ACERO INOXIDABLE FERRITICO FERRITICO 1.- INTRODUCCION
1.1.- ACERO INOXIDABLE: Los aceros inoxidables son son aceros que contienen como mínimo mínimo un 10.5% de cromo y menos del 1.2% de carbono y otros componentes de aleación. La mayoría de los grados comerciales contiene al menos 11% de cromo y hasta 0.8% de carbono. Algunos grados contienen níquel como segundo elemento de aleación.
La denominación de “inoxidables” hace referencia a su comportamiento en medio acuoso. En ese medio el hierro puro tiende a pasar a la forma iónica. En cambio, para contenidos en Cr superiores al 12%, el Fe se reviste de un film de óxido con alto contenido en Cr, de espesor inferior a 10 nm y, por tanto, invisible, que lo pasiva: modifica la posición del Fe en la serie electromotriz y su comportamiento pasa a ser catódico. Su principal característica es su alta resistencia a la corrosión. Esta resistencia es debido a la formación espontánea de una capa de óxido de cromo en la superficie del acero. Para aumentar la resistencia a la corrosión el cromo puede aumentarse y pueden añadirse otros elementos tales como níquel o molibdeno. 1.2.- PRINCIPALES ELEMENTOS DE ALEACIÓN Y SU INFLUENCIA Cromo • Formador de Ferrita y Carburo. • Principal responsable responsable de la resistencia a la corrosión y de la formación de la película
de óxido. Níquel • Formador de Austenita. • Mejora la tenacidad y la ductilidad.
• Reduce la conductividad del calor. • Aumenta la resistencia eléctrica. • Aumenta la resistencia a la fatiga. • Aumenta la capacidad de ser soldado. • Se añade a los gr ados con cromo para mejorar las propiedades mecánicas.
Molibdeno • Formador de Ferrita y Carburo. • Mejora la resistencia a temperaturas elevadas. • Mejora la resistencia gene ral a la corrosión en medios no oxidantes, y la resistencia a
la corrosión por picadura en todos los medios. 1.3.- VENTAJAS DEL ACERO INOXIDABLE: -Resistencia a la corrosión. -Resistencia a la alta y baja temperatura. -Facilidad para la fabricación. -Resistencia mecánica. -Propiedades higiénicas. -Ciclo de trabajo material durable y más barata. 1.4.- CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A SU MICROESTRUCTURA: Los tres tipos principales de aceros inoxidables utilizados en la industria son las clases Martensítica, Ferrítica y Austenítica, nombres derivados de la fase predominante que se encuentra a temperatura ambiente. Una cuarta clase, los tipos de Endurecimiento por Precipitación y la clase Dúplex.
Fig. Relación entre el contenido de cromo y níquel en los distintos grupos de aceros inoxidables.
2.-ACERO INOXIDABLE FERRITICO
2.1.-GENERALIDADES: Los más simples de esta familia de aceros inoxidables contienen únicamente hierro y cromo, los aceros inoxidables ferríticos se caracterizan porque pueden presentar un contenido en cromo superior al de otros tipos de familias de acero, combinado a la vez con una baja presencia en porcentaje de carbono (de hecho son conocidos como los aceros inoxidables de cromo directo).
Fig. Diagrama de fases de hierro-cromo
2.2.- METALURGIA BASICA:
Como su nombre lo indica tienen una configuración metalográfica ferrítica con la estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (bcc) que se mantiene estable desde la temperatura ambiente hasta el punto de fusión. El cromo inhibe la formación de austenita y promueve la formación de ferrita. Estos aceros son esencialmente aleaciones con cromo, cuyo contenido es usualmente del rango de 10.5 a 30%, pero contenidos limitados de carbono del orden de 0.08% en relación con los martensíticos. Algunos grados pueden contener molibdeno, silicio, aluminio, titanio y niobio que promueven diferentes características.. El cromo es un elemento alfágeno, de tal manera que cuando el contenido de cromo en el acero supera el 13%, la ferrita es la única fase estable desde la solidificación de la aleación hasta la temperatura ambiente. Como se observa en el gráfico, si a un acero inoxidable se le aumenta el porcentaje de Cr y se limita la cantidad de C la vertical que representa a aleación se situará a la derecha del bucle gamma y el acero será ferrítico a cualquier temperatura, ya que no atraviesa ninguna línea de transformación, y no podrá ser templado.
