Exploración del acero inoxidable ferrítico ultrapuro: Efectos en las propiedades, fragilidad y formación

El acero inoxidable ferrítico es un tipo de acero inoxidable con una fracción másica de cromo (Cr) comprendida entre 12% y 30%. Puede dividirse a su vez en Cr bajo, Cr medio y Cr alto, en función de la fracción másica de Cr.

La resistencia a la corrosión del acero inoxidable ferrítico es proporcional a la fracción másica de Cr. Cuanto mayor es la fracción másica de Cr, mayor es 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 de los aceros inoxidables ferríticos es hacia niveles más bajos de carbono (C) y nitrógeno (N).

El acero inoxidable ferrítico ultrapuro es una subcategoría del acero inoxidable ferrítico que tiene niveles muy bajos de C y N (generalmente no más de 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 procesado y asequibilidad en comparación con el cobre, las aleaciones de cobre y los aceros inoxidables ferríticos. titanio materiales. Se utiliza ampliamente en diversas industrias, como la automovilística, la de electrodomésticos y cocinas, la de la construcción y la petroquímica.

Sin embargo, la producción de acero inoxidable ferrítico ultrapuro también plantea varios retos. 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 en Cr, como la fragilidad de la fase σ, la fragilidad 475 ℃ y la fragilidad a alta temperatura.

Por ello, el personal de producción es consciente de los posibles perjuicios de estos problemas de fragilidad y ha comprobado que se deben principalmente a la precipitación de la fase σ, la fase χ, la fase α'-, la fase Laves y la fracción másica del elemento Cr.

Este artículo examina en profundidad las principales características y los factores que influyen en la fragilidad de la fase σ, la fragilidad 475 ℃ y la fragilidad a alta temperatura de los inoxidables ferríticos ultrapuros. También analiza los efectos de estos problemas de fragilidad en las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión del acero inoxidable ferrítico ultrapuro, sirviendo de referencia a 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 el acero inoxidable ferrítico ultrapuro

Fase precipitadaEstructuraConfiguración y composiciónCondiciones de precipitaciónCaracterística
σ mutuamenteTetragonal centrado en el cuerpo (bct) D8b, 30 átomos/unidad celularAB o AxBy, FeCrFeCrMow(Cr)=25%~30%,600-1050℃Duro, quebradizo, rico en Cr
Fase XCúbico centrado en el cuerpo (bcc) A12, 30 átomos/unidad de celdaα- Mn, Fe36Cr12Mo10 o (Fe, Ni) 36Cr18Mo4w(Mo)=15%~25%,600-900℃Duro, quebradizo, rico en Cr y Mo
Fase LavesHexagonal compacto (hcp) C14 o C36AB2, Fe2Ti o Fe2Nb o Fe2Mo650-750℃Duro
α' mutuamenteCúbico centrado en el cuerpo (bcc)Fe Cr, rico en crw(Cr)>15%,371-550℃(475℃)Duro, quebradizo, rico en Cr

En las figuras 1 y 2 se muestran las curvas "C" de precipitación de las fases σ, χ y Laves de algunos aceros inoxidables ferríticos ultrapuros típicos.

Debido a las variaciones en la composición de la aleación, el intervalo de temperatura más sensible para la precipitación de estas fases se sitúa entre 800 y 850°C.

En la aleación 00Cr25Ni4Mo4NbTi (Monit), las fases σ y χ precipitan con relativa rapidez, mientras que la fase Laves precipita más fácilmente a 650°C y tarda más tiempo en formarse.

Independientemente del tipo de precipitado frágil, 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 del acero inoxidable ferrítico 00Cr25Ni4Mo4TiNb (Monit) (tras disolución sólida a 1000 ℃)

1.1 Principales características de la fase σ fragilidad

La generación de fragilidad de la fase σ se debe principalmente a la precipitación de la fase σ y la fase χ. La fase 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 una configuración AB o AxBy y una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. En los aceros inoxidables ferríticos, las fases σ están compuestas principalmente de 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 es amagnética y tiene una dureza elevada, con un valor de dureza Rockwell (HRC) de hasta 68. Durante el proceso de precipitación se produce un "efecto volumen" que disminuye la plasticidad del acero.

