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El acero inoxidable , también conocido como inox , acero resistente a la corrosión ( CRES ) y acero inoxidable , es una aleación de hierro resistente a la oxidación y la corrosión . Contiene hierro con cromo y otros elementos como molibdeno , carbono , níquel y nitrógeno según su uso específico y su coste. La resistencia del acero inoxidable a la corrosión resulta del contenido de cromo del 10,5% o más, que forma una película pasiva que puede proteger el material y autocurarse en presencia de oxígeno. [1] : 3
Las propiedades de la aleación, como el brillo y la resistencia a la corrosión, son útiles en muchas aplicaciones. El acero inoxidable se puede laminar en láminas , placas, barras, alambres y tubos. Estos se pueden utilizar en utensilios de cocina , cubiertos , instrumentos quirúrgicos , electrodomésticos grandes , vehículos, material de construcción en edificios grandes, equipos industriales (por ejemplo, en fábricas de papel , plantas químicas , tratamiento de agua ) y tanques y cisternas de almacenamiento de productos químicos y alimenticios. Algunos grados también son adecuados para forja y fundición .
La capacidad de limpieza biológica del acero inoxidable es superior a la del aluminio y el cobre, y comparable a la del vidrio. [2] Su capacidad de limpieza, resistencia y resistencia a la corrosión han impulsado el uso del acero inoxidable en plantas farmacéuticas y de procesamiento de alimentos. [3]
Los diferentes tipos de acero inoxidable se etiquetan con un número AISI de tres dígitos. [4] La norma ISO 15510 enumera las composiciones químicas de los aceros inoxidables de las especificaciones de las normas ISO, ASTM , EN , JIS y GB existentes en una tabla de intercambio útil. [5]
Aunque el acero inoxidable se oxida, esto sólo afecta las capas externas de átomos y su contenido de cromo protege las capas más profundas de la oxidación.
La adición de nitrógeno también mejora la resistencia a la corrosión por picaduras y aumenta la resistencia mecánica. [6] Por lo tanto, existen numerosos grados de acero inoxidable con distintos contenidos de cromo y molibdeno para adaptarse al entorno que debe soportar la aleación. [7] La resistencia a la corrosión se puede aumentar aún más por los siguientes medios:
El tipo más común de acero inoxidable, el 304, tiene una resistencia a la tracción de alrededor de 210 MPa (30 000 psi) en estado recocido. Puede reforzarse mediante trabajo en frío hasta alcanzar una resistencia de 1050 MPa (153 000 psi) en estado completamente endurecido.
Los aceros inoxidables más resistentes que se encuentran disponibles comúnmente son las aleaciones de endurecimiento por precipitación, como 17-4 PH y Custom 465. Estas pueden ser tratadas térmicamente para tener resistencias a la tracción de hasta 1730 MPa (251 000 psi). [8]
El punto de fusión del acero inoxidable es cercano al del acero común y mucho más alto que el del aluminio o el cobre. Como ocurre con la mayoría de las aleaciones, el punto de fusión del acero inoxidable se expresa en forma de un rango de temperaturas, y no de una única temperatura. [9] Este rango de temperaturas va de 1400 a 1530 °C (2550 a 2790 °F; 1670 a 1800 K; 3010 a 3250 °R) [10] dependiendo de la consistencia específica de la aleación en cuestión.
Al igual que el acero , los aceros inoxidables son conductores relativamente malos de la electricidad, con conductividades eléctricas significativamente más bajas que el cobre. En particular, la resistencia de contacto no eléctrico (ECR) del acero inoxidable surge como resultado de la densa capa de óxido protector y limita su funcionalidad en aplicaciones como conectores eléctricos. [11] Las aleaciones de cobre y los conectores recubiertos de níquel tienden a exhibir valores de ECR más bajos y son materiales preferidos para tales aplicaciones. Sin embargo, los conectores de acero inoxidable se emplean en situaciones en las que la ECR plantea un criterio de diseño inferior y se requiere resistencia a la corrosión, por ejemplo, en altas temperaturas y entornos oxidantes. [12]
Los aceros inoxidables martensíticos , dúplex y ferríticos son magnéticos , mientras que el acero inoxidable austenítico suele ser no magnético. [13] El acero ferrítico debe su magnetismo a su estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo , en la que los átomos de hierro están dispuestos en cubos (con un átomo de hierro en cada esquina) y un átomo de hierro adicional en el centro. Este átomo de hierro central es responsable de las propiedades magnéticas del acero ferrítico. [ cita requerida ] Esta disposición también limita la cantidad de carbono que el acero puede absorber a alrededor del 0,025%. [14] Se han desarrollado grados con bajo campo coercitivo para electroválvulas utilizadas en electrodomésticos y para sistemas de inyección en motores de combustión interna. Algunas aplicaciones requieren materiales no magnéticos, como la resonancia magnética . [ cita requerida ] Los aceros inoxidables austeníticos , que normalmente no son magnéticos , pueden hacerse ligeramente magnéticos mediante endurecimiento por trabajo . A veces, si se dobla o corta el acero austenítico, se produce magnetismo a lo largo del borde del acero inoxidable porque la estructura cristalina se reorganiza. [15]
