Aleaciones resistentes a la Corrosión A.- Introducción En general, y teniendo en cuenta exclusivamente los criterios básicos sobre mecanismos a través de los cuales transcurre la corrosión, se puede establecer que si el material metálico en servicio presenta riego de corrosión electroquímica, conviene utilizar metales puros, con bajos niveles de degradación de impurezas, o bien de aleaciones monofásicas o bifásicas con pe queñas diferencias de potencial entre ellas con ausencia o muy bajo nivel de inclusiones. Son más recomendables las estructuras de grano fino. En cualquier caso, son especialmente recomendables los materiales metálicos metálicos capaces de formar capas pasivas estables en contacto con el medio donde van a operar y con altas velocidades de reparación. Si el material debe trabajar a altas temperaturas, la corrosión se desarrollará a través de un mecanismo de reacción química directa entre el metal y el gas o gases agresivos. En este caso es preciso diseñar o seleccionar aleaciones capaces de generar en el medio en que van a operar, capas de productos oxidados de baja conductividad electrónica e iónica a ser posible de baja fragilidad, buena adherencia al sustrato relación de Pilling-Bedword ligeramente superior a la unidad. Se describen los aspectos microestructurales básicos y el comportamiento ante la corrosión de los grupos de aleaciones de mayor interés industrial con especiales características de resistencia a la corrosión. De esta manera se hará referencia a:
Aleaciones en torno al sistema ternario Fe-Cr-Ni Aleaciones base de cobre Materiales metálicos de ultima generación
B.- Aleaciones Resistentes a la corrosión en torno al sistema ternario Fe-CrNi Se describen un grupo de aleaciones de la máxima importancia en la lucha contra la corrosión, concretamente los aceros inoxidables, aceros refractarios y las superaleaciones base níquel.
B.1.- Aspectos Microestructurales La microestructura de la aleación condiciona a su denominación y, parcialmente su comportamiento frente a la corrosión. Como consecuencia de ello se
desarrollan a continuación una serie de datos sobre aspectos microestructurales a partir de los correspondientes sistemas binarios Fe-Cr y Fe-Ni para desembocar en el ternario Fe-Cr-Ni.
C.- Aceros inoxidables Los aceros inoxidables son aleaciones de bases de hierro, que contienen cromo, carbono y otros elementos, principalmente níquel, molibdeno, manganeso, silicio y titanio. El cromo, que se encuentra en un porcentaje no inferior al 10 %, le confiere la propiedad de ser mucho más resistente a la corrosión que lo que sería el hierro sin la presencia de este aleante. Esta característica se debe a la pasivación de la aleación en un ambiente oxidante. Estas aleaciones adquirieron gran importancia; son muy utilizadas en una amplia variedad de aplicaciones de la industria, ya que además de ser resistentes a la corrosión tienen muy buenas propiedades mecánicas. Se clasifican en cinco familias diferentes; cuatro de ellas corresponden a las estructuras cristalinas particulares formadas en la aleación: austenita, ferrita, martensita y dúplex (austenita más ferrita); mientras que la quinta corresponde a aleaciones endurecidas por precipitación, basadas más en el tipo de tratamiento térmico usado que en la estructura cristalina. Entre las normalizaciones más consideradas se encuentran las de AISI (Instituto Americano del Hierro y el Acero, American Iron and Steel Institute) y las de SAE (Sociedad de Ingenieros de Automoción, Society of Automotive Enginers).
Los tratamientos térmicos en aceros inoxidables se realizan para producir cambios en las condiciones físicas, propiedades mecánicas, nivel de tensiones residuales y restaurar la máxima resistencia a la corrosión. Frecuentemente en el mismo tratamiento se logra una satisfactoria resistencia a la corrosión y óptimas propiedades mecánicas.
desarrollan a continuación una serie de datos sobre aspectos microestructurales a partir de los correspondientes sistemas binarios Fe-Cr y Fe-Ni para desembocar en el ternario Fe-Cr-Ni.
C.- Aceros inoxidables Los aceros inoxidables son aleaciones de bases de hierro, que contienen cromo, carbono y otros elementos, principalmente níquel, molibdeno, manganeso, silicio y titanio. El cromo, que se encuentra en un porcentaje no inferior al 10 %, le confiere la propiedad de ser mucho más resistente a la corrosión que lo que sería el hierro sin la presencia de este aleante. Esta característica se debe a la pasivación de la aleación en un ambiente oxidante. Estas aleaciones adquirieron gran importancia; son muy utilizadas en una amplia variedad de aplicaciones de la industria, ya que además de ser resistentes a la corrosión tienen muy buenas propiedades mecánicas. Se clasifican en cinco familias diferentes; cuatro de ellas corresponden a las estructuras cristalinas particulares formadas en la aleación: austenita, ferrita, martensita y dúplex (austenita más ferrita); mientras que la quinta corresponde a aleaciones endurecidas por precipitación, basadas más en el tipo de tratamiento térmico usado que en la estructura cristalina. Entre las normalizaciones más consideradas se encuentran las de AISI (Instituto Americano del Hierro y el Acero, American Iron and Steel Institute) y las de SAE (Sociedad de Ingenieros de Automoción, Society of Automotive Enginers).
Los tratamientos térmicos en aceros inoxidables se realizan para producir cambios en las condiciones físicas, propiedades mecánicas, nivel de tensiones residuales y restaurar la máxima resistencia a la corrosión. Frecuentemente en el mismo tratamiento se logra una satisfactoria resistencia a la corrosión y óptimas propiedades mecánicas.
C.1.- Aceros inoxidables austeníticos Son esencialmente terciarios, (Fe, Cr, Ni); contienen entre 16 y 25% de Cr, 7 y 20% de Ni, y 0.03 y 0.08% de C. Se denominan austeníticos debido a su estructura FCC, de hierro γ, a todas las temperaturas normales de tratamientos
térmicos. Esta propiedad la proporciona el níquel. Su presencia, como así también manganeso, carbono y nitrógeno, es necesaria para bajar la temperatura del intervalo γ y evitar la transfor -mación alotrópica γ -α. En la Fig. XVI.1 se muestran una serie de diagramas de equilibrio Fe-C con 18% Cr y contenidos crecientes de níquel, donde se observa la influencia de éste para expandir el campo γ
(austenita). Estos aceros normalmente tienen mayor resistencia a la corrosión que los ferríticos y martensíticos, porque los carburos de cromo se descomponen y los elementos permanecen en solución sólida por enfriamiento rápido desde alta temperatura. Sin embargo si se enfría lentamente, como en los procesos de soldadura, entre 870 y 600º C precipitan carburos de cromo en bordes de grano dejando pobre en Cr la zona vecina al borde, lo que facilita el fenómeno denominado “corrosión intergranular”. Para evitarlo se puede bajar al mín imo el contenido de C (0.03 %), o bien agregar niobio o titanio; estos elementos tienen mayor tendencia a formar carburos que el Cr, permitiéndole a este último permanecer en solución sólida en el hierro y así mantener su capacidad de resistencia a la corrosión. La Fig. 2 esquematiza este inconveniente. Los aceros austeníticos se pueden dividir en dos categorías, según la clasificación AISI:
Serie AISI 300. Aleación de Cromo-Níquel. Serie AISI 200. Aleación de Cromo-Manganeso-Nitrógeno.
