Clasificación del acero inoxidable
1. Según la composición química, se puede dividir en: acero inoxidable al cromo, acero inoxidable al cromo-níquel, acero inoxidable al cromo-manganeso, acero inoxidable al cromo-níquel-molibdeno, acero inoxidable con contenido ultra bajo de carbono, acero inoxidable con alto contenido de molibdeno, acero inoxidable de alta pureza. acero, etc
2. Según la estructura metalográfica se puede dividir en: acero inoxidable martensítico, acero inoxidable ferrítico, acero inoxidable austenítico, acero inoxidable ferrítico austenítico, etc.
3. Según las características de rendimiento y usos del acero : como acero inoxidable resistente al ácido nítrico (grado de ácido nítrico), acero inoxidable resistente al ácido sulfúrico, acero inoxidable resistente a la corrosión, acero inoxidable resistente a la tensión, acero inoxidable de alta resistencia, etc.
4. Según las características funcionales del acero: como acero inoxidable de baja temperatura, acero inoxidable no magnético, acero inoxidable de fácil mecanización, acero inoxidable superplástico, etc.
El proceso de desarrollo de grados de acero inoxidable se muestra en la siguiente figura:
Efecto de los elementos de aleación sobre la microestructura y propiedades del acero inoxidable.
Nota:口-efecto fuerte, 
—— Acción moderada, ▲ – acción débil
Formas de mejorar la resistencia a la corrosión del acero inoxidable.
(1) Para obtener una curva de polarización anódica estable de la zona de pasivación para un medio específico, asegúrese de que el acero inoxidable esté preparado adecuadamente.
(2) Aumentar el potencial del electrodo del sustrato de acero inoxidable y al mismo tiempo reducir la fuerza electromotriz de la celda galvánica corrosiva puede ayudar a mejorar su resistencia a la corrosión.
(3) Mejorar la estructura monofásica del acero y reducir el número de microbaterías puede mejorar su resistencia a la corrosión.
(4) Para formar una película protectora estable sobre la superficie del acero, la adición de elementos como silicio, aluminio y cromo puede ayudar a crear una película protectora densa en muchas situaciones de corrosión y oxidación, aumentando así la resistencia a la corrosión del acero.
(5) Eliminar o reducir diversos fenómenos irregulares en el acero también es un paso vital para aumentar su resistencia a la corrosión.
La adición de elementos de aleación al acero es el principal método utilizado para mejorar su resistencia a la corrosión.
La adición de diferentes elementos de aleación puede funcionar de una o varias formas simultáneamente para mejorar la resistencia a la corrosión del acero.
Efecto de los elementos de aleación sobre la polarización y el potencial de los electrodos de hierro.
El tipo y contenido de elementos de aleación tienen un impacto directo en la resistencia a la corrosión del acero inoxidable. La función principal de los elementos de aleación es influir en el rendimiento de polarización del hierro y el potencial del electrodo.
1. Efecto de los elementos de aleación sobre las propiedades de polarización del hierro.
El proceso de polarización anódica de metales comúnmente utilizados como Fe, Cr, Ni y Ti sigue un patrón de polarización único.
Después de pasar el ánodo, el potencial del ánodo aumenta y la corriente del ánodo (tasa de corrosión) cambia en consecuencia, casi con el mismo patrón.
La forma típica de la curva de polarización se muestra en la siguiente figura.
A medida que aumenta el potencial de polarización del ánodo, la corriente de corrosión no disminuye uniformemente. En cambio, primero aumenta, luego disminuye hasta un mínimo y mantiene esta corriente durante una determinada etapa de aumento potencial antes de aumentar nuevamente.
Esta curva de polarización se denomina curva de polarización anódica con transición de activación y pasivación. Se divide en tres regiones: región de activación (A), región de pasivación (B) y región de superpasivación (T).
Fig. Curva de polarización anódica de metales de transición activados y pasivados.
La polarización juega un papel importante en la mejora de la resistencia a la corrosión de los metales. Los factores que mejoran la polarización anódica o catódica pueden aumentar la resistencia a la corrosión, mientras que los factores despolarizantes pueden reducirla.