Fig. 3 Estructura y composición de la fase o del acero inoxidable ferrítico 447 según el análisis lineal EDX

La precipitación de la fase σ puede debilitar gravemente el acero inoxidable, disminuyendo sus propiedades, como la resistencia a la corrosión, la tenacidad al impacto y las propiedades mecánicas.

La formación de la fase σ se produce en dos etapas: nucleación y crecimiento. La nucleación suele comenzar en el límite de grano de α/α' y desde allí se expande hacia la matriz.

Una vez que la fase σ alcanza cierto tamaño, precipita desde el interior 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 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.

Típicamente, se forma en condiciones en las que el contenido de Mo (w) está entre 15% y 25% y la temperatura está entre 600 y 900℃.

La tenacidad del acero disminuye significativamente cuando se forma la fase χ.

Se comprobó 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 sencilla, y la fase χ suele precipitar antes que la fase σ, como se muestra en la Fig. 4.

Fig. 4 Fase χ precipitada del acero inoxidable ferrítico 26Cr envejecido a 800 ℃ durante 5min.

Cuando comience a formarse la fase χ, se producirá un enriquecimiento significativo de Cr y Mo en la fase χ, lo que dará lugar a una disminución del contenido de Cr y Mo. Esta disminución no es suficiente para nucleizar 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 de envejecimiento. A medida que la fase χ se descompone, proporcionará suficiente Cr y Mo para nuclear la fase σ, lo que finalmente conducirá a su transformación en una fase σ estable.

Tanto la fase χ como la fase σ darán lugar a una reducción del contenido de Cr alrededor de la fase de precipitación por precipitación, formando una zona pobre en Cr y disminuyendo su resistencia a la corrosión.

1.1.3 Fase Laves

La fase Laves es un compuesto de factor de tamaño con una configuración AB2 y una estructura hexagonal, como se representa en la figura 5.

En el acero inoxidable ferrítico, la fase Laves se compone normalmente de Fe2Ti, Fe2Nb, o Fe2Mo.

La fase Laves del acero inoxidable ferrítico está enriquecida con elementos Si, que desempeñan un papel crucial en el mantenimiento de su estabilidad.

La temperatura de precipitación de la fase Laves oscila entre 650-750℃, dependiendo de la composición de la aleación.

Fig. 5 Fase lava precipitada del acero inoxidable ferrítico 27Gr-4Mo-2Ni tras envejecimiento a 1050 ℃ durante 1h.

Andrade T et al. descubrieron que, tras envejecer a 850°C durante 30 minutos, el acero inoxidable ferrítico ultrapuro con el modelo DIN 1.4575 presenta precipitación de la fase Laves en el límite de grano, cuyo tamaño permanece inalterado debido a la presencia de precipitados tanto de la fase Laves como de la fase σ. La velocidad de crecimiento de la fase σ es más rápida, lo que impide que crezca parte de la fase Laves.

Se descubrió que el acero inoxidable ferrítico 11Cr-0,2Ti-0,4Nb, cuando se envejece a 800°C durante 24-28 horas, presenta un gran número 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 Laves se hace gruesa y el número disminuye, sin que se observe precipitación de la fase σ.

1.2 Principales características de la 475 ℃ fragilidad

El acero inoxidable ferrítico con una fracción másica de cromo superior a 12% experimentará un aumento significativo en dureza y resistencia, acompañado de una fuerte disminución de la plasticidad y de la tenacidad al impacto tras una exposición prolongada a temperaturas comprendidas entre 340 y 516℃. Esto se debe principalmente a la fragilidad que se produce en el acero inoxidable ferrítico a 475℃.

La temperatura más sensible para este cambio de propiedad es de 475 ℃.

La precipitación de la fase α 'es la razón principal de la 475 ℃ fragilidad del acero inoxidable ferrítico.

La fase α' es una fase frágil rica en Cr con una estructura tetragonal centrada en el cuerpo.

