Aceros inoxidables
Los aceros inoxidables son aleaciones que se seleccionan principalmente por su excelente resistencia a la corrosión, la cual es debida, principalmente, al alto contenido de Cr. Son aleaciones complejas que, además del principal elemento de aleación que es el cromo, también presentan distintos contenidos de Ni, Mo, C, etc., razón por la cual se presentan con distintas microestructuras y por lo tanto con distintas propiedades mecánicas y distinta resistencia a la corrosión.
La resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables es debida principalmente, al alto contenido de Cr. El Cr que se presenta en solución en la aleación reacciona superficialmente con el oxígeno o con ácidos oxidantes, que estén presentes en el medio ambiente, mediante una reacción del tipo: 2Cr + 3/2O2 → Cr2O3 Estos grupos, Cr2O3 , forman una capa de óxido protectora, que actúa como una barrera entre el acero inoxidable y el ambiente agresivo y aísla al acero inoxidable de posteriores reacciones anódicas. Es continua, no porosa, insoluble, muy delgada (100000 veces mas delgada que un cabello humano). En esta condición se dice que el acero inoxidable está “pasivado” o que presenta “pasividad”. La cantidad mínima de Cr requerida para lograr pasividad es del 12%. Incrementando el contenido de Cr por encima del 12%, el acero podrá presentarse protegido en medios mas agresivos. Además del Cr, los aceros inoxidables pueden estar aleados con otros elementos como Ni, Mo, Al, etc., que intervienen en la mayor resistencia de la capa protectora en distintos medios.
Los aceros inoxidables logran pasividad en un medio con presencia de oxígeno o ácidos oxidantes, como el HNO3 concentrado, y por tal razón experimentan muy baja velocidad de corrosión. Por otra parte en medios con presencia de ácidos no oxidantes como HCl o HF, el acero inoxidable no puede lograr pasividad y se puede corroer rápidamente. Para lograr la mejor resistencia a la corrosión posible en aceros inoxidables, es necesario realizar el siguiente procedimiento de pasivación, previamente a la puesta en servicio:
1- Limpieza, que es un paso fundamental que muchas veces no se tiene en cuenta y por lo tanto no se realiza. Se debe utilizar una solución jabonosa y/o alcohol isopropílico. No se pueden utilizar agentes limpiadores que contengan cloruros (lavandina, limpiadores multipropósito)
2- Tratamiento de pasivación. Se realiza un baño con una solución de ácido nítrico entre el 20 y 50% en volumen (según Norma ASTM A 967), que asegura la formación de la capa protectora que otorga “pasividad”.
3- Enjuague con agua tibia
Un acero inoxidable es resistente a la corrosión, si puede formar capa pasivadora. En ausencia de la capa pasivadora y sin posibilidad de regenerarla, se produce la corrosión del acero inoxidable. Por lo tanto, si se destruye la pasividad y el medio no le permite la regeneración de la capa pasivadora, el acero inoxidable presentará comportamiento anódico o “activo”.
Como el Cr es el elemento de aleación mas importante de los aceros inoxidables, se analizará primero el diagrama de fases binario Fe-Cr, mostrado en la Figura Se puede observar que las aleaciones Fe-Cr con contenidos de Cr menores al 12% experimentan la transformación austenita→ferrita durante el enfriamiento desde el bucle “γ”. Las aleaciones con más del 13% de Cr no experimentan esta transformación de fcc a bcc, y por lo tanto no pueden ser templadas para obtener martensita.
El carbono es un estabilizador de la austenita y, cuando se adiciona a la aleación FeCr, incrementa el campo austenítico. Así, un acero Fe-15% Cr-0.1% C a 1000ºC cae dentro del campo “γ” y puede ser templado para obtener martensita.
El Ni tiene estructura fcc, igual que la austenita, por esta razón, en las aleaciones FeCr-Ni, el Ni estabiliza la fase austenita y contraactúa sobre el efecto ferritizante del Cr. Si a un acero inoxidable de bajo carbono se le adiciona suficiente Ni, se puede obtener una estructura austenítica a temperatura ambiente. El acero austenítico mas común “18/8”, tiene una composición Fe–0.1% C, 1% Mn, 18% Cr, 8% Ni.