El desgaste por agarrotamiento , a veces llamado soldadura en frío, es una forma de desgaste adhesivo severo, que puede ocurrir cuando dos superficies metálicas están en movimiento relativo entre sí y bajo una gran presión. Los sujetadores de acero inoxidable austenítico son particularmente susceptibles al desgaste por agarrotamiento de la rosca, aunque otras aleaciones que autogeneran una película protectora de óxido en la superficie, como el aluminio y el titanio, también son susceptibles. Bajo un deslizamiento de alta fuerza de contacto, este óxido puede deformarse, romperse y retirarse de partes del componente, exponiendo el metal reactivo desnudo. Cuando las dos superficies son del mismo material, estas superficies expuestas pueden fusionarse fácilmente. La separación de las dos superficies puede resultar en desgarro de la superficie e incluso en el agarrotamiento completo de los componentes metálicos o sujetadores. [17] [18] El desgaste por agarrotamiento se puede mitigar mediante el uso de materiales diferentes (bronce contra acero inoxidable) o utilizando diferentes aceros inoxidables (martensítico contra austenítico). Además, las juntas roscadas se pueden lubricar para proporcionar una película entre las dos partes y evitar el desgaste por agarrotamiento. El Nitronic 60, fabricado mediante aleación selectiva con manganeso, silicio y nitrógeno, ha demostrado una tendencia reducida a la formación de agallas. [18]
La densidad del acero inoxidable varía de 7,5 a 8,0 g/cm3 ( 0,27 a 0,29 lb/cu in) dependiendo de la aleación.
La invención del acero inoxidable siguió una serie de avances científicos, que comenzaron en 1798, cuando Louis Vauquelin mostró por primera vez el cromo a la Academia Francesa . A principios del siglo XIX, los científicos británicos James Stoddart, Michael Faraday y Robert Mallet observaron la resistencia de las aleaciones de cromo y hierro ("aceros al cromo") a los agentes oxidantes . Robert Bunsen descubrió la resistencia del cromo a los ácidos fuertes. La resistencia a la corrosión de las aleaciones de hierro y cromo puede haber sido reconocida por primera vez en 1821 por Pierre Berthier , quien notó su resistencia al ataque de algunos ácidos y sugirió su uso en la cuchillería. [20]
En la década de 1840, tanto la siderúrgica británica de Sheffield como la alemana Krupp producían acero al cromo, y esta última lo utilizó para cañones en la década de 1850. [21] En 1861, Robert Forester Mushet obtuvo una patente sobre el acero al cromo en Gran Bretaña. [22]
Estos acontecimientos dieron lugar a la primera producción estadounidense de acero con cromo por parte de J. Baur, de la fábrica de acero cromado de Brooklyn, para la construcción de puentes. En 1869 se concedió una patente estadounidense para el producto. [23] : 2261 [a] A esto le siguió el reconocimiento de la resistencia a la corrosión de las aleaciones de cromo por parte de los ingleses John T. Woods y John Clark, que observaron rangos de cromo de entre el 5 y el 30 %, con tungsteno añadido y "carbono medio". Persiguieron el valor comercial de la innovación mediante una patente británica para "aleaciones resistentes a la intemperie". [23] : 261, 11 [24] [ cita completa requerida ]
Los científicos que investigaban la corrosión del acero en la segunda mitad del siglo XIX no prestaron atención a la cantidad de carbono en los aceros aleados que estaban probando hasta que en 1898 Adolphe Carnot y E. Goutal notaron que los aceros al cromo resisten mejor a la oxidación con ácidos cuanto menos carbono contienen. [25] [26]
También a finales de la década de 1890, el químico alemán Hans Goldschmidt desarrolló un proceso aluminotérmico ( termita ) para producir cromo libre de carbono. [27] Entre 1904 y 1911, varios investigadores, en particular Leon Guillet de Francia, prepararon aleaciones que hoy se considerarían acero inoxidable. [27] [28]
En 1908, la firma de Essen Friedrich Krupp Germaniawerft construyó en Alemania el yate de vela Germania de 366 toneladas con casco de acero al cromo-níquel. En 1911, Philip Monnartz informó sobre la relación entre el contenido de cromo y la resistencia a la corrosión. [29] El 17 de octubre de 1912, los ingenieros de Krupp Benno Strauss y Eduard Maurer patentaron como Nirosta el acero inoxidable austenítico [30] [31] [32] [29] conocido hoy como 18/8 o AISI tipo 304. [33]
