Aceros inoxidables

ACEROS INOXIDABLES

C. Fosca – F. Rumiche

Maestría en Ingeniería de Materiales

ACEROS INOXIDABLES

International Stainless Steel Forum. http://www.worldstainless.org/NR/rdonlyres/9B25D843-CD1D-45AB-AA3F-C7AFE8A38631/3966/DemandIndexAllStainlessProducts1.pdf

Crecimiento de la producción mundial de acero inoxidable

ACEROS INOXIDABLES

Se definen como aceros inoxidables a aquellas aleaciones ferrosas que contienen como mínimo 10.5 %Cr, contenidos importantes de Ni, y en menor proporción elementos como Mo, N, Cu, Ti, V, etc.

Estas aleaciones son empleadas primariamente bajo condiciones ambientales normales (corrosión atmosférica, soluciones acuosas, aguas de río, agua de mar, etc.) y de manera específica en ambientes mas agresivos como ácidos orgánicos e inorgánicos y soluciones alcalinas.

Resistencia a la corrosión Resistencia al calor y al fuego. Higiene Apariencia estética Ventajosa resistencia específica Fácil fabricación Resistencia al impacto Ecológico (100% reciclable) Alta vida en servicio

Razones para elegir un acero inoxidable

Ferríticos

Duplex Austeníticos

Super Austeníticos

Austeníticos resistentes al Calor

Conteniendo Ni Básicamente con Cr

Martensíticos

Super Ferríticos

La familia de los “inoxidables”

En la actualidad, los aceros inoxidables se pueden clasificar en forma general en cinco grandes familias :

• Los aceros inoxidables ferríticos • Los aceros inoxidables austeníticos • Los aceros inoxidables martensíticos • Los aceros inoxidables austeno-ferríticos (dúplex) • Los aceros inoxidables endurecibles por precipitación

Además de estos, existen otros nuevos tipos de aceros inoxidables como los aceros inoxidables ferrítico-martensíticos.

Clasificación de los aceros inoxidables

Clasificación de los aceros inoxidables

Austeníticos Cr-Ni , 66.8%

Duplex, 0.8%

Ferríticos, 23%

Austeníticos Cr-Mn ,

9.4%

Distribución de la producción mundial de aceros inoxidables en los tipos de inoxidables más

empleados (ISSF,2006).

Breve Metalurgia de los aceros inoxidables


Diagrama Fe-Cr

El Cr es un elemento “alfágeno”, es decir estabiliza la ferrita

Aleaciones Fe-Cr con > 18%Cr presentan una sola fase en estado sólido (ferrita)


Diagrama Fe-Ni

El Ni es un elemento “gamágeno”, es decir estabiliza la austenita

Aleaciones Fe-Ni son completamente austeníticos


Diagrama Fe-Ni Diagrama Fe-Cr

El efecto del Cr y Ni combinados produce resultados muy complejos que dependerán de la proporción de estos elementos presentes.


Efecto del Ni y Cr en la constitución de un acero inoxidable con 0.1%C


Comienzo de la transformación γ→ α

Comienzo de la región γ + δ

T (°C)

En una aleación Fe-Cr-Ni

El Ni aumenta el dominio de la fase γ y la estabiliza a

temperaturas bajas


El C es también gamageno y tiende a estabilizar la austenita y formar carburos

carburos


En una aleación Fe-Cr

1: 0,002%

3: 0,015%

4: 0.030%

6: 0,250%

El N desplaza la zona γ , γ+δ a

mayores contenidos de Cr



El Mo desplaza la zona de la

austenita (γ) a menores

contenidos de Cr


El Ni amplia la zona de la

austenita (γ) a mayores

contenidos de Cr



En un acero inoxidable la temperatura de inicio de la transformación martensítica viene dado por:

Asimismo, los aceros inoxidables austeníticos pueden inducir transformación martensítica por deformación plástica:

Md30(ºC) = 551-462(C+N) -9.2(Si) -8.1(Mn) -13.7(Cr)-29(Ni)-18.5(Mo) -29(Cu) -68(Nb)-1.42(#ASTM-8)

Nohara, 1977)

Md30(ºC) : temperatura a la cual un 50% de austenita es transformada a martensita por deformación en frío para un grado de deformación del 30%


Representación espacial de un diagrama ternario

Los aceros inoxidables son aleaciones que poseen al menos Fe-Cr-Ni. El estudio de las fases presentes en estado sólido se realiza a través de un diagrama ternario. Su representación requeriría un diagrama ternario


Secciones isotérmicas del diagrama ternario Fe-Cr-Ni


Diagramas seudo-binarios Fe-Cr-Ni


Diagramas seudo-binarios Fe-Cr-Ni


Diagrama Schaeffler de aceros inoxidables

Elementos gamágenos: Ni, C, Mn, Cu, Co, N

Elementos alfágenos: Cr, Mo, Si, V, Al, Nb, Ti, W


Precipitación de fases secundarias

Diagrama ternario Fe-Cr-C a 900ºC

Termodinámicamentela austenita y la ferrita no son las únicas fases estables en los aceros inoxidables.

Carburos (M23C6)

Fase sigma, etc.

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Sección de diagrama Fe-Cr-C para 0.1%C http

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Termodinámicamentela austenita y la ferrita no son las únicas fases estables en los aceros inoxidables.

Carburos (M23C6)

Fase sigma, etc.


Precipitación de fases secundarias Precipitado Estructura Composición

NbC fcc NbC

NbN fcc NbN

TiC fcc TiC

TiN fcc TiN

Z-phase tetragonal CrNbN

M23C6 fcc Cr16Fe5 Mo2C (e.g.)

M6C diamond cubic (FeCr)21Mo3 C; Fe3Nb3C; M5SiC

Sigma tetragonal Fe,Ni,Cr,Mo

Laves phase hexagonal Fe2Mo, Fe2Nb

Chi-phase bcc Fe36Cr12 Mo10

G-Phase fcc Ni16Nb6 Si7, Ni16Ti6 Si7


Fase Fe Cr Mo NiM23C6 18 63 14 5Sigma 55 29 11 5Chi 52 21 22 5Laves 38 11 45 6Acero inox resto 17,3 2,66 13,1


Precipitación de fases secundarias: acero 0,02%C-17%Cr-13%Ni-2,7%Mo

horas

°C


Precipitación de fases secundarias: acero 0,05%C-17%Cr-13%Ni- 4,9%Mo-0,04%N

horas

°C




Corrosión intergranular



Corrosión intergranular

Velocidades de enfriamiento durante la soldadura

curva 1´: precalentamiento a 300°C

horas

Influencia de la microestructura

Aceros Inoxidables Ferríticos

Este tipo de aleaciones tienen contenidos de Cr entre 12 y 29% y muy bajos contenidos de Ni (< 2%). Reciben su nombre debido a que su microestructura esta constituida completamente por ferrita


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Rango de los aceros inoxidables ferríticos


CARACTERÍSTICAS:

•No sufren transformación alotrópica - salvo algunos grados, ej: 412 (12%Cr), 430 (17%Cr) •Son magnéticos •No pueden ser endurecidos por temple (solamente por acritud).

