7. Aceros inoxidables

 7.   ACEROS INOXIDABLES

7.1 HISTORIA DEL ACERO INOXIDABLE

En 1865 ya se hacían, aunque en cantidades muy limitadas, aceros con 25 y 35% de níquel que resistían muy bien la acción de la humedad del aire y, en general, del medio ambiente; pero se trataba de fabricaciones en muy pequeña escala que nunca se continuaron. En esa época no se llegó a estudiar ni a conocer bien esta clase de aceros. En 1872 Woods y Clark fabricaron aceros con 5% de cromo que tenían también mayor resistencia a la corrosión que los hierros ordinarios de esa época.

En 1904-1910, Guillet y Portevin, en Francia, realizaron numerosos estudios sobre aceros aleados con cromo y níquel, determinando microestructuras y tratamientos de muchos de ellos. Llegaron a fabricar aceros muy similares a los típicos aceros inoxidables que se usan en la actualidad, pero hasta entonces nunca le dieron especial atención a la inoxidabilidad.
El desarrollo original de lo que son actualmente los aceros inoxidables aconteció en los albores de la primera guerra mundial. En forma independiente y casi simultánea, en Inglaterra y en Alemania se descubrieron los aceros inoxidables tal como los conocemos ahora. El metalúrgico inglés Harry Brearly investigando cómo mejorar una aleación para proteger los cilindros de los cañones, encontró que agregando cromo a los aceros de bajo carbono, obtenía aceros resistentes a las manchas (stainless) o resistentes a la oxidación. Los doctores Strauss y Maurer, de Alemania, en 1912 patentaron dos grupos de aceros inoxidables al cromo-níquel de bajo contenido de carbono; uno de éstos, con la denominación 18-8, ha sido utilizado desde entonces en numerosas aplicaciones.
Las propiedades y composiciones de los aceros inoxidables se mantuvieron en secreto por los países beligerantes mientras duró la primera guerra mundial. Posteriormente, a partir de las pocas aleaciones experimentadas en 1920. y de un limitado número de grados comercialmente disponibles en 1930, la familia de los aceros inoxidables ha crecido en forma impresionante. En la actualidad se cuenta con un gran número de tipos y grados de acero inoxidable en diversas presentaciones, y con una gran variedad de acabados, dimensiones, tratamientos, etc.[1].

http://http://www.youtube.com/watch?v=zjc6hVeuUDU

100 años del acero inoxidable

7.2 DEFINICIÓN

7.2.1 ¿Qué es el acero inoxidable?. “El acero inoxidable es una aleación de  hierro y carbono que contiene por definición un mínimo de 10,5% de cromo. Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos aleantes. Los principales son el níquel y el molibdeno [2].

Su principal característica es su alta resistencia a la corrosión. Esta resistencia es debido a la formación espontánea de una capa de óxido de cromo en la superficie del acero. Aunque es extremadamente fina, esta película invisible está firmemente adherida al metal y es extremadamente protectora en una amplia gama de medios corrosivos. Dicha película es rápidamente restaurada en presencia del oxígeno, y así daños por abrasión, corte o mecanizados son reparados rápidamente. Esto se puede ver en la Figura 1.

Para aumentar la resistencia a la corrosión el cromo puede aumentarse y pueden añadirse otros elementos tales como níquel o molibdeno. El grado de impenetrabilidad de la capa de óxido en ciertos ambientes depende no sólo de la composición de la aleación, sino también en el medio específico, de la temperatura deéste, y de la concentración del agente corrosivo” [3].

Figura 1: a) El acero inoxidable forma una capa de óxido de cromo. b) Cuando es rayado, esta película protectora es removida. c) La capa protectora es restaurada. [3].

 7.2.2 Ventajas del acero inoxidable.

Tabla 1: Ventajas del acero Inoxidable [3].

7.2.3 Principales elementos de aleación y su influencia.

Tabla 2: Principales elementos de aleación del acero inoxidable y su influencia [3].

7.2.4 Creencias erróneas acerca del acero inoxidable.

Tabla 3: Creencias erróneas acerca del acero inoxidable [4], [5],[6].

7.3 CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES

Con objeto de entender la  clase y nomenclatura de los aceros, es necesario establecer que la estructura interna de los metales está compuesta de un arreglo entre los átomos que forma una red espacial y que para su estudio se ha llamado estructura cristalina. Considere el diagrama simplificado de fases del sistema binario hierro-carbono de la figura 2.

 Figura 2: Diagrama simplificado de fases del sistema binario hierro-carbono [7].

El hierro existe en tres formas cristalinas que son: alfa, gama y delta en diferentes y específicas temperaturas, desde la temperatura ambiente y hasta el punto de fusión. Los límites específicos que definen estas formas alotrópicas varían con el contenido de carbono, y las estructuras cristalinas varían de acuerdo con su capacidad para disolver el carbono. Ferrita es el cristal centrado en el cuerpo con una capacidad muy limitada de disolver carbono; austenita es la forma gama (γ-austenita) y es un cristal centrado en la cara con alta capacidad de disolver carbono. Ferrita cambia a austenita a temperaturas que disminuyen desde 910°C conjuntamente con el incremento de carbono y el enfriamiento lento permite un gradual y ordenado regreso a ferrita. Sin embargo cuando la aleación Fe-C es enfriada rápidamente, el carbono queda fuera de la solución y produce una estructura acicular llamada martensita, la cual es muy dura. Estos tres términos —martensita, ferrita y austenita— son también las descripciones de las tres principales familias de aceros inoxidables” [7].

