ID: http://hdl.handle.net/10498/7404 Aceros inoxidables Lección: Aceros inoxidables Asignatura: Materiales funcionales y estructurales Programa de Postgrado: Master en químicas ID: http://hdl.handle.net/10498/7404

Abundancia relativa de los elementos en el sistema solar Hydrogen and helium are most common, residuals within the paradigm of the Big Bang.[7] The next three elements (Li, Be, B) are rare because they are poorly synthesized in the Big Bang and also in stars. The two general trends in the remaining stellar-produced elements are: (1) an alternation of abundance of elements according to whether they have even or odd atomic numbers, and (2) a general decrease in abundance, as elements become heavier. Within this trend is a peak at abundances of iron and nickel, which is especially visible on a logarithmic graph spanning fewer powers of ten, say between logA=2 (A=100) and logA=6 (A=1,000,000). Abundancia relativa de los elementos en el sistema solar

Abundancia de los elementos El Génesis menciona que Tubalcaín o Tubal-qayin, hijo de Lamek, de la séptima generación desde Adán es el maestro de los herreros y latoneros. En las lenguas semíticas Tubal significa "país de los metales" y Caín significa "herrero". Se cree que el núcleo de la Tierra está, en gran parte, compuesto por hierro con aproximadamente un 10% de hidrógeno ocluido. En la corteza es el cuarto elemento más abundante (5,63% en peso), tras el silicio, el oxígeno y el aluminio. Sus núcleos son muy estables. Es el metal más abundante y barato. La forma a-Fe es ferromagnética; sin embargo, y a pesar de que la red permanece inalterada, el magnetismo desaparece a 760ºC. Puede ser colado, forjado, maquinizado y tratado térmicamente

Producción mundial de metales Las aleaciones férreas, en particular los aceros representan de lejos el material metálico más ampliamente usado. Como se puede observar en la figura representan casi el 94% de la producción mundial de metales, seguido muy de lejos por el aluminio con un 3%. En 2016 se produjeron 1600 Mil millones de toneladas de acero y sólo 40 mil millones de aluminio

Razones Abundan los compuestos de hierro. Puede ser manufacturado en grandes cantidades de forma económica. Extraordinariamente versátiles σ, MPa 2500 MPa ε EL=60% CORROSIÓN Las razones básicamente son: Los compuestos de hierro abundan en la corteza terrestre, siendo el segundo metal más abundante. Pero la mayor ventaja es que se encuentra concentrado facilitando su extracción mediante minería tradicional. Pueden ser manufacturados en grandes cantidades con especificaciones precisas de forma relativamente económica, lo que da lugar a unos costes de producto final muy competitivos Son extraordinariamente versátiles proporcionando un intervalo de propiedades mecánicas desde moderados niveles de resistencia con una gran ductilidad y tenacidad hasta muy elevados niveles de resistencia Sin embargo, presentan un gran inconveniente, que es que se degrada al aire y medios ácidos y a temperaturas elevadas

Tenemos un problema Capa protectora Ánodos de sacrificio FORMAS DE DEGRADACIÓN Oxidación a altas T Corrosión acuosa Proceso electroquímico Necesita electrolito FORMAS DE PROTECCIÓN Capa protectora Polimérica Cerámica Metálica (Sn, Zn) Ánodos de sacrificio Potencial eléctrico Adición de aleantes Todos los aceros están sujetos a degradación formando óxidos e hidróxidos, tanto por oxidación a altas temperaturas como por corrosión en ambientes que contienen agua y oxígeno. GM137 El proceso de corrosión es electroquímico y requiere la presencia de un electrolito en la forma de un líquido o una película de humedad. BL Normalmente, con la excepción ocasional de los aceros weathering, el producto de corrosión no forma una protección eficaz para el acero que está debajo de él. Por consiguiente el acero continúa oxidándose a medida que pasa el tiempo. Este comportamiento junto con otros procesos de corrosión como la disolución en ácidos diluidos, impone limitaciones obvias en el uso aceros al carbono y aceros de baja aleación. GM Se han empleado y se siguen empleando muchos métodos para combatir la oxidación y la corrosión. Éstos incluyen capas protectoras de pintura, plástico, esmalte cinc y estaño donde se aísla el acero del agente corrosivo, ánodos de sacrificio que se corroen preferencialmente, o la aplicación de potenciales eléctricos para proporcionar protección inhibiendo las reacciones electroquímicas. Desde el siglo XIX se sabia que la aleación de elementos como silicio, el molibdeno y el cobre eran útiles para incrementar vidas de trabajo a temperatura ambiente. GM El producto de corrosión no forma una protección eficaz en el acero que esta debajo

¿hay algún aleante que proteja al acero? Resistencia a la corrosión Cr Aceros inoxidables Cuando a principios del siglo XX se empezó a estudiar el efecto de otros aleantes en las propiedades de aceros, se descubrió que el Cr mejora dramáticamente la corrosión y resistencia de la oxidación de acero. Para obtener una acero que no es oxide en la intemperie, se exige un contenido de cromo de por lo menos 11%. La pasividad aumenta bastante rápidamente con el aumento. Ésta es la razón por qué muchos aceros inoxidables contienen 17-18% cromo. Los aceros a los que se ha agregado suficiente Cr para este propósito, forman la familia de aceros llamados inoxidables. Pero hay que tener claro que un acero con un 11 o 12% de Cr puede corroerse con ácidos y soluciones cáusticas calientes y la resistencia a la corrosión normalmente aumenta con niveles crecientes de cromo, níquel y molibdeno. BL9

¿Qué preguntas queremos responder? ¿Cuál es su importancia en la sociedad actual? Introducción Sabemos que: Los aceros inoxidables son aleaciones férreas. Hay una gran variedad de tipos, con un amplio abanico de composiciones. Surgen estas preguntas: ¿Por qué hay tantos tipos y una amplia variedad de composiciones? Metalurgia ¿Qué diferencias existen entre estas variedades? ¿por qué un acero con el 18% de Cr es ferrítico, pero si tiene un 8% de Ni es austenítico? Familias ¿Cómo se elige un acero inoxidable para una determinada aplicación? Guías de selección Introducción Metalurgia Familias Selección

¿Por que se llaman inoxidables a estas aleaciones? Son inoxidables porque se auto-reparan El acero inoxidable se caracteriza por formar una capa pasiva compacta y continua. Pero posee una característica única dentro de los aceros: se auto-repara. Incluso cuando la superficie del acero inoxidable está arañada o dañada de cualquier otro modo, esta capa pasiva, que sólo tiene unos átomos de espesor, se vuelve a formar de manera instantánea con la presencia del oxígeno procedente del aire o del agua. La resistencia a la corrosión depende del mantenimiento de esta capa pasivadora. La resistencia a la corrosión depende del mantenimiento de esta capa pasivadora. Introducción Metalurgia Familias Selección

¿son los de automóviles de acero inoxidable? Ford Deluxe Sedan de 1936 Ante estas maravillosas propiedades, deberíamos pensar que todos los objetos de acero expuestos a la intemperie deberían ser de acero inoxidable, como por ejemplo los coches. Aquí presentamos el primero de ellos, realizado en 1935 con colaboración entre Allegheny Ludlum Steel Division y Ford Motor Company. La idea tomo forma en un Ford 1936 Deluxe sedan y se utilizo como campaña para publicitar las virtudes del nuevo metal. Aunque en 1960 se fabrico un Thunderbird y en 1967 Lincoln Continental Convertible, en total solo se han realizado 11 coches en acero inoxidable. http://www.alleghenyludlum.com/pages/companyinfo/stainlesscars.html Ford Thunderbird de 1960 Introducción Metalurgia Familias Selección

¿son relativamente costosos? Como siempre se debe al factor económico. En la figura Las comparaciones de primer coste son aproximativas, pero puede servir como pauta la tabla de la pantalla realizada para chapa de acabado estándar para proyectos de construcción. Como se puede apreciar en el año 2000 el acero inoxidable tipo 304 es 4 veces mas caro que el acero ordinario, comparable al aluminio y la mitad de caro que las aleaciones de cobre. Sin embargo los costes de su ciclo de vida hacen que, en muchos casos, el coste real de los aceros inoxidables sea mas atractivo que otros competidores si solo tenemos en cuenta el coste primario. http://www.assda.asn.au/304.html Chapa de acabado estándar para proyectos de construcción Introducción Metalurgia Familias Selección

