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Guia de aço maraging
- João
O aço maraging é o herói secreto por trás de foguetes, ferramentas médicas e peças industriais ultrarresistentes. Ao contrário do aço comum, ele ganha resistência sobre-humana por meio de um tratamento térmico especial, e não do carbono.
No SteelPro Group, ajudamos engenheiros a usar este material para resolver desafios complexos há mais de 20 anos. Neste artigo, você aprenderá o que torna o aço maraging único, onde ele se destaca e como trabalhar com ele de forma eficaz.
O que é aço maraging?
O aço maraging é uma liga superforte com teor de carbono praticamente zero (<0,03%). É feito de uma base de ferro-níquel combinada com cobalto, molibdênio e titânio. Ao contrário do aço comum, que utiliza carbono para ganhar dureza, o aço maraging obtém resistência por meio de tratamento térmico. Durante esse processo, pequenas partículas como Ni₃Mo se formam, fixando a estrutura. Isso é conhecido como "envelhecimento".
Em sua forma bruta, o aço maraging é macio o suficiente para ser cortado ou moldado facilmente, com uma dureza de RC30-35. Mas, após o envelhecimento, ele se transforma em um material incrivelmente forte e resistente a choques. Isso o torna perfeito para:
- Peças aeroespaciais que necessitam de resistência leve
- Moldes de precisão que exigem formas exatas
- Componentes críticos onde a falha não é uma opção
Por que o nome?
- “Mar” = Martensita: A estrutura inicial resistente, mas viável.
- “Envelhecimento” = O tratamento térmico cronometrado que mantém a resistência.
Principais características do aço maraging
- Campeão de Força-Peso:Supera ligas de titânio em aplicações de suporte de carga.
- Estabilidade térmica: Mantém dimensões precisas durante o envelhecimento.
- Resistência a rachaduras: Suporta forças de impacto melhor do que a maioria das ligas de alta resistência, mesmo em temperaturas abaixo de zero.
- Defesa contra corrosão: Resistência inerente à fragilização por hidrogênio e corrosão sob tensão.
- Estágio macio de fácil usinagem: Facilmente moldado/cortado no estado recozido (pré-envelhecimento).
- Soldável sem pré-aquecimento: Permite reparos no local – uma característica rara entre metais ultra-fortes.
Graus de aço maraging em resumo
| Grau | Padrão AMS | Resistência à tração | Teor de cobalto | Teor de titânio | Aplicações típicas |
| C200 | AMS 6511 | 1.380 MPa | 8-9% | 0.15-0.25% | Moldes de injeção, suportes estruturais |
| C250 | AMS 6512 | 1.720 MPa | 7-8.5% | 0.3-0.5% | Engrenagens aeroespaciais, sistemas hidráulicos |
| C300 | AMS 6514 | 2.070 MPa | 8.5-9.5% | 0.5-0.8% | Carcaças de motores de foguete, matrizes de extrusão |
| C350 | AMS 6515* | 2.410 MPa | 11.5-12.5% | 1.3-1.6% | Centrífugas nucleares, componentes militares |
| *O C350 exige licenças de exportação sob acordos de não proliferação nuclear. | |||||
Todos os graus passam por uma rigorosa fusão a vácuo (VIM/VAR) para minimizar impurezas. No SteelPro Group, ajudamos os clientes a selecionar o grau ideal com base no custo, nas necessidades de fabricação e nas demandas do usuário final.
Composição química do aço maraging
| Notas | C200 | C250 | C300 | C350 |
| Níquel (Ni) | 17,0–19,0 | 17,0–19,0 | 18,0–19,0 | 18,0–19,0 |
| Cobalto (Co) | 8,0–9,0 | 7,0–8,5 | 8,5–9,5 | 11,5–12,5 |
| Molibdênio (Mo) | 3,0–3,5 | 4,6–5,2 | 4,6–5,2 | 4,6–5,2 |
| Titânio (Ti) | 0,15–0,25 | 0,3–0,5 | 0,5–0,8 | 1,3–1,6 |
| Alumínio (Al) | 0,05–0,15 | 0,05–0,15 | 0,05–0,15 | 0,05–0,15 |
| Carbono (C) | ≤0.03 | ≤0.03 | ≤0.03 | ≤0.03 |
| Silício (Si) | ≤0.10 | ≤0.10 | ≤0.10 | ≤0.10 |
| Manganês (Mn) | ≤0.10 | ≤0.10 | ≤0.10 | ≤0.10 |
| Ferro (Fe) | Equilíbrio | Equilíbrio | Equilíbrio | Equilíbrio |
Propriedades mecânicas do aço maraging
| Propriedade | C200 | C250 | C300 | C350 |
| Resistência à tração | 1.379 MPa (200 ksi) | 1.724 MPa (250 ksi) | 2.068 MPa (300 ksi) | 2.413 MPa (350 ksi) |
| Limite de escoamento (0,2%) | 1.724 MPa (250 ksi) | 1.930 MPa (280 ksi) | 2.275 MPa (330 ksi) | 2.620 MPa (380 ksi) |
| Alongamento (%) | 11–15% | 10–12% | 8–10% | 6–8% |