Aceros inoxidables austeniticos
Los aceros inoxidables austeníticos son aleaciones hierro-cromo-níquel, que tienen contenidos entre 16 y 25% de Cr y entre 7 y 20% de Ni. Como mantienen una estructura austenítica a temperatura ambiente, presentan bajo límite elástico y gran índice de endurecimiento por deformación, alta tenacidad a la fractura y baja temperatura de inicio de la transformación martensítica. Son los aceros inoxidables mas utilizados, debido a su buen comportamiento a la corrosión y sus buenas propiedades mecánicas.
El acero inoxidable austenítico 304 es el mas popular, debido a que posee muy buena resistencia a la corrosión y excelente conformabilidad y soldabilidad. La adición de molibdeno, en un 2%, transforma al acero inoxidable 304 en el acero inoxidable 316, un material mucho mas resistente a la corrosión por picado y por rendijas (crevice). La corrosión bajo tensiones (SCC) es conocida como el talón de Aquiles de los aceros inoxidables austeníticos, principalmente los que contienen entre 8 y 10% de níquel, en cambio los aceros inoxidables ferríticos son inmunes a esta forma de corrosión. Los aceros completamente austeníticos pueden ser usados a temperaturas tan bajas como –270° C, debido a que, a diferencia de los aceros ferríticos y los dúplex, no presentan transición dúctil/frágil, como puede observarse en la Figura inferior.
Son utilizados en aplicaciones a temperatura ambiente, a altas temperaturas (hasta 1000ºC) y a temperaturas criogénicas. Las aplicaciones típicas de éstos aceros es en plantas y equipos químicos, en equipos para procesamiento de alimentos, en implantes ortopédicos y para usos arquitectónicos.
Aceros inoxidables ferriticos
Los aceros inoxidables ferríticos son aleaciones que ,normalmente, contienen entre 12 y 30% de Cr. Como ya se mencionó, el Cr es estabilizador de la ferrita y, por esta razón, estos aceros presentan estructura ferrítica en todo el rango de temperatura desde solidus. Esta ferrita presenta bajo índice de endurecimiento por deformación, es magnética, tiene baja solubilidad de elementos que forman soluciones intersticiales, como el carbono y el nitrógeno, y presenta una transición dúctil-frágil en un estrecho rango de temperaturas. Esta transición para altos contenidos de cromo, carbono y nitrógeno, se da a temperatura ambiente o superior, lo cual los limita para aplicaciones estructurales. Mediante el método de refinación, denominado AOD (Argon Oxygen Decarburation), que consiste en la inyección de argón y oxígeno para reducir el nivel de elementos intersticiales (C y N), se pueden obtener aceros inoxidables ferríticos mas tenaces y soldables.
La resistencia a la corrosión de estos aceros aumenta con el aumento del contenido de Cr. Para mejorar la resistencia al picado se agrega aproximadamente 2% de Mo. Los aceros inoxidables ferríticos son de interés para el diseño ingenieril porque presentan una resistencia a la corrosión similar a los aceros austeníticos, pero a un costo menor, debido a que no contienen Ni, que es un aleante muy costoso. Además son mas resistentes que los aceros austeníticos al tipo de corrosión bajo tensiones (SSC).
Las aplicaciones típicas de éstos materiales es en tubos de intercambiadores de calor donde el SCC sea un problema, por ejemplo en plantas de procesamiento de petróleo o gas natural, para confeccionar tubos de escape de automóviles, tanques de radiadores, reactores catalíticos y alcantarillas y en componentes que experimentan temperatura elevadas tales como partes de hornos, boquillas y cámaras de combustión.
Aceros inoxidables martensíticos
Los aceros inoxidables martensíticos tienen contenidos relativamente bajos de Cr (12-17%) y altos de C (0.1-1%) con el objetivo de poder obtener austenita, mediante tratamiento térmico. Luego de obtener austenita homogénea, puede lograrse la transformación martensítica de dicha austenita, mediante un enfriamiento suficientemente rápido. El Cr le otorga alta templabilidad a éstos aceros, y por esta razón pueden ser enfriados en aire para obtener la estructura martensítica. El mayor contenido de carbono de estas aleaciones permite obtener martensita con mayor dureza, sin embargo, el contenido de carbono no puede ser muy alto porque, al producir disminución de Ms, puede ocasionar la presencia de austenita retenida a temperatura ambiente. Estos aceros son fabricados y vendidos en la industria en el estado recocido, con estructura ferrítica, de baja en dureza y buena ductilidad.
