Acero maraging

Acero conocido por su resistencia y dureza.

Los aceros maraging (una palabra compuesta de " martensítico " y "envejecido") son aceros que son conocidos por poseer una resistencia y tenacidad superiores sin perder ductilidad . El envejecimiento se refiere al proceso de tratamiento térmico extendido. Estos aceros son una clase especial de aceros de ultra alta resistencia con muy bajo contenido de carbono que obtienen su resistencia no del carbono, sino de la precipitación de compuestos intermetálicos . El principal elemento de aleación es de 15 a 25 % en peso de níquel . ^[1] Los elementos de aleación secundarios, que incluyen cobalto , molibdeno y titanio , se agregan para producir precipitados intermetálicos . ^[1] El desarrollo original (por Bieber de Inco a fines 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 fines de la década de 1970 condujo al desarrollo de aceros maraging sin cobalto. ^[2]

Los grados comunes, no inoxidables, contienen entre un 17 y un 19 % en peso de níquel, entre un 8 y un 12 % en peso de cobalto, entre un 3 y un 5 % en peso de molibdeno y entre un 0,2 y un 1,6 % en peso de titanio. ^[3] La adición de cromo produce grados inoxidables 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 los aceros maraging reducidos en níquel se basan en aleaciones de hierro y manganeso más adiciones menores de aluminio, níquel y titanio donde se han utilizado composiciones entre Fe-9 % en peso de Mn a Fe-15 % en peso de Mn. ^[4] El manganeso tiene un efecto similar al níquel, es decir, estabiliza la fase austenítica. Por lo tanto, dependiendo de su contenido de manganeso, los aceros maraging Fe-Mn pueden ser completamente martensíticos después de templarlos desde la fase de austenita de alta temperatura o pueden contener austenita retenida. ^[5] El último efecto permite el diseño de aceros maraging-TRIP, donde TRIP significa Plasticidad Inducida por Transformación. ^[6]

Propiedades

Debido al bajo contenido de carbono (menos del 0,03 %) ^[7], 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 después para restaurar las propiedades originales en la zona afectada por el calor . ^[1]

Cuando se trata térmicamente, la aleación tiene muy pocos cambios dimensionales, por lo que a menudo se mecaniza hasta alcanzar sus dimensiones finales. Debido al alto contenido de aleación, los aceros maraging tienen una alta templabilidad. Dado que las martensitas FeNi dúctiles se forman al enfriarse, las grietas son inexistentes o insignificantes. Los aceros se pueden nitrurar para aumentar la dureza superficial y pulir hasta obtener un acabado superficial fino.

Las variedades no inoxidables de acero martensítico son moderadamente resistentes a la corrosión y resisten la corrosión bajo tensión y la fragilización por hidrógeno . La resistencia a la corrosión se puede aumentar mediante el recubrimiento con cadmio o fosfatado .

Grados de acero maraging

Los aceros maraging se describen generalmente mediante un número (por ejemplo, grados de acero SAE 200, 250, 300 o 350), que indica la resistencia a la tracción nominal aproximada en miles de libras por pulgada cuadrada (ksi); las composiciones y propiedades requeridas se definen en el estándar militar estadounidense MIL-S-46850D. ^[8] Los grados más altos tienen más cobalto y titanio en la aleación; las composiciones a continuación se toman de la tabla 1 de MIL-S-46850D:

Esta familia se conoce como aceros maraging 18Ni, por su porcentaje de níquel. También existe una familia de aceros maraging sin cobalto que son más baratos pero no tan resistentes; un ejemplo es Fe-18.9Ni-4.1Mo-1.9Ti. Se han realizado investigaciones rusas y japonesas en aleaciones maraging de Fe-Ni-Mn. ^[2]

Ciclo de tratamiento térmico

El acero se recoce primero a aproximadamente 820 °C (1510 °F) durante 15-30 minutos para secciones delgadas y durante 1 hora por cada 25 mm (1 pulgada) de espesor para secciones pesadas, para asegurar la formación de una estructura completamente austenizada . A esto le sigue un enfriamiento al aire o temple a temperatura ambiente para formar una martensita blanda y muy dislocada de hierro-níquel (no maclada). El envejecimiento posterior ( endurecimiento por precipitación ) de las aleaciones más comunes durante aproximadamente 3 horas a una temperatura de 480 a 500 °C (900 a 930 °F) produce una dispersión fina de fases intermetálicas Ni ₃ (X, Y) a lo largo de las dislocaciones dejadas por la transformación martensítica, donde X e Y son elementos solutos añadidos para dicha precipitación. El envejecimiento excesivo conduce a una reducción de la estabilidad de los precipitados primarios, metaestables y coherentes, lo que lleva a su disolución y reemplazo por fases de Laves semicoherentes como Fe2Ni _/ Fe2Mo _. Un tratamiento térmico excesivo adicional provoca la descomposición de la martensita y la reversión a la austenita.

