VARIABLES METALURGICAS EN EL PROCESO DE FABRICACION DE ACEROS AL MANGANESO

Julio Suni M.jsuni@mepsa.com

METALURGICA PERUANA S.A.

INTRODUCCION

El acero al manganeso proporcionaexcelentes caractersticas de servicio enpiezas sujetos a severos impactos, choques ydesgaste por abrasin de alta exigenciamecnica orientadas principalmente en lasindustrias mineras y cementeras.

Es el nico acero que se utiliza en todas lasmquinas de chancado de mineral por susexcepcionales propiedades que tiene.

ANTECEDENTES

En 1883, Robert Hadfield patent enSheffield, Inglaterra con el nmero 200, elacero al manganeso.

Se inicio fundiendo separadamente acero alcarbono convencional y ferro-manganeso,luego da haber fundido se homogeniza enuna cuchara.

Hoy en da se funde como una sola colada enhorno elctrico de arco o de induccin.

La composicin de este acerocomercialmente fue de 1.2 %C y 12.5% Mn.,y es conocido universalmente como el aceroal manganeso Hadfield.

CARACTERISTICAS

Posee una excepcional tenacidad y ductilidaddespus de un adecuado tratamiento trmico.

Capacidad para obtener un rpidoendurecimiento superficial por deformacinhasta 550 Brinell, manteniendo su tenacidady sus caractersticas no-magnticas.

Recalentamiento a temperaturas intermedias(400 a.C. 600 a.C.) produce fragilidad.

Severo impacto en servicio, mejora suresistencia al desgaste.

La reparacin por soldadura se debe hacersin precalentamiento.

PROPIEDADES MECANICAS

Resist. traccin : 120,000 psi -130,000 psi. Lmite Elstico : 55,000 psi- 60,000 psi Elongacin : 35% - 45% Reduccin de rea : 30% - 40% Dureza : 190 210 Brinell

PROPIEDADES MAGNETICAS

El acero Hadfield es 100% austenitico, es nomagntico.

Recalentamiento despus de tratamientotrmico causa cambios metalogrficos, seproduce un aumento magntico encima delos 500 C con aumento de fragilidad.

PROPIEDADES A BAJAS TEMPERATURAS

A temperaturas debajo de -180 C aumenta lafragilidad.

A -70 C mantienen sus propiedades deresistencia al impacto.

RESISTENCIA AL CALENTAMIENTO

El acero Hadfield no es resistente alcalentamiento, no se recomienda elevar latemperatura durante el trabajo.

Como un regla general este acero nuncadebe calentarse encima de 350 C, a estatemperatura el campo austentico tiende atransformarse y los carburos empiezan aprecipitar en los lmites de grano.

ROL DE ELEMENTOS BASE

CARBON:

Es el elemento ms importante en laproduccin de aceros al manganeso, lasmejores propiedades se obtienen concarbonos comprendidos entre 1.05% a1.25%.

950900850800750700650600550500

13813012311610910194878072

0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60

Tens

ile

stre

ngt

h ks

i

Carbon wt%

Tensil

e str

engt

h M

pa

I N F L U E N C I A E N R E S I S T E N C I A A T R A C C I O N

.

MANGANESO

Contribuye a la estabilizacin de la austenita. Su rango de uso tpico est entre 12.5% a

14%. En estos rangos se contienen lamxima tenacidad.

SILICIO

Los porcentajes normalmente usados estncomprendidos entre 0.40% a 0.60%.

En la solidificacin el silicio tiene unasegregacin fuerte.

Reduce la solubilidad de carbn en laaustenita.

Por encima de 1% el silicio deteriora laductilidad y habr tendencia a rajaduras.

ELEMENTOS DE ALEACION

CROMO

Se usa para incrementar moderadamente ellmite elstico.

Reduce la ductilidad por incremento decarburos frgiles en la austenita.

Nivel cercano a 2.5% asociado a un altoporcentaje de carbono se obtienen carburosque no se disuelven.

