¿Qué hace que el acero inoxidable sea tan resistente y versátil? El secreto está en sus elementos de aleación. En este artículo descubrimos cómo elementos como el cromo, el níquel y el molibdeno mejoran la resistencia a la corrosión y las propiedades mecánicas del acero inoxidable. Desde los electrodomésticos de cocina hasta la ingeniería aeroespacial, la combinación adecuada de estos elementos garantiza un rendimiento y una durabilidad superiores. Únase a nosotros para explorar la ciencia que hay detrás de este material indispensable y comprender cómo contribuye cada componente a hacer del acero inoxidable una potencia en diversas aplicaciones. Sumérjase en la fascinante interacción de los elementos que definen su excelencia.
1. Según la composición químicase puede dividir en: acero inoxidable al cromoAcero inoxidable al cromo-níquel, acero inoxidable al cromo-manganeso, acero inoxidable al cromo-níquel-molibdeno, acero inoxidable de muy bajo contenido en carbono, acero inoxidable de alto contenido en molibdeno, acero inoxidable de gran pureza, etc.
2. Según la estructura metalográficase puede dividir en: acero inoxidable martensíticoAcero inoxidable ferrítico, acero inoxidable austenítico, acero inoxidable ferrítico austenítico, etc.
3. Según las características de rendimiento y los usos del acerocomo el acero inoxidable resistente al ácido nítrico (grado ácido nítrico), el acero inoxidable resistente al ácido sulfúrico, el acero inoxidable resistente a la corrosión por picadura, el acero inoxidable resistente a la tensión, el acero inoxidable de alta resistencia, etc.
4. Según la función características del acero: como el acero inoxidable de baja temperatura, el acero inoxidable no magnético, el acero inoxidable de corte libre, el acero inoxidable superplástico, etc.
El proceso de desarrollo de los grados de acero inoxidable se muestra en la siguiente figura:
Nota: 口 - efecto fuerte, ⚪-- acción moderada, ▲ - acción débil
(1) Para conseguir una curva de polarización anódica estable de la zona de pasivación para un medio específico, asegúrese de que el acero inoxidable se prepara adecuadamente.
(2) Aumentar el potencial de electrodo del sustrato de acero inoxidable al tiempo que se reduce la fuerza electromotriz de la célula galvánica corrosiva puede ayudar a mejorar su resistencia a la corrosión.
(3) Potenciar la estructura monofásica del acero y reducir el número de micropilas puede mejorar su resistencia a la corrosión.
(4) Para formar una película protectora estable en la superficie del acero, la adición de elementos como el silicio, el aluminio y el cromo puede ayudar a crear una película protectora densa en muchas situaciones de corrosión y oxidación, mejorando así la resistencia a la corrosión del acero.
(5) Eliminar o reducir diversos fenómenos desiguales en el acero es también un paso vital para mejorar su resistencia a la corrosión.
La adición de elementos de aleación al acero es el principal método utilizado para mejorar su resistencia a la corrosión.
La adición de diferentes elementos de aleación puede actuar de una o varias maneras simultáneamente para mejorar la resistencia a la corrosión del acero.
El tipo y el contenido de los elementos de aleación influyen directamente en la resistencia a la corrosión del acero inoxidable. La función principal de los elementos de aleación es influir en el rendimiento de polarización del hierro y el potencial del electrodo.
El proceso de polarización anódica de metales de uso común como Fe, Cr, Ni y Ti sigue un patrón de polarización único.
Tras el paso del ánodo, el potencial anódico aumenta y la corriente anódica (velocidad de corrosión) cambia en consecuencia, casi con el mismo patrón.
La forma típica de la curva de polarización se muestra en la siguiente figura.
A medida que aumenta el potencial de polarización anódica, la corriente de corrosión no disminuye uniformemente. Por el contrario, primero aumenta, luego disminuye hasta un mínimo, y mantiene esta corriente a través de una cierta etapa de aumento de potencial antes de volver a aumentar.
