Efecto de varios elementos de aleación en acero/hierro y acero inoxidable
El acero es principalmente una aleación de hierro y carbono y ciertos elementos adicionales como el manganeso y el silicio. La aleación aquí se refiere a la adición de otros elementos para lograr las propiedades mecánicas (mayor resistencia a la tracción, rendimiento, tenacidad, etc.), físicas (dureza, color, etc.) y químicas (por ejemplo, resistencia a la corrosión) deseadas. Cada elemento de aleación tiene su propio efecto sobre las propiedades del acero. En esta publicación, aprenderá la mayor parte de los elementos de aleación, su efecto en las propiedades del acero con su adición, así como su importancia para los ingenieros de soldadura, materiales, metalúrgicos y QA-QC.
La siguiente tabla resume los efectos de los elementos de aleación en el acero. Para una explicación detallada, continúe a través de la publicación.
Efecto del carbono (C) sobre el acero
El carbono es un fuerte estabilizador austenítico, aumenta la resistencia a la tracción de los aceros al aumentar la cantidad de carburo presente. El carbono aumenta la capacidad de endurecimiento del acero para que pueda ser templado y revenido de manera efectiva. El carbono con sus efectos únicos sobre el acero proporciona una transformación alotrópica al acero. El carbono disminuye fuertemente la tenacidad y la resistencia a la corrosión en los aceros ferríticos. En el acero martensítico, el carbono aumenta la dureza y la resistencia, pero reduce la tenacidad. Este efecto es mayor cuando se presenta como cementita laminar (en capas) en perlita que como partículas redondas (globulares/esferoidales).
Efecto del silicio (Si) sobre el acero
El silicio aumenta la resistencia a la oxidación, tanto a alta temperatura como en soluciones fuertemente oxidantes a temperaturas más bajas. El silicio, al ser un estabilizador de ferrita, promueve microestructuras ferríticas. El silicio aumenta la resistencia en el acero junto con la función principal como desoxidante. Modera el aumento de la capacidad de endurecimiento.
Efecto del manganeso (Mn) sobre el acero
Se añade manganeso hasta un 1,8% en peso. Se combina con azufre para formar inclusiones de sulfuro de manganeso menos dañinas en aceros con alto contenido de azufre, lo que evita problemas de agrietamiento en caliente durante la soldadura. Aumenta la resistencia del acero pero menos que el silicio. Ayuda a aumentar la tenacidad del acero a temperatura ambiente. El manganeso aumenta considerablemente la capacidad de endurecimiento del acero.
Se puede agregar como desoxidante durante la fusión o en rellenos de soldadura. Por lo tanto, su presencia ayudará en la trabajabilidad del metal por parte del fabricante inicial. El manganeso ayuda a eliminar los efectos nocivos del azufre a través de la formación de MnS en lugar de Ni 3 S 2 y aumenta la solubilidad del nitrógeno en las aleaciones a base de níquel. MnS es importante en aceros inoxidables donde las partículas de MnS actúan como sitios de iniciación de la corrosión. Debe mantenerse bajo para una alta resistencia a la corrosión en estas aleaciones. El manganeso también aumenta la permeabilidad magnética.
Efecto níquel (Ni) sobre acero
El níquel tiene una alta resistencia a la carburación y oxidación. El níquel es un estabilizador austenítico que promueve la microestructura cúbica centrada en las caras. Da lugar a la ductilidad y tenacidad de la aleación. El níquel es beneficioso para la soldabilidad de la aleación, por lo que se agrega intencionalmente a las aleaciones de acero inoxidable martensítico. Debido a sus fuertes efectos de estabilización FCC, el níquel es el elemento principal para el acero inoxidable criogénico y el acero con un 9 % de níquel.
El níquel tiene poco efecto sobre la resistencia y la capacidad de endurecimiento del acero, pero mejora considerablemente su tenacidad a baja temperatura al promover una austenita estable incluso a temperatura ambiente. El níquel también aumenta la resistencia a la corrosión atmosférica del acero.
Efecto del cromo (Cr) sobre el acero
Este es el elemento de aleación más importante y le da a los aceros inoxidables su resistencia básica a la corrosión. El acero inoxidable está aleado con un mínimo de 10% de cromo. Además, cuanto mayor sea la cantidad de cromo en el acero inoxidable, mayor será la resistencia a la corrosión. El cromo promueve una microestructura ferrítica.
El cromo tiene poco efecto sobre la resistencia del acero, pero aumenta la capacidad de endurecimiento del acero. Aumenta la resistencia del acero a la formación de incrustaciones/óxido cuando se calienta a temperaturas elevadas, por lo que es un elemento de aleación principal para materiales de alta temperatura como los aceros Cr-Mo. Además, se combina con el carbono para formar carburos de cromo que son más estables que la cementita, es decir, no se descomponen con el tiempo en aplicaciones a temperaturas elevadas. El cromo ayuda a mantener la resistencia del acero y reduce su fluidez (fluencia) a temperaturas más altas y durante períodos de tiempo más prolongados.
Efecto del molibdeno (Mo) sobre el acero
Las adiciones de molibdeno minimizan el daño por corrosión por picaduras y grietas al alterar las características de la película pasiva de la superficie. El molibdeno es el principal elemento de aleación añadido para mejorar la resistencia al ataque de los cloruros. Las aleaciones de níquel que contienen más del 25 % de molibdeno tienen una excelente resistencia al ácido clorhídrico (p. ej., UNS N10675 y N10629). El molibdeno también proporciona un apreciable endurecimiento por dispersión y endurecimiento por solución sólida a alta temperatura a través de su influencia sobre los carburos presentes. Las aleaciones de molibdeno más altas que contienen cromo también deben tener más níquel para minimizar la posibilidad de formación de fase sigma. El molibdeno es un elemento de aleación importante en el acero Cr-Mo, ya que mejora las propiedades de fluencia del acero.
