INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA FABRICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO ALEADO CON Nb TESIS PROFESIONAL PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN METALÚRGIA Y MATERIALES P R E S E N T A: C. CRUZ GONZÁLEZ JUAN DIRECTOR DE TÉSIS: DR. JOSÉ FEDERICO CHÁVEZ ALCALA MÉXICO D.F. 2013

Agradecimientos. A mi familia que en todo momento me apoyó y creyó en mí, principalmente a mi madre María Cristina González Hernández que con todo el sacrificio y esfuerzo del mundo pudo sacarme adelante para poder terminar mis estudios; no sin antes hacer una mención especial a mi abuela Rosa Hernández Ruíz que a pesar de que ya no está con nosotros estoy seguro de que este trabajo sería la mejor retribución a todas sus atenciones y cuidados. A mi primo Carlos E. González Zúñiga que siempre ha estado en las buenas y en las malas conmigo, además de ser como un hermano. A todas aquellas personas que me han brindado su amistad las cuales de alguna forma u otra han hecho alguna aportación en mi formación tanto profesional como personal: Juan Alberto Alcántara Cárdenas. Lázaro Murray Serrano. Edgar Carpenter Carreño. Miguel Ángel Mangino. Agradezco a todos aquellos profesores que me transmitieron sus conocimientos y me dieron sus mejores consejos para ser un buen profesionista, en especial a: Dr. José Federico Chávez Alcalá. Profesora Rosaura Ramírez Sevilla

CONTENIDO. Número Descripción Lista de figuras. Lista de tablas. Página Iii V RESUMEN. 1 I. INTRODUCCIÓN. 2 II. CONSIDERACIONES TEÓRICAS. 4 2.1 Historia de los aceros inoxidables. 4 2.2 El Niobio en fundiciones de acero y forjas. 5 2.3 El Niobio en las fundiciones de acero. 6 2.4 Generalidades de los aceros inoxidables. 7 2.5 Aceros inoxidables grado austenítico. 10 2.6 Sistema Hierro-Cromo - Níquel. 13 2.7 Grados usados para el servicio de resistencia a la corrosión. 14 2.8 Elementos menores en aceros inoxidables. 15 2.9 Titanio, Coulombio y Tantalio como elementos menores. 15 2.10 Generalidades de un acero AISI 347. 17 2.11 Transformaciones en caliente para un acero AISI 347. 17 2.12 Tratamientos térmicos de un acero AISI 347. 17 2.13 Grado austenítico - ferrítico. 17 2.14 Tratamiento térmico de los aceros inoxidables y aleaciones resistentes al calor. 19 2.15 Relevado de esfuerzos de aceros inoxidables austeníticos. 21 2.16 Formabilidad de los aceros inoxidables.. 25 2.17 Formabilidad de los aceros inoxidables austeníticos. 25 2.18 Ensayo de tensión. 26 i

III. DESARROLLO EXPERIMENTAL. 27 3.1 Cálculo de carga. 28 3.1.1 Cálculo de Ferroaleaciones. 28 3.1.2 Carga final. 28 3.2 Secuencia de Colada. 29 3.3 Preparación de muestras metalográficas. 30 3.4 Análisis químico. 31 3.5 Tratamiento térmico. 31 3.6 Ensayo de laminación. 32 3.7 Ensayo de tensión. 32 VI. ANÁLISIS DE RESULTADOS. 34 4.1 Análisis químico. 34 4.2 Determinación de Cromo y Níquel equivalente de acuerdo al diagrama de Schaefler. 34 4.3 Macroataque de la aleación 347Nb+. 35 4.4 Monitoreo microestructural y análisis por MEB. 36 4.5 Pruebas de dureza Vickers a la aleación 347Nb+. 40 4.6 Proceso de laminación 42 4.7 Pruebas de Tensión. 42 V. CONCLUSIONES. 44 VI. REFERENCIAS. 46 ii

LISTA DE FIGURAS. Número Descripción Página 1 Efecto del Niobio en la microestructura de fundiciones de aceros microaleados HSLA durante varios procedimientos de procesos. 2 Características de crecimiento de grano de austenita de varios aceros microaleados. 6 7 3 Efecto del Niobio, Vanadio y Titanio en el tamaño de grano de aceros HSLA normalizados. 8 4 Relación de aceros inoxidables a otras familias de aleaciones ferrosas. 9 5 Diagrama de fase binario Hierro-Cromo. 10 6 Cordones gamma formados en varios sistemas binarios de Hierro. 12 7 Diagrama de fase binario Fe Ni. 13 8 Diagrama ternario Fe-Cr-Ni. 14 9 Constitución de depósitos soldados de aceros inoxidables de acuerdo al diagrama de Schaefler. 18 10 Efecto del relevado de esfuerzo por dos horas para un acero tipo 347 a diferentes temperaturas en acido nítrico al 65% en ebullición. 23 11 Secuencia experimental. 27. 12 Secuencia de Colada. 29 13 Representación gráfica de lingotera bipartida utilizada para el vaciado. 30 14 Espécimen de laminación. 32 15 Ensayos de tensión de especímenes rectangulares. 32 16 Aplicación del diagrama de Schaefler en la aleación 347 Nb+. 35 17 Aleación 347Nb+ macroatacada con HCl y HNO 3 durante 4 min. 18 Micrografía de acero 347Nb+ tomadas con microscopio electrónico de barrido para la condición 1. 35 36 iii

19 Mapeo de distribución de elementos aleantes de la aleación 347Nb+ para la condición 1 con magnificación de 5000x. 36 20 Micrografía de acero 347Nb+ tomadas con microscopio electrónico de barrido para la condición 2. 37 21 Mapeo de distribución de elementos aleantes de la aleación 347Nb+ para la condición 2 con magnificación de 2000x. 37 22 Micrografía de acero 347Nb+ tomadas con microscopio electrónico de barrido para la condición 3. 38 23 Mapeo de distribución de elementos aleantes de la aleación 347Nb+ para la condición 3 con magnificación de 500x. 38 24 Micrografía de acero 347Nb+ tomadas con microscopio electrónico de barrido para la condición 4. 39 25 Mapeo de distribución de elementos aleantes de la aleación 347Nb+ para la condición 4. 39 26 Mapeo de distribución de elementos aleantes de la aleación 347Nb+ para la condición 4 con magnificación a 20000x. 40 27 Comparativo gráfico del perfil de durezas Vickers en diferentes condiciones. 41 28 Curva Esfuerzo vs Deformación para las cuatro condiciones. 42 iv

LISTA DE TABLAS Número Descripción Página 1 Composición de aceros inoxidables AISI y SAE con el equivalente aproximado estándar de otras ciudades productoras de aceros inoxidables. 8 2 Composiciones nominales tipo austenítico grado 300. 11 3 Designaciones del instituto de aleaciones fundidas y rangos de composición química para aleaciones fundidas resistentes a la corrosión. 16 4 Temperaturas de recocido recomendadas para aceros inoxidables austeníticos. 19 5 Recocido de aceros fundidos inoxidables austeníticos y ferríticos. 20 6 Composición y microestructuras típicas de aceros fundidos resistentes a la corrosión del instituto de aleaciones fundidas (ACI). 20 7 Tratamientos de relevado de esfuerzos para aceros inoxidables austeníticos. 24 8 Composición comercial de una acero SAE 1045. 28 9 Composición comercial de un acero AISI 347. 28 10 Reactivos utilizados en el macroataque. 31 11 Reactivos utilizados para la obtención de micrografías para cuatro estados. 31 12 Dimensiones de probetas de tensión. 33 13 Análisis químico de la aleación 347Nb+. 34 14 Datos de dureza para la aleación 347Nb+ en diferentes condiciones. 41 15 Deformación y límite de cedencia 43 v

FABRICACIÓN, CONFORMADO Y CARACTERIZACIÓN DE VARIANTE DE UN ACERO INOXIDABLE AISI 347 RESUMEN RESUMEN. Por su composición química este trabajo se enfoca al segmento de aceros inoxidables austeníticos, con la característica distintiva de contar con un contenido de Niobio por encima de lo habitual, que es de 1 % sólo o combinado con otros elementos microaleantes tales como el Titanio. En este trabajo se fabrica un acero inoxidable austenítico típico de relación 18/8 de Cr/Ni con 2% de Niobio, de tal forma que por su composición química se asemeja a la clasificación de un acero AISI 347. El acero se fabricó en un horno de inducción abierto de 12 kg a partir de un acero SAE 1045, que fue decarburado, desoxidado y aleado con ferrocromo bajo carbono. Posteriormente el acero fue tratado termomecánicamente y su desarrollo microestructural y mecánico fue monitoreado por microscopía óptica, electrónica de barrido (MEB) con microanálisis (EDS), pruebas de dureza Vickers y ensayos de tensión. Se encontró que sólo tras una secuencia de laminación en caliente con reducción mayor a 50% es posible dar una buena ductilidad al acero con una reducción considerable en su resistencia, obtenida al lograr una distribución homogénea del Niobio, que en condición de colada como con reducciones menores puede presentar precipitados con niobio en los límites de grano. El presente estudio presenta los parámetros para la fabricación y procesamiento de este acero inoxidable austenítico con buenas características para su conformado para futuros estudios en aplicaciones de alto requerimiento como condiciones altamente corrosivas a valores de temperatura elevada o criogénicas. 1