Se estaban produciendo desarrollos similares en los Estados Unidos, donde Christian Dantsizen de General Electric [33] y Frederick Becket (1875-1942) de Union Carbide estaban industrializando el acero inoxidable ferrítico. [34] En 1912, Elwood Haynes solicitó una patente estadounidense para una aleación de acero inoxidable martensítico, que no se le concedió hasta 1919. [35]
Mientras buscaba una aleación resistente a la corrosión para los cañones de las armas en 1912, Harry Brearley del laboratorio de investigación Brown-Firth en Sheffield, Inglaterra, descubrió y posteriormente industrializó una aleación de acero inoxidable martensítico , hoy conocida como AISI tipo 420. [33] El descubrimiento fue anunciado dos años después en un artículo de periódico de enero de 1915 en The New York Times . [19]
El metal fue comercializado posteriormente bajo la marca "Staybrite" por Firth Vickers en Inglaterra y se utilizó para la nueva marquesina de entrada del Hotel Savoy en Londres en 1929. [36] Brearley solicitó una patente estadounidense durante 1915 solo para descubrir que Haynes ya había registrado una. Brearley y Haynes juntaron su financiación y, con un grupo de inversores, formaron la American Stainless Steel Corporation, con sede en Pittsburgh , Pensilvania. [23] : 360
Brearley inicialmente llamó a su nueva aleación "acero inoxidable". La aleación se vendió en los EE. UU. bajo diferentes marcas como "metal Allegheny" y "acero Nirosta". Incluso dentro de la industria metalúrgica, el nombre permaneció sin definir; en 1921, una revista especializada lo llamó "acero no inoxidable". [37] Brearley trabajó con un fabricante local de cubiertos, quien le dio el nombre de "acero inoxidable". [38] Hasta 1932, Ford Motor Company continuó llamando a la aleación "acero inoxidable" en materiales promocionales de automóviles. [39]
En 1929, antes de la Gran Depresión, se fabricaban y vendían anualmente en Estados Unidos más de 25.000 toneladas de acero inoxidable. [40]
Los grandes avances tecnológicos de los años 1950 y 1960 permitieron producir grandes tonelajes a un coste asequible:
El acero inoxidable se clasifica en cinco familias principales que se diferencian principalmente por su estructura cristalina :
El acero inoxidable austenítico [45] [46] es la familia más grande de aceros inoxidables y representa aproximadamente dos tercios de toda la producción de acero inoxidable. [47] Poseen una microestructura austenítica, que es una estructura cristalina cúbica centrada en las caras . [48] Esta microestructura se logra alear el acero con suficiente níquel, manganeso o nitrógeno para mantener una microestructura austenítica a todas las temperaturas, desde la región criogénica hasta el punto de fusión. [48] Por lo tanto, los aceros inoxidables austeníticos no son endurecibles por tratamiento térmico ya que poseen la misma microestructura a todas las temperaturas. [48]
Sin embargo, "la temperatura de formación es un factor esencial para que los productos de acero inoxidable austenítico metaestable (M-ASS) se adapten a las microestructuras y al rendimiento mecánico criogénico. ... Los aceros inoxidables austeníticos metaestables (M-ASS) se utilizan ampliamente en la fabricación de recipientes a presión criogénicos (CPV), debido a su alta tenacidad criogénica, ductilidad, resistencia, resistencia a la corrosión y economía". [49]
El conformado en frío criogénico del acero inoxidable austenítico es una extensión del ciclo de calentamiento - enfriamiento - revenido , en el que la temperatura final del material antes de su uso a plena carga se reduce a un rango de temperatura criogénico. Esto puede eliminar tensiones residuales y mejorar la resistencia al desgaste. [50]
Subgrupos de aceros inoxidables austeníticos, serie 200 y serie 300:
Los aceros inoxidables ferríticos poseen una microestructura de ferrita como el acero al carbono, que es una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo , y contienen entre un 10,5% y un 27% de cromo con muy poco o nada de níquel. Esta microestructura está presente a todas las temperaturas debido a la adición de cromo, por lo que no son capaces de endurecerse mediante tratamiento térmico. No pueden fortalecerse mediante trabajo en frío en el mismo grado que los aceros inoxidables austeníticos. Son magnéticos. Las adiciones de niobio (Nb), titanio (Ti) y circonio (Zr) al tipo 430 permiten una buena soldabilidad. Debido a la casi ausencia de níquel, son menos costosos que los aceros austeníticos y están presentes en muchos productos, que incluyen:
Los aceros inoxidables martensíticos tienen una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo y ofrecen una amplia gama de propiedades. Se utilizan como aceros inoxidables para ingeniería, aceros inoxidables para herramientas y aceros resistentes a la fluencia . Son magnéticos y no tan resistentes a la corrosión como los aceros inoxidables ferríticos y austeníticos debido a su bajo contenido de cromo. Se dividen en cuatro categorías (con cierta superposición): [57]