Efecto del vanadio (V) sobre el acero
El vanadio forma carburos y nitruros y promueve la ferrita en la microestructura. El vanadio se agrega para aumentar la resistencia y la tenacidad a través del refinamiento del grano en los aceros laminados (control) y normalizados. Ayuda a retener una mayor dureza y resistencia después del revenido en aceros templados y revenidos. También se agregó en algunos aceros destinados a aplicaciones de temperatura elevada, como los aceros Cr-Mo-V para reactores. Aumenta la dureza de los aceros martensíticos por su efecto sobre el tipo de carburo presente. También aumenta la resistencia al revenido. Solo se utiliza en aceros inoxidables que se pueden templar.
Efecto del niobio (Nb) sobre el acero
El niobio, también conocido como Columbium en EE. UU., es un fuerte formador de ferrita y carburo. Al igual que el titanio, promueve una estructura ferrítica. El niobio se usa como una adición de endurecimiento por precipitación, formando el precipitado hexagonal compacto coherente Ni 3 Nb 33, a veces denominado y”. Requiere la presencia de hierro. Sin hierro se forma una fase no coherente de la misma composición que no da endurecimiento aunque se puede obtener algún grado de refinado del grano. En cantidades más pequeñas, el niobio se usa como estabilizador de carburo para ayudar a minimizar o eliminar la corrosión por sensibilización (ya que se combina fácilmente con el carbono y previene la formación de carburo de cromo en el acero inoxidable). También se dice que aumenta la resistencia a la erosión. La presencia de niobio en la aleación también ayuda a limitar la carburación. Se añade en cantidades de 1 a 1,75% a la aleación de tipo ‘HP’ para este fin.
Efecto cobre (Cu) sobre el acero
Se agrega cobre para aumentar la resistencia a la corrosión y la resistencia del acero. El cobre promueve una microestructura austenítica. Los efectos del cobre sobre la tenacidad y la capacidad de endurecimiento son pequeños. Aumenta la resistencia a la corrosión atmosférica del acero. Las cantidades totales de cobre añadidas son pequeñas para evitar la fragilidad en caliente del acero.
Efecto del boro (B) sobre el acero
El boro se agrega a los aceros con un contenido relativamente bajo de carbono en cantidades muy pequeñas para aumentar la capacidad de endurecimiento de los aceros destinados a ser templados y revenidos. El boro es un agente fortalecedor muy fuerte cuando se usa en combinación con molibdeno, titanio o vanadio.
Efecto del nitrógeno (N) sobre el acero
El nitrógeno es un elemento de aleación comúnmente utilizado con aceros inoxidables. Se encuentra que aumenta la estabilidad de la fase austenita y hace que sea menos probable que tenga precipitados de fase intermedia, por ejemplo, fase sigma, aumenta los esfuerzos de tracción y de prueba sin disminuir la ductilidad y aumenta la resistencia a la corrosión por picaduras y grietas. El exceso de nitrógeno, y será para valores superiores a menos del 0,1-0,2%, según la aleación, dará lugar a la porosidad.
Efecto aluminio (Al) sobre acero
El aluminio se añade en cantidades sustanciales. El aluminio mejora la resistencia a la oxidación y se usa en ciertos grados resistentes al calor para este propósito. En los aceros de endurecimiento por precipitación, el aluminio se utiliza para formar los compuestos intermetálicos que aumentan la resistencia en condiciones de envejecimiento.
Efecto titanio (Ti) sobre acero
Este se añade con o sin aluminio para formar la fase de endurecimiento por precipitación Ni3(A1,Ti). También actúa como un reforzador de solución sólida. El titanio es un estabilizador de carburo y, por lo tanto, se puede utilizar para minimizar o eliminar la sensibilización y la posibilidad de corrosión intergranular posterior. El titanio es un estabilizador de ferrita y también un aglutinante de carburo en acero inoxidable austenítico (p. ej., SS321). Se agrega para reducir el carbono libre y combinarlo con cromo para evitar la sensibilización.
Efecto cobalto (Co) sobre el acero
El cobalto puede dar alguna mejora a través del fortalecimiento de la solución sólida normalmente esperado cuando cualquier elemento de aleación está en solución sólida. También minimiza, hasta cierto punto, el daño por cementación debido a su mayor solubilidad para el carbono que para el níquel. El cobalto ayuda a elevar la temperatura de la solución y’ [Ni3(A1,Ti)] y, por lo tanto, reduce la solubilidad del aluminio y el titanio en la matriz y, por lo tanto, permite una mayor proporción de y’ precipitado a temperaturas más altas, lo que mejora la resistencia a altas temperaturas. El cobalto también tiende a hacer más fina la distribución de este precipitado.
Efecto azufre (S) sobre el acero
El azufre siempre debe mantenerse bajo debido a la posibilidad de formar el eutéctico Ni-Ni3 S2 de bajo punto de fusión. Debido a que el azufre se segregará en los límites de los granos, debido a la fase de bajo punto de fusión, también existe la probabilidad de corrosión intergranular. El azufre mejora la maquinabilidad del acero.
Efecto tungsteno (W) sobre acero
el tungsteno aumenta la dureza particularmente a temperaturas elevadas debido a los carburos estables, refina el tamaño del grano. El tungsteno se agrega a grados especiales como la aleación 686, el grado Super Duplex 4501, que es un material altamente resistente a la corrosión.