7.3.1 Nomenclatura aceros inoxidables. “En la nomenclatura de los aceros hay tantas formas diferentes para designar un mismo acero como países e instituciones relacionadas a su fabricación y uso.

Restringiéndonos solo al sistema americano, son relevantes la influencia de instituciones como ASTM (American Society for Testing and Materials), AlSl (American lron and Steel Institute), ASME (American Society of Mechanical Engineers), SAE (Society of Automotive Engineers), ANSI (American National Standards Institute), ACI(Alloy CastingInstitute), AWS(American Welding Society) en la designación de Ios aceros y sus normas de fabricación para diferentes productos.

Entre los usuarios existe a veces mal uso de los sistemas de nomenclatura. Una confusión muy frecuente es no distinguir entre “Norma de fabricación” Y “Grado” de un acero. Por ejemplo un  acero A106, se refiere a un acero al carbono, en circunstancia que esta es una norma ASTM. Este puede ser de grado A, grado B o grado C (los que difieren en el contenido de carbono y manganeso y en sus parámetros mecánicos) dentro de la misma norma. En las normas ASTM, para referirse a los distintos aceros, se puede hablar de “Grado”, “Clase” o “Tipo”. Por ejemplo A106 Grado A, A48 Clase 20A, A276 Tipo 304.

La sistematización se ha tratado de resolver mediante un sistema de numeración unificado UNS (Unifred Numbering System) acordado entre ASTM y SAE, sin embargo, el peso de la costumbre es algo difícil de eliminar.

7.3.1.1 Sistema AISI. Para los aceros inoxidables se usa el sistema AISl que utiliza un código de tres dígitos ~ a veces seguido de una o más letras. El primer dígito da una pista de la clase de acero. Serie 2xx Y 3xx corresponden a aceros austeníticos. La serie 4xx incluye los aceros ferríticos y martensíticos. Aparte de esto no hay más lógica en el sistema.

EI segundo y tercer dígito no están relacionados a la composición ni se sigue una secuencia (ejemplo 430 y 446 son ferríticos mientras que 431 Y 440 son martensíticos). Las letras de sufijo pueden indicar la presencia de un elemento adicional o indicar alguna característica especial.

Tabla 4: Nomenclatura AISI y UNS para aceros inoxidables [8]

Los aceros inoxidables según su estructura cristalina se clasifican en:

Aceros Martensíticos

Aceros Ferríticos
Aceros Austeníticos
Aceros Austenoferríticos

Sobre la base de un determinado grado; AISI 420, para los martensíticos; AISI 430 para los ferríticos , AISI 304 y AISI 316 para los austeníticos y para los Austenoferriticos: AISI 201 y AISI 202; modificando uno o varios elementos de aleación obtenemos distintos grados dentro del mismo grupo aptos para mejorar algunas propiedades y/o usos.

 

7.3.1.2 Sistema UNS. “Es un sistema de código alfanumérico que comienza con una letra y es seguida por cinco dígitos, aplicable a todo tipo de aleaciones. El número UNS es único para cada aleación e indica una composición. No es una norma ni una especificación.

En muchos casos los números AlSl están incorporados al código para mantener la familiaridad (ejemplo AlSl 304 es UNS S30400). La letra inicial indica la categoría. Los prefijos y sufijos usados en el sistema AISI/SAE han sido convertidos a códigos numéricos. Por ejemplo los aceros al carbono aceros aleados comienzan con la letra “G” y son seguidos por los 4 dígitos usados por AlSl SAE. El quinto digito representa los prefijos o letras intermedias del sistema AISI/SAE. (E, B Y L corresponden a 6, 1 y 4 respectivamente). Los aceros al carbono y aleados no referidos en el sistema AlSI/SAE comienzan con la letra “K”. Los aceros endurecibles comienzan con la letra “H”. Para los aceros inoxidables se comienza con la letra ”S” y los tres primeros dígitos corresponden al código AISI. Los dos últimos dígitos indican las variaciones sobre el grado básico (ejemplo 304L vs 304). Las aleaciones de níquel comienzan con la letra “N” (ejemplo Hastelloy C-276, UNS= N10276) [8].                                                                                                

7.3.2 Familias o clases de aceros Inoxidables. “El acero inoxidable puede ser  clasificado en cinco diferentes familias o clases; cuatro de éstas corresponden a las particulares estructuras cristalinas formadas en la aleación: austenita, ferrita, martensita, y dúplex (austenita más ferrita); mientras que la quinta familia son las aleaciones endurecidas por precipitación, que están basadas más en el tipo de tratamiento térmico usado que en la estructura cristalina.

Tabla 5: Clasificación de los aceros inoxidables [7].

7.3.2.1 Propiedades, composición y características.

- Clase I (martensíticos): “Son la primera rama de los aceros inoxidables simplemente al cromo. Fueron los primeros que se desarrollaron industrialmente y representan una porción de la serie 400 AISI. Son esencialmente aleaciones de cromo y carbono cuya principal característica es su habilidad para aumentar su resistencia mecánica y dureza mediante tratamiento térmico que produce martensita. La configuración metalográfica martensítica posee estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo (BCT).