La Serie 300 es la más extensa y comúnmente utilizada, con porcentajes de níquel entre 6 y 37% para estabilizar la austenita. También pueden contener molibdeno, cobre, silicio, aluminio, titanio y niobio, elementos que son utilizados para conferir ciertas características. La Tabla1 muestra algunos ejemplos de estos aceros. En la Serie 200 el níquel se encuentra en menor proporción (hasta 6%) y mantienen la estructura austenítica con altos niveles de nitrógeno. El manganeso, de 5 a 10%, es necesario para aumentar la solubilidad del nitrógeno en la austenita. Se caracterizan por un alto valor de límite elástico y tensión de rotura pero su ductilidad es baja si se compara con los de la serie 300. En la Tabla.2 se muestran algunos ejemplos.
Las principales características de los inoxidables austeníticos se deben, en general, a su estructura FCC, que le trasfiere una gran ductilidad, conformabilidad, tenacidad y excelente resistencia al impacto, siendo materiales que se pueden endurecer por trabajo en frío, aunque no por tratamientos térmicos. La resistencia a la oxidación es muy superior a los otros tipos de aceros inoxidables por lo expuesto anteriormente, lo que favorece los procesos de soldadura que pueden realizarse perfectamente; gracias a esto son muy utilizados para la fabricación de envases y cañerías para la industria química y petroquímica, donde la corrosión es una condición de servicios determinante. Suelen no ser magnéticos, pero pueden serlo cuando se trabajan en frío. El conformado en frío es una vía para mejorar sus propiedades mecánicas, específicamente el límite elástico, que es relativamente bajo con respecto a otros materiales. Entonces, la reducción en sección o el trabajo en frío aumentan el valor del límite elástico y la tensión de rotura, mientras disminuye la capacidad del acero al alargamiento.
Tabla 1 Aceros inoxidables austeníticos serie 300
Tabla 2: Aceros inoxidables austeníticos serie 200
C.2.- Aceros inoxidables ferríticos Los aceros inoxidables ferríticos mantienen la estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) del Fe alfa desde la temperatura ambiente hasta el punto de fusión, ya que no atraviesan el campo austenítico (FCC) durante el calentamiento. Son magnéticos y contienen como aleante principal, el cromo. Los aceros con un contenido en cromo superior al 16 % no pueden someterse a calentamientos a temperaturas intermedias, por el peligro de aparición de la fase Sigma (FeCr), que provoca una reducción en la ductilidad y en la resistencia a la corrosión, razón por la que la soldadura presenta problemas. El contenido de carbono en estos aceros es mucho menor que en los martensíticos, con el fin de obtener una estructura totalmente ferrítica. Además, cuando el contenido de carbono es grande, se forman carburos de cromo, empobreciendo de cromo la matriz y disminuyendo por lo tanto su resistencia a la corrosión. Este carburo provoca fragilización en la estructura de la aleación. En relación a su comportamien-to frente a la corrosión, ocupan un lugar intermedio entre los martensíticos y austeníticos. En Fig. 5 se muestra una clasificación de los distintos tipos de aceros inoxidables ferríticos. Una característica mecánica a destacar, común a los aceros ferríticos y martensíticos, debido a su estructura BCC, es que poseen una temperatura de transición dúctil-frágil, por debajo de la cual la tenacidad resulta muy baja. La estampabilidad es buena, aunque insuficiente en aplicaciones que requieren estampado profundo. Estos aceros no responden a los tratamientos térmicos; no toman temple y revenido, su estructura permanece ferrítica sin ser afectada por la velocidad de enfriamiento desde altas temperaturas. Las elevadas resistencias o durezas sólo
se pueden alcanzar por trabajo en frío (laminado o estirado), aunque en forma bastante limitada. Como se ha mencionado son, en general por su constitución, frágiles; y su tenacidad, que en gran parte es función del tamaño de grano, depende del proceso de trabajado seguido en su fabricación. Si se ha procurado afinar el grano por trabajo en frío, el acero tendrá tenacidad mucho más alta que si, en el tratamiento final, experimentara un calentamiento a alta temperatura, que hace crecer el grano. A pesar de su fragilidad en frío, tienen buena tenacidad en caliente y la resiliencia aumenta extraordinariamente con simple calentamiento a 150-200º C. Esto tiene gran importancia en piezas que deban trabajar en servicio, o que sean trabajadas, a temperatura elevada; cuando el material es más tenaz, resiste mejor muchas deformaciones sin romperse. El efecto del nitrógeno en las propiedades de los aceros es, en cierto modo, parecido al del carbono: favorece la templabilidad y por lo tanto el endurecimiento del material. Además, su acción mejora la tenacidad, retarda el crecimiento del grano a temperatura elevada, lo que amplía mucho las posibilidades de utilización de estos aceros para trabajos en calientes. Otro método para mejorar la tenacidad de los aceros ferríticos es la adición de pequeñas cantidades de columbio y titanio, que actúan en cierto modo inversamente al nitrógeno, ya que tienden a disminuir su templabilidad. Una gran mejoría en muchas propiedades, se consigue con la introducción de níquel como elemento aleante. Entre estas propiedades se pueden distinguir el aumento de resistencia y límite de elasticidad, sin disminuir la tenacidad. Con determinados tenores de níquel es posible conseguir un cambio de la estructura ferrítica hacia austenítica.
C.2.1.- 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.
Fig..5: Tipos de aceros inoxidables ferríticos 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.
C.2.2. Ventajas de los aceros inoxidables ferríticos 1. Son magnéticos. 2. Presentan una dilatación térmica baja, menor que los austeníticos. 3. Ofrecen una excelente resistencia a la oxidación a altas temperaturas (son menos propensos a la formación de cascarilla).
4. Ofrecen una elevada conductividad térmica (transmiten el calor de manera más uniforme que los austeníticos). 5. Los estabilizados con niobio ofrecen una excelente resistencia a la fluencia (menor deformación frente a tensiones de larga duración) 6. Son más fáciles de cortar y trabajar que los austeníticos (que requieren herramientas especiales y máquinas más potentes, generando un mayor desgaste de las herramientas). 7. Son menos propensos a la recuperación elástica que los austeníticos, en el conformado en frío. 8. Ofrecen un mayor límite elástico (similar al de los aceros al carbono habituales) que los austeníticos del tipo 304. 9. No sufren fisuración por corrosión bajo tensión.
C.2.3. Desventajas de los aceros inoxidables ferríticos 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
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.
C.2.4. Tratamientos térmicos de los aceros inoxidables ferríticos
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.
C.2.4.1. 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 tabla .4, utilizando temperaturas claramente superiores y enfriando rápidamente para prevenir que la fragilidad aparezca nuevamente. Tabla.4: Temperaturas recomendadas para tratamientos térmicos de aceros inoxidables ferríticos
C.2.4.2. 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.