412 (12%Cr) 430 (17%Cr)

VENTAJAS: •Son aceros inoxidables económicos •Tienen buena resistencia a la corrosión localizada en medios conteniendo Cl-


DESVENTAJAS: •Susceptibles al crecimiento de grano •Susceptibles a la precipitación de fases secundarias : carburos y fase sigma •Mas difíciles de soldar que los austeníticos

• Susceptibles a la fragilización por hidrógeno




AISI %C %Mn %Si %Cr %Ni %P %S Otros

405 0,08 1,0 1,0 13 -- 0,04 0,03 0,2 Al

409 0,08 1,0 1,0 11 -- 0,05 0,045 Ti = 6%C min (*)

40977 0.03 11 1.0 Nmax 0.030

430 0,08 1,0 1,0 17 -- 0,04 0,03 --

430F 0,12 1,25 1,0 17 -- 0,06 >0,15 0,6Mo (**)

434 0,12 1,25 1,0 17 -- 0,04 0,03 1,0Mo

436 0,12 1,0 1,0 17 -- 0,04 0,03 1,0Mo, Nb+Ta=5%

442 0,20 1,0 1,0 21 -- 0,04 0,03 --

446 0,20 1,5 1,0 25 -- 0,04 0,03 0,25N

430Ti 0,10 1,0 1,0 17,5 0,75 0,04 0,03 Ti=5%C min (*)

444 (18-2) 0,025 1,0 1,0 18,5 1,0 0,04 0,03 2,25Mo, 0,035N

max

18SR 0,04 0,3 1,0 18 -- -- -- 2,0Al, 0,4Ti

Al 29-4-2 0,010 0,3 0,2 29 2,2 0,025 0,02 3,8Mo

439 0,07 1,0 1,0 18 0,5 0,04 0,03 Ti=0,2 + 4(C+N) min

aceros inoxidables super-ferríticos


Níquel Molibdeno

El crecimiento continuo del precio de los metales Ni y Mo han elevado el precio de los aceros inoxidables con altos contenidos de Ni como los austeníticos. Ello ha atraído la atención a los aceros inoxidables ferríticos


Precio del Ni (fuente: London Metal Echange)


Tubos de escape

http://www.justbars.com/

http://www.perrinperformance.com/

Equipos de cocina

APLICACIONES:


18Cr-Cb

18Cr-10Ni

11%Cr

18Cr

Tubos de escape


Porque fabricar tubos de escape de inox ferríticos?


18Cr-Cb

18Cr-10Ni

11%Cr

18Cr Tubos de escape


Porque fabricar tubos de escape de inox ferríticos?


En los últimos años se han desarrollado aceros inoxidables ferríticos diseñados especialmente para su empleo en la fabricación de tubos de condensadores para agua de mar. Aleaciones para esta aplicación suelen tener contenidos de Cr > 26% y de Mo > 3% y se les denomina aceros inoxidables super-ferríticos.

http://img.alibaba.com/photo/51813182/Sea_Water_Cooler_used_in_ship.jpg

Aceros Inoxidables Austeníticos


Estas aleaciones están constituidas por una sola fase: AUSTENITA. %Cr : 18-25, %Ni :9 -35%, %Mo:0-6 Son las aleaciones más populares, especialmente el grado AISI 304 que constituye mas del 50% de la producción de todos los aceros inoxidables producidos.

CARACTERÍSTICAS: No sufren transformación alotrópica Son no magnéticos No pueden ser endurecidos por temple

(solamente por acritud)


VENTAJAS: Son aceros inoxidables muy resistentes a la corrosión Son dúctiles y muy tenaces Se sueldan sin dificultad

DESVENTAJAS: susceptibles a la precipitación de fases secundarias :

carburos y fase sigma susceptibles a la corrosión localizada debida a Cl- Pueden fragilizarse por CBT


los aceros inoxidables “super-austeníticos” poseen adiciones mayores de Cr, Mo y N. (Ej: Avesta™ 254 SMO)

AISI %C %Mn %Cr %Ni Otros 303 0,15 2,0 18 9,0 0,06Mo 304 0,08 2,0 19 9,2 ---- 316 0,08 2,0 17 12 2,0Mo 317 0,08 2,0 19 13 3,5Mo 321 0,08 2,0 19 14 Ti = 5xCmin 347 0,08 2,0 18 11 Cb+Ta = 10xC min 20 Mo6 0,03 1,0 24,0 35,0 5,7Mo, 3Cu 254 SMO 0,03 1,0 20 18 6,2Mo, 0,7Cu, 0,2N


Incremento de la resistencia mecánica por deformación en frío

También es posible la transformación parcial de la austenita en martensita por efecto de la deformación plástica


Incremento de la resistencia mecánica por deformación en frío.


