¿Alguna vez se ha preguntado cómo el tratamiento térmico puede transformar las propiedades del acero inoxidable? En este interesante artículo, un experimentado ingeniero mecánico se adentra en el fascinante mundo del tratamiento térmico del acero inoxidable. Descubra la ciencia que hay detrás de la mejora de la resistencia a la corrosión, la eliminación de la fragilidad y la optimización de las propiedades mecánicas. Prepárese para descubrir los secretos de la manipulación de la microestructura del acero inoxidable mediante técnicas expertas y un control preciso de la temperatura.
El acero inoxidable se caracteriza por su composición, formada por un gran número de elementos de aleación con el Cr como componente principal. Este es el requisito fundamental para que el acero inoxidable tenga resistencia a la corrosión.
Para aprovechar al máximo los elementos de aleación y lograr una resistencia mecánica y a la corrosión ideales, también deben emplearse métodos de tratamiento térmico.
El acero inoxidable ferrítico se caracteriza normalmente por una estructura estable de ferrita simple y no sufre un cambio de fase al calentarse y enfriarse.
En consecuencia, no se puede utilizar el tratamiento térmico para ajustar sus propiedades mecánicas. El objetivo principal es reducir la fragilidad y aumentar la resistencia a la corrosión intergranular.
Proceso de tratamiento térmico:
① Recocido
Para eliminar la fase σ, la fragilidad a 475°C y la fragilidad a alta temperatura, puede aplicarse un tratamiento de recocido.
El proceso implica el calentamiento a 780~830°C, seguido del enfriamiento por aire o en horno.
Para los aceros inoxidables ferríticos ultrapuros con bajo contenido en C (C≤0,01%) y niveles estrictamente controlados de Si, Mn, S y P, puede aumentarse la temperatura de recocido.
② Tratamiento antiestrés
Después de soldar o trabajar en frío, las piezas pueden contener tensión residual.
En los casos en que el recocido no es adecuado, se puede realizar un tratamiento de alivio de tensiones calentando las piezas a una temperatura de 230~370℃, manteniendo la temperatura y enfriándolas después con aire. Esto puede ayudar a eliminar algunas tensiones internas y mejorar la plasticidad.
La presencia de Cr, Ni y otros elementos de aleación en el acero inoxidable austenítico disminuye el Sra. Punto por debajo de la temperatura ambiente (-30 a -70°C).
Esta estabilidad de la estructura austenítica significa que no se produce ningún cambio de fase al calentar y enfriar por encima de la temperatura ambiente.
Por tanto, el principal objetivo del tratamiento térmico de los aceros inoxidables austeníticos no es alterar las propiedades mecánicas, sino mejorar la resistencia a la corrosión.
Tratamiento por disolución del acero inoxidable austenítico
Efectos:
① Precipitación y disolución de carburos de aleación en el acero
El carbono (C) es uno de los elementos de aleación presentes en el acero. Aunque tiene un ligero efecto fortalecedor, es perjudicial para la resistencia a la corrosión, especialmente cuando forma carburos con el cromo (Cr).
Para minimizar la existencia de carburos de C y Cr, la solubilidad del C en la austenita se manipula mediante calentamiento y enfriamiento.
La solubilidad del C en la austenita es alta a altas temperaturas (0,34% a 1200°C) y baja a bajas temperaturas (0,02% a 600°C, e incluso más baja a temperatura ambiente).
El acero se calienta a alta temperatura para disolver el compuesto C-Cr y se enfría rápidamente para evitar la precipitación.
Esto ayuda a mejorar la resistencia a la corrosión del acero, especialmente su resistencia a la corrosión intergranular.
② Sigma (σ) Fase
El calentamiento prolongado en el intervalo de 500-900°C o la adición de elementos como el titanio, el niobio y el molibdeno pueden provocar la precipitación de la fase σ en el acero austenítico.
Esto aumenta la fragilidad del acero y disminuye su resistencia a la corrosión.