Como se muestra en el grafico Las aleaciones hierro-cromo con más de 13% de Cr, mantienen su estructura ferrítica, desde temperatura ambiente hasta el punto de fusión. Durante el calentamiento, dicha estructura no atraviesa el campo austenítico (fase gamma), luego no puede austenizarse y posteriormente templarse para formar Martensita. Estos corresponden a los denominados aceros inoxidables ferríticos. Es importante limitar el contenido de carbono para prevenir que el campo gamma se expanda y prevenir la formación de Martensita.
En la figura se ve el rango de los aceros inoxidables ferriticos de 12% de cromo a 29% de cromo con bajo contenido de niquel .
En la figura se ve las características de un acero inoxidable ferritico:
-No sufren transformación alotrópica- salvo algunos grados, ejemplo, 412 °C (12% de cromo), 430 °C (17% de cromo). -Son magnéticos. -No pueden ser endurecidos por temple solo por acritud. *Acritud propiedad de un metal que se traduce en el aumento de la dureza, fragilidad y resistencia a la tracción por efecto de las deformaciones en frio.
2.3.-CARACTERISTICAS BASICAS: • Soldabilidad frec uentemente mayor que los grados martensíticos pero menor que los
grados austeníticos. • Resistencia a la corrosión a lgo superior a la de los aceros inoxidables martensíticos,
pero inferior a la de los grados austeníticos. La presencia de cromo incrementa dicha resistencia. La ausencia de níquel reduce la resistencia general a la corrosión y los hace susceptibles en muchos medios como por ejemplo en H2S ,NH4Cl, NH4NO3 y soluciones de H6Cl2. Los aceros con menor contenido de cromo (10,5%) se les suele denominar inoxidables al agua, pues no resisten sostenidamente medios más agresivos. • Es propenso a aumentar el tamaño del grano a temperaturas elevadas y adquiere
cierta fragilidad con permanencias prolongadas entre 450° y 500°C (fragilidad a 475°C). • Aceros de 25-30% de cromo presentan buena resistencia a la corrosión y en
atmósferas sulfurosas en caliente. • Buena resistencia a la corrosión bajo tensión SCC, especialmente en cloruros a alta
temperatura, comparada con los grados austeníticos. Pequeñas cantidades de Níquel, tan bajas como 1,5% son sufi cientes para inducir SCC. • No endurecible por el tratamie nto térmico, sólo moderadamente por trabajo en frío,
generalmente menos que los aceros inoxidables austeníticos. • Menor ductilidad que lo s aceros austeníticos, debido a la inherente menor plasticidad
de la estructura cúbica centrada en el cuerpo del hierro alfa. Maleabilidad no tan buena como los grados austeníticos pero suficiente para trabajarlos fácilmente en frío. • Menor tenacidad que los grados austeníticos. • Alcanzan su máxim a ductilidad y resistencia a la corrosión en la condición de
recocido. • La Ferrita generalmente disminuye la dureza y la resistencia al impacto a
temperaturas criogénicas. • Son bastante ma gnéticos y están expuestos a la desviación de arco (Soplo magnético). • Se les prefi ere en general por su resistencia a la corrosión y bajo costo, más que por
sus propiedades mecánicas.
Los Aceros Inoxidables Ferriticos tienen tres problemas que pueden acentuarse más o menos según sea la aplicación: a) Excesivo crecimiento de grano. b) Sensitizacion. c) Pérdida de ductilidad por presencia de fase Sigma.
