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LECCIÓN: ACEROS INOXIDABLES
ASIGNATURA: MATERIALES FUNCIONALES Y
ESTRUCTURALES
PROGRAMA DE POSTGRADO: MASTER EN QUÍMICAS
ID: http://hdl.handle.net/10498/7404
Abundancia relativa de los elementos en el sistema solar
2
Abundancia de los elementos 4
Fe
36%
O
31%
Si
15%
Mg
13%
Ni
2%
Si
2%
Al
1%
TIERRA
Fe O Si Mg Ni Si Al
O
47%
Si
28%
Al
8%
Fe
5% Ca
4%
Na
2%
Otros
6%
CORTEZA TERRESTRE
O Si Al Fe Ca Na Otros
Producción mundial de
metales
4
Hierro
93.62%
Aluminio
2.75% Cobre
1.72%
Zinc
1.00%
Plomo
0.72%
Níquel
0.13%
Magnesio
0.04%
Estaño
0.03%
Other
0.20%
Hierro Aluminio Cobre Zinc Plomo Níquel Magnesio Estaño
Razones
 Abundan los compuestos de
hierro.
 Puede ser manufacturado en
grandes cantidades de forma
económica.
 Extraordinariamente versátiles
5
O
46%
Si
28%
Al
8%
Fe
5%
Ca
4%
Otros
9%
σ,
MPa
2500 MPa
ε
EL=60%
CORROSIÓN
Tenemos un problema
FORMAS DE DEGRADACIÓN
 Oxidación a altas T
 Corrosión acuosa
 Proceso electroquímico
 Necesita electrolito
FORMAS DE PROTECCIÓN
 Capa protectora
 Polimérica
 Cerámica
 Metálica (Sn, Zn)
 Ánodos de sacrificio
 Potencial eléctrico
 Adición de aleantes
6
El producto de corrosión no
forma una protección eficaz en el
acero que esta debajo
¿hay algún aleante que proteja al
acero?
7
100
1000
10000
100000
1000000
0 10 20 30 40
%Cromo
Perdida
de
peso,
mg/dm
2
Nitrico diluido
(24 h)
Exterior
(2 meses)
Agua
(1
Aceros inoxidables
¿Qué preguntas queremos
responder?
8
Sabemos que:
 Los aceros inoxidables son
aleaciones férreas.
 Hay una gran variedad de
tipos, con un amplio
abanico de composiciones.
 Surgen estas preguntas:
¿Cuál es su importancia en
la sociedad actual? Introducción
¿Por qué hay tantos tipos y una
amplia variedad de
composiciones?
Metalurgia
¿Qué diferencias existen entre
estas variedades?
 ¿por qué un acero con el 18% de
Cr es ferrítico, pero si tiene un 8%
de Ni es austenítico?
Familias
¿Cómo se elige un acero
inoxidable para una determinada
aplicación?
Guías de
selección
Introducción Metalurgia Familias Selección
¿Por que se llaman inoxidables a
estas aleaciones?
9
La resistencia a la corrosión depende del
mantenimiento de esta capa pasivadora.
Son inoxidables porque se auto-reparan
Introducción Metalurgia Familias Selección
¿son los de automóviles de
acero inoxidable?
10
Ford Thunderbird de 1960
Ford Deluxe Sedan
de 1936
Introducción Metalurgia Familias Selección
¿son relativamente costosos? 11
Introducción Metalurgia Familias Selección
Chapa de acabado estándar para proyectos de construcción
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
VIDRIO
ACERO
ACERO GALVANIZADO
INOXIDABLE 304
ALUMINIO
316
CU
LATÓN
BRONCE
0.2
1.25
2
4.5
5
5.5
8
8.5
10
Precio ($/Kg)
1300
1500
1700
1900
2100
2300
2500
2700
1991 1996 2001
Precio,
€/ton
Año
¿por qué son
caros?
12
2
5
8
11
14
1991 1995 1999 2003
€
/Kg
.
0.6
1
1.4
1.8
2.2
1991 1995 1999 2003
€
/
Kg
.
Precio del Ni
Precio del FeCr
Precio del 304
Costes
de
material
50%
Introducción Metalurgia Familias Selección
¿Cuál es su porcentaje? 13
97%
3% Aceros
inoxidables
Aceros 2
0
1
5
41.2
31
16
13.4
10
2
Producción mundial (mill. de Ton)
2015
Introducción Metalurgia Familias Selección
¿Cuál es su tendencia?
 Bajo costo de ciclo de
vida
 Crecimiento y
expansión de los
grupos consumidores
 Bajada del precio del
acero inoxidable
4
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
SS
Cu
Al
Acero
UE
Índice de producción
Índice 1980 = 100
Introducción Metalurgia Familias Selección
Un poco de historia
15
1909 1912 1915 1918 1921 -------- 1930
Historia
E. Maurer
B. Strauss H. Brearly
E. Haynes
Mejora de la tecnología de la
producción
16
0
5
10
15
20
25
1960 1966 1972 1977 1983 1989 1995
Millones
Tm/año
Superausteníticos
Superferríticos
Superduplex
Colada en cinta
Historia
Las fases cristalinas del hierro.
 El hierro presenta 3 fases.
 Austenita,  por encima de 914°C
 Ferrita,  por debajo 914°C.
 Martensita, ’ por debajo de 550°C.
 Su estabilidad relativa depende de la
temperatura y composición.
17
Introducción Metalurgia Familias Selección
Efecto de los aleantes
 Los aleantes pueden:
 Favorecer la
transformación a
martensita retrasando la
transformación a ferrita
 Incrementar la estabilidad
de la austenita a baja
temperatura.