INTRODUCCIÓN I. INTRODUCCIÓN. Aunque los beneficios de las adiciones del Niobio para aceros bajo carbono fueron conocidos en 1930 (1), no fue hasta 1958 que el primer acero microaleado de Niobio trabajado en forma de tiras en caliente fue comercialmente producido en EUA. (2) Para 1981 los conceptos de laminado y acondicionamiento de austenita y el apropiado diseño de aleación para microestructuras ferrita-perlita con propiedades adecuadas en un amplio rango de productos fueron entendidos y practicados. Quizás la placa y la tubería de acero microaleado fueron las mejor entendidas y optimizadas en aquel tiempo. Por otra parte, los beneficios del Niobio microaleado para producir líneas tales como tiras, placas, barras y planchones y fundiciones sólo habían comenzando a ser explotadas. La mayoría de los trabajos publicados de aceros con Niobio concernían a microestructuras de ferrita-perlita. (3) En 20 años desde 1981 existen dos principales cambios microestructurales que se han llevado a cabo. El primero que la ferrita-perlita no pueden exceder rápidamente los niveles de esfuerzo de cedencia de alrededor de 400 MPa en tamaños de sección razonable y contenidos de bajo carbono, Los requerimientos de aplicaciones-manejo para niveles de esfuerzos más altos han llevado al desarrollo de microestructuras ferríticas virtualmente en cada clase de producto que está basado en transformación de producto a baja temperatura, tales como microestructuras de ferrita acicular y vainita o microestructuras multifase. Algunas veces esas microestructuras son mejoradas a través del enfriamiento acelerado, otras por el manejo de aproximaciones de endurecimiento o adiciones para mejorar ambas. Indiferente de la aproximación, el Niobio continúa jugando un mayor rol positivo en la optimización de la manufactura, propiedades finales y la elaboración de esos aceros. El segundo mayor cambio desde 1981 ha sido en la aceptación del Nb como elemento estabilizador, frecuentemente en combinación con Titanio, en ambos casos de hojas de acero de ultrabajo carbono (UBC 0.003%) y aceros inoxidables ferríticos. Desde que los Niveles empleados en aceros UBC frecuentemente caen en el rango de 100 300ppm pueden ser considerados como adición de microaleantes. Sin embargo, las 1500 5000 ppm de Nb algunas veces usadas en aceros inoxidables ferríticos deben ser consideradas como adición de elemento aleante. Los así llamados aceros UBC estabilizados-duales son viables, exitosos y miembros crecientes de sus respectivas familias. Otros aspectos en los que se ha aprendido en 20 años del Nb son los siguientes: A. Consideraciones fundamentales. B. El Niobio y la condición de la austenita. 2

INTRODUCCIÓN C. El Niobio y la transformación. D. El Niobio y los esfuerzos. E. El Niobio y la estabilización. El lado de las aplicaciones puede llegar a ser muy demandante: reducción de peso, seguridad, bajos costos, etc. Ese incremento de demandas puede únicamente llegar a ser conocido a través de un amplio entendimiento de la literatura y principios básicos de la microaleación con Niobio sobre las cuales dependen muchos progresos. (4) En este estudio se propone un acero inoxidable austenítico con contenido de Niobio por encima de la especificación, por lo que en este estudio se le denomina como 347 Nb+, que se caracteriza microestructural y mecánicamente durante su desarrollo a través de procesamiento termomecánico. Este acero puede representar una opción para aplicaciones demandantes de alta corrosividad o de trabajo en condiciones de termperatura extremas, a partir del desarrollo microestructural que se propone y se documenta por técnicas de MEB y EDS, análisis de durezas Vickers; así como pruebas de tensión en cuatro diferentes condiciones. Es posible encontrar aleaciones con contenidos muy parecidos de Nb, con la diferencia que para aceros inoxidables los contenidos de Cromo y Níquel sobrepasan el 18%-8% respectivamente, lo cual deja un buen nicho de investigación para el material fabricado para este trabajo. El material fue fabricado, caracterizado y conformado utilizando equipos de los laboratorios pesados de la E.S.I.Q.I.E. pertenecientes al DIMM. Empezando con la fusión de materias primas en un horno de inducción eléctrica Birlec; así como la preparación de probetas metalográficas con los equipos de corte brindados por el laboratorio de caracterización. El perfil de durezas fue obtenido con un microdurómetro Future Tech, el análisis microestructural se realizó en un microscopio óptico Olympus; así como en MEB JEOL 6700 apoyados con la herramienta (EDS). El normalizado se llevó a cabo en un horno tubular Carboline y en el calentamiento de las muestras para el conformado se utilizó una mufla Sydrone Thermolyne pasándola por un molino de laminación de Farmer and Norton Company. Finalmente se realizaron los ensayos de tensión se llevaron a cabo en el CEPROMIM con una maquina universal Shimatzu. 3

CONSIDERACIONES TEÓRICAS II. CONSIDERACIONES TEÓRICAS. 2.1 Historia de los aceros inoxidables. A principios de los años veinte, en la industria se inició la aplicación de temperaturas de proceso, presiones, reactivos y otras condiciones que estaban más allá de las características de los materiales existentes en esos días. Un ejemplo pertinente lo es el de la industria petrolera. En los veinte, los procesos para la refinación del petróleo se desarrollaron rápidamente. Se encontró que los tubos ordinarios de acero al carbono utilizados en los intercambiadores de calor se corroían aceleradamente, en forma particular cerca de los extremos; debido a esto, se consumían grandes cantidades de tubos. Una de las primeras aplicaciones del acero inoxidable fue la sustitución de estas secciones de tubos por una aleación al cromo, conocida actualmente como tipo 429. Sin embargo, los primeros trabajos realizados para la fabricación de los hierros y aceros inoxidables datan del siglo XIX. Ya en aquellos días se sabía que el hierro aleado con ciertos metales, como el Cobre y el Níquel resistía mejor a la oxidación que el hierro ordinario. En 1865 ya se hacían, aunque en cantidades muy limitadas, aceros con 25 y 35% de níquel que resistían muy bien la acción de la humedad del aire y, en general, del medio ambiente; pero se trataba de fabricaciones en muy pequeña escala que nunca se continuaron. En esa época no se llegó a estudiar ni a conocer bien esta clase de aceros. En 1872 Woods y Clark fabricaron aceros con 5% de cromo que tenían también mayor resistencia a la corrosión que los hierros ordinarios de esa época. Posteriormente en 1892 Hadfield y Sheffield, estudiaron las propiedades de ciertos aceros aleados con cromo y dieron a conocer en sus escritos que el cromo mejoraba sensiblemente la resistencia a la corrosión. En 1904-1910, Guillet y Portevin, en Francia, realizaron numerosos estudios sobre aceros aleados con cromo y níquel, determinando microestructuras y tratamientos de muchos de ellos. Llegaron a fabricar aceros muy similares a los típicos aceros inoxidables que se usan en la actualidad, pero hasta entonces nunca le dieron especial atención a la inoxidabilidad. El desarrollo original de lo que son actualmente los aceros inoxidables aconteció en los albores de la primera guerra mundial. En forma independiente y casi simultánea, en Inglaterra y en Alemania se descubrieron los aceros inoxidables tal como los conocemos ahora. 4

CONSIDERACIONES TEÓRICAS El metalurgista inglés Harry Brearly investigando cómo mejorar una aleación para proteger los cilindros de los cañones, encontró que agregando cromo a los aceros de bajo carbono, obtenía aceros resistentes a las manchas (stainless) o resistentes a la oxidación. Los doctores Strauss y Maurer, de Alemania, en 1912 patentaron dos grupos de aceros inoxidables al cromo-níquel de bajo contenido de carbono; uno de éstos, con la denominación 18-8, ha sido utilizado desde entonces en numerosas aplicaciones. Las propiedades y composiciones de los aceros inoxidables se mantuvieron en secreto por los países beligerantes mientras duró la primera guerra mundial. Posteriormente, a partir de las pocas aleaciones experimentadas en 1920. y de un limitado número de grados comercialmente disponibles en 1930, la familia de los aceros inoxidables ha crecido en forma impresionante. En la actualidad se cuenta con un gran número de tipos y grados de acero inoxidable en diversas presentaciones, y con una gran variedad de acabados, dimensiones, tratamientos, etc. (5) 2.2 El Niobio en fundiciones de acero y forjas Es importante notar que los aceros microaleados consumen alrededor del 80% de la producción del Niobio en el mundo y representan más del 10% de la producción de acero en el mundo (más de 80 millones de toneladas por año). Aparte de las grandes áreas de tonelajes de aceros automotrices, ductos, aplicaciones estructurales y de construcción, microaleados, los aceros que contienen Niobio se han ido incrementando empleándose en campos de tonelajes más chicos tales como fundiciones, forjas, automotrices y entre otras. Todos los aceros desarrollados para las aplicaciones citadas ofrecen una mejor resistencia, soldabilidad y alto esfuerzo. Los aceros microaleados también ofrecen mejora en las propiedades a temperaturas elevadas, lo cual incrementa su potencial de aplicación de campo. Mas para ciertas aplicaciones tales como nodos en altamar, las fundiciones de aceros que contienen Niobio ofrecen una importante mejora en las propiedades de fatiga gracias a las concentraciones de esfuerzos reducidos preliminarmente Por otra parte, la principal desventaja de la adición de Nb deriva del hecho de que el Niobio forma precipitados de carbonitruros en aceros de bajo a medio carbono. Los precipitados son completa o parcialmente disueltos en el proceso de recalentado, el grado de solubilidad depende de la temperatura, el tiempo en la temperatura, rango de calentamiento y enfriamiento y los productos de solubilidad [Nb] [C,N]. La cinética de precipitación del Niobio (C,N) por lo tanto controla los beneficios que son logrados, con el nivel de niobio en solución sólida se dicta la temperatura de transformación. (6) 5