¿por qué son caros? 70% Precio del Ni Precio del 304 50% Costes de material 50% Precio del FeCr ¿pero, por qué esta diferencia tan importante en coste respecto a los aceros ordinarios? En el año 2001, el gasto de los materiales crudo níquel, cromo y molibdeno, contando con los elementos aleantes secundarios de un trozo de acero inoxidable, representó 50% de los costos aproximadamente. De entre ellos, vemos que la tendencia de los precios del acero inoxidable depende fuertemente del precio del Ni. El 70% de los costes del material se dedican al Ni y esto explica el paralelismo del precio del inoxidables con el del Ni. AVESTA_POLARIT_2001_ENG.PDF PAG 12-3 El precio del níquel es muy volátil. Llegó a costar 52000 $ la toneladatonelada en 2008. En 2015 bajo de 16700 $/ton en enero a 8700$/ton en diciembre Introducción Metalurgia Familias Selección

¿Cuál es su porcentaje? Introducción Metalurgia Familias Selección Esto hace que en el año 2016 únicamente el 2.7% de la producción mundial de aceros sea del tipo inoxidable. De los 1600 millones de toneladas de acero, únicamente se producen 41 millones de toneladas de acero inoxidable. Sin embargo, una comparativa mas interesante es con aquellos metales que se han usado y se siguen usando por su resistencia en medios corrosivos. Vemos que sólo es superado por el aluminio, pero ¿Cuál es su tendencia? Introducción Metalurgia Familias Selección

¿Cuál es su tendencia? Bajo costo de ciclo de vida Índice de producción Índice 1980 = 100 Bajo costo de ciclo de vida Crecimiento y expansión de los grupos consumidores Bajada del precio del acero inoxidable ¿cuál es su tendencia? Una comparativa de los índices de producción de diversos metales nos muestra como el acero inoxidable es la familia que presenta un mayor crecimiento. En esta figura representamos la producción industrial de la UE con respecto a la producción de diferentes metales. Se observa claramente que existe un aumento continuo de la demanda de aceros inoxidable superior incluso al crecimiento economico de la UE. AVESTA_POLARIT_2001_ENG.PDF PAG 12-3 El primero es su bajo costo de ciclo de vida. Aunque la instalación con acero inoxidable puede ser inicialmente más cara, el material requiere un mantenimiento muy pequeño durante su vida de servicio. La segunda es el crecimiento y expansión de los grupos de consumidores como son la construcción, transporte, energía, químicos y agua que a su vez han creado unas mayores necesidades como. La exigencia de mayores eficacias en los procesos industriales conlleva mayores requisitos a los materiales usados en esas aplicaciones, y el acero inoxidable es capaz de reunir estos requisitos exigentes. El declive en precios de acero inoxidables también ha contribuido de forma importante en el fuerte crecimiento del material. Los precios han caído un 3% anual hasta un 50% durante el periodo 1980-2000 si ajustamos la inflación. Y sobre todo precio de acero inoxidable ha caído significativamente con respecto a los materiales con los que compite Introducción Metalurgia Familias Selección

Un poco de historia Aceros Aceros Aceros austeníticos ferríticos E. Maurer B. Strauss H. Brearly Aceros austeníticos Aceros ferríticos Aceros duplex 1909 1912 1915 1918 1921 -------- 1930 E. Haynes Aceros martensíticos Existe una encendida controversia para ponerle un nombre al descubridor del acero inoxidable. La verdad es que ha finales de 1910 existían grupos de investigación tanto en Inglaterra, Francia, Alemania y EEUU investigando en aleaciones ferreas resistentes a la corrosión. En 1909 Eduard Maurer de los laboratorios Krupp informa que las aleaciones de Benno Strauss con alto contenido de Ni y Cr son resistentes a la humedad del laboratorio durante meses. En 1909, en la tesis doctoral de P. Monnartz observa que las sales de cloruro disminuyen la resistencia a la oxidación de las aleaciones de Cr y Ni y que adiciones de Mo incrementan la resistencia. La invención del AIA con molibdeno tipo 316 es casi inmediata. Por otro lado, se admite que el ingles Harry Brearly es el descubridor del acero inoxidable. Investigando en aceros con alto contenido de Cr, para evitar su corrosión y probando en cañones de rifle, concluyó el 4 de junio de 1912 que un contenido de Cr superior al 10% es ventajoso. En agosto de 1913 se hizo la primera colada comercial del 420. Brearly acreditó el nombre de inoxidable, después de escuchar ese termino a un fabricante de cuchillos que había intentado oxidarlos con ácidos de comida No podemos olvidar Elwood Haynes. En una serie de experimentos entre Noviembre de 1911 y abril de 1912 descubrió lo mismo. Su intento de patente tiene incluso un año de anticipación a Brearly pero fue denegada. Tras una serie de pleitos obtuvo la patente en 1919, aunque previamente había tenido un acuerdo con Brairley . En 1914 se producen los primeros suministros del AIA V2A (posteriormente balanceada su composición como 304) y V4A (posteriormente el 316) para diversos usos, entre ellos los barriles de cerveza. En 1920 La demanda de un acero inoxidable mas blando, produjo la aparición de una acero del 12-13% de Cr, pero con menor contenido de C (0.1%) denominado hierro inoxidable, que fue el primer acero ferrítico. En 1930 Avesta produce los primeros aceros duplex El primer gran uso del acero inoxidable fue la decisión de Walter Chrysler de cubrir la fachada de la cúpula de su edificio en NY con acero 304. Entre 1930 y 1940 se patentan aceros estabilizados adicionando Ti y Nb, tipos 321 y 347. Como vemos los principales descubrimientos de la metalurgia de las aleaciones se hicieron antes de los años 40. CASTI 5-6 Historia

Mejora de la tecnología de la producción Superausteníticos Superferríticos Superduplex Colada en cinta Hasta los años 60, los SS eran producidos en pequeños hornos de arco eléctrico, a veces con menos de 10 toneladas. La introducción de largos convertidores con capacidades de mas de 100 Tm así como la introducción práctica en los años 70 del proceso de refinado AOD (Argon oxigen decarburation) patentado por Kripsky en 1966) mejoró la productividad de forma muy sustancial. Permitía producir de forma rutinaria coladas con muy bajos niveles de carbono y control más preciso de la composición. En especial permitía adicionar de forma precisa contenidos de N tan altos como un 0.55%. CASTI 15 Esto unido a la incorporación de los procesos de colada continua disminuyo notablemente el precio del acero inoxidable. Los avances que supuso el cambio desde colada por lingotes a colada continua de hasta 150 t en aproximadamente 1975 eran de gran importancia comercialmente, pero también, y más particularmente, produjo una homogenización de las características de acero como uno de los requisitos mayores para la introducción de procesos industriales automatizados, unidos a la industria de procesado de acero La tecnologia AOD fue el factor más importante para la comercialización de los aceros de extra bajo carbono (superferriticos), incorporación de N (superduplex) o los superausteníticos. Las recientes inversiones en líneas de tratamiento de chapa confirman la tendencia hacia la vinculación las etapas del tratamiento diferentes, como el recocido y decapado en caliente, laminado en frío, acabado y recorte de los bordes en un proceso. Éstos combinación o líneas del multi-proceso (MPL) supone u aumento en la fiabilidad funcional de los componentes individuales unidos - por otro lado, ellos le ofrecen la oportunidad al usuario para producir productos de acero inoxidables económicamente atractivos a pesar de aumentar personal específico y coste de los recursos. En este momento, una innovación del proceso que está a punto de hacer su estreno mundial: la introducción de colada de chapa de acero inoxidable. En 1999 de diciembre, una planta de fundición de cinta de este tipo se dio sus primeros ensayos en Krupp la fábrica de Krefeld de Thyssen Nirosta;. Este sistema estará trabajando a una capacidad de 360,000 t/year produciendo tiras delgadas directamente sólo 2-4 mm espeso del acero fundido y proporcionándolos a las plantas frío-rodante. OTTO-E.PDF 5 Historia

Las fases cristalinas del hierro. El hierro presenta 3 fases. Austenita,  por encima de 914°C Ferrita,  por debajo 914°C. Martensita, ’ por debajo de 550°C. Su estabilidad relativa depende de la temperatura y composición. Ferrita Difusión Austenita Y ahora hagamos un pequeño repaso de su metalurgia. En el caso del hierro puro presenta dos configuraciones termodinámicamente estables: austenita, con estructura fcc, por encima de 914 ºC, y ferrita, con una estructura bcc, por debajo de esta temperatura. En el caso de los aceros, la fase austenita puede derivar en una fase metaestable por enfriamiento rápido llamada martensita, que compite en su transformación con la ferrita. La estabilidad de estas fases depende de la temperatura y de la composición. En principio, simplificando mucho, la metalurgia de los aceros se basa en la posibilidad o no de dos tipos de transformaciones: La transformación de austenita a ferrita, que es un proceso controlado por difusión o la transformación de austenita a martensita, que es una transformación en estado sólido sin difusión. Estas transformaciones son competitivas Sin difusión Martensita Introducción Metalurgia Familias Selección