Los aceros inoxidables martensíticos pueden ser tratados térmicamente para proporcionar mejores propiedades mecánicas. El tratamiento térmico generalmente implica tres pasos: [59]
La sustitución de una parte del carbono por nitrógeno en los aceros inoxidables martensíticos es un desarrollo reciente. [ ¿ cuándo? ] La limitada solubilidad del nitrógeno aumenta mediante el proceso de refinado por electroescoria a presión (PESR), en el que la fusión se lleva a cabo bajo una alta presión de nitrógeno. Se ha logrado un acero que contiene hasta un 0,4 % de nitrógeno, lo que conduce a una mayor dureza y resistencia y una mayor resistencia a la corrosión. Como el PESR es caro, se han logrado contenidos de nitrógeno más bajos pero significativos utilizando el proceso AOD estándar. [60] [61] [62] [63] [64]
Los aceros inoxidables dúplex tienen una microestructura mixta de austenita y ferrita, siendo la proporción ideal una mezcla de 50:50, aunque las aleaciones comerciales pueden tener proporciones de 40:60. Se caracterizan por un mayor contenido de cromo (19-32%) y molibdeno (hasta un 5%) y un menor contenido de níquel que los aceros inoxidables austeníticos. Los aceros inoxidables dúplex tienen aproximadamente el doble de límite elástico que el acero inoxidable austenítico. Su microestructura mixta proporciona una resistencia mejorada al agrietamiento por corrosión bajo tensión por cloruro en comparación con los tipos de acero inoxidable austenítico 304 y 316. Los grados dúplex suelen dividirse en tres subgrupos en función de su resistencia a la corrosión: dúplex pobre, dúplex estándar y súper dúplex. Las propiedades de los aceros inoxidables dúplex se logran con un contenido de aleación general más bajo que los grados superausteníticos de rendimiento similar, lo que hace que su uso sea rentable para muchas aplicaciones. La industria de la pulpa y el papel fue una de las primeras en utilizar ampliamente el acero inoxidable dúplex. En la actualidad, la industria del petróleo y el gas es el mayor usuario y ha impulsado la creación de grados más resistentes a la corrosión, lo que ha llevado al desarrollo de grados superduplex e hiperduplex. Más recientemente, se ha desarrollado el lean duplex, menos costoso (y ligeramente menos resistente a la corrosión), principalmente para aplicaciones estructurales en la construcción (barras de refuerzo de hormigón, placas para puentes, obras costeras) y en la industria del agua .
Los aceros inoxidables endurecidos por precipitación tienen una resistencia a la corrosión comparable a la de las variedades austeníticas, pero pueden endurecerse por precipitación hasta alcanzar resistencias incluso mayores que otros grados martensíticos. Existen tres tipos de aceros inoxidables endurecidos por precipitación: [65]
El tratamiento de solución a aproximadamente 1040 °C (1900 °F) seguido de temple da como resultado una estructura martensítica relativamente dúctil. El tratamiento de envejecimiento posterior a 475 °C (887 °F) precipita fases ricas en Nb y Cu que aumentan la resistencia hasta un límite elástico superior a 1000 MPa (150 000 psi). Este nivel de resistencia excepcional se utiliza en aplicaciones de alta tecnología como la aeroespacial (normalmente después de la refundición para eliminar inclusiones no metálicas, lo que aumenta la resistencia a la fatiga). Otra ventaja importante de este acero es que el envejecimiento, a diferencia de los tratamientos de templado, se lleva a cabo a una temperatura que se puede aplicar a piezas (casi) terminadas sin distorsión ni decoloración.
El tratamiento térmico típico implica un tratamiento de solución y temple . En este punto, la estructura permanece austenítica. La transformación martensítica se obtiene entonces mediante un tratamiento criogénico a −75 °C (−103 °F) o mediante un trabajo en frío severo (más del 70% de deformación, generalmente mediante laminación en frío o trefilado). El envejecimiento a 510 °C (950 °F), que precipita la fase intermetálica Ni 3 Al, se lleva a cabo como se indicó anteriormente en piezas casi terminadas. Luego se alcanzan niveles de tensión de fluencia superiores a 1400 MPa.
La estructura permanece austenítica a todas las temperaturas.
El tratamiento térmico típico implica un tratamiento de solución y temple, seguido de envejecimiento a 715 °C (1319 °F). El envejecimiento forma precipitados de Ni3Ti y aumenta la resistencia a la fluencia a aproximadamente 650 MPa (94 000 psi) a temperatura ambiente. A diferencia de los grados anteriores, las propiedades mecánicas y la resistencia a la fluencia de este acero siguen siendo muy buenas a temperaturas de hasta 700 °C (1300 °F). Como resultado, el A286 se clasifica como una superaleación a base de Fe , utilizada en motores a reacción, turbinas de gas y piezas de turbo.
