Mangalloy , también llamado acero al manganeso o acero Hadfield , es un acero aleado que contiene en promedio alrededor del 13% de manganeso . Mangalloy es conocido por su alta resistencia al impacto y a la abrasión una vez en su estado endurecido.
La mangalloy se fabrica mediante una aleación de acero que contiene entre un 0,8 y un 1,25 % de carbono y entre un 11 y un 15 % de manganeso . [1] Mangalloy es un acero no magnético único con propiedades antidesgaste extremas. El material es muy resistente a la abrasión y alcanzará hasta tres veces su dureza superficial durante las condiciones de impacto , sin ningún aumento en la fragilidad que generalmente se asocia con la dureza. [2] Esto permite que la mangalloy conserve su dureza .
La mayoría de los aceros contienen entre un 0,15 y un 0,8% de manganeso. Las aleaciones de alta resistencia suelen contener entre un 1 y un 1,8% de manganeso. [3] [4] [5] Con un contenido de manganeso de aproximadamente el 1,5%, el acero se vuelve quebradizo y esta característica aumenta hasta alcanzar un contenido de manganeso del 4 al 5%. En este punto, el acero se pulverizará con el golpe de un martillo. Un mayor aumento del contenido de manganeso aumentará tanto la dureza como la ductilidad . Con un contenido de manganeso de alrededor del 10%, el acero permanecerá en su forma de austenita a temperatura ambiente si se enfría correctamente. [6] Tanto la dureza como la ductilidad alcanzan sus puntos más altos alrededor del 12%, dependiendo de otros agentes de aleación. [1] El principal de estos agentes de aleación es el carbono, porque la adición de manganeso al acero con bajo contenido de carbono tiene poco efecto, pero aumenta drásticamente al aumentar el contenido de carbono. El acero Hadfield original contenía aproximadamente un 1,0% de carbono. Otros agentes de aleación pueden incluir metales como níquel y cromo ; añadido con mayor frecuencia a los aceros austeníticos como estabilizador de austenita; molibdeno y vanadio ; utilizado en aceros no austeníticos como estabilizador de ferrita ; o incluso elementos no metálicos como el silicio . [4]
Mangalloy tiene un límite elástico aceptable pero una resistencia a la tracción muy alta , generalmente entre 350 y 900 megapascales (MPa), que aumenta rápidamente a medida que se endurece. A diferencia de otras formas de acero, cuando se estira hasta el punto de rotura, el material no se "estricta" (se hace más pequeño en el punto más débil) y luego se rompe. En cambio, el metal se endurece y se endurece, aumentando la resistencia a la tracción a niveles muy altos, a veces hasta 2000 MPa. Esto hace que el material adyacente se estreche, se endurezca y esto continúa hasta que toda la pieza es mucho más larga y delgada. El alargamiento típico puede oscilar entre el 18 y el 65%, dependiendo tanto de la composición exacta de la aleación como de los tratamientos térmicos previos. Las aleaciones con contenidos de manganeso que oscilan entre el 12 y el 30% son capaces de resistir los efectos frágiles del frío, a veces a temperaturas en el rango de -196 °F (-127 °C). [4] [7]
La mangalloy se puede tratar térmicamente , pero el manganeso reduce la temperatura a la que la austenita se transforma en ferrita . A diferencia del acero al carbono , la mangalloy se ablanda en lugar de endurecerse cuando se enfría rápidamente, restaurando la ductilidad de un estado endurecido por trabajo. La mayoría de los grados están listos para su uso después del recocido y luego templado con calor amarillo, sin necesidad adicional de revenido , y generalmente tienen una dureza Brinell normal de alrededor de 200 HB (aproximadamente lo mismo que el acero inoxidable 304), pero, debido a su propiedades únicas, la dureza de indentación tiene muy poco efecto en la determinación de la dureza al rayado (la resistencia a la abrasión y al impacto del metal). [8] Otra fuente dice que la dureza Brinell básica del acero al manganeso según la especificación original de Hadfield es 220, pero que con el desgaste por impacto la dureza de la superficie aumentará a más de 550. [9]
Muchos de los usos de mangalloy suelen estar limitados por su dificultad de mecanizado ; a veces se describe como de "maquinabilidad cero". [7] El metal no se puede ablandar mediante el recocido y se endurece rápidamente con herramientas de corte y rectificado, lo que generalmente requiere herramientas especiales para mecanizar. El material se puede perforar con extrema dificultad con diamante o carburo. Aunque se puede forjar con calor amarillo, puede desmoronarse si se golpea con un martillo cuando está al rojo vivo y es mucho más resistente que el acero al carbono cuando se calienta. [10] Se puede cortar con un soplete de oxiacetileno , pero el corte por plasma o láser es el método preferido. [11] A pesar de su extrema dureza y resistencia a la tracción, es posible que el material no siempre sea rígido. [10] Puede formarse mediante laminación en frío o doblado en frío. [11]
Mangalloy fue creado por Robert Hadfield en 1882, convirtiéndose en el primer acero aleado que tuvo éxito comercial y exhibió un comportamiento radicalmente diferente al del acero al carbono . Por lo tanto, generalmente se considera que marca el nacimiento de los aceros aleados. [12]
