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Facultad de Ingeniería UNAM

Ingeniería de materiales

Trabajo de investigación.

Acero inoxidable

Alumno: Ramírez Carmona Ulises

Fecha de entrega: jueves 30/8/2012

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Índice. pag.

1.- Introducción…………………………………………………………………………2

2.- Acero inoxidable……………………………………………………………………4

3.-Tipos de aceros inoxidables……………………………………………………….6

4.- Características y aplicaciones de los tipos de los aceros inoxidables más comunes……………………………………………………………………9

4.1- Martensíticos………………………………………………………………..9

4.2-Ferríticos…………………………………………………………………….10

4.3- Austeníticos………………………………………………………………..10

5.- Actualidad y reciclabilidad del acero……………………………………………..11

6.- Conclusiones……………………………………………………………………….12

7.- Referencias………………………………………………………………………….12

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1.- Introducción

Para entrar de lleno en el tema del acero inoxidable, es necesario primero saber lo que es un acero como tal y de que está hecho, por lo que partiremos de lsus componentes principales.

Los metales y aleaciones poseen muchas propiedades útiles en ingeniería, por lo que presentan gran aplicación en los diseños de ingeniería. El hierro y sus aleaciones (principalmente el acero) suponen aproximadamente el noventa por ciento de la producción mundial de metales, fundamentalmente por la combinación de buena resistencia, tenacidad y ductilidad a un coste relativamente bajo. Cada metal tiene propiedades especiales para su uso en diseños de ingeniería y su elección resulta del análisis comparativo de costes con otros metales y materiales.

Las aleaciones basadas en el hierro se denominan ferrosas, y las que se basan en los demás metales aleaciones no ferrosas.

Los aceros ordinarios al carbono son esencialmente aleaciones de hierro y carbono con un contenido de hasta aproximadamente 1.2% de carbono. Sin embargo, la mayoría de los aceros contienen menos de un 0.5% de carbono. La mayoría del acero se obtiene mediante oxidación del carbón y otras impurezas del arrabio hasta que el contenido de carbono del hierro se reduce al nivel requerido.

El proceso más utilizado habitualmente para convertir el arrabio en acero es el soplado con oxígeno y medio básico. En este proceso, el arabio y hasta un 30% de chatarra de acero se cargan en un convertidor en forma de túnel revestido de material refractario, en el que se inserta una bala de oxígeno. El oxígeno puro de la bala reacciona con el arrabio líquido para formar óxido de hierro. Seguidamente, el carbono del acero reacciona con el óxido de hierro para formar monóxido de carbono:

FeO+C→Fe+CO

Figura 1 Fabricación de acero en un horno de oxígeno en un medio básico.

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Inmediatamente después del comienzo de la reacción con oxígeno, se adicionan en cantidades controladas fundentes formadores de escoria (principalmente cal). En este proceso, el contenido en carbono se puede reducir drásticamente (aproximadamente) 22 minutos, al tiempo que se consigue una reducción en la concentración de impurezas como azufre y fósforo.

El acero fundido procedente del convertidor se vierte, bien en moldes estacionarios o de modo continuo, en grandes bloques rectangulares de los que se cortan periódicamente grandes secciones.

Ahora es turno de entrar en la materia del presente trabajo y tratar el tema de un tipo especial de acero, el acero inoxidable.

2.- Acero inoxidable

Los aceros inoxidables se seleccionan como materiales de ingeniería principalmente por su excelente resistencia a la corrosión en muchos medios. la resistencia a la corrosión del acero inoxidable se debe a su alto contenido en cromo. Para hacer un -acero inoxidable- sin oxidar, se debe asegurar la presencia al menos de UN 12% de cromo (Cr) en el acero. De acuerdo con la teoría clásica, el cromo forma un oxido superficial que protege la subyacente aleación de hierro-cromo de la corrosión. Para producir el óxido protector el acero inoxidable debe estar expuesto a agentes oxidantes.

La resistencia a la corrosión del acero inoxidable se debe a una película «pasiva» de un óxido complejo rico en cromo, que se forma espontáneamente en la superficie del acero. Éste es el estado normal de las superficies de acero inoxidable y se conoce como «estado pasivo» o «condición pasiva».