Se reconocen más de 150 grados de acero inoxidable, de los cuales 15 son los más utilizados. Se utilizan muchos sistemas de clasificación, incluidos los grados de acero SAE de EE. UU . El Sistema de Numeración Unificado para Metales y Aleaciones (UNS) fue desarrollado por ASTM en 1970. Europa ha adoptado la norma EN 10088. [33]
A diferencia del acero al carbono , los aceros inoxidables no sufren una corrosión uniforme cuando se exponen a ambientes húmedos. El acero al carbono sin protección se oxida fácilmente cuando se expone a una combinación de aire y humedad. La capa superficial de óxido de hierro resultante es porosa y frágil. Además, como el óxido de hierro ocupa un volumen mayor que el acero original, esta capa se expande y tiende a descascararse y desprenderse, exponiendo el acero subyacente a más ataques. En comparación, los aceros inoxidables contienen suficiente cromo para sufrir pasivación , formando espontáneamente una película superficial inerte microscópicamente delgada de óxido de cromo por reacción con el oxígeno del aire e incluso la pequeña cantidad de oxígeno disuelto en el agua. Esta película pasiva evita una mayor corrosión al bloquear la difusión de oxígeno a la superficie del acero y, por lo tanto, evita que la corrosión se extienda a la mayor parte del metal. [67] Esta película se repara por sí sola, incluso cuando se raya o se altera temporalmente por condiciones que exceden la resistencia a la corrosión inherente de ese grado. [67] [68]
La resistencia de esta película a la corrosión depende de la composición química del acero inoxidable, principalmente del contenido de cromo. Se suele distinguir entre cuatro formas de corrosión: uniforme, localizada (picaduras), galvánica y SCC (corrosión bajo tensión). Cualquiera de estas formas de corrosión puede producirse cuando el grado de acero inoxidable no es adecuado para el entorno de trabajo.
La denominación "CRES" se refiere a acero resistente a la corrosión (inoxidable).
La corrosión uniforme se produce en entornos muy agresivos, por lo general en los que se producen o utilizan sustancias químicas de forma intensiva, como en las industrias de pulpa y papel. Se ataca toda la superficie del acero y la corrosión se expresa como tasa de corrosión en mm/año (normalmente, en estos casos es aceptable menos de 0,1 mm/año). Las tablas de corrosión proporcionan pautas. [69]
Este suele ser el caso cuando los aceros inoxidables se exponen a soluciones ácidas o básicas. La corrosión del acero inoxidable depende del tipo y la concentración del ácido o la base y de la temperatura de la solución. La corrosión uniforme suele ser fácil de evitar gracias a la amplia información publicada sobre la corrosión o a pruebas de corrosión de laboratorio que se realizan fácilmente.
Las soluciones ácidas se pueden clasificar en dos categorías generales: ácidos reductores, como el ácido clorhídrico y el ácido sulfúrico diluido , y ácidos oxidantes , como el ácido nítrico y el ácido sulfúrico concentrado. El aumento del contenido de cromo y molibdeno proporciona una mayor resistencia a los ácidos reductores, mientras que el aumento del contenido de cromo y silicio proporciona una mayor resistencia a los ácidos oxidantes. El ácido sulfúrico es uno de los productos químicos industriales más producidos. A temperatura ambiente, el acero inoxidable tipo 304 solo es resistente al 3% de ácido, mientras que el tipo 316 es resistente al 3% de ácido hasta 50 °C (120 °F) y al 20% de ácido a temperatura ambiente. Por lo tanto, el acero inoxidable tipo 304 rara vez se usa en contacto con ácido sulfúrico. El tipo 904L y la aleación 20 son resistentes al ácido sulfúrico en concentraciones incluso más altas por encima de la temperatura ambiente. [70] [71] El ácido sulfúrico concentrado posee características oxidantes como el ácido nítrico, y por lo tanto, los aceros inoxidables que contienen silicio también son útiles. [ cita requerida ] El ácido clorhídrico daña cualquier tipo de acero inoxidable y debe evitarse. [1] : 118 [72] Todos los tipos de acero inoxidable resisten el ataque del ácido fosfórico y el ácido nítrico a temperatura ambiente. En altas concentraciones y temperaturas elevadas, se producirá el ataque y se requieren aceros inoxidables de mayor aleación. [73] [74] [75] En general, los ácidos orgánicos son menos corrosivos que los ácidos minerales como el ácido clorhídrico y el sulfúrico.
Los aceros inoxidables tipo 304 y tipo 316 no se ven afectados por bases débiles como el hidróxido de amonio , incluso en altas concentraciones y a altas temperaturas. Los mismos grados expuestos a bases más fuertes como el hidróxido de sodio en altas concentraciones y altas temperaturas probablemente experimentarán algún ataque y agrietamiento. [76] El aumento de los contenidos de cromo y níquel proporciona una mayor resistencia.
Todos los grados resisten el daño de los aldehídos y las aminas , aunque en este último caso el tipo 316 es preferible al tipo 304; el acetato de celulosa daña el tipo 304 a menos que la temperatura se mantenga baja. Las grasas y los ácidos grasos solo afectan al tipo 304 a temperaturas superiores a 150 °C (300 °F) y al tipo 316 SS por encima de 260 °C (500 °F), mientras que el tipo 317 SS no se ve afectado a ninguna temperatura. El tipo 316L es necesario para el procesamiento de urea . [1] [ página necesaria ]
La corrosión localizada puede producirse de varias formas, por ejemplo, corrosión por picaduras y corrosión por grietas . Estos ataques localizados son más comunes en presencia de iones de cloruro . Los niveles más altos de cloruro requieren aceros inoxidables con mayor aleación.
