Los aceros martensíticos envejecidos (un acrónimo de " martensítica " y "envejecimiento") son aceros ( hierro aleaciones ) que son conocidas por poseer dureza y resistencia superior sin perder la ductilidad . El envejecimiento se refiere al proceso prolongado de tratamiento térmico. Estos aceros son una clase especial de aceros de ultra alta resistencia con bajo contenido de carbono que no obtienen su resistencia del carbono, sino de la precipitación de compuestos intermetálicos . El principal elemento de aleación es de 15 a 25 % en peso de níquel . [1] Elementos de aleación secundarios, que incluyen cobalto ,se añaden molibdeno y titanio para producir precipitados intermetálicos . [1] El desarrollo original (por Bieber de Inco a finales de la década de 1950) se llevó a cabo en aceros con 20 y 25% en peso de Ni a los que se hicieron pequeñas adiciones de aluminio , titanio y niobio ; un aumento en el precio del cobalto a finales de la década de 1970 llevó al desarrollo de aceros maraging sin cobalto. [2]
Los grados comunes que no son de acero inoxidable contienen 17-19% en peso de níquel, 8-12% en peso de cobalto, 3-5% en peso de molibdeno y 0,2-1,6% en peso de titanio. La adición de cromo produce grados de acero inoxidable resistentes a la corrosión. Esto también aumenta indirectamente la templabilidad ya que requieren menos níquel; Los aceros con alto contenido de cromo y níquel son generalmente austeníticos e incapaces de transformarse en martensita cuando se tratan térmicamente, mientras que los aceros con bajo contenido de níquel pueden transformarse en martensita. Las variantes alternativas de aceros maraging reducidos en níquel se basan en aleaciones de hierro y manganeso más adiciones menores de aluminio, níquel y titanio donde se han usado composiciones entre Fe-9% en peso de Mn a Fe-15% en peso de Mn. [3] El manganeso tiene un efecto similar al del níquel, es decir, estabiliza la fase austenítica. Por lo tanto, dependiendo de su contenido de manganeso, los aceros martensíticos Fe-Mn pueden ser completamente martensíticos después de apagarlos de la fase de austenita a alta temperatura o pueden contener austenita retenida. [4] El último efecto permite el diseño de aceros maraging-TRIP donde TRIP significa Transformation-Induced-Plasticity. [5]
Propiedades
Debido al bajo contenido de carbono, los aceros maraging tienen una buena maquinabilidad . Antes del envejecimiento, también se pueden laminar en frío hasta un 90% sin agrietarse. Los aceros maraging ofrecen una buena soldabilidad , pero deben envejecerse posteriormente para restaurar las propiedades originales en la zona afectada por el calor . [1]
Cuando se trata con calor, la aleación tiene muy pocos cambios dimensionales, por lo que a menudo se mecaniza a sus dimensiones finales. Debido al alto contenido de aleación, los aceros maraging tienen una alta templabilidad. Dado que las martensitas dúctiles de FeNi se forman al enfriarse, las grietas son inexistentes o insignificantes. Los aceros pueden nitrurarse para aumentar la dureza de la caja y pulirse para obtener un acabado superficial fino.
No inoxidables variedades de acero martensítico envejecido son moderadamente corrosión resistente a y se resisten a la corrosión por tensión y fragilización por hidrógeno . La resistencia a la corrosión se puede incrementar mediante el cromado o fosfatado con cadmio .
