Aceros Inoxidables

67.50 Materiales Ferrosos y sus aplicaciones

Temas a Desarrollar Origen. Composición. Clasificación. Tipos de corrosión. Criterios de selección.

En 1904 Leon Guillet, publica sus investigaciones sobre aleaciones Hierro-Cromo. Desde allí, varios investigadores en Francia, Alemania e inglaterra siguieron trabajando en esos estudios.

El 20 de agosto de 1912, en los laboratorios Brown Firth de Sheffield, Harry Brearley intentaba encontrar una solución a la corrosión y desgaste de los cañones de armas de fuego y obtuvo, entre muchas, una aleación que contenía 0,24% C y 12,8% Cr.Para analizarla, cortó una probeta y se dispuso a atacarla con ácido nítrico para observar su micro estructura. Pero para su sorpresa, el material resultó ser inmune a todos los reactivos que utilizó.

Como él era de Sheffield, pensó que a este nuevo material podría aplicarlo en un producto que en esa región era típico, los cuchillos, ya que en esa época, los cubiertos de mesa debían pulirse cada vez antes de usarlos porque se oxidaban.Fue así que con ayuda del fabricante local, desarrollaron lo que primero se llamó “Rustless Steel” y mas adelante acuñaron el actual y definitivo nombre “Stainless Steel”.

En forma independiente, las acerías Krupp de Alemania investigaban sobre aleaciones resistentes a la corrosión, pero en su caso añadiendo níquel en gran cantidad, llegando a obtener así un material mucho mas resistente a los ácidos, mas blando y fácil de conformar que el desarrollo inglés.

De estos dos inventos, se derivaron luego las dos primeras familias, la serie 300 y la serie 400.

El establecimiento definitivo llegó en 1924, cuando W.H. Hatfield inventó la aleación 18-8, la mas utilizada en el mundo hasta hoy.

Origen

La familia de aceros inoxidables es muy amplia y especializada, donde cada aleación fue diseñada para una necesidad especifica de la industria.

¿Pero qué se necesita para transformar al hierro en acero inoxidable?.

Cromo

La aleación debe contener al menos 10,5% de Cr para tener una adecuada resistencia a la oxidación. Cuanto mas Cr tenga, mejor será su resistencia a la corrosión. Sin embargo, existe un límite superior a la cantidad de Cr que el hierro puede retener. Debido a esto, se necesitan aleantes adicionales que permitan resistir tipos específicos de corrosión.

Cuando el Cr supera del 10,5%, la superficie del material cambia de una película activa a pasiva. Esto es, mientras que una capa activa crece en forma continua en contacto con el medio corrosivo hasta que el metal base se consume por completo, la capa pasiva se forma y deja de crecer, aislando al metal base del medio agresivo e impidiendo que el oxigeno entre en contacto con éste.Esta capa es muy fina, del orden de 10 a 100 átomos se compone principalmente de óxido de Cr, que es un compuesto estable y no reactivo en un amplio espectro de condiciones.

Sin embargo, el Cr es también su talón de Aquiles y el Ion Cloro su Némesis. Esto se debe a que el ión Cl se combina con el Cr de la capa pasiva formando cloruros de cromo que son solubles y se desprenden dejando expuesto al hierro base para que reaccione formando oxidos activos.De todas maneras, existen aleantes como el Mo que minimizan esta reacción.

Composición

Los principales elementos aleantes tienen efectos muy definidos, no solo sobre la micro estructura del material y su performance mecánica, sino también fuertemente sobre su comportamiento bajo diferentes condiciones.

En general, cada familia parte de una aleación básica, a la que luego se le agregaron cronológicamente modificaciones sucesivas, por la combinación de aleantes que le confieren mejoras frente a tipos definidos de corrosión.

C

Cr

Ni

Mo

Mn

Al

Ti

Cu

N

Nb

ClasificaciónGRUPO AUSTENITICOEste grupo contiene Cr y Ni y se identifica como serie 300. Los que reemplazan el Ni por N y Mn son de la serie 200 Estas series tienen características en común. Como ser endurecibles por deformación en frió, tienen una resistencia a la corrosión general excelente, y una ductilidad muy alta.El 304 (18Cr-8Ni) y el 316 (16Cr-10Ni-2Mo son los mas utilizados de este grupo.