- Clase II (ferríticos): Pertenecen a la serie 400 AISI mantienen su estructura ferrítica estable desde la temperatura ambiente hasta el punto de fusión. Tienen una configuración metalográfica ferrítica con la estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC) que se mantiene estable desde la temperatura ambiente hasta el punto de fusión. El cromo inhibe la formación de austenita y promueve la formación de ferrita. Estos aceros son esencialmente aleaciones con cromo.

- Clase III (Austeníticos): constituyen la familia con el mayor número de aleaciones disponibles, integra las series 300 AISI (Aleaciones cromo-níquel) y  200 AISI (Aleaciones cromo-manganeso nitrógeno). Tienen excelente formabilidad y superior resistencia a la corrosión. Su configuración metalográfica es austenítica. Esta estructura cristalina es cúbica centrada en las caras (fcc). Esta familia de aceros se obtiene adicionando elementos formadores de austenita, tales como níquel, manganeso y nitrógeno.

El cromo proporciona una resistencia a la oxidación y a la corrosión hasta temperaturas aproximadas de 650°C en una variedad de ambientes. El níquel, y en menor extensión el manganeso, se adiciona a estos aceros para estabilizar la fase austenítica en un amplio rango de temperaturas y evitar así su transformación en martensita cuando son enfriados rápidamente a temperatura ambiente.

- Clase IV (DUPLEX): Los aceros inoxidables dúplex son los de más reciente desarrollo; son aleaciones cromo-níquel-molibdeno que forman una mezcla de cantidades aproximadamente iguales de austenita y ferrita. Los aceros inoxidables dúplex presentan dos fases: dispersión de austenita fcc en una matriz de ferrita bcc. La cantidad exacta de cada fase está en función de la composición y el tratamiento térmico. Los principales elementos de aleación son cromo y níquel, sin embargo la cantidad de níquel es insuficiente para desarrollar completamente la estructura cristalina austenítica” [7].

Los aceros inoxidables dúplex combinan algunas de las mejores características de los aceros inoxidables austeníticos y ferríticos” [3].

- Clase V (Endurecibles por precipitación): “Este tipo se desarrolló como una alternativa para elevar las características de resistencia mecánica mediante tratamientos térmicos de envejecimiento y ofrecen una alternativa a los aceros inoxidables austeníticos cuando se desee asociar elevadas características mecánicas y de maquinabilidad” [7].

Tabla 6: Composición y características de las diferentes clases de aceros inoxidables [3], [7].

Como la composición de cromo en los aceros inoxidables debe superar el 10.5%, el aumento de este porcentaje   y la combinación con níquel (figura 3.a)  y el carbono (figura 3.b) determina la naturaleza y la proporción de las fases presentes y en consecuencia define el tipo de acero inoxidable” [18].

Figura 3: Tipos de familias de aceros inoxidables. a) En función del contenido de cromo y níquel. b) en función de cromo y carbono [18].

7.3.2.2 Principales aplicaciones según la clase.

Tabla 7: Principales aplicaciones de los aceros inoxidables según la clase [3].

Figura 4: Algunas aplicaciones de los aceros inoxidables según la clase. a) Clase I (martensíticos) [9]. b) Clase II  (ferríticos) [9]. c) Clase III (Austenítico). Escaladora [10]. d) Clase IV (Dúplex) [9]. e) Clase V (endurecido por precipitación). Dados de 6 picos de arrastre de 3/8″ de acero 17-4PH [11].

La figura 4.c consiste en un tanque hecho en acero inoxidable austenítico que funciona a base de gas que calienta el agua aproximadamente a unos 80°c por donde pasa el pollo colgado” [10].

Tipos de Aplicación de las diversas calidades de acero inoxidable

AUSTENITICOS SERIE 200: AISI 201 / J4

Es conocido como sustituto del acero 304, pero con niveles más bajos de níquel. Normalmente utilizado en los aparatos domésticos, ornamentales, escaleras, muebles, estructura automotriz, o en otras aplicaciones de uso estructural (por su dureza) con exposición limitada a la corrosión. El porcentaje de níquel es 1.00 – 4.00

Su bajo porcentaje de níquel esta compensado por la contribución mejorada de los 4 elementos que la compone: Carbono, Manganeso, Cobre y Nitrógeno

AISI 202 /JSL AUS

También es conocido como sustituto del acero 304, con un mayor porcentaje de níquel que el 201. Utilizado en los aparatos domésticos, ornamentales, escaleras, ganchos, productos para embutidos extraprofundos, o en otras aplicaciones con exposición limitada a la corrosión. El porcentaje de níquel es 4,00 – 6,00.

Por su idéntica respuesta mecánica al clásico AISI 304 es el mejor candidato para suplirlo en diversas aplicaciones.

AUSTENITICOS SERIE 300: AISI 301

Posee finalidad estructural; correas transportadoras; aparatos domésticos; herraje; diafragmas; ornamentos de automóviles, equipos de transporte, aeronaves; herrajes para postes; fijadores (horquillas, cierres, estuches); conjuntos estructurales de alta resistencia que se requiere en los aviones, automóviles, camiones y carrocerías, vagones de ferrocarril.

