El mangalloy , también llamado acero al manganeso o acero Hadfield , es un acero de aleación que contiene un promedio de alrededor del 13 % de manganeso . El mangalloy es conocido por su alta resistencia al impacto y a la abrasión una vez que se encuentra en su estado endurecido por deformación.
El mangalloy se fabrica mediante la aleación de acero, que contiene entre un 0,8 y un 1,25 % de carbono, con entre un 11 y un 15 % de manganeso . [1] El 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 condiciones de impacto , sin ningún aumento de la fragilidad que generalmente se asocia con la dureza. [2] Esto permite que el mangalloy conserve su tenacidad .
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 un 1,5 %, el acero se vuelve quebradizo y esta característica aumenta hasta alcanzar un contenido de manganeso de aproximadamente un 4 a 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 aproximadamente un 10 %, el acero permanecerá en su forma austenítica 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 con el aumento del contenido de carbono. El acero Hadfield original contenía aproximadamente un 1,0 % de carbono. Otros agentes de aleación pueden incluir metales como el níquel y el cromo ; Se añade con mayor frecuencia a los aceros austeníticos como estabilizador de austenita; molibdeno y vanadio ; se utiliza en aceros no austeníticos como estabilizador de ferrita ; o incluso elementos no metálicos como el silicio . [4]
El mangalloy tiene una resistencia a la fluencia aceptable pero una resistencia a la tracción muy alta , típicamente entre 350 y 900 megapascales (MPa), que aumenta rápidamente a medida que se endurece por deformación. A diferencia de otras formas de acero, cuando se estira hasta el punto de rotura, el material no se "estrecha" (se hace más pequeño en el punto más débil) y luego se desgarra. En cambio, el metal se estrecha y se endurece por deformación, aumentando la resistencia a la tracción a niveles muy altos, a veces tan altos como 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 ser de 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 van del 12 al 30% pueden resistir los efectos frágiles del frío, a veces a temperaturas en el rango de -196 °F (-127 °C). [4] [7]
El mangalloy es tratable térmicamente , pero el manganeso reduce la temperatura a la que la austenita se transforma en ferrita . A diferencia del acero al carbono , el mangalloy se ablanda en lugar de endurecerse cuando se enfría rápidamente, restaurando la ductilidad a partir de un estado endurecido por trabajo. La mayoría de los grados están listos para usar después del recocido y luego del temple a partir de un calor amarillo, sin necesidad de revenido adicional , y generalmente tienen una dureza Brinell normal de alrededor de 200 HB (aproximadamente la misma que el acero inoxidable 304), pero, debido a sus 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 del mangalloy suelen verse limitados por su dificultad de mecanizado ; a veces se lo describe como de "maquinabilidad cero". [7] El metal no se puede ablandar mediante recocido y se endurece rápidamente con herramientas de corte y rectificado, por lo que normalmente se requieren herramientas especiales para mecanizarlo. El material se puede perforar con extrema dificultad utilizando diamante o carburo. Aunque se puede forjar a partir de un calor amarillo, puede desmoronarse si se martilla 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, el material puede no ser siempre rígido. [10] Se puede formar mediante laminación en frío o doblado en frío. [11]
Robert Forester Mushet había experimentado con manganeso en acero en las obras de Bessemer en 1856, y utilizó hasta un 2-5 por ciento en su acero para herramientas autoendurecible. [12] Alexandre Pourcel , de la empresa francesa Terre-Noire Cie., fue capaz, para la Feria Mundial de 1878 en París, de producir ferromanganeso con hasta un 80 por ciento de manganeso y solo una pequeña cantidad de carbono. Hadfield tradujo un folleto que acompañaba la exhibición de Pourcel y estaba muy interesado en el producto. [12]
El mangalloy fue creado por Robert Hadfield en 1882, convirtiéndose en el primer acero de aleación que tuvo éxito comercial y exhibió un comportamiento radicalmente diferente al del acero al carbono . Por lo tanto, generalmente se considera que marcó el nacimiento de los aceros de aleación. [13]