C.2.4.3 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 ejemplo, en la mayoría de las soldaduras se requiere un tratamiento posterior para mejorar la tenacidad a la fractura de la zona afectada por el calor. El tratamiento de alivio de tensiones es el calentamiento uniforme de una estructura, o porción, a una temperatura adecuada por debajo del rango crítico (Ac1 para aceros ferríticos), mantenerla durante un tiempo pre-determinado, seguido de enfriamiento uniforme. Esto último debe cuidarse especialmente, sobre todo en piezas con dimensiones variables.
C.3. Aceros inoxidables martensíticos Los aceros inoxidables martensíticos son la primera rama de los aceros inoxidables, llamados simplemente al Cromo. Poseen un contenido de carbono entre 0,15 % y 1,2 %, y cromo entre 11,5 % y 18 %. Tienen estructura austenítica a elevada temperatura, que puede transformarse en martensita después de un tratamiento térmico de temple con enfriamiento en aire o aceite, elevando su dureza y resistencia al desgaste. La resistencia a la corrosión de este tipo de aceros inoxidables está asociada a su contenido de cromo y a su microestructura. Las aleaciones de mayor contenido de carbono exhiben una menor resistencia a la corrosión en condición de temple y revenido, debido a la mayor susceptibilidad a la precipitación de carburos de cromo que presentan estos materiales. En términos generales se puede decir que los aceros inoxidables martensíticos presentan menor resistencia a la corrosión que las demás familias de aceros inoxidables, pero tienen resistencia mecánica elevada. Algunas aleaciones pueden ser tratadas térmicamente para alcanzar valores de resistencia superiores a 1400 MPa.
Son magnéticos, pueden trabajarse en frío sin dificultad, especialmente con bajo contenido de carbono, pueden maquinarse satisfactoriamente, tienen buena tenacidad, se trabajan fácilmente en caliente y tiene una baja conductividad térmica.
C.3.1. Clasificación, propiedades y aplicaciones (según norma AISI)
C.4. Aceros inoxidables endurecibles por precipitación Los aceros inoxidables endurecibles por precipitación o PH (Precipitation Hardening) son aleaciones de hierro, carbono, cromo y níquel que se caracterizan por la resistencia obtenida a partir de un tratamiento térmico de envejecimiento. El primer acero inoxidable austenítico PH comercial, fue el denominado Stainless W. Se comenzó a fabricar en el año 1946. Desde entonces, se han desarrollado muchos aceros PH, en parte debido a los requerimientos exigidos por las industrias aeronáutica y aeroespacial, que demandaban aceros con una buena relación entre peso y alta resistencia a la corrosión. Pueden ser martensíticos, austeníticos o intermedios entre ambos, dependiendo de la proporción Cr/Ni. Lo que realmente los distingue es la adición de ciertos elementos como Al, Ti, Mo y Cu, que dan lugar a la formación de compuestos intermetálicos de manera controlada. Así, el endurecimiento por medio de estos compuestos se puede realizar por precipitación desde una matriz martensítica. Para ello se somete al material a un tratamiento de solubilización a una temperatura de unos 1050º C con posterior enfriamiento al aire, dando lugar a una matriz martensítica sobresaturada. A continuación, se envejece el acero a una temperatura comprendida entre 455º C y 565º C, donde precipitan los compuestos intermetálicos endurecedores. El endurecimiento se logrará si se obtienen los precipitados en el interior de los granos homogéneamente distribuidos y que cada uno constituya un obstáculo eficaz para el deslizamiento de las dislocaciones. Como aspecto negativo debe destacarse que estas aleaciones se trabajan mal en frío. Cuando se parte de una matriz austenítica sobresaturada, después de la precipitación por envejecimiento se obtienen menores resistencias mecánicas pero una considerable mejoría de la ductilidad. Los aceros inoxidables endurecibles por precipitación contienen cantidades suficientes de Cr y Ni, que les confieren las propiedades de los austeníticos y de los martensíticos. Al igual que los martensíticos, poseen la capacidad de adquirir alta resistencia mediante tratamientos térmicos, y al igual que los austeníticos poseen una alta resistencia a la corrosión. Uno de los aceros inoxidables PH más populares es el acero 17-4PH. Esta designación se debe al contenido de 17% de Cr y 4% de Ni. Además contiene 4% de Cu y 0,3% de Nb. También se conoce como un acero de grado 630. Se pueden clasificar en función de su estructura en estado de recocido, y del comportamiento resultante después del tratamiento térmico de envejecimiento, en
austeníticos, martensíticos y semiauste-níticos. Se encuentran patentados y normalmente se les designa por su nombre comercial.
C.4.1. Propiedades Además de su gran inoxidabilidad a temperatura ambiente y a elevadas temperaturas, las principales propiedades de este grupo de aceros son: Muy alta resistencia a la tracción en caliente, lo que permite emplearlos con éxito en la fabricación de álabes de turbinas y otras piezas de motores de aviación. Elevada dureza, resistencia mecánica y límite de elasticidad a temperatura ambiente.
El límite elástico de los aceros inoxidables PH varía entre 515 y 1415 MPa, y la resistencia mecánica entre 860 y 1520 MPa. Cuando son trabajados en frío antes de los tratamientos de envejecimiento, se consiguen aún mayores resistencias. Sus propiedades se basan en los tratamientos térmicos a los que son sometidos.
C.4.2. Tratamientos térmicos de los aceros inoxidables endurecibles por precipitación Debe prestarse atención a: La limpieza previa al tratamiento térmico La atmósfera del horno Los ciclos tiempo-temperatura
Los procedimientos más recomendados para recocido total, austenización, enfriamientos y tratamiento de precipitación, se encuentran en la Tabla 15 (pag. 1734) del ASM Handbook, Vol 4. Los aceros más empleados son:
17-4 PH (UNS S17400) es un acero endurecible por precipitación que tiene estructura esencialmente martensítica, y limitada conformabilidad cuando es provisto en la condición de solubilizado (condición A). En ese caso debe tenerse cuidado en su utilización, debido a su baja ductilidad. Luego de la fabricación se realiza un endurecimiento en el rango de 480 a 620 °C, que también mejora la tenacidad.
17-7 PH (UNS S17700) normalmente es provisto en condición de solubilizado, siendo blando y conformable. El tratamiento térmico se logra por procedimientos de endurecimiento por transformación o por “refrigeración”, según las posibilidades
existentes. Las piezas que son fuertemente deformadas (condición B) deben tratarse térmicamente para evitar la formación de puntos blandos. Cuando se provee en la condición laminado en frío (condición C), la transformación se logra durante el laminado, y el tratamiento térmico se reduce a una sola etapa a 480 °C durante 1 h. Con este proceso se incrementa la resistencia mecánica y a la corrosión, y disminuyen la ductilidad y conformabilidad.