AISI 304 = -93ºC -10ºC AISI 304L = -52ºC +14ºC AISI 316 = -164ºC -84ºC AISI 316L = -373ºC -154ºC

Ms Md30


AISI 304 = -93ºC -10ºC AISI 304L = -52ºC +14ºC AISI 316 = -164ºC -84ºC AISI 316L = -373ºC -154ºC

Ms Md30

deformación 0.148 0.195 0.278 0.420 0.470 0.995

% martensita 4.0 4.2 4.5 8.0 10.0 14.0

% martensita en función de la deformación en 316L

Han-Shen Wang, J. R. Yang and H. K. D. H. Bhadeshia (2005)

[email protected]

Para convertir KSI en MPa multiplicar por 6,894.


Para convertir KSI en MPa multiplicar por 6,894.


El coeficiente de expansión térmica de los inox. Austeníticos es 50% mayor que el de los aceros al C

La temperatura de fusión de los inox austeníticos es menor (los baños son más fluídos)


La resistencia eléctrica de los inox. austeníticos es 6 veces mayor que la de un acero al carbono ordinario

La conductividad térmica de los inox austeníticos es 60% menor que la de los aceros al carbono



Aplicaciones: Aplicaciones marinas Aplicaciones criogénicas Aplicaciones domésticas Aplicaciones industriales Aplicaciones en Construcción civil Aplicaciones a elevadas temperaturas

Dr. Carlos Fosca

Aplicaciones de aceros inoxidables austeníticos

Barras corrugadas

Estructura de vehículos (trenes)

Elementos estructurales decorativos


Barras corrugadas

Aplicaciones arquitectónicas

(Frank Gehry)

Walt Disney Concert Hall, Los Angeles

Hotel Marques de Riscal, España

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Aplicaciones arquitectónicas

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Helios House, Los Angeles


Intercambiadores de calor, reactores, líneas de tuberías, bombas

Recipiente de filtro de AISI 316

Tubería de calentamiento de inox 316


Dr. Carlos Fosca

Aceros Inoxidables Martensíticos

Aceros Inoxidables Martensíticos Son aleaciones que pueden endurecerse por tratamiento térmico (transformación martensítica) elevando su dureza y resistencia al desgaste. %C: 0,15-1,0, %Cr: 12-18, CARACTERÍSTICAS: Se endurecen por temple Son magnéticos

VENTAJAS: Son aceros inoxidables muy resistentes mecánicamente

(>1400 MPa ) Dureza por temple y revenido: 40-60HRC Son poco tenaces Difícilmente soldables

DESVENTAJAS: susceptibles a la precipitación de fases

secundarias : carburos Poseen una baja resistencia a la corrosión Pueden fragilizarse por CBT y por hidrógeno


AISI %C %Mn %Cr %Ni Otros 403 0,15 1,0 12,2 -- 410 0,15 1,0 12,2 -- 410S 0,08 416 0,15 1,25 13 -- 0,6 Mo 431 0,20 1,0 16 1,9 440A 0,67 1,0 17 -- 0,75Mo 416 PLUS 0,15 1,0 13 -- 0,6 Mo

Variaciones del mismo tipo de acero inoxidable:

440A 0,70 %C 440B 0,80 %C 440C 1,10 %C 440F 1,10 %C + 0,1-0,35%S



Inox Ms

(ºC) 403 221 410 221 414 164 416 205 420 212

Diagrama ternario Fe-Cr-C para 13%Cr

%C C1 = M23C6 C2 = M7C3


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Diagrama de fases del acero Uddeholm AEB-L


Temple a 1038ºC enfriado al aceite y 2 horas de revenido



El acero inoxidable mas representativo: AISI 410 (12%Cr- 0,15%C- 1,0%Mn) que junto al acero AISI 430 puede ser empleado en la fabricación de pernos, ejes de bombas, válvulas, alabes de turbinas a gas y vapor.