Efecto de los aleantes Los aleantes pueden: austenita Favorecer la transformación a martensita retrasando la transformación a ferrita Incrementar la estabilidad de la austenita a baja temperatura. austenita Temp. Efecto de los aleantes Ferrita Austenita inestable Los aceros inoxidables son un tipo de aceros con un elevado porcentaje de aleantes y estos aleantes producen un cambio en el comportamiento y estabilidad de las fases presentes en el acero. Como veremos, determinados aleantes pueden favorecer la transformación a martensita retrasando la transformación a ferrita. La templabilidad de los aceros inoxidables es tal que se realiza la transformación martensítica a temperatura ambiente. Sin embargo el hecho mas destacable, es que puede aumentar la estabilidad de la austenita a temperaturas mas bajas, disminuyendo la temperatura de transformación de la martensita. Como veremos es posible obtener aceros con una estructura austenítica a temperatura ambiente. Martensita Tiempo Introducción Metalurgia Familias Selección

Diagrama de equilibrio Fe-Cr Temperatura ºC 600 800 1000 1200 1400 1800 2000 1600 10 30 20 40 50 70 60 80 90 100 Fe % Cromo    820 ºC 850 ºC 1500 ºC L A3 A4 Ya que el Cr es el elemento aleante más importante en los aceros inoxidables, es lógico empezar la discusión de su metalurgia física de estos materiales con el diagrama binario Fe-Cr. El hierro cambia de la fase alfa bcc (ferrita) a fcc gamma (austenita) a 910 C (conocido como temperatura A3) y, retrocede a la fase alfa cúbica bcc a 1400 C (temperatura A4). Sin embargo, la adición de cromo reduce el rango de estabilidad de la fase cúbica; la temperatura A4 cae muy rápidamente, y la temperatura A3, después de un bajada inicial, sube para encontrarse con la temperatura A4. Cerca de aproximadamente un 13% cromo en el sistema binario puro hierro-cromo, sin carbono ni nitrógeno, la estructura cúbica fcc desaparece. Hablamos del efecto del cromo para formar el bucle gamma: existe una área restringida de composiciones y temperaturas (el área del bucle) en que la estructura fcc es estable. En la figura también se observa que el sistema presenta un compuesto intermetálico, la fase sigma, de simetría tetragonal. LULA 30 Introducción Metalurgia Familias Selección

Diagrama de fases Fe-Cr-Ni 10  90 10 90 20 80  20 80 30 70 30  70 40 60 40 60 50 + 50 50 50 60 40 60 40 70 30 70 30 80 20 80 20  90 10 La tercera clase de aceros inoxidables ocurre por la estabilización de la austenita a temperatura ambiente. En la figura vemos la representación del diagrama ternario de Fe-Cr- Ni a la temperatura de 1000ºC donde se observa el efecto del níquel en hierro es abrir el rango de estabilidad de austenita. Sin embargo, aunque los diagramas de equilibrio indican que a temperaturas bajas incluso aleaciones que contienen volúmenes bastante altos níquel de se transforman en ferrita, la transformación es tan lenta que el austenita persiste al enfriar la aleación desde la región del austenita hasta temperatura ambiente (y normalmente a temperaturas del subzero). la Figura 4.4 muestras las composiciones de aleaciones de hierro-cromo-níquel (cero carbono) para que el austenita sea estable a temperatura ambiente. Pero además existe la posibilidad de obtener aceros inoxidables donde se observe la presencia simultanea de las fases g y a A estos aceros se llama aceros inoxidables austenítico-ferríticos duplex (AID). Estos aceros, conocidos durante mucho tiempo, han recibido en la actualidad una atención renovada, desarrollándose nuevas calidades para aplicaciones en medios muy agresivos  90 10 Fe 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Ni Fe 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Ni 1000 K 300 K Introducción Metalurgia Familias Selección

El árbol de familia Duplex Austeníticos Ferrítico Superferrítico Resistentes al calor Superausteníticos C+Fe Martensítico La familia de los SS se puede agrupar en cuatro ramas basadas en las fases cristalinas del hierro. Cada uno de estas ramas tiene propiedades específicas y constituye una calidad básica o "tipo". Conteniendo únicamente Cromo MARTENSITICO Para ser un inoxidable, la base férrica debe contener un 10.5% Cr por lo menos siendo el contenido de carbono inferior al 1%.El inoxidable básico con 12 a 18% cromo se llama "Martensítico" FERRITICO La segunda rama también contiene 12 a 18% cromo PERO tiene un nivel del carbono más BAJO (menos de 0.2%). Los superferríticos presentan contenidos de Cr mas altos. CONTENIENDO NÍQUEL: Cuando se agrega níquel y se aumenta el nivel del cromo, la estructura cambia de nuevo y se llama "Austenítico" y podemos dividirlos en : FALTA ALGO ACEROS INOXIDABLES DUPLEX Cuando el volumen del cromo es alto (18 a 26%) y el volumen de níquel es bajo (4 a 7%), la estructura resultante que es una combinación de Ferrítico y "Austenítico Sólo Cr + Ni Mo Ti Nb N Introducción Metalurgia Familias Selección

Aleantes utilizados Cr Ni Fe Mo Mn Si N C Nb Ti Estabilizadores de ferrita (alfágenos) Estabilizadores de austenita (gammágenos) resistencia a la corrosión Promueve la estructura austenítica Cr 11-30% Ni 0-25% resistencia a la corrosión por picadura Fe Mejora la ductilidad en caliente Mo 0-7% Mn 1-10% Si Aumenta la resistencia resistencia a la oxidación Los aceros inoxidables son unos aceros aleados que pueden presentar hasta una docena de diferentes elementos de aleación. Los elementos aleantes tienen cada uno un efecto específico en las propiedades del acero. Es el efecto combinado de todos los elementos aleantes que determinan el perfil de las propiedades de cada acero. Para entender por qué los diferentes aceros tienen composiciones diferentes realizaremos una apreciación global breve de los distintos elementos aleantes y sus efectos en la estructura y las propiedades . Estabilizadores de la ferrita Cromo (Cr) Éste es el elemento aleante más importante en aceros inoxidables. La resistencia de corrosión y a la oxidación a temperaturas altas aumenta con contenido del Molibdeno (Mo) El molibdeno aumenta substancialmente la resistencia a la corrosión general y local. Silicio (Si) Silicio aumenta la resistencia a la oxidación a temperaturas altas Estabilizadores de la austenita Níquel (Ni) La razón principal para la adición de níquel es promover una estructura austenítica. Níquel generalmente aumenta ductilidad y tenacidad.. Manganeso (Mn) El manganeso generalmente se usa para mejorar la ductilidad en caliente. El manganeso aumenta la solubilidad de nitrógeno y se usa para obtener volúmenes de nitrógeno altos en aceros austeníticos Carbono y Nitrógeno El carbono fuertes estabilizadores de la austenita. Incrementa la resistencia mecánica también substancialmente y su papel se describirá extensamente Titanio (Ti) y Niobio (Nb) En aceros austeníticos se agrega para mejorar la resistencia a corrosión del intergranular pero también refuerza propiedades mecánicas a temperaturas altas. BL N C Nb Ti Resistencia a la corrosión intergranular Introducción Metalurgia Familias Selección

Diagrama Schaeffler-Delong Ferrítico Austenítico Duplex Martensítico PH El efecto de los aleantes en la estructura de aceros inoxidables se resume en el diagrama de Schaeffler-Delong (Figura 3). El diagrama se basa en el hecho que los aleantes pueden ser divididos en estabilizantes ferrita y estabilizante de la austenita. Esto significa que favorecen la formación de ferrita o austenita en la estructura. Si la habilidad de los estabilizadores de austenita de promover la formación de austenita se relaciona con el níquel, y los de ferrita igualmente se equiparan al cromo, se puede calcular el efecto de los aleantes en el acero. Esto da el llamado diagrama de Schaeffler-Delong cromo y níquel equivalente : El diagrama de Schaeffler-Delong se desarrolló originalmente para soldadura de metales, es decir describe la estructura después de soldar y enfriar rápidamente pero el diagrama se ha encontrado para también dar un cuadro útil del efecto de los aleantes para aceros forjados y tratados térmicamente. Sin embargo, en la práctica, los aceros con volúmenes de ferrita en el rango 0-5% según el diagrama contienen cantidades más pequeñas de ferrita de lo predicho por el diagrama. El efecto de algunos elementos ligando también ha sido el asunto de discusión considerable. Por ejemplo, el efecto austenizador del manganeso que ha sido considerado después más pequeño que lo predicho en el diagrama de Schaeffler-Delong. Su efecto también es dependiente en temperatura. Cromo equiv = %Cr + 1.5%Si + %Mo Níquel equiv = %Ni + 30(%C + %N) + 0.5(%Mn + %Cu + %Co) Introducción Metalurgia Familias Selección

