El acero inoxidable ferrítico se refiere a un tipo de acero inoxidable que tiene una fracción masiva de cromo (Cr) entre 12% y 30%. Se puede dividir a su vez en Cr bajo, Cr medio y Cr alto, dependiendo de la fracción de masa de Cr.
La resistencia a la corrosión del acero inoxidable ferrítico es proporcional a la fracción de masa de Cr. Cuanto mayor sea la fracción de masa de Cr, mayor será la resistencia a la corrosión. Sin embargo, para mejorar las propiedades generales y reducir el impacto negativo de la precipitación de carburos y nitruros de Cr sobre las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión, la tendencia en el desarrollo del acero inoxidable ferrítico es hacia niveles más bajos de carbono (C) y nitrógeno (N).
El acero inoxidable ferrítico ultrapuro es una subcategoría de acero inoxidable ferrítico que tiene niveles muy bajos de C y N (generalmente no más del 0,015 % combinados) y fracciones de masa de Cr de medias a altas. Este tipo de acero inoxidable es popular debido a su buena resistencia a la corrosión, conductividad térmica, resistencia sísmica, rendimiento de procesamiento y precio asequible en comparación con el cobre, las aleaciones de cobre y los materiales de titanio. Es ampliamente utilizado en diversos sectores, incluida la industria automotriz, la cocina y los electrodomésticos, la construcción y la industria petroquímica.
Sin embargo, también existen varios desafíos en la producción de acero inoxidable ferrítico ultrapuro. Debido a su elevada fracción másica de Cr y a la presencia de otros elementos de aleación como el molibdeno (Mo) y el manganeso (Mn), es difícil evitar los problemas inherentes a los aceros inoxidables ferríticos con alto contenido de Cr, como la fragilidad en el σ. Fase, fragilidad a 475 ℃ y fragilidad a alta temperatura.
Por lo tanto, el personal de producción es consciente del daño potencial de estos problemas de fragilidad y ha descubierto que son causados principalmente por la precipitación de la fase σ, la fase χ, la fase α', la fase de Laves y la fracción de masa del elemento Cr.
Este artículo proporciona un examen en profundidad de las principales características y factores que influyen en la fragilidad de la fase σ, la fragilidad a 475 ℃ y la fragilidad a alta temperatura en acero inoxidable ferrítico ultrapuro. También analiza los efectos de estos problemas de fragilidad sobre las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión del acero inoxidable ferrítico ultrapuro, sirviendo de referencia para productores y usuarios.
1. Principales características de fragilidad del acero inoxidable ferrítico ultrapuro.
El acero inoxidable ferrítico ultrapuro contiene varios elementos de aleación y es propenso a la precipitación de diferentes compuestos intermetálicos durante el trabajo en caliente, principalmente compuestos de carbono y nitrógeno de Cr, Nb y Ti, así como compuestos intermetálicos de las fases σ, χ, Laves y α. .
Las características de las fases σ, χ, Laves y α' se presentan en la Tabla 1.
Tabla 1 Características de los compuestos intermetálicos en acero inoxidable ferrítico ultrapuro
| Fase precipitada | Estructura | Configuración y composición | Condición de precipitación | Característica |
| σ mutuamente | Tetragonal centrado en el cuerpo (bct) D8b, 30 átomos/celda unitaria | AB o AxBy, FeCrFeCrMo | w（Cr）=25%~30%,600-1050℃ | Duro, quebradizo, rico en Cr |
| Fase X | Cúbico centrado en el cuerpo (bcc) A12, 30 átomos/celda unitaria | α-Mn, Fe36Cr12Mo10 o (Fe, Ni)36Cr18Mo4 | w(Mes)=15%~25%,600-900℃ | Duro, quebradizo, rico en Cr y Mo |
| Fase de lava | Hexagonal cerrado (hcp) C14 o C36 | AB2, Fe2Ti o Fe2Nb o Fe2Mo | 650-750℃ | Duro |
| α' mutuamente | Cúbica centrada en el cuerpo (bcc) | Fe Cr, rico en cr | w（Cr）>15%, 371-550℃（475℃） | Duro, quebradizo, rico en Cr |
Las curvas de precipitación "C" para las fases σ, χ y Laves de algunos aceros inoxidables ferríticos ultrapuros típicos se muestran en las Figuras 1 y 2.
Debido a las variaciones en la composición de la aleación, el rango de temperatura más sensible para la precipitación de estas fases es entre 800 y 850°C.
Para la aleación 00Cr25Ni4Mo4NbTi (Monit), las fases σ y χ precipitan relativamente rápido, mientras que la fase Laves precipita más fácilmente a 650 °C y tarda más en formarse.
Independientemente del tipo de precipitado quebradizo, una precipitación excesiva hará que el acero se vuelva quebradizo, lo que provocará una fuerte disminución de las propiedades de impacto.