La fase σ puede eliminarse disolviéndola a una temperatura superior a su temperatura de precipitación y enfriándola rápidamente para evitar que vuelva a precipitar.
Proceso:
Según la norma GB1200, el intervalo de temperatura de calentamiento recomendado es de 1000-1150°C, normalmente de 1020-1080°C.
La temperatura de calentamiento puede ajustarse dentro del rango admisible en función de la composición específica del grado, las piezas fundidas o forjadas. El método de enfriamiento debe ser rápido para evitar la precipitación de carburo.
En China y en algunas otras normas nacionales, se indica "enfriamiento rápido" después de la solución sólida.
La escala de "rápido" puede determinarse en función de los siguientes criterios:
Tratamiento térmico de estabilización del acero inoxidable austenítico
El tratamiento térmico de estabilización es un proceso que se limita a grados específicos de aceros inoxidables austeníticos como 1Cr18Ni9Ti y 0Cr18Ni11Nb que contienen elementos estabilizadores Ti o Nb.
Efectos:
Como se ha comentado anteriormente, la precipitación de compuestos del tipo Cr23C6 debido a la combinación de Cr y C en los límites de grano puede provocar una disminución de la resistencia a la corrosión del acero inoxidable austenítico.
Para evitarlo, se añaden Ti y Nb al acero para crear unas condiciones en las que el C se combine preferentemente con el Ti y el Nb en lugar del Cr.
Esto ayuda a retener el Cr en la austenita y garantiza la resistencia a la corrosión del acero. El tratamiento térmico de estabilización combina Ti, Nb y C para estabilizar el Cr en la austenita.
Proceso:
Temperatura de calentamiento: La temperatura de calentamiento debe ser superior a la temperatura de disolución de Cr23C6 (400-825℃), y ligeramente inferior o superior a la temperatura de disolución inicial de TiC o NbC (por ejemplo, el rango de temperatura de disolución de TiC es 750-1120℃).
La temperatura de calentamiento de estabilización suele fijarse entre 850 y 930℃, lo que disuelve completamente el Cr23C6 y permite que el Ti o el Nb se combinen con el C, al tiempo que se retiene el Cr en la austenita.
Método de refrigeración: Normalmente se utiliza la refrigeración por aire, pero también puede emplearse la refrigeración por agua o por horno, en función de las condiciones específicas de las piezas.
La velocidad de enfriamiento tiene un impacto mínimo en el efecto de estabilización.
Nuestra investigación experimental ha demostrado que velocidades de enfriamiento de 0,9°C/min y 15,6°C/min desde una temperatura de estabilización de 900°C a 200°C dan lugar a una estructura metalográfica, dureza y resistencia a la corrosión intergranular similares.
Acero inoxidable austenítico Tratamiento antiestrés
Propósito:
Las piezas de acero inoxidable austenítico se someten inevitablemente a tensiones durante los procesos de trabajo en frío, como la transformación y la soldadura.
Esta tensión puede tener efectos negativos, como afectar a la estabilidad dimensional y provocar grietas por corrosión bajo tensión en medios como Cl-, H2S, NaOH, etc.
Este tipo de daño es local y repentino, lo que puede ser perjudicial. Para minimizar la tensión en estas partes, se pueden utilizar métodos de alivio de la tensión.
Proceso:
El tratamiento de disolución y el tratamiento de estabilización pueden ayudar a eliminar tensiones si las condiciones lo permiten. Sin embargo, estos métodos pueden no ser siempre factibles, como en el caso de accesorios de tubería en bucle, piezas acabadas con margen limitado y piezas con formas complejas que son fácilmente deformables.
En estos casos, calentar las piezas a una temperatura inferior a 450 °C puede ayudar a reducir la tensión.
Si la pieza se va a utilizar en un entorno de fuerte corrosión bajo tensión y es necesario eliminar por completo la tensión, se debe considerar la selección de materiales como el acero inoxidable austenítico de carbono ultrabajo con elementos estabilizadores.