Esta curva de polarización se denomina curva de polarización anódica con transición de activación y pasivación. Se divide en tres regiones: la región de activación (A), la región de pasivación (B) y la región de sobrepasivación (T).
Fig. curva de polarización anódica de metales de transición activados y pasivados
La polarización desempeña un papel importante en la resistencia a la corrosión de los metales. Los factores que potencian la polarización anódica o catódica pueden aumentar la resistencia a la corrosión, mientras que los factores de despolarización pueden reducirla.
Los distintos elementos de aleación tienen efectos variables sobre las propiedades de polarización del hierro. Los elementos que amplían la zona de pasivación, lo que reduce el potencial de la zona ECP y P y aumenta el potencial del punto Er, pueden mejorar la resistencia a la corrosión del acero. Por otra parte, todos los elementos que mejoran el rendimiento de la pasivación, haciendo que los puntos ICP e I1 se desplacen hacia la izquierda, pueden reducir la corriente de corrosión y mejorar la resistencia a la corrosión.
Los elementos que aumentan el potencial del punto Er tienden a reducir la corrosión por picaduras porque, cuando el potencial fluctúa cerca del potencial de sobrepasivación y el potencial del punto Er es bajo, puede provocar la rotura local de la película de pasivación, lo que da lugar a la corrosión por picaduras.
Entre los elementos de aleación utilizados habitualmente en el acero, el Cr puede mejorar significativamente el rendimiento de pasivación del hierro puro, aumentar el potencial de los puntos Ecp, Ep y Er y desplazar hacia la izquierda la posición de los puntos Icp e I1. Por lo tanto, es el elemento más eficaz para mejorar la resistencia a la corrosión del hierro.
Además del Cr, los elementos de aleación como Ni, Si, Mo, etc. también pueden mejorar el rendimiento de la pasivación y ampliar la zona de pasivación en diversos grados.
El Mo, por ejemplo, no sólo mejora el rendimiento de pasivación del hierro, sino que también aumenta el potencial del punto Er, lo que mejora la resistencia a la corrosión por picaduras del hierro.
En general, el potencial de electrodo de una solución sólida metálica es inferior al de otros compuestos. Por lo tanto, durante el proceso de corrosión, es más probable que la solución sólida metálica se corroa como ánodo.
Una forma de mejorar la resistencia a la corrosión del hierro es aumentar su potencial de electrodo. Los estudios han demostrado que la adición de Cr al hierro para formar una solución sólida puede aumentar significativamente el potencial de electrodo del material resultante, como se muestra en la figura siguiente.
Al elevar el potencial de electrodo de un material, se puede mejorar notablemente su resistencia a la corrosión.
Fig. efecto del cromo en el potencial de electrodo de la aleación Fe Cr
Debido al buen efecto del cromo sobre la pasivación del hierro y el potencial del electrodo, el cromo se ha convertido en el principal elemento de aleación de diversos aceros inoxidables.
La estructura matricial del acero inoxidable es crucial para conseguir las propiedades mecánicas y de proceso deseadas, así como para garantizar una excelente resistencia a la corrosión.
Dos tipos de aceros inoxidables, el acero ferrítico monofásico y el acero austenítico monofásico, presentan una resistencia superior a la corrosión.
El efecto de los elementos de aleación en la estructura de la matriz depende principalmente de si actúan como estabilizadores de ferrita (α) o austenita (γ) estabilizadores.
Cuando el elemento estabilizador es dominante, se puede obtener acero inoxidable α monofásico; en caso contrario, se obtiene acero inoxidable γ monofásico.
1. Cromo
El cromo es el principal elemento que determina la resistencia a la corrosión del acero inoxidable. Cuando el contenido de cromo (relación atómica) alcanza entre 1/8 y 2/8, el potencial de electrodo del hierro salta, lo que conlleva una mejora de la resistencia a la corrosión del acero. El cromo es también un elemento estabilizador que contribuye a aumentar la durabilidad general del material.
Una de las razones es que el óxido de cromo es relativamente denso y puede formar una película protectora que resiste la corrosión.