Fig. 1 26% Gr – (1%~4%) Mo – (0~4%) Ni Acero inoxidable ferrítico
Fig. 2 Diagrama TTP de acero inoxidable ferrítico 00Cr25Ni4Mo4TiNb (Monit) (después de solución sólida a 1000 ℃)
1.1 Principales características de la fase de fragilidad σ
La generación de fragilidad de la fase σ es causada principalmente por la precipitación de las fases σ y χ. La fase de Laves tiene una temperatura de precipitación similar, por lo que se incluye en la discusión.
1.1.1 σ mutuamente
La fase σ es un compuesto de factor de tamaño con configuración AB o AxBy y una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. En los aceros inoxidables ferríticos, las fases σ están compuestas principalmente por FeCr o FeCrMo.
En condiciones en las que el contenido de Cr (w(Cr)) está entre 25% y 30% y la temperatura de precipitación está entre 600 y 1050 ℃, se facilita la formación de la fase σ. La fase formada enriquece el elemento Cr, como se muestra en la Figura 3.
La fase σ no es magnética y tiene una gran dureza, con un valor de dureza Rockwell (HRC) de hasta 68. Durante el proceso de precipitación se produce un “efecto volumen” que reduce la plasticidad del acero.
Fig. 3 Estructura y composición de la fase O del acero inoxidable ferrítico 447 bajo análisis EDX lineal
La precipitación de la fase σ puede debilitar gravemente el acero inoxidable, disminuyendo sus propiedades como la resistencia a la corrosión, la resistencia al impacto y las propiedades mecánicas.
La formación de la fase σ se produce en dos etapas: nucleación y crecimiento. La nucleación normalmente comienza en el límite de grano α/α' y desde allí se expande hacia la matriz.
Una vez que la fase σ alcanza un cierto tamaño, precipita dentro del grano.
1.1.2 fase χ
El acero inoxidable ferrítico ultrapuro no sólo formará la fase σ, sino también la fase σ cuando contenga una cierta cantidad de elemento Mo.
La estructura de la fase χ es cúbica centrada en el cuerpo y del tipo α-Mn.
En el acero inoxidable ferrítico, la fase χ está compuesta principalmente por Fe36Cr12Mo10 o (Fe, Ni)36Cr18Mo4.
Normalmente, se forma en condiciones en las que el contenido de Mo (w) está entre el 15 % y el 25 % y la temperatura está entre 600 y 900 °C.
La tenacidad del acero disminuye significativamente cuando se forma la fase χ.
Se encontró que, en comparación con la fase σ, el Cr y el Mo se enriquecen más rápidamente en la fase χ y precipitan más rápidamente en la fase χ que en la fase σ.
Generalmente, la fase χ tiene la misma estructura que la matriz de ferrita.
Debido a su baja barrera de potencial de nucleación, la nucleación es relativamente simple y la fase χ generalmente precipita antes que la fase σ, como se muestra en la Fig.
Fig. 4 Fase χ precipitada de acero inoxidable ferrítico 26Cr envejecido a 800 ℃ durante 5 min
Cuando la fase χ comienza a formarse, habrá un enriquecimiento significativo de Cr y Mo en la fase χ, lo que conducirá a una disminución en el contenido de Cr y Mo. Esta disminución no es suficiente para nuclear la fase σ, lo que dificulta la formación de la fase σ en la etapa inicial.
Además, la fase χ es metaestable y su estabilidad disminuye con el tiempo. A medida que la fase χ decae, proporcionará suficiente Cr y Mo para nuclear la fase σ, lo que eventualmente conducirá a su transformación en una fase σ estable.
Tanto la fase χ como la fase σ darán como resultado una reducción en el contenido de Cr alrededor de la fase de precipitación a través de la precipitación, formando una zona pobre en Cr y disminuyendo su resistencia a la corrosión.
1.1.3 Fase de Lavado
La fase de Laves es un compuesto de factor de tamaño con configuración AB2 y estructura hexagonal, como se representa en la Figura 5.
En el acero inoxidable ferrítico, la fase de Laves suele estar compuesta por Fe 2 Ti, Fe 2 Nb o Fe 2 Mo.
La fase Laves en acero inoxidable ferrítico está enriquecida con elementos de Si, que desempeñan un papel crucial en el mantenimiento de su estabilidad.
La temperatura de precipitación de la fase Laves varía entre 650 y 750 °C, dependiendo de la composición de la aleación.
Fig. 5 Fase de Laves precipitadas de acero inoxidable ferrítico 27Gr-4Mo-2Ni después de envejecimiento a 1050 ℃ durante 1 h
Andrade T et al. encontraron que después de envejecer a 850°C durante 30 minutos, el acero inoxidable ferrítico ultrapuro con modelo DIN 1.4575 muestra precipitación de la fase Laves en el límite del grano, que permanece sin cambios en tamaño debido a la presencia de ambas fases Laves y precipitados σ. La tasa de crecimiento de la fase σ es más rápida, impidiendo el crecimiento de parte de la fase de Laves.