La característica más distintiva del acero inoxidable martensítico en comparación con el acero inoxidable ferrítico, el acero inoxidable austenítico y el acero inoxidable dúplex es su capacidad de ajustar sus propiedades mecánicas en una amplia gama mediante métodos de tratamiento térmico para satisfacer las necesidades variables de las distintas aplicaciones.
Además, la resistencia a la corrosión del acero inoxidable martensítico puede verse afectada de forma diferente por los distintos métodos de tratamiento térmico utilizados.
① Estructura del acero inoxidable martensítico tras el enfriamiento rápido
En función de la composición química
② Resistencia a la corrosión y tratamiento térmico del acero inoxidable martensítico.
El tratamiento térmico del acero inoxidable martensítico no sólo altera sus propiedades mecánicas, sino que también afecta de diversas maneras a su resistencia a la corrosión.
Por ejemplo, el templado a baja temperatura después del enfriamiento produce una alta resistencia a la corrosión, mientras que el templado a media temperatura (400-550°C) produce una baja resistencia a la corrosión.
Por otra parte, el revenido a alta temperatura (600-750°C) mejora la resistencia a la corrosión.
③ El método y la función del proceso de tratamiento térmico del acero inoxidable martensítico
Recocido
Se pueden utilizar distintos métodos de recocido en función del resultado deseado:
Este proceso de recocido isotérmico también es eficaz para mejorar la estructura deficiente tras la forja, así como para mejorar las propiedades mecánicas tras el temple y revenido, en particular la tenacidad al impacto.
Enfriamiento
El objetivo principal del enfriamiento rápido de los aceros inoxidables martensíticos es aumentar su resistencia.
El proceso consiste en calentar el acero a una temperatura superior al punto crítico, mantener el calor para garantizar que los carburos se disuelven completamente en austenita y, a continuación, enfriar a una velocidad adecuada para conseguir un estructura martensítica.
Selección de la temperatura de calentamiento: El principio básico es formar austenita y disolver homogéneamente los carburos de aleación en la austenita.
Para evitar granos de austenita más gruesos o la presencia de ferrita o austenita retenida en la estructura después del temple, la temperatura de calentamiento no debe ser demasiado baja ni demasiado alta.
El intervalo de temperatura para el temple de los aceros inoxidables martensíticos varía mucho, pero según nuestra experiencia, suele situarse entre 980-1020°C.
Sin embargo, para calidades de acero especiales, control de composición específico o requisitos particulares, puede ser necesario ajustar la temperatura de calentamiento, pero no debe violarse el principio de calentamiento.
Método de enfriamiento: Debido a la composición del acero inoxidable martensítico, la austenita es más estable, la Curva C se desplaza hacia la derecha, y la velocidad crítica de enfriamiento es menor.
Por lo tanto, el acero martensítico puede templarse mediante refrigeración por aceite o por aire.
Sin embargo, para piezas que requieren una gran profundidad de temple y elevadas propiedades mecánicas, especialmente una alta tenacidad al impacto, se recomienda la refrigeración por aceite.
Templado
Tras el temple, se obtiene un acero inoxidable martensítico con gran dureza, fragilidad y tensiones internas, que debe templarse para mejorar sus propiedades mecánicas.
El acero inoxidable martensítico suele templarse a dos temperaturas diferentes:
Por lo general, no se recomienda el revenido a una temperatura entre 400 y 600°C, ya que puede provocar la precipitación de carburos muy dispersos a partir de la martensita, lo que provocaría la fragilidad del revenido y reduciría la resistencia a la corrosión.
Sin embargo, algunos muelles, como los de acero 3Cr13 y 4Cr13, pueden templarse a esta temperatura, lo que da como resultado un HRC de 40 a 45 y una buena elasticidad.