CONSIDERACIONES TEÓRICAS 2.3 El Niobio en las fundiciones de acero. El efecto del Niobio en la microestructura y por lo tanto en las propiedades mecánicas de fundiciones de acero HSLA (Aleación baja de alta resistencia) se presenta esquemáticamente en la Figura 1. La interacción entre fundiciones y la práctica de recalentado en la precipitación de partículas de Nb (C, N) en relación al refinamiento de grano, control de transformación y esfuerzo por precipitación es mostrada. Durante el enfriamiento de la temperatura de fusión, lo más probable es que la precipitación del Nb (C, N) no ocurra debido a la ausencia de alguna deformación plástica externa. Sin embargo, alguna fina precipitación de Nb (C, N) se puede dar lugar durante la transformación de austenita a ferrita (formación de precipitado en hilera) y en la fase ferrita. El grado de precipitación depende del grado de enfriamiento de la fundición. Si la fundición es subsecuentemente sujeta a un tratamiento de homogeneización (usualmente únicamente en fundiciones grandes) antes del normalizado, la temperatura puede estar en el rango de los 1100 0 C o por encima, resultando en la completa o parcial solución de Nb (C, N). NOTA. PPTN=PRECIPITACION DE PARTICULAS Y TRANSFORMACION DE NORMALIZADO Figura 1. Efecto del Niobio en la microestructura de fundiciones de aceros microaleados HSLA durante varios procedimientos de procesamiento térmico. 6

CONSIDERACIONES TEÓRICAS Las partículas de Nb (C, N) permanecen fuera de la solución efectivamente pasando el límite de grano de la austenita, así restringiendo el crecimiento de grano resultando en un refinamiento de grano significativo. Este efecto es más pronunciado durante un tratamiento de normalizado ya que en este caso la temperatura de recalentamiento es menor (900 1000 0 C), Las partículas de Nb (C, N) son más estables y el manejo de la fuerza para el crecimiento de grano austenítico es reducido. El Niobio es mucho más efectivo que el Vanadio o Aluminio en la prevención del engrosamiento de grano a altas temperaturas (Figura 2). En aceros normalizados este efecto se traduce para una adición de Niobio siendo más efectivo como un agente refinador de grano especialmente a bajas concentraciones, (0.002 0.04%) ver la Figura 3. Para producir un efecto de refinación similar usando Vanadio se requiere una adición de alrededor de 0.10% V emparejado con un alto nivel de nitrógeno de alrededor de 0.20%. En fundiciones de acero, el Titanio forma partículas de nitruro secundarias, las cuales son relativamente inefectivas para refinamiento de grano (6). Figura 2. Características de crecimiento de grano de austenita de varios aceros microaleados. 2.4 Generalidades de los aceros inoxidables. Los aceros inoxidables tienen aplicaciones resistentes a la corrosión y al calor. La propiedad de resistencia a la corrosión se debe a una película delgada adherente, estable de óxido de Cromo o Níquel que protege efectivamente al acero contra muchos medios corrosivos. (7) La Figura 4 muestra un diagrama en el cual se posiciona a las aleaciones de aceros inoxidables con respecto a todos los sistemas de aleaciones ferrosas. 7

CONSIDERACIONES TEÓRICAS Figura 3. Efecto del Niobio, Vanadio y Titanio en el tamaño de grano de aceros HSLA normalizados. En perspectiva, las aleaciones de baja aleación y carbono AISI-SAE son las de mayor importancia y las más comúnmente empleadas pero existen otros sistemas (Tabla 1) que son comparables a los mencionados tales como el alemán, británico, polaco, rumano, soviético, etc. Tabla 1. Composición de aceros inoxidables AISI y SAE con el equivalente aproximado estándar de otras ciudades productoras de aceros inoxidables. USA AISI 347 SAE 30347 Alemania del Estándar 1.4550 Oeste Designación DIN X10CrNiNb189 Gran Bretaña BS970. Parte 4: 1970 347S17 Acero sustituido por 58F y 58G Polonia Especificación 86020 Tipo OH18N12Nb Rumania Especificación 3583 Tipo 7NbNC180 Unión Soviética GOST 08Kh18N12B Suiza SIS-14 2337 Hungría Especificación 4360 Tipo KO30 Francia AFNOR Z6CNNb18-11 Italia UNI X8CrNiNb1811 Japón Especificación SUS347 Desde hace décadas se descubrió que se debe aplicar un mínimo de 12% de Cromo para la resistencia a la corrosión y oxidación de los aceros. Por lo tanto la definición de aceros inoxidables es para aquellas aleaciones las cuales contienen un mínimo de 12% de Cromo para la resistencia a la corrosión. 8

CONSIDERACIONES TEÓRICAS Este desarrollo fue el comienzo de una familia de aleaciones las cuales han habilitado el avance y crecimiento de procesos químicos y sistemas generadores de energía en los que nuestra sociedad tecnológica está basada. Una clasificación común de los aceros inoxidables es la siguiente: o Grado Ferrítico. o Grado Martensítico. o Grado Austenítico. o Grado Enduracibles por precipitación. Figura 4. Relación de aceros inoxidables a otras familias de aleaciones ferrosas. 9

CONSIDERACIONES TEÓRICAS El subsecuente desarrollo de las subcategorias de aceros inoxidables arriba mencionados está basado en factores de composición, microestructura y cristalografía. La base para los aceros inoxidables es el sistema binario Hierro-Cromo. Este trabajo solo se enfoca en los aceros inoxidables austeníticos debido a la composición obtenida del material fabricado (8). 2.5 Aceros inoxidables grado austenítico. Los aceros inoxidables austeníticos están formados por la adición de un elemento cúbico centrado en la cara tal como el Níquel o el Manganeso. Para el sistema Fe-Cr mostrado en la Figura 5 el cordón gamma es expandido por la ventaja de la adición de la aleación cubica centrada en las caras (fcc) y esto resulta en el aumento y alargamiento del cordón gama. Esta fase es llamada austenita y cuando se adhiere suficiente Níquel o Manganeso para la transformación de austenita, se suprime la formación de ferrita alpha. Figura 5. Diagrama de fase binario Hierro-Cromo [1] Es por lo tanto posible para los aceros aleados Hierro-Cromo con un mínimo de 8% de Níquel obtener una estructura austenítica estable a temperatura ambiente. Los aceros inoxidables austeníticos son eso, aleaciones Hierro-Cromo las cuales han sido suficientemente aleadas con Níquel o Manganeso y Nitrógeno para obtener una estructura austenítica a temperatura ambiente. 10

CONSIDERACIONES TEÓRICAS La austenita es no magnética en comparación con los aceros inoxidables magnéticos ferríticos y martensíticos. Las aleaciones austeníticas más comunes son aceros Hierro- Cromo-Níquel y son conocidas extensamente como la serie 300. Estos aceros inoxidables austeníticos, porque de su alto contenido de Cromo y Níquel son los más resistentes a la corrosión del grupo de aceros inoxidables. Las típicas composiciones de los aceros inoxidables de la serie 300 son mostrados en la Tabla 2. Tabla 2. Composiciones nominales tipo austenítico grado 300. Se observa que algunos grados 300 contienen considerables porcentajes de elementos de aleación, con contenidos de Cromo arriba de 26% y contenidos de Níquel arriba de 22%. Algunos grados contienen Molibdeno, el cual mejora la resistencia de la aleación a las picaduras en soluciones de cloruro. El carbono se mantiene al mínimo o estabilizado por la adición de Titanio o Coulombio (también conocido como Niobio). Esto evita el ataque intergranular y la pérdida de dureza debido a la precipitación de carburos en el límite de grano después de una exposición entre 454 0 C y 565 0 C. El Manganeso puede ser sustituido por una parte del Níquel en los grados austeníticos. (8) El Cromo en exceso de 12% en peso es requerido para proporcionar características inoxidables a las aleaciones de hierro como ya se ha mencionado. La mejora de la relativa resistencia a la corrosión a otros aceros es atribuida a la habilidad del Cromo de producir capas de oxido herméticamente adherente en las superficies de aceros inoxidables. La capa es muy delgada, en el orden de unas pocas capas de átomos de espesor y efectivamente protege o pasiva muchos aceros inoxidables en ambientes corrosivos. Así, todos los aceros inoxidables contienen grandes cantidades de Cromo y un importante lugar para comenzar a entender la relación de fase y microestructuras de aceros inoxidables es el diagrama de equilibrio de fase Hierro-Cromo. 11