Los aceros inoxidables se autopasivarán espontáneamente cuando una superficie limpia se exponga a un entorno que pueda proveer de suficiente oxígeno para formar la capa superficial de óxido rico en cromo. Esto ocurre automática e instantáneamente, siempre que haya suficiente oxígeno disponible en la superficie del acero. No obstante la capa pasiva aumenta de grosor durante algún tiempo después de su formación inicial.

Ciertas condiciones naturales, como el contacto con el aire o con agua aireada, crearán y mantendrán la condición pasiva de la superficie frente a la corrosión. De este modo los aceros inoxidables pueden mantener su resistencia a la corrosión, incluso si se hubiesen producido daños mecánicos (p.ej., rasguños o mecanización), y contar así con un sistema propio autorreparador de protección a la corrosión.

El cromo de los aceros inoxidables es el principal responsable de los mecanismos de autopasivación. A diferencia de los aceros al carbono o estructurales, los aceros inoxidables deben tener un contenido mínimo de cromo del 10,5% (en

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peso) (y un máximo del 1,2% de carbono). Ésta es la definición de acero inoxidable dada en la norma europea EN 10088-1. La resistencia a la corrosión de estos aceros al cromo puede mejorarse con la adición de otros elementos de aleación como níquel, molibdeno, nitrógeno y titanio (o niobio). Esto proporciona una gama de aceros resistentes a la corrosión para un amplio espectro de condiciones de trabajo, y además, potencia otras propiedades útiles como son la conformabilidad, la fuerza y la resistencia térmica (al fuego). Los aceros inoxidables no pueden ser considerados como resistentes a la corrosión en todas las condiciones de trabajo. Dependiendo del tipo (composición) de acero, habrá ciertas condiciones en las que se pierda el «estado pasivo» y no pueda recomponerse.

En ese caso la superficie se convierte en «activa», y se produce la corrosión. Pueden darse condiciones activas en zonas pequeñas privadas de oxígeno de los aceros inoxidables, tal como en uniones mecánicas, esquinas compactas o en soldaduras incompletas o mal acabadas. El resultado puede ser formas «localizadas» de grietas o picaduras.

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3.-Tipos de aceros inoxidables.

Hay cinco grupos básicos de acero inoxidable clasificados de acuerdo con su estructura metalúrgica: austeníticos, ferríticos, martensíticos, dúplex y de precipitación-endurecimiento (endurecimiento por precipitación).

Los aceros inoxidables que contienen solamente cromo, se llaman "ferríticos", ya que tienen una estructura metalográfica formada básicamente por ferrita. Son magnéticos, y se distinguen porque son atraídos por un imán. Estos aceros, con elevados porcentajes de carbono, son templables y, por tanto, pueden endurecerse por tratamiento térmico pasando a llamarse aceros inoxidables "martensíticos", por tener martensita en su estructura metalográfica.

Los aceros inoxidables que contienen más de un 7% de níquel, se llaman "austeníticos", ya que tienen una estructura metalográfica en estado recocido, formada básicamente por austenita. No son magnéticos en estado recocido, y por tanto no son atraídos por un imán. Estos aceros austeníticos se pueden endurecer por deformación, pasando su estructura metalográfica a contener "martensita". En esta situación se convierten en parcialmente magnéticos.

Los aceros inoxidables austeníticos y dúplex son, en general, los grupos más empleados en aplicaciones estructurales. Los aceros inoxidables austeníticos proporcionan una buena combinación de resistencia a la corrosión y de las propiedades de fabricación. Los aceros inoxidables dúplex tienen una resistencia elevada y también una alta resistencia al desgaste, con una muy buena resistencia a la corrosión bajo tensión. En la tabla 2.1 se presentan los valores mínimos especificados para las propiedades mecánicas d los aceros inoxidables más comunes según EN 10088.

Aceros inoxidables martensíticos: Son la primera rama de los aceros inoxidables simplemente al cromo. Representan una porción de la serie 400, sus características son:

Moderada resistencia a la corrosión Endurecibles por tratamiento térmico y por lo tanto se pueden desarrollar

altos niveles de resistencia mecánica y dureza Son magnéticos Debido al alto contenido de carbono y a la naturaleza de su dureza, es de

pobre soldabilidadLos Martensíticos son esencialmente aleaciones de cromo y carbono. El contenido de cromo es generalmente de 10.5 a 18% y el de carbono es alto, alcanzando valores de hasta 1.2%.