El método de enfriamiento tras el revenido suele ser el enfriamiento por aire, pero para los grados de acero propensos a la fragilidad por revenido, como 1Cr17Ni2, 2Cr13 y 0Cr13Ni4Mo, se recomienda el enfriamiento por aceite tras el revenido.
El acero inoxidable dúplex es una reciente incorporación a la familia de los aceros inoxidables y se ha ganado un amplio reconocimiento y aprecio por sus características únicas.
Su alto contenido en cromo, su baja composición en níquel y la adición de molibdeno y nitrógeno lo hacen más resistente y flexible que los materiales austeníticos y los austeníticos. aceros inoxidables ferríticoscon una resistencia a la corrosión equivalente.
También presenta una resistencia superior a la corrosión por picaduras, grietas y tensiones en entornos con cloruros y agua de mar.
Los efectos del tratamiento térmico del acero inoxidable dúplex son los siguientes:
① Eliminar la austenita secundaria: A temperaturas más altas, como por ejemplo durante fundición o forjala cantidad de ferrita aumenta.
A temperaturas superiores a 1300°C, puede convertirse en ferrita monofásica, que es inestable a altas temperaturas. El envejecimiento a temperaturas más bajas puede dar lugar a la precipitación de austenita, conocida como austenita secundaria.
Sin embargo, la cantidad de cromo y nitrógeno en esta austenita es menor que en la austenita normal, lo que la convierte en una fuente potencial de corrosión, por lo que debe eliminarse mediante tratamiento térmico.
② Eliminar el carburo de Cr23C6: El acero dúplex puede precipitar Cr23C6 a temperaturas inferiores a 950°C, provocando un aumento de la fragilidad y una reducción de la resistencia a la corrosión. Esto debe ser eliminado.
③ Eliminar Nitruros Cr2N, CrN: Debido a la presencia de nitrógeno en el acero, pueden formarse nitruros con el cromo, que pueden afectar negativamente tanto a las propiedades mecánicas como a la resistencia a la corrosión, y deben eliminarse.
④ Eliminar la fase intermetálica: La composición del acero bifásico puede dar lugar a la formación de fases intermetálicas, como la fase σ y la fase γ, que reducen la resistencia a la corrosión y aumentan la fragilidad, por lo que deben eliminarse.
El proceso de tratamiento térmico es similar al del acero austenítico e implica un tratamiento de solución sólida con una temperatura de calentamiento de 980~1100°C seguido de un enfriamiento rápido. Normalmente se utiliza el enfriamiento con agua.
El acero inoxidable endurecido por precipitación es un desarrollo relativamente reciente y es un tipo de acero inoxidable que se ha probado, ensayado y mejorado a través de la práctica humana.
Los aceros inoxidables anteriores, como los ferríticos y los austeníticos, tienen una buena resistencia a la corrosión, pero sus propiedades mecánicas no pueden ajustarse mediante métodos de tratamiento térmico, lo que limita su utilidad.
El acero inoxidable martensítico puede someterse a tratamiento térmico para ajustar en mayor medida sus propiedades mecánicas, pero su resistencia a la corrosión es escasa.
Características:
El acero inoxidable endurecido por precipitación tiene un bajo contenido en carbono (generalmente ≤0,09%) y un alto contenido en cromo (generalmente ≥14% o superior), junto con elementos como el Mo y el Cu, lo que le confiere una resistencia a la corrosión equivalente a la del acero inoxidable austenítico.
Mediante un tratamiento de solución sólida y envejecimiento, se puede obtener una estructura con fases de endurecimiento por precipitación precipitadas sobre la matriz de martensita, lo que da lugar a una mayor resistencia.
La resistencia, la plasticidad y la tenacidad pueden ajustarse dentro de un rango determinado ajustando la temperatura de envejecimiento.
Además, el método de tratamiento térmico de la solución sólida seguido del refuerzo por precipitación en fase de precipitación permite procesar formas básicas con baja dureza tras el tratamiento de la solución sólida.
Al reforzarse mediante el envejecimiento, se reducen los costes de transformación y supera a la aceros martensíticos.