Se ha descubierto que el acero inoxidable ferrítico 11Cr-0,2Ti-0,4Nb, cuando se envejece a 800°C durante 24-28 horas, presenta una gran cantidad de precipitados de fase Laves que aumentan lentamente con el tiempo. Sin embargo, cuando el tiempo de envejecimiento alcanza las 96 horas, la transformación de la fase de Laves se vuelve gruesa y el número disminuye, sin observarse precipitación de la fase σ.
1.2 Principales características de la fragilidad a 475 ℃
El acero inoxidable ferrítico con una fracción de masa de cromo superior al 12% experimentará un aumento significativo en dureza y resistencia, acompañado de una marcada disminución en plasticidad y resistencia al impacto después de una exposición prolongada a temperaturas entre 340 y 516 ℃. Esto se debe principalmente a la fragilidad que se produce en el acero inoxidable ferrítico a 475°C.
La temperatura más sensible para este cambio de propiedad es 475 ℃.
La precipitación de la fase α' es la razón principal de la fragilidad del acero inoxidable ferrítico a 475 ℃.
La fase α' es una fase frágil rica en Cr con una estructura tetragonal centrada en el cuerpo.
En el acero inoxidable ferrítico, la fase α' es fácil de formar bajo la condición de que w(Cr) sea superior al 15% y la temperatura de precipitación sea de 371~550℃.
La fase α' es una aleación de FeCr, con un contenido de Cr que oscila entre el 61% y el 83% y un contenido de Fe que oscila entre el 17,5% y el 37%.
La literatura indica que cuando el contenido de Cr en el acero es inferior al 12% en masa, no habrá precipitación de la fase α', evitando así la formación de fragilidad a 475°C.
Además, la precipitación de la fase α' durante la disolución es un proceso reversible.
Cuando el acero se recalienta por encima de 516°C y luego se enfría rápidamente a temperatura ambiente, la fase α' se disolverá nuevamente en la matriz y la fragilidad a 475°C no volverá a ocurrir.
1.3 Principales características de la fragilidad a alta temperatura
Cuando el contenido de Cr en el acero inoxidable ferrítico está entre 14% y 30%, el enfriamiento rápido después de calentar el acero por encima de 950°C puede resultar en una disminución del alargamiento, la resistencia al impacto y la resistencia a la corrosión intergranular. Esto se debe principalmente a la fragilidad de la ferrita a altas temperaturas.
La principal causa de la fragilidad a altas temperaturas es la precipitación de compuestos de Cr-carbono y Cr-nitrógeno. Además, durante el proceso de soldadura, puede ocurrir precipitación de la fase Laves cuando la temperatura de soldadura excede los 950°C, afectando las propiedades generales del acero.
Esta vulnerabilidad también existe en el acero inoxidable ferrítico ultrapuro, que es aún más sensible a la fragilidad a altas temperaturas debido a su alto contenido de Cr y Mo.
Para reducir el riesgo de fragilidad a altas temperaturas, se puede reducir el contenido de C y N y se pueden agregar elementos estabilizadores.
En la soldadura, la fragilidad a altas temperaturas puede provocar daños importantes al acero. Esto ocurre porque los elementos C y N precipitan en el límite de grano durante la soldadura y reaccionan con Cr y Mo, formando carbono y nitruros ricos en Cr y Mo que gradualmente se mueven hacia el límite de grano.
Además, la precipitación de la fase de Laves a 950 °C durante la soldadura puede provocar precipitación en las dislocaciones, los límites de los granos o dentro de los granos, inhibiendo el movimiento de las dislocaciones cristalinas y los límites de los granos. Esto da como resultado que la disposición local de los átomos se vuelva más regular, lo que aumenta la resistencia del acero pero reduce su plasticidad y tenacidad.
2. Factores que influyen en los precipitados frágiles en acero inoxidable ferrítico ultrapuro
2.1 Elementos de aleación
Los siguientes elementos (Cr, Mo, Ti, Nb, W y Cu) en el acero inoxidable ferrítico ultrapuro tienen un impacto en la formación de precipitados quebradizos.
Una mayor concentración del elemento Cr en el acero inoxidable ferrítico conduce a una mejor pasivación, lo que resulta en una mejor resistencia a la oxidación de la superficie y una mejor resistencia a la corrosión por picaduras, corrosión por grietas y corrosión intergranular.
Sin embargo, una mayor fracción de masa de Cr también conduce a una formación más rápida de fases frágiles en el acero inoxidable ferrítico. La formación y tasa de precipitación de las fases α' y σ también están influenciadas por la fracción de masa de Cr, y una fracción de masa más alta conduce a una tasa de precipitación más rápida. Esta fase de precipitación reduce la tenacidad del acero y aumenta significativamente su temperatura de transición frágil.
Mo es el segundo elemento más importante del acero inoxidable ferrítico. Cuando su fracción de masa alcanza un cierto nivel, la cantidad de precipitación de las fases σ y χ en el acero inoxidable ferrítico aumenta significativamente.