En el acero inoxidable ferrítico, α 'fase es fácil de formar bajo la condición de que w (Cr) es mayor que 15% y la temperatura de precipitación es 371 ~ 550 ℃.

La fase α' es una aleación Fe Cr, con un contenido de Cr que oscila entre 61% y 83% y un contenido de Fe que oscila entre 17,5% y 37%.

La bibliografía indica que cuando el contenido de Cr en el acero es inferior a 12% en masa, no habrá precipitación de la fase α', evitando así la formación de 475℃ fragilidad.

Además, la precipitación de la fase α' durante la disolución es un proceso reversible.

Cuando el acero se recalienta por encima de 516℃ y luego se enfría rápidamente a temperatura ambiente, la fase α' se disolverá de nuevo en la matriz y la fragilidad a 475℃ no volverá a producirse.

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℃ puede dar lugar a una disminución del alargamiento, la tenacidad al impacto y la resistencia al corrosión intergranular. Esto se debe principalmente a la fragilidad a alta temperatura de la ferrita.

La causa principal de la fragilidad a alta temperatura es la precipitación de compuestos de Cr-carbono y Cr-nitrógeno. Además, durante el proceso de soldadura, puede producirse la precipitación de la fase Laves cuando el temperatura de soldadura supera los 950℃, lo que repercute en las propiedades generales del acero.

Esta vulnerabilidad también existe en el acero inoxidable ferrítico ultrapuro, que es aún más sensible a la fragilidad a alta temperatura debido a su alto contenido en Cr y Mo.

Para reducir el riesgo de fragilidad a altas temperaturas, se puede reducir el contenido de C y N y añadir elementos estabilizadores.

En la soldadura, la fragilidad a alta temperatura puede provocar daños importantes en el acero. Esto se debe a que los elementos C y N precipitan en el límite de grano durante la soldadura y reaccionan con el Cr y el Mo, formando carbono y nitruros ricos en Cr y Mo que se desplazan gradualmente hacia el límite de grano.

Además, la precipitación de la fase Laves a 950℃ durante la soldadura puede provocar precipitados en las dislocaciones, los límites de grano o dentro de los granos, inhibiendo el movimiento de las dislocaciones cristalinas y los límites de grano. El resultado es que la disposición local de los átomos se vuelve más regular, lo que aumenta la resistencia del acero pero reduce su plasticidad y tenacidad.

2. Factores que influyen en la formación de 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 influyen en la formación de precipitados frágiles.

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 superficial, y una mejor resistencia a las picaduras, corrosión por grietas y corrosión intergranular.

Sin embargo, una mayor fracción másica de Cr también conduce a una formación más rápida de fases frágiles en el acero inoxidable ferrítico. La formación y la velocidad de precipitación de las fases α' y σ también se ven influidas por la fracción másica de Cr, y una fracción másica más elevada conduce a una velocidad de precipitación más rápida. Esta fase de precipitación reduce la tenacidad del acero y aumenta significativamente su temperatura de transición frágil.

El Mo es el segundo elemento más importante del acero inoxidable ferrítico. Cuando su fracción másica alcanza un determinado nivel, la cantidad de precipitación de las fases σ y χ en el acero inoxidable ferrítico aumenta significativamente.

La investigación de Moura et al. descubrió que la adición de Mo en el acero inoxidable ferrítico 25Cr-7Mo reducía la temperatura máxima de precipitación de la fase α', bajándola de 475°C a unos 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 reforzando la resistencia a la corrosión del Cr en el acero.

Ma et al. descubrieron que recocido 30Cr a 1020°C dio lugar a la precipitación de la fase Laves, que se compone principalmente de Fe, Cr, Mo, Si y Nb. La fracción másica de Nb y Mo en la fase Laves era mayor en comparación con el metal base. En la Fig. 6 se muestra el análisis del espectro de energía de rayos X de la fase Laves del acero 30Cr recocido a 1020ºC.

Se observó que un mayor contenido de Mo en el acero inoxidable ferrítico ultrapuro 30Cr acelera la precipitación de la fase Laves. La bibliografía 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 fase σ.