Los diferentes elementos de aleación tienen distintos efectos sobre las propiedades de polarización del hierro. Los elementos que expanden la zona de pasivación, lo que reduce el potencial de la zona ECP y P y aumenta el potencial del punto Er, pueden mejorar la resistencia a la corrosión del acero. Por otro lado, todos los elementos que mejoran el rendimiento de pasivación al hacer que los puntos ICP e I1 se muevan hacia la izquierda pueden reducir la corriente de corrosión y mejorar la resistencia a la corrosión.
Los elementos que aumentan el potencial del punto Er tienden a reducir la corrosión por picaduras porque cuando el potencial fluctúa cerca del potencial de superpasivación y el potencial del punto Er es bajo, puede provocar una ruptura local de la película de pasivación, lo que resulta en corrosión por picaduras.
Entre los elementos de aleación comúnmente utilizados en el acero, el Cr puede mejorar significativamente el rendimiento de pasivación del hierro puro, aumentar el potencial de los puntos Ecp, Ep y Er y desplazar la posición de los puntos Icp e I1 hacia la izquierda. Por tanto, es el elemento más eficaz para aumentar la resistencia a la corrosión del hierro.
Además del Cr, también se utilizan elementos de aleación como Ni, Si, Mo, etc. También pueden mejorar el rendimiento de la pasivación y ampliar la zona de pasivación en diversos grados.
Mo, por ejemplo, no sólo mejora el rendimiento de pasivación del hierro, sino que también aumenta el potencial del punto Er, lo que mejora la resistencia a la corrosión por picaduras del hierro.
2. Influencia sobre el potencial del electrodo de hierro.
En general, el potencial del electrodo de una solución de metal sólido es menor que el de otros compuestos. Por lo tanto, durante el proceso de corrosión, es más probable que la solución sólida de metal se corroa como el ánodo.
Una forma de aumentar la resistencia a la corrosión del hierro es aumentar el potencial del electrodo. Los estudios han demostrado que agregar Cr al hierro para formar una solución sólida puede aumentar significativamente el potencial del electrodo del material resultante, como se ilustra en la siguiente figura.
Al aumentar el potencial del electrodo de un material, se puede aumentar notablemente su resistencia a la corrosión.
Fig. Efecto del cromo sobre el potencial del electrodo de aleación de FeCr.
Debido al buen efecto del cromo sobre la pasivación del hierro y el potencial de los electrodos, el cromo se ha convertido en el principal elemento de aleación de varios aceros inoxidables.
Efecto de los elementos de aleación sobre la resistencia a la corrosión y la estructura de la matriz del acero inoxidable.
La estructura de la matriz de acero inoxidable es crucial para lograr las propiedades mecánicas y de proceso deseadas, además de garantizar una excelente resistencia a la corrosión.
Dos tipos de aceros inoxidables, el acero ferrítico monofásico y el acero austenítico monofásico, exhiben una resistencia a la corrosión superior.
El efecto de los elementos de aleación sobre la estructura de la matriz depende principalmente de si actúan como estabilizadores de ferrita (α) o estabilizadores de austenita (γ).
Cuando el elemento estabilizador es dominante, se puede obtener acero inoxidable α monofásico; en caso contrario se obtiene acero inoxidable γ monofásico.
1. Efecto de los elementos de aleación sobre la resistencia a la corrosión del acero inoxidable.
1. Cromo
El cromo es el elemento principal que determina la resistencia a la corrosión del acero inoxidable. Cuando el contenido de cromo (relación atómica) alcanza entre 1/8 y 2/8, el potencial del electrodo de hierro salta, lo que lleva a una mejora en la resistencia a la corrosión del acero. El cromo también es un elemento estabilizador que ayuda a aumentar la durabilidad general del material.
Una razón para esto es que el óxido de cromo es relativamente denso y puede formar una película protectora que resiste la corrosión.
