La influencia de los elementos de aleación en la estructura y el rendimiento del acero inoxidable

Impacto de los elementos de aleación en las propiedades de polarización del hierro.

El tipo y concentración de elementos de aleación afectan directamente la resistencia a la corrosión del acero inoxidable. Su función principal consiste en influir en el comportamiento de polarización del hierro y en el potencial del electrodo.

El proceso de polarización anódica de metales comúnmente utilizados como Fe, Cr, Ni, Ti exhibe patrones de polarización distintivos. La polarización juega un papel importante en la mejora de la resistencia a la corrosión de un metal. Los factores que fortalecen la polarización anódica o catódica mejoran la resistencia a la corrosión; aquellos que lo reducen disminuyen la resistencia del metal a la corrosión. Los diferentes elementos de aleación tienen distintos impactos sobre la polarización del hierro. Los elementos que expanden la zona de pasivación, disminuyen el Ecp, el potencial de la región P y aumentan el potencial del punto Er, mejoran la resistencia a la corrosión del acero. Aquellos que intensifican las propiedades de pasivación, desplazando las posiciones de los puntos Icp e I1 hacia la izquierda, disminuyen la corriente de corrosión y mejoran la resistencia a la corrosión. Los elementos que aumentan el potencial del punto Er reducen la tendencia a la corrosión por picaduras, ya que un potencial del punto Er bajo puede provocar la ruptura de la película de pasivación y corrosión por picaduras bajo potenciales fluctuantes cerca del potencial de sobrepasivación. Entre los elementos de aleación comúnmente utilizados, el Cr mejora significativamente las propiedades de pasivación del hierro puro, convirtiéndolo en el elemento más eficaz para mejorar la resistencia a la corrosión del hierro. Ni, Si, Mo y otros también amplían de forma variable la zona de pasivación y fortalecen las propiedades de pasivación. Mo no sólo mejora la pasivación del hierro sino que también aumenta el potencial del punto Er, mejorando así la resistencia del hierro a la corrosión por picaduras.

Influencia en el potencial del electrodo del hierro

Generalmente, el potencial del electrodo de las soluciones sólidas metálicas es menor que el de otros compuestos, lo que los hace propensos a la corrosión como ánodos. El aumento del potencial del electrodo del hierro mejora su resistencia a la corrosión. Los estudios muestran que cuando se añade Cr al hierro para formar una solución sólida, el potencial del electrodo de la solución sólida de hierro aumenta significativamente, mejorando notablemente la resistencia a la corrosión del material. Debido a los efectos beneficiosos del cromo sobre la pasivación del hierro y el potencial de los electrodos, se ha convertido en un elemento de aleación primario en varios aceros inoxidables.

3. Efecto de los elementos de aleación sobre la resistencia a la corrosión del acero inoxidable

  • Cromo (Cr): El cromo es el principal elemento que determina la resistencia a la corrosión del acero inoxidable. Cuando su contenido de proporción atómica alcanza 1/8, 2/8, etc., el potencial del electrodo de hierro aumenta dramáticamente, mejorando la resistencia a la corrosión. El cromo es un estabilizador alfa. Su óxido forma una película protectora densa y resistente a la corrosión.
  • Carbono (C) y Nitrógeno (N): El carbono estabiliza significativamente la austenita, aproximadamente 30 veces más eficaz que el Ni, y es un elemento de refuerzo principal en el acero inoxidable. El carbono forma una serie de carburos con el cromo, lo que afecta significativamente la resistencia a la corrosión del acero inoxidable. Sin embargo, el carbono empeora la procesabilidad y soldabilidad del acero inoxidable y hace que el acero inoxidable ferrítico se vuelva quebradizo. Por tanto, la aplicación y el control del carbono son cruciales en la producción y el desarrollo del acero inoxidable.

La interacción entre el carbono y el cromo en la formación de acero inoxidable.