Fig. 6 Análisis del espectro de energía de rayos X (EDS) de la fase Laves del acero 30Cr después de 1020 ℃. Recocido

(a) Análisis EDS del metal base; (b) Análisis EDS de la fase Laves

La adición de elementos estables, como el Nb y el Ti, al acero combinados con C y N da lugar a la precipitación de fases como TiN, NbC y Fe2Nb. Estas fases se distribuyen tanto en el interior del grano como en los límites de grano, lo que frena la formación de carburos y nitruros de Cr, mejorando así la resistencia a la corrosión intergranular de los aceros inoxidables ferríticos.

Anttila et al. estudiaron el impacto de la incorporación de Ti y Nb en las soldaduras de acero inoxidable ferrítico 430. Descubrieron que cuando la temperatura de soldadura alcanzaba los 950 ℃, se facilitaba la formación de la fase Laves, lo que conducía a la fragilización del uniones soldadas y una disminución de su resistencia al impacto.

Del mismo modo, 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 el engrosamiento de la fase Laves y una disminución de la resistencia a la tracción del acero.

Se observó que la inclusión de W en el acero inoxidable ferrítico 444 mejoraba significativamente su resistencia a la tracción a alta temperatura cuando se envejecía a 1000 ℃. Sin embargo, a medida que aumenta la fracción másica de W, la fase Laves se hace más gruesa, lo que debilita el efecto de refuerzo por precipitación y reduce la resistencia a la tracción a alta temperatura.

La adición de Cu al acero inoxidable ferrítico precipita una fase rica en Cu, 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 la tenacidad del acero.

La fase rica en Cu precipita principalmente a 650 ℃ y 750 ℃, y durante la fase inicial de envejecimiento 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 representa en la figura 7.

Fig. 7 Morfología de la fase rica en Cu en el acero inoxidable ferrítico 17Cr-0,86Si-1,2Cu-0,5Nb envejecido a 750 °C durante 1h.

2.2 Elementos de tierras raras

Los elementos de tierras raras (ER) son muy reactivos químicamente y la adición de la cantidad adecuada de ER puede mejorar las propiedades del acero.

Los resultados del ensayo TEM de precipitados en acero inoxidable ferrítico 27Cr se presentan en la Fig. 9.

Sin REs, las fases precipitadas en el acero inoxidable ferrítico son más complejas. Como se ilustra en la Fig. 8(a), las fases secundarias precipitan en los límites de grano y forman cadenas en la matriz de ferrita, compuestas principalmente por fase σ, M23C6, M6C, y una pequeña cantidad de fases M2N y χ.

Sin embargo, tras la adición de REs, las fases precipitadas en cadena disminuyen y suelen estar presentes en formas simples en la matriz, principalmente como fase σ. Además, la precipitación de carbono y nitruro disminuye, como se muestra en la Fig. 8(b).

La fracción de masa óptima de RE en acero inoxidable ferrítico ultrapuro resultó ser de 0,106%, lo que mejora las propiedades de refuerzo. Con esta concentración, los RE refinan la estructura del grano, aumentan la energía de impacto y cambian el mecanismo de fractura por impacto de frágil a resistente.

Además, los RE reducen la fracción másica de S en el acero, reduciendo la fuente de corrosión por picaduras y mejorando la resistencia a la corrosión por picaduras.

Fig. 8 Resultados TEM de la fase precipitada del acero inoxidable ferrítico 27Cr

(a) Imagen de campo claro de la muestra 0% RE; (b) Imagen de campo claro de la muestra 0,106% RE

2.3 Tratamiento del envejecimiento

Los distintos tratamientos de envejecimiento pueden tener efectos variables en la formación de precipitados frágiles en los materiales.

Cuando el acero inoxidable ferrítico puro forma precipitados frágiles, pueden disminuir sus propiedades mecánicas, su resistencia al impacto, su resistencia a la corrosión y su rendimiento general.

El tratamiento de envejecimiento puede contribuir a mejorar la estructura del material y aumentar su plasticidad, así como a 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 Laves y la fase σ.