C.5. Aceros inoxidables dúplex (dual phase) Son aleaciones bifásicas austenítico-ferríticas, cuyo límite elástico duplica al de los aceros austeníticos y una resistencia a la corrosión similar. Esto posibilita soportar mayores esfuerzos en el trabajo o una disminución del tamaño de los componentes, lo que implica un importante ahorro de material. Poseen una excelente tenacidad, superior a los aceros ferríticos. En la Fig. XVI.18 se observa la estructura bifásica de un acero inoxidable de bajo carbono, donde la parte oscura corresponde a la ferrita y la clara a la austenita, luego del laminado.
C.5.1. Clasificación de los aceros dúplex Económico UNS S32304 (23Cr-4Ni-0.1N): exponente de la primera generación, es un material con muchas aplicaciones.
Grado estándar UNS S31803 (22Cr-5Ni-3Mo-0.17N): es el dúplex más extendido. Su resistencia a la corrosión se encuentra entre la del AISI 316 (acero inoxidable austenítico al Molibdeno) y la de los superausteníticos con 5-6 % de Molibdeno. Grado superdúplex UNS S 32550 (25Cr-7Ni-3.7Mo-0.27N): exponente de la tercera generación especialmente diseñado para aplicaciones marinas. Los aceros como SAF 2205, AF 22, DP 3 y Ferralium alloy 255, son aleados con 0.15 a 0.20% N. Esto minimiza la segregación de los elementos entre la ferrita y la austenita, por lo tanto mejoran la resistencia a la corrosión en partes soldadas, comparado esto con el acero tipo 329. La adición de N además incrementa la formación de austenita durante la colada y soldadura, y previene la estabilización de ferrita de alta temperatura, durante los enfriamientos rápidos. En la Tabla .6 se listan las temperaturas de recocido para algunos aceros inoxidables dúplex.
Tabla.6 Temperaturas de recocido recomendada para algunos aceros inoxidables dúplex
C.5.2. Propiedades mecánicas La Tabla 7. muestra las propiedades en tracción de los tres tipos de dúplex (económicos, estándar y superdúplex), y también de los austeníticos y superausteníticos.
Tabla.7: Propiedades monotónicas de aceros inoxidables
C.5.3. Aplicaciones Se utilizan en la industria del aceite, papel, gas y química. En la actualidad se están aplicando en arquitectura por su gran resistencia mecánica, a la corrosión y por lo liviano que resulta. Otro motivo de aplicación es que son libres de mantenimiento (no se necesita pintar), por ello se los utiliza en puentes, botes de navegación, plataformas marinas. Por otro lado las barras de hormigón armado de aceros austeníticos, muchas veces se reemplazan por DSS ya que la menor expansión térmica lleva a un mejor acople del hormigón. Otros usos de estos aceros están surgiendo en equipos industriales como autoclaves, máquinas de lavado y centrífugas, donde la resistencia mecánica y a la corrosión no son tan importantes como la maquinabilidad.
Comportamiento de aleaciones en torno al sistema Fe-Cr-Ni a alta temperatura Actualmente existen un cierto número de aleaciones que representan una gran resistencia a la oxidación hasta 1250 °C aproximadamente. En estas aleaciones el elemento básico es el hierro, el niquel y el cobalto. El principal elemento que confiere resistencia a la corrosión es el cromo, acompañado a veces de silicio y de aluminio. Cuando la aleación contiene únicamente un porcentaje pequeño de cromo, niquel, wolframio, silicio, vanadio o manganeso. Los óxidos conservan la estructura de las películas de oxidación del hierro. Sin embargo el análisis quimico muestra que, salvo en el caso del manganeso, todos estos elementos de aleación se concentran en la capa contigua a la superficie del metal. Es fácil explicar este fenómeno pensando que estos elementos son menos solubles que el hierro en el oxido de hierro y que se difunden difícilmente. En el caso de aleaciones base niquel estas presentan una cierta particularidad: la capa interna muestra la presencia de niquel metálico. Se explica este fenómeno pensando que el hierro reduce el oxido de niquel.
Cuando el contenido de cromo, silicio o aluminio en el hierro sobrepasa un cierto limite que depende del elemento , de la temperatura y de la atmosfera, el mecanismo de oxidación cambia enormemente. Entonces se observa una sola película rica en el elemento de aleación. Se trata realmente de una oxidación preferente, que efectúa sobre un elemento más oxidable que el hierro. Esta película para que sea protectora es indispensable que no sea volátil ni fusible, es decir debe ser refractaria a la temperatura de trabajo y que sea continua y poco permeable a los electrones, a los iones del metal de base y del oxigeno de acuerdo con los aspectos básicos sobre el fenómeno de corrosión a alta temperatura descritos en el Capitulo 19.
En estas superaleaciones el principal elemento que aporta la resistencia a la oxidación es el cromo, cuya influencia empieza sentirse a partir de 5%. Aunque el niquel presenta por si mismo una resistencia a la oxidación sensiblemente mayor quela del hierro y que aumenta la resistencia de este metal cuando esta aleado con el. Las aleaciones hierro-niquel no se emplean en la práctica como aleaciones refractarias. En cambio las aleaciones hierro-cromo-niquel y las aleaciones base con cromo o con hierro constituyen uno de los grupos mas importantes de las aleaciones antes dicha. La adición de niquel a los aceros al cromo permite obtener estructuras austeniticas que mejoran la resistencia a la oxidación. Cromo, silicio, alumino y niquel forman los constituyentes principales de todas las aleaciones industriales. A veces se añaden otros elementos, a fin de aumentar las características mecánicas a temperatura elevada. Entre estos los hay que influyen poco sobre la resistencia a la oxidación (titanio, niobio, cobalto) y otro, en cambio, que aceleran la oxidación, sobre todo en la atmosfera de aire sin movimiento no obstante, es preciso que sus contenidos sean relativamente elevados (6% en el caso del molibdeno) para que esta aceleración de la corrosión sea relevante. En general y sobre todo cuando el material debe trabajar en contacto con atmosferas complejas (SO2, H2S, Co, CO2..etc), La aleación debe de ser seleccionada de forma muy cuidadosa. La elección de la aleación refractaria apropiada para una utilización determinada es a menudo, bastante delicada, pues a veces los factores que influyen sobre su resistencia están mal definidos. En el cuadro 6 se establecen orientaciones sobre el material mas idóneo en función exclusivamente del tipo de atmosfera y de la temperatura a la que se debe operar en servicio. Sin embargo aparte de que estos factores no siempre están definidos (especialmente en los hornos de llama a consecuencia de la irregularidad de la combustión) pueden intervenir otras numerosas consideraciones, como los cambios de microestructura que puede experimentar a causa del mantenimiento durante largo tiempo a una temperatura determinada.