Aceros inoxidables martensíticos de alto contenido de carbono (> 0,2%C) son empleados como acero para cuchillería (tipos

AISI 420 y AISI 440). Aplicaciones: Partes de válvulas, componentes de turbina, cuchillería, pernos, partes de máquinas


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RodeteTurbina Pelton

RotorTurbina vapor

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d7/Dampfturbine_Laeufer01.jpg

Aceros Inoxidables Duplex


Son aleaciones que tienen una microestructura de ferrita + austenita (50%) %Cr: 18-27 %Ni: 4-7, %Mo: 0,2-4 CARACTERÍSTICAS: No se pueden templar Son magnéticos

VENTAJAS: Son aceros inoxidables muy resistentes mecánicamente (600 - 800

MPa ) Son mas tenaces que los ferríticos pero menos que los austeníticos Fácilmente soldables Muy buena resistencia a la corrosión localizada en presencia de Cl-

DESVENTAJAS: susceptibles a la

precipitación de fases secundarias : carburos, fase σ, fase chi,...


Nombre %Cr %Ni %Mo %N Otros SAF 2304 UR 35N 23 4 0,20 0,10 UR 50 21 7 2,5 0,07 1,5Cu VEW A903 18,5 5 2,7 0,07 1,5Si UR 45N 22 5,3 3 0,16 SAF 2205 DP-3 25 6,5 3,0 0,16 0,5Cu, 0,3W UR 52N 25 6,5 3,0 0,18 1,6Cu VEW A905 26 3,7 2,3 0,34 6 Mn ZERON 100 25 7 3,6 0,25 0,7Cu, 0,7w UR 52N+ 25 6 3,8 0,26 1,5Cu Los aceros inoxidables super-duplex (25%Cr-7%Ni-

4%Mo-0,25%N) poseen una resistencia a la corrosión por picaduras equivalente a la de los aceros inoxidables super-austeníticos.


Aplicaciones: • Industria de generación de energía • Industria Off-shore • Industria química • Intercambiadores de calor • buques tanque • recipientes a presión • Bombas de fluidos corrosivos


Tanque para almacenamiento de sustancias químicas

Duplex 2205

Reactor de 10,000 litros con elmentos de calefacción y

enfriamiento


Aproximadamente 400 toneladas del acero inox. duplex (2205) han sido usadas en la cubierta del puente de 235 metros de largo sobre las aguas saladas de Haynes, Oregon (USA)

Conectores para tuberías submarinas


http://www.offshore-technology.com/contractors/pipes/maass/

Equipos y componentes para instalaciones off-shore son fabricados

de aceros inoxidables super duplex (PREN > 40) capaces de soportar

condiciones de corrosión extremas.

Serpentín de calentamiento para calentadores de agua hecho de tubos de inox duplex que garantizan 25 años de servicio sin mantenimiento


http://www.stainlessclad.com/process/index.aspx#


Barras de construcción recubiertas de capa de acero inoxidable


Edificio en Helsinki fabricado de acero inox. Duplex LDX 2101


Edificio en Helsinki fabricado de acero inox. Duplex LDX 2101

Aceros inox. duplex de bajo costo

Tubería flexible para instalaciones submarinas S2003 . Presenta > resistencia mecánica y a la

corrosión que el 316. Menores espesores de tubería permite una reducción de costos y de

peso.