Propiedades mecánicas Martensítico Duplex (2205) Austenítico (316) Ferrítico (444Ti) Los aceros inoxidables se seleccionan por su resistencia a la corrosión, pero son al mismo tiempo son materiales estructurales. Sus propiedades mecánicas como resistencia, resistencia a alta y baja-temperatura, ductilidad y tenacidad, son también importantes. La diferencia en las propiedades mecánicas de aceros inoxidables diferentes se ve quizás claramente en las curvas del tensión-tensión en Figura. Los aceros martensíticos destacan por su alto límite elástico y TS pero baja ductilidad, así como el bajo límite elástico y excelente ductilidad de los austeníticos. Aceros ferrítico-austenítico y el ferrítico quedan en medio de estos dos extremos. Los aceros ferríticos tienen generalmente una límite elástico más alto que los aceros austeníticos, mientras los aceros ferrítico-austenítico tienen un apreciablemente límite elástico más alta que los aceros ferríticos. La ductilidad de los ferríticos y ferrítico-austenítico es del mismo orden de magnitud, siendo los duplex algo superiores en este aspecto. BELA LEFFLER Introducción Metalurgia Familias Selección

Tenacidad La tenacidad al impacto depende de la temperatura Energía de impacto, J 250 Austenítico 200 150 Duplex Ferrítico 100 Martensítico 50 La tenacidad de los tipos diferentes de aceros inoxidables muestra una variación considerable y oscila desde la tenacidad excelente a todas las temperaturas para los aceros austeníticos al comportamiento relativamente quebradizo de los aceros martensíticos. La figura muestra la tenacidad de impacto para las diferentes categorías de acero inoxidable a temperaturas entre -200 y +100 °C. Los aceros martensíticos, ferríticos y duplex se caracterizan por una transición en tenacidad, desde un comportamiento tenaz al comportamiento quebradizo, a una cierta temperatura, la temperatura de la transición. Los aceros inoxidables martensíticos tienen temperaturas de la transición alrededor o ligeramente debajo de temperatura ambiente, mientras que para los aceros ferríticos y duplex están en el rango 0 a - 60° C, con los aceros ferríticos en la parte superior de este rango. Los aceros austeníticos no exhiben una transición de tenacidad como los otros tipos de acero sino tienen tenacidad excelente en todas las temperaturas. Los aceros austeníticos son así preferibles para las aplicaciones de bajas temperaturas. BELA LEFFLER -200 -150 -100 -50 +50 +100 Temperatura ºC Introducción Metalurgia Familias Selección

Aceros inoxidables Ferríticos CARACTERISTICAS %Cr >12% Ferrita + carburos a temperatura de servicio No endurecibles por tratamientos térmicos los AIF como aquellos que contienen mas de un 12% de Cr y que en servicio presentan una microestructura de ferrita mas carburos. Son sustancialmente ferríticos en el intervalo de temperaturas, y por tanto, no pueden ser endurecidos por tratamientos térmicos. Esto se consigue con un muy bajo contenido de estabilizadores de austenita a alto contenido de estabilizadores de ferrita, principalmente Cr. . Introducción Metalurgia Familias Selección

Familias superferríticos + Cr + C - (C+N) + Cr + Ni Martensítico Austenítico Duplex Familias 19-30 Cr E-BRITE superferríticos Alto contenido de Cr + Cr - (C+N) Martensítico + C Duplex + Ni 14-19 Cr 430 Medio contenido de Cr 10-14 Cr 409 Bajo contenido de Cr + Cr Teniendo en cuenta los niveles de Cr, los AIF se pueden clasificar en 3 grupos: Bajo contenido en Cr, con niveles entre 10 a 14%. Estos aceros tienen una composición muy controlada (sobre todo intersticiales y estabilizadores) . El prototipo es el 409, que es el mas consumido de todos los ferríticos (3/5 partes) y el segundo de todos los aceros inoxidables. Tienen una buena soldabilidad y un buen precio. Medio contenido de Cr, con niveles entre 14 –19%. Aquí están incluidos versiones de la 1ª generación de ferríticos, como el 430, con alto contenido de C. Actualmente se prefieren versiones estabilizadas, sobre todo para soldaduras donde puede presentar problemas. Superferríticos, con niveles de Cr entre 19 y 30%. Son también conocidos como la 3ª generación de ferríticos. Tienen niveles de N y C muy bajos (/por debajo del 0.02%). En general, para conseguir estos niveles de C y N se necesitan procesos mas refinados como la fundición por inducción al vacío. Las familias de los SS están muy interconectadas. Vemos como u aumento del contenido de C da lugar a un acero martensítico o el aumento del contenido de Ni promociona una estructura duplex en los ferríticos de 3 generación CASTI 132 Introducción Metalurgia Familias Selección

Problemas con la temperatura en servicio Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex Problemas con la temperatura en servicio Temperatura Crecimiento de grano Fragilización a 475º C Fragilización por formación de fase sigma Sensibilización a alta temperatura Alta T 925 ºC 870 ºC Fase sigma 560 ªC 475º Una descripción de los AIF sería incompleta sin discutir sobre alguno de sus comportamientos y problemas de estos aceros. Además de los problemas inherentes a la estructura bcc, como es la transición ductil-fragil, tenemos problemas particulares asociados al crecimiento de grano irreversible, fragilización a 475ºC y por formación de fase sigma, sensibilización a alta temperatura y corrosión intergranular. En la figura se representan los intervalos de temperatura que se corresponden con las 3 formas de fragilización que veremos a continuación. LULA 55 400 ªC Introducción Metalurgia Familias Selección

Recocido por encima de 590º C Recocido natural y enfriamiento rápido Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex Fragilización a 475 ºC 400º C – 570º C t = 500 horas Fe-27Cr El mantenimiento de aceros ferríticos en el intervalo de 400-570ºC produce una fragilización, aumento de la resistencia la tracción y dureza y una disminución de la ductilidad con perdida de resistencia la corrosión. La causa de esta fragilización es la formación de un precipitado coherente rico en Cr (’ fase) en las dislocaciones como resultado de una banda de miscibilidad en el diagrama de fases desde 15 al 70% de Cr. La fragilización es mas severa a mayores contenidos de Cr. Los aceros inoxidables ferriticos con un 13% de Cr son raramente susceptibles. Sin embargo, estas aleaciones con mas de un 16% no deben ser usados en este intervalo de temperaturas, especialmente en procesos cíclicos, como se puede ver en la figura, con una permanencia de mas de 500 h. Esta fragilización se puede eliminar recociendo por encima de 590ºC o con su recocido natural y un enfriamiento rápido. PECKNER 5.13 Causa Formación de precipitado coherente rico en Cr (α’) como resultado de un banda de miscibilidad Solución Recocido por encima de 590º C Recocido natural y enfriamiento rápido Introducción Metalurgia Familias Selección

Región del diagrama Fe-Cr Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex Formación de fase  600 700 800 900 20 40 30 60 80 70 50   Cr, % en peso T, ºC 10 530 90 Región del diagrama Fe-Cr Tiempo de formación de la fase σ 131 días 565º C 27% Cr El examen del diagrama de fases Fe- Cr mostraba la existencia de una segunda fase estable a baja temperatura, centrada en un 48% de Cr. Se observa una región de solo fase sigma entre 45 y 54% de Cr y una región mixta de fase sigma y alfa para aleaciones entre el 16% y el 90% de Cr. Sin embargo, la fase sigma puede aparecer para menores contenidos de Cr si la composición incluye Mo, Ti, Nb u otros elementos que favorecen su formación PECKNER 5.5 La fase sigma se forma lentamente entre las temperaturas de 540 y 870º C, primeramente en los bordes de grano y en general la fase sigma requiere muchas horas para su formación. En la figura se muestran los datos obtenidos por Shortleevs y Nicholson (Trans Am Met. Soc, 1951), donde se describen los tiempos límites de formación de fase sigma en función del contenido de Cr. De los datos de la gráfica se desprende que solamente para exposiciones prolongados puede formarse la fase sigma. PECKNER 5.8 La fase sigma puede eliminarse por recocido de una hora a mas de 900ºC. Se recomienda un enfriamiento rápido para evitar la fragilización de 475ºC Temperatura de formación 540 – 870º C Soluciones Recocido de 1 h a mas de 900º C Enfriamiento rápido en ese intervalo Fase  x 1000 Introducción Metalurgia Familias Selección