18
austenita
Ferrita
Martensita
Austenita
inestable
Temp.
Tiempo
Efecto
de los
aleantes
Introducción Metalurgia Familias Selección
Diagrama de equilibrio Fe-Cr 19
Temperatura
ºC
600
800
1000
1200
1400
1800
2000
1600
10 30
20 40 50 70
60 80 90 100
Fe
% Cromo



820 ºC
850 ºC
1500 ºC
L
A3
A4
Introducción Metalurgia Familias Selección
Diagrama de fases Fe-Cr-Ni 20
90
90 10
30
20
Fe Ni
Cr
10 30 40 50 60
20 80
70
10
30
40
50
60
20
80
70
90
40
50
60
80
70

+


1000 K 300 K
10
30
20
90
40
50
60
80
70
90
Fe Ni
10 30 40 50 60
20 80
70
90
Cr
10
30
40
50
60
20
80
70


Introducción Metalurgia Familias Selección
El árbol de familia 21
Ferrítico
Superferrítico
Martensítico
Austeníticos
Resistentes al
calor
Superausteníticos
Duplex
+ Ni
Sólo Cr
C+Fe
Mo Ti Nb N
Introducción Metalurgia Familias Selección
Aleantes utilizados
2
Fe
Mo
0-7%
Cr
11-30%
Si
Estabilizadores
de ferrita
(alfágenos)
Ni
0-25%
Mn
1-10%
N C
Estabilizadores
de austenita
(gammágenos)
resistencia a
la corrosión
resistencia a
la corrosión
por picadura
resistencia a
la oxidación
Promueve la
estructura
austenítica
Mejora la
ductilidad en
caliente
Nb Ti
Resistencia a la
corrosión
intergranular
Aumenta la
resistencia
Introducción Metalurgia Familias Selección
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Cr equivalente
Ni
equivalente
0% Ferrita
100% Ferrita
3
Diagrama Schaeffler-Delong
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
% Cr
%
Ni
Cromo equiv = %Cr + 1.5%Si + %Mo
Níquel equiv = %Ni + 30(%C + %N) + 0.5(%Mn + %Cu + %Co)
Ferrítico Austenítico Duplex Martensítico PH
Introducción Metalurgia Familias Selección
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 10 20 30 40 50 60 70
Tensión,
MPa
Deformación
Propiedades mecánicas
24
Ferrítico (444Ti)
Martensítico
Duplex (2205)
Austenítico (316)
Introducción Metalurgia Familias Selección
Tenacidad
25
 La tenacidad al impacto depende de la temperatura
Temperatura ºC
Energía de impacto, J
-200 -150 -100 -50 0 +50 +100
0
50
100
150
200
250
Austenítico
Duplex Ferrítico
Martensítico
Introducción Metalurgia Familias Selección
Aceros inoxidables Ferríticos
CARACTERISTICAS
 %Cr >12%
 Ferrita + carburos a
temperatura de servicio
 No endurecibles por
tratamientos térmicos
26
Introducción Metalurgia Familias Selección
Familias 27
10-14 Cr
409
Bajo contenido
de Cr
Martensítico
Duplex
14-19 Cr
430
Medio contenido
de Cr
19-30 Cr
E-BRITE
Alto contenido
de Cr
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Duplex
Problemas con la temperatura
en servicio
 Crecimiento de grano
 Fragilización a 475º C
 Fragilización por formación
de fase sigma
 Sensibilización a alta
temperatura
28
400 ªC
Fase sigma
560 ªC
870 ºC
Alta T
925 ºC
475º
Temperatura
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Duplex
Fragilización a 475 ºC 29
0
200
400
600
800
1000
0 20 40 60 80 100
Tiempo, (h)
Límite
elástico,
(MPa)
0
15
30
45
Eloongción,
%
So
%EL
100
150
200
250
300
350
300 400 500 600 700
Temperatura, ºC
Dureza,
BHN
30 Cr
20 Cr
16 Cr
Fe-27Cr
t = 500 horas
400º C – 570º C
Causa
Formación de precipitado coherente
rico en Cr (α’) como resultado de un
banda de miscibilidad
Solución
Recocido por encima de 590º C
Recocido natural y enfriamiento
rápido
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Duplex
Formación de fase 
30
10
100
1000
10000
10 15 20 25 30 35 40
% de Cr
Tiempo,
mn
595ºC
650ºC
7 dias
Fase sigma
Fase 
x 1000
600
700
800
900
20 40
30 60 80
70
50


Cr, % en peso
T,
ºC
10
530
90
Región del diagrama Fe-Cr Tiempo de formación de la fase σ
131 días 565º C
Temperatura de formación 540 – 870º C
Soluciones
Recocido de 1 h a mas de 900º C
Enfriamiento rápido en ese intervalo
27% Cr
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Duplex
Sensibilización a alta temperatura
31
T = 900-950º C
Medio corrosivo
Cr,
%
11
18
60
Distancia al borde grano
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Duplex
Superferríticos 32
Mejora la soldabilidad
Resistencia extrema a
 Picadura por cloruros
 Corrosión local
 Corrosión bajo tensiones
Precio Moderado
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 100 200
Cloruros, ppm
%
Perdida
de
peso
304L
Al6061
316L
29-4C
Corrosión intercambiador de calor
Introducción Metalurgia Familias Selección
Aplicaciones de los aceros
inoxidables ferríticos
33
 Ambientes suaves con fácil
mantenimiento o simplemente
no oxidable.
 Tuberías, intercambiadores de
calor, válvulas y depósitos.