AISI 304

Electrodomésticos; finalidad estructural; equipos para la industria química y naval; industria farmacéutica, industria de tejidos y papel; refinería de petróleo; permutadores de calor; válvulas y piezas de tuberías; industria frigorífica; instalaciones criogénicas; almacenes de cerveza; tanques de almacenamiento de cerveza; equipos para perfeccionamiento de harina de maíz; equipos para lácteos; cúpula del reactor de usina atómica; tuberías de vapor; equipos y contenedores de fábricas nucleares; partes para almacenes de algunas bebidas carbonatadas; conductores descendientes del agua pluvial; coches de ferrocarril; canalones.

 

AISI 304L

Recubrimiento para tolvas de carbón; tanques de pulverización de fertilizantes líquidos; tanques de almacenamiento de pasta de tomate; cuando se necesita una menor proporción de carbono que el tipo 301 para restringir la precipitación de carburos que resultan de la soldadura, especialmente cuando las partes no pueden recibir tratamiento térmico después de soldar; vagones de ferrocarril (cuando existe la necesidad de restringir la precipitación de carburos como resultado de la soldadura, sin tratamiento térmico posterior).

AISI 310

Acero refractario para aplicaciones de alta temperatura, como los calentadores de aire; cajas de recocimiento; estufa de secamiento; escudos para caldera de vapor; hornos de fundición; recubrimientos, transportistas y soportes de hornos, intercambiadores de calor, compuertas de hornos, cilindros de rollos de transportistas, componentes de turbinas, etc; cajas de cementación, equipos para fábrica de tinta, el apoyo de la bóveda de horno; componentes de turbinas de gas, intercambiadores de calor, las incineradoras, los componentes de quemadores de óleo, equipos de las refinerías de petróleo, recuperadores; tubería de sopladores de hollín, placas de horno, chimeneas y compuertas de chimeneas de hornos; conjuntos de diafragma de los bocales para motores turbojet; cubas para cristalización de nitrato; equipos para fábrica de papel.

AISI 316

Piezas que demandan alta resistencia a la corrosión localizada; equipo de las industrias química, farmacéutica, textil, petrolera, papel, celulosa, caucho, nylon y tintas; diversas piezas y componentes utilizados en construcción naval; equipos criogénicos; equipos de procesamiento de película fotográfica; cubas de fermentación; instrumentos quirúrgicos.

AISI 316L

Piezas que demandan alta resistencia a la corrosión localizada; equipo de las industrias química, farmacéutica, textil, petrolera, papel, celulosa, caucho, nylon y tintas; cubas de fermentación; piezas de válvulas; tanques; agitadores y evaporadores, condensadores; piezas expuestas al ambiente marítimo etc; piezas de válvulas; bombas; cuando se necesita una menor proporción de carbono que el tipo 304 para restringir la precipitación de carburos que resultan de la soldadura, especialmente cuando las partes no pueden recibir tratamiento térmico después de soldar; adornos; tanques soldados de almacenamiento de productos químicos y productos orgánicos; bandejas, recubrimiento para hornos de calcinación.

AISI 316Ti

Mejor resistencia a la temperatura y la mecánica que el 316L – equipos para industrias químicas y petroquímicas.

 

 

MARTENSITICOS SERIE 400:

AISI 420

Válvulas; bombas; tornillos y cerraduras; tubería de control de la calefacción; placa para muelles; mesa de plancha; cubiertos (cuchillos, cortaplumas etc); instrumentos de medición; tamices; ejes de funcionamiento; máquinas de la minería, herramientas manuales; llaves.

FERRITICOS SERIE 400:

AISI 430

Utensilios domésticos; fabricación de moneda; canalones; máquinas de lavar; placas de identificación, equipos de fabricación de ácido nítrico; fijación; calentadores; reflectores; pilas, cubiertos (tenedor y cuchara); adornos para automóviles; recubrimiento de la cámara de combustión de los motores diésel; puertas de cajas fuertes; pilas.

7.3.2.3 Aceros Inoxidables más usados en la industria.

Hasta ahora hemos hablado de las clases de aceros inoxidables, pero no de los grados de cada una de estas clases. Existen muchos grados y explicarlos todos no es el propósito de este blog. Se van a mostrar algunas tablas con la composición química y algunas propiedades de algunos de los grados más utilizados en la industria, identificando a que clase pertenecen. Debajo de la columna AISI aparece el tipo de acero y al frente sus propiedades o composiciones.

Tabla 8: Denominación y características físicas de algunos aceros inoxidables con mayor uso industrial [17].

Tabla 9: Propiedades físicas a 20ºC de los aceros inoxidables de la tabla 8 [17].

Tabla 10: Propiedades mecánicas a 20ºC de los aceros inoxidables de la tabla 8 [17].

7.4 DIAGRAMAS DE LOS ACEROS INOXIDABLES Y MICROESTRUCTURAS

7.4.1 Diagramas.

7.4.1.1 Diagrama Fe – Cr y diagrama influencia del carbono.

La Figura 5 muestra el diagrama de equilibrio estable Cr-Fe, su análisis presenta una forma adecuada de revisar los conceptos básicos detrás de los diferentes tipos de aceros inoxidables: ferríticos, martensíticos, austeníticos, dúplex y endurecibles por precipitación.