La corrosión localizada puede ser difícil de predecir porque depende de muchos factores, entre ellos:
La corrosión por picaduras se considera la forma más común de corrosión localizada. La resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables a la corrosión por picaduras se expresa a menudo mediante el PREN , que se obtiene a través de la fórmula:
donde los términos corresponden a la proporción de los contenidos en masa de cromo, molibdeno y nitrógeno en el acero. Por ejemplo, si el acero estuviera compuesto por un 15% de cromo, el %Cr sería igual a 15.
Cuanto mayor sea el PREN, mayor será la resistencia a la corrosión por picaduras. Por lo tanto, un mayor contenido de cromo, molibdeno y nitrógeno proporciona una mejor resistencia a la corrosión por picaduras.
Aunque el PREN de ciertos aceros puede ser teóricamente suficiente para resistir la corrosión por picaduras, la corrosión por grietas puede ocurrir cuando un diseño deficiente ha creado áreas limitadas (placas superpuestas, interfaces entre arandelas y placas, etc.) o cuando se forman depósitos en el material. En estas áreas seleccionadas, el PREN puede no ser lo suficientemente alto para las condiciones de servicio. Un buen diseño, técnicas de fabricación, selección de aleaciones, condiciones de operación adecuadas basadas en la concentración de compuestos activos presentes en la solución que causan corrosión, pH, etc. pueden prevenir dicha corrosión. [77]
El agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC) es un agrietamiento y falla repentinos de un componente sin deformación. Puede ocurrir cuando se cumplen tres condiciones:
El mecanismo SCC resulta de la siguiente secuencia de eventos:
Mientras que las picaduras suelen dar lugar a superficies antiestéticas y, en el peor de los casos, a la perforación de la chapa de acero inoxidable, la corrosión por ...
Como el SCC requiere que se cumplan varias condiciones, se puede contrarrestar con medidas relativamente fáciles, entre ellas:
La corrosión galvánica [78] (también llamada "corrosión de metales diferentes") se refiere al daño por corrosión inducido cuando dos materiales diferentes se acoplan en un electrolito corrosivo. El electrolito más común es el agua, que va desde agua dulce hasta agua de mar. Cuando se forma un par galvánico, uno de los metales del par se convierte en el ánodo y se corroe más rápido de lo que lo haría solo, mientras que el otro se convierte en el cátodo y se corroe más lentamente de lo que lo haría solo. El acero inoxidable, debido a que tiene un potencial de electrodo más positivo que, por ejemplo, el acero al carbono y el aluminio, se convierte en el cátodo, acelerando la corrosión del metal anódico. Un ejemplo es la corrosión de remaches de aluminio que sujetan láminas de acero inoxidable en contacto con el agua. [79] Las áreas de superficie relativas del ánodo y el cátodo son importantes para determinar la velocidad de corrosión. En el ejemplo anterior, el área de superficie de los remaches es pequeña en comparación con la de la lámina de acero inoxidable, lo que da como resultado una corrosión rápida. [79] Sin embargo, si se utilizan elementos de sujeción de acero inoxidable para ensamblar láminas de aluminio, la corrosión galvánica será mucho más lenta porque la densidad de corriente galvánica en la superficie del aluminio será muchos órdenes de magnitud menor. [79] Un error frecuente es ensamblar placas de acero inoxidable con elementos de sujeción de acero al carbono; mientras que el uso de acero inoxidable para sujetar placas de acero al carbono suele ser aceptable, lo inverso no lo es. Proporcionar aislamiento eléctrico entre los metales diferentes, siempre que sea posible, es eficaz para prevenir este tipo de corrosión. [79]
A temperaturas elevadas, todos los metales reaccionan con los gases calientes. La mezcla gaseosa de alta temperatura más común es el aire, del cual el oxígeno es el componente más reactivo. Para evitar la corrosión en el aire, el acero al carbono se limita a aproximadamente 480 °C (900 °F). La resistencia a la oxidación en los aceros inoxidables aumenta con las adiciones de cromo, silicio y aluminio. Pequeñas adiciones de cerio e itrio aumentan la adhesión de la capa de óxido en la superficie. [80] La adición de cromo sigue siendo el método más común para aumentar la resistencia a la corrosión a alta temperatura en los aceros inoxidables; el cromo reacciona con el oxígeno para formar una escala de óxido de cromo, que reduce la difusión de oxígeno en el material. El mínimo de 10,5% de cromo en los aceros inoxidables proporciona resistencia a aproximadamente 700 °C (1300 °F), mientras que el 16% de cromo proporciona resistencia hasta aproximadamente 1200 °C (2200 °F). El tipo 304, el grado más común de acero inoxidable con 18% de cromo, es resistente a aproximadamente 870 °C (1.600 °F). Otros gases, como el dióxido de azufre , el sulfuro de hidrógeno , el monóxido de carbono y el cloro , también atacan al acero inoxidable. La resistencia a otros gases depende del tipo de gas, la temperatura y el contenido de aleación del acero inoxidable. [81] [82] Con la adición de hasta un 5% de aluminio, los grados ferríticos Fe-Cr-Al están diseñados para resistencia eléctrica y resistencia a la oxidación a temperaturas elevadas. Dichas aleaciones incluyen Kanthal , producido en forma de alambre o cintas. [83]