CONSIDERACIONES TEÓRICAS El Cromo es un elemento el cual estabiliza la estructura ferrita cúbica centrada en el cuerpo del Hierro; por lo tanto, con el incremento de contenido de Cromo los campos de ferrita delta y alfa se expanden a alta y baja temperatura. En alrededor de 12% de Cromo la ferrita cúbica centrada en el cuerpo es completamente estable de temperatura ambiente a temperaturas de fusión. Como el campo de la ferrita se expande, el campo de la austenita se contrae, produciendo que frecuentemente sea referido como un cordón gamma (γ). La Figura 6 muestra que otros elementos estabilizadores de ferrita tales como el Vanadio y el Molibdeno actúan de forma similar para el Cromo cuando es aleado con Hierro y también forma cordones gamma. Figura 6. Cordones gamma formados en varios sistemas binarios de Hierro. El diagrama Fe-Cr produce directamente la base para aceros inoxidables ferríticos y martensíticos. Los aceros inoxidables martensíticos deben ser capaces de formar austenita, la cual se transformara en martensita en el enfriamiento. Por lo tanto las composiciones de aceros inoxidables martensíticos deben estar dentro del cordón gamma (γ) (como por otros elementos aleantes) y contener suficiente Cromo para dar comportamiento de corrosión inoxidable. Los aceros inoxidables ferríticos están aleados con muchos más altos contenidos de Cromo que los aceros inoxidables martensíticos; por lo tanto la ferrita es estable a todas las temperaturas. Seguido del Cromo, el Níquel es el elemento de aleación con mayor influencia en el diseño de aleación de ciertas clases de aceros inoxidables. El Níquel estabiliza la estructura cúbica centrada en la cara del Hierro y por lo tanto expande la austenita o el campo de fase gamma cuando es aleado con Hierro. El Diagrama de fases de equilibrio Hierro Níquel (Figura 7) muestra que con suficiente Níquel la austenita es estable a todas las temperaturas por encima de la temperatura ambiente. 12

CONSIDERACIONES TEÓRICAS Figura 7. Diagrama de fase binario Fe Ni. En aleaciones binarias Fe Ni, alrededor de 30% de Níquel es requerido para estabilizar completamente la austenita, en parte porque al acercarse a la temperatura ambiente la difusión del hierro y el Níquel es demasiado lenta para formar una mezcla de ferrita y austenita. De cualquier forma si el Cromo también está presente en cantidades suficientes para el comportamiento de la corrosión inoxidable, mucho menor es el níquel requerido para estabilizar austenita. Así que, las aleaciones que contienen típicamente 18% en peso de Cromo y 8% en peso de Níquel son completamente austeníticas desde temperatura ambiente hasta temperaturas de fusión. Estos últimos tipos de aceros constituyen un muy importante grupo de aleaciones designados como aceros inoxidables austeníticos. (9) 2.6 Sistema Hierro-Cromo-Níquel. Este sistema es fundamental ya que en base a este diagrama ternario (Figura 8) que involucra los tres principales elementos de aleación que constituyen a los aceros inoxidables, se puede establecer que fases estarán presentes; sin embargo, este diagrama no puede ser usado para predecir las fases que estarían presentes en una acero inoxidable comercial; ya que la presencia de un cuarto elemento altera el diagrama ternario. 13

CONSIDERACIONES TEÓRICAS Figura 8. Diagrama ternario Fe-Cr-Ni. Dentro del diagrama se identifican cuatro fases: 1. γ fcc en base Ni 2. α bcc en base Fe α 3. α bcc en base a Cr 4. σ en base a Fe α y Cr De esto se puede establecer que la estabilidad de cada una de las diversas fases depende del porcentaje de cada uno de de los elementos en el sistema. (10) 2.7 Grados usados para el servicio de resistencia a la corrosión. Estos caen dentro de los siguientes corchetes para cada elemento importante: 11 a 30% de Cromo, 0 a 31% de Níquel y 50 a 88% de Hierro. Todas las aleaciones que contienen Carbono, Silicio, Manganeso, Azufre y Fosforo en cantidades menores introducidas o como resultado de la práctica de la fundición o de impurezas en materiales crudos. Algunas aleaciones contienen pequeñas adiciones de Molibdeno, Coulombio (Niobio), Cobre o Selenio por la propuesta de obtener propiedades específicas tales como resistencia a la corrosión en medios específicos, incremento de resistencia o mejor maquinabilidad. 14

CONSIDERACIONES TEÓRICAS La mayoría de los grados estándar resistentes a la corrosión están cubiertos por la especificación A 296 (Aleaciones fundidas para el servicio de resistencia a la corrosión general Hierro-Cromo y Hierro-Cromo-Níquel) de la ASTM y son descritos para aleaciones similares a las del tipo AISI forjado. La Tabla 3 muestra la composición química de la aleación fundida y su correspondencia al grado forjado si la hay. En general el forjado y la aleación fundida tienen una resistencia equivalente a la corrosión media y son frecuentemente usadas entre sí. Hay diferencias en las propiedades físicas y químicas, incluso entre las aleaciones forjadas y las fundidas del mismo tipo porque las composiciones químicas no son las mismas. Las variaciones en la composición química pueden parecer pequeñas pero no triviales, proveen óptima forjabilidad por un lado y formabilidad por el otro. Como un resultado, el balance entre los constituyentes de la aleación es diferente en cada caso e influencia la microestructura en cualquiera de las propiedades dependientes. (8) 2.8 Elementos menores en aceros inoxidables. Hay dos clases generales de elementos los cuales están presentes en pequeñas cantidades en aceros inoxidables. Estos son los que no se adicionan intencionalmente y son referidos como residuales o elementos residuales y sus concentraciones son controladas por cada selección de materiales crudos o por práctica de fundición. La otra clase de elementos presentes en pequeñas cantidades es cuando deliberadamente son adheridos para adicionar propiedades específicas, son referidos como elementos menores (8). 2.9 Titanio, Coulombio y Tantalio como elementos menores. El Titanio y Coulombio son adheridos a los aceros inoxidables austeníticos para eliminar la suceptibilidad a la corrosión intergranular (causada por la precipitación de carburos de Cromo) y el agotamiento de carburos de Cromo adyacentes al límite de grano de carburos. La razón para esto es que ambos Titanio y Coulombio forman más carburos estables que el Cromo. Resisten la solución a la temperatura de recocido (alrededor de los 1038 0 C) y por tanto previenen el daño por precipitación de carburos de Cromo si el acero es subsecuentemente expuesto al rango de temperatura de sensitización [593 a 816 0 C], como puede ser el caso por ejemplo durante el soldado. Dos aceros estándar AISI, tipo 321 y 347, son estabilizados con Titanio y Coulombio respectivamente; otro acero austenítico puede ser estabilizado por la adición de estos elementos. 15

CONSIDERACIONES TEÓRICAS Tabla 3. Designaciones del instituto de aleaciones fundidas y rangos de composición química para aleaciones fundidas resistentes a la corrosión. (1) Los Números de tipo de aleación forjada son para los grados correspondientes más cercanos a las aleaciones fundidas. * Máximo. Las cantidades de elementos estabilizadores está descrita para el contenido de carbono como sigue: Ti 4 x C% Cb 8 x C% Ta 16 x C% El Tantalio generalmente no es usado sólo, pero está presente en conjunto con el Coulombio (generalmente de la adición de la ferroaleación) porque de su bajo peso atómico alrededor de dos veces tanto de Tantalio como de Coulombio es necesario (8). 16

CONSIDERACIONES TEÓRICAS 2.10 Generalidades de un acero AISI 347. Este acero por su contenido de Niobio, está protegido contra la corrosión intergranular. Se recomienda su aplicación en piezas fabricadas mediante soldadura y en piezas que vayan a ser utilizadas a temperaturas comprendidas entre 450 y 900 0 C. Posee buenas resiliencias a temperaturas bajo cero, la estructura de este acero es austenítica a todas las temperaturas, es amagnético. Cuando se trabaja en frío se hace ligeramente magnético (11). 2.11 Transformaciones en caliente para un acero AISI 347. De 1180 a 900 0 C con enfriamiento en aire. La temperatura inicial dependerá del grado de deformación. Para grandes reducciones puede elevarse la temperatura inicial hasta 1250 0 C. Por su baja conductividad térmica es necesario darle mayores permanencias que en el caso de los aceros comunes (11). 2.12 Tratamientos térmicos de un acero AISI 347. Con un temple austenítico (hipertemple) entre 1000 y 1050 0 C se elimina la acritud creada durante la transformación en caliente. El enfriamiento puede hacerse en aire o en agua. Con este tratamiento la estructura estará formada básicamente por austenita, aunque pueden aparecer pequeñas cantidades de ferrita. Esto dependerá de la composición química, de la temperatura del tratamiento y de su enfriamiento (11). 2.13 Grado austenítico-ferrítico. Las aleaciones de tipo CF como un grupo constituyen el mayor segmento de producción de aleaciones resistentes a la corrosión. Cuando son tratadas apropiadamente, las aleaciones son resistentes a una gran variedad de corrosivos y son usualmente considerados como el mejor tipo de propuesta general. Tienen buena vaciabilidad, maquinabilidad y soldabilidad, y son duros y fuertes a temperaturas por debajo de los -253 0 C. El tipo CF-8, con una composición nominal de 19Cr-9Ni-0.08C max. Puede ser vista como el grado base y todos los demás como variantes de este tipo básico. La aleación CF-8 tiene una excelente resistencia al ácido nítrico y a todas las fuertes condiciones de oxidación. El tipo CF-8C contiene Coulombio (Niobio) el cual por tratamiento adecuado se combina con el carbono y ayuda a la aleación a evitar la corrosión intergranular, si es expuesta a temperaturas de formación de carburos de Cromo. La aleación CF-8C por lo tanto es usada para resistir los mismos corrosivos que el CF-8 pero donde el campo de soldabilidad o servicio involucre temperaturas alrededor de los 649 0 C. Las aleaciones en ese grupo incluye el CE-30, CF-3, CF-3A, CF-8, CF-8A, CF-20, CF- 3M, CF-3MA, CF-8M, CF-8C, CF-16F y CG-8M. La microestructura de estas 17

