Caracterización de las propiedades mecánicas de una olla nueva y usada de acero inoxidable austenítico

Texto completo

(1)UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA METALÚRGICA. “CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE UNA OLLA NUEVA Y USADA DE ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO”. Tesis presentada por el Bachiller: ZAPATA CASANI, RONALD JOSE Para optar el Título Profesional de INGENIERO METALURGISTA. AREQUIPA-PERÚ 2019.

(2) PRESENTACIÓN Señor Decano de la Facultad de Ingeniería de Procesos de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Señores miembros del Jurado. En cumplimiento con las disposiciones del reglamento de grados y títulos de la carrera Profesional de Ingeniería Metalúrgica y con el propósito de optar el título profesional de Ingeniero Metalúrgico, pongo a vuestra consideración el presente trabajo titulado: “CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE UNA OLLA NUEVA Y USADA DE ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO”. El presente trabajo consiste en caracterizar el acero inoxidableaustenitico 201, este acero está referido al material que se usa para elaborar ollas, sartenes y todo menajería de cocina.. En los últimos años la tecnología del embutido ha desarrollado enormemente en la elaboración de ollas.. Es así, que se desea verificar las propiedades mecánicas, considerando si el comportamiento de la estructura inicial es semejante a la estructura del acero en servicio, dado que las ollas de acero inoxidable permanentemente están sujetas a variación de temperatura.. Por tanto, si la variación de estructura o tamaño de grano es muy significativa, es necesario recomendar el retiro de las ollas por otras nuevas, dado que no se puede poner en peligro nuestra salud, por la aparición de otro tipo de estructuras que no sean la austenitica.. Para alcanzar los objetivos propuestos se plantea caracterizar el material de una olla nueva de acero inoxidable austenítico 201 con el de una olla usada del mismo material.. Para ello se realizarán medidas de dureza, resistencia, y caracterización micro estructural de muestras de acero nuevo y usado.

(3) “CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE UNA OLLA NUEVA Y USADA DE ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO” CONTENIDO. PRESENTACIÓN ÍNDICE INTRODUCCIÓN RESUMEN ABSTRACT ENTREGA DE TESIS. CAPÍTULO I - GENERALIDADES. 1.1 Antecedentes ........................................................................................................ 1 1.2 Planteamiento del problema .................................................................................. 2 1.3 Justificación........................................................................................................... 2 1.4 Hipótesis ............................................................................................................... 2 1.5 Objetivos ............................................................................................................... 3 1.5.1 Objetivo general ........................................................................................ 3 1.5.2 Objetivos específicos ................................................................................ 3. CAPÍTULO II - MARCO TEORICO. 2.1 Aceros Aleados ..................................................................................................... 4 2.1.1 Clasificación de los aceros aleados ........................................................... 5 2.1.2 Ventajas de los aceros aleados ................................................................. 5 2.2 Elementos de aleación .......................................................................................... 6 2.2.1. Níquel ....................................................................................................... 6 2.2.2. Cromo ...................................................................................................... 7 2.2.3. Molibdeno ................................................................................................ 8 2.2.4. Wolframio ................................................................................................ 8 2.2.5. Vanadio ................................................................................................... 8 2.2.6. Manganeso ............................................................................................. 8 2.2.7. Silicio ....................................................................................................... 9 2.2.8. Cobalto .................................................................................................... 9.

(4) 2.2.9. Aluminio .................................................................................................. 10 2.2.10. Titanio ................................................................................................... 10 2.2.11. Cobre .................................................................................................... 10 2.2.12. Boro ...................................................................................................... 11 2.3 Aceros inoxidables ................................................................................................ 12 2.4 Tipos de aceros inoxidables .................................................................................. 14 2.4.1 Aceros inoxidables Martensíticos .............................................................. 16 2.4.2 Aceros inoxidables Austeníticos ................................................................ 17 2.4.3 Aceros inoxidables Ferríticos..................................................................... 21 2.4.4 Aceros inoxidables Dúplex ........................................................................ 23 2.4.5 Aceros inoxidables para herramientas ....................................................... 29 2.5. Diagramas de los Aceros Inoxidables y Microestructuras .................................... 33 2.5.1. Influencia del Níquel ................................................................................ 35 2.5.2. Fase Sigma .............................................................................................. 36. CAPÍTULO III - APLICACIONES DEL ACERO AUSTENÍTICO 201EN OLLAS. 3.1 Acero Inoxidable 201 ............................................................................................. 38 3.1.1. Procesamiento ........................................................................................ 40 3.1.2. Corrosión ................................................................................................. 41 3.1.3. Resistencia a la Oxidación a altas temperaturas ..................................... 42 3.1.4. Aplicaciones ............................................................................................. 42 3.2 Tratamientos Térmicos Para De Los Aceros Inoxidables 201................................ 42 3.3 Corrosión Inter Granular ........................................................................................ 43 3.4 Ollas de acero inoxidable austenitico .................................................................... 44 3.5 Embutición del Acero 201 .................................................................................... 47 3.5.1. Norma de Embutición .............................................................................. 48 3.5.2. Proceso de Embutición ............................................................................ 49 3.5.3. Selección del Material ............................................................................. 50. CAPÍTULO IV - DESARROLLO EXPERIMENTAL. 4.1 Selección De La Probeta De Acero Inoxidable austeníticoAISI 201....................... 51 4.1.1 Tamaño De La Muestra Metalográfica De Acero ....................................... 54 4.2 Preparación De Muestras para el análisis microestructural ................................... 56 4.2.1 Montaje De Muestra .................................................................................. 57.

(5) 4.3 Desbaste ............................................................................................................... 60 4.3.1 Pulido ........................................................................................................ 62 4.4 Ataque Químico..................................................................................................... 63 4.4.1 Reactivos de ataque .................................................................................. 65 4.5 Microscopia Óptica ................................................................................................ 67 4.6 Ensayos Mecánicos .............................................................................................. 74 4.6.1 Ensayo de dureza ..................................................................................... 74 4.6.2 Ensayo de tensión ..................................................................................... 76. CAPÍTULO V - ANÁALISIS DE RESULTADOS. 5.1 Análisis de ensayo de dureza ................................................................................ 87 5.2 Análisis de Ensayo de Tensión.............................................................................. 88 5.3 Análisis Micro estructural ....................................................................................... 93. CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA GLOSARIO DE TÉRMINOS.

(6) INTRODUCCIÓN En la presente investigación se evaluó el comportamiento mecánico y microestructura del Acero Inoxidable austenitico AISI 201 nuevo y usado, los ensayos mecánicos realizados fueron de: Tracción y Dureza. Los aceros inoxidables se caracterizan por su resistencia a la corrosión, alta resistencia y ductilidad, así como por su elevado contenido de cromo (Cr), se les llama Inoxidables porque en presencia de oxigeno (aire), desarrollan una delgada películade óxido de cromo, dura y adherente, que protege el metal de la corrosión (Pasivación). Se dividen en: Austeníticos (Serie 200 y 300), Ferríticos (Serie 400); Martensíticos (Serie 400 y 500), de Endurecimiento por Precipitación (pH) y de Estructura Duplex. Los aceros inoxidables austeníticos constituyen la clase más grande, en términos tanto de números de aleaciones como de utilización. Tienen la estructura cubica centrada en la cara (CCF) a temperatura ambiente y altas; por lo tanto, no son termo tratables. No son magnéticos y presentan excelente ductilidad, formalidad y tenacidad, incluso a temperaturas criogénicas. Tienen en general 16-26 por ciento de Cromo (Cr), hasta 25 por cientode Níquel (Ni) y hasta 20 por ciento de manganeso (Mn). El Níquel y el Manganeso son los principales formadores de austenita, aunque el carbono (C) y el Nitrógeno (N) se disuelven fácilmente en la austenita. La serie 2XX contiene algo de N, hasta 7 por ciento de N, y requiere de 5- 20 por ciento de Mn para aumentar la solubilidad del N en la austenita y para prevenir la formación de martensita. El nitrógeno intersticial en solución aumenta la resistencia de la austenita.. Esta aleación sirve a un amplio rango de ambientes moderadamente oxidantes y moderadamente reductores. Soporta oxidación ordinaria en la arquitectura y es inmune a ambientes donde se procesan alimentos. Resiste químicos orgánicos y una amplia variedad de químicos inorgánicos.. Con todos estos criterios indicados, Se planteó la problemática que existe en la calidad de las ollas, sartenes y todo tipo de menajería de cocina relacionado a si estas conservan sus propiedades originales del acero tipo 201. Esta investigación se llevó a cabo en el laboratorio de microscopia del pabellón Antonio Raymondi de la Universidad Nacional de San Agustin y los ensayos mecánicos se desarrollaron en la Universidad Católica de Santa Maria, bajo asesoramiento de un profesional en la materia..