Aceros inoxidables ferríticos: Estos aceros inoxidables de la serie 400 AISI (American Iron & Steel Institute) mantienen una estructura ferrítica estable desde la temperatura ambiente hasta el punto de fusión, sus características son:

Resistencia a la corrosión de moderada a buena, la cual se incrementa con el contenido de cromo y algunas aleaciones de molibdeno

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Endurecidos moderadamente por trabajo en frío: no pueden ser endurecidos por tratamiento térmico

Son magnéticos Su soldabilidad es pobre por lo que generalmente se eliminan las uniones

por soldadura a calibres delgados Usualmente se les aplica un tratamiento de recocido con lo que obtienen

mayor suavidad, ductilidad y resistencia a la corrosión Debido a su pobre dureza, el uso se limita generalmente a procesos de

formado en frío

Los Ferríticos son esencialmente aleaciones con cromo. El contenido de cromo es usualmente de 10.5 a 30%, pero contenidos limitados de carbono del orden de 0.08%. Algunos grados pueden contener molibdeno, silicio, aluminio, titanio y niobio que promueven diferentes características.

Aceros inoxidables austeníticos: Los aceros inoxidables austeníticos constituyen la familia con el mayor número de aleaciones disponibles, integra las series 200 y 300 AISI. Su popularidad se debe a su excelente formabilidad y superior resistencia a la corrosión. Sus características son las siguientes:

Excelente resistencia a la corrosión Endurecidos por trabajo en frío y no por tratamiento térmico Excelente soldabilidad Excelente factor de higiene y limpieza Formado sencillo y de fácil transformación Tienen la habilidad de ser funcionales en temperaturas extremas Son no magnéticos

Los Austeníticos se obtienen adicionando elementos formadores de austenita, tales como níquel, manganeso y nitrógeno. El contenido de cromo generalmente varía del 16 al 26% y su contenido de carbono es del rango de 0.03 al 0.08%. El cromo proporciona una resistencia a la oxidación en temperaturas aproximadas de650º C en una variedad de ambientes.Esta familia se divide en dos categorías:

Serie 300 AISI.- Aleaciones cromo-níquelSerie 200 AISI.- Aleaciones cromo-manganeso-nitrógeno

Serie 300 AISIEs la más extensa, mantiene alto contenido de níquel y hasta 2% de manganeso.También puede contener molibdeno, cobre, silicio, aluminio, titanio y niobio,Elementos que son adicionados para conferir ciertas características. En ciertos tipos se usa azufre o selenio para mejorar su habilidad de ser maquinados.

Serie 200 AISIContiene menor cantidad de níquel. El contenido de manganeso es de 5 a 20%. La Adición de nitrógeno incrementa la resistencia mecánica.

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Aceros Inoxidables Dúplex: Son aleaciones cromo-níquel-molibdeno, sus características son las siguientes:

Son magnéticos No pueden ser endurecidos por tratamientos térmicos Buena soldabilidad La estructura dúplex mejora la resistencia a la corrosión de fractura bajo

tensión en ambientes con iones de cloruro.

Los dúplex tienen un contenido de cromo de entre 18 y 26% y de níquel de 4.5 a 6.5%. La adición de elementos de nitrógeno, molibdeno, cobre, silicio y tungsteno imparten ciertas características de resistencia a la corrosión.

Aceros Inoxidables Endurecibles Por Precipitación: Esta familia ofrece una alternativa a los aceros inoxidables austeníticos cuando se desea asociar elevadas características mecánicas y de maquinabilidad. Son aleaciones hierro-cromo-níquel que se caracterizan por la resistencia mecánica obtenida a partir del endurecimiento por tratamiento térmico de envejecimiento. Los aceros endurecibles por precipitación están patentados y frecuentemente se les designa con las siglas de la empresa productora.

4.- Características y aplicaciones de los tipos de los aceros inoxidables más Comunes

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4.1- Martensíticos

403.- Es primariamente empleado en partes críticas de maquinaria sometida a altos esfuerzos y donde se requiere, además buena resistencia al calor, corrosión, desgaste abrasivo o erosión.

410.- Es de propósito general y el tipo más usado de la familia martensítica debido a sus atractivas características y su bajo costo. Se emplea en tuercas, tornillos, cubiertos, herramientas de cocina, partes de horno a bajas temperaturas, equipo para refinación de petróleo, vajillas, partes para turbinas a gas o vapor, etc. Tiene un coeficiente de expansión poco menor que el del acero al carbono, mientras que la conductividad térmica es casi la mitad correspondiente al valor para el acero al carbono. Puede desarrollar una excelente combinación de resistencia mecánica y dureza mediante adecuado tratamiento térmico. En la condición de recocido, es dúctil y es una buena opción para formado y otras operaciones de transformación donde el uso final está destinado a ambientes moderadamente corrosivos.