 Ambientes con cloruros
 Peligro de SCC
 Ambientes con sulfuros a altas
temperaturas.
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Duplex
Aceros inoxidables
martensíticos.
CARACTERÍSTICAS
 12% >Cr>17%
 Optimizar la dureza y
resistencia
 Pobre resistencia a la
corrosión
34
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Dúplex
Diagrama de equilibrio Fe-Cr-C
35
Temperatura
ºC
% Cromo
700
800
900
1000
1100
1200
1400
1300
1500
1600
0 10 20 30


L
 + K1
Temperatura
ºC % Cromo
L
L

 + K1
700
800
900
1000
1100
1200
1400
1300
1500
1600
0 10 20 30
0.05%C 0.6%C
 + Kc
 + K2
K1 = M23C6
Kc = M3C
K2 = M7C3
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Dúplex
Templado de AI martensíticos 36
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
Tiempo, s
Temperatura,
ºC
As
MS
Martensita
Ferrita +
carburos
Austenita
Diagrama TTT
de 410
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Dúplex
Revenido en AI
martensíticos
37
1095
Dureza
Tenacidad
Velocidad
de corrosión
100 330 550 850
Temperatura, ºC
Endurecimiento
secundario
Alto contenido de C
Bajo contenido de C
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Dúplex
Aceros inoxidables
martensíticos. Aplicaciones.
38
 0.1%C
 Material de construcción. Plantas químicas.
Álabes de turbina. Cuerpos de armas.
 0.3%C
 Cuchillería, engranajes, cojinetes, cuerpos de
válvulas.
 0.6%C
 Resortes. Cuchillas de afeitar.
 1%C
 Instrumentos quirúrgicos, engranajes.
Pobre soldabilidad
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Dúplex
Aceros inoxidables
austeníticos.
CARACTERISTICAS
Aleaciones ternarias de
Fe-Cr-Ni
70% de la producción
mundial
Excelente resistencia a
la corrosión y
formabilidad
39
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Duplex
Efecto del Ni
40
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
0 2 4 6 8 10 12
% Niquel
Ms,
ºC
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25
% Cromo
%
Ni
Austenita
Ferrita o
estructuras intermedias
Expansión de la fase austenita Reducción de la temperatura Ms
Acero 18Cr-0.04C
18-8
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Duplex
Metaestabilidad 41
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Duplex
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 20 40 60
Tensión
real,
MPa
Log (Deformación real)*100
5% Ni 7% Ni 9% NI 23% Ni
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 20 40 60 80 100
%
Martensita
% Reducción de área
17-7
18-9
19-9
17-12
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Duplex
Sensibilización
42
10000

M23C6
0.01 0.1 1 10 100 1000
1066
900
732
566
400
Tiempo, h
Temperatura, ºC


Diagrama TTT de un
acero inoxidable 316
Imagen SEM de un acero
314 sensibilizado
Exposición a 425-800º C
Enfriamiento lento por el
intervalo 600-800ª C
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Duplex
Soluciones
43
500
600
700
800
900
1000
0.1 1 10 100
Tiempo, mn
Temperatura,
ºC
18 Cr-8Ni
Disminuir el contenido de C Adición de Ti o Nb
0.08% C
0.06% C
0.05% C
0.03% C
1200
1000
800
102 102
106
Nb(Ti)C
M23C6
Temperatura
ºC
Tiempo, s
Incrementando
Nb, Ti o C
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Duplex
Familia
44
304
18-9
Adición de
N
304LN
Metaestabilidad
301
Trabajo en frío
Oxidación
Incremento de
Cr, Ni Y Si
310
Resistencia
mecánica
Corrosión
intergranular
Reducción de
%C
304L Y 316L
Adición de
Ti y Nb
347 Y 321
Adición de
Mo
316 Y 317
Adición de Mo y N
Incremento de Cr y Ni
SUPERAUSTENÍTICOS
Corrosión
bajo
tensiones
Corrosión
general y por
picaduras
Disminución
de Ni
DUPLEX
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Duplex
Superausteníticos
SS Cr Ni Mo N
654SMO 24 22 7.5 0.5
254SMO 20 18 6 0.2
316 17 10 2 0.04
304 18 8 0 0.05
45
Rápidamente, se hizo patente la necesidad de calidades con alto contenido de aleantes para
conseguir mejores rendimientos tanto para cubrir la corrosión húmeda como resistencia a la
oxidación a altas temperaturas
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100
Temperatura,
ºC
%Acido sulfúrico
C. general. 1 mm/año
304L
316L (hMo)
254SMO
654SMO
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Duplex
46
MPa TS YS
AL-6X 515 241
AL-6XN 690 310
Mejora las propiedades
mecánicas
PREN= % Cr + 3.3%Mo + 30%N
Incrementa la resistencia a
la corrosión local
Fase sigma
Retrasa la formación de fases
intermetálicas y carburos
500
600
700
800
900
1000
1100
0.01 0.1 1 10 100 1000
Tiempo, h
Temperatura ºC
Fase chi
Fase Laves
M23C6
N
500
600
700
800
900
1000
1100
0.01 0.1 1 10 100 1000
Tiempo, h
Temperatura ºC
0.14N
21Cr-24Ni-6.5Mo-0.2N
33%
25%
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Duplex
Aceros inoxidables austeníticos.
Aplicaciones.
47
 Usados de forma extensa.
 Tuberías, intercambiadores de calor, depósitos y reactores en la industria de
alimentos, química, farmacéutica, marina o del papel.
 Los aceros más aleados son los usados en ambientes más agresivos.
Resistencia a la oxidación y
termofluencia a altas
temperaturas.
Buena tenacidad a
temperaturas criogénicas.