2. Carbono y nitrógeno
El carbono juega un papel esencial en la producción de acero inoxidable, ya que estabiliza fuertemente la austenita, con una capacidad estabilizadora unas 30 veces mayor que la del níquel. Además, el carbono es el elemento principal utilizado para reforzar el acero inoxidable. Sin embargo, el carbono también puede formar una serie de carburos con el cromo, lo que puede afectar significativamente la resistencia a la corrosión del acero inoxidable. Además, el carbono puede empeorar las propiedades de procesamiento y soldadura del acero inoxidable y hacer que el acero inoxidable ferrítico se vuelva quebradizo.
Por lo tanto, es fundamental controlar y aplicar carbón cuidadosamente durante la producción y el desarrollo del acero inoxidable. La combinación de carbono y cromo tiene un efecto significativo en la formación de estructuras de acero inoxidable, como se muestra en la siguiente figura.
La figura muestra que cuando el contenido de carbono es bajo y el contenido de cromo es alto, se obtiene una estructura de ferrita, mientras que se obtiene una estructura de martensita cuando el contenido de carbono es alto y el contenido de cromo es bajo.
En el acero inoxidable al cromo, un aumento en el contenido de carbono conducirá a la formación de martensita cuando el contenido de cromo es inferior al 17%. Por otro lado, un bajo contenido de carbono y un 13% de cromo darán como resultado la formación de acero inoxidable ferrítico.
A medida que el contenido de cromo aumenta del 13% al 27%, aumenta la capacidad de estabilización de la ferrita, lo que a su vez provoca un aumento en el contenido de carbono (del 0,05% al 0,2%). A pesar del aumento del contenido de carbono, todavía se puede mantener la matriz de ferrita.
Fig. efecto del carbono y el cromo en la microestructura del acero inoxidable
3. níquel
El níquel es uno de los tres elementos importantes del acero inoxidable, ya que puede mejorar la resistencia a la corrosión del material. Como elemento estabilizador de la fase γ, el níquel es el principal componente requerido para obtener austenita monofásica y promover su formación en acero inoxidable.
Uno de los principales beneficios del níquel es que puede reducir eficazmente el punto Ms, manteniendo estable la austenita a temperaturas muy bajas (-50 ℃) sin sufrir transformación martensítica. Sin embargo, aumentar el contenido de níquel reducirá la solubilidad del carbono y el nitrógeno en el acero austenítico, aumentando así la tendencia de estos compuestos a desolvatar y precipitar.
A medida que aumenta el contenido de níquel, disminuye el contenido de carbono crítico para la corrosión intergranular, lo que hace que el acero sea más susceptible a este tipo de corrosión. Sin embargo, el efecto del níquel sobre la resistencia a la corrosión por picaduras y a la corrosión por grietas del acero inoxidable austenítico no es significativo.
Además de sus beneficios en la resistencia a la corrosión, el níquel también puede mejorar la resistencia a la oxidación a alta temperatura del acero inoxidable austenítico. Esto se debe principalmente a la capacidad del níquel para mejorar la composición, estructura y propiedades de la película de óxido de cromo. Sin embargo, es importante señalar que la presencia de níquel puede reducir la resistencia del acero a la vulcanización a altas temperaturas.
4. Manganeso
El manganeso es un elemento formador de austenita relativamente débil, pero juega un papel crucial en la estabilización de la estructura de la austenita.
En el acero inoxidable austenítico, el manganeso sustituye parcialmente al níquel y un 2% de Mn equivale a un 1% de Ni.
El manganeso también puede aumentar la resistencia a la corrosión del acero inoxidable al cromo en ácidos orgánicos como el ácido acético, el ácido fórmico y el ácido glicólico, y es más eficaz que el níquel.
Sin embargo, cuando el contenido de cromo en el acero supera el 14%, la adición de manganeso por sí sola no puede dar como resultado una estructura de austenita única.
Debido a que el acero inoxidable austenítico tiene una mejor resistencia a la corrosión cuando el contenido de cromo es superior al 17%, la industria emplea principalmente acero Fe-Cr-Mn-Ni-N como el 12Cr18Mn9Ni5N como sustituto de las aleaciones que contienen níquel. La cantidad de acero inoxidable austenítico Fe-Cr-Mn-N sin níquel utilizada es relativamente menor.