Grados de acero maraging
Los aceros maraging se describen generalmente con un número (200, 250, 300 o 350), que indica la resistencia a la tracción nominal aproximada en miles de libras por pulgada cuadrada; las composiciones y propiedades requeridas se definen en MIL-S-46850D. [6] Los grados superiores tienen más cobalto y titanio en la aleación; las siguientes composiciones se toman de la tabla 1 de MIL-S-46850D:
Elemento | Grado 200 | Grado 250 | Grado 300 | Grado 350 |
---|---|---|---|---|
Hierro | equilibrio | equilibrio | equilibrio | equilibrio |
Níquel | 17.0-19.0 | 17.0-19.0 | 18,0-19,0 | 18,0-19,0 |
Cobalto | 8.0–9.0 | 7.0–8.5 | 8.5–9.5 | 11,5-12,5 |
Molibdeno | 3,0–3,5 | 4.6–5.2 | 4.6–5.2 | 4.6–5.2 |
Titanio | 0,15-0,25 | 0,3–0,5 | 0,5–0,8 | 1.3–1.6 |
Aluminio | 0,05-0,15 | 0,05-0,15 | 0,05-0,15 | 0,05-0,15 |
Resistencia a la tracción (MPa) | 1379 | 1724 | 2068 | 2413 |
Esa familia se conoce como los aceros maraging 18Ni, por su porcentaje de níquel. También hay una familia de aceros maraging sin cobalto que son más baratos pero no tan fuertes; un ejemplo es Fe-18.9Ni-4.1Mo-1.9Ti. Se han realizado investigaciones rusas y japonesas en aleaciones de maraging de Fe-Ni-Mn. [2]
Ciclo de tratamiento térmico
El acero se templa primero a aproximadamente 820 ° C (1510 ° F) durante 15 a 30 minutos para las secciones delgadas y durante 1 hora por cada 25 mm de espesor para las secciones pesadas, para asegurar la formación de una estructura completamente austenitizada . A continuación, se enfría con aire o se enfría a temperatura ambiente para formar una martensita de hierro-níquel (no trenzada) blanda y muy dislocada. El envejecimiento posterior ( endurecimiento por precipitación ) de las aleaciones más comunes durante aproximadamente 3 horas a una temperatura de 480 a 500 ° C produce una fina dispersión de las fases intermetálicas de Ni 3 (X, Y) a lo largo de las dislocaciones dejadas por la transformación martensítica, donde X e Y son elementos solutos agregados para tal precipitación. El sobreenvejecimiento conduce a una reducción de la estabilidad de los precipitados primarios, metaestables y coherentes, lo que lleva a su disolución y sustitución por fases de Laves semi-coherentes como Fe 2 Ni / Fe 2 Mo. Un tratamiento térmico excesivo adicional provoca la descomposición de la martensita y reversión a austenita.
Las composiciones más nuevas de aceros maraging han revelado otras estequiometrías intermetálicas y relaciones cristalográficas con la martensita madre, incluyendo el complejo romboédrico y masivo Ni 50 (X, Y, Z) 50 (Ni 50 M 50 en notación simplificada).
Usos
La fuerza y maleabilidad del acero Maraging en la etapa pre-envejecida permite que se forme en pieles de cohetes y misiles más delgadas que otros aceros, reduciendo el peso para una resistencia determinada. [7] Los aceros maraging tienen propiedades muy estables e, incluso después del sobreenvejecimiento debido a una temperatura excesiva, solo se ablandan ligeramente. Estas aleaciones conservan sus propiedades a temperaturas de funcionamiento ligeramente elevadas y tienen temperaturas de servicio máximas de más de 400 ° C (752 ° F). [ cita requerida ] Son adecuados para componentes de motores, como cigüeñales y engranajes, y los pernos de disparo de armas automáticas que pasan de caliente a frío repetidamente bajo carga sustancial. Su expansión uniforme y fácil maquinabilidad antes del envejecimiento hacen que el acero maraging sea útil en componentes de alto desgaste de líneas de ensamblaje y matrices . Otros aceros de ultra alta resistencia, como las aleaciones AerMet , no son tan mecanizables debido a su contenido de carburo.
En el deporte de la esgrima , las palas que se utilizan en las competiciones organizadas bajo los auspicios de la Fédération Internationale d'Escrime suelen estar fabricadas con acero maraging. Las cuchillas maraging son superiores para el papel de aluminio y la espada porque la propagación de grietas en el acero maraging es 10 veces más lenta que en el acero al carbono, lo que resulta en menos roturas de la cuchilla y menos lesiones. [i] [8] El acero inoxidable se utiliza en cuadros de bicicletas (por ejemplo, Reynolds 953) y cabezas de palos de golf . [9] [ cita requerida ] También se usa en componentes quirúrgicos y jeringas hipodérmicas, pero no es adecuado para hojas de bisturí porque la falta de carbono le impide sostener un buen filo.
El productor estadounidense de cuerdas para instrumentos musicales Ernie Ball ha fabricado un tipo especializado de cuerda para guitarra eléctrica con acero maraging, afirmando que esta aleación proporciona más salida y una respuesta tonal mejorada. [10]
La producción de acero martensítico, importación y exportación de ciertos estados, como los Estados Unidos, [11] está estrechamente vigilado por las autoridades internacionales, ya que está especialmente indicado para su uso en centrifugadoras de gas para el enriquecimiento de uranio ; [12] la falta de acero maraging obstaculiza significativamente este proceso. Las centrifugadoras más antiguas usaban tubos de aluminio; los modernos, compuestos de fibra de carbono. [ cita requerida ]
Propiedades físicas
- Densidad : 8,1 g / cm³ (0,29 lb / in³)
- Calor específico , promedio de 0 a 100 ° C (32 a 212 ° F): 452 J / kg · K (0,108 Btu / lb · ° F)
- Punto de fusión : 2.575 ° F, 1.413 ° C
- Conductividad térmica : 25,5 W / m · K
- Coeficiente medio de expansión térmica : 11,3 × 10 −6
- Resistencia a la tracción de fluencia: típicamente 1.400–2.400 MPa (200.000–350.000 psi) [13]
- Última resistencia a la tracción : típicamente 1.6 a 2.5 GPa (230,000-360,000 psi). Existen grados de hasta 3.5 GPa (510,000 psi)
- Alargamiento a la rotura: hasta 15%
- Resistencia a la fractura K IC : hasta 175 MPa · m 1 ⁄ 2
- Módulo de Young : 210 GPa (30.000.000 psi) [14]
- Módulo de corte : 77 GPa (11,200,000 psi)
- Módulo de volumen : 140 GPa (20.000.000 psi)
- Dureza (envejecida): 50 HRC (grado 250); 54 HRC (grado 300); 58 HRC (grado 350) [ cita requerida ]
Ver también
- Aermet
- USAF-96 y acero Eglin (aceros maraging económicos con menos níquel y otros materiales costosos).