CONSIDERACIONES TEÓRICAS aleaciones usualmente contiene de 5 a 40% de ferrita, dependiendo del grado particular y el balance entre los promotores de la ferrita y los elementos promotores de la austenita en la composición química. Este contenido de ferrita mejora la soldabilidad de las aleaciones, incrementa sus esfuerzos mecánicos y da origen a su resistencia al agrietamiento por esfuerzos mecánicos y da origen a su resistencia. La cantidad de ferrita en fundiciones resistentes a la corrosión puede ser estimada de su composición por el uso del diagrama de Schoefer o por su respuesta a instrumentos de medición magnética. El diagrama es descrito por la constitución del diagrama de Schaefler (Figura 9), desarrollado para la determinación de la estructura de depósitos soldados y es construido para leer en el número de ferrita para acordar con el procedimiento de calibración para mediciones magnéticas del contenido de ferrita de los metales soldados en los aceros inoxidables austeníticos y fundiciones adoptadas por el comité de altas aleaciones del consejo de investigaciones en soldadura. En producciones controladas- grados de aleaciones ferrita, el diagrama de Schoefer es usualmente ajustado al análisis preliminar de una carga de fundición para obtener el balance de la composición necesariamente para un rango de contenido de ferrita específico. Figura 9.Constitución de depósitos soldados de aceros inoxidables de acuerdo al diagrama de Schaefler. El diagrama de Schoefer fue derivado de un diagrama anterior desarrollado por Schaefler y DeLong para metales soldados; y no es un diagrama de equilibrio. El uso del diagrama tanto de Schaefler (ecuaciones 1 y 2), requiere que todos los elementos estabilizadores de ferrita en composición sean convertidos en Cromo equivalente y que 18

CONSIDERACIONES TEÓRICAS todos los elementos estabilizadores de austenita sean convertidos en Níquel equivalente a través del uso de coeficientes que representan el poder de ferritización y austenización de cada elemento, un total de Cromo equivalente (Cr e ) y Níquel equivalente (Ni e ) son calculados por la composición de aleaciones de acuerdo a la siguiente expresión De acuerdo con Schaefler (8) : Cr e = %Cr + (%Mo) + 1.5 (%Si) + 0.05 (%Nb) (1) Ni e = %Ni + 30(%C) +0.5(%Mn) (2) 2.14 Tratamiento térmico de los aceros inoxidables y aleaciones resistentes al calor. Los austeníticos convencionales no pueden ser endurecidos por tratamiento, pero endurecerán como resultado del trabajo en frío. Estos aceros son usualmente adquiridos en un estado de recocido o trabajo en frío. El siguiente proceso térmico o soldadura pueden requerir de un subsecuente doble recocido para optimizar la resistencia a la corrosión ablandamiento y ductilidad. Durante el recocido los carburos de Cromo los cuales disminuyen marcadamente la resistencia a la corrosión, son disueltos. Las temperaturas de recocido, las cuales varían un poco con la composición del acero son dadas en la Tabla 4 para aleaciones forjadas y la Tabla 5 para las correspondientes aleaciones fundidas. La Tabla 6 incluye microestructuras y composiciones típicas para aceros fundidos resistentes a la corrosión austeníticos del tipo 347. (12). Tabla 4. Temperaturas de recocido recomendadas para aceros inoxidables austeníticos. UNS No. Designación Temperatura (a) AISI [ 0 C] S34700 347 980 1065 S34800 348 980 1065 (a)las temperaturas dadas son para recocido de una estructura compuesta. El tiempo de la temperatura y método de enfriamiento depende del espesor. Las secciones ligeras pueden ser colocadas a temperatura por 3 o 5 min por 2.5mm (0.10 pulg) de espesor seguido por un rápido enfriamiento en aire. Las secciones más espesas requieren un pasivado en agua. Para aleaciones apropiadas, los productores de aleaciones puede ser consultados para detalles. Aunque el enfriado de la temperatura de recocido debe ser rápido y también debe ser consistente con las limitaciones de distorsión. 19

CONSIDERACIONES TEÓRICAS Tipo Tabla 5. Recocido de fundiciones de aceros inoxidables austeníticos y ferríticos. Temperatura Mínima [ 0 C] Pasivado (a) Resistencia a la tensión final (b) MPa Resistencia a la tensión final Ksi Para máxima resistencia a la corrosión CF-8C (d) 1040 W,O,A 530 77 a. Enfriamiento de fundición W=agua, O=aceite, A=aire. b. Aproximado. c. Enfriamiento de fundición a 540 0 C y después enfriar por aire, aplicable para el tipo CB-30. d. CF-8C puede ser recalentado a 870 y 925 0 C y después enfriado para la precipitación de carburos de Niobio. Tabla 6. Composición y microestructuras típicas de aceros fundidos resistentes a la corrosión del instituto de aleaciones fundidas (ACI). Tipo ACI No. UNS Tipo de aleación Forjada Espec. ASTM CF-8C J92710 347 A351, A743, A744 Microestructura de uso final más común Composición % C Mn Si Cr Ni Otros Aceros Cromo Níquel Ferrita en 0.08 1.50 2.00 18.0-9.00- Nb Austenita 21.00 12.00 Estabilizado de aleaciones austeníticas. Los llamados tipos 321, 347, 348 y Carpenter 20Cb-3, contienen cantidades controladas Titanio y Niobio las cuales hacen que el acero casi inmune a la precipitación intergranular de carburos y sus efectos adversos de la resistencia a la corrosión. Sin embargo estas aleaciones requieren relevado de esfuerzos para incrementar el ablandamiento y la ductilidad para proveer estabilidad adicional. Para obtener un máximo ablandamiento y ductilidad los grados de estabilizado son recocidos como se muestra en la Tabla 4. A diferencia de los grados desestabilizados, estos aceros no requieren pasivado en agua u otra aceleración del enfriamiento de la temperatura de recocido para prevenir la subsecuente corrosión intergranular. El enfriamiento en aire es lo generalmente adecuado. Cuando la máxima resistencia a la corrosión de los grados austeníticos estabilizados es requerida, debe ser necesario emplear el tratamiento conocido como recocido de estabilizado. El tratamiento consiste en poner de 845 a 900 0 C por más de 5 horas dependiendo de la sección de espesor..puede ser aplicado antes o en el curso de la fabricación y puede ser seguido de períodos cortos de relevado de esfuerzos a 705 0 C sin peligro a la perjudicial precipitación de carburos. 20

CONSIDERACIONES TEÓRICAS El acero inoxidable Carpenter 20Cb-3 es diferente de los austeníticos estabilizados convencionales (tipos 321, 347 y 348) a causa de su contenido de alta aleación e incremento de la resistencia a la corrosión. Las aleaciones pueden ser recocidas a altas temperaturas (arriba de 1150 0 C), pero es permisible únicamente si no está sujeta a soldado o temperaturas de calentamiento por encima de los 540 0 C. Ciertas restricciones de la atmosfera de fundición son obligatorias. La combustión en la fundición debe ser cuidadosamente controlada para eliminar la carburización o condiciones de oxidación excesiva. Porque las propiedades de los aceros estabilizados están basadas en su contenido de Carbono original, la absorción de Carbono no puede ser tolerada. Las condiciones de oxidación excesivas causan la formación de una escoria que es difícil remover en subsecuentes operaciones de desescoriado. La acción directa de la flama en el trabajo debe ser prevenida. El contenido de Sulfuro de la atmosfera de la fundición particularmente en fundiciones con petróleo, se debe mantener bajo, gas natural, no produce gas, debe ser usado (12). 2.15 Relevado de esfuerzos de aceros inoxidables austeníticos. Los aceros inoxidables austeníticos tienen buena resistencia a la fluencia, consecuentemente estos aceros deben ser tratados alrededor de 950 0 C, para alcanzar un adecuado relevado de esfuerzos. En algunos casos, el calentamiento a la temperatura de recocido puede ser deseable. Colocándolo a una temperatura más baja de 870 0 C resulta únicamente en un relevado de esfuerzos parcial. La mayoría de los relevados de esfuerzos efectivos resulta en que son logrados por un enfriamiento lento. El pasivado o rápido enfriamiento como es normal en el recocido de aceros inoxidables austeníticos usualmente reintroducirá esfuerzos residuales. El relevado de esfuerzo es únicamente necesario cuando partes de aceros austeníticos son sujetas a condiciones que conducen a esfuerzos por corrosión o fallas por corrosión intergranular. Selección del tratamiento. La selección de un óptimo tratamiento de relevado de esfuerzos es difícil porque los tratamientos que proveen adecuada aliviado de esfuerzo puede perjudicar la resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables y los tratamientos que no son perjudiciales a la resistencia a la corrosión pueden no proveer el adecuado aliviado de esfuerzos. Para evitar específicamente un tratamiento que podría perjudicar el código ASME ni requiere o prohíbe relevado de esfuerzos de aceros inoxidables austeníticos. Las características metalúrgicas de aceros inoxidables austeníticos que pueden afectar el relevado de esfuerzos son discutidas abajo: Calentamiento en el rango de 480 a 815 0 C: Los carburos de Cromo se precipitaran en los límites de grano de grados desestabilizados austeníticos completamente. En los grados fundidos parcialmente ferríticos, los carburos se precipitaran inicialmente en los depósitos discontinuos de ferrita, en lugar de una continua red de límites de grano. Después de un prolongado calentamiento tal como es necesario para secciones gruesas, sin embargo la precipitación de carburos en los límites de grano ocurrirá. Para 21