La investigación de Moura et al. descubrieron que la adición de Mo al acero inoxidable ferrítico 25Cr-7Mo reducía la temperatura máxima de precipitación de la fase α', bajándola de 475 °C a aproximadamente 400 °C y aumentando el número de fases α'.
Kaneko et al. descubrieron que el Mo contribuye a la acumulación más rápida de Cr en la película de pasivación, mejorando así la estabilidad de la película y fortaleciendo la resistencia a la corrosión del Cr en el acero.
Ma et al. descubrieron que el recocido de acero 30Cr a 1020°C daba como resultado la precipitación de la fase Laves, que se compone principalmente de Fe, Cr, Mo, Si y Nb. La fracción de masa de Nb y Mo en la fase Laves fue mayor en relación con el metal base. En la figura 1 se muestra el análisis del espectro de energía de rayos X de la fase de Laves de acero 30Cr recocido a 1020°C.
Se observó que aumentar el contenido de Mo en acero inoxidable ferrítico ultrapuro 30Cr acelera la precipitación de la fase Laves. La literatura sugiere que un mayor contenido de Mo conduce a la precipitación de la fase χ rica en Mo en el acero inoxidable 26Cr después del envejecimiento, y con un tiempo de envejecimiento prolongado, parte de la fase Laves se transforma en la fase σ.
Fig. 6 Análisis del espectro de energía de rayos X (EDS) de la fase Laves de acero 30Cr después de un recocido a 1020 ℃
(a) Análisis EDS de metales base; (b) Análisis EDS de la fase Laves
La adición de elementos estables, como Nb y Ti, al acero combinado con C y N da como resultado la precipitación de fases como TiN, NbC y Fe2Nb. Estas fases se distribuyen tanto dentro del grano como en los límites del grano, lo que retrasa la formación de carburos y nitruros de Cr, aumentando así la resistencia a la corrosión intergranular de los aceros inoxidables ferríticos.
Antila et al. estudiaron el impacto de la incorporación de Ti y Nb en 430 soldaduras de acero inoxidable ferrítico y encontraron que cuando la temperatura de soldadura alcanzaba los 950 ℃, se facilitaba la formación de la fase de Laves, lo que provocaba la fragilización de las uniones soldadas y una disminución de su resistencia. impacto.
De manera similar, Naghavi y otros investigadores descubrieron que la solubilidad del Nb en la matriz del acero inoxidable ferrítico disminuye con el aumento de la temperatura durante el envejecimiento a alta temperatura, lo que provoca que la fase de Laves se espese y disminuya la resistencia a la tracción del acero.
Se ha descubierto que la inclusión de W en el acero inoxidable ferrítico 444 mejora significativamente su resistencia a la tracción a altas temperaturas cuando se envejece a 1000 ℃. Sin embargo, a medida que aumenta la fracción de masa de W, la fase de Laves se vuelve más gruesa, debilitando el efecto fortalecedor de la precipitación y reduciendo la resistencia a la tracción a alta temperatura.
La adición de Cu al acero inoxidable ferrítico precipita una fase rica en Cu, lo que mejora significativamente la resistencia a la corrosión del 430 Cu. Las aleaciones binarias Fe-Cu y las aleaciones ternarias Fe-Cu-Ni que contienen Cu pueden mejorar la resistencia y tenacidad del acero.
La fase rica en Cu precipita principalmente a 650 ℃ y 750 ℃ y, durante la etapa de envejecimiento inicial, permanece esférica. A medida que aumentan la temperatura y el tiempo de envejecimiento, se transforma gradualmente en una forma elíptica y en forma de varilla, como se ilustra en la Figura 7.
Fig. 7 Morfología de la fase rica en Cu en acero inoxidable ferrítico 17Cr-0,86Si-1,2Cu-0,5Nb envejecido a 750 °C durante 1 h
2.2 Elementos de tierras raras
Los elementos de tierras raras (RE) son altamente reactivos químicamente y agregar la cantidad adecuada de RE puede mejorar las propiedades del acero.
Los resultados de la prueba TEM de precipitados en acero inoxidable ferrítico 27Cr se muestran en la Fig.
Sin RE, las fases precipitadas en el acero inoxidable ferrítico son más complejas. Como se ilustra en la Figura 8 (a), las fases secundarias precipitan en los límites de los granos y forman cadenas en la matriz de ferrita, que consisten principalmente en la fase σ, M23C6, M6C y una pequeña cantidad de fases M2N y χ.
Sin embargo, después de la adición de RE, las fases precipitadas de la cadena disminuyen y a menudo están presentes en formas únicas en la matriz, principalmente como la fase σ. Además, la precipitación de carbono y nitruros disminuye, como se muestra en la Fig. 8 (b).