- Por encima de 950ºC el proceso de crecimiento de grano se intensifica por la falta de la recristalizacion del cambio alotrópico de ferrita a austenita de estos Aceros. El grano grueso tiene menos ductilidad y menos tenacidad que el grano fino. En estos casos la única manera de afinar el grano seria con un tratamiento de recristalizacion con deformación plastica previa solo aplicable a productos semielaborados. En el caso de Soldadura esto no puede realizarse y por ello en materiales donde la soldadura es parte del proceso de fabricación el crecimiento de grano puede ser un problema serio. - Los aceros inoxidables ferriticos pueden a veces , ya sea por segregación del Cr, o por estar muy cerca del bucle gamma, no ser totalmente ferriticos generando en el calentamiento a más de 900ºC algo de austenita en borde de grano ferritico. Si luego de esta transformación se los enfría rápidamente la austenita formada se transformará en martensita disminuyendo algo la plasticidad pero por sobre todo disminuyendo la resistencia a la corrosión del borde de grano, por ello a estos aceros, para mejorarles su resistencia a la corrosión se los debe enfriar lentamente (al contrario de los austeniticos) desde una temperatura de de aproximadamente 1000ºC. Por otra parte la presencia de martensita en borde de grano podría mejorar algo la resistencia al crecimiento de grano. - A medida que aumentamos la proporción de Cr para mejorar la resistencia a la corrosión, nos acercamos peligrosamente a la transformación de Fe-α a Fase Sigma (s) de estructura cristalina tetragonal que predice el diagrama de equilibrio Fe-Cr. La Fase Sigma (s) es un intermetalico duro y frágil que enfragiliza a toda la estructura. La fase Sigma se forma durante el enfriamiento en el rango de 870ºC/ 530ºC y puede ser redisuelta con calentamientos del orden de 1100ºC y su formación evitada por un enfriamiento rápido que retenga la fase de alta temperatura (Fe α). Hay poca información acerca de la influencia de la Fase Sigma en la resistencia a la corrosión, sin embargo es esperable que una precipitación masiva sea peor que la presencia de colonias aisladas. Ya que la fase sigma es un intermetalico más rico en Cr que la Ferrita su presencia puede afectar la resistencia a la corrosión por una disminución del Cr disuelto en la matriz.
Fig. Transformación Isotérmica de la reacción de una aleación con 46,5% Cr. Líneas llenas corresponde Ferrita recocida. Lineas punteadas a Ferrita deformada en frío .
En aceros inoxidables ferriticos con Mo aparece otra fase relacionada a sigma llamada fase Chi, entre los 550-590ºC con una composición nominal Fe2CrMo aunque hay desviaciones de los valores estequiometricos. La fase Chi precipita más rápidamente que la sigma, siempre acompaña a la fase sigma y reduce los valores de tenacidad a la entalla de aceros inoxidables ferriticos. Realmente la formación de fase Sigma es lenta y con los enfriamientos encontrados en el procesamiento de los aceros inoxidables ferriticos no llega a ser un problema. En cambio sí es un problema en servicio al mantener estos aceros altos en Cr o enfriarlos lentamente a la temperatura de 475ºC. 2.4.-DESVENTAJAS DE LOS ACEROS INOXIDABLES FERRITICOS: 1. Excesivo crecimiento de grano: la falta de recristalización por cambio alotrópico de ferrita a austenita de estos aceros, provoca que se intensifique el crecimiento de grano por encima de 950º C, dando lugar a un grano grueso con menor ductilidad y tenacidad que el grano fino. La única manera de afinar el grano es con un tratamiento de recristalización precedido de un proceso de deformación plástica. En el caso de las soldaduras éste es un problema serio pues no puede realizarse este tratamiento. 2. Sensibilización: los aceros inoxidables ferríticos pueden generar, durante el calentamiento a más de 900º C, algo de austenita en el borde de grano ferrítico, ya sea por segregación del cromo o por estar próximos al bucle gamma. Si esta transformación va seguida de un enfriamiento rápido, la austenita se transforma en martensita, disminuyendo la plasticidad y sobre todo la resistencia a la corrosión en el borde de grano. Por este motivo estos aceros deben tener un enfriamiento lento a partir de 1000º C. 3. Pérdida de ductilidad por presencia de fases: a medida que aumenta la proporción de cromo de estos aceros, se acercan a la transformación de Feα a la fase intermetálica
sigma. Esta fase es dura y frágil, y se forma durante el intervalo de enfriamiento de 870 a 530º C, lo cual fragiliza la estructura. Puede ser redisuelta con calentamientos del orden de 1100º C, y evitar su formación con enfriamientos rápidos que retengan la fase alfa.