(7) RESUMEN La tesis desarrollada consiste en caracterizar las propiedades mecánicas a través de las microestructuras presentes en el acero inoxidable austenitico 201; este acero comúnmente es utilizado en la fabricación de ollas y sartenes para uso de cocina. En la actualidad se ha desarrollado tecnologías de conformado de ollas en acero inoxidable mediante el embutido, para que este proceso de fabricación sea viable tiene que cumplirse ciertas condiciones mecánicas que permitan dar formas definidas y garantizar propiedades óptimas para el uso destinado; para ello se caracterizará el acero inoxidable austenitico de una olla nueva y una de servicio luego de un periodo de tiempo de uso. El objetivo es caracterizar su microestructura antes y después del acero en servicio, para poder analizar los efectos de la temperatura en el acero,así como su comportamiento con las soluciones propias de una olla de cocina.. Una de las actividades importantes en este estudio es la evaluación del tamaño de grano en el acero antes y después de puesta en servicio de la olla, este análisis es muy importante porque nos da información de su fragilidad, relacionando con la teoría básica de que a mayor tamaño de grano las propiedades de dureza aumentan incrementándose su fragilidad y este podría provocar fisuras durante el uso de la olla.. El acero inoxidable austenitico 201 utilizado tienen en su composición química Cr-Ni, además bajo porcentaje de carbono, por su composición química es viable su conformado por embutido, ya que la plancha de acero fluye en el molde cuando la carga de esfuerzo es aplicado para dar forma al producto. Algunos aceros que por su composición química presente y sus propiedades mecánicas son difícil de conformar, por consiguiente deben de aplicarse temperaturas para que el material fluya en el molde del conformado, sin embargo el acero inoxidable austenitico 201 es fácilmente conformado si se adiciona temperatura.. Durante el desarrollo de la tesis se abarca el análisis metalográfico y de ensayos mecánicos que darán información del comportamiento del acero austenitico utilizado para fabricación de ollas, por su bajo porcentaje de carbono se minimiza la cantidad de precipitación del carburo de cromo y la tendencia de corrosión inter granular en un rango de temperatura de 426 a 900°C. Finalmente se ha concebido los resultados y uno de los más importantes es el porcentaje de austenita en la base de la olla con servicio que fue mayor a la olla nueva.. Palabras clave: Corrosion, Tenacidad, Criogenico, Solubilidad..

(8) ABSTRACT The thesis developed consists in characterizing the mechanical properties through the microstructures present in austenitic stainless steel 201; This steel is commonly used in the manufacture of pots and pans for kitchen use. Nowadays, stainless steel pot forming technologies have been developed by means of sausage, in order for this manufacturing process to be viable, certain mechanical conditions must be fulfilled that allow to give defined shapes and guarantee optimum properties for the intended use; For this, the austenitic stainless steel of a new and service pot will be characterized after a period of use. The objective is to characterize its microstructure before and after the steel in service, in order to analyze the effects of temperature on the steel, as well as its behavior with the solutions of a cooking pot.. One of the important activities in this study is the evaluation of the grain size in the steel before and after commissioning the pot, this analysis is very important because it gives us information about its fragility, relating to the basic theory that larger grain size hardness properties increase increasing its fragility and this could cause cracks during the use of the pot.. The austenitic stainless steel 201 used has in its chemical composition Cr-Ni, in addition to a low percentage of carbon, due to its chemical composition, it is feasible to form a sausage, since the steel plate flows into the mold when the stress load is applied to Shape the product. Some steels that due to their present chemical composition and mechanical properties are difficult to form, therefore temperatures must be applied so that the material flows into the mold of the forming, however austenitic stainless steel 201 is easily formed if temperature is added.. During the development of the thesis, the metallographic analysis and mechanical tests that will provide information on the behavior of the austenitic steel used to manufacture pots are covered, due to its low percentage of carbon, the amount of precipitation of chromium carbide and the tendency of corrosion is minimized inter granular in a temperature range of 426 to 900°C. Finally, the results have been conceived and one of the most important is the percentage of austenite at the base of the pot with service that was higher than the new pot. Keywords: Corrosion, Tenacity, Cryogenic, Solubility..

(9) UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE INGENIERÍIA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA METALÚRGICA. ENTREGA DE TESIS. Bachiller: ZAPATA CASANI, RONALD JOSE TESIS: “CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE UNA OLLA NUEVA Y USADA DE ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO”. Dr. GERMAN RODRIGUEZ VELARDE PRESIDENTE. Mg. PERCY DAVALOS HUISA MIEMBRO. Dr. JERSON ALVARADO MIEMBRO.

(10) CAPÍTULO I. GENERALIDADES. 1.1. ANTECEDENTES. Desde el siglo XIX, los científicos ingleses Stoddard y Farraday junto con el francés Pierre Berthier notaron al igual que otros científicos, que las aleaciones a base de hierro-cromo eran más resistentes al ataque de ciertos ácidos.. El francés, Brustlein, destacó la importancia del bajo contenido de carbono en la fabricación exitosa de lo que hoy conocemos como acero inoxidable: Estableció que para crear una aleación con alto porcentaje de cromo, el contenido de carbono debía permanecer por debajo del 0.15%.. El alemán, Hans Goldschmidt desarrolló el proceso de reducción aluminotérmica para producir cromo libre de carbono. Este descubrimiento, junto con otros factores, permitió que el acero inoxidable se volviera una realidad. Ya en el siglo XX, el científico francés Leon Guillet realizó investigaciones amplias sobre aleaciones de hierro-cromo. Su trabajo incluyó el estudio de las composiciones de lo que hoy conocemos como los martensíticos tipo 410, 420 y 442. Se adentró en el análisis de lo que hoy se considera las bases de la serie 300 (austeníticos).. El inglés Harry Brearley busco como prolongar la vida de los aceros de los cañones de guerra ya que se corroían rápidamente y empezó a experimentar con aleaciones que contenían cromo con rangos del 6 al 15%. Un año después, creó. 1.

(11) un acero que contenía 12.8% de cromo y 0.24% de carbono, logrando la primera colada comercial de acero inoxidable que desarrolló aleaciones hierro-cromo extremadamente duraderas (martensíticos).. De esta manera, desde hace 100 años, existe el acero inoxidable, un material resistente y bello que sin duda combinó los esfuerzos de científicos y metalurgistas de varias partes del mundo y que gracias a ello, hoy contamos con un futuro brillante y perdurable para sin número de aplicaciones en diversos sectores productivos.. 1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. En los últimos años la industria de la fabricación de ollas, sartenes y menajería de la cocina de acero inoxidable se ha incrementado considerablemente, partiendo de su composición original y propiedades de resistencia a cambios de temperatura constante es necesario conocer si conservan las propiedades originales del acero tipo 201.. 1.3. JUSTIFICACIÓN. La justificación de la investigación básicamente está relacionada a la necesidad de conocer si las propiedades originales del acero 201 se conservan y garanticen una larga duración e inocuidad tras su uso; además de la alta demanda de este tipo de ollas.. 1.4. HIPÓTESIS. Las propiedades mecánicas y la metalografía de una olla nueva y una usada serán diferentes, evidenciándose un desgaste y disminución de la calidad en la olla puesta en servicio.. 2.

(12) 1.5. OBJETIVOS. 1.5.1. OBJETIVO GENERAL. Conocer las microestructuras Metalográficas y las propiedades mecánicas tales como la dureza y tracción del acero inoxidable austenitico de una olla nueva y usada.. 1.5.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 1. Analizar las microestructuras presentes antes y después del uso de las ollas de acero inoxidable austenitico 201. 2. Evaluar microestructura metalográfica y propiedades mecánicas de las ollas en diferentes partes. (base y paredes). 3. Diferenciar el tamaño de grano en diferentes partes de las ollas antes y después del uso.. 3.

