Effect of advanced manufacturing technologies on the microstructure-property relationship of 440C martensitic stainless steel

Abstract

Martensitic stainless steels are Fe-Cr-C based alloys, capable of being hardened and tempered due to their high carbon content. They are commonly used in certain hand tools or mechanical fixtures for cutting, shaping, forming, and blanking materials at either ordinary or elevated temperatures. Martensitic stainless steels are also used in a wide variety of other applications where resistance to wear, strength, toughness, and other properties are selected for optimum performance. Two popular conventional manufacturing methods exist for manufacturing martensitic stainless steel. The first is casting, which typically involves electro-slag remelting (ESR), vacuum arc remelting (VAR) and further forging and heat treatment. Casting methods require several steps in the process chain before reaching the desired tool steel feedstock (billet/ingot material). The second method is called spray forming (SF), a thermal spray atomization process for making high-quality metal ingots. The SF process's effectiveness stems primarily from the high rates of crystallization of the melt enabling high-quality semi-finished products with a fine-grained structure that is free of macroscopic segregation-related defects, as occurs in materials manufactured from large as-cast ingots. Spray formed steels are known to perform significantly better than cast steels due to the fine grain structure and precipitate distribution. During the SF process, together with the ingot, a certain amount of overspray powder is produced. The overspray powder is formed from small spherical powder particles that either miss the spray formed ingot or bounce off from the hot ingot since they have already solidified.

Los aceros martensíticos son aleaciones base Fe-Cr-C, capaces de ser endurecidos y revenidos debido a su alto contenido de carbono. Se utilizan comúnmente en ciertas herramientas manuales o accesorios mecánicos para cortar, conformar, formar y troquelar materiales ya sea a temperaturas ordinarias o elevadas. Los aceros inoxidables martensíticos también se utilizan en una amplia variedad de otras aplicaciones donde se requiere resistencia al desgaste, tenacidad y otras propiedades para un desempeño óptimo. Existen dos métodos de fabricación convencionales populares para fabricar aceros inoxidables martensítico. El primero es la fundición, que típicamente incluye refundición por escoria electrificada (ESR), refundición por arco al vacío (VAR) y posteriormente forjado y tratamiento térmico. Los procesos de fundición requieren varios pasos en la cadena de procesos antes de lograr el material de partida deseado para aceros grado herramienta (palanquilla/lingote). El segundo método se llama formación por pulverización (SF), un proceso de atomización por pulverización térmica para fabricar lingotes metálicos de alta calidad. La efectividad del proceso SF proviene principalmente de las altas tasas de solidificación durante el proceso de deposición, lo que permite obtener productos semiacabados de alta calidad con una microestructura fina libre de defectos relacionados con la segregación macroscópica, tal como ocurre en los materiales fabricados por medio de fundición convencional. Se sabe que los aceros formados por pulverización tienen un rendimiento significativamente mejor que los aceros fabricados por fundición debido a la microestructura de grano fino y la distribución homogénea de precipitados. Durante el proceso SF, junto con el lingote, se produce una cierta cantidad de partículas metálicas que solidifican sin ser depositadas en el lingote. El excedente de polvo está formado por pequeñas partículas esféricas que o bien fallan en alcanzar el lingote formado por pulverización o rebotan del lingote caliente ya que ya se han solidificado.