2.5.-TRATAMIENTOS TERMICOS A LOS ACEROS INOXIDABLES FERRITICOS: Los tipos 405, 430, 430 F, 430 F (Se), 442 y 446 no son apreciablemente endurecidos por temple pero desarrollan la máxima ductilidad, ablandamiento y resistencia a la corrosión en el estado de recocido, y este es el único tratamiento térmico aplicable a las aleaciones ferríticas. Su objetivo es primariamente eliminar tensiones de soldadura o trabajado en frío. Además se eliminan productos de transformación desarrollados durante la soldadura, como fragilidad de 475°C. Por ello, las temperaturas de recocido están por encima de ese rango y debajo de aquellas a la cual pueda formarse austenita. En la Tabla XVI.4 se indica la práctica corriente para el recocido de los grados ferríticos. Aún estos grados pueden tener austenita, o martensita sin revenir de una transformación parcial de la austenita a elevada temperatura. Se adiciona aluminio al
tipo 405 para eliminar o minimizar su formación o descomposición durante la soldadura. 2.5.1.-FRAGILIDAD A 475°C: Una forma importante de fragilidad en los grados ferríticos se desarrolla por prolongada exposición o enfriamiento dentro del rango de temperatura de 400 a 530° C, con máximo efecto dentro de 475-485° C. La resistencia al impacto con entalla es la propiedad afectada más adversamente. Se cree que esta fragilidad es causada por la precipitación de una ferrita con alto cromo y su efecto se incrementa con el % de Cromo (el máximo efecto se produce en el tipo 446). Esta condición puede ser eliminada por cualquiera de los tratamientos de recocido indicados en la siguiente tabla, utilizando temperaturas claramente superiores y enfriando rápidamente para prevenir que la fragilidad aparezca nuevamente. Tabla: Temperaturas recomendadas para tratamientos térmicos de aceros inoxidables ferríticos.
2.5.2.-FASE SIGMA: Como se dijo, es un constituyente metalográfico que se forma lentamente a elevada temperatura, cuando el contenido de Cr supera al 16 %, o en un Cr-Ni conteniendo más del 18% de Cr. La fase sigma incrementa la dureza, decrece la ductilidad, resistencia al impacto y a la corrosión. Su menor temperatura de formación depende especialmente del tiempo de exposición y se puede estimar en 530° C, la máxima temperatura depende del contenido de aleación. Puede disolverse por calentamiento a 900º C. 2.5.3.-TRATAMIENTO DE ALIVIO DE TENSIONES: La presencia de tensiones residuales puede conducir a fallas por corrosión bajo tensión, y producir una reducción en la resistencia al creep a elevadas temperaturas. Este tratamiento se aplica para eliminar tensiones remanentes de los procesos de manufactura, a diferencia de los tratamientos posteriores a las soldaduras, en los que también se modifican ciertas estructuras metalúrgicas o propiedades. Por 2.6.- APLICACIONES: El Grupo 1, con el contenido de cromo más bajo de todos los aceros inoxidables, es
también el menos costoso. Este grupo puede ser perfecto en entornos libres o poco
corrosivos, en los que una ligera corrosión localizada puede ser aceptable. El 405 se diseñó originalmente para los silenciadores de los sistemas de escape, y se recomienda tal cual soldado. El 409 se utiliza más para contenedores, autobuses y automóviles y, recientemente, para bastidores de monitores LCD. El Grupo 2 (tipo 430) es la familia de aleaciones ferríticas de uso más generalizado.