Clasificación:
① Acero inoxidable martensítico de endurecimiento por precipitación y su tratamiento térmico
Los aceros inoxidables martensíticos endurecidos por precipitación se caracterizan por una transformación de austenítico a martensítico que comienza por encima de la temperatura ambiente (Ms).
Al calentar el acero hasta su temperatura de austenitización y enfriarlo rápidamente, se obtiene una matriz martensítica de tipo pizarra.
Tras el envejecimiento, la fina masa de cobre precipita de la matriz martensítica, reforzando el acero.
Un grado típico en la norma GB1220 es 0Cr17Ni4Cu4Nb (PH17-4), con la siguiente composición: C≤0,07, Ni: 3-5, Cr: 15,5-17,5, Cu: 3-5, Nb: 0,15-0,45. El punto Ms es de aproximadamente 120°C, y el punto Mz de unos 30°C.
Tratamiento de soluciones sólidas:
Cuando se calienta a 1020-1060°C y se enfría rápidamente con agua o aceite, la estructura del acero se convierte en martensita de listón, con una dureza de unos 320HB.
La temperatura de calentamiento no debe superar los 1100°C, ya que esto puede provocar un aumento de la ferrita en la estructura, una disminución del punto Ms, un aumento de la austenita retenida, una disminución de la dureza y malos efectos del tratamiento térmico.
Tratamiento del envejecimiento:
La dispersión y el tamaño de las partículas de los precipitados dependen de la temperatura de envejecimiento y dan lugar a diferentes propiedades mecánicas.
Según la norma GB1220, las propiedades tras el envejecimiento a diferentes temperaturas son las siguientes:
② Tratamiento térmico del acero inoxidable semiaustenítico
El punto Ms de los aceros inoxidables semiausteníticos suele estar ligeramente por debajo de la temperatura ambiente, lo que da lugar a una estructura de austenita con baja resistencia tras el tratamiento de disolución y el enfriamiento a temperatura ambiente.
Para mejorar la resistencia y dureza de la matriz, es necesario volver a calentar el acero a 750-950°C para aislarlo.
En esta fase, los carburos precipitarán en la austenita, reduciendo su estabilidad y aumentando el punto Ms por encima de la temperatura ambiente.
Al enfriarse, se obtiene una estructura de martensita. También puede añadirse un tratamiento en frío (tratamiento bajo cero), seguido de envejecimiento, para producir un acero reforzado con precipitados en la matriz de martensita.
Un grado recomendado en la norma GB1220 es 0Cr17Ni7Al (PH17-7) con la siguiente composición: C≤0,09, Cu≤0,5, Ni: 6,5-7,5, Cr: 16-18, Al: 0,75-1,5.
Solución + Ajuste + Tratamiento del envejecimiento:
La temperatura de la solución sólida es de 1040°C y el acero se enfría con agua o aceite para obtener una estructura de austenita con una dureza de unos 150HB.
La temperatura de ajuste es de 760°C y el acero se enfría en aire para precipitar carburos de aleación en la austenita, reducir su estabilidad, aumentar el punto Ms a 50-90°C y obtener martensita de listón tras el enfriamiento. La dureza puede alcanzar 290HB.
Tras el envejecimiento a 560°C, el Al y sus compuestos precipitan, reforzando el acero y aumentando su dureza hasta 340HB.
Solución sólida + Ajuste + Tratamiento en frío + Envejecimiento:
La temperatura de la solución sólida es de 1040°C y se utiliza el enfriamiento con agua para obtener una estructura de austenita.
La temperatura de ajuste es de 955°C para aumentar el punto Ms y obtener martensita torneada tras el enfriamiento.
El tratamiento en frío a -73°C durante 8 horas reduce la austenita retenida en la estructura para obtener el máximo de martensita.
Existen numerosas formas de clasificar el acero inoxidable, entre ellas las basadas en la composición química, las propiedades funcionales, la estructura metalográfica y las características del tratamiento térmico.