CONSIDERACIONES TEÓRICAS inoxidables trabajados en frío ocurrirá tan bajo como 425 0 C para tipos 309 y 310, los límites superiores para precipitación de carburos la temperatura más alta es 900 0 C. En esta condición el acero es susceptible a la corrosión intergranular. Mediante el uso de estabilizado o grados extra bajo carbono, estos precipitados intergranulares de carburos de Cromo puede evitarse. Calentamiento en el rango de 540 a 925 0 C: La formación de la dura y frágil fase σ, puede resultar, la cual puede aumentar ambas, resistencia a la corrosión y ductilidad. Durante las veces necesarias para relevado de esfuerzo, σ no se formara completamente en inoxidables austeníticos forjados, fundidos, soldados. Sin embargo si los inoxidables son en parte ferríticos, la ferrita puede transformar a σ durante el relevado de esfuerzos. Esto no es generalmente un problema en aceros inoxidables forjados porque son completamente austeníticos; sin embargo algunos grados forjados particularmente los tipos 309, 309Cb, 312 y 329 pueden contener algo de ferrita. Además la composición de la mayoría de los aceros inoxidables forjados y fundidos es intencionalmente ajustada para que la ferrita se presente como un disuasor del agrietamiento. El contenido de Niobio (Coulombio) del grado fundido CF-8C normalmente contiene de 5 a 20 % de ferrita la cual es más probable de transformar a σ que el Niobio libre de ferrita en el grado desestabilizado CF-8. Enfriamiento lento en grados desestabilizados (que no sea un grado extra bajo carbono): Ya sea a través de cualquier temperatura por encima del rango, el enfriamiento lento puede permitir tiempo suficiente para estos efectos perjudiciales que dan lugar. Calentamiento de 815 a 925 0 C: La coalescencia de precipitados de carburos de Cromo o fase σ ocurrirá resultando en una forma menos perjudicial para la resistencia a la corrosión o propiedades mecánicas. Calentamiento de 955 a 1120 0 C: Este tratamiento de recocido causa que todos los precipitados de carburo de Cromo en el límite de grano redisuelvan y transformen σ de regreso a ferrita, así como el completo ablandamiento del acero. Largos tiempos de calentamiento (>1 hora) pueden incluso disolver algo de ferrita presente y además reducir la probabilidad del reformado de σ a enfriamiento lento. Relevado de esfuerzo para mejorar la resistencia a la muesca. A diferencia de los aceros al carbono y aleados, los aceros austeníticos no son sensibles a la muesca. Consecuentemente el relevado de esfuerzo mejora la resistencia a la muesca sería de ningún beneficio. La fuerza de impacto de muesca puede ser actualmente disminuido si el acero es relevado de esfuerzo a temperaturas a las cuales el carburo de Cromo es precipitado o forma fase σ. También las aleaciones estabilizadas no requieren recocido de alta temperatura para evitar la corrosión intergranular, la temperatura del relevado de esfuerzos ejerce una influencia en la resistencia a la corrosión general de estas aleaciones. La Figura 10 22

CONSIDERACIONES TEÓRICAS muestra los efectos del relevado de esfuerzos por 2 horas a varias temperaturas en el tipo de corrosión para el acero inoxidable 347 en acido nítrico al 65% en ebullición. La resistencia a la corrosión del tipo 347 en ácido nítrico en ebullición es mejor cuando el material es tratado de 815 a 870 0 C que cuando es tratado de 650 a 705 0 C. Los relevados de esfuerzos de 650 a 705 0 C pueden ser promotores de la formación de una pequeña cantidad de carburos de Cromo como un resultado de la liberación de Carbono no comprometido hasta ahora como carburos de Niobio. Recomendaciones generales. En la selección del correcto relevado de esfuerzos, la consideración debe ser dada para el uso específico del material, procedimientos de fabricación empleados y el diseño y condiciones de operación del equipo. El relevado de esfuerzos generalmente no es aconsejable a menos que el ambiente de servicio es conocido o supuesto para causar esfuerzos de corrosión. Si el relevado de esfuerzos parece estar garantizado deberán tenerse debidamente los factores metalúrgicos y su efecto en el acero en el servicio destinado. El uso de los grados estabilizados extra bajo carbono es una ventaja en vista de la gran latitud permitida en el relevado de esfuerzo. Figura 10. Efecto del relevado de esfuerzo por dos horas para un acero tipo 347 a diferentes temperaturas en acido nítrico al 65% en ebullición. La Tabla 7 sugiere relevados de esfuerzo para servicio, aplicaciones y ambientes. Debido de la variación de aliviado de esfuerzos que puede ser requerido, el numero de diferentes grados de inoxidables en uso, algunos procedimientos de fabricación que pueden ser empleados y la multitud de requerimientos de servicio, muchas alternativas 23

CONSIDERACIONES TEÓRICAS de tratamientos son indicadas en la tabla para permitir la selección del relevado de esfuerzos mejor situado para circunstancias particulares (12). Otro enfoque usado para eliminar precipitación de carburos de Cromo es alear aceros inoxidables austeníticos con fuertes elementos formadores de carburos tales como el Titanio, Niobio Tantalio. Tales aceros inoxidables austeníticos (tipos 321 y 347) son referidos como grados estabilizadores. La adición de aleantes forma carburos tales como TiC y NbC y reducen la disponibilidad de Carbono para la precipitación del M 23 C 6 (carburo que contribuye a la disminución del cromo formándose en los límites de grano de la austenita, siendo M la cantidad de átomos del metal contenidos en el carburo). Los tratamientos estabilizadores elaborados a temperaturas entre 840 y 900 0 C, están diseñados para producir una mayor efectividad de dispersión intergranular de los carburos aleados. Tabla 7. Tratamientos de relevado de esfuerzos para aceros inoxidables austeníticos. a) Los tratamientos térmicos están listados en órden de preferencia decreciente. A: Recocido de 1065 a 1120 0 C y a continuación enfriamiento lento. B: Relevado de esfuerzos a 900 0 C y a continuación enfriamiento lento. C: Recocido de 1065 a 1120 0 C y a continuación pasivado o enfriamiento rápido. D: Relevado de esfuerzos a 900 0 C y a continuación pasivado o enfriamiento rápido. E: Relevado de 24

CONSIDERACIONES TEÓRICAS esfuerzos de 480 a 650 0 C y a continuación enfriamiento lento. F: Relevado de esfuerzos por debajo de 480 0 C y a continuación enfriamiento lento. G: Relevado de esfuerzos de 205 a 480 0 C y a continuación enfriamiento lento (tiempo usual de 4 horas por cada sección de pulgada) b) Para permitir el óptimo tratamiento de relevado de esfuerzos, el uso de de grados estabilizados o extra bajo carbono es recomendado c) En la mayoría de las instancias ningún tratamiento térmico es requerido pero donde los procedimientos de fabricación pueden tener sensibilizado a los aceros inoxidables, los tratamientos térmicos nombrados pueden ser empleados. d) Los tratamientos A, B o D también pueden ser usados si son seguidos por el tratamiento C cuando el conformado es terminado. e) Donde los esfuerzos de fabricación severos están acompañados con altos servicios de carga pueden causar agrietamiento. También después de soldar perfiles pesados. Bajo muchas condiciones de estabilizado los aceros inoxidables austeníticos son efectivos en la reducción de formación de carburos de Cromo y el ataque intergranular. Sin embargo, las muy altas temperaturas adyacentes a soldaduras pueden causar incluso carburos TiC y NbC para redisolver y hacer posible la precipitación de M 23 C 6 si las soldaduras son colocadas dentro o lentamente enfriadas a través del rango de precipitación de temperatura del M 23 C 6. Esto puede llevar a remediar sometiendo las soldaduras a un tratamiento de estabilizado final (9). 2.16 Formabilidad de los aceros inoxidables. Dentro de la selección del tipo de conformado para aceros inoxidables austeníticos tales como el 321, 347 y 348 la laminación es considerada como un buen método de conformado. Las características de aceros inoxidables que afectan su formabilidad incluyen el esfuerzo de cedencia, esfuerzo tensil, ductilidad y el efecto de endurecimiento por trabajo de estas propiedades; la composición de los aceros inoxidables también es un factor importante en la formabilidad (13). 2.17 Formabilidad de los aceros inoxidables austeníticos. El acero inoxidable de tipo 301(tomado como referencia) tiene el contenido más bajo de Níquel y Cromo de los aceros inoxidables austeníticos estándar, también tienen el esfuerzo de cedencia más alto en condición de recocido. La extremadamente alta velocidad de endurecimiento por trabajo del tipo 301 resulta en apreciables incrementos de esfuerzos tensiles y límites de cedencia con cada incremento en la cantidad de trabajo en frío. Esta respuesta al endurecimiento por trabajo es particularmente importante para partes estructurales, incluyendo secciones con ángulos y canales después de su fabricación, es esperado tener esfuerzos adicionales y rigidez. Por otra parte, para aplicaciones de trefilado una baja velocidad de endurecimiento por trabajo es usualmente preferible y puede ser obtenida de aleaciones austeníticas que tienen los más altos contenidos de Níquel, notablemente los tipos 304, 304L y 305. En general las aleaciones austeníticas son más difíciles do conformar con bajos contenidos de Cromo y Níquel como el tipo 301. Tales aleaciones muestran un 25