(13) CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO. 2.1. ACEROS ALEADOS. Se da el nombre de aceros aleados a los aceros que además de los cinco elementos: carbono, silicio, manganeso, fósforo y azufre, también contienen cantidades relativamente importantes de otros elementos como molibdeno, cromo, níquel, etc., que sirven para mejorar algunas de sus características fundamentales. También pueden considerarse aceros aleados, a los aceros con mayor proporción que los porcentajes normales de los aceros al carbono de los cuatro elementos diferente del carbono que antes hemos citado y cuyos límites superiores suelen ser los siguientes: •. Si = 0,50%. •. Mn = 0,90%. •. P = 0,10%. •. S = 0,10%. Los elementos de aleación más frecuentes que se utilizan para la fabricación de aceros aleados son: níquel, manganeso, cromo, vanadio, wolframio, molibdeno, cobalto, silicio, cobre, titanio, zirconio, plomo, selenio, niobio, aluminio y boro.. La influencia que ejercen esos elementos es muy variada, y, empleados en proporciones convenientes, se obtienen aceros con ciertas características que, en cambio, no se pueden alcanzar con los aceros ordinarios al carbono.. 4.

(14) 2.1.1. CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS ALEADOS •. Aceros en los que tiene una gran importancia la templabilidad:. •. Aceros de gran resistencia. •. Aceros de cementación. •. Aceros de muelles. •. Aceros indeformables. •. Aceros de construcción. •. Aceros para muelles. •. Aceros de nitruración. •. Aceros resistentes al desgaste. •. Aceros para imanes. •. Aceros para chapa magnética. •. Aceros inoxidables y resistentes al calor. •. Aceros de herramientas:. •. Aceros rápidos. •. Aceros de corte no rápidos. •. Aceros indeformables. •. Aceros resistentes al desgaste. •. Aceros para trabajos de choque. •. Aceros inoxidables y resistentes al calor. 2.1.2. VENTAJAS DE ACEROS ALEADOS. Utilizando aceros aleados se puede lograr: •. Piezas de gran espesor con elevadas resistencias en su interior. •. Grandes durezas con tenacidad. •. Mantener una resistencia elevada a grandes temperaturas. •. Aceros inoxidables. •. Aceros resistentes a la acción de agentes corrosivos. •. Herramientas que realicen trabajos muy forzados y que no pierdan dureza al calentarse. 5.

(15) Esto nos muestra que la influencia que ejercen los elementos de aleación en los aceros es muy variada, lo cual nos permite obtener ciertas características que no se pueden obtener con los aceros ordinarios al carbón.. 2.2. ELEMENTOS DE ALEACIÓN. 2.2.1. NÍQUEL. Desde que se empezó a usar el níquel en los aceros, se vio que este elemento mejora las propiedades de los aceros. El empleo de aceros con níquel es sobre todo interesante para la construcción de piezas de máquinas y motores de alta calidad.. Una de las ventajas más importantes que reporta el empleo del níquel, es evitar el crecimiento del grano en tratamientos térmicos, lo que sirve para conseguir siempre con ellos gran tenacidad. Los aceros al níquel sometidos a temperaturas demasiado elevadas, quedan después del temple y revenido con muy buena tenacidad. El níquel, hace descender los puntos críticos y por ello los tratamientos térmicos pueden hacerse a temperaturas ligeramente más bajas que las correspondientes a los aceros ordinarios.. Experimentalmente se observa que con los aceros aleados con níquel se obtiene para una misma dureza, un límite de elasticidad ligeramente más elevado y mayores alargamientos y resistencias que con aceros al carbono. También es muy interesante señalar que para la misma dureza su resistencia a la fatiga es un 30% superior a la de los aceros de baja aleación.. Entre todos los elementos aleados, el níquel, que cristaliza como austenita en cubos de caras centradas, es el único que forma con el hierro una serie continua de soluciones sólidas. El níquel hace descender la temperatura de transformación gamma−alfa y, por lo tanto, tiende a estabilizar a bajas temperaturas la fase austenítica de caras centradas. Las aleaciones con. 6.

(16) más de 30% de níquel son austeníticas a la temperatura ambiente, y poseen ciertas propiedades magnéticas.. El níquel es un elemento de extraordinaria importancia en la fabricación de aceros inoxidables y resistentes a altas temperaturas. La aleación hierro−níquel con menos de 0,10% de carbono y 36% de níquel tiene una dilatación muy baja, casi nula, entre 0°C y 100°C y recibe el nombre de invar.. Los aceros al níquel más utilizados son los siguientes: •. Aceros al de níquel: 2,3% − 5% de Ni, 0,1−0,25% de C (para cementación) y con 0,25−0,4% de C (para piezas de gran resistencia).. •. Aceros cromo−níquel y aceros cromo níquel molibdeno: con porcentajes variables de C (0,1−0,22%) se emplean para cementación y con 0,25−0,4% de C se emplean para piezas de gran resistencia. En estos aceros los porcentajes de cromo−níquel suelen tener una relación aproximada de 1% Cr y 3% Ni.. •. Aceros de media aleación níquel−molibdeno y níquel manganeso: 0,25− 0,4% de C para piezas de gran resistencia y con 0,1−0,25% para piezas cementadas, Ni de 1−2%, Mn 1−1,5%, Molibdeno 0,15−0,4%.. •. Aceros inoxidables y resistentes al calor cromo−níquel: con 8−25% de Ni. •. Otros aceros de menor importancia son los aceros cromo−níquel para estampación en caliente, algunos de los aceros al níquel para herramientas, y otros de uso poco frecuente. 2.2.2. CROMO. Es uno de los elementos especiales más empleados para la fabricación de aceros aleados, usándose indistintamente en los aceros de construcción, en los de herramientas, en los inoxidables y en los de resistencia en caliente. Se emplea en cantidades diversas desde 0,3 a 30% de Cr según los casos, y sirve para aumentar la dureza y la resistencia a la tracción de los aceros, mejora la templabilidad, impide las deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al desgaste, la inoxibilidad, etc.. 7.

(17) 2.2.3. MOLIBDENO. Este elemento mejora la resistencia a la tracción, la templabilidad, la resistencia al “creep” de los aceros. Añadiendo pequeñas cantidades a los aceros cromo−níquel, se disminuye o eliminala fragilidad Krupp que se presenta cuando estos aceros son revenidos en la zona de los 450°C a 550°C.. También aumenta la resistencia de los aceros en caliente y reemplaza al wolframio en la fabricación de aceros rápidos, pudiendo emplear para las mismas aplicaciones aproximadamente una parte de molibdeno por cada dos de wolframio.. 2.2.4. WOLFRAMIO. El wolframio es un elemento muy utilizado para la fabricación de aceros para herramientas, empleándose en especial en los aceros rápidos, aceros para herramientas de corte, y aceros para trabajos en calientes.. Sirve para aumentar la dureza a elevadas temperaturas y evitan que se desafilen o ablanden las herramientas, aunque lleguen a calentarse a 500° o 600°C. También se usa para la fabricación de aceros para imanes.. 2.2.5. VANADIO. Se emplea principalmente para la fabricación de aceros de herramientas, tiende a afinar el grano y disminuir la templabilidad. Es un elemento desoxidante muy fuerte.. 2.2.6. MANGANESO. El manganeso aparece prácticamente en todos los aceros, debido, principalmente, a que se añade como elemento de adición para neutralizar la perniciosa influencia del azufre y del oxígeno, que siempre suelen contener los aceros cuando se encuentran en estado líquido en los hornos. 8.

(18) durante el proceso de fabricación. El manganeso actúa también como desoxidante y evita, en parte, que en la solidificación del acero se desprendan gases que den lugar a la formación de porosidades perjudiciales en el material.. Este se suele usar también como elemento de aleación. Al aumentar de 0,6 a 1,6% aproximadamente el porcentaje de manganeso en los aceros, se aumenta ligeramente su resistencia, se mejora su templabilidad, siendo interesante destacar que el manganeso es un elemento de aleación relativamente barato.. 2.2.7. SILICIO. Este elemento aparece en todos los aceros, al igual que el manganeso, se añade intencionalmente durante el proceso de fabricación. Es un desoxidante más enérgico que el manganeso y se emplea como elemento desoxidante complementario del manganeso con objeto de evitar que aparezcan en el acero poros y defectos internos. Las adicione de silicio se hacen durante la fabricación, suelen ser relativamente pequeñas y variables (0,2− 0,35% de Si).. Una clase de acero para muelles muy empleadas contiene cantidades de silicio de 1,5 a 2,25% de Sí. En los aceros, el silicio sirve para aumentar ligeramente la templabilidad y elevar sensiblemente el límite elástico y la resistencia a la fatiga de los aceros sin reducir su tenacidad.. Se emplean aceros de 1 a 4,5% de Si para la fabricación de chapa magnética.. 2.2.8. COBALTO. El cobalto se emplea casi exclusivamente en los aceros rápidos de más alta calidad. Este elemento, al ser incorporado a los aceros, se combina con la ferrita, aumentando su dureza y resistencia. En los aceros de alto porcentaje de carbono reduce la templabilidad. En los aceros al wolframio. 9.