Sensibilización a alta temperatura Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex T = 900-950º C Medio corrosivo Cr, % 11 18 60 Distancia al borde grano La sensibilización a alta temperatura se produce por la precipitación de los carburos del cromo en los límites de grano. Si un acero ferrítico se mantiene en el rango de temperatura 900-950, se forman carburos que contienen cromo, hierro y carbono en los límites de grano. El contenido de cromo de los carburos es del orden del 70%, mientras que el contenido de cromo en el acero está alrededor del 18%. Como el cromo es un átomo grande con una velocidad de difusión baja, se produce una banda estrecha de material con una depleción del contenido de Cr alrededor de los carburos, y por consiguiente una disminución de la resistencia a la corrosión. Si el acero se expone entonces a un ambiente agresivo, la región depletada de cromo se ataca, y el material se corroe a lo largo de los límites de grano. Los aceros inoxidables ferríticos también son sensibles a corrosión del intergranular por la misma razón como los aceros austeníticos y dobles, aunque las temperaturas peligrosas son más altas, generalmente sobre 900 - 950 o C. Peckner Fig 5.17 Introducción Metalurgia Familias Selección

Corrosión intercambiador de calor Superferríticos Mejora la soldabilidad Resistencia extrema a Picadura por cloruros Corrosión local Corrosión bajo tensiones Precio Moderado Mo>1% Cr>25% C<0.02 N<0.02 Estabilizados Nb+Ti>0.4 Corrosión intercambiador de calor En los últimos 30 años ha habido un considerable desarrollo de los AIF, en particular con contenidos altos de Fe-Cr-Mo. A principios de los 70, existían aleaciones con un 26% Cr presentaba buena resistencia a SCC de cloruros, pero mala tenacidad. La introducción de nuevas tecnologías de colada en vacío permitió niveles de intersticiales extraordinariamente bajos que mejoran tremendamente la tenacidad. Sin embargo, con estas concentraciones de intersticiales no eran capaces de el ataque intergranular en soldadura por lo que se hizo necesario la adición de entre 10-30 veces la adición de estabilizantes como Nb o Ti. CASTI 23 Como resultado, los nuevos AI superferríticos presentan una extrema resistencia a la corrosión por picadura, local y bajo tensiones en presencia de cloruros, así como una mejor soldabilidad. Su bajo nivel de aleantes, comparada con otras aleaciones alto rendimiento austeníticas, le hace también una opción especialmente barata. Esta resistencia le hace una opción ideal para combatir la corrosión inducida por cloruros para aplicaciones de intercambiadores de calor por combustión de gases. Introducción Metalurgia Familias Selección

Aplicaciones de los aceros inoxidables ferríticos Martensítico Austenítico Duplex Aplicaciones de los aceros inoxidables ferríticos Ambientes suaves con fácil mantenimiento o simplemente no oxidable. Tuberías, intercambiadores de calor, válvulas y depósitos. Ambientes con cloruros Peligro de SCC Ambientes con sulfuros a altas temperaturas. Los AIF de baja aleación Se usan en ambientes suaves con posibilidad de fácil mantenimiento o se requiera simplemente no oxidable. que incluye tuberías de conducción, los tubos de intercambiadores de calor, vasos y tanques en las industrias alimentaria, química y del papel. AISI 444 también puede usarse en agua con niveles ligeramente altos de cloruros en aplicaciones donde hay un peligro de agrietamiento de corrosión de tensión así como en ambientes de gases sulfurosos a altas temperaturas. BELA LEFFLER Introducción Metalurgia Familias Selección

Aceros inoxidables martensíticos. Ferrítico Martensítico Austenítico Dúplex Aceros inoxidables martensíticos. CARACTERÍSTICAS 12% >Cr>17% Optimizar la dureza y resistencia Pobre resistencia a la corrosión Los AIM son aleaciones de Fe y Cr con un 12-17% Cr con el suficiente carbono para que se genere una estructura martensítica con el templado desde la fase austenítica. Como las composiciones están ajustadas para optimizar la resistencia y dureza de estas aleaciones, la resistencia a la corrosión es pobre comparada con otros inoxidables. SMITH 303 Introducción Metalurgia Familias Selección

Diagrama de equilibrio Fe-Cr-C Ferrítico Martensítico Austenítico Dúplex Diagrama de equilibrio Fe-Cr-C 0.05%C 0.6%C K1 = M23C6 Kc = M3C K2 = M7C3 1600 1600 L L L 1500 1500 1400 1400 1300 1300  Temperatura ºC  1200 1200 Temperatura ºC  1100 1100 1000 1000 900 900  + K1  + K1 Para producir un AIM es necesario dos condiciones: primera, que exista un campo , y la segunda que el contenido de Cr sea superior al 10.5%, de tal forma que se pueda desarrollar una película pasiva y muestre las buenas propiedades anticorrosivas que se espera de un inoxidable. Como el contenido de Cr debe de ser tan alto como sea posible, se añaden estabilizadores de la austenita como el C, de tal forma que se expanda el campo gamma. La adición de un 0.05 % de carbono aumenta la extensión de la región de dos fases, sigma y gamma, pero la región de una sola fase gamma necesaria para conseguir una martensita homogénea no aumenta mucho. Con el aumento de la proporción de C hasta a un 0.6 % se consigue la máxima región gamma pura hasta un máximo de un 18%, aunque con el aumento de Cr la región de fase pura gamma decrece, hasta el punto de que debe esperarse la presencia de algunos carburos para las aleaciones de alto contenido de Cr y C. 800 800  + K2 700  + Kc 700 10 20 30 10 20 30 % Cromo % Cromo Introducción Metalurgia Familias Selección

Templado de AI martensíticos Ferrítico Martensítico Austenítico Dúplex Templado de AI martensíticos Martensita Ferrita + carburos Austenita Diagrama TTT de 410 Los tratamientos térmicos de los AIM para incrementar su dureza y resistencia son básicamente los mismos que para los aceros ordinarios. Durante la descomposición de la austenita por procesos de difusión controlada, la alta concentración de Cr retrasa la transformación y mueve la nariz del diagrama TTT hacia la derecha, incrementando el tiempo de inicio de la transformación mas allá de los 300 s. La alta contribución en la templabilidad del Cr en acero 410 elimina la necesidad del templado con agua, permitiendo velocidades de templado mas bajas, como aceite o aire para producir estructuras martensíticas. El templado en aceite es más rápido pero presenta problemas de distorsión, por lo que en general se prefiere el temple al aire. Para el caso de adiciones de Ni este efecto se multiplica aun más. La adición de un 2% de Ni estabiliza mas de 24 horas la austenita. PECKNER 6.11 Introducción Metalurgia Familias Selección

Revenido en AI martensíticos Ferrítico Martensítico Austenítico Dúplex Eliminación de tensiones Endurecimiento No usado Revenido Revenido en AI martensíticos Dureza Endurecimiento secundario Tenacidad Velocidad de corrosión Alto contenido de C Como la tenacidad de los AIM templados es muy baja, para obtener el mejor perfil de propiedades los AIM son revenidos. La dureza, tenacidad y resistencia a la corrosión de los aceros martensíticos varia ampliamente con la temperatura de revenido y existen problemas para obtener una buena combinación de buenas propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión. En los 430 ºC se observa un suave efecto de endurecimiento secundario, probablemente debido a la formación de precipitados M23C6, pero supone una perdida de la tenacidad entendida como energía de impacto. En el entorno de 650ºC donde se obtiene la mejor tenacidad se observa una disminución de las propiedades anticorrosivas, especialmente para los aceros de alto contenido de carbono y de Cr por lo que es necesario discriminar entre aceros con bajo y alto contenido de carbono Las mejores propiedades para la corrosión se obtienen en la condición de eliminación de tensiones. Desafortunadamente, su tenacidad no es la adecuada para muchas aplicaciones de ingeniería. Por este motivo, para AIM con bajo contenido de C se puede optar por hacer un revenido un poco por encima del rango de fragilización. Dependiendo de la combinación de propiedades deseadas las aleaciones pueden ser revenidas o recocidas con eliminación de tensiones. LULA 51-2 Bajo contenido de C 100 330 550 850 1095 Temperatura, ºC Introducción Metalurgia Familias Selección