CONSIDERACIONES TEÓRICAS incremento de la velocidad de endurecimiento por trabajo y son menos adecuadas para operaciones de trefilado. La presencia de elementos estabiizadores Niobio, Titanio y Tantalio; así como los altos contenidos de Carbono también ejercen un efecto adverso en las características de conformado de aceros inoxidables austeníticos. Por lo tanto las propiedades de conformado de los aceros inoxidables tipo 321 y 347 son menos favorables que los tipos 302, 304 y 305. 2.18 Ensayo de tensión. Los ensayos de tensión proporcionan información de la resistencia y ductilidad de los materiales bajo esfuerzos uniaxiales tensiles. Ésta información puede ser utilizada en la comparación de materiales, desarrollo de aleaciones, control de calidad y diseño bajo ciertas circunstancias. Los resultados de los ensayos de tensión de los especímenes maquinados para dimensiones estandarizadas de porciones seleccionadas de una parte del material podrían no representar totalmente las propiedades de resistencia y ductilidad de un producto terminado o su desempeño en servicio en diferentes desarrollos. Las máquinas de ensayo usualmente están equipadas con mordazas de agarre, estas mordazas generalmente constituyen un significado satisfactorio de la sujeción de especímenes largos de metales dúctiles y especímenes de placa plana tal como se muestra en la Figura 15. 26

FABRICACIÒN, CONFORMADO Y CARACTERIZACIÒN DE VARIANTE DE UN ACERO INOXIDABLE AISI 347 DESARROLLO EXPERIMENTAL III. DESARROLLO EXPERIMENTAL. Para este trabajo se fabricó un acero inoxidable de la serie 300 en los laboratorios pesados de la E.S.I.Q.I.E. en un horno de inducción Birlec con capacidad de 12 Kg, el cual contiene una variante de Nb principalmente siendo así la clasificación de acero AISI 347 la que más se asemeja en cuanto a composición química se refiere, dicho lo anterior, se nombrara al producto fabricado como 347Nb+ con la siguiente secuencia experimental. Figura 11. Secuencia experimental*. *Nota: La caracterización descrita en la condición de colada así como las tres condiciones de TT y conformado incluye la preparación de probetas metalográficas para análisis químico, MO (Microscopio óptico) y MEB (Microscopio Electrónico de Barrido), dureza HV (dureza Vickers) y tensión. 27

FABRICACIÒN, CONFORMADO Y CARACTERIZACIÒN DE VARIANTE DE UN ACERO INOXIDABLE AISI 347 DESARROLLO EXPERIMENTAL 3.1. Cálculo de carga. El cálculo de carga se realizo para un peso de 9000g. Se partió de una base de acero SAE 1045 (véase Tabla 8) al cual se le decarburó antes de agregar las respectivas ferroaleaciones, formando así una variación de un acero inoxidable AISI 347 el cual tiene la siguiente composición comercial de acuerdo con la Tabla 9. Tabla 8. Composición comercial de una acero SAE 1045. Tipo %C %Mn %Si %P SAE 1045 0.443-0.50 0.60-0.90 0.050 Max 0.040Max Tabla 9. Composición comercial de un acero AISI 347. Tipo %C %Mn %Si %Cr %Ni %P %S Otro 347 0.08 2.00 1.00 17.0-19.0-0.045 0.03 10x%C min Nb 3.1.1 Cálculo de Ferroaleaciones. 9000g Metal * 0.19% Cr = 1710gCr * (100%Fe-Cr/68%Cr) = 2514.7+100g=2614.7g Fe-Cr η Fe-Cr = 68% 9000g Metal * 0.08%Ni = 720gNi * (100%Ni/99%Ni) = 727.3g Ni η Ni = 99% 9000g Metal * 0.004%Si = 36gSi * (100%Fe-Si/75%Si) = 48g Fe-Si + 2g = 50g Fe-Si η Fe-Si = 75% 9000g Metal * 0.02%Nb =180g Nb* (100% Fe-Nb/60%Nb) = 300g Fe-Nb η Fe-Cr = 60% Ferroaleaciones Tot. = 3692 g Ferroaleaciones Para que el peso de la escoria sea un 2% del peso del metal a fundir esta será: 9000g x 0.02 = 180g escoria 90%CaO 0.9x180g = 162 gcao 10%CaF2 0.1x180g = 18 gcaf 2 3.1.2. Carga Final. 3692g Ferroaleaciones + 180g escoria sintética 5128g Acero 1045. 9000g Carga total introducida 28

FABRICACIÒN, CONFORMADO Y CARACTERIZACIÒN DE VARIANTE DE UN ACERO INOXIDABLE AISI 347 DESARROLLO EXPERIMENTAL 3.2. Secuencia de Colada. Figura 12. Secuencia de Colada. 29

FABRICACIÒN, CONFORMADO Y CARACTERIZACIÒN DE VARIANTE DE UN ACERO INOXIDABLE AISI 347 DESARROLLO EXPERIMENTAL Dentro del proceso de fusión del material se consideró la revisión y mantenimiento preventivo y correctivo del horno; así como la revisión de las materias necesarias. Pasasndo por los respectivos registros de temperatura, decarburación, desescoriado desoxidación y adición de ferroaleaciones. El material se vació en una lingotera (de doble sección) de hierro gris elaborada previamente con un espesor aproximado de 20mm con una forma cónica (Figura 13) con la intención de observar el patrón de solidificación por medio de un macroataque posterior. Figura 13. Representación gráfica de lingotera bipartida utilizada para el vaciado. 3.3 Preparación de muestras metalográficas. Debido a su geometría se procedió al corte del lingote para obtener muestras manejables, inicialmente se obtuvo un espécimen para macroataque el cual fue posteriormente cortado, rectificado y sometido a protocolo de desbaste y pulido para la obtención de probetas metalográficas; pasando por lijas abrasivas de agua de número 120 hasta 2000. De igual forma se pulió con alúmina de 0.1 y 0.4 µm obteniéndose así un acabado a espejo. Las probetas metalográficas obtenidas y el análisis por EDS corresponden a 4 condiciones: Condición de colada. Condición con tratamiento a 1100 0 C. Condición con tratamiento a 1100 0 C y reducción en caliente de 12.5%. Condición con tratamiento a 1100 0 C y reducción en caliente de 50%. En cada condición se obtuvo un perfil de durezas así como su respectiva probeta de tensión para la obtención de curvas esfuerzo deformación. 30

FABRICACIÒN, CONFORMADO Y CARACTERIZACIÒN DE VARIANTE DE UN ACERO INOXIDABLE AISI 347 DESARROLLO EXPERIMENTAL Los reactivos utilizados para el macroataque son descritos en la Tabla 10; de igual forma la Tabla 11 muestra el reactivo utilizado para las probetas metalográficas utilizadas en los distintos procesos. Tabla 10. Reactivos utilizados en el macroataque. Reactivo Cantidad [ml] HCl 60 H 2 NO 3 30 H 2 O 2 60 Tabla 11. Reactivos utilizados para la obtención de micrografías para cuatro estados. Reactivo de Kalling Cantidad [ml] Cu Cl 2 1.5g HCl 33 H 2 O 2 33 Alcohol 33 3.4 Análisis químico. Las muestras en condición de colada se analizaron tanto en microscopio electrónico de barrido (MEB) como espectro de chispa, para las tres condiciones subsecuentes se utilizó únicamente MEB-EDS.. 3.5 Tratamiento térmico. Se sometieron tres muestras a homogeneizado en un horno de tipo tubular Carboline a una temperatura de 1100 0 C durante 5 horas y se dejaron enfriar al medio ambiente. Vale la pena mencionar que dentro de la secuencia de prueba para la condición 2 el material sometido al tratamiento fue encapsulado en Argón, pero el análisis microestructural no reveló algún cambio para la obtención del rompimiento de la estructura de colada. 31

FABRICACIÒN, CONFORMADO Y CARACTERIZACIÒN DE VARIANTE DE UN ACERO INOXIDABLE AISI 347 DESARROLLO EXPERIMENTAL 3.6 Ensayo de Laminación. Se sometieron dos probetas tratadas a 1100 0 C a reducciones de 12.5% en cuatro pasos y 50% en seis pasos utilizando un molino de laminación, la Figura 14 esquematiza el dimensionamiento de las probetas utilizadas. * H= 20 mm, A= 20 mm, P= 50 mm 3.7 Ensayo de tensión. Figura 14. Espécimen de laminación 3.6.1 Especímenes de tamaños pequeños proporcionales al tamaño estándar de la probeta de tensión. La Figura 15 muestra los especímenes rectangulares. Este puede ser usado cuando es necesario ensayar el material que no puede ser preparado de acuerdo al estándar. Figura 15. Ensayos de tensión de especímenes rectangulares. 32