416.- Otra versión del tipo 410, donde el azufre o el selenio son adicionados para producir las mejores características de maquinabilidad de la clase martensítica, tiene menor desempeño en ductilidad y formabilidad que el 410. Se utiliza en conectores, cerraduras, cabezas de palos de golf, partes de bombas, flechas, partes para válvulas, etc.

420.- Es una modificación del 410, con alto contenido de carbono, que le permite alcanzar mayor dureza y mayor resistencia al desgaste aunque menor resistencia a la corrosión. Se utiliza para instrumentos dentales y quirúrgicos, hojas de cuchillos, moldes, herramientas, etc.

422.- Diseñado para el servicio a temperaturas de hasta 650º C, combinando resistencia mecánica. Presenta maquinabilidad de mediana a baja.

431.- Diseñado para obtener altas propiedades mecánicas mediante tratamiento térmico junto con buena resistencia al impacto. Empleado para fabricar conectores, cerraduras, partes para transportadores, equipo marino, flechas de propelas, flechas de bombas, resoles, etc.

440.- Utilizados en donde se requiere una alta y extremada dureza, resistencia a la abrasión y buena resistencia a la corrosión. De baja maquinabilidad. Sus principales aplicaciones son: cuchillería, partes resistentes al secado, equipo quirúrgico, inyectores, etc.

4.2-Ferríticos

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405.- Conocido como un grado soldable del tipo 410 se utiliza en partes resistentes al calor, equipo para refinación de calor, racks para templado de acero.409.- Es un acero estructural de uso general, es utilizado en aplicaciones que no requieren alta calidad de apariencia. Se usa para fabricar silenciadores y convertidores catalíticos para automóviles, cajas de trailer, tanques de fertilizantes, contenedores.

430.- Es el más popular de los aceros inoxidables simplemente al cromo. Es un acero de propósito general, es dúctil y tiene buenas características de formabilidad, tiene buena resistencia a la corrosión. Es ideal para muebles y decoración interior. Se utiliza para adornos y molduras automotrices, materiales de construcción, equipo químico de proceso, cremalleras, partes para quemadores, adornos interiores arquitectónicos y paneles, adornos y equipos de cocina, equipo para proceso de ácido nítrico, aparatos científicos, etc.

434.- Es una variación del tipo 430 que contiene molibdeno y niobio que incrementan la resistencia a la corrosión, es particularmente ventajosa para usos automotrices exteriores.

446.- Contiene el máximo contenido de cromo de toda la familia ferrítica, por lo que tiene la mayor resistencia a la corrosión de su clase, se recomienda para uso en atmósferas de comportamiento azufroso a altas temperaturas (1000º C). No debe ser utilizado en aplicaciones en donde se requiera alta resistencia mecánica. Se utiliza para la fabricación de bases para tubos de rayos X, partes de quemadores, tubos para pirómetros, válvulas y conectores, etc.

4.3- Austeníticos

301.- Menor resistencia a la corrosión que otros aceros de la serie 300. Puede ser fácilmente formado y ofrece buenas propiedades de soldabilidad. Utilizado en partes de aviones, adornos arquitectónicos, cajas de ferrocarril y de trailer, cubiertas de rines, equipos para procesamiento de alimentos.

303.- Especial para propósitos de maquinado, buena resistencia a la oxidación en ambientes de hasta 900º C. Se emplea para cortes pesados. Se usa para la fabricación de partes para bombas, bushings, partes maquinadas y flechas.

304.- Todo propósito, tiene propiedades adecuadas para gran cantidad de aplicaciones. Se recomienda para construcciones ligeras soldadas que requieran buena resistencia a la corrosión. Tiene buen desempeño en temperaturas elevadas (800 a 900º C) y buenas propiedades mecánicas. Es recomendable cuando se requiera soldar altos espesores de material. Algunas aplicaciones son equipo químico de proceso, accesorios para aviones, remaches, equipo para hospitales, etc.