Aceros inoxidables martensíticos. Aplicaciones. Ferrítico Martensítico Austenítico Dúplex Aceros inoxidables martensíticos. Aplicaciones. 0.1%C Material de construcción. Plantas químicas. Álabes de turbina. Cuerpos de armas. 0.3%C Cuchillería, engranajes, cojinetes, cuerpos de válvulas. 0.6%C Resortes. Cuchillas de afeitar. 1%C Instrumentos quirúrgicos, engranajes. Las áreas de uso de aceros martensíticos y martensítico-austeníticos son naturalmente aquéllos en los que la resistencia alta es una ventaja y los requisitos de corrosión son relativamente pequeños. Los aceros martensíticos con volúmenes del carbono bajos se usan a menudo como materiales inoxidables para construcción y en la industria petroquímica, mientras AISI 410 se usa para la cuchillería inoxidable. Los aceros martensíticos con un volumen del carbono alto (AISI 420L y 420) se usa en resortes, instrumentos quirúrgicos y para las herramientas afiladas como cuchillos y tijeras o engranajes para altas temperaturas. BELA LEFLER 36 Pobre soldabilidad Introducción Metalurgia Familias Selección

Aceros inoxidables austeníticos. Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex Aceros inoxidables austeníticos. CARACTERISTICAS Aleaciones ternarias de Fe-Cr-Ni 70% de la producción mundial Excelente resistencia a la corrosión y formabilidad Los aceros inoxidables austeníticos son esencialmente aleaciones ternarias de Fe-Cr-Ni. Se llaman austeníticas porque su estructura permanece austenítica en todos los tratamientos térmicos normales y suponen el 70% de la producción mundial de aceros inoxidables. Estos aceros tienen esta posición predominante por su excelente resistencia a la corrosión y formabilidad y otras propiedades de interés para muchas aplicaciones de ingeniería SMITH 312 Introducción Metalurgia Familias Selección

Efecto del Ni Expansión de la fase austenita Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex Efecto del Ni Expansión de la fase austenita Reducción de la temperatura Ms Austenita 18-8 Desde los años 30, ya se consideraba que el Ni era el metal mas importante añadido a los aceros para mejorar sus propiedades. La estabilidad de la austenita se incrementada con el % de Ni de tal forma que se puede obtener una estructura austenítica a a temperatura ambiente con un 8% de Ni. Como se puede ver en la figura, con % Cr por encima o por debajo del 18%, son necesarios mayor aporte de Ni para asegurar un estructura totalmente austenítica a temperatura ambiente. Pero además, la adición de Ni también disminuye el intervalo de transformación de martensita. Para contenidos de Ni por encima del 6%, la temperatura de inicio Ms esta por debajo de la temperatura ambiente. Para un acero comercial 18-9, la temperatura Ms ha sido disminuida a muy bajas temperaturas de tal forma que la transformación a martensita esta muy limitada. Ferrita o estructuras intermedias Acero 18Cr-0.04C Introducción Metalurgia Familias Selección

Metaestabilidad Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex Ferrítico 17-7 18-9 Austenítico 19-9 Los AIM austeníticos son aleaciones metaestables que pueden transformarse en martensita tanto por enfriamiento pero también por trabajo en frío. En la figura se puede observar el efecto de la laminación a temperatura ambiente en la formación martensita inducida por deformación de diferentes grados de aceros inoxidables austeníticos. Es evidente que los aceros con menor contenido de Ni presentan una menor estabilidad y que los aceros altamente aleados consiguen suprimir la formación de martensita a temperatura ambiente LLEWELLYN 267 La transformación de martensita inducida por deformación ejerce un enorme efecto sobre la velocidad de endurecimiento mecánico, como se puede ver en la gráfica de tensión real-deformación para diferente AIA con niveles de Ni decrecientes. Así es posible conseguir límites elásticos superiores a 1500 MPa, ya que por ejemplo el AIA 17-5 presenta una casi completa transformación martensítica con una reducción del 40%. De también destacarse que este incremento de resistencia viene acompañado de un sustancial descenso de ductilidad, por lo que estos aceros no pueden utilizarse para estampación profunda, aplicaciones donde la estabilidad de la austenita es esencial. HONEYCOMB 276 Duplex 17-12 Introducción Metalurgia Familias Selección

Sensibilización   Temperatura, ºC  Exposición a 425-800º C M23C6 Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex Sensibilización 10000  M23C6 0.01 0.1 1 10 100 1000 1066 900 732 566 400 Tiempo, h Temperatura, ºC   Diagrama TTT de un acero inoxidable 316 Imagen SEM de un acero 314 sensibilizado Exposición a 425-800º C Enfriamiento lento por el intervalo 600-800ª C Cuando un AIA ha sido expuesto un tiempo en el intervalo de 425-800º C o cuando calentamos a alta temperatura y enfriamos lentamente pasando por el intervalo de temperaturas de 800-600 ºC (por ej. en soldadura) los AIA pueden sufrir una perdida de su resistencia a la corrosión en la vecindad de los bordes de grano y a su vez una fragilización. Este tipo de corrosión ha causado grandes problemas en relación con la soldadura de aceros inoxidables austeníticos. Como la perdida de resistencia a la corrosión se produce en una zona delgada alrededor de los bordes de grano, se producen profundas fisuras como las observadas en esta imagen de microscopia de barrido. Se dice que el tratamiento ha sensibilizado al acero. La perdida de corrosión en estas circunstancias se achaca con la precipitación de carburos en los bordes de grano. El Cromo y el carbono se combinan fácilmente en el intervalo 450-950 ºC, y mas fácilmente con el aumento de la temperatura. De todas las fases posibles, el carburo M23C6 es el mas ubicuo y se forma más rápidamente. El diagrama también indica que para temperaturas superiores a 1000º C, se pueden disolver las fases precipitadas. CASTI 339 Introducción Metalurgia Familias Selección

Disminuir el contenido de C Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex Soluciones Disminuir el contenido de C Adición de Ti o Nb 1200 1000 800 102 106 Nb(Ti)C M23C6 Temperatura ºC Tiempo, s Incrementando Nb, Ti o C 0.08% C 0.06% C 0.05% C 0.03% C El riesgo de corrosión intergranular se puede reducir disminuyendo el nivel de carbono libre en estos aceros. Esto se puede hacer de dos maneras: Disminuyendo el nivel de carbono Estabilizando el acero por la adición de elementos que formen carburos mas estables que el Cr. El efecto de una disminución del carbono es ilustrado fácilmente por un diagrama TTS- (tiempo – temperatura – sensibilización). Se observa un descenso significativo para contenidos de C inferiores al 0.05%. Esto significa que para los aceros austeníticos con bajo contenido de carbono (calidades L) el riesgo por agrietamiento de corrosión intergranular está, desde un punto de vista práctico, eliminado. La adición de titanio o niobio al acero, se llama proceso de estabilización de los aceros, implica que el carbono este combinado formando carburos de titanio o de niobio. Los carburos de Ti y Nb son mucho menos solubles que el carburo de Cr, formando partículas estables a mayores temperaturas. El riesgo para corrosión del intergranular, por ejemplo en soldadura, se reduce apreciablemente. Introducción Metalurgia Familias Selección

Familia Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex Adición de Mo 316 Y 317 Adición de Mo y N Incremento de Cr y Ni SUPERAUSTENÍTICOS Corrosión bajo tensiones Corrosión general y por picaduras Disminución de Ni DUPLEX 304 18-9 Adición de N 304LN Metaestabilidad 301 Trabajo en frío Resistencia mecánica Corrosión intergranular Reducción de %C 304L Y 316L Adición de Ti y Nb 347 Y 321 Oxidación Incremento de Cr, Ni Y Si 310 El 304 es el mayor éxito en la historia de A inoxidable. Representa más del 50% de todo el acero inoxidable producido y encuentra aplicaciones en casi todas las industria. El 304 no son el único acero inoxidable y no es apropiado para cada aplicación. Sin embargo, los atributos de 304 constituyen una base excelente para comprender a los otros miembros de la familia austenítica de aceros inoxidables. La resistencia mecánica aumenta con el trabajo en frío, con la adición de N (0.15%) o por formación de martensita por deformación, disminuyendo la estabilidad de la austenita El incremento de los niveles de Cr y Si, en combinación con adiciones de tierras raras, produce un incremento a la resistencia a la oxidación a alta T. Los grados con bajo contenido de carbono y estabilizados exhiben una mejor resistencia a la corrosión intergranular La resistencia a la corrosión general y por picaduras se mejora incrementando los niveles de Cr y Mo, pero la resistencia a la corrosión bajo tensiones se mejora bajando los contenidos de Ni (duplex) o con altos niveles de Ni y Mo. Para este último caso, como veremos a continuación, la adición de cantidades controladas de N supone una mejora considerable y da lugar a los aceros denominados SUPERAUSTENITICOS BL37 . Introducción Metalurgia Familias Selección