Referencias
- ↑ Sin embargo, la noción de que las palas de acero se rompen es una leyenda urbana de la esgrima. Las pruebas han demostrado que los patrones de rotura de la cuchilla en el acero al carbono y el acero maraging son idénticos debido a la similitud en el modo de carga durante el doblado. Además, es probable que una grieta comience en el mismo punto y se propague por el mismo camino (aunque mucho más lentamente), ya que la propagación de la grieta en la fatiga es un fenómeno plástico más que microestructural.
- ^ a b c Degarmo, E. Paul; Negro, JT; Kohser, Ronald A. (2003), Materiales y procesos en la fabricación (9ª ed.), Wiley, p. 119, ISBN 0-471-65653-4
- ^ a b Sha, W; Guo, Z (26 de octubre de 2009). Aceros Maraging: Modelado de Microestructura, Propiedades y Aplicaciones . Elsevier.
- ^ Raabe, D .; Sandlöbes, S .; Millan, JJ; Ponge, D .; Assadi, H .; Herbig, M .; Choi, PP (2013), La ingeniería de segregación permite la transformación de fase de martensita a nanoescala en austenita en los límites de grano: una vía hacia la martensita dúctil , 61 , Acta Materialia, págs. 6132–6152.
- ^ Dmitrieva, O .; Ponge, D .; Inden, G .; Millan, J .; Choi, P .; Sietsma, J .; Raabe, D. (2011), "Gradientes químicos a través de los límites de fase entre martensita y austenita en acero estudiados por tomografía de sonda atómica y simulación", Acta Materialia , 59 : 364-374, arXiv : 1402.0232 , doi : 10.1016 / j.actamat. 2010.09.042 , ISSN 1359-6454 , S2CID 13781776
- ^ Raabe, D .; Ponge, D .; Dmitrieva, O .; Sander, B. (2009), "Aceros de 1,5 GPa endurecidos con nanoprecipitado con alta ductilidad inesperada", Scripta Materialia , 60 (12): 1141, doi : 10.1016 / j.scriptamat.2009.02.062
- ^ Especificación militar 46850D: ACERO: BARRA, PLACA, LÁMINA, FLEJE, FORJADO Y EXTRUSIONES, ALEACIÓN DE NÍQUEL AL 18 POR CIENTO, MARCADO, 200 KSI, 250 KSI, 300 KSI Y 350 KSI, ALTA CALIDAD, disponible en http: // everyspec .com / MIL-SPECS / MIL-SPECS-MIL-S / MIL-S-46850D_19899 /
- ^ Joby Warrick (11 de agosto de 2012). "Truco nuclear: haciéndose pasar por fabricante de juguetes, el comerciante chino supuestamente buscó tecnología estadounidense para Irán" . The Washington Post . Consultado el 21 de febrero de 2014 .
- ^ Juvinall, Robert C .; Marshek, Kurt M. (2006). Fundamentos del diseño de componentes de máquinas (Cuarta ed.). John Wiley & Sons, Inc. pág. 69. ISBN 978-0-471-66177-1.
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- ^ "Cuerdas de guitarra eléctrica Slinky M-Steel" . Ernie Ball . Consultado el 15 de julio de 2020 .
Las cuerdas para guitarra eléctrica Ernie Ball M-Steel están hechas de una aleación patentada Super Cobalt envuelta alrededor de un alambre de núcleo hexagonal de acero Maraging, produciendo un tono más rico y completo con una potente respuesta de gama baja.
- ^ Regulaciones Federales Consolidadas parte 110 - exportación e importación de equipo y material nuclear , consultado el 11/11/2009 .
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- ^ http://www.imoa.info/
- ^ Ohue, Yuji; Matsumoto, Koji (10 de septiembre de 2007). "Desgaste y fatiga por contacto deslizante-rodante de un rodillo de acero maraging con ion-nitruración y granallado de partículas finas". Use . 263 (1–6): 782–789. doi : 10.1016 / j.wear.2007.01.055 .
enlaces externos
- Hojas de datos de acero Maraging