No magnético.
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Duplex
Aceros inoxidables duplex. 48
Austenita
Ferrita
Combinación
• Buena resistencia
mecánica
• Buenas propiedades
anticorrosivas
Consideraciones extras
en fabricación y
soldadura
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Duplex
Ventajas
49
PREN Austenítico Duplex
Bajo (<32) 316L
17-11-2
2304
23-4
Medio (32-37) 904L
20-25-4.5
2205
22-5-3
Alto (>37) 254SMO
20-18-6
2507
25-7-4
Materiales diferentes usados para la
fabricación de equipo de industria
papelera
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Duplex
• Resistencia a la corrosión comparable
• YS doble que los austeníticos
0 2 4 6 8
304
BAJO
MEDIO
ALTO
1
1.3
3.4
6.54
1.5
1.6
3
Precio relativo
PREN
Duplex Austenítico
Limitaciones 50
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0 10 20 30
% Ni
º
C

L
+
 300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
0.01 0.1 1 10 100 1000
Tiempo, h
º
C
2507
2205
2304
Diagrama de fases Fe-Cr- Ni
para [Fe] = 70%
Diagrama TTS para varios aceros duplex
Solo α
α+γ
55/45
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Duplex
Aceros inoxidables duplex.
Aplicaciones 51
 Alta resistencia para sustituir a los
aceros austeníticos.
 Esta mayor resistencia disminuye el peso
y el costo.
 Baja susceptibilidad a la corrosión en
ambientes con cloruros.
 Tanques, depósitos y tuberías Industria
química, petrolera, gasística o del papel.
 Propulsores y bombas de agua de mar en
plataformas marinas.
 Alta resistencia a la corrosión por fatiga.
 Rodillos extrusores en la industria del
papel.
Introducción Metalurgia Familias Selección
Ferrítico
Martensítico
Austenítico
Duplex
Guías de selección 52
Coste
Fabricación
Propiedades
mecánicas
Resistencia a
corrosión
Introducción Metalurgia Familias Selección
Selección por resistencia a la
corrosión
0
5
10
15
20
25
410S 304L 316 2205 254SMO
Porcentaje
0
2
4
6
8
10
12
Concentración
H
2
SO
4
límite
%Cr %Ni %Mo Molar
Mejor guía
¿Dónde se ha usado
antes?
¿Cuál fue su vida de
servicio?
¿Cómo y cuándo se ha
corroído?
53
Corrosión uniforme
Introducción Metalurgia Familias Selección
Selección por resistencia a la
corrosión (II)
0
20
40
60
80
100
120
20 30 40 50 60
CPT,
ºC
Cr+3.3Mo+16N
316
316L 317
2205
254SMO
654SM
 Presencia de cloruros
 Temperatura elevadas
 pH bajos
54
Corrosión local y por picadura
PREN= % Cr + 3.3%Mo + 16%N
CPT = Temperatura crítica para picadura en NaCl 1M
Introducción Metalurgia Familias Selección
Selección por resistencia a la
corrosión (III)
 Ocurre con trazas de
cloruros
 Temperaturas a partir
de 60º C
 Tensiones de tracción
relativamente pequeñas
55
Corrosión bajo tensiones
Introducción Metalurgia Familias Selección
0 5 10 15 20 25 30
0 200 400 600 800 1000 1200
254 SMO
316
304L
2205
430
PORCENTAJE DE NI
TIEMPO EN HORAS
Tiempo %Ni
Selección por propiedades físicas
56
Introducción Metalurgia Familias Selección
TS: Resistencia a la tracción RM: Respuesta Magnética RO: Resistencia a la
Oxidación RBT: Resistencia a baja temperatura
martensítico
ferrítico
duplex
austenítico
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
TS RM RO RBT
Selección por fabricación 57
Introducción Metalurgia Familias Selección
1
10
1
4
6
2
8
5
8
5
4
5
0
2
4
6
8
10
12
Comformado Mecanizado Soldadura
martensítico
ferrítico
austenítico
duplex
Selección por coste
58
Introducción Metalurgia Familias Selección
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0
5
10
15
20
25
30
430 442 410 17-7PH 304 309 316 317 904L 654 2205 2507
Euros/ton
Porcentaje,
%
Cr
Ni
Mo
COSTE
Sumario.
 ¿Puedo disponer de un
Inox resistente, tenaz,
barato y resistente a la
corrosión?
 Es posible – depende del
medio.
 ¿Por que hay tal variedad
de aceros inoxidables?
 Porque intentamos optimizar
los materiales para los
distintos ambientes
específicos en los que debe
operar.
59
Composición /
Procesado
Propiedades
Estructura
Función
Los aceros inoxidables son sencillos (relativamente)
Bibliografía básica
CASTI Handbook of Stainless Steel & Nickel Alloys,
Stephen Lamb, CASTI Publishing Inc. (1999) ISBN 1-894038-34-7.
Stainless Steel
R. A. Lula, ed. American Society for Metals, (1986) ISBN 0-87170-208-8.
Handbook of Stainless Steels
D. Peckner y E. M. Bernstein, ed. McGraw-Hill Book Company (1977) ASIN:
007049147X.
Steels: Metallurgy & Applications
D. T. Llewellyn, ed. Butterworth-Heinemann, (1992) ISBN0-7506-2086-2.
Steels: Microstructure and Properties
R. W. K. Honeycombe y H. K. D. H. Bhadeshia, Ed. Edward Arnold (1995)
ISBN 0-340-58946-9.
Structure and Properties of Engineering Alloys
W. F. Smith, ed. McGraw-Hill (1993) ISBN 0-07-112829-8.
60
Enlaces recomendables
Stainless Steel World.
www.stainless-steel-world.net.