Composiciones más nuevas de aceros maraging han revelado otras estequiometrías intermetálicas y relaciones cristalográficas con la martensita original, incluido el complejo romboédrico y masivo Ni ₅₀ (X,Y,Z) ₅₀ (Ni ₅₀ M ₅₀ en notación simplificada).

Procesamiento de acero maraging

Los aceros maraging son una clase popular de materiales estructurales debido a sus propiedades mecánicas superiores entre las diferentes categorías de acero. Sus propiedades mecánicas se pueden adaptar para diferentes aplicaciones mediante diversas técnicas de procesamiento. Algunas de las técnicas de procesamiento más utilizadas para la fabricación y el ajuste del comportamiento mecánico de los aceros maraging son las siguientes:

• Tratamiento de solución : como se describe en la sección del ciclo de tratamiento térmico, el acero martensítico se calienta a un rango de temperatura específico, después de lo cual se enfría rápidamente. En este paso, los elementos de aleación se disuelven y se logra una microestructura homogénea . La microestructura homogénea así lograda mejora el comportamiento mecánico general de los aceros martensíticos, como la tenacidad a la fractura y la resistencia a la fatiga.
• Envejecimiento de aceros maraging : Es un paso de procesamiento importante ya que este paso conduce a la precipitación de compuestos intermetálicos como _Ni3Al , Ni3Mo _, Ni3Ti _{, etc. Los} precipitados semicoherentes obtenidos durante el envejecimiento normal y los precipitados incoherentes obtenidos después del sobreenvejecimiento contribuyen a la mejora del comportamiento mecánico al activar varios mecanismos de fortalecimiento relacionados con la obstaculización del movimiento de dislocación por precipitados. Los mecanismos de fortalecimiento como el endurecimiento por precipitado donde los precipitados obstaculizan el movimiento de dislocación a través del mecanismo de Orowan o la curvatura por dislocación conducen a un aumento en la resistencia a la tracción máxima de los aceros maraging. El envejecimiento también es beneficioso para reducir las heterogeneidades microestructurales que pueden ocurrir debido a la distribución térmica no uniforme a lo largo de la dirección de construcción en muestras fabricadas con aditivos de arco. ^[9]
• Fusión de lecho de polvo láser (LPBF) : La fusión de lecho de polvo láser es una técnica de fabricación aditiva que se utiliza para crear componentes de geometrías intrincadas utilizando un metal en polvo que se fusiona capa por capa utilizando una fuente de calor de alta densidad de potencia localizada, como un láser . Los materiales se pueden adaptar para que tengan propiedades mecánicas específicas optimizando los parámetros de proceso asociados con LPBF. Se ha observado que los parámetros de procesamiento como la velocidad de escaneo láser, la potencia y el espacio de escaneo pueden tener efectos significativos en las propiedades mecánicas del acero maraging 300, como la resistencia a la tracción , la microdureza y la tenacidad al impacto . Junto con los parámetros de procesamiento, el tipo de tratamiento térmico al que se someten los aceros LPBF también juega un papel importante. Se observa que los parámetros de procesamiento que tienen una magnitud mayor reducen la densidad relativa de la muestra debido a la rápida vaporización o la creación de huecos y poros. También se observa que la microdureza y la resistencia del acero disminuyen después del tratamiento en solución debido a la reversión de la austenita y la desaparición de la microestructura celular. Por otra parte, el tratamiento de envejecimiento después del tratamiento de solución aumenta la microdureza y la resistencia a la tracción del acero, lo que se atribuye a la formación de precipitados como Ni3Mo _, Ni3Ti _, Fe2Mo _. La tenacidad al impacto aumenta después del tratamiento de solución, pero disminuye después del tratamiento de envejecimiento, lo que se puede atribuir a la microestructura subyacente que consiste en pequeños precipitados que actúan como regiones de concentradores de tensión para la formación de grietas. ^[10] La formación de precipitados a escala nanométrica de compuestos intermetálicos después del proceso de envejecimiento conduce a un marcado aumento en el rendimiento y la resistencia a la tracción máxima, pero una reducción sustancial en la ductilidad del material. Este cambio en el comportamiento macroscópico del material se puede vincular a la evolución de la microestructura de morfología de fractura de hoyuelos a cuasi-escisión. ^[11] El envejecimiento seguido del tratamiento de solución de aceros fundidos por láser selectivos también reduce la cantidad de austenita retenida en la matriz martensítica y conduce a un cambio en la orientación del grano. ^[12] El envejecimiento puede reducir la anisotropía plástica hasta cierto punto, pero la direccionalidad de las propiedades está influenciada en gran medida por su historial de fabricación. ^[13]
• Deformación plástica severa : conduce a un aumento en la densidad de dislocación en los materiales, lo que a su vez ayuda a la facilidad de formación de precipitados intermetálicos debido a la disponibilidad de vías de difusión más rápidas a través de los núcleos de dislocación. Se ha observado que la deformación plástica antes del envejecimiento conduce a un tiempo de envejecimiento máximo reducido y un aumento en la dureza máxima. ^[14] La morfología del precipitado en acero severamente deformado plásticamente cambia y se vuelve similar a una placa cuando envejece demasiado, lo que se atribuye a una mayor densidad de dislocación. Esto a su vez conduce a una reducción significativa en la ductilidad y un aumento en la resistencia del material. Junto con la morfología, la orientación de los precipitados también juega un papel importante en el micromecanismo de deformación, ya que inducen anisotropía a las propiedades mecánicas. ^[15]