GRUPO FERRITICOEste grupo contiene solo Cr y C limitado, se identifican como serie 400.Son endurecibles por deformación en frío. Su resistencia y ductilidad son intermedias.El 430 (16Cr) es el mas utilizado de la serie.

GRUPO MARTENSITICOEste grupo contiene Cr y alto C y también pertenecen a la serie 400. Son moderadamente resistentes a la corrosión pero logran muy alta dureza y resistencia.El 410 (11,5Cr) es el mas utilizado.

GRUPO DÚPLEXSon aleaciones con Cr y Mo con suficiente Ni y N para lograr el balance entre Ferrita y Austenita. Algunos pertenecen a la serie 300. El resultado es una combinación de ductilidad, resistencia al picado, a la corrosión ínter granular y SSCC.El 2205 (22Cr-5Ni-3Mo) es el mas conocido.

GRUPO ENDURECIBLE POR PRECIPITADOEste grupo contiene Al, Cu y Ti para generar alta resistencia por TT. Tiene alta ductilidad en estado recocido y las máximas resistencias de todos los inoxidables luego del TT, pero manteniendo a la vez excelente resistencia a la corrosión. El 17-4PH (17Cr-4Ni) es el mas utilizado.

Max Resist al escamado a

Alta T

> Resist al escamado a

Alta T

> Ni para reducir endurecimiento en frio

< C para facilitar soldadura

Formación de escamas a Alta T

Clasificación AUSTENÍTICOS

30218-8

30418-8

< C para evitar precipitación de CrC

304L0,03% C

30117-7

< Cr y Ni para aumentar endurecimiento en frío

302B2,5% Si

3030,15% S

> Maquinabilidad

30518-12

30820-10

> Resist a la corrosión y

escamado a Alta T

30925-12

31025-20

3142% Si

31618-12 2,5Mo

> Resist al picado y Cloruros

316L0,03% C

< C para facilitar soldadura

31718-14 3,5Mo

> Resist a la corrosión

32118-10

Ti

Ti para evitar formación de CrC a Alta T

34718-12 Nb-Ta

Mejor Resist a corrosion intergranular a Alta T

34818-12 0,2 Co

Apicación Nuclear

> Ni mejora resist a corrosión y tenacidad

> Maquinabilidad> Maquinabilidad

Clasificación MARTENSÍTICOS

41013 Cr

4200,3% C

> C para mayor resistencia

420FS y P

4030,5% Si

< Si Piezas de alta tenacidad y Resist a Fatiga

416S y P

4142% Ni

43116Cr 2Ni

> Cr para mayor Resist a la corrosión

422Mo-V-W

Mayor Tenacidad y resistencia a Alta T

440C 17Cr 1%C>C y Cr para

máxima dureza y mayor Resist a Corrosión

440B0,8C

< C para masr

Tenacidad

440A0,6C

< C para masr TenacidadResistencia a corrosión

con cualquier TT.

Resistencia a corrosión luego del temple

Mo para mayor resistencia a cloruros

> Maquinabilidad

Clasificación FERRÍTICOS

43017 Cr

42914Cr

< Cr para mayor soldabilidad409

10Cr0,5Ni

Min Cr para reducir endurecimiento al enfriar

430FS y P

4341% Mo

436Mo-Cb-Ta

Mayor Resistencia a la Temperatura

442 22Cr

> Cr para mayor resistencia a alta T y escamado

44625 Cr

< Cr para máxima resist a alta T y escamado

Clasificación

ENDURECIBLES POR PRECIPITADO

17-4PH

Custom 455

DUPLEX

31225Cr6Ni

MoNMn

220522Cr5NiMoN

31518Cr5NiMoN

Alloy 25525Cr5NiMo

NMnCu

250726Cr7Ni MoNMn

1° Generación

Standard

25 Cr

15-8PH

17-4PH

FERRÍTICOS

Ductilidad intermedia.

Tenacidad intermedia.

Endurecibles por deformación en frío.

Buena resistencia a temperatura ambiente.

Magnéticos.