D.-Cobre y sus Aleaciones El cobre y sus aleaciones son materiales ampliamente utilizados en aplicaciones tecnológicas como son la industria química, la industria naval, la industria de producción y distribución de energía los cortocircuitos en instalaciones eléctricas son incidentes habituales, la industria de la construcción como cubiertas de cobre en edificios y tuberías para agua sanitaria, en la fabricación de equipos como son los intercambiadores de calor y sistemas domésticos de aire acondicionado, en
sistemas electrónicos y de telefonía, merece ser destacada la corrosión microbiológica del cobre en torretas de tendencia generalizada sustituir las tomas de tierra de cobre profundas, por mallas de cobre colocadas a poca profundidad en zonas con actividad biológica, en circuitos impresos, en la industria sanitaria, en aplicaciones médicas como son los dispositivos intrauterinos (DIU-Cu), y como amalgamas en aplicaciones odontológicas [8,9], en obras de arte, por ejemplo, planchas calcográficas pertenecientes al patrimonio histórico artístico , en objetos ornamentales expuestos al aire libre y en museos, entre otros. Aunque el cobre es un metal relativamente noble, la contaminación ambiental produce corrosión en el mismo (pátina). El empañamiento del cobre tiene una influencia negativa en las propiedades eléctricas y en los aspectos decorativos debido a la pérdida del brillo metálico. Como regla general, la capa de pátina formada sobre el cobre tiene estructura dúplex, formada por una capa interna de cuprita (Cu2O) y una capa externa de tenorita (CuO) e hidróxido de cobre (II) [Cu(OH2)] en atmósferas sin contaminar, o por una capa interna de calcosina (Cu2S) y una capa externa de covelita (CuS) en atmósferas industriales con contaminación de dióxido de azufre (SO2. Los tratamientos químicos y la limpieza a que son sometidos tanto los materiales base para facilitar su conformación y unión, como los productos terminados, en la mayoría de las ocasiones son agresivos con el medio ambiente y, a su vez, causan problemas de degradación del material en tiempos muy cortos de servicio. Estos procesos se agravan 4 Corrosión del cobre en solución de ácido clorhídrico debido a los tratamientos térmicos que sufre el material durante el proceso de soldadura. Por tanto, es interesante dar respuesta a esta problemática industrial, desde el punto de vista de la limpieza del cobre. Tradicionalmente, en los baños de decapado del cobre se utiliza Benzotriazol (BTA) como inhibidor de la corrosión, dicho compuesto es nocivo para la salud y presenta propiedades cancerígenas. En la actualidad, existe gran interés en las diferentes industrias que utilizan el cobre por encontrar una alternativa al BTA que no sea perjudicial para la salud. Los inhibidores de corrosión son sustancias químicas que añadidas en pequeña cantidad a un medio en el que se encuentra un material metálico retrasan y/o reducen la corrosión de éste. La selección del inhibidor apropiado para un ambiente y metal específicos es de la mayor importancia, ya que un inhibidor que protege a un metal puede acelerar la corrosión de otro metal en idénticas condiciones experimentales.
El fenómeno de empañamiento del cobre se puede evitar mediante el uso de inhibidores de corrosión. El tratamiento químico con ácidos minerales es un procedimiento ampliamente utilizado para la limpieza del cobre y es muy común utilizar un inhibidor para reducir la velocidad de corrosión. La temperatura es un parámetro importante en los procesos de limpieza del cobre y, así, es de importancia práctica encontrar un inhibidor con la adecuada eficacia a elevada temperatura. Se conoce que las aminas son inhibidores de la corrosión del acero. La presencia de un heteroátomo en un compuesto orgánico con enlaces insaturados origina un proceso de adsorción sobre la superficie metálica que reduce su disolución. La efectividad de diferentes inhibidores de corrosión ha sido estudiada como una función de la densidad electrónica del átomo donador en la molécula del inhibidor, de la estructura de la molécula y de su tamaño [22]. El modelado molecular es una técnica adecuada para estudiar la interacción molecular en el intervalo entre 1 Å y 100 Å. Respecto al comportamiento frente a la corrosión se puede establecer que el cobre presenta buen comportamiento, y en consecuencia gran parte de sus aplicaciones industriales se derivan de ello en: 1. Agua de mar. 2. Aguas dulces, calientes o frias, el Cu es adecuado en especial para conducir aguas blandas con mucho O2, disuelto y bajo contenido en acido carbónico. 3. Ácidos de desairados, calientes o fríos, ácidos sulfúricos diluido en acido fosfórico, acéticos y otros ácidos no oxidantes. 4. Exposicion Atmosferica La resistencia a la corrosión es baja en contacto con: 1. Ácidos oxidantes, por ejemplo HNO3 y H2SO4 concentrado y caliente y ácidos no oxidantes aireados ( incluso el acido carbónico) 2. NH2OH (+O2) pues se forma el ion complejo Cu NH4 despolarizandose la reacción anódica. Los compuestos orgánicos que resultan de diluir uno a uno átomos de NH3 por radicales orgánicos (aminas) también son corrosivos estos compuestos producen agrietamientos por corrosión bajo tensión de numerosas Cu (medio orgánico especifico). 3. Soluciones acuosas y aguas aireadas a elevadas velocidad (corrosión erosion). En aguas corrosivas (mucho O2 y CO2, bajo Ca ++ y Mg++) la velocidad debe mantenerse por debajo de 1.25 m/s y en aguas menos corrosivas a temperaturas inferiores a 65°C por debajo de 2.5 m/s. 4. Sales oxidantes de metales pesados por ejemplo FeCl3, Fe2(SO4)3 5. H2S, H y algunos compuestos del S.
E.-Latones Básicamente son aleaciones de cobre y zinc y son el grupo de aleaciones de cobre de mayor uso. La resistencia de los latones a la corrosión en soluciones acuosas no cambia en forma significativa cuando el contenido de zinc no supera el 15%; sobre un 15% de Zn puede ocurrir dezincificación. Las soluciones salinas en reposo o con poco movimiento, aguas estancadas y las soluciones ligeramente ácidas son ambientes que a menudo llevan a la dezincificación de los latones que no han sido modificados. La susceptibilidad a la corrosión bajo tensiones (CBT) es afectada significativamente por el contenido de zinc: las aleaciones que contienen más zinc son más susceptibles. La resistencia aumenta sustancialmente cuando el zinc disminuye desde 15 a 0%. La corrosión bajo tensiones es casi desconocida en el cobre comercial. Los elementos como el plomo, telurio, berilio, cromo, fósforo y manganeso afectan poco o casi no afectan sobre la resistencia de corrosión del cobre y de las aleaciones binarias de cobre - zinc. Estos elementos son agregados para aumentar las propiedades mecánicas como la maquinabilidad, resistencia y la dureza. Tabla 7. Clasificacion genérica de las aleaciones de cobre.