Aceros inox. duplex de bajo costo

Inox Plancha Precio de la plancha

304L 48”x96”x1/4” US$ 2531 316L 48”x96”x1/4” US$ 2906 317L 48”x96”x1/4” US$ 7107 2205 48”x96”x1/4” US$ 5210 2304 48”x96”x1/4” US$ 4320

2101 48”x96”x1/4” US$ 2103


Aceros Inoxidables Endurecibles por precipitación

Aceros Inoxidables Endurecibles por precipitación (PH)

son aceros inoxidables del tipo Cr-Ni que contienen adicionalmente otros elementos de aleación como el Cu y Al que favorecen la precipitación de fases secundarias y elevan significativamente la dureza y resistencia mecánica del material cuando es sometido a un tratamiento térmico de envejecimiento Estos aceros pueden ser del tipo martensítico, semi-austeníticos y austeníticos CARACTERÍSTICAS: Se endurecen por tratamiento térmico de precipitación:

formación de partículas intermetálicas muy finas (fase de Laves, Ni3(Al,Ti), carburos, fosfuros).



VENTAJAS: Son aceros inoxidables muy resistentes

mecánicamente (hasta 1700 MPa ) Dureza después de T.T.: hasta 48HRC Ductilidad y tenacidad aceptables


DESVENTAJAS: Resistencia a la corrosión

limitada Pueden fragilizarse por CBT y

por hidrógeno

Eje portahélice para embarcación marina

Aplicaciones: Elementos de

máquinas Elementos

estructurales para aeronaves, ejes portahélices de aplicación naval.




Propiedades mecánicas de los aceros inoxidables

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS ACEROS INOXIDABLES

AUSTENÍTICOS X2CrNi1911 304L 220 520-670 45 90 X2CrNiMo17-12-2 316L 240 530-680 40 90 X1CrNi25-21 310S 200 470-670 40 90 X2CrNiMoN 17-13-3 316N 300 580-780 35 90 X2CrNiMo18-12-4 317L 240 550-700 35 90 X2CrMnNiN 18-9-5 202 340 680-880 45 90

FERRITICOS X6CrAl13 410 240 400-600 19 X6Cr17 430 250 450-600 20 X2CrMoTi 29-4 430 550-700 18

MARTENSÍTICOS X12Cr13 403 450 650-850 15 25 X12CrS13 416 450 650-850 15 25 X20Cr13 420 500 700-850 13 25 X17CrNi16-2 431 600 800-950 12 20

DUPLEX X2CrNiN 23-4 400 600-850 20 90 X2CrNiMoN 22-5-3 480 660-950 25 90 X2CrNiMoCuN 25-6-3 500 690-940 17 90 X2CrNiMoCuWN 25-7-4 530 730-930 25 90

ENDURECIBLES POR PRECIPITACIÓN X5CrNiCuNb16-4 720 930-1100 16 40 17-4PH 1300 1410 14 -----

UNE-EN10088 AISI Límite Elástico (N/mm2)

Resistencia a tracción (N/mm2)

Elongación % min

Resiliencia ISO-V

Min (Joule)

austeníticos duplex

ferríticos

martensíticos PH

Características Mecánicas

Resi

sten

cia

a la

cor

rosi

ón


Familia

Respuesta magnética

grado de endurecimiento

Resistencia a la

Corrosion

Endurecible

Austeniticos

Generalmente No

Muy alto

alta

Por trabajo en frío

Duplex

Si

Medio

Muy alta

No

Ferriticos

Si

Medio

Media

No

Martensiticos

Si

Medio

Media

Temple y revenido

Endurecibles por Precipitación

Si

Medio

Media

Endurecimiento por

precipitación



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T ºC

Esfuerzos de diseño permisibles



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Esfuerzos de diseño permisibles para tanques

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Con el uso de aceros inoxidables duplex se pude lograr un ahorro en peso significativo.

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Espesores de pared para tanques según API 650

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Caso: Tanques para almacenamiento de suspensión acuosa de polvo de mármol (90ºC)

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FIN

Documents

Aceros inoxidables