(19) endurece la ferrita con lo que facilita el mantenimiento de la dureza y de la aptitud de corte de las herramientas a elevada temperatura.. El cobalto se suele emplear en los aceros rápidos al wolframio de máxima calidad en porcentaje variable de 3 a 10%.. Los aceros para imanes con cobalto, contienen además cromo y wolframio. 2.2.9. ALUMINIO. El aluminio se emplea como elemento de aleación en los aceros de nitruración, que suelen contener 1% aproximadamente de aluminio. También se usa en algunos aceros resistentes al calor. El aluminio es un elemento desoxidante muy enérgico y es frecuente añadir 300 gr por tonelada de acero para desoxidarlo y afinar el grano.. En general los aceros aleados de calidad contienen aluminio en porcentajes pequeñísimos de 0,001 a 0,008% de Al.. 2.2.10. TITANIO. Se suelen añadir pequeñas cantidades de titanio a algunos aceros muy especiales para desoxidar y afinar el grano. El titanio tiene gran tendencia a formar carburos y a combinarse con el nitrógeno. En los aceros inoxidables cromo−níquel, actúa como estabilizador de los carburos y evita la corrosión ínter cristalina.. 2.2.11. COBRE. El cobre se suele emplear para mejorar la resistencia a la corrosión de ciertos aceros de 0,15 a 0,30% de carbono, que se usan para grandes construcciones metálicas. Se suelen emplear contenidos de cobre variables de 0,4 a 0,5%.. 10.

(20) 2.2.12. BORO. El boro es un elemento de aleación que ha comenzado a ser empleado recientemente.. Experimentalmente. se. ha. visto. que. cantidades. pequeñísimas de boro del orden 0,001 a 0,006%, mejoran notablemente la templabilidad, siendo en este aspecto el más efectivo de los elementos aleados y el de mayor poder templante de todos. Su eficacia para mejorar la templabilidad es extraordinaria, y para 0,40% de carbono puede decirse que su efecto es, aproximadamente, unas 50 veces mayor que el del molibdeno, unas 75 veces mayor que el cromo, unas 150 veces mayor que el manganeso y unas 400 veces mayor que el níquel.. EFECTO DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN EN EL DIAGRAMA DE FASES. Los distintos elementos de aleación dan lugar a que la temperatura eutectoide del Diagrama Fe-C aumente o disminuya, Tanto el manganeso como el níquel determinan una disminución de la temperatura eutectoide, y por tanto actúan como elementos gammágenos o estabilizadores de la austenita, aumentando por lo tanto la zona de existencia de la austenita en el Diagrama Fe-C.. Efecto de los elementos de aleación en la temperatura de transformación eutectoide.. 11.

(21) Por el contrario, los elementos formadores de carburos como el Cr, W, Mo, Ti, etc. elevan los valores de la temperatura eutectoide y disminuyen por tanto la zona de fase austenítica, o lo que es lo mismo amplían la zona de existencia de la ferrita. A estos elementos se les denomina alfágenos o elementos estabilizadores de la ferrita. Todos los elementos de aleación, en mayor medida los formadores de carburos, disminuyen el porcentaje de carbono en la composición eutectoide, pudiendo obtener aceros hipereutectoides con un bajo contenido en carbono.. Efecto de los elementos de aleación en el contenido en carbono del eutectoide.. 2.3. ACEROS INOXIDABLES. El acero inoxidable es una aleación de hierro y carbono que contiene por definición un mínimo de 11% de cromo. Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos aleantes. Los principales son el níquel y el molibdeno.. Son una clase especial de aleaciones de acero conocidos principalmente por sus propiedades resistentes a la corrosión. Las características inoxidables asociados con estas aleaciones se logran a través de la formación de una película superficial de óxido invisible y adherente rica en cromo que, cuando se daña, tiene la rara habilidad de curarse a sí mismo en presencia de oxígeno (Fig. Nº 2.1). 12.

(22) Su principal característica es su alta resistencia a la corrosión. Esta resistencia es debido a la formación espontánea de una capa de óxido de cromo en la superficie del acero. Aunque es extremadamente fina, esta película invisible está firmemente adherida al metal y es extremadamente protectora en una amplia gama de medios corrosivos. Dicha película es rápidamente restaurada en presencia del oxígeno cuando es rayada, desbastada por algún elemento, o algún tipo de mecanizado.. El cromo es el elemento de aleación que imparte resistencia a la corrosión a los aceros inoxidables, pero muchos otros elementos pueden ser añadidos para estabilizar otras fases, proporcionar resistencia a la corrosión, o producir propiedades mecánicas mejoradas.Para aumentar la resistencia a la corrosión el cromo puede aumentarse y pueden añadirse otros elementos tales como níquel o molibdeno. El grado de impenetrabilidad de la capa de óxido en ciertos ambientes depende no sólo de la composición de la aleación, también es afectada por el medio específico, la temperatura de éste, y la concentración del agente corrosivo.. Como se ha visto, los aceros inoxidables son aleaciones de hierro (Fe), cromo (Cr) en un porcentaje en peso >10,5%, y de carbono (C) cuyo porcentaje debe ser <1,2%. A parte de estos componentes, a los aceros inoxidables se les complementan con otros elementos aleantes que les confiere distintas propiedades que serán útiles según el uso a que se destine el acero. Entre estos nuevos elementos que se añaden a la composición de los aceros inoxidables se encuentra fundamentalmente el níquel (Ni), aunque también se suelen emplear el molibdeno (Mo), nitrógeno (N) o el titanio (Ti), entre otros.. Otras características deseables pueden incluir excelente conformabilidad, alta temperatura ambiente y tenacidad criogénica, y buena resistencia a la descamación, la oxidación, y la fluencia a temperaturas elevadas.. Austenítico, ferrítico, y aceros inoxidables dúplex no pueden ser endurecidos por tratamiento térmico, y por lo tanto, de aleación y el procesamiento termo mecánico están diseñados para minimizar la formación de fases perjudiciales para la resistencia a la corrosión o la tenacidad. En los aceros inoxidables austeníticos, la fuerza también es desarrollada por trabajo en frío y la formación de martensita inducida por deformación. Los aceros inoxidables martensíticos pueden ser tratadas térmicamente por temple y revenido a alta dureza y resistencia. Los. 13.

(23) grados de endurecimiento por precipitación de acero inoxidable también se han desarrollado.. Figura Nº 2.1. Comportamiento de la capa de óxido de cromo a) El acero inoxidable forma una capa de óxido de cromo. b) Cuando es rayado, esta película protectora es removida. c) La capa protectora es restaurada.. 2.4. TIPOS DE ACEROS INOXIDABLES. De esta manera, los aceros inoxidables se van a clasificar en función de los distintos elementos y de las cantidades relativas de cada uno de ellos que intervienen en su composición. De forma general se consideran cuatro familias básicas. de. aceros. inoxidables:. martensíticos,. ferríticos,. austeníticos,. endurecimiento por precipitación y dúplex.. La Tabla Nº 2.1 muestra los distintos tipos de aceros inoxidables respecto a su clasificación teniendo en cuenta el porcentaje de carbono y los tipos de aleantes utilizados para la producción de los aceros inoxidables.. 14.

(24) Tabla Nº 2.1. Tipos de Aceros Inoxidables.. 15.