Benjamin Huntsman fue uno de los primeros en empezar a añadir otros metales al acero. Su proceso de fabricación de acero al crisol , inventado en 1740, fue la primera vez que el acero pudo fundirse completamente en un crisol. Huntsman ya había estado usando varios fundentes para ayudar a eliminar las impurezas del acero y pronto comenzó a agregar un arrabio rico en manganeso llamado Spiegeleisen , que redujo en gran medida la presencia de impurezas en su acero. [12] En 1816, un investigador alemán Carl JB Karsten [13] observó que agregar cantidades bastante grandes de manganeso al hierro aumentaría su dureza sin afectar su maleabilidad y tenacidad, [14] pero la mezcla no era homogénea y los resultados del El experimento no se consideró confiable. [15] "y nadie entendió que la verdadera razón por la cual el hierro extraído en Noricum producía un acero tan magnífico residía en el hecho de que contenía una pequeña cantidad de manganeso no contaminado por fósforo, arsénico o azufre, al igual que la materia prima de acero al manganeso." [16] En 1860, Sir Henry Bessemer , tratando de perfeccionar su proceso Bessemer de fabricación de acero, descubrió que agregar spiegeleisen al acero después de haber sido soplado ayudaba a eliminar el exceso de azufre y oxígeno . [3] El azufre se combina con el hierro para formar un sulfuro que tiene un punto de fusión más bajo que el acero, provocando puntos débiles que impedían el laminado en caliente . Generalmente se agrega manganeso a la mayoría de los aceros modernos en pequeñas cantidades debido a su poderosa capacidad para eliminar impurezas. [17]
Hadfield buscaba un acero que pudiera usarse para la fundición de ruedas de tranvía y que presentara dureza y tenacidad, ya que los aceros al carbono ordinarios no combinan esas propiedades. El acero se puede endurecer mediante un enfriamiento rápido, pero pierde su dureza y se vuelve quebradizo. Las piezas fundidas de acero generalmente no se pueden enfriar rápidamente, ya que las formas irregulares pueden deformarse o agrietarse. Mangalloy demostró ser extremadamente adecuado para la fundición, ya que no formaba bolsas de gas llamadas "agujeros de soplado" y no mostraba la extrema fragilidad de otras piezas fundidas. [18] [12]
Hadfield había estado estudiando los resultados de otros que experimentaron mezclando varios elementos con acero, como Benjamin Huntsman y AH Allen. En aquella época, la fabricación de acero era más un arte que una ciencia, producida por hábiles artesanos que a menudo eran muy reservados. Por tanto, no existían datos metalúrgicos sobre el acero antes de 1860, por lo que la información sobre las distintas aleaciones era esporádica y, a menudo, poco fiable. Hadfield se interesó en la adición de manganeso y silicio. La Compañía Terre Noire había creado una aleación llamada "ferromanganeso", que contenía hasta un 80% de manganeso. Hadfield comenzó mezclando ferromanganeso con acero al crisol y silicio, produciendo una aleación de 7,45% de manganeso, pero el material no resultó satisfactorio para sus propósitos. En su siguiente intento, omitió el silicio y añadió más ferromanganeso a la mezcla, logrando una aleación con 1,35% de carbono y 13,76% de manganeso. Al crear mangalloy, Hadfield probó el material y pensó que los resultados debían haber sido erróneos. Parecía opaco y suave, con un brillo submetálico similar en apariencia al plomo , pero le cortó los dientes a su lima. No sostenía un borde como herramienta de corte, pero no podía cortarse con sierras ni mecanizarse en un torno . No era magnético a pesar de contener más del 80% de hierro y tenía una resistencia eléctrica muy alta . Los intentos de pulirlo simplemente vidriaron y pulieron la superficie. Lo más sorprendente es que cuando se calentaba y enfriaba , se comportaba casi de manera opuesta al acero al carbono simple. [12] Después de realizar varios cientos de pruebas, se dio cuenta de que debían ser precisas, aunque el motivo de la combinación de dureza y tenacidad desafiaba cualquier explicación en ese momento. Hadfield escribió: "¿Existe algún caso similar a este entre otras aleaciones de hierro, si se puede usar el término aleación? Ningún tratado metalúrgico se refiere a ellos... Posiblemente, cuando se comprenda mejor la naturaleza de las leyes que gobiernan las aleaciones, esto será se encontró que era sólo uno de los otros casos...". [19]
La invención de Hadfield fue la primera aleación de acero que demostró diferencias considerables en las propiedades en comparación con el acero al carbono. [12] En la era moderna, se sabe que el manganeso inhibe la transformación de la fase de austenita maleable en martensita dura y frágil que tiene lugar en los aceros normales cuando se enfrían en el procedimiento de endurecimiento. La austenita de los aceros Hadfield es termodinámicamente inestable y se transforma en martensita cuando se somete a un impacto mecánico, formando así la capa superficial dura.
Hadfield patentó su acero en 1883, pero pasó los siguientes cinco años perfeccionando la mezcla, por lo que no lo presentó al público hasta 1887. Finalmente se decidió por una aleación que contenía entre 12 y 14 % de manganeso y 1,0 % de carbono, que era lo suficientemente dúctil para tener sangrías pero con tanta fuerza que no se podría cortar. Se convirtió en el primer acero aleado que se volvió comercialmente viable. Hadfield originalmente comercializó su acero para su uso en ferrocarriles y tranvías, pero rápidamente comenzó a producirlo para todo, desde placas de sierra hasta cajas fuertes. [12]
Mangalloy se ha utilizado en la industria minera , mezcladoras de cemento , trituradoras de rocas , desvíos y cruces ferroviarios, bandas de rodadura para tractores y otros entornos abrasivos y de alto impacto. También se utiliza en entornos de alto impacto, como dentro de una máquina de granallado. Estas aleaciones están encontrando nuevos usos como aceros criogénicos , debido a su alta resistencia a temperaturas muy bajas.