2. Carbono y nitrógeno
El carbono desempeña un papel esencial en la producción de acero inoxidable, ya que estabiliza fuertemente austenitacon una capacidad estabilizadora unas 30 veces superior a la del níquel. Además, el carbono es el principal elemento utilizado para reforzar el acero inoxidable. Sin embargo, el carbono también puede formar una serie de carburos con el cromo, lo que puede afectar significativamente a la resistencia a la corrosión del acero inoxidable. Además, el carbono puede empeorar las propiedades de procesado y soldadura del acero inoxidable y hacer que el acero inoxidable ferrítico se vuelva quebradizo.
Por lo tanto, es crucial controlar y aplicar cuidadosamente el carbono durante la producción y el desarrollo del acero inoxidable. La combinación de carbono y cromo tiene un efecto significativo en la formación de estructuras de acero inoxidable, como se demuestra en la figura siguiente.
La figura muestra que cuando el contenido en carbono es bajo y el contenido de cromo es alto, se obtiene una estructura de ferrita, mientras que se obtiene una estructura de martensita cuando el contenido de carbono es alto y el contenido de cromo es bajo.
En el acero inoxidable al cromo, un aumento del contenido de carbono dará lugar a la formación de martensita cuando el contenido de cromo es inferior a 17%. Por otra parte, un bajo contenido en carbono y un contenido en cromo de 13% darán lugar a la formación de acero inoxidable ferrítico.
A medida que aumenta el contenido de cromo de 13% a 27%, aumenta la capacidad de estabilizar la ferrita, lo que, a su vez, provoca un aumento del contenido de carbono (de 0,05% a 0,2%). A pesar del aumento del contenido de carbono, la matriz de ferrita puede seguir manteniéndose.
Fig. Efecto del carbono y el cromo en la microestructura del acero inoxidable
3. Níquel
El níquel es uno de los tres elementos importantes del acero inoxidable, ya que puede mejorar la resistencia a la corrosión del material. Como elemento estabilizador de la fase γ, el níquel es el principal componente necesario para obtener austenita monofásica y promover su formación en el acero inoxidable.
Una de las principales ventajas del níquel es que puede reducir eficazmente la Sra. PuntoLa austenita se mantiene estable a temperaturas muy bajas (-50 ℃) sin sufrir transformación martensítica. Sin embargo, el aumento del contenido de níquel reducirá la solubilidad del carbono y el nitrógeno en el acero austenítico, aumentando así la tendencia de estos compuestos a disolverse y precipitar.
A medida que aumenta el contenido de níquel, el contenido crítico de carbono de corrosión intergranular disminuye, haciendo que el acero sea más susceptible a este tipo de corrosión. Sin embargo, el efecto del níquel sobre la resistencia a la corrosión por picaduras y a la corrosión por intersticios del acero inoxidable austenítico no es significativo.
Además de su resistencia a la corrosión, el níquel también puede mejorar la resistencia a la oxidación a alta temperatura del acero inoxidable austenítico. Esto se debe principalmente a la capacidad del níquel para mejorar la composición, estructura y propiedades de la película de óxido de cromo. Sin embargo, cabe señalar que la presencia de níquel puede reducir la resistencia a la vulcanización a alta temperatura del acero.
4. Manganeso
El manganeso es un elemento formador de austenita relativamente débil, pero desempeña un papel crucial en la estabilización de la estructura de austenita.
En el acero inoxidable austenítico, el manganeso sustituye parcialmente al níquel, y 2% Mn equivalen a 1% Ni.
El manganeso también puede mejorar la resistencia a la corrosión del acero inoxidable al cromo en ácidos orgánicos, como el ácido acético, el ácido fórmico y el ácido glicólico, y es más eficaz que el níquel.
Sin embargo, cuando el contenido de cromo en el acero supera 14%, la adición de manganeso por sí sola no puede dar lugar a una estructura de austenita única.