5. Nitrógeno
En las primeras etapas, el nitrógeno se utilizaba principalmente en aceros inoxidables austeníticos Cr-Mn-N y Cr-Mn-Ni-N para ahorrar Ni. Sin embargo, en los últimos años, el nitrógeno se ha convertido en un elemento de aleación esencial del acero inoxidable austenítico CrNi.
Agregar nitrógeno al acero inoxidable austenítico puede estabilizar la estructura austenítica, mejorar la resistencia y aumentar la resistencia a la corrosión, especialmente para la corrosión local como la corrosión intergranular, la corrosión por picaduras y la corrosión por grietas.
En el acero inoxidable austenítico ordinario con bajo contenido de carbono y ultra bajo carbono, se puede mejorar la resistencia a la corrosión intergranular. El nitrógeno afecta el proceso de precipitación del carburo de cromo durante el tratamiento de sensibilización, aumentando la concentración de cromo en el límite de grano.
En acero inoxidable austenítico de alta pureza, donde no hay precipitación de carburo de cromo, el nitrógeno aumenta la estabilidad de la película pasiva y reduce la velocidad de corrosión promedio. Aunque el nitruro de cromo precipita en acero con alto contenido de nitrógeno, la velocidad de precipitación del nitruro de cromo es lenta. Por lo tanto, el tratamiento de sensibilización no causará deficiencia de cromo intergranular y tendrá poco efecto sobre la corrosión intergranular.
El nitrógeno también puede inhibir la segregación de fósforo en el límite de grano y mejorar la resistencia a la corrosión intergranular del acero.
En la actualidad, el acero inoxidable austenítico que contiene nitrógeno tiene principalmente alta resistencia y resistencia a la corrosión. Se puede dividir en tres tipos: tipo de control de nitrógeno, tipo de nitrógeno medio y tipo de nitrógeno alto.
El tipo de control de nitrógeno implica agregar 0,05% ~ 0,10% N al acero inoxidable austenítico Cr Ni con contenido de carbono ultrabajo (C ≤ 0,02% ~ 0,03%) para mejorar la resistencia, optimizar la resistencia a la corrosión intergranular y aumentar la resistencia a la corrosión por tensión del acero.
El tipo medio de nitrógeno contiene 0,10% ~ 0,50% N y se funde y vierte bajo presión atmosférica normal. Por otro lado, el contenido de nitrógeno del tipo alto en nitrógeno es superior al 0,40%.
Generalmente se funde y se cuela en condiciones de presión creciente. Este tipo de acero se utiliza principalmente en estado de solución sólida o estado de trabajo semifrío, ya que tiene alta resistencia y resistencia a la corrosión.
En la actualidad, el acero austenítico con alto contenido de nitrógeno y un contenido de nitrógeno que oscila entre el 0,8% y el 1,0% se ha aplicado con éxito en aplicaciones prácticas y ha comenzado la producción industrial.
6. Titanio, niobio, molibdeno y elementos de tierras raras.
El titanio y el niobio son elementos que pueden formar carburos en gran medida, que pueden reaccionar preferentemente con el carbono que con el cromo, evitando así la corrosión intergranular y mejorando la resistencia a la corrosión del acero.
Al añadir titanio y niobio al acero, es importante mantener una cierta proporción con el contenido de carbono.
El molibdeno, por otro lado, puede aumentar la capacidad de pasivación del acero inoxidable y ampliar la gama de medios de pasivación. Esto significa que puede resistir ácido sulfúrico caliente, ácido clorhídrico diluido, ácido fosfórico y ácidos orgánicos. La película de pasivación creada con molibdeno es muy estable en diversos medios y es menos probable que se disuelva.
El acero inoxidable que contiene molibdeno es resistente a la corrosión por picaduras, ya que puede proteger la película pasiva del daño causado por Cl-.
Cuando se añaden elementos de tierras raras como Ce, La e Y al acero inoxidable, pueden disolverse ligeramente en la matriz. Este proceso ayuda a purificar el límite de grano, modificar inclusiones, homogeneizar la estructura y reducir la precipitación de precipitados y la segregación de los límites de grano. Esto conduce a una mejora de la resistencia a la corrosión y de las propiedades mecánicas del acero.