309.- Poseen alta resistencia mecánica, tenacidad y excelente resistencia a la oxidación en temperaturas de hasta 1000º C. Calentadores de aire, equipo

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químico de proceso, partes de quemadores de turbinas de gas e intercambiadores de calor son algunas de las aplicaciones más comunes fabricadas con este tipo de acero.

310.- Es frecuentemente usado en servicios de alta temperatura. Se utiliza para fabricar calentadores de aire, equipo para tratamiento térmico de aceros, equipo químico de procesos, etc.

316.- Resistente a la corrosión frente a diversos químicos agresivos, ácidos y atmósfera salina. Se utiliza para adornos arquitectónicos, equipo para el procesamiento de alimentos, farmacéutico, fotográfico, textil, etc.

321.- Es similar al 304, pero contiene una adición de titanio equivalente a cinco veces el contenido de carbono. Las principales aplicaciones de este acero son recipientes a presión y almacenamiento, partes de motores de jet, equipo químico de proceso, etc.

5.- Actualidad y reciclabilidad del acero

El acero inoxidable es quizá uno de los materiales metálicos más utilizados en la tecnología moderna. En ocasiones el desarrollo de un país se ha cuantificado tanto por producción de acero como por su uso. En el futuro cercano su utilización podrá incrementarse nuevamente, porque se acaba de desarrollar un proceso metalúrgico por medio del cual es posible producir una forma amorfa. Esta nueva forma no cristalina, vítrea, se produjo en los laboratorios nacionales de Oak Ridge en Estados Unidos y consiste en añadir al acero pequeñas cantidades del elemento ytrio. Al añadir este elemento al acero inoxidable, cuando se encuentra a altas temperaturas y en fase líquida, se inhibe la cristalización. El nuevo acero inoxidable amorfo presenta otras propiedades muy interesantes; por ejemplo, es del doble de dureza que el acero ultra duro convencional y además es menos denso; eso no es todo, también se ha encontrado que a temperatura ambiente es un sistema paramagnético, que al ser enfriado a temperaturas criogénicas adquiere características ferromagnéticas.

El acero inoxidable es altamente reciclable y puede llegar a contener un 60% de materiales reciclados. Además, la excelente resistencia a la corrosión, la solidez y la conformabilidad del acero inoxidable permite la construcción de muros cortina y tejados con una estética impresionante, con necesidades mínimas de mantenimiento y una larga duración. El Disney Concert Hall de Los Ángeles, California, utiliza acero inoxidable para lograr una vida de diseño mínima de 100

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años. Cuando finalmente el edificio sea demolido, el acero inoxidable se podrá recuperar, reciclar y volver a poner en servicio.

Además, la estructura de los vagones de los trenes rápidos de pasajeros de hoy en día se construye a menudo con acero inoxidable austenítico para conseguir mayor resistencia estructural y una mejor protección para los pasajeros frente a colisiones: el acero inoxidable austenítico absorbe energía, ya que se arruga en lugar de fracturarse. Y, tras una larga vida útil con un bajo mantenimiento, el acero inoxidable del vagón se podrá reciclar y volver a poner en servicio.

6.- Conclusiones

El acero inoxidable es un material muy importante en la actualidad porque tiene propiedades muy interesantes que nos ayudan a fabricar muchas cosas que son indispensables. Es usado para construir elementos estructurales, elementos que estén expuestos a condiciones de servicio que conlleven agentes agresivos, ente otras aplicaciones; el acero inoxidable se puede reparar a sí mismo por lo que no es necesario darle mucho mantenimiento siempre y cuando esté limpia sus superficie.

Además de lo anterior se debe de tomar en cuenta su capacidad para ser reciclado, ya que al terminar la vida útil de las herramientas o estructuras construidas con acero inoxidable, pueden fundirse y volver a formar parte de algún elemento.

Por lo anterior es un elemento que es muy utilizado en las obras ingenieriles dotando de excelentes propiedades a los artículos fabricados con este, desde un elemento de la cocina, o herramental médico hasta estructuras para grandes construcciones.

7.- Referencias

Smith, William. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. Editorial Mc Graw-Hill, tercera edición, España, 1988.

http://www.iim.unam.mx/revista/pdf/numero4.pdfhttp://www.euro-inox.org/pdf/map/Passivating_Pickling_SP.pdfhttp://www.cedinox.es/spanish/main.htmlhttp://www.cedinox.es/PDF/RecicledAI.pdfhttp://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/3319/4/55868-4.pdf