Soldabilidad buena

Excelente resistencia a corrosión por cloruros bajo tensión (SCC), intersticial (Crevice) y Picado (pitting).

Poseen transición dúctil-frágil.

Susceptibles a precipitación de Cr3C2 a 375ºC

Susceptibles a la fisuración por Hidrógeno (HIC).

AUSTENITICOS

Gran Ductilidad.

Endurecibles únicamente por deformación en frío.

Excelente resistencia a la corrosión general.

Baja resistencia y dureza.

No magnéticos.

Excelente soldabilidad.

Susceptibles a precipitación de Cr3C2 a 475ºC salvo 321 y 347.

No poseen transición dúctil-frágil.

Inmunes a la fisuración por Hidrógeno (HIC).

Susceptibles a corrosión por cloruros (CSCC) e intergranular.

Excelente tenacidad para trabajo criogénico.

DUPLEX

Ductilidad Intermedia.

Resistencia intermedia

Tenacidad intermedia.

Endurecibles por TT.

Excelente resistencia a corrosión por cloruros bajo tensión (SCC), intersticial (Crevice), ínter granular y picado (Pitting) hasta temperatura intermedia.

Susceptibles a formación de Cr3C2 a 475ºC.

Poseen transición dúctil-frágil.

Magnéticos.

Soldabilidad Intermedia.

ENDURECIBLES POR PRECIPITADO

Ductilidad Alta previo al TT.

Tenacidad Alta.

Endurecibles por TT.

Máxima resistencia mecánica y dureza ídem Martensíticos luego del TT.

Magnéticos.

Soldabilidad Intermedia.

Resistencia a la corrosión general excelente hasta temperaturas intermedias.

MARTENSÍTICOS

Ductilidad baja.

Tenacidad intermedia.

Endurecibles por TT – Autotemplables.

Máxima resistencia mecánica y dureza.

Magnéticos.

Soldabilidad pobre.

Resistencia a la corrosión baja – algunos solo después de TT.

Poseen transición dúctil-frágil..

Excelente resistencia al desgaste.

Clasificación

PROPIEDADES

Tipos de corrosión

UNIFORME GALVÁNICA PICADO (PITTING) INTERSTICIAL (CREVICE) INTERGRANULAR POR TENSIÓN (SCC) FISURACIÓN INDUCIDA POR HIDRÓGENO (HIC)

Tipos de corrosión

CORROSIÓN UNIFORME

Ocurre sobre amplias áreas de la superficie. Es el mecanismo de corrosión mas común para el acero y el cobre. Es la mas fácil de medir y de calcular y el único mecanismo en el cual el incremento de la sección prolonga la vida útil de la pieza.Se mide por tasa de corrosión en mm/y (milímetros por año). Se puede minimizar pintando la superficie y con inspección periódica.Los Inoxidables sufren este tipo de ataque en medios ácidos y básicos, peor no en agua.

Se puede prevenir seleccionando el material con mayor resistencia al medio específico. La mejor manera de seleccionar un material para este tipo de corrosión es por medio del uso de las tablas y los gráficos del Corrosion Data Survey de NACE.

Algunos aleantes tienen efecto definidos. Por ejemplo:El Cr aumenta la resistencia a la oxidación, por tanto se debe apuntar a aleaciones con alto contenido de este elemento para Ácidos Oxidantes. También otorga gran resistencia a la oxidación por temperatura.Por otra parte, el Ni otorga resistencia a medios reductores y mejora la adherencia de la capa de oxido protector a alta temperatura

Utilizando las tablas de corrosión general, se puede determinar la resistencia de una aleación a un medio dado o preseleccionar algunos de un grupo amplio de materiales.

Tipos de corrosión

CORROSIÓN GALVÁNICA

La corrosión galvánica ocurre cuando dos metales de diferente electrovalencia entran en contacto entre si o a través de un medio conductor. Este tipo de corrosión requiere de la ocurrencia de 3 condiciones:

o 2 metales de diferente electrovalenciao Un camino o circuito para el flujo de electroneso Ambos metales sumergidos en un medio conductor.