I N F L U E N C I A D E C A R B O N L I M I T E E L A S T I C O450

400

350

300250

200

150

65

58

51

44

38

29

22

Yiel

d st

rengt

h ks

i

Yiel

d s

tren

gth

Mpa

0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60Carbon wt%

31

30

29

28

270.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60

I N F L U E N C I A E N L A R E D U C C I O N T O T A L

% C a r b o n

Tota

l red

uctio

n in

heig

ht %

8 10 12 14 16 18Manganese content %

Stre

ngt

h, M

pa

INFLUENCIA DE Mn RESISTENCIA DE TRACCION Y LIMITE DE FLUENCIA

1000

800

600

400

200Yield strength

Tensile strength

Strength

INFLUENCIA DE Mn % DE ELONGACIN60

40

20

08 10 12 14 16 18

Manganese content. %

Elo

nga

tion

%

Ductillity

140

120

100

80

60

40

20

00 1 2 3 4

Percentage Silicon

Stre

ngt

h 10

00ps

i

Yield Strength

Elongation

Fig. 4.2.- Efecto del contenido de Si, sobre aceros austeniticos al Mn templadas en agua arriba de Acm, 108 a 1.17 %C y 11% de Mncomo minimo (American Brake shoe Company)

Tensile strenght

40

20

0 Pe

rcenta

ge

0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60C a r b o n w t %

I N F L U E N C I A D E C A R B O N E N % D E E L O N G A C I N50

40

30

20

10

0

Elo

nga

tion

in

50

m

m (2

in

)%

MOLIBDENO

Esta distribuido parte en la solucin de laaustenita y parte en los carburos primariosformados durante la solidificacin.

Mejora la tenacidad, incrementa la resistenciaa la traccin y el lmite elstico.

Suprime la formacin de carburos frgilesdurante la operacin de temple.

Permite la produccin de piezas concontenido intermedio de carbn conespesores gruesos.

IMPUREZAS

FOSFORO

Los altos niveles de fsforo en una pieza deacero al manganeso contribuye a generar unfenmeno llamado segregacin, propiciandozonas frgiles.

Bajan las propiedades mecnicas y sonsusceptibles a la generacin de grietas quevan a travs del borde del grano austentico.

AZUFRE

El contenido de azufre en aceros almanganeso no tiene influencias en laspropiedades el exceso de manganeso loneutraliza y lo mantiene como inclusionesredondeadas de sulfuro de manganeso.

MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO

El acero al manganeso tiene una granhabilidad para endurecerse por impactodesde 200 HB hasta 550 HB durante eltrabajo

Los grandes impactos producen mayorprofundidad de endurecido

El desarrollo de alta dureza es usualmenteatribuido a endurecimiento por deformacinplstica.

PROCESO DE FABRICACION

La fabricacin de acero al manganeso involucra elcontrol de variables operativas que sonimportantes para la obtencin de piezas conrendimiento satisfactorio de campo.

Diseo e Ingeniera Modelera Moldeo Fusin Vaciado Desmoldeo Acabado Tratamiento Trmico Maquinado Despacho

INFLUENCIA DE Cr RESISTENCIA DE TRACCINY LIMITE ELASTICO

1000

800

600

400

2000 2 4 6 8 10

Stre

ngt

h M

pa

Yield strength

Chromium content %

Tensile strength

INFLUENCIA DE Mo RESISTENCIA A LA TRACCIONY LIMITE ELASTICO

1000

800

600

400

200

Stre

ng t

h M

pa

Molybdenum content %0 1 2 3 4 5

Tensile strength

Yield strength

600

500

400

300

200 0 19 20 30 40

Work - Hardening

Distance From Worn Face - mm.

Fig. 29 Hardness of Worn Manganese Steel Crusher Jaw

DISEO DEL PRODUCTO

Etapa de levantamiento de datos y elaboracin delplano de acuerdo a las exigencias y requerimientos delcliente.Se disea y redisea orientado hacia la mejor atencinal cliente con el propsito de aumentar laproductividad y rendimiento de sus equipos.Contamos con tecnologa de punta en el diseo ypersonal calificado en desarrollar diseo de nuevaspiezas.

FABRICACION DEL MODELO

La fabricacin de los modelos y cajas de alma sonhechos en madera , se debe tener en cuenta lassiguientes consideraciones:

-Tolerancias de contraccin- Tolerancias de extraccin- Tolerancias para acabado- Tolerancias de distorsin

Taller cuenta con equipos apropiados y personalespecializado para desarrollar modelos simples ycomplicados de acuerdo a la necesidad del cliente.

SIMULACION DEL PROCESO

La solidificacin es uno de los procesos crticos en lafundicin donde se generan muchos problemas decalidad.Trabajamos con ayuda de Software de Simulacin deSolidificacin Solid-Cast, ltima versin en diseo quenos garantiza una solidez de la pieza con un sistemade colada apropiado.

INGENIERIA DE PROCESO

MOLDEO

Es una de las etapas ms importantes en el procesode fabricacin los moldes deben cumplir las siguientescaractersticas:Buena permeabilidad, resistencia, refractariedad ycolapsabilidad.Moldeamos piezas que tienen dimensiones ygeometras variadas obtenindose excelentesacabados superficiales.Con uso de mquinas como mezcladora continua dearena con resina, recuperadora de arena, batidores depintura etc.