The European Stainless Steel Development Association.
www.euro-inox.org/.
ASSDA: Australian Stainless Steel Development Association.
www.assda.asn.au.
Avesta Polarit Stainless.
www.avestapolarit.com.
Atlas Steel Product Co.
www.Atlas-steel.com.
The Hendrix Group. Materials and corrosion engineers.
www.hghouston.com.
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  • 1. LECCIÓN: ACEROS INOXIDABLES ASIGNATURA: MATERIALES FUNCIONALES Y ESTRUCTURALES PROGRAMA DE POSTGRADO: MASTER EN QUÍMICAS ID: http://hdl.handle.net/10498/7404
  • 2. Abundancia relativa de los elementos en el sistema solar 2
  • 3. Abundancia de los elementos 4 Fe 36% O 31% Si 15% Mg 13% Ni 2% Si 2% Al 1% TIERRA Fe O Si Mg Ni Si Al O 47% Si 28% Al 8% Fe 5% Ca 4% Na 2% Otros 6% CORTEZA TERRESTRE O Si Al Fe Ca Na Otros
  • 4. Producción mundial de metales 4 Hierro 93.62% Aluminio 2.75% Cobre 1.72% Zinc 1.00% Plomo 0.72% Níquel 0.13% Magnesio 0.04% Estaño 0.03% Other 0.20% Hierro Aluminio Cobre Zinc Plomo Níquel Magnesio Estaño
  • 5. Razones  Abundan los compuestos de hierro.  Puede ser manufacturado en grandes cantidades de forma económica.  Extraordinariamente versátiles 5 O 46% Si 28% Al 8% Fe 5% Ca 4% Otros 9% σ, MPa 2500 MPa ε EL=60% CORROSIÓN
  • 6. Tenemos un problema FORMAS DE DEGRADACIÓN  Oxidación a altas T  Corrosión acuosa  Proceso electroquímico  Necesita electrolito FORMAS DE PROTECCIÓN  Capa protectora  Polimérica  Cerámica  Metálica (Sn, Zn)  Ánodos de sacrificio  Potencial eléctrico  Adición de aleantes 6 El producto de corrosión no forma una protección eficaz en el acero que esta debajo
  • 7. ¿hay algún aleante que proteja al acero? 7 100 1000 10000 100000 1000000 0 10 20 30 40 %Cromo Perdida de peso, mg/dm 2 Nitrico diluido (24 h) Exterior (2 meses) Agua (1 Aceros inoxidables
  • 8. ¿Qué preguntas queremos responder? 8 Sabemos que:  Los aceros inoxidables son aleaciones férreas.  Hay una gran variedad de tipos, con un amplio abanico de composiciones.  Surgen estas preguntas: ¿Cuál es su importancia en la sociedad actual? Introducción ¿Por qué hay tantos tipos y una amplia variedad de composiciones? Metalurgia ¿Qué diferencias existen entre estas variedades?  ¿por qué un acero con el 18% de Cr es ferrítico, pero si tiene un 8% de Ni es austenítico? Familias ¿Cómo se elige un acero inoxidable para una determinada aplicación? Guías de selección Introducción Metalurgia Familias Selección
  • 9. ¿Por que se llaman inoxidables a estas aleaciones? 9 La resistencia a la corrosión depende del mantenimiento de esta capa pasivadora. Son inoxidables porque se auto-reparan Introducción Metalurgia Familias Selección
  • 10. ¿son los de automóviles de acero inoxidable? 10 Ford Thunderbird de 1960 Ford Deluxe Sedan de 1936 Introducción Metalurgia Familias Selección
  • 11. ¿son relativamente costosos? 11 Introducción Metalurgia Familias Selección Chapa de acabado estándar para proyectos de construcción 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 VIDRIO ACERO ACERO GALVANIZADO INOXIDABLE 304 ALUMINIO 316 CU LATÓN BRONCE 0.2 1.25 2 4.5 5 5.5 8 8.5 10 Precio ($/Kg)
  • 12. 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500 2700 1991 1996 2001 Precio, €/ton Año ¿por qué son caros? 12 2 5 8 11 14 1991 1995 1999 2003 € /Kg . 0.6 1 1.4 1.8 2.2 1991 1995 1999 2003 € / Kg . Precio del Ni Precio del FeCr Precio del 304 Costes de material 50% Introducción Metalurgia Familias Selección
  • 13. ¿Cuál es su porcentaje? 13 97% 3% Aceros inoxidables Aceros 2 0 1 5 41.2 31 16 13.4 10 2 Producción mundial (mill. de Ton) 2015 Introducción Metalurgia Familias Selección
  • 14. ¿Cuál es su tendencia?  Bajo costo de ciclo de vida  Crecimiento y expansión de los grupos consumidores  Bajada del precio del acero inoxidable 4 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 SS Cu Al Acero UE Índice de producción Índice 1980 = 100 Introducción Metalurgia Familias Selección
  • 15. Un poco de historia 15 1909 1912 1915 1918 1921 -------- 1930 Historia E. Maurer B. Strauss H. Brearly E. Haynes
  • 16. Mejora de la tecnología de la producción 16 0 5 10 15 20 25 1960 1966 1972 1977 1983 1989 1995 Millones Tm/año Superausteníticos Superferríticos Superduplex Colada en cinta Historia
  • 17. Las fases cristalinas del hierro.  El hierro presenta 3 fases.  Austenita,  por encima de 914°C  Ferrita,  por debajo 914°C.  Martensita, ’ por debajo de 550°C.  Su estabilidad relativa depende de la temperatura y composición. 17 Introducción Metalurgia Familias Selección
  • 18. Efecto de los aleantes  Los aleantes pueden:  Favorecer la transformación a martensita retrasando la transformación a ferrita  Incrementar la estabilidad de la austenita a baja temperatura. 18 austenita Ferrita Martensita Austenita inestable Temp. Tiempo Efecto de los aleantes Introducción Metalurgia Familias Selección