Con un contenido de cromo más elevado, el grupo 2 ofrece una mayor resistencia a la corrosión y su comportamiento es prácticamente igual al del 304, por lo que puede reemplazarlo en algunas aplicaciones. Los usos típicos son tambores de lavadoras y paneles interiores. Con frecuencia se sustituye el 430 por el 304 en lavaplatos, cazuelas y sartenes. Uno de los mayores problemas del inoxidable 430 es la pérdida de ductilidad en las regiones soldadas, que normalmente son frágiles y de menor resistencia a la corrosión. El elevado crecimiento del tamaño de grano, la formación parcial de martensita y la precipitación de carbonitruros de cromo, son las principales causas generadoras de este problema. El Grupo 3 incluye los tipos 430Ti, 439, 441, etc. A comparación del grupo 2, ofrecen
una mejor soldabilidad y conformabilidad. En muchos casos, su comportamiento es incluso mejor que el del 304. Las aplicaciones típicas son fregaderos, tubos de intercambiadores, sistemas de escape (vida de servicio más larga que el tipo 405) y piezas soldadas de lavadoras. El grupo 3 puede incluso reemplazar al tipo 304 en aquellas aplicaciones en las que las especificaciones sean superiores a las necesidades reales. El Grupo 4, que incluye los tipos 434, 436, 444, etc., incorpora molibdeno para
aumentar la resistencia a la corrosión. Las aplicaciones típicas son depósitos de agua caliente, calentadores solares, sistemas de escape, hervidores eléctricos y hornos microondas, guarniciones de automóviles y paneles exteriores. La resistencia a la corrosión del tipo 444 puede ser similar al 316. El Grupo 5 (tipos 446, 445/447, etc.) lleva cromo adicional y molibdeno para
aumentar la resistencia a la corrosión y a la formación de cascarilla (oxidación). Este grupo es superior al tipo 316 en lo relativo a estas propiedades. Los usos típicos incluyen aplicaciones en entornos costeros y otros entornos altamente corrosivos. La resistencia a la corrosión del 447 es igual a la del titanio.
Fig. Tipos de aceros inoxidables ferríticos
2.7.- SOLDABILIDAD DE LOS ACEROS INOXIDABLES FERRÍTICOS Existen otros dos problemas en la soldadura de los aceros inoxidables ferríticos: Crecimiento de grano:
La mayoría de los aceros inoxidables ferríticos no presentan la transformación α→γ de modo que no existe la posibilidad del refinamiento de grano en la ZAC. En consecuencia, el crecimiento de grano en la ZAC es muy marcado y esto desmejora aún más la tenacidad de esa zona. Formación de martensita:
En el caso de los aceros ferríticos de bajo Cr puede existir una reversión de α a γ durante el calentamiento entra en el campo bifásico. La austenita formada a alta temperatura se transforma a martensita durante el posterior enfriamiento de la ZAC. Además de
deteriorar la tenacidad, la martensita puede ocasionar fisuración en frío a causa del H que penetra en el metal de soldadura. El tratamiento pos soldadura reviene la martensita.
La mala soldabilidad junto con la baja tenacidad, han sido las causas principales del uso limitado de los aceros inoxidables ferríticos comunes como materiales estructurales. Sin embargo existe un gran número de aplicaciones donde su bajo costo y su alta resistencia a la corrosión en general, y en particular a la CBT, los hacen la elección más conveniente.
2.8.-APLICACIONES TIPICAS: • Tubos de intercambiadores de calor donde el SCC sea un problema, por ejemplo en
plantas de procesamiento de petróleo o gas natural. • Estampado profundos de piezas c omo recipientes para industrias químicas,
alimenticias, y para adornos arquitectónicos o automotrices. • Aplicaciones de resistencia al agrietamiento por corrosión de tensiones de cloruro,
corrosión en medios acuosos, oxidación a alta temperatura y corrosión por picadura y por hendidura por medios de cloruro.
• Tubos de escape de automóviles, tanques de radiadores, reactores catalíticos y
alcantarillas. • Adornos decorativos y tanques de ácido nítrico. • Componentes que requieren protección contra subidas de temperatura tales como
partes de hornos, boquillas y cámaras de combustión. • Tanques de agua caliente.