Dado que el acero inoxidable austenítico tiene mejor resistencia a la corrosión cuando el contenido de cromo es superior a 17%, la industria emplea principalmente acero Fe-Cr-Mn-Ni-N, como 12Cr18Mn9Ni5N, en sustitución de las aleaciones que contienen níquel. La cantidad de acero inoxidable austenítico Fe-Cr-Mn-N sin níquel utilizada es relativamente menor.
5. Nitrógeno
Al principio, el nitrógeno se utilizaba principalmente en los aceros inoxidables austeníticos Cr-Mn-N y Cr-Mn-Ni-N para ahorrar Ni. Sin embargo, en los últimos años, el nitrógeno se ha convertido en un elemento de aleación esencial de los aceros inoxidables austeníticos Cr Ni.
La adición de nitrógeno al acero inoxidable austenítico puede estabilizar la estructura austenítica, mejorar la resistencia y aumentar la resistencia a la corrosión, especialmente para la corrosión local, como la corrosión intergranular, la corrosión por picaduras y la corrosión por grietas.
En los aceros inoxidables austeníticos ordinarios de bajo contenido en carbono y ultrabajo contenido en carbono, puede mejorarse la resistencia a la corrosión intergranular. El nitrógeno afecta al proceso de precipitación del carburo de cromo durante el tratamiento de sensibilización, aumentando la concentración de cromo en el límite de grano.
En los aceros inoxidables austeníticos de gran pureza, en los que no se produce precipitación de carburo de cromo, el nitrógeno aumenta la estabilidad de la película pasiva y reduce la velocidad media de corrosión. Aunque el nitruro de cromo precipita en el acero con alto contenido en nitrógeno, la velocidad de precipitación del nitruro de cromo es lenta. Por lo tanto, el tratamiento de sensibilización no causará deficiencia de cromo intergranular, teniendo poco efecto sobre la corrosión intergranular.
El nitrógeno también puede inhibir la segregación de fósforo en el límite del grano y mejorar la resistencia a la corrosión intergranular del acero.
En la actualidad, el acero inoxidable austenítico que contiene nitrógeno tiene principalmente una alta resistencia y resistencia a la corrosión. Puede dividirse en tres tipos: tipo de control de nitrógeno, tipo de nitrógeno medio y tipo de nitrógeno alto.
El tipo de control de nitrógeno consiste en añadir 0,05%~0,10%N al acero inoxidable austenítico Cr Ni de muy bajo contenido en carbono (C ≤ 0,02%~0,03%) para mejorar la resistencia, optimizar la resistencia a la corrosión intergranular y aumentar la resistencia a la corrosión bajo tensión del acero.
El tipo de nitrógeno medio contiene 0,10%~0,50%N y se funde y vierte a presión atmosférica normal. Por otro lado, el contenido de nitrógeno del tipo alto en nitrógeno es superior a 0,40%.
Generalmente se funde y se vierte en condiciones de presión creciente. Este tipo de acero se utiliza principalmente en estado de solución sólida o en estado de trabajo semifrío, ya que posee una gran solidez y resistencia a la corrosión.
En la actualidad, el acero austenítico de alto contenido en nitrógeno, con un contenido en nitrógeno que oscila entre 0,8% y 1,0%, se ha aplicado con éxito en la práctica y ha comenzado su producción industrial.
6. Titanio, niobio, molibdeno y elementos de tierras raras
El titanio y el niobio son elementos que pueden formar fuertemente carburos, que pueden reaccionar preferentemente con el carbono que con el cromo, evitando así la corrosión intergranular y mejorando la resistencia a la corrosión del acero.
Al añadir titanio y niobio al acero, es importante mantener cierta proporción con el contenido de carbono.
El molibdeno, por su parte, puede mejorar la capacidad de pasivación del acero inoxidable y ampliar la gama de medios de pasivación. Esto significa que puede soportar ácido sulfúrico caliente, ácido clorhídrico diluido, ácido fosfórico y ácidos orgánicos. La película de pasivación creada con molibdeno es muy estable en numerosos medios y es menos probable que se disuelva.
El acero inoxidable que contiene molibdeno es resistente a la corrosión por picaduras, ya que puede proteger la película pasiva de los daños causados por el Cl-.