F.-LATONES AL ESTAÑO Las adiciones de estaño aumentan considerablemente la resistencia a la corrosión de algunos latones, especialmente la resistencia a la dezincificación. Ejemplos de este efecto son dos latones al estaño para cojinetes: metal no inhibido del almirantazgo (número no vigente de UNS) y latones navales (C46400). El metal no inhibido del almirantazgo alguna vez fue ampliamente usado para hacer tubos de intercambiadores de calor; este ha sido reemplazado por grados inhibidos del metal del almirantazo (C44300, C44400, y C44500) los cuales tienen aun mayor resistencia a la corrosión selectiva. El metal del almirantazgo es una variación de los latones para cartuchos (C26000) que se produce al agregar alrededor de un 1% de Sn a la composición básica de 70Cu30Zn. De manera similar el latón naval es una aleación que resulta cuando se le agrega un 0.75% Sn a la composición básica 60Cu- 40Zn del metal Muntz ( C28000). Los latones fundidos para uso marino también son modificados al agregarles estaño, plomo y algunas veces níquel. Este grupo de aleaciones es conocido por varios nombres incluyendo la composición bronce, aleaciones de cobre con estaño plomo y zinc y metal de válvulas. Estas designaciones antiguas son poco usadas porque han sido suplantadas por números de aleaciones bajo la UNS o el Sistema de la Asociación para el Desarrollo del Cobre (CDA). Los latones marinos fundidos son usados para aplicaciones en plomería en sistemas de tuberías de agua de mar con desempeño moderado, o en cubiertas de cerrajería, para lo que llevan un cromado.
G.-LATONES AL ALUMINIO Un constituyente importante de la película de corrosión en los latones que contienen un bajo porcentaje de aluminio, además de cobre y zinc es el óxido de aluminio (Al2O3), el cual aumenta notoriamente la resistencia al impacto en aguas salinas turbulentas con altas velocidades. Por ejemplo los latones al aluminio y arsénico C68700 (76Cu- 22Zn – 2Al) son usados frecuentemente para condensadores marinos e intercambiadores de calor, en los cuales el ataque por impacto constituye un serio problema. Los latones al aluminio son susceptibles a la dezincificación a menos que sean inhibidos, lo cual ocurre si se agrega 0.02 a 0.10% de As.
H.-ALEACIONES INHIBIDAS La adición de fósforo, arsénico o antimonio (típicamente 0.02 a 0.10%) al metal almirantazgo, latones navales o latones al aluminio, produce efectivamente una
alta resistencia a la dezincificación. Las aleaciones inhibidas han sido usadas extensamente para componentes tales como tubos condensadores, los cuales deben acumular años de servicio continuo entre suspensiones para reparar o remplazar.
I.-BRONCES FOSFORICOS La adición de estaño y fósforo al cobre produce buena resistencia al flujo de agua de mar y a la mayoría de los ácidos no oxidantes, excepto el ácido clorhídrico (HCl). Las aleaciones que contienen de 8 a 10% de Sn tienen alta resistencia al ataque por impacto. Los bronces fosfóricos son menos susceptibles a la CBT que los latones y son similares al cobre en cuanto a resistencia al ataque de súlfuros. Los bronces (aleaciones de cobre con estaño) tienden a ser usadas principalmente en formas fundidas, las cuales son modificadas por adiciones de plomo, zinc y níquel. Así como los latones fundidos, los bronces al estaño fundidos, ocasionalmente se identifican por nombres antiguos y más coloridos que reflejan sus usos históricos, por ejemplo bronce G, metal de cañón, bronce naval M, y bronce para vapor. Los usos contemporáneos incluyen bombas, válvulas, engranajes, y cojinetes. Los bronces al estaño forjados son conocidos como bronces fosfóricos, y se usan en aplicaciones para alambres de alta resistencia, por ejemplo tendidos eléctricos. Este grupo de aleaciones tiene buena resistencia a los impactos y a la biocontaminación.
I.1.-ALEACIONES COBRE - NÍQUEL. La aleación C71500 (Cu-30Ni) en general tiene la mejor resistencia a la corrosión acuosa de todas las aleaciones de cobre comercialmente importantes, pero la aleación C70600 (Cu-10Ni) se selecciona a menudo ya que ofrece una buena resistencia a bajo costo. Ambas aleaciones, si bien se adaptan a aplicaciones en la industria química, han sido usadas para tubos condensadores y tubos de intercambiadores de calor en sistemas de recirculación de vapor. Son superiores al cobre y a otras aleaciones de cobre para resistir soluciones ácidas y son altamente resistentes a la CBT y a la corrosión por impacto.
I.2.-ALEACIONES CON NÍQUEL (PLATA) Los dos tipos más comunes de aleaciones son C75200 (65Cu-18Ni-17Zn) y C77000 (55cu-18Ni-27Zn). Tienen buena resistencia a la corrosión en aguas dulces y salinas. Principalmente porque su relativo alto contenido de níquel inhibe la dezincificación; C75200 y C77000 usualmente son mucho más resistentes a la corrosión en soluciones salinas que los latones de similar contenido de cobre.
I.3.-ALEACIONES DE COBRE – SILICIO Generalmente tienen la misma resistencia de corrosión que el cobre, pero tienen mejores propiedades mecánicas y mejor soldabilidad. Estas aleaciones parecen ser mucho más resistentes a la CBT que los latones comunes. Los latones al silicio son susceptibles a fragilizarse por las altas presiones del vapor y deberían ser ensayadas respecto de su comportamiento en el ambiente de servicio antes de ser especificadas para componentes que deban ser usados a altas temperaturas.
I.4.-BRONCES AL ALUMINIO Contienen de 5 a 12% de Al y tienen excelente resistencia a la corrosión por impacto y a la oxidación a alta temperatura. Los bronces al aluminio son usados para barras para golpes y para cuchillas en máquinas de pulpas de madera debido a su habilidad para resistir la abrasión mecánica y el ataque químico por soluciones de sulfatos. En la mayoría de las aplicaciones comerciales, las características del bronce al aluminio se relacionan principalmente con el contenido de aluminio. Las aleaciones con más de 8% de Al normalmente tienen estructura alfa, cúbica centrada en las caras (FCC) y buena resistencia al ataque corrosivo. Según como el contenido de aluminio aumenta por arriba de 8%, aparecen las estructuras duplex alfa- beta. La fase beta es una fase de alta temperatura retenida a la temperatura ambiente, por un enfriamiento rápido desde 565 ºC o temperaturas más altas. Un enfriamiento lento después de una exposición prolongada a temperaturas en un rango de 320 a 565ºC, tiende a descomponer la fase beta en una frágil fase eutectoide alfa + gamma2, con estructura laminar o nodular. La fase beta es menos resistente a la corrosión que la fase alfa y las estructuras eutectoides son aún más susceptibles al ataque. Dependiendo de las condiciones de ambientes específicos, la fase beta o la estructura eutectoide en el bronce al aluminio puede ser atacada selectivamente por un mecanismo similar al de la dezincificación de los latones. Un adecuado tratamiento térmico de temple y revenido de las aleaciones duplex, tales como las aleaciones C62400 y C95400 produce una estructura beta revenida con precipitados de cristales aciculares alfa, una combinación que a menudo es superior en resistencia a la corrosión a las estructuras normales recocidas. Las partículas ricas en hierro se distribuyen como pequeñas partículas redondas o rosetas, a través de la estructura del bronce al aluminio que contienen más de 0.5% Fe. Estas partículas, algunas veces, dan un color oxidado a la superficie, pero no tienen un efecto conocido sobre las velocidades de corrosión.