  • 19. Diagrama de equilibrio Fe-Cr 19 Temperatura ºC 600 800 1000 1200 1400 1800 2000 1600 10 30 20 40 50 70 60 80 90 100 Fe % Cromo    820 ºC 850 ºC 1500 ºC L A3 A4 Introducción Metalurgia Familias Selección
  • 20. Diagrama de fases Fe-Cr-Ni 20 90 90 10 30 20 Fe Ni Cr 10 30 40 50 60 20 80 70 10 30 40 50 60 20 80 70 90 40 50 60 80 70  +   1000 K 300 K 10 30 20 90 40 50 60 80 70 90 Fe Ni 10 30 40 50 60 20 80 70 90 Cr 10 30 40 50 60 20 80 70   Introducción Metalurgia Familias Selección
  • 21. El árbol de familia 21 Ferrítico Superferrítico Martensítico Austeníticos Resistentes al calor Superausteníticos Duplex + Ni Sólo Cr C+Fe Mo Ti Nb N Introducción Metalurgia Familias Selección
  • 22. Aleantes utilizados 2 Fe Mo 0-7% Cr 11-30% Si Estabilizadores de ferrita (alfágenos) Ni 0-25% Mn 1-10% N C Estabilizadores de austenita (gammágenos) resistencia a la corrosión resistencia a la corrosión por picadura resistencia a la oxidación Promueve la estructura austenítica Mejora la ductilidad en caliente Nb Ti Resistencia a la corrosión intergranular Aumenta la resistencia Introducción Metalurgia Familias Selección
  • 23. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Cr equivalente Ni equivalente 0% Ferrita 100% Ferrita 3 Diagrama Schaeffler-Delong 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 % Cr % Ni Cromo equiv = %Cr + 1.5%Si + %Mo Níquel equiv = %Ni + 30(%C + %N) + 0.5(%Mn + %Cu + %Co) Ferrítico Austenítico Duplex Martensítico PH Introducción Metalurgia Familias Selección
  • 24. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 10 20 30 40 50 60 70 Tensión, MPa Deformación Propiedades mecánicas 24 Ferrítico (444Ti) Martensítico Duplex (2205) Austenítico (316) Introducción Metalurgia Familias Selección
  • 25. Tenacidad 25  La tenacidad al impacto depende de la temperatura Temperatura ºC Energía de impacto, J -200 -150 -100 -50 0 +50 +100 0 50 100 150 200 250 Austenítico Duplex Ferrítico Martensítico Introducción Metalurgia Familias Selección
  • 26. Aceros inoxidables Ferríticos CARACTERISTICAS  %Cr >12%  Ferrita + carburos a temperatura de servicio  No endurecibles por tratamientos térmicos 26 Introducción Metalurgia Familias Selección
  • 27. Familias 27 10-14 Cr 409 Bajo contenido de Cr Martensítico Duplex 14-19 Cr 430 Medio contenido de Cr 19-30 Cr E-BRITE Alto contenido de Cr Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex
  • 28. Problemas con la temperatura en servicio  Crecimiento de grano  Fragilización a 475º C  Fragilización por formación de fase sigma  Sensibilización a alta temperatura 28 400 ªC Fase sigma 560 ªC 870 ºC Alta T 925 ºC 475º Temperatura Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex
  • 29. Fragilización a 475 ºC 29 0 200 400 600 800 1000 0 20 40 60 80 100 Tiempo, (h) Límite elástico, (MPa) 0 15 30 45 Eloongción, % So %EL 100 150 200 250 300 350 300 400 500 600 700 Temperatura, ºC Dureza, BHN 30 Cr 20 Cr 16 Cr Fe-27Cr t = 500 horas 400º C – 570º C Causa Formación de precipitado coherente rico en Cr (α’) como resultado de un banda de miscibilidad Solución Recocido por encima de 590º C Recocido natural y enfriamiento rápido Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex
  • 30. Formación de fase  30 10 100 1000 10000 10 15 20 25 30 35 40 % de Cr Tiempo, mn 595ºC 650ºC 7 dias Fase sigma Fase  x 1000 600 700 800 900 20 40 30 60 80 70 50   Cr, % en peso T, ºC 10 530 90 Región del diagrama Fe-Cr Tiempo de formación de la fase σ 131 días 565º C Temperatura de formación 540 – 870º C Soluciones Recocido de 1 h a mas de 900º C Enfriamiento rápido en ese intervalo 27% Cr Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex
  • 31. Sensibilización a alta temperatura 31 T = 900-950º C Medio corrosivo Cr, % 11 18 60 Distancia al borde grano Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex
  • 32. Superferríticos 32 Mejora la soldabilidad Resistencia extrema a  Picadura por cloruros  Corrosión local  Corrosión bajo tensiones Precio Moderado 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 100 200 Cloruros, ppm % Perdida de peso 304L Al6061 316L 29-4C Corrosión intercambiador de calor Introducción Metalurgia Familias Selección
  • 33. Aplicaciones de los aceros inoxidables ferríticos 33  Ambientes suaves con fácil mantenimiento o simplemente no oxidable.  Tuberías, intercambiadores de calor, válvulas y depósitos.  Ambientes con cloruros  Peligro de SCC  Ambientes con sulfuros a altas temperaturas. Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex
  • 34. Aceros inoxidables martensíticos. CARACTERÍSTICAS  12% >Cr>17%  Optimizar la dureza y resistencia  Pobre resistencia a la corrosión 34 Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Dúplex
