sobre metal, se utiliza también en piñones, engranajes, ruedas, cintas transportadoras, placas de desgaste y zapatas.

El acero austenítico al manganeso tiene ciertas características que restringen su uso. Es difícil de mecanizar y tiene generalmente una resistencia a la fluencia de sólo 345 a 415 MPa inicialmente. Por lo que no es del todo apto para piezas que requieren un reducido rango de tolerancia en el mecanizado o que deben resistir la deformación plástica bajo altos niveles de tensión. Sin embargo en operaciones donde el material se deforma superficialmente, ya sea martillando, presionando, laminado en frío o taladrando, se eleva la resistencia superficial de las piezas convirtiéndose en un material endurecido superficialmente con una estructura interna tenaz que además es soldable.

Consecuentemente gano aceptación rápidamente como un material muy útil para la ingeniería. El acero de manganeso austenitico sigue siendo usado extensivamente con algunas modificaciones menores en su composición y en su tratamiento térmico, principalmente en la minería, en la excavación, en la tala de árboles, en la fabricación de trenes, y en la manufactura de cemento y productos de arcillas. El acero Hadfield es usado en trituradoras, excavadoras, y bombas para el manejo de arado. Otras aplicaciones incluyen el fragmentado de martillos y parrillas para el reciclado de automóviles.

En este acero se han realizado varias modificaciones pero solamente unas pocas han sido mejoras significativas, estas incluyen variaciones de carbono y manganeso, con o sin aleaciones adicionales como el cromo, níquel, molibdeno, vanadio, bismuto y titanio.

Las propiedades mecánicas del acero Hadfield varían con el contenido de carbono y manganeso entre más se incrementa el carbón este se vuelve más difícil de retener en solución sólida, el cual puede contar con reducciones en la dureza y en ductibilidad, Sin embargo debido a que la resistencia a la abrasión tiende a incrementarse con el carbono, lo normal es que contenga 1.2% de C y se dice que es grado A. Este acero es preferible pero su ductibilidad es disminuida. El contenido de carbono encima de los 1.4% es raramente usado debido a la dificultad de obtener una estructura austenitica suficientemente libre de impurezas, carburos limitantes, los cuales son perjudiciales para la dureza y la ductibilidad. El efecto puede también ser observado con aceros que contienen (13% de Mn y menos de 1.4% C) debido a que la segregación puede resultar en variaciones locales de más o menos 17% (± 0.2% C) en el promedio de carbono determinado por un análisis químico.

El contenido de bajo carbono (0.7% de C) en los grado D y E1 pueden ser usados para minimizar la precipitación del carbono en piezas fundidas pesadas o en soldaduras.

Los carburos en piezas fundidas lentamente en los moldes contienen más de un por ciento de carbono sin tomar en cuenta los rangos de enfriamiento de los moldes. Estos se forman en moldes de secciones pesadas durante el tratamiento al calor en caso de que al templarlas no se enfrié rápido el exterior. Los carbonos pueden formarse durante la soldadura o durante los servicios a temperaturas encima de los 275 grados centígrados.

El titanio puede reducir el carbono en austenita formando carburos muy estable esta estructura se parece a los aceros de más bajo carbono. Puede también neutralizar el efecto del fósforo excesivo. Las altas cantidades de níquel ayudan a la perdida de la ductibilidad. El nitrógeno en cantidades más grandes del 0.2 % produce porosidad. En las piezas fundidas una reducción en el tamaño del grano reduce subseptibilidad del acero al rasgado caliente.

El contenido del sulfuro en aceros del manganeso influencia raramente sus características, porque el efecto del barrido del manganeso funciona para eliminar el sulfuro fijándolo bajo la forma de inofensivo, redondeado, las inclusiones del sulfuro. El alargamiento de estas inclusiones en aceros labrados puede contribuir en características direccionales; en steefs echados tales inclusiones son inofensivas. Sin embargo, es el mejor guardar el sulfuro tan bajo como es prácticamente posible reducir al mínimo el número de inclusiones en la microestructura que sería sitios potenciales para el nucleation de las grietas de fatiga en servicio. Un acero más alto del contenido del manganeso Los aceros con un contenido más alto del manganeso (el >15%) se han desarrollado recientemente para los usos que requerían permeabilidad magnética baja, fuerza (criogénica) de la baja temperatura y dureza de la baja temperatura. Este los usos provienen el desarrollo de las tecnologías superconductoras usadas en sistemas del transporte y la investigación de la fusión nuclear y resolver la necesidad de materiales estructurales de almacenar y de transportar los gases licuados. Para la permeabilidad magnética baja, estas aleaciones tienen contenido más bajo del carbón que los aceros regulares de Hadfield. La pérdida correspondiente en fuerza de la producción es compensada aleando con vanadio, nitrógeno, cromo, molibdeno, y el titanio. El cromo también imparte resistencia a la corrosión, como se requiere en algunos usos criogénicos. Las aleaciones se utilizan en la condición (solución-recocida y apagada) sometida a un tratamiento térmico a excepción de las que sean mas duros a través del tiempo. Las aleaciones labradas están disponibles en las condiciones laminadas en caliente. La micro estructura es generalmente una mezcla del austenite FCC y martensite HCP.

Estas aleaciones son caracterizadas por la buenas ductilidad y dureza, ambas cualidades especialmente deseables en usos criogénicos. Además, la transición dúctil-frágil es gradual, no precipitada. Porque la estabilidad de la auestenita es dependiente de la composición, una transformación de deformación inducida puede ocurrir en servicio bajo ciertas condiciones. Esto es generalmente indeseable porque es acompañada por un aumento correspondiente en permeabilidad magnética.

Las adiciones del sulfuro, del calcio, y del aluminio se hacen para realzar la maquinabilidad de estas aleaciones donde se requiera. Debido a su contenido más bajo del carbón, la mayor parte de estas aleaciones son fácilmente soldables por la soldadura de arco blindada del metal (SMAW), soldadura de arco del metal del gas (GMAW), y los procesos de la soldadura de haz electrónico (EBW), la composición del metal de soldadura es similar a la del metal bajo y de la permeabilidad magnética baja. El contenido del fósforo se mantiene generalmente debajo de 0.02% para reducir al mínimo la tendencia para agrietarse caliente.

Otra clase de aceros austeniticos con las altas adiciones del manganeso se ha desarrollado para los usos criogénicos y para marinas con resistencia a la corrosión. Estas aleaciones se han visto como substitutos económicos para los aceros inoxidables austeniticos convencionales porque contienen aluminio y el manganeso en vez del cromo y del níquel. Por lo tanto, estas aleaciones están generalmente de una fuerza más alta pero de una ductilidad más baja que los aceros inoxidables convencionales tales como tipo 304. La micro estructura de estas aleaciones es una mezcla del austenita de y (FCC) y del martensita de e (hcp), y en algunos casos (especialmente cuando el contenido de aluminio excede del cerca de 5%) ferrita de a (bcc).