Usos

La resistencia y maleabilidad del acero maraging en la etapa de pre-envejecimiento le permite ser moldeado en revestimientos de cohetes y misiles más delgados que otros aceros, reduciendo el peso para una resistencia dada. ^[16] 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 operación levemente elevadas y tienen temperaturas máximas de servicio de más de 400 °C (750 °F). ^{[ cita requerida ]} Son adecuados para componentes de motores, como cigüeñales y engranajes, y los percutores de armas automáticas que pasan de calientes a fríos repetidamente mientras están bajo una 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 maquinables debido a su contenido de carburo.

En el deporte de la esgrima , las hojas utilizadas en las competiciones auspiciadas por la Fédération Internationale d'Escrime suelen estar hechas de acero maraging. Las hojas de maraging son superiores para el florete 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 da como resultado una rotura menos frecuente de la hoja y menos lesiones. ^{[i] [17]} El acero maraging inoxidable se utiliza en cuadros de bicicleta (por ejemplo, Reynolds 953 introducido en 2013) ^[18] y cabezas de palos de golf . ^[19] También se utiliza en componentes quirúrgicos y jeringas hipodérmicas, pero no es adecuado para hojas de bisturí porque la falta de carbono impide que mantenga un buen filo.

El acero maraging se utiliza en el sector del petróleo y el gas como herramientas y componentes de fondo de pozo debido a su alta resistencia mecánica. ^[20] La resistencia del acero a la fragilización por hidrógeno es fundamental en entornos de fondo de pozo donde la exposición al sulfuro de hidrógeno (H₂S) puede provocar la degradación y falla del material. ^[21]

El productor estadounidense de cuerdas para instrumentos musicales Ernie Ball ha fabricado un tipo especial de cuerda para guitarra eléctrica a partir de acero maraging, afirmando que esta aleación proporciona un mayor rendimiento y una respuesta tonal mejorada. ^[22]

La producción, importación y exportación de aceros maraging por parte de ciertas entidades, como Estados Unidos, ^[23] es vigilada de cerca por las autoridades internacionales porque es particularmente adecuado para su uso en centrifugadoras de gas para el enriquecimiento de uranio ; ^[24] la falta de acero maraging dificulta significativamente el proceso de enriquecimiento de uranio. Las centrifugadoras más antiguas utilizaban tubos de aluminio, mientras que las modernas utilizan compuestos de fibra de carbono. ^{[ cita requerida ]}