(25) 2.4.1. ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS. Los aceros inoxidables martensíticos son esencialmente aleaciones Fe-Cr que contienen entre 12 y 17 por ciento de Cr y tienen suficiente carbono (0.15 a 1.0% C) para que se pueda producir mediante el templado una estructura martensítica a partir de la región de la fase austenítica. Estas aleaciones se denominan martensíticas porque son capaces de desarrollar una estructura de ese tipo después de un tratamiento térmico de austenitizado y templado.. Debido a que la composición de los aceros inoxidables martensíticos se ajusta para optimizar su solidez y dureza, la resistencia a la corrosión de estos aceros es relativamente mala en comparación con los de tipo ferrítico y austensítico.. Cuando el contenido de carbono de las aleaciones Fe-Cr se incrementa hasta casi 1% C, el bucle α se agranda. En consecuencia, las aleaciones Fe-Cr con casi 1% C pueden contener alrededor de 16 por ciento de Cr y seguir siendo capaces de producir una estructura martensítica al ser austenitizados y templados instantáneamente. La aleación tipo 440-C con 16 por ciento de Cr y 1 por ciento de C es el acero inoxidable martensítico de más alta dureza entre todos los aceros resistentes a la corrosión. Su elevada dureza se debe a una matriz martensítica dura y a la presencia de una gran concentración de carburos primarios, como se muestra en la microestructura del acero 440-C en la Fig. Nº 2.2.. 16.

(26) Figura Nº 2.2. Acero inoxidable (martensítico) tipo 440-C endurecido por austenitizado a 1 010°C (1 850°F) yenfriado por aire. La estructura consiste en carburos primarios en una matriz de martensita.. Los aceros inoxidables Martensíticos serie 400 son utilizados en: Válvulas; bombas; tornillos y cerraduras; tubería de control de la calefacción; placa para muelles; mesa de plancha; cubiertos (cuchillos, cortaplumas etc.); instrumentos de medición; tamices; ejes de funcionamiento; máquinas de la minería, herramientas manuales; llaves.. 2.4.2. ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS. Los aceros inoxidables austeníticos son en esencia aleaciones ternarias de hierro-cromo-níquel que contienen entre 16 y 25 por ciento de Cr y de 7 a 20 por ciento de Ni. La presencia del níquel, que tiene una estructura cristalina ccc, permite que dicha estructura se mantenga a la temperatura ambiente. La alta moldeabilidad de los aceros inoxidables austeníticos se debe a su estructura cristalina ccc.. La precipitación de carburos puede disminuirse el contenido de carbono (C < o = 0.03%) o bien acondicionarse al acero otros elementos, como el titanio o niobio, mas ávidos del carbono que del cromo.. Los aceros con carbono superior a 0.03% deberán ser sometidos a un temple austenitico (hipertemple) con el objeto de disolver los carburos. 17.

(27) precipitados. En estos aceros y en general en todos los inoxidables y refractarios, el tiempo de permanencia a la temperatura de tratamiento térmico deberá ser como minimo el doble que en los aceros al carbono, debido a su baja conductividad térmica.. En la Fig. Nº 2.3 se muestra la microestructura de un acero inoxidable tipo 304 que ha sido recocido a 1 065°C y enfriado por aire. Observe que no hay carburos visibles en la microestructura, como en el caso del acero tipo 430.. Figura Nº 2.3. Acero inoxidable (austenítico) tipo 304 recocido 5 min a 1 065°C (1 950°F) y enfriado por aire. La estructura consiste en granos de austenitaequiaxiales. Observe las mezclas del recocido.. a) AUSTENÍTICOS SERIE 200 •. AISI 201 / J4. Es conocido como sustituto del acero 304, pero con niveles más bajos de níquel. Normalmente utilizado en los aparatos domésticos, ornamentales, escaleras, muebles, estructura automotriz, o en otras aplicaciones de uso estructural (por su dureza) con exposición limitada a la corrosión. El porcentaje de níquel es 1.00 – 4.00. Su bajo porcentaje de níquel esta compensado por la contribución mejorada de los 4 elementos que la compone: Carbono, Manganeso, Cobre y Nitrógeno. 18.

(28) Microestructura original del acero inoxidable AISI 201, fotografia con un aumento de 1000X entre el lente objetivo y el lente ocular. •. AISI 202 /JSL AUS. También es conocido como sustituto del acero 304, con un mayor porcentaje de níquel que el 201. Utilizado en los aparatos domésticos, ornamentales,. escaleras,. ganchos,. productos. para. embutidos. extraprofundos, o en otras aplicaciones con exposición limitada a la corrosión. El porcentaje de níquel es 4,00 – 6,00.. Por su idéntica respuesta mecánica al clásico AISI 304 es el mejor candidato para suplirlo en diversas aplicaciones.. b) AUSTENÍTICOS SERIE 300 •. AISI 301. Posee finalidad estructural; correas transportadoras; aparatos domésticos; herraje; diafragmas; ornamentos de automóviles, equipos de transporte, aeronaves; herrajes para postes; fijadores (horquillas, cierres, estuches); conjuntos estructurales de alta resistencia que se requiere en los aviones, automóviles, camiones y carrocerías, vagones de ferrocarril.. 19.

(29) •. AISI 304. Electrodomésticos; finalidad estructural; equipos para la industria química y naval; industria farmacéutica, industria de tejidos y papel; refinería de petróleo; permutadores de calor; válvulas y piezas de tuberías; industria frigorífica; instalaciones criogénicas; almacenes de cerveza; tanques de almacenamiento de cerveza; equipos para perfeccionamiento de harina de maíz; equipos para lácteos; cúpula del reactor de usina atómica; tuberías de vapor; equipos y contenedores de fábricas nucleares; partes para almacenes de algunas bebidas carbonatadas; conductores descendientes del agua pluvial; coches de ferrocarril; canalones. •. AISI 304L. Recubrimiento para tolvas de carbón; tanques de pulverización de fertilizantes líquidos; tanques de almacenamiento de pasta de tomate; cuando se necesita una menor proporción de carbono que el tipo 301 para restringir la precipitación de carburos que resultan de la soldadura, especialmente cuando las partes no pueden recibir tratamiento térmico después de soldar; vagones de ferrocarril (cuando existe la necesidad de restringir la precipitación de carburos como resultado de la soldadura, sin tratamiento térmico posterior). •. AISI 310. Acero refractario para aplicaciones de alta temperatura, como los calentadores de aire; cajas de recocimiento; estufa de secamiento; escudos para caldera de vapor; hornos de fundición; recubrimientos, transportistas y soportes de hornos, intercambiadores de calor, compuertas de hornos, cilindros de rollos de transportistas, componentes de turbinas, cajas de cementación, equipos para fábrica de tinta, el apoyo de la bóveda de horno; componentes de turbinas de gas, intercambiadores de calor, las incineradoras, los componentes de quemadores de óleo, equipos de las refinerías de petróleo, recuperadores; tubería de sopladores de hollín, placas de horno, chimeneas y compuertas de chimeneas de. 20.

(30) hornos; conjuntos de diafragma de los bocales para motores turbojet; cubas para cristalización de nitrato; equipos para fábrica de papel. •. AISI 316. Piezas que demandan alta resistencia a la corrosión localizada; equipo de las industrias química, farmacéutica, textil, petrolera, papel, celulosa, caucho, nylon y tintas; diversas piezas y componentes utilizados en construcción naval; equipos criogénicos; equipos de procesamiento de película fotográfica; cubas de fermentación; instrumentos quirúrgicos. •. AISI 316L. Piezas que demandan alta resistencia a la corrosión localizada; equipo de las industrias química, farmacéutica, textil, petrolera, papel, celulosa, caucho, nylon y tintas; cubas de fermentación; piezas de válvulas; tanques; agitadores y evaporadores, condensadores; piezas expuestas al ambiente marítimo etc; piezas de válvulas; bombas; cuando se necesita una menor proporción de carbono que el tipo 304 para restringir la precipitación de carburos que resultan de la soldadura, especialmente cuando las partes no pueden recibir tratamiento térmico después de soldar; adornos; tanques soldados de almacenamiento de productos químicos y productos orgánicos; bandejas, recubrimiento para hornos de calcinación. •. AISI 316Ti. Mejor resistencia a la temperatura y la mecánica que el 316L – equipos para industrias químicas y petroquímicas.. 2.4.3. ACEROS INOXIDABLES FERRÍTICOS. Se caracterizan por su estructura ferritica a cualquier temperatura por consiguiente no hay transformaciones de la ferrita en austenita en el calentamiento ni transformación martensitica en el enfriamiento. Por esta razón no hay posibilidad de regeneración del grano y la re-cristalización. 21.