FABRICACIÒN, CONFORMADO Y CARACTERIZACIÒN DE VARIANTE DE UN ACERO INOXIDABLE AISI 347 DESARROLLO EXPERIMENTAL Se fabricaron cuatro probetas de tensión de acuerdo a las condiciones de procesamiento, debido a la disponibilidad de material se fabricaron sub-tamaños derivados de la Figura 14 para especímenes rectangulares. La Tabla 12 incluye las dimensiones con las que se fabricaron las probetas de tensión de acuerdo a la disponibilidad del material las cuales fueron ensayadas den una máquina universal Shimatzu ubicada en el CEPROMIM. Tabla 12. Dimensiones de probetas de tensión. Dimensiones Condición 1 Condición 2 Condición 3 Condición 4 [mm] [mm] [mm] [mm] G 11.06 12.70 19.05 19.05 W 2.65 3.18 4.90 4.89 T 2.62 3.15 4.65 4.60 R 3,125 3,125 4.76 4.76 L 50.20 49.60 53.97 72.73 A 14.70 14.70 23.71 23.71 B 15.16 13.63 11.94 21.75 C 4.19 3.68 6.55 6.53 33

ANÁLISIS DE RESULTADOS IV. ANÁLISIS DE RESULTADOS. 4.1 Análisis Químico. El acero fabricado por fusión y colada en realidad no corresponde a alguna aleación comercial conocida debido a su alto contenido de Nb, siendo el acero inoxidable austenítico AISI 347 el más parecido en cuanto a composición se refiere, se nombrara en este trabajo a dicha aleación como 347Nb+. La Tabla 13 Muestra la composición química obtenida por medio de un equipo de espectroscopia de emisión óptica (chispa) a la aleación fabricada. Tabla 13. Análisis químico de la aleación 347Nb+. Acero %C %Si %Mn %P %S %Cr %Ni %Al %Nb %Fe 347Nb+ 0.04 0.82 0.46 0.019 0.006 17.66 8.63 0.1 2.5 69.63 Tal composición evidencia que tanto el procedimiento de secuencia de colada como el de decarburación del metal base (Acero ASME 1045) fue el adecuado al obtener un contenido de bajo carbono y un excedente de contenido de Nb tomando como referencia la composición de un acero AISI 347 como se muestra en la Tabla 10. 4.2 Determinación de Cromo y Níquel equivalente de acuerdo al diagrama de Schaefler. En la aleación fabricada se obtuvo un remanente magnético, por lo que se utilizó el diagrama de Schaefler como herramienta para tener un referente del tipo de fases que contiene utilizando las siguientes ecuaciones: Cr e = %Cr+2 (%Si)+1.5(%Mo)+5(%V) + 5.5(%Al)+1.75(%Nb) +1.5(%Ti)+0.75(%W) Ni e = %Ni+%Co+30(%C)+25(%N)+0.5(%Mn)+0.3(%Cu) Aplicando las ecuaciones arriba descritas se obtuvo valores de: Cr equivalente = 20 Ni equivalente = 10 34

ANÁLISIS DE RESULTADOS Al presentar dichos valores en el diagrama de Schaefler (Figura 16) se puede apreciar que el producto fabricado se ubica dentro de la zona de austenita + ferrita en una proporción aproximada 80-20% respectivamente, lo que puede explicar el hecho de que el material contenga un remanente magnético. Siempre tomando en cuenta que este diagrama únicamente permite a tener una aproximación en el contenido de fases y no debe ser interpretado como un diagrama de equilibrio. Figura 16. Aplicación del diagrama de Schaefler en la aleación 347 Nb+. 4.3. Macroataque de la aleación 347Nb+. La figura 17 muestra la foto de la aleación cortada, maquinada y macroatacada con los reactivos de la Tabla 10 por un periodo de 4 min. Se observa un patrón de solidificación con granos alargados de forma dendrítica en las orillas y una estructura con granos que van de grandes a finos del exterior al centro de la aleación. Figura 17. Aleación 347Nb+ macroatacada con HCl y HNO 3 durante 4 min. 35

ANÁLISIS DE RESULTADOS 4.4 Monitoreo microestructural y análisis por MEB. Básicamente se monitoreó microestructuralmente el material denominado 347Nb+ para las cuatro condiciones de procesamiento realizadas en trabajo Las micrografías de la condición 1 mostradas en la Figura 18 no revelaron un grano suficientemente recristalizado, aún siguiendo la estructura dendrítica de solidificación, además de tener una distribución discontinua de Niobio, al parecer concentrado en límites de grano, tal y como se muestra en el mapeo de la Figura 19. Figura 18. Micrografía de acero 347Nb+ obtenidas con microscopio electrónico de barrido para la condición 1 a a) 500x, b) 2000x, c) 5000x en condiciones de colada atacada con reactivo de Kalling (Tabla 11). Figura 19. Mapeo de distribución de elementos aleantes de la aleación 347Nb+ para la condición 1 con magnificación de 5000x. 36

ANÁLISIS DE RESULTADOS La Figura 20 muestra las micrografías de la condición dos, en la cual se aprecia con claridad granos grandes y estructura dendrítica. Así mismo, en el mapeo de esta muestra presentado en la Figura 21 se aprecian bandas con mayor contenido de Cr que a su vez presentan menor contenido de Ni, en comparación con la condición uno tomando en cuenta que fue sometido a una temperatura de 1100 0 C por un período de cinco horas; y para el Niobio no se aprecia aún una distribución homogénea, pero ya no se observan las bandas enriquecidas en este elemento en los límites de grano. Figura 20. Micrografía de acero 347Nb+ obtenidas con microscopio electrónico de barrido para la condición 2 a a) 500x, b) 2000x, c) 5000x atacada con reactivo de Kalling. º Figura 21. Mapeo de distribución de elementos aleantes de la aleación 347Nb+ para la condición 2 con magnificación de 2000x. 37

ANÁLISIS DE RESULTADOS Siguiendo con la condición tres en las micrografías Figura 22 se observa que no hubo cambios sustanciales comparando las estructuras obtenidas para las condiciones uno y dos aun después de haber sido sometido a una reducción del 12.5 %, la cual no fue suficiente para obtener una distribución homogénea del Nb, como se observa en el mapeo de la Figura 23, aunque su segregación se presenta en puntos mucho más pequeños que en las condiciones 1 y 2. Figura 22. Micrografía de acero 347Nb+ obtenidas con microscopio electrónico de barrido para la condición 3 a a) 500x, b) 1500x, c) 3000x Y d) 5000x atacada con reactivo de Kalling. Figura 23. Mapeo de distribución de elementos aleantes de la aleación 347Nb+ para la condición 3 con magnificación de 500x. Al terminarse la secuencia de condiciones descritas anteriormente,se observa en la Figura 24 la condición cuatro en la cual es posible apreciar la revelación de grano para el material fabricado; así como una dispersión homogénea de Nb sin presencia de Carburos o Nitruros localizados como revela el mapeo de la Figura 25. 38

ANÁLISIS DE RESULTADOS Figura 24. Micrografía de acero 347Nb+ obtenidas con microscopio electrónico de barrido para la condición 4 a a) 500x, b) 2000x, c) 5000x atacada con reactivo de Kalling. Figura 25. Mapeo de distribución de elementos aleantes de la aleación 347Nb+ para la condición 4 con magnificación de 2000x con dos elementos extras en el mapeo (C, N) Derivado del último mapeo de distribución de elementos aplicado para la condición cuatro, el cual no define con claridad el contenido o distribución observada en los límites de grano de la Figura 25, se utilizó una técnica de mayor resolución de microscopía electrónica de barrido con 20,000 aumentos, de tal forma que se pudiera identificar la distribución de elementos en el límite de grano. 39

ANÁLISIS DE RESULTADOS El mapeo de distribución de elementos con alta resolución de la Figura 26 indica un ligero contenido de Cromo en el límite de grano y en general una distribución homogénea de los elementos aleantes tales como el Cromo, Níquel y Niobio los cuales no reflejan formación de Carburos asociados, esta característica puede contribuir a evitar la corrosión intergranular de este material durante su uso. Figura 26. Mapeo de distribución de elementos aleantes de la aleación 347Nb+ para la condición 4 con magnificación de 20,000x en el límite de grano. 4.5 Pruebas de dureza Vickers a la aleación 347Nb+. La aleación 347Nb+ fue sometida a ensayos de dureza en las cuatro diferentes condiciones, partiendo de la estructura de colada seguido de diferentes tratamientos termomecánicos para su homogeneización y su desarrollo microestructural. La Tabla 14 contiene los valores obtenidos en cada ensayo a lo largo de un muestreo de 20 mediciones. En la Figura 27 se muestra en forma gráfica el comportamiento de dureza a lo largo del material con las diferentes condiciones de tratamiento. Se revela una diferencia clara entre los valores de dureza obtenido en las tres primeras condiciones, comparado con la condición cuatro, la cual fue sometida a una reducción del 50% obteniendo valores de dureza claramente menores, en un intervalo entre 145 y 160 HV, contra un intervalo entre 200 y 230 HV en las 3 primeras condiciones. Este mismo gráfico también permite observar que la muestra en condición de colada presenta zonas claramente más duras y más blandas, mientras que en las demás condiciones el perfil de dureza presenta comportamientos más homogéneos. 40

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