PREPARACIN DE LA CHATARRALa chatarra es preparada a un tamao adecuado parala carga al horno, buscando una buena densidad.El balance de carga esta compuesto por chatarra deacero bajo carbono, retornos de chatarra demanganeso, ferro-manganeso de bajo fsforo, ferro-silicio, etc.

FUSIN

El revestimiento del horno para la fabricacinde aceros al manganeso debe ser bsico.

En el transcurso de fusin no sobrecalentar elacero para evitar la absorcin de gases enexceso que son muy perjudiciales.

Los Hornos elctricos de arco introducennitrgeno adicional en el metal lquido debidoa las altas temperaturas y la ionizacin delgas nitrgeno en los electrodos.

El hidrgeno se puede producir debido a uncalentamiento insuficiente en los refractarios,humedad de los insumos (Cal, chatarra oferro aleaciones).

El alto contenido de nitrgeno puede causarla aparicin de defectos (blowhols), o encombinacin con el aluminio forman nitrurosque provocarn fragilidad en las piezasfundidas, los cuales se ubican en los bordesde grano.

Los defectos de porosidad en los aceros almanganeso fundidos es causada por lapresencia de Nitrgeno e Hidrgeno disueltosen el metal lquido cuando estasconcentraciones estn encima de un valorcrtico.

SANGRADO DEL METAL

Las cucharas deben estar convenientementeprecalentadas 800 C a 1000 C aprox. Para evitarcadas bruscas de temperatura del metal.Para el vaciado del metal es necesario considerar dosaspectos muy importantes:

Temperatura de Vaciado.-La temperatura de vaciado tiene un efecto marcado enel tamao de grano, las bajas temperaturas de vaciadoproducen un grano fino

Tiempo de Vaciado.-Es recomendable vaciar lo ms rpido posible paraevitar reaccin del molde y evitar defectos en la pieza.

EFECTOS DE TAMAO DE GRANO El tamao de grano fino favorece: Buena resistencia y ductilidad Aumento de capacidad de endurecimiento

por deformacin plstica Propiedades uniformes en la seccin de la

pieza Baja tendencia de fisuras en todas las etapas

de produccin. Tamao de grano grueso esta asociado

con: Reduccin de resistencia al impacto Fisuras en caliente debido al alto nivel de

micro-segregacin.

DESMOLDEO

El tiempo de desmoldeo de piezas esta en funcin alespesor y volumen de la pieza.A mayor espesor de pared de la pieza, la velocidad deenfriamiento se vuelve mas lenta, lo que aumenta laopcin de fragilidad por precipitacin de carburos queproducen tensiones residuales adicionales.La micro-estructura en as-cast de un acero almanganeso contiene un elevado porcentaje decarburos precipitados, perlita y bainita en una matrizaustentica.

TRATAMIENTO TERMICO

Consiste en calentamiento entre 1000C a 1100C,manteniendo a esta temperatura 1 o 2 horas segnespesor de la pieza.Solubilidad completa de carbono en austenita, y unenfriamiento violento en agua con agitacin. Se obtiene mximas propiedades de tenacidad yresistencia al impacto.Una micro-estructura totalmente austentica libre decarburos.

1100

1000

900

800

600

700

500

4000 1.00.2 1.20.4 1.40.6 1.60.8

Carbon, wt %

Fig. 2: Fe-C-Mn pseudo-binary phase diagram at13% Mn(ASTM Handbook, vol:3, 1992)

Te

mpe

ratu

ra C

+M C

+

+M C 3

(g.b.Carbide pearliteacicular carbide)

690C(G.b.carbide)

970C940C910C

+ +M C 3

13% Manganese

1100

1000

900

800

700

2000

1900

1800

1700

1600

1500

1400

1300

Austenite+

carbidesTe

mpe

ratu

re C

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4Carbon %

Acm

Fig. 1 Solubility of carbon in 13% Mn steels

Tem

pera

ture

F

Manganese 13%

Segreation xls

1200

1000

800

600

400

200

0

60

50

40

30

20

10

00 2 4 6 8 10 12

Quench time, minutes

Cast

ing T

em

pera

ture

C

Wa

ter

Tem

pera

ture

C

Fig. 6. Temperature measurements during quenching of 3 in Y-blocks

800

600

700

500

400

0

-2001010 1010 1010

Tem

pera

tura

C

Time, Seconds

Aus te ni te

Fig. 3. Isothermal transformation diagram for grainboundary carbides, pearlite and acicular carbides(Collete et al, 1957)

Ms

200

300

CONSECUENCIAS NEGATIVAS DE UN MALTRATAMIENTO TERMICO

Solucin incompleta de carbn en laaustenita, es decir carburos no disueltosen el momento de temple debido a bajastemperaturas o deficiente control detemperatura en el horno.