(31) solo es posible mediante una deformación plástica en frio, previo recocido o mediante una deformación en caliente.. En estos aceros cuando el contenido de cromo aumenta la resiliencia disminuye.Se identifican por tener una composición de hasta un 11% a 30% de Cr y carbono máximo de 0.12%. Su comportamiento estructural se rige bajo los lineamientos de la forma cristalina BCC (estructura cubica centrada en el cuerpo).. Los aceros inoxidables ferríticos tienen un costo relativamente bajo porque no contienen níquel. Se usan principalmente como materiales de construcción de tipo general cuando se necesita su resistencia especial a la corrosión y al calor. En la Fig. Nº 2.4 se muestra la microestructura del acero inoxidable ferrítico tipo 430 en estado recocido. La presencia de los carburos en este acero reduce en cierto grado su resistencia a la corrosión. En fechas más recientes se han desarrollado nuevos compuestos ferríticos con muy bajos niveles de carbono y nitrógeno, con lo cual ha mejorado su resistencia a la corrosión.. Figura Nº 2.4. Tira de acero inoxidable (ferrítico) tipo 430 recocido a 788°C (1 450°F). La estructura consiste en una matriz de ferrita con grano equiaxial y partículas de carburo dispersas.. El acero inoxidable Ferrítico, serie 400 tiene usos domésticos; fabricación de moneda; canalones; máquinas de lavar; placas de identificación,. 22.

(32) equipos de fabricación de ácido nítrico; fijación; calentadores; reflectores; pilas, cubiertos (tenedor y cuchara); adornos para automóviles; recubrimiento de la cámara de combustión de los motores iesel; puertas de cajas fuertes; pilas.. 2.4.4. ACEROS INOXIDABLES DÚPLEX. Son una familia de aleaciones que tienen dos fases: ferrita y austenita, con un contenido típico de ferrita de 40 y 60%. La relación ferrita/austenita se logra en las aleaciones forjadas por ajustes en la composición junto con el trabajo en caliente y prácticas de templado en la usina. Las aleaciones podrían ser llamadas aceros inoxidables ferrítico-austeníticos, pero el término “dúplex” es el más usado.. Los aceros dúplex contienen también: 20%< Cr < 30%, 5%< Ni < 8%, C< 0.03%, no sonendurecibles por tratamientos térmicos.. Estas aleaciones pueden contener nitrógeno en proporciones de 0.15 a 0.30%. Uno de los beneficios del nitrógeno es mejorar la resistencia a la corrosión por picado y por rendijas.. También es beneficioso en la fabricación de planchas de aleaciones de segunda generación, donde la transición dúctil - quebradizo se bajó bien por debajo de la temperatura ambiente, haciendo prácticas las soldaduras de grandes espesores. Sin embargo, las aleaciones dúplex no son usadas a temperaturas inferiores a -45ºC.. Las aleaciones dúplex ofrecen dos importantes ventajas: una resistencia más grande a la corrosión por fatiga debido a los cloruros, y mejores propiedades mecánicas.. Poseen una elevada resistencia mecánica. alcanzando valores de límite elástico entre 700 – 900 MPa, lo que representa en muchos casos un ahorro significativo en costos de material. La resistencia a la fluencia es dos a tres veces mayor y la resistencia a la tracción 25% más grande, mientras mantienen buena ductilidad a temperaturas normales de operación. Las aleaciones dúplex también ofrecen: resistencia a la corrosión general y por picado, igual o mejor que. 23.

(33) la del tipo 316L, en muchos ambientes corrosivos, resistencia a la corrosión intergranular, debido al bajo contenido en carbono, buena resistencia a la erosión y abrasión, un coeficiente de expansión térmica cercano al del acero al carbono, lo cual puede resultar en menores tensiones en las soldaduras que involucren inoxidables dúplex con acero al carbono.. Hasta ahora hemos hablado de las clases de aceros inoxidables, pero no de los grados de cada una de estas clases.Se van a mostrar algunas tablas con la composición química y algunas propiedades de algunos de los grados más utilizados en la industria, identificando a que clase pertenecen. En las Tablas Nº 2.2 y 2.3, aparecen distintas denominaciones con su respectiva composición; Debajo de la columna AISI aparece el tipo de acero y al frente sus propiedades o composiciones.. Tabla Nº 2.2. Denominación y características físicas de algunos aceros inoxidables con mayor uso industrial.. 24.

(34) Tabla Nº 2.3. Propiedades físicas a 20ºC de los aceros inoxidables. La Tabla Nº 2.4 y Fig. Nº 2.5 evidencia los distintos aceros inoxidables y sus aplicaciones en la industria.. 25.

(35) Tabla Nº 2.4. Aplicaciones según la clase.. 26.

(36) a). b). c). d). e) Figura Nº 2.5. Aplicaciones de los aceros inoxidables según la clase. a) Clase I (martensíticos). b) b) Clase II (ferríticos). c) c) Clase III (Austenítico). Escaladora. d) Clase IV (Dúplex). e) Clase V (endurecido por precipitación). Dados de 6 picos de arrastre de 3/8″ de acero 17-4.. 27.

(37) En el siguiente cuadro se mostrarán afirmaciones erróneas sobre el acero inoxidable:. El acero inoxidable puede ser clasificado en cinco diferentes familias o clases; cuatro de éstas corresponden a las particulares estructuras cristalinas formadas en la aleación: austenita, ferrita, martensita, y dúplex (austenita más ferrita); mientras que la quinta familia son las aleaciones endurecidas por precipitación, que están basadas más en el tipo de tratamiento térmico usado que en la estructura cristalina. En la Tabla Nº 2.5 se distingue la clasificación de los aceros inoxidables.. Tabla Nº 2.5. Nomenclatura de los aceros inoxidables.. 28.

(38) 2.4.5. ACEROS PARA HERRAMIENTAS. Es el acero que normalmente se emplea para la fabricación de útiles o herramientas destinados a modificar la forma, tamaño y dimensiones de los materiales por cortadura, por presión o por arranque de viruta.. Los aceros de herramientas tienen generalmente un contenido en carbono superior a 0.30%, aunque a veces también se usan para la fabricación de ciertas herramientas, aceros de bajo contenido en carbono (0.5 a 0.30%).. a) PRINCIPALES TIPOS DE ACEROS DE HERRAMIENTAS •. ACEROS AL CARBONO. Para la fabricación de herramientas para los usos más diversos, se emplean aceros sin elementos de aleación con porcentajes de carbono variables de 0.50 a 1.40%. para herramientas que deban tener gran tenacidad como martillos y picas; se emplean medios contenidos en carbono 0.50 a 0.70%. para herramientas de corte como brocas, cuchillas, y limas; calidades intermedias de 0.70 a 1%. Para conseguir en cada caso la máxima dureza, deben ser templados en agua. •. ACEROS RÁPIDOS. La característica fundamental de estos aceros es conservar su filo en caliente, pudiéndose trabajar con las herramientas casi a l rojo (600º) sin disminuir su rendimiento. Algunas composiciones típicas de los aceros rápidos son: C = 0.75%, W = 18%, Cr = 4% y V = 1%; otra C = 0.75%, W = 18%, Co = 4% y V = 1.25%. •. ACEROS INDEFORMABLES. Reciben este nombre los aceros que en el temple no sufren casi deformaciones y con frecuencia después del temple y revenido quedan con dimensiones prácticamente idénticas a las que tenían antes del tratamiento. Esto se consigue empleando principalmente el cromo y el. 29.

(39) manganeso como elementos de aleación. Estos aceros templan con un simple enfriamiento al aire o en aceite. Composiciones típicas: C = 2% y Cr = 12%; C = 1% y Cr = 5% y otra C = 1% y Mn = 1%. •. ACEROS AL CORTE NO RÁPIDOS. Se agrupan varios aceros aleados, principalmente con cromo y wolframio, muy empleados para la fabricación de herramientas de corte que no deben trabajar en condiciones muy forzadas. Pueden considerarse como unas calidades intermedias entre los aceros rápidos y los aceros al carbono, y la mayoría de herramientas fabricadas con ellos suelen quedar con durezas comprendidas entre 60 y 66 Rockwell-C. DIAGRAMA Fe – C. En realidad debería llamarse diagrama Fe - Cementita, ya que en el extremo izquierdo del diagrama veremos que en la línea de concentraciones se encuentra el Fe puro (con una concentración del 100%), mientras que en el extremo derecho de la misma línea se encuentra el 100% de cementita (Fe3C), y el 100% de cementita se corresponde a un 6.67% de carbono.. Este es el motivo, por el que el eje de concentraciones del diagrama Fe-C va desde el 0% al 6.67% de C. 30.