La fracción de masa RE ideal en acero inoxidable ferrítico ultrapuro fue del 0,106%, lo que mejora las propiedades de refuerzo. En esta concentración, las RE refinan la estructura del grano, aumentan la energía del impacto y cambian el mecanismo de fractura por impacto de frágil a resistente.
Además, las RE reducen la fracción de masa de S en el acero, lo que reduce la fuente de corrosión por picaduras y mejora la resistencia a la corrosión por picaduras.
Fig. 8 Resultados TEM de la fase precipitada de acero inoxidable ferrítico 27Cr
(a) Imagen de campo brillante de una muestra de RE al 0%; (b) Imagen de campo brillante de la muestra RE al 0,106%
2.3 Tratamiento del envejecimiento
Los diferentes tratamientos de envejecimiento pueden tener distintos impactos en la formación de precipitados quebradizos en los materiales.
Cuando el acero inoxidable ferrítico puro forma precipitados quebradizos, puede provocar una disminución de sus propiedades mecánicas, resistencia al impacto, resistencia a la corrosión y rendimiento general.
El tratamiento de envejecimiento puede ayudar a mejorar la estructura del material y aumentar su plasticidad, además de reducir eficazmente la formación de precipitados y limitar sus efectos negativos sobre el acero.
LU HH et al. descubrieron que cuando el acero inoxidable ferrítico 27Cr-4Mo-2Ni se envejece a temperaturas que oscilan entre 600 y 800 °C, los principales precipitados formados son la fase χ, la fase de Laves y la fase σ.
Las morfologías y distribuciones de estas fases en acero inoxidable ferrítico 27Cr-4Mo-2Ni envejecido a diferentes temperaturas se representan en la Figura 9.
La presencia de estos precipitados puede reducir la tenacidad al impacto, la resistencia a la tracción y la plasticidad del material, al tiempo que aumenta su dureza.
Después del envejecimiento a temperaturas entre 600 y 800°C, la fase χ precipita principalmente a lo largo de los límites de los granos. La fase Laves precipita dentro del grano cuando el material envejece a 700°C, mientras que la fase σ generalmente se forma en los límites del grano después del envejecimiento a 750°C.
En este punto, la fase de Laves se disuelve parcialmente en la matriz, proporcionando átomos de Cr y Mo para el crecimiento de la fase σ. Este engrosamiento de la fibra puede provocar una fractura frágil del acero.
Fig. 9 Morfología y distribución de la fase x, fase Laves y fase o del acero inoxidable ferrítico 27Cr-4Mo-2Ni envejecido a diferentes temperaturas.
(a) Envejecimiento a 650 ℃ durante 4 h; (b) Envejecimiento a 700 ℃ durante 4 h; (c) Envejecimiento a 750 ℃ durante 2 h; (d) Envejecimiento a 800 ℃ durante 4 h.
Zhang Jingjing descubrió que cuando el acero inoxidable ferrítico ultrapuro SUS444 se envejecía a 850 ℃ durante 10 minutos, el TiN se transformaba en una estructura compuesta de fase pobre en TiN/NbC/Nb. La fuerza de unión entre la estructura compuesta y la matriz es alta, lo que mejora significativamente la resistencia al impacto.
Luo Yi y sus colegas descubrieron que cuando el acero inoxidable ferrítico 446 ultrapuro envejecía a 800 ℃, la fase σ precipitaba después de 0,5 horas y aumentaba con el tiempo de envejecimiento, formando una estructura similar a una red. Al mismo tiempo, aparecieron microfisuras en la fase σ y su gran número redujo la tenacidad del acero.
Ma Li y otros recocieron acero inoxidable ferrítico ultrapuro con 26% de Cr y descubrieron que había principalmente tres precipitados: TiN, NbC y χ. La dañina fase χ provocó gravemente la fragilidad del acero. Con el aumento de la temperatura de recocido hasta 1020 °C, la fase χ disminuyó gradualmente hasta una cantidad insignificante. Por tanto, para eliminar la fase χ, se requiere una temperatura de recocido alta.
Para el acero inoxidable ferrítico con alto contenido de Cr 27,4Cr-3,8Mo-2,1Ni, QUHP y otros descubrieron que después de envejecer a 950 °C durante 0,5 horas, las fases σ y Laves precipitaron, mejorando la dureza del acero, pero disminuyendo su ductilidad. Estas fases nocivas se pueden disolver en la matriz después de tratar la solución a 1100°C durante 0,5 horas.
Wu Min y sus colegas descubrieron que cuando la placa laminada en caliente 441 se recocía a 900-950 ℃, precipitaba una gran cantidad de fases de Laves. Como se muestra en la Figura 10, hay dos fases precipitadas: (1) la fase primaria, que es una estructura compuesta de (Ti, Nb)(C, N) con un tamaño de aproximadamente 5 μm y (2) la fase de Laves, que es pequeño, numeroso, denso y distribuido uniformemente en los límites de grano, límites de subgrano y granos. El aumento de la temperatura de recocido a 1000-1050 °C eliminó efectivamente la fase de Laves, pero precipitó una pequeña cantidad de la fase Nb(C,N).