2. Efecto de los elementos de aleación sobre la microestructura del acero inoxidable.
La influencia de los elementos de aleación en la estructura matricial del acero inoxidable se puede clasificar en dos categorías:
- Elementos formadores de ferrita como cromo, platino, silicio, titanio, niobio, etc.
- Elementos formadores de austenita como carbono, nitrógeno, níquel, manganeso, cobre, etc.
Cuando estos elementos con diferentes funciones se añaden al acero simultáneamente, la microestructura del acero inoxidable depende de sus efectos integrales.
Para simplificar el tratamiento, el efecto de los elementos formadores de ferrita se convierte en efecto del cromo, conocido como equivalente de cromo (Cr), mientras que el efecto de los elementos formadores de austenita se convierte en equivalente de níquel (Ni).
Con base en el equivalente de cromo (Cr) y el equivalente de níquel (Ni), se crea un diagrama para representar la composición real del acero y el estado estructural resultante, como se muestra en la siguiente figura.
Fig. diagrama de estructura de acero inoxidable
La figura ilustra que el acero 12Cr18Ni9 pertenece a la familia de los aceros inoxidables austeníticos y se encuentra en la zona de fase a.
Por otro lado, el acero inoxidable Cr28 se clasifica como acero inoxidable ferrítico y se puede encontrar en la zona de la fase ferrítica.
Mientras tanto, el acero inoxidable 30Cr13 entra en la categoría de acero inoxidable martensítico y está situado en la zona de la fase martensítica.
Para obtener una estructura de austenita monofásica, se requiere un equilibrio específico de elementos de aleación. De lo contrario, aparecerá algo de estructura de ferrita en el acero, lo que dará como resultado una estructura multifásica.
Efecto de la composición y microestructura de la aleación sobre las propiedades mecánicas del acero inoxidable.
1. Mecanismo de refuerzo de acero inoxidable.
El fortalecimiento del acero inoxidable se logra a través de varios mecanismos, incluido el fortalecimiento por solución sólida, el fortalecimiento por transformación de fase, el fortalecimiento por segunda fase, el fortalecimiento por refinamiento de grano, el fortalecimiento por precipitación y el fortalecimiento de la subestructura.
La siguiente figura ilustra la contribución de estos mecanismos al límite elástico en acero inoxidable austenítico con 8% ~ 10% de Ni.
Como se muestra en la figura, el cromo, el silicio y el carbono proporcionan un refuerzo de solución sólida a la matriz, lo que da como resultado un aumento de varias veces en el límite elástico de la matriz austenítica.
Otro mecanismo de fortalecimiento es la existencia de ferrita α como segunda fase, junto con el refinamiento granulométrico y la precipitación de precipitados, lo que aumenta significativamente la resistencia de la austenita.
La figura destaca que en el acero inoxidable austenítico, el fortalecimiento de la solución sólida es un mecanismo crucial y el refinamiento del grano contribuye más a la resistencia general.
Fig. Factores que afectan la resistencia del acero inoxidable austenítico.
2. Resistencia y plasticidad de diversos aceros inoxidables.
Las propiedades de los diferentes aceros inoxidables varían según su composición y estructura.
Consulte la figura siguiente para ver una comparación de la resistencia y plasticidad de varios aceros inoxidables.
Fig. comparación de resistencia y plasticidad de varios aceros inoxidables y hierro puro
Entre todos los aceros inoxidables, el acero inoxidable austenítico tiene la mejor ductilidad, mientras que el acero inoxidable endurecido por precipitación tiene la mayor resistencia.
El acero inoxidable martensítico tiene buenas propiedades mecánicas generales, caracterizadas por una alta resistencia y cierto grado de ductilidad.
El acero inoxidable dúplex, que es una combinación de aceros inoxidables ferríticos y austeníticos, tiene mayor resistencia y mejor ductilidad.
El acero inoxidable ferrítico y el acero inoxidable austenítico tienen propiedades de resistencia similares, pero la ductilidad de este último es mucho mayor que la de otros tipos de acero inoxidable. (Para fines comparativos, la curva del hierro puro también se incluye en la figura).