La resistencia a la corrosión de estos aceros es mas baja que la de los ferríticos y los austeníticos, debido a que está limitado el contenido de Cr para tener la posibilidad de formación de austenita y los bajos contenidos de Ni para posibilitar la transformación de la austenita a martensita. Para mejorar la resistencia a la corrosión y la tenacidad de los aceros martensíticos, se han desarrollado aleaciones con adiciones de N, Ni y Mo a los aceros con los contenidos mas bajos de C.
Las aplicaciones típicas de los aceros martensíticos es en piezas que están sometidas a corrosión y que requieren cierta resistencia mecánica, como aspas de turbinas (Tipo 403), revestimiento de asientos para válvulas, carcazas de bombas, cuerpos de válvulas y compresores, ejes, pernos, y en cuchillería, hojas de afeitar e instrumentos quirúrgicos (Tipos 420 y 431).
Aceros inoxidables endurecibles por precipitación
Los aceros inoxidables endurecibles por precipitación (en inglés identificados como PH por Precipitation Hardening) son aleaciones base hierro, con Cr entre 12% y 18% y Ni entre 4% y 9%, con la presencia de elementos aleantes que producen el endurecimiento por precipitación, tales como Molibdeno (Mo), Titanio (Ti), Nitrógeno (N), Cobre (Cu), Aluminio (Al), Tantalio (Ta), Niobio (Nb), Boro (B) y Vanadio (V).
El endurecimiento se logra luego de la fabricación, mediante un mantenimiento corto en el rango de temperaturas 480-620ºC. Posteriormente al tratamiento de envejecimiento se debe evitar la exposición a temperaturas elevadas en servicio o el procedimiento de soldadura, porque se pierden las características de endurecimiento, debido a la coalescencia o engrosamiento de los precipitados. Los precipitados formados durante el tratamiento de envejecimiento, no pueden observarse mediante microscopía óptica y es posible observarlos sólo mediante microscopía electrónica. Luego del tratamiento de endurecimiento por precipitación se logran valores de resistencia y tensión de fluencia tres o cuatro veces mayores a los alcanzados por los aceros austeníticos del tipo 304 o 316.
Los aceros inoxidables endurecibles por precipitación presentan una amplia variedad de aplicaciones, debido a que presentan facilidad de fabricación, alta resistencia mecánica, buena ductilidad y muy buena resistencia a la corrosión. Se utilizan principalmente en las industrias del petróleo, gas, nuclear y aeroespacial, en piezas como válvulas, ejes de alta resistencia, álabes, resortes, engranajes, cadenas, recipientes a presión.
Aceros inoxidables dúplex
Los aceros inoxidables duplex son aleaciones base hierro con Cr, Mo y una cantidad de estabilizadores de la austenita, como Ni y N, para lograr el balance deseado entre las fases ferrita y austenita de donde deriva su denominación dúplex. Contienen Cr relativamente alto (entre 18 y 28%), para mantener la resistencia a la corrosión de los aceros austeníticos, y cantidades moderadas de Ni (entre 4.5 y 8%) para aumentar el contenido de ferrita.
Los aceros duplex presentan menor contenido de Ni y Mo que los aceros austeníticos de igual resistencia a la corrosión. Debido a su menor contenido de aleación tienen menor costo.
Fueron desarrollados con el objetivo de combinar algunas de las mejores características de los aceros inoxidables austeníticos y ferríticos. Es sabido que los aceros inoxidables austeníticos son vulnerables a la corrosión bajo tensiones (SCC) en ambientes con cloruros, aunque presentan una excelente ductilidad. Por otra parte, los aceros inoxidables ferríticos tienden a ser frágiles pero resisten el SCC. Por lo tanto, en los aceros inoxidables dúplex la fase austenita proporciona ductilidad y la fase ferrita resistencia al SCC. Debido al balance existente entre estas dos fases, presentan ventajas en severas condiciones de temperatura y contenido de cloruros, donde los inoxidables austeníticos sufren corrosión bajo esfuerzos (SCC), picaduras y corrosión por rendijas (crevice).
El contenido típico de ferrita de estos aceros va entre un 40 y 60%. Los aceros inoxidables duplex mas comunes presentan iguales cantidades de ferrita y austenita.
Las aplicaciones típicas de los aceros inoxidables duplex son en tuberías de intercambiadores térmicos, tuberías de petróleo, plataformas de ultramar, pozos de gas, tuberías en línea, cuerpos de válvulas para manejar agua de mar, en la industria de procesamiento químico, en usos marinos, particularmente a temperaturas levemente elevadas, en plantas de desalación, en plantas petroquímicas, en industria de la celulosa.
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