Figura 5: Diagrama Hierro (Fe) – Cromo (Cr) [15].

Del análisis del diagrama Cr-Fe se deduce lo siguiente:

a) Las aleaciones hierro-cromo, con menos de 12% de cromo, transforman su estructura ferrítica a austenítica (fase gamma, γ) durante el calentamiento. Por enfriamiento rápido hasta la temperatura ambiente, conseguiremos transformar la Austenita en Martensita (aceros inoxidables martensíticos).

b) Las aleaciones de hierro con contenidos de cromo entre 12 y 13% forman a elevadas temperaturas estructuras bifásicas (α y γ) que enfriadas rápidamente a temperatura ambiente, presentarán una estructura formada por Ferrita y Martensita (aceros ferríticos-martensíticos)” [3].

c) En las aleaciones hierro – cromo con contenidos de este último de 25 a 42 % y de 48 a 65 % a temperaturas comprendidas entre 600 y 900 °C, aparece una fase intermetálica llamada fase sigma (σ) que coexisten con la ferrita. Con contenidos de cromo de 42 a 48 % aproximadamente toda la ferrita puede transformarse en fase sigma (σ). Esta fase es muy dura, frágil y se puede disolver en la ferrita calentando por encima de los 900 °C.  Al aumentar el contenido de carbono se amplía el límite del bucle gamma (γ) siendo un elemento favorecedor de la formación de esta fase” [16].

d) Las aleaciones hierro-cromo con más de 13% de Cr, mantienen su estructura ferrítica, desde temperatura ambiente hasta el punto de fusión. Durante el calentamiento, dicha estructura no atraviesa el campo austenítico (fase gamma), luego no puede austenizarse y posteriormente templarse para formar Martensita. Estos corresponden a los denominados aceros inoxidables ferríticos. Es importante limitar el contenido de carbono para prevenir que el campo gamma se expanda y prevenir la formación de Martensita. En la figura 6 se puede ver esto.

Figura 6: Influencia del carbono ampliando el bucle Gamma [3].

Del diagrama de Influencia del carbono, se deduce lo siguiente:

 a) En el diagrama hierro-cromo, el bucle gamma se expande a la derecha al aumentar el contenido de carbono de la aleación. El carbono favorece la formación de fase gamma.

b) Cabe Señalar que si el carbono alcanza 0.6% el límite del bucle gamma queda limitado para un cromo aproximado del 18%. Por lo tanto, con carbono superior al 0.4% ya no se amplía el bucle y el exceso de carbono queda en el acero formando distintos tipos de carburos de hierro y cromo que dependen de la temperatura, del contenido de carbono y de cromo.

c) Las aleaciones hierro-cromo-carbono, con cromo superior a 27% son ferríticas.

d) Se pueden conseguir aleaciones hierro-cromo-carbono de hasta aproximadamente 17% de cromo que sean martensíticas a temperatura ambiente” [3].

 7.4.1.2 Diagrama de fases Fe-Cr-Ni.

Figura 7: Diagrama Fe-Cr-Ni a temperatura ambiente [15].

“Influencia del níquel. El níquel amplía el campo de estabilidad de la austenita y rebaja la temperatura a la que ocurre la transformación α-ɣ. La Figura 7 muestra el diagrama Fe-Cr-Ni, en la que se indica la formación a temperatura ambiente de las distintas estructuras según el contenido de hierro, cromo y níquel.

Fase sigma. Una de las razones para la formación de la fase sigma en los aceros inoxidables se debe a la presencia de ferrita cuando se mantiene durante largo tiempo a temperaturas comprendidas entre los 600 y 900 °C transformándose en un compuesto intermetálico de hierro y cromo. Esta fase se caracteriza fundamentalmente por su pérdida de ductilidad, resiliencia y sus características fundamentales son:   Dureza superior y provoca grietas muy finas.

La fase sigma no solamente se forma en los aceros con alto contenido de cromo ya que puede darse en los aceros ferríticos con contenidos de cromo desde 14%. También puede formarse en los aceros austeníticos y austeno-ferríticos.  Su influencia es notable en las características mecánicas, resistencia a la corrosión y las propiedades de la soldadura” [16].

La importancia de este diagrama ternario está en que lo aceros inoxidables comerciales más habituales están compuestos por un 75% de hierro, un 18% de cromo y un 8% de níquel” [13].

7.4.1.3 Diagrama de Schaeffler.

Figura 8: Diagrama de Schaeffler [3].

Procede de su antecesor, el diagrama de Maurer, el cual presenta las estructuras que va a presentar un acero al Cr-Ni de acuerdo a los porcentajes de estos presentes en el acero. Antón Scheaffler lo mejoró, incorporando la influencia de distintos elementos de aleación en la formación de Ferrita y Austenita. Se definió así el concepto de Cromo equivalente y Níquel equivalente. El cromo equivalente incorpora los elementos alfagenos (formadores de Ferrita) y el níquel equivalente los elementos gammagenos (formadores de Austenita). Cada elemento va multiplicado por un factor que depende de su grado de influencia en la formación de Ferrita o Austenita respectivamente.

Cromo equivalente:

%Cr + %Mo + (1,5 x %Si) + (0,5 x %Nb).