Efecto del medio corrosivo sobre la resistencia a la corrosión del acero inoxidable.
La resistencia a la corrosión del metal no sólo está determinada por su material, sino también por el tipo, concentración, temperatura, presión y otras condiciones ambientales del medio corrosivo.
En aplicaciones prácticas, la capacidad oxidante del medio corrosivo tiene un mayor impacto en la corrosión del metal. Por lo tanto, al seleccionar grados de acero inoxidable para entornos de trabajo específicos, es importante considerar las características del medio corrosivo.
En medios débilmente corrosivos como la atmósfera, el agua y el vapor, la resistencia a la corrosión del acero inoxidable se puede garantizar siempre que el contenido de Cr de la solución sólida en la matriz de acero inoxidable sea superior al 13%. Esto lo hace adecuado para su uso en componentes como válvulas de compresores de agua, álabes de turbinas de generadores de vapor y tuberías de vapor.
Sin embargo, en medios oxidantes como el ácido nítrico, los iones NO3- tienen una fuerte capacidad oxidante. Esto da como resultado la formación de una película de óxido en la superficie del acero inoxidable con un tiempo de pasivación corto, comprometiendo así su resistencia a la corrosión.
El H+ del ácido actúa como despolarizador catódico. A medida que aumenta la concentración de H+, se intensifica la despolarización del cátodo y también aumenta el contenido de cromo necesario para la pasivación. Por lo tanto, sólo la película de óxido que contiene un alto contenido de cromo tiene buena estabilidad en ácido nítrico.
Al hervir ácido nítrico, el acero inoxidable 12Cr13 no es resistente a la corrosión. Sin embargo, los aceros Cr17 y Cr30 con un contenido de cromo del 17% al 30% son resistentes a la corrosión en ácido nítrico con una concentración del 0% al 65%.
En medios no oxidantes como el ácido sulfúrico diluido, el ácido clorhídrico y el ácido orgánico, el contenido de oxígeno de estos medios corrosivos es bajo y es necesario ampliar el tiempo de pasivación. Cuando el contenido de oxígeno en el medio es hasta cierto punto bajo, el acero inoxidable no se puede pasivar. Por ejemplo, en el ácido sulfúrico diluido, el SO42- del medio no es un oxidante y el contenido de oxígeno disuelto en el medio es relativamente bajo, lo que le impide pasivar el acero. En consecuencia, la velocidad de corrosión del acero inoxidable al cromo es incluso más rápida que la del acero al carbono.
Por lo tanto, es difícil que el acero inoxidable Cr general o el acero inoxidable Cr Ni alcancen el estado de pasivación y no sean resistentes a la corrosión cuando se trabaja en este tipo de medio. Para mejorar la capacidad de pasivación del acero es necesario añadir elementos como molibdeno, cobre y otros.
El ácido clorhídrico es un ácido no oxidante que se sabe que causa corrosión en el acero inoxidable. Para evitar la corrosión, se requiere una aleación de Ni-Mo para formar una película protectora estable sobre la superficie de la aleación.
En ácidos orgánicos fuertes, la pasivación del acero inoxidable al cromo y al cromo-níquel es difícil debido al bajo contenido de oxígeno en el medio y a la presencia de H+. Agregar Mo, Cu, Mn y otros elementos al acero puede mejorar su capacidad de pasivación. Por tanto, el acero inoxidable Cr-Mn se considera la mejor opción.
Para que el acero sea resistente a la corrosión y fácil de pasivar, se añade al acero una cierta cantidad de Mo y Cu.
En medios que contienen Cl, la película de óxido sobre la superficie del acero inoxidable se destruye fácilmente, provocando corrosión por picaduras del acero. Como resultado, el agua de mar es altamente corrosiva para el acero inoxidable.
Es importante señalar que ningún acero inoxidable puede resistir la corrosión de todo tipo de medios. Por lo tanto, la selección de acero inoxidable debe basarse en el entorno de corrosión específico y las características de los distintos tipos de acero inoxidable.