Superausteníticos SS Cr Ni Mo N 24 22 7.5 0.5 20 18 6 0.2 17 10 2 0.04 Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex Superausteníticos Rápidamente, se hizo patente la necesidad de calidades con alto contenido de aleantes para conseguir mejores rendimientos tanto para cubrir la corrosión húmeda como resistencia a la oxidación a altas temperaturas SS Cr Ni Mo N 654SMO 24 22 7.5 0.5 254SMO 20 18 6 0.2 316 17 10 2 0.04 304 8 0.05 La evolución de aceros inoxidables austeníticos empezó hace más de ochenta años. Rápidamente, se hizo patente que para conseguir mejores rendimientos se necesitaban calidades con alto contenido de aleantes. La resistencia a la corrosión general se incrementa generalmente con el incremento de los contenidos de Cr y Mo como se puede observar en el diagrama del iso corrosion en ácido sulfúrico. Para conservar la estructura austenítica y una alta resistencia a SCC se necesitan contenidos crecientes de Ni. Pero la introducción de cantidades controladas de nitrógeno ha demostrado ser fundamental para el desarrollo de los superausteníticos. BELA LEFFLER Introducción Metalurgia Familias Selección

Retrasa la formación de fases intermetálicas y carburos Fase sigma Retrasa la formación de fases intermetálicas y carburos Fase chi Fase Laves M23C6 Mejora las propiedades mecánicas Ferrítico MPa TS YS AL-6X 515 241 AL-6XN 690 310 Martensítico 25% 33% N 21Cr-24Ni-6.5Mo-0.2N 0.14N Austenítico PREN= % Cr + 3.3%Mo + 30%N Incrementa la resistencia a la corrosión local En los primeros superausteníticos, el alto contenido de aleantes, sobre todo el Mo, estimulaba la formación de la fase sigma, lo cual degradaba su resistencia a la corrosión y mecánica. La introducción de N en los aceros superausteníticos tuvo un importante efecto en el desarrollo de estas aleaciones. El nitrógeno es un fuerte estabilizador de la austenita y desde finales de 1960s se había demostrado que la adición de N retarda la precipitación de carburo y de otras fases intermetálicas en aceros austeníticos. (CASTI217). El nitrógeno es además un potente endurecedor. La adición de un 0.2% de N típicamente produce un incremento de un 33% en el límite elástico y de un 25% en la resistencia a la tracción comparada con la misma aleación sin N. Su influencia es significativamente mayor en el YS que en el TS. Todo esto manteniendo los excelentes valores de ductilidad y tenacidad típicos de los austeníticos. CASTI222 ver DEVELOP OF SUPER PAG4 El índice PREN (pitting resistence equivalent number) es habitualmente usado para intentar cuantificar la resistencia a la corrosión local. Aunque existen varias formulaciones, se observa la fuerte influencia del Mo y N en el calculo de la resistencia localizada. CASTI230 Diagrama TTP para 0.05C-17Cr-13Ni-5Mo con a) 0.039N recocido a 1100ºC y b) 0.145N recocido a 1150ºC PECKNER Duplex Introducción Metalurgia Familias Selección

Aceros inoxidables austeníticos. Aplicaciones. Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex Aceros inoxidables austeníticos. Aplicaciones. Usados de forma extensa. Tuberías, intercambiadores de calor, depósitos y reactores en la industria de alimentos, química, farmacéutica, marina o del papel. Los aceros más aleados son los usados en ambientes más agresivos. Los aceros inoxidables austeníticos son usados en casi todos los tipos de aplicaciones e industrias. Áreas típicas de uso incluyen tuberías, intercambiadores de calor, depósitos y reactores en la industria de alimentos, química, farmacéutica, marina o del papel. Los aceros con mayor contenido de aleantes son usados para ambientes mas agresivos, con mayor contenido de cloruros o elevadas temperaturas. Como elemento diferenciador respecto a todos los demás aceros, incluidos los no inoxidables es su buena tenacidad a bajas temperaturas y que no es ferromagnético. BL 37 Resistencia a la oxidación y termofluencia a altas temperaturas. Buena tenacidad a temperaturas criogénicas. No magnético. Introducción Metalurgia Familias Selección

Aceros inoxidables duplex. Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex Aceros inoxidables duplex. Combinación Buena resistencia mecánica Buenas propiedades anticorrosivas Austenita Ferrita Consideraciones extras en fabricación y soldadura Los aceros duplex han recibido una considerable atención en las ultimas dos décadas, ya que ofrecen una combinación de alta resistencia y resistencia la corrosión, buena formabilidad y u costo razonable, que la convierten en un material con un coste efectivo muy interesante. DSS es una estructura de dos fases, con una relación del orden de 45/50. Esta estructura mas compleja implica un proceso más controlado y unas consideraciones extras en fabricación y soldadura CASTI 181 Introducción Metalurgia Familias Selección

Ventajas 316L 2304 904L 2205 254SMO 2507 PREN Austenítico Duplex Ferrítico Materiales diferentes usados para la fabricación de equipo de industria papelera Resistencia a la corrosión comparable YS doble que los austeníticos Martensítico PREN Austenítico Duplex Bajo (<32) 316L 17-11-2 2304 23-4 Medio (32-37) 904L 20-25-4.5 2205 22-5-3 Alto (>37) 254SMO 20-18-6 2507 25-7-4 Austenítico Los aceros duplex modernos abarcan la misma gama amplia de resistencia a la corrosión de los aceros austeníticos. Su alto YS (doble que en los austeníticos) permite diseños más ligeros con paredes y espesores mas delgados. La gráfica siguiente muestra los precios relativos de materiales diferentes usados para la fabricación de equipo del pulping. Es interesante notar que, comparando con 904L, 2205 presenta una relación PREN/COSTE muy bueno. Aunque ambos materiales tienen la misma PREN, el precio de 904L es dos veces mas alto. Hoy, casi todos recipientes de presión usados en la industria del papel son de aceros inoxidables duplex. Duplex Introducción Metalurgia Familias Selección

Limitaciones Diagrama de fases Fe-Cr- Ni para [Fe] = 70% Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex Limitaciones Diagrama de fases Fe-Cr- Ni para [Fe] = 70% Diagrama TTS para varios aceros duplex Solo α α+γ 55/45 La proporción entre ambas juega un importante papel en las propiedades de los AID. Aquí presentamos un corte transversal del sistema ternario Fe-Cr-Ni con un 70% de Fe, que es el rango de la mayoría de los AID. Lo mas importante es observar que los límites de fase no son verticales y, en consecuencia, la proporción de alfa y gamma varia con la temperatura. A la temperatura de 1400ºC, la estructura es totalmente ferrítica. Solamente con un enfriamiento lento a la temperatura de 1000º C, la ferrita vuelve a transformarse en austenita obteniéndose la estructura deseada (55/45). Por esta razón, la estructura de los AID forjados se desarrolla para laminación en caliente y recocido en el intervalo de 1050-1150 con la proporción 50-50. LULA72 Aunque los aceros duplex originalmente fueron usados para aplicaciones en alta temperatura, este tipo de aplicaciones es muy raro en la actualidad. La razón es que los aceros duplex son más propensos que los aceros austeníticos a la precipitación de fases que causan fragilización y reducción a la resistencia de corrosión. En general, los AID no se aplican con temperatura de servicio superiores a 300 ºC. En soldadura normal y funcionamientos del calor-tratamiento el riesgo de fragilización es bajo. DUPLEX DATA.PDF Introducción Metalurgia Familias Selección

Aceros inoxidables duplex. Aplicaciones Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex Aceros inoxidables duplex. Aplicaciones Alta resistencia para sustituir a los aceros austeníticos. Esta mayor resistencia disminuye el peso y el costo. Baja susceptibilidad a la corrosión en ambientes con cloruros. Tanques, depósitos y tuberías Industria química, petrolera, gasística o del papel. Propulsores y bombas de agua de mar en plataformas marinas. Alta resistencia a la corrosión por fatiga. Rodillos extrusores en la industria del papel. Las aplicaciones de los aceros ferrítico-austeníticos son típicamente aquéllas que exigen una alta resistencia, buena resistencia de corrosión y baja susceptibilidad a agrietamiento por corrosión bajo tensiones o por corrosión a la fatiga. Aplicaciones son tanques de agua calientes, torres de almacenamiento en la industria del papel, química, petróleo y en la industria de y en equipo para ambientes que contienen concentraciones del cloruro altas, como agua del mar. BELA LEFLER Introducción Metalurgia Familias Selección