Una variante de la corrosión galvánica ocurre en metales con film de óxido pasivo. Si ésta capa se destruye en un punto aislado, se cierra el circuito al tener áreas activas y pasivas en si mismo, generándose un par interno. Este es el mecanismo detrás de la corrosión intersticial y el picado.

Las tablas de serie galvánica dan una idea de afinidad relativa entre distintas aleaciones.

En general cuando un ánodo y un cátodo son conectados eléctricamente, el primero será corroído y el segundo no. Sin embargo, existe el Factor de Área, que modifica este comportamiento.Si el ánodo tiene mucha mas superficie que el cátodo, la corrosión será pequeña, pero si el ánodo es mucho mas pequeño que el cátodo, la corrosión será muy rápida.

Tipos de corrosión

PICADO (PITTING)

Es una forma de corrosión galvánica, en donde el Cr de la capa pasiva es disuelto dejando expuesto al hierro. La diferencia de potencial entre la capa pasiva y el metal activo en un acero austenítico es +0.78 V.Los cloruros ácidos son los mas reactivos, formando (CrCl3) soluble. Se forma una cavidad en la superficie donde el hierro se combina con este compuesto para formar Cloruro Férrico, (FeCl3), una sustancia altamente corrosiva para el acero inoxidable.

El Mo y el N, son elementos que reducen el ataque de los cloruros. Para cuantificar los efectos, se desarrolló una ecuación llamada Pitting Resistance Equivalent Number, o N° PREN, donde a mayor valor, mayor resistencia al picado.

PREN = %Cr + 3,3 %Mo + 16 %N

El picado es influenciado por 3 factores:

o Contenido de Cloruroso PHo Temperatura

A mayor temperatura y contenido de Cloruros, mayor reactividad. A menor PH, mayor reactividad.El picado avanza rápidamente una vez que se inicia.

Tipos de corrosión

CORROSIÓN INTERSTICIAL (CREVICE)

Es otra forma de corrosión galvánica, la cual ocurre cuando el metal base está contacto con un fluido conductor estancado en un intersticio o espacio confinado muy pequeño.La diferencia de concentración del oxigeno en este punto sumado al contacto con no-metales, fomenta aun mas la reacción.

Usualmente es la primera forma de corrosión en ocurrir y es predecible cuándo y en que lugar debido a la geometría necesaria. Como el picado, la presencia de cloruros aumenta la tasa de avance. Los factores que modifican la severidad son:

o Temperaturao Contenido de aleanteso Concentración de Cloruroso Espacio o luz del intersticio

Se define el "critical crevice corrosion temperature“(CCCT) bajo la cual no se produce el efecto.A mayor temperatura, mayor reactividad, ídem concentración de cloruros.A menor luz entre piezas, mayor reactividad.

La mejor solución a este fenómeno es evitar al máximo la geometria que lo produce o seleccionar aleaciones mas resistentes.

Tipos de corrosión

CORROSIÓN INTERGRANULAR

Los bordes de grano de una micro estructura son puntos de alta concentración de energía, por ende, las reacciones químicas y metalúrgicas usualmente se inician primero en estos puntos.

En inoxidables, la reacción mas común es la formación de Cr3C2 por temperatura en los bordes de grano, llamado sensibilización. Este compuesto se forma a expensas del Cr disponible en solución por ende las regiones adyacentes pierden Cr y su % disminuye, creándose una aleación diferente al metal base.Esto genera una diferencia de potencial entre el metal base y el borde de grano con la consecuente corrosión galvanica, actuando los bordes de grano como ánodos.Los carburos se forman al soldar, al hacer T.T. y al calentar para conformar en caliente. Los inoxidables austeníticos son los mas susceptibles a este tipo de corrosión.

Para evitarlo se utilizan distintos enfoques:Austeníticos versión bajo carbono para soldar (Grados L).Aleaciones estabilizadas con Ti, Ta y Nb para uso por encima de 427 hasta 900°C por largos períodos.

Factores que influyen en formación de carburos:

o Temperatura (425°C-800°Co % de Carbonoo Tiempo

Tipos de corrosión

CORROSIÓN POR TENSIÓN (SCC)

Es una de las formas mas comunes, peligrosas y complejas de corrosión.