(40) En este diagrama observamos:. La línea de liquidus, línea ABCD. La línea de solidus, línea AHJECF.. Como el hierro además de formar con el carbono el compuesto químico Fe3C, tiene dos transformaciones alotrópicas a y γ, en el sistema existen los siguientes constituyentes:. Líquido: Solución líquida de carbono en hierro. Existe por encima de la línea del líquido y se designa por L.. Cementita: Fe3C, existe en la vertical DFKL se designa por su fórmula química (Fe3C) o por C.. Ferrita: Constituyente estructural que es Fea, el cual disuelve el carbono en cantidades insignificantes. Se representa por Fea. La región de la ferrita en el diagrama hierro carbono se encuentra a la izquierda de las líneas GPQ, y AHN.. 31.

(41) Austenita: Estructura consistente en una solución sólida de carbono en Feγ. La región de la austenita es NJESG. Se designa por A, γ ó Feγ.. La introducción del carbono en el Fe modifica las propiedades de este de forma muy significativa y es necesario conocer que ocurre en los aceros al aumentar el % de C. La primera clasificación de los aceros la realizaremos de acuerdo a su estructura de equilibrio. ➢ Hipoeutectoides: Menos de 0.8%C (estructura de ferrita y perlita). ➢ Eutectoides: 0.8%C (estructura de perlita). ➢ Hipereutectoides: Mas de 0.8%C y menos de 2.14%C (estructura de cementita y perlita).. Según aumenta el contenido de carbono se produce una deformación mayor en las redes cristalinas, en las soluciones sólidas y da lugar a la aparición de cementita (Fe3C), constituyente muy duro y frágil, en mayor cantidad. Además la cementita se sitúa en el borde del grano lo que tiende a fragilizar la estructura del acero de un 0,9 a 1,2%, lo que hace que la resistencia que iba en aumento hasta el momento disminuya mientras que la dureza siempre va a aumentar, reduciéndose la resiliencia y el alargamiento relativo.. Es importante también la influencia del carbono en la tenacidad de los aceros. El aumento del contenido de carbono eleva el umbral de fragilidad en frío y hace que disminuya la resiliencia en la región de tenacidad.. 32.

(42) 2.5. DIAGRAMAS DE LOS ACEROS INOXIDABLES Y MICROESTRUCTURAS. Diagrama Fe-Cr y diagrama influencia del carbono. La Fig. Nº 2.6 muestra el diagrama de equilibrio estable Cr-Fe, su análisis presenta una forma adecuada de revisar los conceptos básicos detrás de los diferentes tipos de aceros inoxidables: ferríticos, martensíticos, austeníticos, dúplex y endurecibles por precipitación.. Figura Nº 2.6. Diagrama Hierro (Fe) – Cromo (Cr).. Del análisis del diagrama Cr-Fe se deduce lo siguiente:. a) Las aleaciones hierro-cromo, con menos de 12% de cromo, transforman su estructura ferrítica a austenítica (fase gamma, γ) durante el calentamiento. Por enfriamiento. rápido. hasta. la. temperatura. ambiente,. conseguiremos. transformar la Austenita en Martensita (aceros inoxidables martensíticos). b) Las aleaciones de hierro con contenidos de cromo entre 12 y 13% forman a elevadas temperaturas estructuras bifásicas (α y γ) que enfriadas rápidamente a temperatura ambiente, presentarán una estructura formada por Ferrita y Martensita (aceros ferríticos-martensíticos). c) En las aleaciones hierro – cromo con contenidos de este último de 25 a 42% y de 48 a 65% a temperaturas comprendidas entre 600 y 900°C, aparece una fase intermetálica llamada fase sigma (σ) que coexisten con la ferrita. Con. 33.

(43) contenidos de cromo de 42 a 48% aproximadamente toda la ferrita puede transformarse en fase sigma (σ). Esta fase es muy dura, frágil y se puede disolver en la ferrita calentando por encima de los 900°C. Al aumentar el contenido de carbono se amplía el límite del bucle gamma (γ) siendo un elemento favorecedor de la formación de esta fase. d) Las aleaciones hierro-cromo con más de 13% de Cr, mantienen su estructura ferrítica, desde temperatura ambiente hasta el punto de fusión. Durante el calentamiento, dicha estructura no atraviesa el campo austenítico (fase gamma), luego no puede austenizarse y posteriormente templarse para formar Martensita. Estos corresponden a los denominados aceros inoxidables ferríticos. Es importante limitar el contenido de carbono para prevenir que el campo gamma se expanda y prevenir la formación de Martensita, en la Fig. Nº 2.7 se puede ver esto.. Figura Nº 2.7. Influencia del carbono ampliando el bucle Gamma.. 34.

(44) Del diagrama de Influencia del carbono, se deduce lo siguiente:. a). En el diagrama hierro-cromo, el bucle gamma se expande a la derecha al aumentar el contenido de carbono de la aleación. El carbono favorece la formación de fase gamma.. b). Cabe Señalar que si el carbono alcanza 0.6% el límite del bucle gamma queda limitado para un cromo aproximado del 18%. Por lo tanto, con carbono superior al 0.4% ya no se amplía el bucle y el exceso de carbono queda en el acero formando distintos tipos de carburos de hierro y cromo que dependen de la temperatura, del contenido de carbono y de cromo.. c). Las aleaciones hierro-cromo-carbono, con cromo superior a 27% son ferríticas.. d). Se. pueden. conseguir. aleaciones. hierro-cromo-carbono. de. hasta. aproximadamente 17% de cromo que sean martensíticas a temperatura ambiente.. 2.5.1. INFLUENCIA DEL NÍQUEL. El níquel amplía el campo de estabilidad de la austenita y rebaja la temperatura a la que ocurre la transformación α-ɣ. La Fig. Nº 2.8 muestra el diagrama Fe-Cr-Ni, en la que se indica la formación a temperatura ambiente de las distintas estructuras según el contenido de hierro, cromo y níquel.. Figura Nº 2.8. Diagrama Fe-Cr-Ni a temperatura ambiente.. 35.

(45) 2.5.2. FASE SIGMA. Una de las razones para la formación de la fase sigma en los aceros inoxidables se debe a la presencia de ferrita cuando se mantiene durante largo tiempo a temperaturas comprendidas entre los 600 y 900°C transformándose en un compuesto intermetálico de hierro y cromo. Esta fase se caracteriza fundamentalmente por su pérdida de ductilidad, resiliencia y sus características fundamentales son: Dureza superior y provoca grietas muy finas.. La fase sigma no solamente se forma en los aceros con alto contenido de cromo ya que puede darse en los aceros ferríticos con contenidos de cromo desde 14%. También puede formarse en los aceros austeníticos y austeno-ferríticos. Su influencia es notable en las características mecánicas, resistencia a la corrosión y las propiedades de la soldadura.. La importancia de este diagrama ternario está en que lo aceros inoxidables comerciales más habituales están compuestos por un 75% de hierro, un 18% de cromo y un 8% de níquel.. Figura Nº 2.9. Diagrama de Schaeffler. 36.

(46) Procede de su antecesor, el diagrama de Maurer, el cual presenta las estructuras que va a presentar un acero al Cr-Ni de acuerdo a los porcentajes de estos presentes en el acero. Antón Scheaffler lo mejoró, incorporando la influencia de distintos elementos de aleación en la formación de Ferrita y Austenita (Fig. Nº 2.9). Se definió así el concepto de Cromo equivalente y Níquel equivalente. El cromo equivalente incorpora los elementos alfagenos (formadores de Ferrita) y el níquel equivalente los elementos gammagenos (formadores de Austenita). Cada elemento va multiplicado por un factor que depende de su grado de influencia en la formación de Ferrita o Austenita respectivamente.. Cromo equivalente: %Cr + %Mo + (1,5 x %Si) + (0,5 x %Nb). Níquel Equivalente: %Ni + (30 x %C) + (0,5 x %Mn).. El diagrama de Schaeffler muestra la presencia de las fases Austenítica, Ferrítica y Martensítica propias de los aceros Inoxidables cuando son enfriados a las velocidades normales de soldadura. Además, presenta las zonas de fragilización en Frío debido a la presencia de Martensita, la zona de Fragilidad en caliente originada por la presencia de Austenita, la zona de Fragilidad por presencia de fase Sigma y la zona de Crecimiento de grano Ferrítico.. 37.