Sin embargo, a efectos prácticos, es más útil clasificarla en función de su estructura metalográfica y de las características del tratamiento térmico.
El principal elemento de aleación del acero inoxidable es el cromo, y puede añadirse una pequeña cantidad de elementos de ferrita estables, como aluminio y molibdeno. La estructura resultante es de ferrita.
Este tipo de acero inoxidable tiene poca resistencia y no puede mejorarse mediante tratamiento térmico.
En cambio, tiene cierta plasticidad, pero también grandes cantidades de fragilidad. Presenta buena resistencia a la corrosión en medios oxidantes (como el ácido nítrico), pero escasa resistencia a la corrosión en medios reductores.
Contiene una alta concentración de cromo, generalmente más de 18%, y aproximadamente 8% de níquel.
Algunos utilizan manganeso en lugar de níquel para aumentar aún más la resistencia a la corrosión, y otros añaden elementos como molibdeno, cobre o silicio, titanioo niobio.
No hay cambio de fase durante el calentamiento y el enfriamiento, por lo que no pueden utilizarse métodos de tratamiento térmico para aumentar su resistencia.
Sin embargo, tiene la ventaja de su baja resistencia, alta plasticidad y gran tenacidad. Es muy resistente a los medios oxidantes y tiene buena resistencia a la corrosión intergranular tras la adición de titanio y niobio.
Acero inoxidable martensítico contiene principalmente 12-18% de Cr, con la cantidad de carbono ajustable según las necesidades, normalmente 0,1-0,4%.
Para las herramientas, el contenido en carbono pueden alcanzar 0,8-1,0%, y algunas se mejoran con la adición de elementos como Mo, V y Nb para aumentar la estabilidad y la resistencia al revenido.
El calentamiento a altas temperaturas y el enfriamiento a cierta velocidad dan lugar a una estructura que es principalmente martensítica, pero que también puede contener pequeñas cantidades de ferrita, retenida austenitao carburos de aleación en función del contenido en carbono y elementos de aleación.
La estructura y el rendimiento pueden ajustarse controlando el proceso de calentamiento y enfriamiento, pero la resistencia a la corrosión no es tan buena como la de los aceros inoxidables austeníticos, ferríticos y dúplex.
El acero inoxidable martensítico es resistente a los ácidos orgánicos, pero tiene poca resistencia en medios como los ácidos sulfúrico y clorhídrico.
Generalmente, el contenido de Cr es de 17-30% y el de Ni de 3-13%.
Además, se añaden elementos de aleación como Mo, Cu, Nb, N y W, y el contenido de C se mantiene muy bajo.
Dependiendo de la proporción de los elementos de aleación, algunas son ferritas, mientras que otras son principalmente austenitaconstituyendo dos aceros inoxidables dúplex que existen simultáneamente.
Al contener ferrita y elementos reforzantes, tras el tratamiento térmico, su resistencia es ligeramente superior a la del acero inoxidable austenítico y su plasticidad y tenacidad son mejores.
El rendimiento no puede ajustarse mediante tratamiento térmico.
Tiene una alta resistencia a la corrosión, especialmente en medios que contienen Cl y agua de mar, y presenta una buena resistencia a las picaduras, la corrosión por intersticios y la corrosión bajo tensión.
La composición de este tipo de acero inoxidable se caracteriza por la presencia de elementos como el C, el Cr, el Ni y otros elementos, como el Cu, el Al y el Ti, que pueden provocar precipitaciones.
Las propiedades mecánicas pueden ajustarse mediante tratamiento térmico, pero su mecanismo de refuerzo difiere del del acero inoxidable martensítico.
Debido a su dependencia del refuerzo basado en la precipitación, el contenido de carbono puede mantenerse muy bajo, lo que resulta en una mejor resistencia a la corrosión que el acero inoxidable martensítico y equivalente al acero inoxidable austenítico Cr-Ni.
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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