El hierro inoxidable integra una familia de ferriticos resistentes que contienen cromo en los cuales éste forma una película pasiva del óxido de cromo CR2O3) cuando es expuesta al oxígeno [1]. Este fenómeno es denominado pasivación, y como observado en otros materiales tales como el aluminio, y titanio.
La película es impermeable al agua y aire y se reforma rápidamente cuando la superficie es rayada. Esto protege al material inferior, así eliminando corrosión superficial adicional. Como es película solo se constituye en presencia de oxigeno, la resistencia a la corrosión solo se puede ver afectada adversamente si el componente es aplicado en un ambiente libre de oxigeno, e.i. pernos debajo de la superficie en estructuras de soporte en plataformas marítimas.
Tal pasivación solo sucede si la proporción del cromo es suficientemente elevada y normalmente se cumple con la adición de un mínimo de 13% del cromo (por peso). Mayores niveles de resistencia a la corrosión se logran progresivamente con la incorporación de otras aleaciones de elementos – cada uno de éstos impartiendo atributos específicos con respecto a su propia resistencia, así como la de corrosión.
Condiciones de Clasificación
La necesidad de clasificar el hierro inoxidable ha resultado en un problema fundamental el cual es la selección del procedimiento a seguir. Probablemente el mejor de éstos es detallado de la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) e.g. 316 Cr/Ni/Mo 17/12/2. Esto se interpreta como el hierro inoxidable integrado por porciones de 17 % cromo, 12 Níquel, y 2% molibdeno.
Sin embargo, el entorno es algo confundido por una variedad de sistemas internacionales y de fundamentos de países individuales los cuales incluyen el EN (European Norm- Normativa Europea); mas el (Unified Numbering System-Sistema Unificado Numeral). Por ejemplo, el SAE 304 Cr/Ni 18/10 hierro inoxidable es EN 1.4301 el cual es el UNS S30400.
El hierro inoxidable puede igual clasificado en cinco familias básicas o fases determinadas por sus estructuras cristalinas: las fases estables austeníticos o ferrítico, una mezcla dúplex de los dos.; la fase martensítica es creada cuando algunos hierros son templados de una temperatura elevada mediante endurecimiento-precipitado.
Hierro Inoxidable Ferritico
En el hierro inoxidable férrico, los átomos del hierro y el cromo se arreglan en lo que es denominado una estructura cúbica en la cual éstos se acomodan en las esquinas del cubo, y uno en el centro (Figura 1). Igual que su clasificación ferro-magnética, el hierro inoxidable férrico exhibe alta resistencia al ranuramiento por corrosión.
Figura 1. En el hierro inoxidable ferritico, los átomos se arreglan en estructura cristalina cúbica de cuerpo-centrado.
Hierros inoxidables férricos son de cromo sencillo en grados (10.5 18%) caracterizados por resistencia moderada a la Corrosión, y de pobres propiedades de fabricación. Éstas características pueden ser mejoradas con la adición del molibdeno; algo de aluminio, o titanio.
Figura 2. Familia de Hierro Inoxidable Ferritico
El grado básico 430 es uno de sencilla capacidad de corrosión y resistencia al calor. Elementos de aleaciones que tienden a conformar una estructura ferritica se nombran formadores ferriticos y resultan en grados tales como los de 43 y 444, y el de grado de propiedad 3CR12.
Los hierros de grados ferriticos incluyen: 18Cr-2Mo; 26Cr-1Mo; 29 Cr-4Mo; and 29Cr-4Mo-2Ni (Figura 2).
Hierro Austenítico Inoxidable
Con la adición del níquel, las propiedades cambian dramáticamente, Como se muestra (Figura 3) los átomos se re-ordenan de manera en que se colocan en las esquinas del cubo, así como en el centro de cada una de las caras. De ésta forma se determina lo que es denominado el hierro austenítico.
Se puede observar de la Tabla 1 que si se solicita específicamente un hierro ferro-magnético, el austenítico sería la preferencia obvia. De hecho esto se confirma por el por el reconocimiento que los hierros austeníticos integran un 70% o mas de todos los hierros inoxidables usados a nivel mundial – con los ferríticos integrando un 25%. Las otras familias solo representan menos de un 1% del mercado total.
Tabla 1. Diferencias en las propiedades de los hierros feríticos y austentíticos
Los hierros austeníticos se designan por la numeración de las series 200 y 300.
Serie 300
La relación entre los grados 300 austeníticos se muestra en las Figuras 4.
Figura 4. La relación entre varios grados de la serie 300 austeníticos (Cortesía Kappa Associates International [2])
Elementos adicionales pueden verse agregados tales como el molíbdeno, titanio y cobre, para modificar o mejorar sus propiedades, rindiéndoles aplicables en cualquiera aplicación de alta temperatura así como la resistencia a la corrosión. Este grupo de hierros también se ven aplicables en las aplicaciones criogénicas por cuanto su contenido de níquel en convertir el hierro a uno austenítico evitan los problemas con la fragilidad a temperaturas bajas, el cual es característica de los hierros de otros tipos.
Generalmente, las aleaciones del grado 300 son sujetas a la corrosión de grietas y picaduras.
Versiones de bajo-carbón (indicados por la letra prefija L) incluyen el 304L, 316L y el 317L, en los cuales el contenido de carbón de la aleación es menos del 0.03%. Esto reduce el efecto de la “sensibilización” mediante el cual los carburos de cromo se precipitan en los bordes de los granos debido a las altas temperaturas aplicadas durante la soldadura. Éste contenido relativamente alto del níquel igual inhibe la fragilidad exhibida por los materiales ferríticos a bajas temperaturas y por lo tanto rinde los hierros austeníticos aplicables en las aplicaciones criogénicas.