Propiedades físicas

• Densidad : 8,1 g/cm3 ⁽ 0,29 lb/ ⁱⁿ³ )
• Calor específico , media para 0–100 °C (32–212 °F): 452 J/kg·K (0,108 Btu/lb·°F)
• Punto de fusión : 1.413 °C (2.575 °F)
• Conductividad térmica : 25,5 W/m·K
• Coeficiente medio de expansión térmica : 11,3×10 ⁻⁶  K ⁻¹ (20,3×10 ⁻⁶  °F ⁻¹ )
• Resistencia a la tracción de límite elástico : normalmente 1400–2400 MPa (200–350 ksi) ^[25]
• Resistencia máxima a la tracción : normalmente, entre 1,6 y 2,5 GPa (230 y 360 ksi). Existen grados de hasta 3,5 GPa (510 ksi)
• Alargamiento de rotura: hasta 15%
• Tenacidad a la fractura K _IC : hasta 175 MPa·m ^{1 ⁄ 2}
• Módulo de Young : 210 GPa (30 × 10 ⁶  psi) ^[26]^
• Módulo de corte : 77 GPa (11,2 × 10 ⁶  psi)^
• Módulo volumétrico : 140 GPa (20 × 10 ⁶  psi)^
• Dureza (envejecida): 50 HRC (grado 250); 54 HRC (grado 300); 58 HRC (grado 350) ^{[27] [28] [29]}

Véase también

• Aire acondicionado
• Acero USAF-96 y Eglin (aceros maraging económicos con menos níquel y otros materiales costosos).

Referencias

1. Sin embargo, la idea de que las hojas de acero maraging se rompen en forma plana es una leyenda urbana de la esgrima . Las pruebas han demostrado que los patrones de rotura de las hojas en acero al carbono y acero maraging son idénticos debido a la similitud en el modo de carga durante la flexión. Además, es probable que una grieta comience en el mismo punto y se propague a lo largo del mismo camino (aunque mucho más lentamente), ya que la propagación de grietas por fatiga es un fenómeno plástico en lugar de microestructural.

