Resistencia extrema al cobre por un consorcio bacteriano conformado por Sulfo...
Aceros inoxidables 2017b.ppsx
1. LECCIÓN: ACEROS INOXIDABLES
ASIGNATURA: MATERIALES FUNCIONALES Y
ESTRUCTURALES
PROGRAMA DE POSTGRADO: MASTER EN QUÍMICAS
ID: http://hdl.handle.net/10498/7404
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
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)
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
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
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
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