Baja velocidad de templado reducirdrsticamente la tenacidad del acero,debido a la precipitacin de carburos enel borde de grano.

Exceso de temperatura produce inicio defusin en los bordes de granoocasionando marcada fragilidad en elacero.

SOLDADURA

El acero al manganeso es un materialextremadamente sensible a los efectos derecalentamiento y a menudo se vuelve tan frgily pierde su alta tenacidad.Hasta el momento la soldadura elctrica es elmejor mtodo para hacer las reparaciones enfro.La soldadura debe tener bajo porcentaje decarbn para minimizar la precipitacin decarburos cuando enfran desde la temperaturaque se aplica la soldadura.Electrodos con porcentaje de Cr por encima de2.5% se usan con xito para reconstruir partesdesgastas por abrasin, pero debido a su bajocontenido de carbn se sacrifica parte de laresistencia a la abrasin.

Recomendaciones para la aplicacin de lasoldadura-.

En la reparacin con soldadura elctrica,utilizar amperaje mnimo

El depsito intermitente en los cordonesde soldadura seguido de un rpidoenfriamiento con agua, evita laprecipitacin de carburos y fragilidad.

Inmediatamente despus de depositadoel cordn se debe martillar para evitartensiones y rajaduras.

La zona afectada (Inclusiones, rechupes)deben ser eliminadas previamente antesde soldar.

Se debe utilizar tintas penetrantes paraasegurar total eliminacin del defecto.

MAQUINADO

El acero al manganeso es muy tenaz seendurece al trabajo de la herramienta cortante.Fue tipificado comercialmente como un acero nomaquinable.Actualmente las piezas de acero al manganesoes maquinado con herramientas de altavelocidad de carburo cementado y cobalto.

PIEZAS APT Y DESPACHO

PRINCIPALES CLIENTES

- SPCC- Shougang- Doe Run- Barrick.- BHP Tintaya.- Cerro Verde- Milpo- Volcan- Laredo- Antamina- Cartavio

EN EL PER

CHILECodelcoSanta Ins deCollahuasi

EEUUFoster WellerExcelFalveyAutukumpoTowlyeyCOLOMBIAMineros NacionalesMineros S.A.

EN EL EXTRANJERO

+ at room temperature

+ martensite above -195C

M = -195Cs

M = - 50Cs

Man

gane

se

cont

ent %

Fe 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.

20

16

12

8

4

0

24

Fig. 2 Variation of Ms temperature with carbon and manganese contents Source Ref 2.Carbon content %

M = 20Cs

+

+ Martensite

CONCLUSIONES

Para la fabricacin de los aceros al manganeso yobtencin de sus caractersticas excepcionales de altatenacidad, ductilidad y endurecimiento pordeformacin plstica en servicio, es necesario tener encuenta las variables metalrgicas en el proceso defabricacin.

Composicin qumica. El % de P, Al, N esrecomendable mantener debajo de losniveles intermedios de especificacin. Nivelesaltos afectan directamente a suspropiedades.

Molde. Debe tener buena permeabilidad, altaresistencia mecnica, niveles de elementosorgnicos controlados y una ventilacinadecuada.

Asegurarse las pinturas del molde y almaestn uniformemente aplicadas y secos.

Vaciado. Las temperaturas de vaciado tienenun efecto marcado en el tamao de grano,bajas temperaturas de vaciado se logratamao de grano fino.

Tratamiento trmico. Obtener una completasolubilidad de carburos presentes a unatemperatura de 1000 C. a 1100 C y unenfriamiento severo en agua se obtienen lasmximas propiedades de tenacidad yductilidad.

BIBLIOGRAFIA

1. Manganese Steel, Hadfields Ltd., Sheffield, 1956.

2. Development Centre, Material Fact Sheets,Section K 13% Mn Steel December 1993.

3. Cesar Samanez V., Aceros al ManganesoConferencia Lima, 2005

4. S. Koyucak, Heat Treatment Processing ofAustenitic Manganese Steels First Internationalcongress on transformation Metallurgy, Nov. 28-30, 2001 Lima-Per.

5. S. Koyucak, Nitrogen Problem in AusteniticManganese Steels AFS Transactions , 1994 pp.375-381.

6. E.R. Hall, Factors Influencing The Toughness ofAustenitic Manganese Steels, AFS PacificNorthwest Regional Conference, June 1968.