Níquel Equivalente:

%Ni + (30 x %C) + (0,5 x %Mn).

El diagrama de Schaeffler muestra la presencia de las fases Austenítica, Ferrítica y Martensítica propias de los aceros Inoxidables cuando son enfriados a las velocidades normales de soldadura. Además presenta las zonas de fragilización en Frío debido a la presencia de Martensita, la zona de Fragilidad en caliente originada por la presencia de Austenita, la zona de Fragilidad por presencia de fase Sigma y la zona de Crecimiento de grano Ferrítico” [3].

Acero Inoxidable un buen aliado para el desarollo

7.4.2 Ejemplos de Microestructuras aceros inoxidables.

Tabla 11: Características de las microestructuras de los aceros inoxidables según la clase [14].

Figura 9: Microestructuras a color. a) Microestructura acero Inoxidable Martensítico. Acero 410. b) Microestructura de un acero inoxidable ferrítico 430, con una matriz ferrítica y partículas de carburos dispersas. c) Microestructura de un acero inoxidable austenítico 316 con una matriz 100% austenítica. d) Microestructura típica de un acero inoxidable dúplex 2205. e) Microestructura de un acero inoxidable endurecible por precipitación mostrando una matriz austenítica con martensita y ferrita  [14].

 

Figura 10: Algunas microestructuras a blanco y negro. a) Microestructura de un acero inoxidable austenítico 316, aumento 500X reactivo picral al cual se añade acido clorhídrico  b) Microestructura acero Inoxidable martensítico acero 410, aumento 500 X, reactivo vilella  c)  Microestructura de un acero inoxidable ferrítico 430, aumento 100 X, reactivo vilella [19].

El ojo humano puede distinguir una increíble gama de colores. Por el contrario, su capacidad para discernir entre diferentes tonos de grises es muy limitada. Bajo esta premisa, la microestructura de un material puede lograrse, entenderse y explicarse fácilmente con el uso del color.

 La morfología de los granos, representada con diferentes tonalidades de grises o simplemente reconocida a través de los límites de grano, puede revelarse y recordarse en menor grado que a través de las variaciones de color que se puedan observar en cada uno de ellos. La identificación de inclusiones o fases por las diferencias de color observadas entre ellas no puede compararse de ningún modo con la representación que de las mismas pueda conseguirse a través de una variedad de grises en una fotografía en blanco y negro” [20].

7.5 FABRICACIÓN  Y PRODUCCIÓN DEL ACERO INOXIDABLE

7.5.1 Proceso de fabricación del acero inoxidable. “El proceso de fabricación inicia con la fusión de hierro, chatarra y ferroaleaciones de acuerdo al grado de acero inoxidable a preparar; continúa con la refinación del acero para eliminar impurezas y reducir el contenido de carbono; posteriormente el acero líquido se cuela en continuo, se corta en planchones y se forman los rollos rolados en caliente. El proceso finaliza con el molino de laminación en frío, recocido y limpieza.

Laminación en frío: Los rollos de acero inoxidable rolados en caliente se usan como materia prima para el proceso de laminación en frío. Este proceso consta de cuatro etapas que son: recocido y decapado de la materia prima, molinos de laminación en frío, línea de recocido y limpieza final, y por último la estación de acabado superficial.

El molino de laminación en frío reduce el espesor sin calentamiento previo de la lámina que se adelgaza. Actualmente, el tipo de molino más utilizado es el tipo sendzimir, el cual consiste en un molino reversible con monoblock rígido y veinte rodillos de soporte. Las características de laminación en este tipo de equipo son su excelente planicidad y la precisión en el espesor. Después de los molinos sendzimir el material debe ser recocido ya que el trabajado en frío durante el rolado causa endurecimiento, por lo que, a fin de “ablandar” nuevamente el material, éste se somete a un tratamiento térmico. Este proceso consiste en la aplicación de calor a las bobinas de acero inoxidable durante un tiempo específico hasta que se logra un calentamiento uniforme a una determinada temperatura, donde la estructura cristalina regresa a su forma natural, previa al rolado en frío. Después del recocido, las bobinas de acero inoxidable pasan a la etapa de limpieza que usualmente consiste en una serie de baños electrolíticos y de mezcla de ácidos; posteriormente los rollos están listos para su acabado final, el cual puede ser opaco, brillante, pulido con abrasivos, o bien con una textura impresa” [7].

http://http://www.youtube.com/watch?v=O1sGkSO3Z4k

 Figura 11: Video fabricación del acero inoxidable [21].

7.5.2 Producción del acero inoxidable. El acero inoxidable es 100% reciclable y tiene una de las tasas más altas de reciclado de cualquier material. Se estima que al menos 70% de los aceros inoxidables son reciclados al final de su vida útl. Dependiendo del tipo, ubicación y disponibilidad de la chatarra de acero inoxidable, la producción por medio de la ruta  HAE (Horno de arco eléctrico) puede ser económicamente ventajosa. Además, el sistema de reciclado de para el acero inoxidable es muy eficiente y no requiere subsidios.

Durante los últimos 8 años, el mundo ha producido más de 190 millones de toneladas métricas de acero inoxidable. La producción mundial se incremento en menos de 20 millones de toneladas a más de  25 millones en sólo 8 años. El crecimiento en el uso del acero inoxidable ha sido el mayor de cualquier material del mundo (ISSF, 2009). Las propiedades del acero inoxidable podrían explicar este fenómeno.