Fig. 10 Morfología de la fase Laves de una placa laminada en caliente de acero inoxidable ferrítico 441 después de diferentes temperaturas de recocido
(a) Aspecto de la fase Laves después del recocido a 900 ℃; (b) Aspecto de la fase Laves después del recocido a 950 ℃.
3. Efecto de la fragilidad sobre las propiedades del acero inoxidable ferrítico ultrapuro
3.1 Efecto de la fragilidad sobre las propiedades mecánicas.
Las investigaciones muestran que altos niveles de Cr y Mo y una cierta cantidad de Nb en la microestructura pueden conducir fácilmente a la formación de intermetálicos frágiles como la fase de tipo σ (Fe Cr Mo), la fase de tipo χ (Fe Cr Mo). , y la fase de Laves del tipo Fe2Nb. Estos intermetálicos frágiles dan como resultado una disminución significativa de la tenacidad del plástico y un aumento de la dureza del acero inoxidable ferrítico ultrapuro.
El académico alemán Saha R y sus colegas descubrieron que la baja solubilidad del elemento C hace que el acero inoxidable ferrítico precipite C (Ti, Nb) de alta dureza durante el enfriamiento a alta temperatura, y el C (Ti, Nb) disperso mejora la resistencia y dureza del acero. .
La investigación también encontró que las partículas bifásicas de Cr23C6 y Cr2N en la aleación tienen un fuerte impacto en las propiedades mecánicas, particularmente en la tenacidad y la ductilidad, lo que conduce a una reducción de la tenacidad y la ductilidad y a un mayor riesgo de fractura.
La precipitación típica de la fase α' conduce al agotamiento del Cr en la matriz de ferrita, reduciendo la resistencia a la corrosión y la tenacidad del acero y aumentando su dureza.
Se descubrió que cuando el acero inoxidable ferrítico 444 envejece a temperaturas entre 400 y 475 ℃, la precipitación de la fase α' provoca un aumento de la dureza, pero después de envejecer durante más de 500 horas a 475 ℃, su tenacidad cae drásticamente.
La Figura 11 muestra la dureza del acero inoxidable ferrítico 441 ultrapuro y la energía absorbida por fractura después del envejecimiento.
Fig. 11 Cambio en la dureza y la energía absorbida por la fractura del acero inoxidable ferrítico ultrapuro 441 con el tiempo después del envejecimiento a 400 ℃ y 450 ℃
(a) La dureza cambia con el tiempo; (b) La energía absorbida por la fractura varía con el tiempo de envejecimiento.
Luo Yi y sus colegas descubrieron que la resistencia a la tracción del acero inoxidable ferrítico 446 ultrapuro se puede mejorar hasta cierto punto cuando la estructura de red de fase σ no se ha formado después del tratamiento de envejecimiento.
Sin embargo, cuando la precipitación de la fase σ forma una estructura de red, la resistencia a la tracción y el alargamiento del material disminuyen significativamente, como se ilustra en la Figura 12.
Además, independientemente de si se forma una estructura de red, la precipitación de la fase σ causa graves daños a la propiedad de impacto del material, lo que lleva a una disminución de su propiedad de impacto y no cumple con ciertos requisitos para el acero.
Fig. 12 Cambio en la resistencia a la tracción y el alargamiento del acero inoxidable ferrítico ultrapuro 446 con el tiempo después del envejecimiento a 800 ℃
La precipitación de la fase Laves en acero inoxidable ferrítico ultrapuro tiene impactos positivos y negativos.
Según la literatura, con un tiempo de envejecimiento prolongado, la fase Fe2Nb comenzará a precipitar en el acero, provocando una disminución de su tenacidad y resistencia a altas temperaturas.
Sin embargo, la adición de elementos Si y Nb a la precipitación de la fase Laves conduce a un aumento de la resistencia a la fluencia y a la resistencia a altas temperaturas del acero. La presencia de W en la fase de Laves también ayuda a mejorar la resistencia a la tracción del acero a altas temperaturas.
Como se ilustra en la Fig. 13, en comparación con el acero inoxidable ferrítico tipo 444 que no es W, la resistencia a la tracción mejora significativamente cuando la fracción de masa W está entre 0,5% y 1%.
Cuando se envejece a 900 ℃, la resistencia a la tracción disminuye ligeramente a medida que aumenta el tiempo de envejecimiento, pero eventualmente se estabiliza. A 1000 ℃, la resistencia a la tracción puede disminuir significativamente, pero la resistencia a la tracción inicial sigue siendo mayor que la del acero que no es W.
Fig. 13 Variación de la resistencia a la tracción a alta temperatura del acero inoxidable ferrítico 444 con el tiempo de envejecimiento a 900 °C y 1000 °C.