Cuando se añaden elementos de tierras raras como Ce, La e Y al acero inoxidable, pueden disolverse ligeramente en la matriz. Este proceso ayuda a purificar el límite del grano, modificar las inclusiones, homogeneizar la estructura y reducir la precipitación de precipitados y la segregación en el límite del grano. Todo ello conduce a una mejora de la resistencia a la corrosión y de las propiedades mecánicas del acero.
La influencia de los elementos de aleación en la estructura de la matriz del acero inoxidable puede clasificarse en dos categorías:
Cuando estos elementos con diferentes funciones se añaden al acero simultáneamente, la microestructura del acero inoxidable depende de sus efectos integrales.
Para simplificar el tratamiento, el efecto de los elementos formadores de ferrita se convierte en el efecto del cromo, conocido como equivalente de cromo [Cr], mientras que el efecto de los elementos formadores de austenita se convierte en equivalente de níquel [Ni].
A partir del equivalente de cromo [Cr] y el equivalente de níquel [Ni], se crea un diagrama para representar la composición real del acero y el estado estructural resultante, como se muestra en la siguiente figura.
Fig. diagrama de la estructura de acero inoxidable
La figura ilustra que el acero 12Cr18Ni9 pertenece a la familia de los inoxidables austeníticos y se encuentra en la zona de fase a.
Por otro lado, el acero inoxidable Cr28 se clasifica como acero inoxidable ferrítico y puede encontrarse en la zona de fase ferrítica.
Por su parte, el acero inoxidable 30Cr13 pertenece a la categoría de los aceros inoxidables martensíticos y se sitúa en la zona de fase martensítica.
Para conseguir una estructura de austenita monofásica, es necesario un equilibrio específico de los elementos de aleación. De lo contrario, aparecerá cierta cantidad de estructura de ferrita en el acero, lo que dará lugar a una estructura multifásica.
El fortalecimiento del acero inoxidable se consigue a través de diversos mecanismos, como el fortalecimiento por solución sólida, el fortalecimiento por transformación de fase, el fortalecimiento por segunda fase, el fortalecimiento por refinamiento de grano, el fortalecimiento por precipitación y el fortalecimiento por subestructura.
La figura siguiente ilustra la contribución de estos mecanismos a la límite elástico en acero inoxidable austenítico 8%~10%Ni.
Como se muestra en la figura, el cromo, el silicio y el carbono proporcionan un refuerzo de solución sólida a la matriz, lo que resulta en un aumento de varias veces en el límite elástico de la matriz austenítica.
Otro mecanismo de refuerzo es la existencia de ferrita α como segunda fase, junto con el refinamiento del tamaño de grano y la precipitación de precipitados, lo que aumenta significativamente la resistencia de la austenita.
La figura pone de manifiesto que, en los aceros inoxidables austeníticos, el refuerzo de la solución sólida es un mecanismo crucial, y el refinamiento del grano es lo que más contribuye a la resistencia global.
Fig. factores que afectan a la resistencia del acero inoxidable austenítico
Las propiedades de los distintos aceros inoxidables varían en función de su composición y estructura.
En la figura siguiente se comparan la resistencia y la plasticidad de varios aceros inoxidables.
Fig. comparación de resistencia y plasticidad de varios aceros inoxidables y hierro puro
Entre todos los aceros inoxidables, el acero inoxidable austenítico tiene la mejor ductilidad, mientras que el acero inoxidable endurecido por precipitación tiene la mayor resistencia.
El acero inoxidable martensítico presenta buenas propiedades mecánicas generales, caracterizadas por una elevada resistencia y cierto grado de ductilidad.
El acero inoxidable dúplex, que es una combinación de aceros inoxidables ferríticos y austeníticos, presenta mayor resistencia y mejor ductilidad.
El acero inoxidable ferrítico y el acero inoxidable austenítico tienen propiedades de resistencia similares, pero la ductilidad de este último es mucho mayor que la de otros tipos de acero inoxidable. (Para comparar, en la figura también se incluye la curva del hierro puro).