Los bronces al níquel – aluminio son más complejos en su estructura con la introducción de la fase k. El níquel parece afectar las características de corrosión de la fase beta que dan gran resistencia a la corrosión selectiva y a la erosión cavitación en muchos líquidos. Para la aleación C63200 y quizás para la C95800, los tratamientos térmicos de temple y revenido pueden producir gran resistencia a la corrosión selectiva. La aleación C95700, un bronce al aluminio con alto manganeso, para fundición, es, probablemente, inferior en resistencia a la corrosión que las aleaciones C95500 y C95800, las cuales tienen bajos contenidos de manganeso y ligeramente altos en aluminio. Los bronces al aluminio generalmente son convenientes para el servicio en ácidos minerales no oxidantes, tales como el fosfórico (H3PO4), sulfúrico (H2SO4) y HCl; los ácidos orgánicos como el láctico, acetato (CH3COOH) o el oxálico; las soluciones salinas neutras como el cloruro de sodio (NaCl) o el cloruro de potasio (KCl); los alcalinos como el hidróxido sodio (NaOH), hidróxido de potasio (KOH) , hidróxido anhidro de amonio (NH4OH) ; y variadas aguas naturales incluyendo agua de mar, salinas y potables. Los ambientes que deben ser evitados incluyen ácido nítrico (HNO3), algunas sales metálicas, como el cloruro férrico (FeCl3) y ácido crómico (H2CrO4), la mayoría de los hidrocarburos clorados y de HN3 húmedo. La aireación puede originar una corrosión acelerada en muchos medios que pueden parecer compatibles. La exposición a altas tensiones de tracción NH3 húmedo puede resultar en CBT. En ciertos ambientes la corrosión puede bajar el límite de fatiga de 25 a 50% del valor bajo atmósferas normales.
J.-Aleaciones ligeras resistentes a la corrosión J.1.- Aluminio y sus aleaciones El aluminio es uno de los principales componentes de la corteza terrestre conocida, de la que forma parte en una proporción del 8,13%, superior a la del hierro, que se supone es de un 5%, y solamente superada entre los metales por el silicio (26,5%). El aluminio no se encuentra puro en la naturaleza, sino formando parte de los minerales, de los cuales los más importantes son las bauxitas, que están formadas por un 62-65% de alúmina (Al2O3), hasta un 28% de óxido de hierro (Fe2O3), 12-30% de agua de hidratación (H2O) y hasta un 8% de sílice (SiO2) El aluminio se corroe con mayor rapidez, tanto en acidos como en álcalis que en el agua dependiendo la velocidad de corrosión en acidos, de la naturaleza del anion.
La velocidad de corrosión aumenta considerablemente cuando deja de ser la capa pasiva (4.5 < pH< 7) y crece con la temperatura. En general el aluminio resiste bien la corrosión en los siguientes medios: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
NH4OH caliente o frio. Acido acético, caliente o frio y muchos otros ácidos orgánicos. Acidos grasos. En la destilación de ácidos grasos se emplea equipo de AL. Acido nítrico > 80% hasta alrededor de 50°C. Agua destilada. Exposición atmosférica. Resistencia excelente a las atmosferas rural, urbana e industrial; tiene menor resistencia a las atmosferas marinas. 7. Azufre; atmosferas sulfurosas H2S. Ej. Al se emplea en la minería del S. 8. Gases refrigerantes fluorados. Pero no al bromuro o cloruro de metilo.
K.- Magnesio y sus aleaciones El magnesio y sus aleaciones son resistentes: a.- La exposición atmosférica. Las aleaciones deben estar liberadas de tensiones evitando la aplicación posterior de tensiones elevadas para eliminar el riesgo de agrietamiento por corrosion por corrosion en atmosferas húmedas. b.- El agua destilada tomando las mismas precauciones citadas. c.-El HF en concentraciones de >2% se forma una película protectora de MgF2. En la capa limite agua-aire pueden producirse picaduras. d.- A los álcalis. A diferencia del Al, el Mg resiste a los álcalis. La velocidad de corrosion del Mg de alta pureza en una solución de 48% NaOh 4% ClNa es de 2 mdd. Por encima de 60°C la velocidad aumenta de forma apreciable. El magnesio no es resistente a: a- Aguas que contengan trazas de iones de metales pesados. b- Agua de mar. c- Acidos inorgánicos nin organicos y sales acidas (por ejemplo, sales de NH4) d- Metanol (anhidrido)(se forma metilato de Mg). Resistente bien a los alcoholes superiores. e- Gasolinas con plomo.
L.-Superaleaciones resistentes a la temperatura
Un superaleación o aleación de alto rendimiento, es una aleación que presenta unaexcelente resistencia mecánica y resistencia a la fluencia a altas temperaturas, buenaestabilidad de la superficie, y la corrosión y resistencia a la oxidación. Superaleacionessuelen tener una matriz con una cara austeníticos centrado en la estructura cristalinacúbicos. Una base de superaleación elemento de aleación es generalmente de níquel,cobalto o níquel-hierro. Superaleación desarrollo ha dependido en gran medida en lasindustrias de químicos y la innovación de procesos y ha sido impulsado principalmente porlas industrias aeroespacial y de poder. Las aplicaciones típicas se encuentran en laindustria aeroespacial, de la turbina de gas industriales y de la industria de turbinasmarinas, por ejemplo, palas de la turbina para las secciones calientes de los motores areacción.
Las Superaleaciones son materiales metálicos para el uso a altas temperaturas, especialmente en las zonas calientes de las turbinas de gas. Estos materiales permiten la turbina para operar más eficientemente por soportar temperaturas más altas. Temperatura de entrada de la turbina (TIT), que es un indicador directo de la eficiencia de un motor de turbina de gas, depende de la capacidad de temperatura de 1 ª etapa de la hoja de la turbina de alta presión hechos de superaleaciones de base Ni exclusivamente. Una de las propiedades superaleación más importante es la alta resistencia a la pérdida de temperatura. Otras propiedades de los materiales fundamentales son la fatiga, la estabilidad de fase, así como la oxidación y la resistencia a la corrosión. Superaleaciones desarrollan la fuerza de alta temperatura mediante el fortalecimiento de solución sólida. La oxidación y la resistencia a la corrosión es proporcionada por la formación de una capa de óxido que se forma cuando el metal está expuesta al oxígeno y encapsula el material, y así proteger el resto de
los componentes. La oxidación o la resistencia a la corrosión es proporcionada por elementos tales como aluminio y cromo. Mediante un mecanismo de fortalecimiento de la medida más importante es a través de la formación de la fase secundaria se precipita como el primer gamma y los carburos mediante el fortalecimiento de la precipitación.
L.1.-Superaleaciones base Níquel Definición y propiedades. Las superaleaciones contienen grandes cantidades de elementos de aleación con el fin de producir una combinación de alta resistencia a altas temperaturas, a la corrosión, a las vibraciones y a la termofluencia (alta resistencia mecánica a altas temperaturas) a temperaturas superiores a los 1000ºC.