  • 35. Diagrama de equilibrio Fe-Cr-C 35 Temperatura ºC % Cromo 700 800 900 1000 1100 1200 1400 1300 1500 1600 0 10 20 30   L  + K1 Temperatura ºC % Cromo L L   + K1 700 800 900 1000 1100 1200 1400 1300 1500 1600 0 10 20 30 0.05%C 0.6%C  + Kc  + K2 K1 = M23C6 Kc = M3C K2 = M7C3 Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Dúplex
  • 36. Templado de AI martensíticos 36 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 Tiempo, s Temperatura, ºC As MS Martensita Ferrita + carburos Austenita Diagrama TTT de 410 Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Dúplex
  • 37. Revenido en AI martensíticos 37 1095 Dureza Tenacidad Velocidad de corrosión 100 330 550 850 Temperatura, ºC Endurecimiento secundario Alto contenido de C Bajo contenido de C Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Dúplex
  • 38. Aceros inoxidables martensíticos. Aplicaciones. 38  0.1%C  Material de construcción. Plantas químicas. Álabes de turbina. Cuerpos de armas.  0.3%C  Cuchillería, engranajes, cojinetes, cuerpos de válvulas.  0.6%C  Resortes. Cuchillas de afeitar.  1%C  Instrumentos quirúrgicos, engranajes. Pobre soldabilidad Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Dúplex
  • 39. Aceros inoxidables austeníticos. CARACTERISTICAS Aleaciones ternarias de Fe-Cr-Ni 70% de la producción mundial Excelente resistencia a la corrosión y formabilidad 39 Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex
  • 40. Efecto del Ni 40 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 0 2 4 6 8 10 12 % Niquel Ms, ºC 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 % Cromo % Ni Austenita Ferrita o estructuras intermedias Expansión de la fase austenita Reducción de la temperatura Ms Acero 18Cr-0.04C 18-8 Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex
  • 41. Metaestabilidad 41 Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 20 40 60 Tensión real, MPa Log (Deformación real)*100 5% Ni 7% Ni 9% NI 23% Ni 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 20 40 60 80 100 % Martensita % Reducción de área 17-7 18-9 19-9 17-12 Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex
  • 42. Sensibilización 42 10000  M23C6 0.01 0.1 1 10 100 1000 1066 900 732 566 400 Tiempo, h Temperatura, ºC   Diagrama TTT de un acero inoxidable 316 Imagen SEM de un acero 314 sensibilizado Exposición a 425-800º C Enfriamiento lento por el intervalo 600-800ª C Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex
  • 43. Soluciones 43 500 600 700 800 900 1000 0.1 1 10 100 Tiempo, mn Temperatura, ºC 18 Cr-8Ni Disminuir el contenido de C Adición de Ti o Nb 0.08% C 0.06% C 0.05% C 0.03% C 1200 1000 800 102 102 106 Nb(Ti)C M23C6 Temperatura ºC Tiempo, s Incrementando Nb, Ti o C Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex
  • 44. Familia 44 304 18-9 Adición de N 304LN Metaestabilidad 301 Trabajo en frío Oxidación Incremento de Cr, Ni Y Si 310 Resistencia mecánica Corrosión intergranular Reducción de %C 304L Y 316L Adición de Ti y Nb 347 Y 321 Adición de Mo 316 Y 317 Adición de Mo y N Incremento de Cr y Ni SUPERAUSTENÍTICOS Corrosión bajo tensiones Corrosión general y por picaduras Disminución de Ni DUPLEX Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex
  • 45. Superausteníticos SS Cr Ni Mo N 654SMO 24 22 7.5 0.5 254SMO 20 18 6 0.2 316 17 10 2 0.04 304 18 8 0 0.05 45 Rápidamente, se hizo patente la necesidad de calidades con alto contenido de aleantes para conseguir mejores rendimientos tanto para cubrir la corrosión húmeda como resistencia a la oxidación a altas temperaturas 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 Temperatura, ºC %Acido sulfúrico C. general. 1 mm/año 304L 316L (hMo) 254SMO 654SMO Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex
  • 46. 46 MPa TS YS AL-6X 515 241 AL-6XN 690 310 Mejora las propiedades mecánicas PREN= % Cr + 3.3%Mo + 30%N Incrementa la resistencia a la corrosión local Fase sigma Retrasa la formación de fases intermetálicas y carburos 500 600 700 800 900 1000 1100 0.01 0.1 1 10 100 1000 Tiempo, h Temperatura ºC Fase chi Fase Laves M23C6 N 500 600 700 800 900 1000 1100 0.01 0.1 1 10 100 1000 Tiempo, h Temperatura ºC 0.14N 21Cr-24Ni-6.5Mo-0.2N 33% 25% Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex
  • 47. Aceros inoxidables austeníticos. Aplicaciones. 47  Usados de forma extensa.  Tuberías, intercambiadores de calor, depósitos y reactores en la industria de alimentos, química, farmacéutica, marina o del papel.  Los aceros más aleados son los usados en ambientes más agresivos. Resistencia a la oxidación y termofluencia a altas temperaturas. Buena tenacidad a temperaturas criogénicas. No magnético. Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex
  • 48. Aceros inoxidables duplex. 48 Austenita Ferrita Combinación • Buena resistencia mecánica • Buenas propiedades anticorrosivas Consideraciones extras en fabricación y soldadura Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex
  • 49. Ventajas 49 PREN Austenítico Duplex Bajo (<32) 316L 17-11-2 2304 23-4 Medio (32-37) 904L 20-25-4.5 2205 22-5-3 Alto (>37) 254SMO 20-18-6 2507 25-7-4 Materiales diferentes usados para la fabricación de equipo de industria papelera Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex • Resistencia a la corrosión comparable • YS doble que los austeníticos 0 2 4 6 8 304 BAJO MEDIO ALTO 1 1.3 3.4 6.54 1.5 1.6 3 Precio relativo PREN Duplex Austenítico
  • 50. Limitaciones 50 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 10 20 30 % Ni º C  L +  300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 0.01 0.1 1 10 100 1000 Tiempo, h º C 2507 2205 2304 Diagrama de fases Fe-Cr- Ni para [Fe] = 70% Diagrama TTS para varios aceros duplex Solo α α+γ 55/45 Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex
  • 51. Aceros inoxidables duplex. Aplicaciones 51  Alta resistencia para sustituir a los aceros austeníticos.  Esta mayor resistencia disminuye el peso y el costo.  Baja susceptibilidad a la corrosión en ambientes con cloruros.  Tanques, depósitos y tuberías Industria química, petrolera, gasística o del papel.  Propulsores y bombas de agua de mar en plataformas marinas.  Alta resistencia a la corrosión por fatiga.  Rodillos extrusores en la industria del papel. Introducción Metalurgia Familias Selección Ferrítico Martensítico Austenítico Duplex
  • 52. Guías de selección 52 Coste Fabricación Propiedades mecánicas Resistencia a corrosión Introducción Metalurgia Familias Selección
  • 53. Selección por resistencia a la corrosión 0 5 10 15 20 25 410S 304L 316 2205 254SMO Porcentaje 0 2 4 6 8 10 12 Concentración H 2 SO 4 límite %Cr %Ni %Mo Molar Mejor guía ¿Dónde se ha usado antes? ¿Cuál fue su vida de servicio? ¿Cómo y cuándo se ha corroído? 53 Corrosión uniforme Introducción Metalurgia Familias Selección
  • 54. Selección por resistencia a la corrosión (II) 0 20 40 60 80 100 120 20 30 40 50 60 CPT, ºC Cr+3.3Mo+16N 316 316L 317 2205 254SMO 654SM  Presencia de cloruros  Temperatura elevadas  pH bajos 54 Corrosión local y por picadura PREN= % Cr + 3.3%Mo + 16%N CPT = Temperatura crítica para picadura en NaCl 1M Introducción Metalurgia Familias Selección
  • 55. Selección por resistencia a la corrosión (III)  Ocurre con trazas de cloruros  Temperaturas a partir de 60º C  Tensiones de tracción relativamente pequeñas 55 Corrosión bajo tensiones Introducción Metalurgia Familias Selección 0 5 10 15 20 25 30 0 200 400 600 800 1000 1200 254 SMO 316 304L 2205 430 PORCENTAJE DE NI TIEMPO EN HORAS Tiempo %Ni
  • 56. Selección por propiedades físicas 56 Introducción Metalurgia Familias Selección TS: Resistencia a la tracción RM: Respuesta Magnética RO: Resistencia a la Oxidación RBT: Resistencia a baja temperatura martensítico ferrítico duplex austenítico 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 TS RM RO RBT
  • 57. Selección por fabricación 57 Introducción Metalurgia Familias Selección 1 10 1 4 6 2 8 5 8 5 4 5 0 2 4 6 8 10 12 Comformado Mecanizado Soldadura martensítico ferrítico austenítico duplex
  • 58. Selección por coste 58 Introducción Metalurgia Familias Selección 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0 5 10 15 20 25 30 430 442 410 17-7PH 304 309 316 317 904L 654 2205 2507 Euros/ton Porcentaje, % Cr Ni Mo COSTE
  • 59. Sumario.  ¿Puedo disponer de un Inox resistente, tenaz, barato y resistente a la corrosión?  Es posible – depende del medio.  ¿Por que hay tal variedad de aceros inoxidables?  Porque intentamos optimizar los materiales para los distintos ambientes específicos en los que debe operar. 59 Composición / Procesado Propiedades Estructura Función Los aceros inoxidables son sencillos (relativamente)
  • 60. Bibliografía básica CASTI Handbook of Stainless Steel & Nickel Alloys, Stephen Lamb, CASTI Publishing Inc. (1999) ISBN 1-894038-34-7. Stainless Steel R. A. Lula, ed. American Society for Metals, (1986) ISBN 0-87170-208-8. Handbook of Stainless Steels D. Peckner y E. M. Bernstein, ed. McGraw-Hill Book Company (1977) ASIN: 007049147X. Steels: Metallurgy & Applications D. T. Llewellyn, ed. Butterworth-Heinemann, (1992) ISBN0-7506-2086-2. Steels: Microstructure and Properties R. W. K. Honeycombe y H. K. D. H. Bhadeshia, Ed. Edward Arnold (1995) ISBN 0-340-58946-9. Structure and Properties of Engineering Alloys W. F. Smith, ed. McGraw-Hill (1993) ISBN 0-07-112829-8. 60
  • 61. Enlaces recomendables Stainless Steel World. www.stainless-steel-world.net. The European Stainless Steel Development Association. www.euro-inox.org/. ASSDA: Australian Stainless Steel Development Association. www.assda.asn.au. Avesta Polarit Stainless. www.avestapolarit.com. Atlas Steel Product Co. www.Atlas-steel.com. The Hendrix Group. Materials and corrosion engineers. www.hghouston.com. 61