Figura 12: Producción de acero inoxidable crudo, 2001- 2008 en `000 toneladas métricas [23].

 7.5.3 Ciclo de vida del acero inoxidable. La universidad de Yale (2009) describe el ciclo de vida el acero inoxidable al identificar las 4 etapas principales de la vida útil del material.

- El proceso de fabricación que incluye el proceso completo de producción del acero inoxidable, a partir de la producción de acero crudo para productos largos y planos acabados para uso en la manufactura.

- El proceso de fabricación y manufactura, donde el acero inoxidable acabado es utilizado en diferentes sectores de uso final para producir bienes finales.

- La fase de uso en la que los bienes finales son empleados por el usuario final y donde el acero inoxidable permanece durante la vida útil  de un producto dado.

- El proceso de reciclado y recolección, donde los productos al final de su vida útil son reciclados o desechados en rellenos sanitarios.

Figura 13: Ciclo de vida del acero inoxidable 2005 [23].

La figura 13 se relaciona con los movimientos de materias primas, los productos de uso final, el inoxidable reciclado y de desecho en el 2005. Esta figura también muestra que el flujo de acero inoxidable está relacionado por la generación y uso de la chatarra. De acuerdo con el estudio de Yale, aproximadamente el 60% de los  materiales para producir acero inoxidable son chatarra (de acero inoxidable y acero al carbono) y la materias primas constituyen menos de 45% del material usado para producir el acero inoxidable.

La investigación llevada a cabo por la Universidad de Yale (2009) también proporciona las estimaciones clave del ciclo de vida de los productos de acero inoxidable en seis sectores principales de aplicación” [22].

Tabla 12: Ciclo de vida del acero inoxidable en los sectores principales de aplicación [23].

7.6 DETERIORO EN LOS ACEROS INOXIDABLES 

7.6.1 “Corrosión en los aceros inoxidables.  Cuando sufren corrosión, generalmente no es uniforme como en el caso de los aceros al carbono, sino localizada. Debido a ello no puede prevenirse con espesores adicionales, sino que debe evitarse la corrosión misma por medio de un conocimiento profundo del medio corrosivo y del acero utilizado. Los aceros inoxidables no son atacados por el ácido nítrico u otros ácidos oxidantes, que facilitan la formación de la película protectora. Por otra parte, en general, estos aceros no resisten la presencia de ácidos reductores como el ácido clorhídrico o fluorhídrico, y son atacados por las sales de ellos (cloruros, fluoruros, bromuros y yoduros).

7.6.1.1 Corrosión generalizada.  Se debe al debilitamiento uniforme del film de pasivación (óxido de cromo) sobre toda la superficie del acero. Generalmente ocurre a causa de la mala selección del tipo de acero inoxidable. Un ejemplo de corrosión generalizada es exponer un acero inoxidable de tipo ferrítico de bajo contenido de cromo (AISI 430) a una moderada solución de ácido sulfúrico a temperatura. Se caracteriza por la presencia de herrumbre en el acero. La vida de componentes se puede estimar en base a los resultados de pruebas de inmersión. Algunos métodos usados para prevenir o reducir la corrosión general son: recubrimientos, inhibidores, y protección catódica.

Figura 14: Corrosión generalizada [3].

7.6.1.2 Corrosión intergranular. Este tipo de corrosión ataca generalmente a los aceros del tipo 18/8 (serie 300), que se expone a temperaturas entre 430 a 870°C, estas temperaturas se presentan en las proximidades de las zonas soldadas. Se forman carburos de cromo en los límites de los cristales de Austenita, empobreciendo la zona adyacente de este elemento (cromo) y quedando de esta forma expuesto a la corrosión. Una forma de evitar la corrosión intergranular es usar aceros de bajo contenido de carbono (tipo L), y cuando las condiciones de temperatura son aún más severas se debe usar aceros estabilizados.

Figura 15: Corrosión Intergranular [3].

7.6.1.3 Corrosión por picaduras (pitting). Se caracteriza por la formación de agujeros en el metal. Estos agujeros pueden ser pequeños y difíciles de detectar visualmente debido a la corrosión general. El pitting se asocia con discontinuidades localizadas del film de pasivación. La sensibilidad al pitting aumenta con condiciones extremas de agentes corrosivos, imperfecciones mecánicas, tales como partículas extrañas, daño en la superficie del material, o por fallas en la película de óxido de cromo. El fenómeno ocurre cuando se rompe la capa pasivante y hay un ataque muy localizado. Algunos métodos para reducir los efectos de la corrosión por picaduras son: reducir la agresividad del ambiente y utilizar materiales resistentes a las picaduras. Es posible prevenir o retardar este efecto, usando aceros con contenido de Molibdeno, como el 316.

Figura 16: Corrosión por Picaduras (pitting) [3].

7.6.1.4 Corrosión galvánica. Se puede presentar en todas las clases. Se produce por el contacto de dos metales de distinto potencial de oxidación que están en contacto en un medio corrosivo. Como un metal altamente resistente a la corrosión, el acero inoxidable puede actuar como cátodo cuando está en contacto con material menos noble, generándose un fenómeno electrolítico que daña la superficie del acero inoxidable.