Serie 200
Hemos visto previamente como la adición del níquel es aplicado en la creación del cromo-níquel serie 300 del hierro austenítico.
El contenido reducido del níquel de la serie 200 de grado cromo-manganeso los rinde considerablemente más económicos. Sin embargo, dependiendo de su integración química, también ofrecen buena formabilidad (ductilidad) y/o fuerza. Por cierto, algunos grados (series 201, 202, y 205) hasta ofrecen algo de un 30% mayor en fuerza de tracción comparado con la clásica serie-304 cromo-níquel, permitiendo a los diseñadores reducir los pesos (Tabla C.2)
Tabla C.2 Composición Química de los grados estandar (Cortesía International Stainless Steel Forum [5])
Se adelanta una alerta del International Stainless Steel Forum (ISSF). Continuada presión para reducir los costos, especialmente en los mercados Asiáticos, ha resultado en la formulación de grados austeníticos de menores contenidos del níquel y cromo, a menudo no cubiertos por las normas o especificaciones internacionales. De hecho, numerosos grados cromo-manganeso son de especificaciones de empresa y se identifican sencillamente pro la designación indicada por el fabricante.
Hierros Inoxidables Dúplex
Los hierros inoxidables dúplex [6] son una mezcla de las micro estructuras austeníticas y frerríticas que combinan las características inherentes de ambas clases:
- resistencia a la corrosión bajo tensión – pero inferior al hiero ferrítico;
- mayor resistencia al hierro ferrítico – pero inferior al hierro austenítico;
- aproximadamente el doble de la resistencia del hierro austenítico;
- superior resistencia a la corrosión de picaduras, grietas y agrietamiento de corrosión bajo tensión;
- alta resistencia al ataque de los iones del cloruro, y
- alta soldabilidad.
Éstas denominaciones se logran mediante la adición menos níquel que el necesario para lograr un hierro austenítico. De manera que, del Grado 2304 integra 23% cromo, y 4% níquel mientras que el Grado 2205 contiene 22% cromo y 5% níquel – con ambos grados conteniendo otras adicciones de aleaciones.
Del lado negativo, el hierro inoxidable austenítico-ferrítico-duplex solo son aplicables entre límites de temperatura de -50°C y 300°C – fuero de éstos sufren resistencia reducida.
Hierro inoxidable Martensítico
Nombrado por el metalurgo Alemán Adolf Marten, el Grado 400 martensítico (Figura 5) son hierros de bajo carbón (0.1-1%), bajo níquel (menos que el 2%), conteniendo cromo (12 al 14%, y molibdeno (0.2-1%).
Los hierros inoxidables endurecidos por transformación al martensítico son templados para lograr las propiedades ingenieriles deseadas. A altas temperaturas éstos poseen una estructura austenítica la cual es transformada en martensítica a través de su enfriamiento a temperaturas de grado ambiental. Desafortunadamente, este templado puede impactar la susceptibilidad a la corrosión. Por ejemplo, ésta de tipo 420 hierro inoxidable se ubica en su máximo cuando la aleación es templada a temperaturas en el rango de 450° to 600°C. De manera que, aun cuando no tan resistente a la corrosión como la clase 200, y 300, hierros martensíticos son magnéticos, extremadamente fuertes (aun cuando algo frágiles), altamente mecanizables, y pueden ser endurecidos por tratamiento térmico.
Los hierros Martensíticos son sujetos al ataque uniforme así como no-uniforme en el agua de mar. El tiempo de incubación par un ataque no-uniforme en cloruros débiles es a menudo solo pocas horas o días.
Figura 5. Los Grados 400 martensíticos
Endurecimiento-por-Precipitación de los hierros martensíticos
Estos hierros de contenido de cromo, y níquel pueden ser endurecidos mediente la precipitación para implantar altas fuerzas de tracción. Estos hierros son usualmente designados por una clasificación de mercadeo y no pro sus designaciones ANSI 600.
El grado más común de éste grupo es el “17-4PH”, tambien conocido por el Grado 630 con una composición de 17% cromo, 4% níquel, 4% cobre, y 0.3% niobium. La mayor ventaja de estos hierros es que pueden ser suplidos mediante la condición “tratamiento por solución”, estado en el cual el hierro es solo mecanizable. Posterior a la mecanización, formación etc. El hierro pude ser endurecido por un proceso único de envejecimiento por temperatura relativamente baja, la cual no cause distorsión del componente.
Endurecimiento por precipitación generalmente resulta en un aumento leve de susceptibilidad a la corrosión, así como de susceptibilidad a la fragilidad por hidrógeno.
By: Mick Crabtree
Traducido al Español por: Dr. Frank E. Ashford
Referencias
1. T. Sourmail and H. K. D. H. Bhadeshia, ‘Stainless Steels’, University of Cambridge.
2. Nabil Al-Khirdaji, ‘Stainless Steel Family’, Kappa Associates International.
3. ‘Stainless Steel and Corrosion’, ArcelorMittal, Stainless Europe.
4. A.U. Malik, M. Kutty, Nadeem Ahmad Siddiqi, Ismaeel N. Andijani, and Shahreer Ahmad, ‘Corrosion Studies on SS 316 L in low pH high Chloride product water medium’, 1990.
5. ‘The Stainless Steel Family’, International Stainless Steel Forum.
6. API Technical Report 938-C: ‘Use of Duplex Stainless Steels in the Oil Refining Industry’.
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