Benjamin Huntsman fue uno de los primeros en comenzar a agregar otros metales al acero. Su proceso de fabricación de acero de 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. [13] En 1816, un investigador alemán Carl JB Karsten [14] observó que agregar cantidades bastante grandes de manganeso al hierro aumentaría su dureza sin afectar su maleabilidad y tenacidad, [15] pero la mezcla no era homogénea y los resultados del experimento no se consideraron confiables. [16] "y nadie comprendió que la verdadera razón por la que 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, y por eso era la materia prima del acero al manganeso". [17] En 1860, Sir Henry Bessemer , tratando de perfeccionar su proceso Bessemer de fabricación de acero, descubrió que añadir spiegeleisen al acero después de soplarlo 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, lo que provoca puntos débiles que impiden el laminado en caliente . El manganeso se suele añadir a la mayoría de los aceros modernos en pequeñas cantidades debido a su potente capacidad para eliminar impurezas. [18]
Hadfield estaba buscando un acero que pudiera utilizarse para la fundición de ruedas de tranvía que exhibiera tanto dureza como tenacidad, ya que los aceros al carbono comunes no combinan esas propiedades. El acero se puede endurecer mediante un enfriamiento rápido, pero pierde su tenacidad y se vuelve quebradizo. Las piezas de fundición de acero normalmente no se pueden enfriar rápidamente, ya que las formas irregulares pueden deformarse o agrietarse. El mangalloy resultó 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 de fundición. [19] [13]
Hadfield había estado estudiando los resultados de otros que experimentaron con la mezcla de varios elementos con acero, como Benjamin Huntsman y AH Allen. En esa época, la fabricación de acero era un arte más que una ciencia, producida por artesanos expertos que a menudo eran muy reservados. Por lo tanto, no existían datos metalúrgicos sobre el acero antes de 1860, por lo que la información sobre las diversas aleaciones era esporádica y a menudo poco fiable. Hadfield se interesó en la adición de manganeso y silicio. La Terre Noire Company había creado una aleación llamada "ferromanganeso", que contenía hasta un 80% de manganeso. Hadfield comenzó mezclando ferromanganeso con acero de crisol y silicio, produciendo una aleación de 7,45% de manganeso, pero el material no era 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, pensando que los resultados debían haber sido erróneos. Parecía opaco y blando, con un brillo submetálico similar en apariencia al plomo , pero cortaba los dientes de su lima. No mantenía el filo como herramienta de corte, pero no se podía cortar con sierras ni mecanizar 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 molerlo simplemente vidriaron y pulieron la superficie. Lo más sorprendente es que, cuando se calentaba y se enfriaba , se comportaba casi de manera opuesta al acero al carbono simple. [13] Después de realizar varios cientos de pruebas, se dio cuenta de que debían ser precisas, aunque la razón de la combinación de dureza y tenacidad desafiaba cualquier explicación en ese momento. Hadfield escribió: "¿Existe algún caso similar a éste entre otras aleaciones de hierro, si se puede utilizar el término aleación? Ningún tratado metalúrgico se refiere a ellas... Posiblemente, cuando se comprenda mejor la naturaleza de las leyes que rigen las aleaciones, se descubra que éste es sólo uno de los otros casos...". [20]
La invención de Hadfield fue la primera aleación de acero que demostró diferencias considerables en propiedades en comparación con el acero al carbono. [13] En la era moderna, se sabe que el manganeso inhibe la transformación de la fase austenítica maleable en martensita quebradiza dura que tiene lugar en los aceros normales cuando se templan en el procedimiento de endurecimiento. La austenita de los aceros Hadfield es termodinámicamente inestable y se transformará en martensita cuando se someta 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 la presentó al público hasta 1887. Finalmente se decidió por una aleación que contenía entre un 12 y un 14 % de manganeso y un 1,0 % de carbono, que era lo suficientemente dúctil para ser mellada pero tan dura que no podía cortarse. Se convirtió en el primer acero de aleación que se volvió comercialmente viable. Hadfield comercializó originalmente su acero para su uso en ferrocarriles y tranvías, pero rápidamente comenzó a producirlo para todo, desde placas de sierra hasta cajas fuertes. [13]
El mangalloy se ha utilizado en la industria minera , hormigoneras , trituradoras de rocas , cambios de vía y cruces ferroviarios, bandas de rodadura para tractores y otros entornos de alto impacto y abrasivos. También se utiliza en entornos de alto impacto como en el interior de una máquina de granallado. Estas aleaciones están encontrando nuevos usos como aceros criogénicos , debido a su alta resistencia a temperaturas muy bajas.
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