| Redução de Área (%) | 50–60% | 45–55% | 40–50% | 25–35% |
| Dureza (envelhecida, HRC) | 30–35 HRC | 50 HRC | 54 HRC | 58 HRC |
| Tenacidade à Fratura (KIC) | 175 MPa·m¹⁄² (160 ksi√in) | – | – | – |
Propriedades físicas do aço maraging
| Propriedade | Unidades métricas | Unidades imperiais |
| Densidade | 8,1 g/cm³ | 0,292 lb/pol³ |
| Ponto de fusão | 1.413°C | 2.575°F |
| Condutividade térmica | 25,5 W/m·K | 17,7 BTU·pol./h·ft²·°F |
| Coeficiente de expansão térmica | 11,3×10⁻⁶ K⁻¹ (20–100°C) | 6,3×10⁻⁶ pol/pol·°F (68–212°F) |
| Capacidade térmica específica | 452 J/kg·K | 0,108 BTU/lb·°F |
| Módulo de Young | 210 GPa | 30×10⁶ psi |
| Módulo de cisalhamento | 77 GPA | 11,2×10⁶ psi |
Aço Maraging Aplicativos
1. Aeroespacial e Aviação
- Componentes estruturais: carcaças de motores de foguetes, peças leves da fuselagem, trem de pouso.
- Sistemas de motor: eixos de turbina, engrenagens e fixadores de alto estresse.
- Hardware de satélite: peças de precisão que exigem altas relações resistência-peso.
2. Ferramentas e Matrizes
- Moldes de injeção: Maior resistência ao desgaste para produção em alto volume.
- Matrizes de extrusão: resistência superior à fadiga térmica para conformação de metais.
- Ferramentas de forjamento: Mantém a dureza sob cargas cíclicas extremas.
3. Defesa e Militar
- Sistemas de armas: Percussores, componentes de veículos blindados.
- Aplicações balísticas: Blindagem leve com alta resistência ao impacto.
4. Energia e Indústria
- Reatores nucleares: Rotores centrífugos para enriquecimento de urânio.
- Petróleo e gás: Ferramentas de fundo de poço (mandris de perfuração, válvulas) resistentes à corrosão por H₂S.
5. Engenharia Médica e de Precisão
- Instrumentos cirúrgicos: Propriedades biocompatíveis e não magnéticas para compatibilidade com ressonância magnética.
- Molas de alto desempenho: mantêm a elasticidade sob estresse repetido.
6. Esportes e Bens de Consumo
- Bicicletas de alta qualidade: Quadros (por exemplo, Reynolds 953) para durabilidade e economia de peso.
- Tacos de golfe: cabeças de taco otimizadas para maior resistência e impacto.
Como o aço maraging é feito?
O aço maraging é produzido por meio de três etapas principais:
- Fusão de ligas:
Ferro, níquel, cobalto e outros metais de alta pureza são derretidos a vácuo para remover impurezas e garantir uniformidade.
- Tratamento térmico:
Recozimento de solução:Aquecido para dissolver elementos e depois resfriado para formar uma estrutura de martensita macia e trabalhável.
Envelhecimento: Aquecido em temperaturas mais baixas para criar partículas minúsculas que aumentam a resistência (como Ni₃Ti) dentro do aço.
- Moldagem e Acabamento:
Fácil de moldar (laminado, forjado ou usinado) e macio. Após o envelhecimento, tratamentos de superfície opcionais (por exemplo, nitretação) aumentam a resistência ao desgaste.
O aço maraging do SteelPro Group é processado em fresadora de acordo com suas especificações exatas, minimizando atrasos pós-tratamento. Nossa equipe pode otimizar seu fluxo de trabalho, da fusão à peça final.
Tratamento térmico de aço maraging
O aço maraging atinge suas propriedades excepcionais por meio de um processo de tratamento térmico controlado. Seu teor de carbono ultrabaixo (<0,03%) permite um processamento flexível sem fragilidade. Abaixo estão as principais etapas:
Recozimento de solução: preparando a fundação
Parâmetros do Processo:
- Temperatura: 820°C (1.510°F)
- Tempo de imersão: 15 minutos para seções finas; 1 hora por 25 mm (1 polegada) para peças mais grossas.
- Resfriamento: Resfriado a ar ou temperado em óleo para formar martensita macia e de baixo carbono (RC 30–35).
Resultado:
O aço torna-se dúctil e trabalhável, com alta densidade de discordâncias. Esse processo também remove tensões residuais de etapas anteriores de fabricação, garantindo melhor desempenho nas etapas subsequentes.
Envelhecimento (endurecimento por precipitação): Liberando a força
Processo:
- O aquecimento a 480–500 °C (900–930 °F) causa a formação de compostos como Ni₃Mo e Ni₃Ti. Essas partículas bloqueiam o movimento de discordância, fortalecendo o aço sem perder sua tenacidade.