Los acabados de laminación estándar se pueden aplicar al acero inoxidable laminado plano directamente mediante los rodillos y mediante abrasivos mecánicos. El acero se lamina primero a medida y espesor y luego se recoce para cambiar las propiedades del material final. Cualquier oxidación que se forme en la superficie ( cascarilla de laminación ) se elimina mediante decapado y se crea una capa de pasivación en la superficie. Luego se puede aplicar un acabado final para lograr la apariencia estética deseada. [84] [85]
Las siguientes designaciones se utilizan en los EE. UU. para describir los acabados de acero inoxidable según ASTM A480/A480M-18 (DIN): [86]
Existe una amplia gama de procesos de unión disponibles para los aceros inoxidables, aunque la soldadura es, con diferencia, el más común. [87] [53]
La facilidad de soldadura depende en gran medida del tipo de acero inoxidable utilizado. Los aceros inoxidables austeníticos son los más fáciles de soldar por arco eléctrico , con propiedades de soldadura similares a las del metal base (no trabajado en frío). Los aceros inoxidables martensíticos también se pueden soldar por arco eléctrico pero, como la zona afectada por el calor (ZAT) y la zona de fusión (ZF) forman martensita al enfriarse, se deben tomar precauciones para evitar el agrietamiento de la soldadura. Las prácticas de soldadura inadecuadas pueden causar además azucarado (incrustaciones de óxido) y tinte térmico en la parte posterior de la soldadura. Esto se puede prevenir con el uso de gases de purga inversa, placas de respaldo y fundentes. [88] Casi siempre se requiere un tratamiento térmico posterior a la soldadura, mientras que el precalentamiento antes de la soldadura también es necesario en algunos casos. [53] La soldadura por arco eléctrico del acero inoxidable ferrítico tipo 430 da como resultado el crecimiento de grano en la ZAT, lo que conduce a la fragilidad. Este problema se ha solucionado en gran medida con grados ferríticos estabilizados, en los que el niobio, el titanio y el circonio forman precipitados que impiden el crecimiento del grano. [89] [90] La soldadura de acero inoxidable dúplex por arco eléctrico es una práctica común, pero requiere un control cuidadoso de los parámetros del proceso. De lo contrario, se produce la precipitación de fases intermetálicas no deseadas, lo que reduce la tenacidad de las soldaduras. [91]
Los procesos de soldadura por arco eléctrico incluyen: [87]
La soldadura MIG, MAG y TIG son los métodos más comunes.
Otros procesos de soldadura incluyen:
El acero inoxidable se puede unir con adhesivos como silicona, polímeros modificados con sililo y epoxis . En algunas situaciones también se utilizan adhesivos acrílicos y de poliuretano . [92]
La mayor parte de la producción mundial de acero inoxidable se produce mediante los siguientes procesos:
El Foro Internacional del Acero Inoxidable publica anualmente las cifras de producción mundial de acero inoxidable. Entre las cifras de producción de la UE, destacan las de Italia, Bélgica y España, mientras que las de Canadá y México no produjeron nada. China, Japón, Corea del Sur, Taiwán, India, Estados Unidos e Indonesia fueron grandes productores, mientras que Rusia informó de una producción escasa. [47]
Desglose de la producción por familias de aceros inoxidables en 2017:
El acero inoxidable se utiliza en multitud de campos, incluida la arquitectura, el arte, la ingeniería química, la fabricación de alimentos y bebidas, los vehículos, la medicina, la energía y las armas de fuego.
Los cálculos del costo del ciclo de vida (LCC) se utilizan para seleccionar el diseño y los materiales que darán como resultado el costo más bajo durante toda la vida útil de un proyecto, como un edificio o un puente. [93] [94]
La fórmula, en forma sencilla, es la siguiente: [95] [96] [ verificación necesaria ]
donde LCC es el costo total del ciclo de vida, AC es el costo de adquisición, IC el costo de instalación, OC los costos de operación y mantenimiento, LP el costo de producción perdida debido al tiempo de inactividad y RC el costo de los materiales de reemplazo.