Las estructuras se ilustran en el diagrama adjunto. El gráfico muestra que se obtiene una estructura ferrítica con menor contenido de carbono y mayor contenido de cromo; por el contrario, se forma una estructura martensítica con un mayor contenido de carbono y un menor contenido de cromo. En los aceros inoxidables al cromo, cuando el contenido de cromo es inferior al 17%, el aumento del contenido de carbono da como resultado un acero inoxidable martensítico. Con un contenido de carbono más bajo y un 13% de cromo se obtiene acero inoxidable ferrítico. A medida que el contenido de cromo aumenta del 13% al 27%, el aumento de cromo estabiliza la estructura ferrítica y el contenido de carbono del acero puede aumentar correspondientemente (del 0.05% al ​​0.2%) mientras se mantiene una matriz ferrítica.

  • Níquel (Ni): El níquel, uno de los tres elementos esenciales del acero inoxidable, mejora su resistencia a la corrosión. Es un estabilizador de fase gamma y un elemento principal para lograr austenita monofásica y promover la formación de austenita. El níquel reduce efectivamente el punto Ms, permitiendo que la austenita permanezca estable a temperaturas muy bajas (por debajo de -50°C).

El aumento del contenido de níquel reduce la solubilidad del C y el N en el acero austenítico, lo que lleva a una mayor tendencia a la precipitación de carbonitruros. A medida que aumenta el contenido de níquel, disminuye el contenido de carbono crítico para la corrosión intergranular, lo que significa que el acero se vuelve más susceptible a este tipo de corrosión. El impacto del níquel en la resistencia del acero inoxidable austenítico a la corrosión por picaduras y grietas no es significativo. Además, el níquel mejora la resistencia a la oxidación a alta temperatura del acero inoxidable austenítico, principalmente debido a la mejora de la composición, estructura y rendimiento de la película de óxido de cromo. Sin embargo, la presencia de níquel reduce la resistencia del acero a la sulfuración a alta temperatura.

  • Manganeso (Mn): El manganeso es un elemento formador de austenita más débil pero tiene un fuerte efecto estabilizador sobre la estructura austenítica. En el acero inoxidable austenítico, el manganeso reemplaza parcialmente al Ni, siendo aproximadamente un 2% de Mn equivalente a un 1% de Ni. El manganeso también mejora la resistencia a la corrosión del acero inoxidable al cromo en ácidos orgánicos como el ácido acético, fórmico y etanoico, de manera más efectiva que el níquel. Cuando el contenido de cromo en el acero supera el 14%, no se puede lograr una estructura austenítica única con Mn solo. Dado que una buena resistencia a la corrosión en el acero inoxidable requiere un contenido de cromo superior al 17%, los aceros inoxidables austeníticos con Ni sustituido con Mn aplicados industrialmente son típicamente aceros del tipo Fe-Cr-Mn-Ni-N, como el 12Cr18Mn9Ni5N. Los aceros inoxidables austeníticos sin níquel Fe-Cr-Mn-N se utilizan con menos frecuencia.
  • Nitrógeno (N): Utilizado inicialmente en aceros inoxidables austeníticos Cr-Mn-N y Cr-Mn-Ni-N para ahorrar níquel, el nitrógeno se ha convertido en los últimos años en un importante elemento de aleación en los aceros inoxidables austeníticos Cr-Ni. La adición de nitrógeno al acero inoxidable austenítico estabiliza la estructura austenítica, mejorando la fuerza y ​​la resistencia a la corrosión, especialmente contra la corrosión localizada como la corrosión intergranular, por picaduras y por grietas. En aceros inoxidables austeníticos ordinarios con bajo contenido de carbono y ultra bajo carbono, mejora la resistencia a la corrosión intergranular. En aceros inoxidables austeníticos de alta pureza, el nitrógeno aumenta la estabilidad de la película de pasivación, reduciendo la velocidad de corrosión promedio.