(47) CAPITULO III. APLICACIONES DEL ACERO AUSTENITICO 201 EN OLLAS. 3.1. ACERO INOXIDABLE 201. El acero inoxidable Tipo 201 es un acero inoxidable de cromo-níquel-manganeso austénico desarrollado para conservar el níquel. El Tipo 201 es una alternativa de más bajo costo a los aceros inoxidables de cromo-níquel convencionales, tales como 301 y 304. El níquel se sustituye por adiciones de manganeso y nitrógeno. No puede endurecerse mediante tratamiento térmico, pero puede trabajarse en frío a altas fuerzas de tensión. El Tipo 201 es fundamentalmente no magnético en la condición de recocido y se torna magnético al trabajarse en frío.. Cuando se endurecen, presentan un fenómeno interesante, El aumento de la dureza es mucho mayor que el que se encontraria a través de la misma deformación, en otras acciones. Este aumento, además de la dureza normal, puede atribuirse a la inestabilidad de austenita que, bajo el efecto de las tensiones de. endurecimiento,. gradualmente. se. convierte. en ferrita.. Esta ferrita. sobresaturada de carbono, en las mismas condiciones que una martensita, contribuye al endurecimiento excepcional del acero.. Las aplicaciones comunes para los Tipos 201 son utensilios de cocina, abrazaderas para mangueras, anillos de pistón, miembro estructural de automóviles de transporte, techos/laterales de automóviles de transporte, espaciadores de ventanas térmicas, contenedores de bolsas de aire y postes de remolques de camiones y marcos para puertas.. 38.

(48) Sus propiedades de resistencia a la corrosión son más bajas que las del AISI 304, mientras que en la formabilidad tiene un valor intermedio si es comparado con un 304. La adición de Cu en este acero mejora sus propiedades mecánicas y de formabilidad.. En resumen, las buenas propiedades de corrosión, soldabilidad y formabilidad hacen del acero 201 un buen sustituto para los grados 301 y 304 en muchas aplicaciones.. A continuación, en las Tablas Nº 3.1, 3.2 y 3.3 se muestras las propiedades características del acero AISI 201.. Tabla Nº 3.1. Composición Química (Composición en Peso). Tabla Nº 3.2. Propiedades Mecánicas (Condición de Recocido). 39.

(49) Tabla Nº 3.3. Propiedades Físicas (Condiciones de Recocido). 3.1.1. PROCESAMIENTO. a) CONFORMACIÓN. El Tipo 201 tiene características de dobles, conformación y emisión similares al acero inoxidable Tipo 301.. b) FORMABILIDAD. El Tipo 201 posee una formabilidad mejorada gracias a una controlada adición de cobre de 1.5% en promedio. Sin embargo, su formabilidad es ligeramente más baja que la mostrada por los grados 301 y 304.. Debido a la adición de cobre, el acero presenta unas propiedades mecánicas y de formabilidad superiores a las mostradas por el grado 201 convencional.. Los métodos de formado utilizados para el grado AISI-201 incluye embutido, doblez, estirado, etc.. c) SOLDADURA. El Tipo 201 puede soldarse mediante todos los métodos convencionales aplicados a aceros al 18 % de cromo, 8 % de níquel.. 40.

(50) Se puede usar el metal de relleno de los análisis de cromo-níquel convencionales. Al igual que otros aceros inoxidables austénicos donde el carbón no está controlado por debajo del 0.03, el Tipo 201 es susceptible a corrosión intergranular en la zona afectada por el calor de la soldadura. El grado 201 puede soldarse por las técnicas convencionales de soldadura por resistencia y fusión. Electrodos convencionales de metal de aporte cromo-níquel. pueden. ser. usados,. el. AWS. E/ER308. es. muy. frecuentemente utilizado.. Como en otros aceros inoxidables austeníticos, donde el contenido de carbono es mayor a 0,03%, es susceptible a la corrosión intergranular en la zona afectada térmicamente por la soldadura cuando la aleación es enfriada o recalentada lentamente en el rango de temperatura de 800 a 1500°F (425 a 815°C).. d) ACABADOS. El acero inoxidable 201 puede ser presentado con los siguientes acabados: •. Acabado 2D. Acabado obtenido por laminación en frío, recocido y decapado. •. Acabado 2B. Acabado obtenido por laminación en frío, recocido, decapado y skin paseado. •. Pulido # 3 y # 4. Acabados producidos por bandas abrasivas de carburo de silicio u óxido de aluminio, resultando un rango de cepillado (rugosidad) de 20 a 45 y de 6 a 20 micro pulgadas respectivamente.. 3.1.2. CORROSIÓN. El Tipo 201 es resistente a una amplia variedad de entornos con corrosión leve a moderada. Presenta una resistencia a la corrosión que se acerca a la de los Tipos 301 y en muchos entornos leves se ha sustituido con éxito por 304.. 41.

(51) 3.1.3. RESISTENCIA A LA OXIDACION A ALTAS TEMPERATURAS. En servicio continuo a elevadas temperaturas, el tipo 201 exhibe una buena resistencia a la oxidación hasta 840°C (1550°F).. Por encima de esta temperatura, el acero se escama muy rápidamente. Para servicio intermitente, la temperatura máxima de este acero es de 815°C (1500°F).. 3.1.4. APLICACIONES. Debido a que el grado 201 posee una atractiva combinación de economía, buenas propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión, es ampliamente utilizado en molduras, adornos y cubiertas de llanta para automóviles, limpiadores, partes de brazos sujetadores, marcos para ventanas, puertas, bisagras, muebles de acero, tubos ornamentales, cocinas, equipos para restaurant, hornos y refrigeradores, también es usado en equipos para el procesamiento y manejo de alimentos, transportadores de productos lácteos, cerveza, vino y bebidas. Utensilios de cocina, componentes para lava doras, tarjas.. 3.2. TRATAMIENTOS TERMICOS PARA DE LOS ACEROS INOXIDABLES 201. No pueden endurecerse por tratamiento térmico, pero sí por trabajado en frío. Estos aceros son recocidos para asegurar la máxima resistencia a la corrosión y restaurar la máxima ductilidad y ablandamiento. Durante el recocido, los carburos que decrecen marcadamente la resistencia a la corrosión intergranular, se disuelven. Las temperaturas de recocido varían con la composición, como se ve en la Tabla Nº 3.4.. Como la precipitación de los carburos puede ocurrir entre los 400 y 840ºC, es deseable realizar el recocido sobre este límite. Además es necesario que los carburos estén disueltos antes de comenzar el enfriamiento, y como esto ocurre muy lentamente, se elige la temperatura más elevada que no aumente el tamaño de grano, cercana a los 1090ºC.. 42.

(52) El enfriamiento debe ser rápido pero consistente con las limitaciones de distorsión. El mejor temple es el agua, porque los carburos disueltos permanecen en solución; no obstante, cuando las piezas son delgadas y el temple en agua produce distorsión, será necesario enfriar en aire forzado. Si en este caso llegaran a precipitarse carburos, la solución será utilizar acero inoxidable estabilizado.. Tabla Nº 3.4. Temperaturas recomendadas para tratamientos térmicos de aceros inoxidables austeníticos. 3.3. CORROSIÓN INTER GRANULAR. La corrosión intergranular es un deterioro por corrosión localizada y/o adyacente a los límites de grano de una aleación. Bajo condiciones ordinarias, si un metal se corroe uniformemente, los límites de grano serán sólo ligeramente más reactivos que la matriz. Sin embargo, bajo otras condiciones, las regiones de límite de grano pueden ser muy reactivas, resultando una corrosión intergranular que origina pérdida de la resistencia de la aleación e incluso la desintegración en los bordes de grano.. Uno de los más importantes ejemplos de corrosión intergranular es la que tiene lugar en algunos aceros inoxidables austeníticos (18% Cr 8% Ni) cuando son calentados o enfriados lentamente a través del rango de temperaturas de 500 a. 43.