(a) 900 ℃; (b) 1000℃。
La fase Laves precipitará del acero inoxidable ferrítico 441 durante el envejecimiento a 850 ℃ y crecerá rápidamente. Cuando forma una estructura de red a lo largo del límite de grano, reduce la plasticidad y la resistencia al impacto del acero. A medida que disminuye el número de límites de grano y aumenta el tamaño de grano, disminuye la tasa de precipitación.
Las propiedades mecánicas del acero inoxidable ferrítico 19Cr-2Mo Nb Ti a diferentes temperaturas de envejecimiento se muestran en la Fig. 14. Durante el proceso de envejecimiento del acero a temperaturas entre 850 ℃ y 1050 ℃, (FeCrSi)2 (MoNb) y (Fe, Laves fases del tipo Cr)2(Nb, Ti) se transformarán en precipitados (Nb, Ti)(C, N). La fracción másica de Nb en la solución aumentará debido a la disolución y espesamiento de los precipitados, lo que conducirá a una reducción de su resistencia a la tracción.
Sin embargo, después del tratamiento de envejecimiento a 950 ℃, la homogeneidad de los granos recristalizados mejora y el alargamiento aumenta bruscamente, alcanzando el 37,3%. Luego se estabiliza gradualmente en el 32,6%.
Fig. 14 Propiedades mecánicas del acero inoxidable ferrítico 19Cr-2Mo-Nb-Ti a diferentes temperaturas de envejecimiento
3.2 Efecto de la fragilidad sobre la resistencia a la corrosión.
Se ha descubierto que la precipitación de la fase frágil tendrá un impacto negativo sobre la resistencia a la corrosión del acero.
Además, según la literatura, la alta fracción de masa de Cr del acero inoxidable ferrítico ultrapuro 27,4Cr-3,8Mo conduce a la formación de fases σ y χ después del envejecimiento a 950 °C durante 0,5 horas, lo que resulta en una disminución de la resistencia a las picaduras.
Sin embargo, el envejecimiento a 1100°C durante 0,5 horas hace que las fases σ y χ desaparezcan gradualmente y se recupere la resistencia a las picaduras. El cambio en el potencial de corrosión se ilustra en la Figura 15.
Fig. 15 Potencial de corrosión del acero inoxidable 24,7Cr-3,4Mo y 27,4cr-3,8Mo
El contenido de cromo (Cr) y molibdeno (Mo) en el acero inoxidable juega un papel crucial en su resistencia a la corrosión. Cuando la fracción de masa de Cr supera el 25% y la temperatura está entre 700-800°C, se producirá la precipitación de las fases σ y χ, lo que provocará una disminución de la resistencia a la corrosión.
Además, el Cr se combina fácilmente con los elementos carbono (C) y nitrógeno (N), provocando precipitación en el límite del grano o dentro del grano. Esto conduce a la formación de carbono y nitruro ricos en Cr, lo que reduce la fracción de masa de Cr y la resistencia a la corrosión. Los precipitados también dañan la película de pasivación, haciendo que pierda su uniformidad y estabilidad, afectando la resistencia a la corrosión del acero.
Las uniones soldadas en ambientes corrosivos son propensas a la corrosión intergranular, corrosión por picaduras, corrosión por grietas y otros tipos de corrosión local. Investigadores como Huang Zhitao descubrieron que aumentar la fracción de masa de Mo en acero inoxidable ferrítico de alta pureza en ambientes con cloruro puede retrasar la precipitación de M23C6 (donde M es Fe, Cr y Mo) y mejorar la resistencia a la corrosión por picaduras.
Zhang Henghua et al. Descubrieron que agregar una cierta cantidad de Mo al acero inoxidable ferrítico ultrapuro 26Cr puede enriquecer el Cr en la película de pasivación y aumentar su estabilidad, mejorando así la resistencia a la corrosión por picaduras del material. Tong Lihua et al. Descubrieron que agregar niobio (Nb) y titanio (Ti) al acero inoxidable ferrítico ultrapuro puede prevenir eficazmente la precipitación de compuestos de carbono y nitrógeno Cr y aumentar su resistencia a la corrosión intergranular.
Sin embargo, otros estudios han demostrado que los altos niveles de Ti y N en el acero inoxidable ferrítico ultrapuro 15Cr pueden conducir a la formación de TiN, lo que acelera el crecimiento de la corrosión por picaduras y afecta negativamente la resistencia a la corrosión del material. Wen Guojun y sus colegas descubrieron que el envejecimiento del acero inoxidable ferrítico 430Ti a 475 °C durante 0 a 100 horas produce un aumento de la dureza, tanto en las fases α' como α, y una disminución significativa de la resistencia a la corrosión, como se muestra en la Figura 16.