La resistencia a la corrosión del metal no sólo viene determinada por su material, sino también por el tipo, la concentración, la temperatura, la presión y otras condiciones ambientales del medio corrosivo.
En las aplicaciones prácticas, la capacidad oxidante del medio corrosivo es la que más influye en la corrosión del metal. Por lo tanto, al seleccionar calidades de acero inoxidable para entornos de trabajo específicos, es importante tener en cuenta las características del medio corrosivo.
En medios débilmente corrosivos como la atmósfera, el agua y el vapor, la resistencia a la corrosión del acero inoxidable puede garantizarse siempre que el contenido de Cr de la solución sólida en la matriz de acero inoxidable sea superior a 13%. Esto lo hace adecuado para su uso en componentes como válvulas de compresores de agua, álabes de turbinas de generadores de vapor y tuberías de vapor.
Sin embargo, en medios oxidantes como el ácido nítrico, los iones NO3- tienen una fuerte capacidad oxidante. El resultado es la formación de una película de óxido en la superficie del acero inoxidable con un tiempo de pasivación corto, lo que compromete su resistencia a la corrosión.
El H+ del ácido actúa como despolarizador catódico. A medida que aumenta la concentración de H+, se refuerza la despolarización del cátodo, y también aumenta el contenido de cromo necesario para la pasivación. Por lo tanto, sólo la película de óxido que contiene un alto contenido de cromo presenta una buena estabilidad en ácido nítrico.
En ácido nítrico hirviendo, el acero inoxidable 12Cr13 no es resistente a la corrosión. Sin embargo, los aceros Cr17 y Cr30 con un contenido de cromo de 17% - 30% son resistentes a la corrosión en ácido nítrico con una concentración de 0% - 65%.
En los medios no oxidantes, como el ácido sulfúrico diluido, el ácido clorhídrico y el ácido orgánico, el contenido de oxígeno de estos medios corrosivos es bajo, por lo que es necesario prolongar el tiempo de pasivación. Cuando el contenido de oxígeno en el medio es bajo hasta cierto punto, el acero inoxidable no puede pasivarse. Por ejemplo, en el ácido sulfúrico diluido, el SO42- del medio no es un oxidante, y el contenido de oxígeno disuelto en el medio es relativamente bajo, por lo que es incapaz de pasivar el acero. En consecuencia, la velocidad de corrosión del acero inoxidable al cromo es aún más rápida que la del acero al carbono.
Así, el acero inoxidable Cr general o el acero inoxidable Cr Ni tienen dificultades para alcanzar el estado de pasivación, y no son resistentes a la corrosión cuando trabajan en este tipo de medio. Para mejorar la capacidad de pasivación del acero, es necesario añadir elementos como molibdeno, cobre y otros.
El ácido clorhídrico es un ácido no oxidante conocido por provocar corrosión en el acero inoxidable. Para evitar la corrosión, se necesita una aleación Ni-Mo que forme una película protectora estable en la superficie de la aleación.
En ácidos orgánicos fuertes, la pasivación del cromo y del acero inoxidable al cromo-níquel es difícil debido al bajo contenido de oxígeno en el medio y a la presencia de H+. La adición de Mo, Cu, Mn y otros elementos al acero puede mejorar su capacidad de pasivación. Por lo tanto, el acero inoxidable Cr-Mn se considera una mejor opción.
Para que el acero sea resistente a la corrosión y fácil de pasivar, se le añade cierta cantidad de Mo y Cu.
En medios que contienen Cl-, la película de óxido de la superficie del acero inoxidable se destruye fácilmente, lo que provoca la corrosión por picaduras del acero. En consecuencia, el agua de mar es muy corrosiva para el acero inoxidable.
Es importante señalar que ningún acero inoxidable puede resistir la corrosión de todos los tipos de medios. Por lo tanto, la selección del acero inoxidable debe basarse en el entorno de corrosión específico y en las características de los distintos tipos de acero inoxidable.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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