Las superaleaciones de níquel presentan un buen comportamiento hasta los 1000ºC aproximadamente. Para temperaturas mayores se suelen emplear superaleaciones de cobalto.
Estructura cristalina. Las superaleaciones de níquel presentan una microestructura peculiar, causante de sus excelentes propiedades, con una distribución en dos fases, gamma (γ) y gamma prima (γ´).
- Fase gamma: solución sólida centrada en las caras que actúa como matriz.
Fase gamma prima: dispersión de precipitados ordenados intermetálicos, responsable de la gran resistencia de las superaleaciones. Las fórmulas estequiométricas de esta fase son: - Ni3Al, Ni3Ti o Ni3(AlTi).
(a) Microestru ctur a de un a su peraleación c on carbu ros en los límites de grano y precipitados γ΄ en la matriz (×15000).
(b) Microestructura de una superaleación envejecida produciendo precipitados cúbicos de diferentes tamaños (×10000). Aplicaciones de las superaleaciones de níquel. Debido a sus propiedades, estas aleaciones son empleadas para la construcción de turbinas de gas (álabes), turborreactores de avión, toberas y cámaras de combustión, reactores químicos, generadores y prensas de extrusión.
Superaleaciones de níquel más empleadas: - Hastelloy D (Ni, 10% Si, 3% Cu). Es una aleación para moldeo, fuerte, tenaz y extremadamente dura. Tiene una excelente resistencia a la corrosión al acido sulfúrico. Difícil mecanización. Se emplea para evaporadores, reactores, canalizaciones y accesorios en la industria química. -Hastelloy A (57% Ni, 20% Mo, 20% Fe) y Hastelloy B (62% Ni, 28% Mo, 5% Fe). Forman carburos globulares en una matriz de solución sólida. Ninguna responde al proceso de envejecimiento. Gran resistencia a la corrosión por ácido clorhídrico, fosforito y otros ácidos no oxidantes. Se emplean en la industria química para manejar, transportar y almacenar ácidos y otros materiales corrosivos. -Inconel (76% Ni, 16% Cr, 8% Fe). Combina la resistencia a la corrosión, resistencia mecánica y tenacidad características del Ni, con la resistencia a la oxidación a altas temperaturas, típica del Cr. Resiste la fatiga térmica sin hacerse frágil. Se utiliza en escapes y calentadores de motores de avión, en hornos y recipientes para tratamientos de nitruración y en tubos de protección de termopares. - Chromel A (80% Ni, 20% Cr). Se emplea como elemento eléctrico de calefacción para aparatos caseros y hornos industriales. Nichrome (60% Ni, 16% Cr, 24% Fe) para resistencias de tostadores, cafeteras, planchas, secadores de pelo, calentadores eléctricos y reóstatos para equipos electrónicos. - Illium B (50%Ni, 28%Cr, 8.5%Mo, 5.5%Cu) y el Illium G (56%Ni, 22.5%Cr, 6.5%Mo, 6.5%Cu) proporcionan superior resistencia a la corrosión en aleaciones de fundición maquinables de alta resistencia. Se utilizan en cojinetes de impulso y rotatorios y las piezas de bombas y válvulas en las que se requiere alta dureza a medios corrosivos. Fueron diseñados principalmente como materiales resistentes a los ácidos sulfúricos y nítricos. - Nimonic 90 (53%Ni, 20%Cr, 18%Co, 2.5%Ti, 1.5%Al, 1.5%Fe). Principalmente utilizada por su resistencia a la fluencia (creep), su alta tenacidad y estabilidad a temperaturas elevadas. Es la aleación básica para los motores a reacción.
Fig. Comportamiento de la tensión hasta rotura de superaleacionesa 650 y 1100°C APLICACIONES Superaleaciones de níquel-basadas son utilizados en estructuras de carga a la temperatura más alta homólogos de cualquier sistema de aleación común (m T = 0,9, o 90% de su punto de fusión). Entre las aplicaciones más exigentes para un material estructural son aquellas en las secciones calientes de los motores de turbina. La preeminencia de superaleaciones se refleja en el hecho de que actualmente representan más del 50% del peso de los motores de aviones avanzados. El uso generalizado de superaleaciones en motores de turbina, junto con el hecho de que el rendimiento termodinámico de motores de turbina se incrementa con el aumento de las temperaturas de entrada de la turbina tiene, en parte, siempre que la motivación para el aumento de la temperatura máxima utilización de superaleaciones. De hecho, durante los últimos 30 años la capacidad de temperatura de superficie de sustentación de la turbina se ha incrementado en un promedio de alrededor de 4 ° C por año. Dos factores principales que han hecho posible este aumento son: 1. Las técnicas de procesamiento avanzadas, lo que mejoró la limpieza de aleación (mejorando así la fiabilidad) y / o permitido la producción de microestructuras, como medida solidificación dirigida o de material de cristal único. 2. El desarrollo de aleación que resulta en mayores de usar materiales de temperatura principalmente a través de la adición de elementos refractarios, tales como Re, W, Ta, y Mo. Las principales fases presentes en la mayoría de las superaleaciones de níquel son los siguientes:
Gamma (Ɣ ): La matriz continua (llamada gamma) es una cara centrada cúbicos (FCC) de níquel-fase austenítica base que por lo general contiene un alto porcentaje de sólidos elementos de solución, tales como Co, Cr, Mo, y W. Gamma Prime (Ɣ '): La fase de fortalecimiento de primaria en base de níquel es superaleaciones de Ni 3 (Al, Ti), y se llama gamma de primer orden ( Ɣ '). Es una fase coherente precipitante (es decir, los planos de cristal del precipitado en el registro con la matriz de rayos gamma), con una ordenada L1 2 (FCC) la estructura cristalina. El partido de cierre en la matriz / precipitado parámetro de la red (~ 0-1%), combinado con la compatibilidad química permite la 'Para precipitar de forma homogénea en toda la matriz y tener una estabilidad de largo plazo. Curiosamente, el esfuerzo de fluencia de la Ɣ"Aumenta al aumentar la temperatura hasta aproximadamente 650 ° C (1200 ° F). Además, "Es muy dúctil y por lo tanto transmite la fuerza a la matriz sin reducir la resistencia a la fractura de la aleación. El aluminio y el titanio son los principales componentes y se añaden en las cantidades y proporciones mutuo para precipitar una fracción de alto volumen en la matriz. L.2.- Base Cobalto
Mantienen su resistencia a temperaturas elevadas. Además de llevar metales refractarios y carburos metálicos, contienen niveles elevados de cromo, lo que aumenta la resistencia a la corrosión. Son más fáciles de soldar que otras superaleaciones y se forjan con más facilidad. Se aplican para fabricar la laboriosa estructura de la cámara de combustión de las turbinas de gas.
Otras aplicaciones Industria aeroespacial. Cuchillas de las turbinas y motor de Cohetes. Industria marina Submarinos
Industria de Procesos químicos. Reactores Nucleares. Tubos de intercambiadores de calor. Turbinas de gas industrial.
Industria aeroespacial. Cuchillas de las turbinas y motor de Cohetes.