Los Inoxidables que contienen Ni son especialmente susceptibles al SCC inducida por cloruros.La susceptibilidad se da con 5 a 35% Ni y la máxima entre 7 a 20%. Por eso todos los Austeníticos son corroídos por este mecanismo, mientras que los Ferríticos son en gran parte inmunes.

Se necesitan 3 factores:o Contenido de Niquelo Tensión de tracción.o Temperatura

Con solo una pocas ppm de cloruros con bajo PH, en presencia de oxigeno y por encima del umbral de temperatura, el SCC se iniciará.

Las fisuras generadas son intra granulares y muestran un aspecto plumoso.

Tipos de corrosión

FISURACION INDUCIDA POR HIDRÓGENO (HIC)

Este gas penetra en la estructura causando fisuración, ampollas, porosidad y pérdida de ductilidad.

La difusión del H dentro de la estructura es posible gracias a su pequeño diámetro atómico, lo que posibilita que los átomos se alojen dentro de la estructura cristalina, para luego recombinarse en moléculas de H2, generando presiones extremas que rompen el material y generan fisuras trans granulares..

Los inoxidables ferríticos son particularmente susceptibles a temperatura ambiente, mientras que los Austeníticos se consideran inmunes a este fenómeno por la alta plasticidad de la austenita.

Se necesitan 4 factores:o Concentración crítica de Hidrógenoo Tensiones de tracción.o Microestructura susceptibleo Temperatura entre -100 y 200°C

Por debajo de -100°C no hay difusión suficiente y por encima de 200°C no existe hidrógeno molecular.

Se elimina con un T.T. de deshidrogenado a 250°C, ya que por encima de esa temperatura ,el H se combina con el C formando Metano y generando descarburación y perdida de resistencia. A su vez, a mayor temperatura la solubilidad del H en el Fe es mayor.

Se reduce el efecto, limitando la dureza de la estructura en general hasta 22 HRc.

Tipos de corrosión

RESUMEN

Galvánica: Por diferencia de electrovalencia entre aleaciones a través de un medio conductor.

Picado: Por presencia de cloruros en PH ácido..

Intersticial: Fluido estancado, presencia de oxigeno y cloruros en un espacio confinado muy pequeño..

Intergranular: Formación de Cr3C2 por exposición a temperaturas entre 425-800°C

Bajo tensión: Por contenido de 5% a 35% de Ni, tensiones de tracción y superar umbral de temperatura.

Fisuración por hidrógeno: Por presencia de hidrógeno en estructura cristalina entre -100 y 200°C.

Escamado: Oxidación por exposición a gases oxidantes a temperaturas mayores a 800°C.

Criterios de selección

CORROSIÓN

Elegir el acero inoxidable adecuado es esencialmente sopesar 4 factores en orden de importancia:Los ambientes corrosivos se definen con múltiples parámetros: compuestos químicos, concentración, temperatura, velocidad, tiempo. De manera que es complejo definir en forma perfecta el servicio y por ende el material.Sin embargo hay criterios generales:

Tipo 304. Sirve al mas amplio rango de aplicaciones. Soporta fluidos orgánicos e inorgánicos salvo a elevadas temperaturas, presencia de cloruros o ácidos concentrados.

Tipo 316 Mas resistente a la corrosión general y a cloruros.

Tipo 317, Especialmente resistente a cloruros, picado y corrosión intersticial.

Criterios de selección

PASOS A SEGUIR

Elegir el acero inoxidable adecuado es esencialmente sopesar 4 factores en orden de importancia:

1. Corrosión o Resistencia al calor.

Identificar las condiciones de P y T del ambiente y la reactividad de los fluidos involucrados para determinar cuál es el requerimiento mas importante

2. Propiedades mecánicas

Considerar la resistencia mecánica que se necesita y a qué temperatura. Determinar la mejor combinación entre Resistencia a la corrosión y resistencia mecánica.

3. Métodos de fabricación-Obtención

Analizar los procesos de manufactura necesarios para conformar la pieza, ya que éstos afectarán la decisión de la aleación a elegir.

4. Costo Total.

Se deben analizar los costos completos, incluyendo el ciclo de vida y costo de reposición.

¡MUCHAS GRACIAS!