Además, N es la vida útil planificada del proyecto, i la tasa de interés y n el año en el que se lleva a cabo un OC o LP o RC en particular. La tasa de interés (i) se utiliza para convertir los gastos de diferentes años a su valor actual (un método ampliamente utilizado por los bancos y las compañías de seguros) para que puedan sumarse y compararse de manera justa. El uso de la fórmula de suma ( ) captura el hecho de que los gastos a lo largo de la vida útil de un proyecto deben acumularse [ aclaración necesaria ] después de que se corrijan por la tasa de interés. [ cita requerida ]
Aplicación del LCC en la selección de materiales
El acero inoxidable utilizado en proyectos suele tener valores de LCC más bajos en comparación con otros materiales. El mayor costo de adquisición (AC) de los componentes de acero inoxidable suele compensarse con mejoras en los costos de operación y mantenimiento, menores costos de pérdida de producción (LP) y un mayor valor de reventa de los componentes de acero inoxidable. [ cita requerida ]
Los cálculos del LCC suelen limitarse al proyecto en sí. Sin embargo, puede haber otros costos que una parte interesada en el proyecto desee considerar: [ cita requerida ]
Se estima que la huella de carbono media del acero inoxidable (todos los grados, todos los países) es de 2,90 kg de CO2 por kg de acero inoxidable producido, [97] de los cuales 1,92 kg son emisiones de materias primas (Cr, Ni, Mo); 0,54 kg de electricidad y vapor, y 0,44 kg son emisiones directas (es decir, de la planta de acero inoxidable). Cabe señalar que el acero inoxidable producido en países que utilizan fuentes de electricidad más limpias (como Francia, que utiliza energía nuclear) tendrá una huella de carbono menor. Los ferríticos sin Ni tendrán una huella de CO2 menor que los austeníticos con un 8 % de Ni o más. La huella de carbono no debe ser el único factor relacionado con la sostenibilidad para decidir la elección de los materiales:
El acero inoxidable es 100% reciclable . [98] [99] Un objeto de acero inoxidable promedio está compuesto de aproximadamente un 60% de material reciclado, del cual aproximadamente el 40% proviene de productos al final de su vida útil, mientras que el 60% restante proviene de procesos de fabricación. [100] Lo que impide un mayor contenido de reciclaje es la disponibilidad de chatarra de acero inoxidable, a pesar de una tasa de reciclaje muy alta. Según el informe Metal Stocks in Society del Panel Internacional de Recursos , el stock per cápita de acero inoxidable en uso en la sociedad es de 80 a 180 kg (180 a 400 lb) en los países más desarrollados y de 15 kg (33 lb) en los países menos desarrollados. Existe un mercado secundario que recicla chatarra utilizable para muchos mercados de acero inoxidable. El producto es principalmente bobinas, láminas y piezas en bruto. Este material se compra a un precio inferior al de primera y se vende a estampadores de calidad comercial y casas de chapa metálica. El material puede tener rayones, picaduras y abolladuras, pero está hecho según las especificaciones actuales. [ cita requerida ]
El ciclo del acero inoxidable comienza con la chatarra de acero al carbono, los metales primarios y la escoria. El siguiente paso es la producción de productos de acero laminados en caliente y acabados en frío en las acerías. Se produce una parte de la chatarra, que se reutiliza directamente en el taller de fundición. La fabricación de componentes es el tercer paso. Se produce una parte de la chatarra que entra en el ciclo de reciclaje. El montaje de los productos finales y su uso no genera ninguna pérdida de material. El cuarto paso es la recogida de acero inoxidable para reciclar al final de la vida útil de los productos (como utensilios de cocina, plantas de pulpa y papel o piezas de automóviles). Aquí es donde resulta más difícil conseguir que el acero inoxidable entre en el ciclo de reciclaje, como se muestra en la siguiente tabla:
Se han producido nanopartículas de acero inoxidable en el laboratorio. [102] [103] Estas pueden tener aplicaciones como aditivos para aplicaciones de alto rendimiento. Por ejemplo, los tratamientos de sulfuración, fosforización y nitruración para producir catalizadores basados en acero inoxidable a escala nanométrica podrían mejorar el rendimiento electrocatalítico del acero inoxidable para la división del agua . [104]
Hay una amplia investigación que indica un probable aumento del riesgo de cáncer (en particular cáncer de pulmón) por inhalar humos al soldar acero inoxidable. [105] [106] [107] [108] [109] [110] Se sospecha que la soldadura de acero inoxidable produce humos cancerígenos de óxidos de cadmio, níquel y cromo. [111] Según el Cancer Council Australia , "En 2017, todos los tipos de humos de soldadura se clasificaron como carcinógenos del Grupo 1 ". [111]
En general, se considera que el acero inoxidable es biológicamente inerte. Sin embargo, durante la cocción, pequeñas cantidades de níquel y cromo se filtran de los utensilios de cocina de acero inoxidable nuevos y se convierten en alimentos altamente ácidos. [112] El níquel puede contribuir al riesgo de cáncer, en particular cáncer de pulmón y cáncer nasal . [113] [114] Sin embargo, no se ha establecido ninguna conexión entre los utensilios de cocina de acero inoxidable y el cáncer. [115]
tratamiento criogénico es el proceso de tratar piezas de trabajo a temperaturas criogénicas para eliminar tensiones residuales y mejorar la resistencia al desgaste en aceros y otras aleaciones metálicas, como el aluminio.
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Medios relacionados con Acero inoxidable en Wikimedia Commons
La definición del diccionario de acero inoxidable en Wikcionario