Fig. 16 Resistencia a la corrosión del acero inoxidable ferrítico 430Ti
En conclusión, cuanto mayor sea la fracción de masa de Cr en el acero inoxidable ferrítico ultrapuro, mayor será la probabilidad de producir precipitados que reduzcan severamente su resistencia a la corrosión. La adición de cantidades adecuadas de niobio (Nb), titanio (Ti) y molibdeno (Mo) puede mejorar la resistencia a la corrosión del acero; sin embargo, la formación de TiN a partir de Ti tiene un impacto negativo en la resistencia a la corrosión por picaduras del acero.
4. Conclusión y perspectiva
En este artículo se analizan las principales características y factores que influyen en la fragilidad de la fase σ, la fragilidad a 475 °C y la fragilidad a alta temperatura del acero inoxidable ferrítico ultrapuro. Se extraen las siguientes conclusiones:
(1) La fragilidad de la fase σ en el acero inoxidable ferrítico ultrapuro se debe a la precipitación de la fase σ y la fase χ, que son ricas en elementos de cromo y molibdeno. La fragilidad a 475°C se debe a la precipitación de la fase α' rica en cromo. La fragilidad a altas temperaturas es causada por la precipitación de carbono y nitruro de cromo.
(2) Los elementos de aleación, los elementos de tierras raras (RE) y los tratamientos de envejecimiento en el acero inoxidable ferrítico ultrapuro tienen un cierto impacto en las fases precipitadas, que pueden, hasta cierto punto, inhibir la generación de fragilidad de la fase σ, 475 °C. fragilidad y fragilidad a alta temperatura.
Los siguientes son los impactos específicos:
① La precipitación de las fases α', σ, χ y Laves aumenta cuando aumenta el contenido de Cr y Mo. En acero inoxidable ferrítico ultrapuro, la adición de elementos estabilizadores puede reducir o eliminar la fragilidad a altas temperaturas en secciones delgadas. La fragilidad a altas temperaturas se puede evitar evitando las altas temperaturas durante el tratamiento térmico. La adición de Ti y Nb también puede retrasar la precipitación de la fase σ, reduciendo su fragilidad. Sin embargo, la adición de Ti y Nb conduce a la generación de la fase Laves, y un alto contenido de Nb puede provocar un espesamiento de la fase Laves.
② La adición de RE reduce la precipitación de carbono y nitruro en las fases σ y Cr, reduciendo la fragilidad de la fase σ y la fragilidad a alta temperatura, y mejorando las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión del acero.
③ Los diferentes tratamientos de envejecimiento tienen diferentes efectos sobre los precipitados. Los precipitados pueden diferir ligeramente según el contenido de Cr. Cuando se envejece a 600-800 ℃, precipita una pequeña cantidad de las fases σ, χ y Laves. A 600 ℃, la fase α' se disuelve nuevamente en la matriz y la fragilidad desaparece a 475 ℃. Una gran cantidad de fases σ, χ y Laves precipitan cuando envejecen a 850-950 ℃. Cuando se envejece a 1000-1100 ℃, la precipitación de las fases σ, χ y Laves se reduce o incluso desaparece. La fragilidad de la fase σ se puede eliminar mediante un tratamiento de envejecimiento por encima de 1000 ℃.
(3) La precipitación de fases secundarias como α', σ, χ y Laves en acero inoxidable ferrítico ultrapuro puede tener un impacto significativo en sus propiedades mecánicas y de corrosión. La precipitación de estas fases reduce la tenacidad y plasticidad del acero, aumenta su resistencia y dureza y afecta a su resistencia a la corrosión.
La adición de elementos Si y W a la fase Laves aumenta su resistencia a altas temperaturas y su resistencia a la tracción. Además, la adición de elementos de Cu da como resultado la precipitación de la fase rica en Cu, lo que mejora la tenacidad del acero.
Los recursos nacionales de Ni son escasos y el consumo excesivo puede provocar escasez, lo que tendrá un grave impacto en la industria del acero inoxidable.
El acero inoxidable ferrítico ultrapuro, como acero que ahorra recursos, tiene un alto rendimiento integral y un bajo costo integral, lo que lo convierte en una opción inevitable para que la industria nacional del acero inoxidable promueva el acero inoxidable serie 400 con bajo contenido de níquel.
El acero inoxidable ferrítico ultrapuro ha ido reemplazando gradualmente a algunos aceros inoxidables austeníticos en industrias como la automoción, los electrodomésticos y los ascensores. También se ha utilizado con éxito en la construcción de tejados de grandes edificios, como aeropuertos y estadios.
Se espera que el mercado del acero inoxidable ferrítico ultrapuro crezca en el futuro, con una gran escala de mercado y amplias perspectivas.
En el futuro, será fundamental centrarse en la fragilidad del acero inoxidable ferrítico ultrapuro. Para garantizar buenas propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión, es necesario restringir eficazmente la generación de fragilidad en la fase σ, fragilidad a 475 ℃ y fragilidad a alta temperatura durante la producción y el uso. De esta manera, se podrán aprovechar plenamente las ventajas del “ahorro de recursos”, lo que conducirá a un mayor progreso y desarrollo en la industria del acero inoxidable.