1. Degarmo, E. Paul; Black, JT; Kohser, Ronald A. (2003), Materiales y procesos en la fabricación (novena edición), Wiley, pág. 119, ISBN 0-471-65653-4
2. Sha, W; Guo, Z (26 de octubre de 2009). Aceros martensíticos: modelado de microestructura, propiedades y aplicaciones . Elsevier.
3. INCO. "Acero maraging con 18 % de níquel: propiedades de ingeniería". Instituto del Níquel .
4. Raabe, D.; Sandlöbes, S.; Millan, JJ; Ponge, D.; Assadi, H.; Herbig, M.; Choi, PP (2013), "La ingeniería de segregación permite la transformación de la fase de martensita a austenita a escala nanométrica en los límites de grano: un camino hacia la martensita dúctil", Acta Materialia , 61 (16): 6132–6152, Bibcode :2013AcMat..61.6132R, doi :10.1016/j.actamat.2013.06.055.
5. 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 mediante tomografía de sonda atómica y simulación", Acta Materialia , 59 (1): 364–374, arXiv : 1402.0232 , Bibcode :2011AcMat..59..364D, doi :10.1016/j.actamat.2010.09.042, ISSN  1359-6454, S2CID  13781776
6. Raabe, D.; Ponge, D.; Dmitrieva, O.; Sander, B. (2009), "Aceros de 1,5 GPa endurecidos por nanoprecipitado con una ductilidad inesperadamente alta", Scripta Materialia , 60 (12): 1141, doi :10.1016/j.scriptamat.2009.02.062
7. Adrian P Mouritz, Introducción a los materiales aeroespaciales, pág. 244, Elsevier, 2012 ISBN 0857095153 . 
8. Especificación militar 46850D: ACERO: BARRAS, PLACAS, LÁMINAS, TIRA, FORJAS Y EXTRUSIONES, ALEACIÓN DE NÍQUEL AL 18 POR CIENTO, MARAGING, 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/
9. Xu, Xiangfang; Ganguly, Supriyo; Ding, Jialuo; Guo, Shun; Williams, Stewart; Martina, Filomeno (2018), "Evolución microestructural y propiedades mecánicas del acero martensítico producido mediante un proceso de fabricación aditiva con alambre + arco", Caracterización de materiales , 143 : 152–162, doi : 10.1016/j.matchar.2017.12.002, hdl : 1826/12819 , S2CID  115137237
10. Bai, Yuchao; Yang, Yongqiang; Wang, Di; Zhang, Mingkang (2017), "Mecanismo de influencia del proceso de parámetros y mecanismo de evolución de las propiedades mecánicas del acero martensítico 300 mediante fusión selectiva por láser", Ciencia e ingeniería de materiales: A , 703 : 116–123, doi :10.1016/j.msea.2017.06.033
11. Suryawanshi, Jyoti; Prashanth, KG; Ramamurty, U. (2017), "Propiedades de crecimiento de grietas por fatiga, fractura y tracción de un acero martensítico impreso en 3D mediante fusión selectiva por láser", Journal of Alloys and Compounds , 725 : 355–364, doi :10.1016/j.jallcom.2017.07.177
12. Mutua, James; Nakata, Shinya; Onda, Tetsuhiko; Chen, Zhong-Chun (2018), "Optimización de los parámetros de fusión selectiva por láser e influencia del tratamiento térmico posterior en la microestructura y las propiedades mecánicas del acero maraging", Materials & Design , 139 : 486–497, doi :10.1016/j.matdes.2017.11.042
13. Mooney, Barry; Kourousis, Kyriakos I; Raghavendra, Ramesh (2019), "Anisotropía plástica del acero martensítico fabricado de forma aditiva: influencia de la orientación de la construcción y los tratamientos térmicos", Additive Manufacturing , 25 : 19–31, doi : 10.1016/j.addma.2018.10.032, hdl : 10344/7510 , S2CID  139243144
14. Tian, ​​Jialong; Wang, Wei; Li, Huabing; Shahzad, M Babar; Shan, Yiyin; Jiang, Zhouhua; Yang, Ke (2019), "Efecto de la deformación en el comportamiento de endurecimiento por precipitación de un acero maraging en el proceso de envejecimiento", Caracterización de materiales , 155 : 109827, doi : 10.1016/j.matchar.2019.109827, S2CID  199188852
15. Jacob, Kevin; Roy, Abhinav; Gururajan, MP; Jaya, B Nagamani (2022), "Efecto de la red de dislocación en la morfología del precipitado y el comportamiento de la deformación en aceros maraging: modelado y validación experimental", Materialia , 21 : 101358, doi : 10.1016/j.mtla.2022.101358, S2CID  246668007
16. Joby Warrick (11 de agosto de 2012). "Una artimaña nuclear: un comerciante chino, haciéndose pasar por fabricante de juguetes, supuestamente buscaba tecnología estadounidense para Irán". The Washington Post . Consultado el 21 de febrero de 2014 .
17. Juvinall, Robert C.; Marshek, Kurt M. (2006). Fundamentos del diseño de componentes de máquinas (cuarta edición). John Wiley & Sons, Inc., pág. 69. ISBN 978-0-471-66177-1.
18. "Reynolds cumple 120 años: La historia de Reynolds Technology". www.reynoldstechnology.biz . 20 de diciembre de 2018 . Consultado el 29 de diciembre de 2022 .
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21. Garrison, WM; Moody, NR (2012). "Capítulo 12 - Fragilización por hidrógeno de aceros de alta resistencia". En Gangloff, Richard (ed.). Fragilización por hidrógeno gaseoso de materiales en tecnologías energéticas . Woodhead Publishing. págs. 421–492. ISBN 9781845696771.
22. "Cuerdas de guitarra eléctrica Slinky M-Steel". Ernie Ball . Consultado el 15 de julio de 2020 . Las cuerdas de guitarra eléctrica Ernie Ball M-Steel están hechas de una aleación patentada de Super Cobalt envuelta alrededor de un alambre con núcleo hexagonal de acero martensítico, lo que produce un tono más rico y completo con una respuesta potente de gama baja.
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28. "Acero Maraging 300 / VASCOMAX 300". Service Steel Aerospace . 10 de diciembre de 2019.
29. "Acero Maraging 350 / VASCOMAX 350". Service Steel Aerospace . 10 de diciembre de 2019.

Enlaces externos

• Fichas técnicas de acero maraging Archivado el 15 de agosto de 2016 en Wayback Machine.