Actualmente, los aceros inoxidables austeníticos que contienen nitrógeno se utilizan principalmente por su resistencia a la corrosión y su alta resistencia, dividiéndose en tipos de nitrógeno controlado, nitrógeno medio y alto en nitrógeno. Los tipos de nitrógeno controlado contienen 0.05%-0.10% N en aceros inoxidables austeníticos Cr-Ni con contenido de carbono ultrabajo (C≤0.02%~0.03%)

para mejorar la resistencia y al mismo tiempo optimizar la resistencia a la corrosión intergranular y por tensión. Los tipos de nitrógeno medio contienen entre 0.10% y 0.50% de N, fundido y moldeado a presión atmosférica normal. Los tipos con alto contenido de nitrógeno tienen un contenido de nitrógeno superior al 0.40%, generalmente se funden y moldean a presión aumentada y se utilizan principalmente en estados tratados con solución o trabajados en semifrío, lo que proporciona alta resistencia y resistencia a la corrosión. Los aceros austeníticos con alto contenido de nitrógeno, con un contenido de nitrógeno que alcanza el 0.8%-1.0%, ya han tenido aplicaciones prácticas y han comenzado su producción industrial.

  • Titanio (Ti), niobio (Nb), molibdeno (Mo) y elementos de tierras raras: El titanio y el niobio son fuertes elementos formadores de carburos. Preferiblemente forman carburos con carbono antes que con cromo, evitando la corrosión intergranular y mejorando la resistencia a la corrosión. La adición de titanio y niobio debe ser proporcional al contenido de carbono del acero.

El molibdeno mejora la capacidad de pasivación del acero inoxidable y amplía su rango medio de pasivación, como en ácido sulfúrico caliente, ácido clorhídrico diluido, ácido fosfórico y ácidos orgánicos. Las películas pasivas que contienen molibdeno son muy estables en muchos medios y resisten la disolución. Previenen la destrucción de la película pasiva por los iones cloruro, por lo que los aceros inoxidables que contienen molibdeno tienen la capacidad de resistir la corrosión por picaduras.

La adición de elementos de tierras raras como cerio (Ce), lantano (La), itrio (Y), etc., al acero inoxidable permite microaleaciones en la matriz, purificando los límites de los granos, modificando las inclusiones, homogeneizando la estructura y reduciendo la segregación. y precipitación de compuestos en los límites de los granos, mejorando así la resistencia a la corrosión y las propiedades mecánicas del acero.

4. Efecto de los elementos de aleación sobre la estructura del acero inoxidable La influencia de los elementos de aleación en la estructura matricial del acero inoxidable se puede clasificar en dos tipos principales: elementos formadores de ferrita, como cromo, platino, silicio, titanio, niobio, etc.; y elementos formadores de austenita, como carbono, nitrógeno, níquel, manganeso, cobre, etc. Cuando estos elementos con diferentes efectos se añaden simultáneamente al acero, la estructura del acero inoxidable depende de su influencia combinada. Para simplificar, el efecto de los elementos formadores de ferrita se equipara al efecto del cromo, denominado equivalente de cromo [Cr], y el efecto de los elementos formadores de austenita al efecto del níquel, denominado equivalente de níquel [Ni]. Se utiliza un diagrama basado en el equivalente de cromo [Cr] y el equivalente de níquel [Ni] para representar la composición real del acero y el estado estructural resultante.

El acero 12Cr18Ni9 se encuentra en el área de la fase austenítica, indicativo de acero inoxidable austenítico; El acero inoxidable Cr28 está en el área de la fase ferrítica, indicativo de acero inoxidable ferrítico; El acero inoxidable 30Cr13 se encuentra en el área de la fase martensítica, lo que indica acero inoxidable martensítico. Para lograr una estructura austenítica monofásica, estos dos tipos de elementos de aleación deben alcanzar un cierto equilibrio; de lo contrario, el acero contendrá una cierta cantidad de estructura ferrítica, lo que dará como resultado una estructura dúplex.

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