Figura 17: Corrosión Galvánica [3].

7.6.1.5 Corrosión bajo tensión (stress corrosión cracking, scc). Corresponde a una falla de material, la cual es originada por la presencia simultánea de un ambiente adecuado, un material susceptible, y la presencia de tensiones. La temperatura es un factor ambiental significativo que afecta el agrietamiento. La tensión umbral está frecuentemente por debajo del punto de fluencia del material. Una falla catastrófica puede ocurrir sin deformación significativa o el deterioro visible del componente. Este tipo de corrosión es la menos frecuente, se trata de un tipo de corrosión transgranular, el cual es producido por tensiones generadas en el material, tales como tracción, deformación en frío, soldaduras, etc., ante la presencia de agentes químicos, principalmente compuestos clorados. Se manifiesta por pequeñas fisuras en las zonas expuestas a tensión. Algunos métodos para prevenir la corrosión bajo tensiones son: selección apropiada del material, remover la especie química que promueve el agrietamiento, cambiar el proceso de fabricación o diseñar adecuadamente para reducir las tensiones.

Figura 18: Corrosión bajo tensión [3].

7.6.1.6 Corrosión por grietas (crevice).  La corrosión por grietas ocurre en las aberturas o los espacios estrechos entre dos superficies del metal o entre superficies de metales y no metales. La aireación diferenciada entre la grieta (microambiente) y la superficie externa da a la grieta un carácter anódico. Esto puede contribuir a una condición altamente corrosiva en la grieta. Algunos ejemplos de grietas se forman en rebordes, arandelas, juntas, empalmes roscados y anillos. Algunos métodos para reducir los efectos de la corrosión de este tipo de corrosión son: eliminar la grieta en la etapa de diseño, seleccionar materiales más resistentes a este tipo de corrosión y reducir la agresividad del ambiente.

Figura 19: Corrosión por grietas (crevice) [3].

7.6.1.7 Corrosión marina.  La corrosión marina considera la inmersión de componentes en agua de mar, equipos y tuberías que utilizan dicha agua, y corrosión en atmósferas marinas. La corrosión de un componente puede variar dependiendo de si está en una atmósfera marina, en una zona de salpicadura, o sumergido en el agua de mar. Además de la sal (NaCl), en agua de mar hay otros componentes como gases disueltos y organismos vivos. Las atmósferas marinas se consideran generalmente uno de los ambientes más agresivos para la corrosión. Algunos factores que afectan la velocidad de corrosión en atmósferas marinas son: humedad, viento, temperatura, contaminantes aerotransportados, localización y organismos biológicos. La selección de la aleación, recubrimientos metálicos, recubrimientos orgánicos, y protección catódica son métodos de uso general para proporcionar protección apropiada a la corrosión. La protección catódica puede ser lograda usando un sistema de corrientes inducidas o impresas o un sistema de ánodo de sacrificio” [3].

Figura 20: Corrosión marina [3]. 

7.6.2 “Limpieza y Mantenimiento del Acero Inoxidable.  “El Acero Inoxidable es sinónimo de larga duración y durabilidad con buen aspecto. No obstante, es esencial limpiar las superficies de forma periódica para remover la suciedad. Las rutinas de mantenimiento son una medida preventiva muy útil. La frecuencia en la limpieza depende de la calidad, el acabado superficial, la forma de la pieza, el servicio y el entorno” [24].

Tabla 13: Métodos de limpieza del acero inoxidable [24].

Tabla 14: Cosas que se deben y no  hacer con la limpieza de los aceros inoxidables [24].

Declaración de responsabilidad

El contenido de  este capítulo  (aceros inoxidables), incluyendo datos técnicos y metalúrgicos, figuras, tablas, procedimientos y especificaciones, fue recopilado de diversas fuentes únicamente como información general. Los creadores del capítulo 7 (Aceros Inoxidables) no asumen ningún tipo de responsabilidad sobre la aplicación de este contenido sin la asesoría profesional de tipo específico.

 Créditos

Recopilación y edición realizada por Ricardo Andrés Estupiñán Diago,Yeyxon Omar Galarraga Rivera,Felipe Torres Rojas,Fabián Andrés Antolinez,  Estudiantes de ingeniería mecánica de la universidad tecológica de Pereira 2012.

Segunda recopilación Juan carlos castaño, Julian Restrepo Estudiantes de ingenieria mecanica de la universidad tecnologica de Pereira 2013.

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[16] VILLAVICENCIO CEVALLOS, Julio C., Relación, Microestructura/Propiedad en la Soldadura Gtaw entre Aceros Inoxidables y aceros al Carbono. Tesis   [En línea]  Ecuador. Escuela Superior Politécnica De Chimborazo,  Facultad De Mecánica, Escuela De Ingeniería Mecánica, 2010. 26-33 p. [Consultado 15 de Julio de 2012] Disponible en: <http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/2563/1/CD-3235.pdf>

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Una respuesta a 7. Aceros inoxidables

  1. Alejandro Rios Duque dijo:

    Muchas Gracias,el contenido de aceros inoxidables esta muy organizada y las tablas estan muy chevere me sirvio mucho esta informacion jovenes

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