Guías de selección Coste Fabricación Propiedades mecánicas Resistencia a corrosión Austenítico Martensítico Duplex Ferrítico Propiedades fundamentales para la Selección Antes de seleccionar una calidad de acero inoxidable es esencial considerar primero su resistencia de corrosión, pero también es importante considerar las propiedades secundarias como las propiedades físicas y mecánicas y la facilidad de fabricación de cualquier candidato. La elección correcta no debe considerar solamente una larga vida de servicio, libre de problemas, sino también una fabricación rentable y una fácil instalación. Estas propiedades básicas para la selección pueden buscarse inicialmente en uno de los cuatro grupos básicos - austenítico, doble, ferrítico, martensítico.. Introducción Metalurgia Familias Selección

Selección por resistencia a la corrosión Corrosión uniforme Mejor guía ¿Dónde se ha usado antes? ¿Cuál fue su vida de servicio? ¿Cómo y cuándo se ha corroído? La selección del material más rentable para un ambiente corrosivo particular puede ser una tarea compleja. A menudo la mejor guía para la selección es considerar donde se ha usado antes (aquí o en un ambiente similar), cuál fue su vida en servicio y cómo y cuándo se corroyó. Para la resistencia en medios ácidos, donde el mecanismo controlador es la corrosión general hay tablas y curvas. En general se observa un efecto beneficioso de Cr, Ni y Mo en la resistencia a la corrosión por lo que son las calidades austeníticas y duplex las mas resistentes. Introducción Metalurgia Familias Selección

Selección por resistencia a la corrosión (II) Corrosión local y por picadura Presencia de cloruros Temperatura elevadas pH bajos PREN= % Cr + 3.3%Mo + 16%N Los mecanismos relacionados con la corrosión por picadura y local están muy controlados por la presencia de cloruros en el ambiente, efecto que se incrementa con la temperatura y PH bajos. El Cr, Mo y N son los elementos que incrementan la resistencia a la corrosión por picadura o local. Una manera de combinar el efecto de estos elementos es el numero de PREN. Existen varias ecuaciones con ligeras diferencias en sus coeficientes. CPT = Temperatura crítica para picadura en NaCl 1M Introducción Metalurgia Familias Selección

Selección por resistencia a la corrosión (III) Corrosión bajo tensiones Ocurre con trazas de cloruros Temperaturas a partir de 60º C Tensiones de tracción relativamente pequeñas Un problema particular para los AI austeníticos comunes (ej. 304 y 316) es el agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC). Al igual que la corrosión por picadura también se favorece en ambientes con cloruros, la SCC tener lugar con sólo trazas de cloruros, con temperaturas a partir de 60º C, y para tensiones de tracción relativamente pequeñas. En este caso, el contenido de Ni debe ser muy alto o muy bajo. Por este motivo, las calidades ferríticas son casi inmunes de esta forma de ataque, y las calidades duplex son muy resistentes. El Mo, para concentraciones superiores al 4% también tiene un notable efecto. Introducción Metalurgia Familias Selección

Selección por propiedades físicas La mayor resistencia a la tracción de los aceros inoxidables martensíticos su alta resistencia es tan importante en el proceso de la selección como su resistencia de corrosión. La selección de duplex de alta resistencia como el 2205 no sólo puede resolver el problema de corrosión sino también puede contribuir a un mayor rendimiento reduciendo el costo global del producto debido a su mayor resistencia. La resistencia a la tensión de los ferríticos y austeníticos, aunque menores son mas altas que las de los aceros ordinarios y aluminios. Otra propiedad muy importante es la respuesta magnética. Todos loa aceros inoxidables son atraídos fuertemente por los campos magnéticos con la excepción de los aceros austeníticos. Los aceros austeníticos tienen una permeabilidad magnética muy baja en condición de recocido, pero esta situación puede cambiar si se somete a deformaciones severas por transformación de martensita inducida por deformación. Solamente las calidades austeníticas de alto contenido de Ni tienen garantizada su no respuesta magnética en todas las condiciones. La resistencia a la oxidación a alta temperatura depende del contenido de cromo de la misma manera que la resistencia a la corrosión. La mayoría de los aceros austeníticos, con contenidos de cromo de por lo menos un 18%, puede operar a temperaturas de hasta 870ºC y algunos incluso mayores. La mayoría de los aceros martensíticos y ferríticos tienen una resistencia baja a la oxidación y sus temperaturas de trabajo son inferiores. Los aceros inoxidables austeníticos poseen una única combinación de propiedades que los hacen resistentes a las temperaturas criogénicas, por ejemplo plantas que manejen gases licuados. Los aceros austeníticos presentan, a temperaturas criogénicas, resistencias a la tensión substancialmente más altas que a temperatura ambiente mientras que su tenacidad sólo se degrada ligeramente. Los aceros inoxidables ferríticos, martensíticos y PH no se recomiendan para su uso a temperaturas criogénicas debido a su baja tenacidad, incluso a temperaturas ligeramente por debajo de 0º grados. Los aceros inoxidables duplex tienen una temperatura de transición más baja que las calidades ferríticas y martensíticas; pudiendo usarse hasta los ‑50º C. TS: Resistencia a la tracción RM: Respuesta Magnética RO: Resistencia a la Oxidación RBT: Resistencia a baja temperatura Introducción Metalurgia Familias Selección

Selección por fabricación la fabricación debe ser considerada lo más pronto posible en el proceso de selección, puesto que influye enormemente en la economía del producto. La figura compara las características de fabricación relativas de los diferentes tipos de AI. Las comparaciones están en escalas arbitrarias del 1 a 10, con 10 indicando fabricación excelente para ese método particular. Una de las mejores ventajas de los aceros inoxidables es la posibilidad de ser fabricados por las técnicas estándar y en el caso de los austeníticos, incluso más severamente que los aceros ordinarios. Con respecto a la maquinabilidad, se consigue una importante mejora con la adición de azufre a las calidades estándar. La soldabilidad de los aceros inoxidables varía de forma considerable. Si bien los AIA son uno de los metales más fácilmente soldables, los martensíticos se deben de soldar con precauciones y los ferríticos no poseen una buena soldabilidad siendo necesario en muchos casos un tratamiento térmico posterior. La soldabilidad de los duplex es intermedia Introducción Metalurgia Familias Selección

Selección por coste Introducción Metalurgia Familias Selección El precio de los diferentes tipos de aceros inoxidables dependen de variados factores, por lo que su comparativa de precios no es estable en el tiempo. Sin embargo, podemos ofrecer una imagen bastante fidedigna de los precios atendiendo a su composición. Los aceros mas baratos son aquellos que solo presentan como aleante principal el Cr, como son los martensíticos y ferríticos, cuyo precio ronda los 200-300 euros por Kg. Los aceros PH y sobre todo los aceros austeníticos presentan precios muy superiores debido a la incorporación de Ni. Así el acero 304 es 4 veces mas caro que el 410 y el 316 es casi 6 veces mas caro. Sin embargo, los precios de los aceros inoxidables de alta aleación con proporciones de Cr, Ni del orden del 20% y Mo del orden del 6% se disparan. El caso del 654 SMO con un 0.5% de N exige un alto control composicional y su precio es de 6500 $/Kg., 300 veces superior al 410. Introducción Metalurgia Familias Selección

Sumario. Los aceros inoxidables son sencillos (relativamente) ¿Puedo disponer de un Inox resistente, tenaz, barato y resistente a la corrosión? Es posible – depende del medio. ¿Por que hay tal variedad de aceros inoxidables? Porque intentamos optimizar los materiales para los distintos ambientes específicos en los que debe operar. Función Composición / Procesado Estructura Propiedades

Bibliografía básica CASTI Handbook of Stainless Steel & Nickel Alloys, Stephen Lamb, CASTI Publishing Inc. (1999) ISBN 1-894038-34-7. Stainless Steel R. A. Lula, ed. American Society for Metals, (1986) ISBN 0-87170-208-8. Handbook of Stainless Steels D. Peckner y E. M. Bernstein, ed. McGraw-Hill Book Company (1977) ASIN: 007049147X. Steels: Metallurgy & Applications D. T. Llewellyn, ed. Butterworth-Heinemann, (1992) ISBN0-7506-2086-2. Steels: Microstructure and Properties R. W. K. Honeycombe y H. K. D. H. Bhadeshia, Ed. Edward Arnold (1995) ISBN 0-340-58946-9. Structure and Properties of Engineering Alloys W. F. Smith, ed. McGraw-Hill (1993) ISBN 0-07-112829-8.

Enlaces recomendables Stainless Steel World. www.stainless-steel-world.net. The European Stainless Steel Development Association. www.euro-inox.org/. ASSDA: Australian Stainless Steel Development Association. www.assda.asn.au. Avesta Polarit Stainless. www.avestapolarit.com. Atlas Steel Product Co. www.Atlas-steel.com. The Hendrix Group. Materials and corrosion engineers. www.hghouston.com.