- A duração padrão do envelhecimento é de 3 horas, embora possa ser estendida para 6 horas para geometrias complexas.
- Se a temperatura exceder 500 °C, fases grosseiras como Fe₂Mo podem se formar, reduzindo tanto a resistência quanto a ductilidade. Um controle rigoroso da temperatura é crucial para evitar esses efeitos negativos.
Resultado:
O processo de envelhecimento aumenta a resistência do aço, atingindo até 58 HRC para o grau C350. A microestrutura resultante aumenta significativamente a resistência do material sem comprometer sua tenacidade, tornando-o ideal para aplicações exigentes.
Melhorias pós-tratamento
Nitretação:
- Processo: O nitrogênio é difundido na superfície a 500–550°C (930–1.020°F).
- Resultado: A dureza da superfície aumenta para mais de 60 HRC, tornando-a ideal para peças resistentes ao desgaste, como engrenagens.
Alívio do estresse:
- Processo: Recozer em 815–830°C (1.500–1.525°F) por 1 hora por polegada de espessura.
- Resultado: O alívio de tensões ajuda a restaurar as propriedades do material após soldagem ou reparos. É usado para ferramentas reparadas ou soldadas (por exemplo, moldes de injeção).
Usinagem e Processo de Aço Maraging
Trabalho a frio e a quente
Em seu estado recozido (RC 30–35), o aço maraging pode ser trabalhado a frio com flexibilidade impressionante. A laminação a frio pode atingir até Deformação 90% sem rachar, tornando-o adequado para chapas finas ou fios de precisão.
Para formas complexas, trabalho a quente em 1.000–1.100 °C (1.832–2.012 °F) seguido de resfriamento rápido, mantém a ductilidade. Após a conformação, os tratamentos de envelhecimento restauram a resistência total.
Este processo é ideal para fixadores aeroespaciais e componentes estruturais.
Soldagem e Junção
O baixo teor de carbono do aço maraging elimina a necessidade de pré-aquecimento, simplificando o processo de soldagem. TIG (GTAW) e soldagem a laser são métodos preferidos, pois evitam a contaminação por carbono.
Após a soldagem, é crucial re-envelhecimento da zona afetada pelo calor (ZTA) a 480–500 °C por 3 horas. Esta etapa remove zonas moles e garante resistência uniforme, o que é essencial para vasos de pressão e equipamentos de defesa.
Parâmetros-chave:
- Gás de proteção: Argônio ou hélio para evitar oxidação.
- Material de enchimento: Composição correspondente (por exemplo, fio maraging 18Ni).
Manufatura Aditiva (LPBF)
A fusão a laser em leito de pó (LPBF) está transformando o uso de aço maraging em componentes leves e de alta resistência. Nesse processo, o pó fino da liga é fundido camada por camada usando um laser de alta potência.
Fluxo de trabalho otimizado:
- Impressão: Potência do laser de 200–400 W, velocidade de varredura de 800–1.200 mm/s.
- Alívio do estresse: 600°C por 2 horas para reduzir tensões residuais.
- Envelhecimento: O tratamento padrão de 480°C aumenta a resistência em 30–40%.
Etapas de pós-processamento, como a Prensagem Isostática a Quente (HIP), podem melhorar ainda mais a densidade e a resistência à fadiga. Este método é especialmente valioso para peças como braquetes de satélite e implantes médicos personalizados, onde geometrias complexas são essenciais.
Deformação Plástica Severa (DPS)
Para aplicações que exigem extrema resistência, técnicas SPD como Torção de alta pressão (HPT) ou Prensagem angular de canal igual (ECAP) são usados para refinar a microestrutura do aço. Esses processos criam grãos ultrafinos (<100 nm) e redes de discordâncias, elevando o limite de escoamento além 3,0 GPa.
Embora caro, o SPD é crucial para aplicações como blindagem e componentes de fadiga de alto ciclo em sistemas de defesa.
Prós e contras do aço maraging
Vantagens do Aço Maraging
- Equilíbrio entre resistência e tenacidade: excede aços para ferramentas (por exemplo, H13) e ligas de titânio, com resistência à tração de até 3,5 GPa e tenacidade à fratura acima de 175 MPa·m¹⁄².
- Facilidade de fabricação: trabalhável a frio (até deformação 90%), soldável sem pré-aquecimento e polido para um acabamento espelhado.
- Resistência ambiental: Alta resistência à fragilização por hidrogênio e corrosão sob tensão.
Limitações do Aço Maraging
- Alto custo: impulsionado pelo teor de níquel e cobalto, limitando o uso em projetos com orçamento limitado.
- Limites de temperatura: a resistência diminui acentuadamente acima de 400 °C devido à reversão da austenita.
- Complexidade da usinagem pós-envelhecimento: requer ferramentas de carboneto para estados endurecidos (RC 55+), reduzindo a eficiência.
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