En la figura 9 se representan las morfologías y distribuciones de estas fases en el acero inoxidable ferrítico 27Cr-4Mo-2Ni envejecido a diferentes temperaturas.

La presencia de estos precipitados puede disminuir la tenacidad al impacto, la resistencia a la tracción y la plasticidad del material, al tiempo que aumenta su dureza.

Tras el envejecimiento a temperaturas entre 600 y 800°C, la fase χ precipita principalmente a lo largo de los límites de grano. La fase Laves precipita dentro del grano cuando el material se envejece a 700°C, mientras que la fase σ se forma generalmente en los límites del grano tras el envejecimiento a 750°C.

En este punto, la fase Laves se disuelve parcialmente en la matriz, proporcionando átomos de Cr y Mo para el crecimiento de la fase σ. Este engrosamiento del grano puede provocar la fractura frágil del acero.

Fig. 9 Morfología y distribución de las fases x, laves y o del acero inoxidable ferrítico 27Cr-4Mo-2Ni envejecido a diferentes temperaturas

(a) Envejecimiento a 650 ℃ durante 4h; (b) Envejecimiento a 700 ℃ durante 4h; (c) Envejecimiento a 750 ℃ durante 2h; (d) Envejecimiento a 800 ℃ durante 4h.

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 de TiN/NbC/Nb. La fuerza de unión entre la estructura compuesta y la matriz es alta, lo que mejora significativamente la tenacidad al impacto.

Luo Yi y sus colegas descubrieron que cuando el acero inoxidable ferrítico ultrapuro 446 se envejecía a 800℃, la fase σ precipitaba al cabo de 0,5 horas y aumentaba con el tiempo de envejecimiento, formando una estructura similar a una red. Simultáneamente, aparecieron microfisuras en la fase σ y su elevada cantidad redujo la tenacidad del acero.

Ma Li y otros recocieron el acero inoxidable ferrítico ultrapuro 26% Cr y descubrieron que había principalmente tres precipitados: TiN, NbC y χ. La fase χ perjudicial provocaba seriamente la fragilidad del acero. Al aumentar la temperatura de recocido hasta 1020℃, la fase χ disminuyó gradualmente hasta ser insignificante. Así pues, para eliminar la fase χ, es necesaria una temperatura de recocido elevada.

Para el acero inoxidable ferrítico de alto contenido en Cr 27,4Cr-3,8Mo-2,1Ni, QUHP y otros descubrieron que tras el envejecimiento a 950℃ durante 0,5 horas, precipitaban fases σ y Laves, mejorando la dureza del acero pero disminuyendo su ductilidad. Estas fases nocivas podían disolverse en la matriz tras un tratamiento de disolución a 1100℃ durante 0,5 horas.

Wu Min y sus colegas descubrieron que cuando la chapa laminada en caliente 441 se recoció a 900-950℃, se precipitó un gran número de fases 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 Laves, que es pequeña, numerosa, densa y uniformemente distribuida en los límites de grano, los límites de subgrano y los granos. El aumento de la temperatura de recocido a 1000-1050℃ eliminó eficazmente la fase Laves, pero precipitó una pequeña cantidad de fase Nb (C, N).

Fig. 10 Morfología de la fase lava de la chapa laminada en caliente de acero inoxidable ferrítico 441 tras diferentes temperaturas de recocido

(a) Aspecto de la fase Laves tras el recocido a 900 ℃; (b) Aspecto de la fase Laves tras el recocido a 950 ℃.

3. Efecto de la fragilidad en las propiedades del acero inoxidable ferrítico ultrapuro

3.1 Efecto de la fragilidad en las propiedades mecánicas

La investigación muestra 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 (Fe Cr Mo) tipo σ, la fase (Fe Cr Mo) tipo χ y la fase Fe2Nb tipo Laves. Estos intermetálicos frágiles provocan una disminución significativa de la tenacidad plástica 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 de alta dureza (Ti, Nb) durante el enfriamiento a alta temperatura, y el C disperso (Ti, Nb) mejora la resistencia y dureza del acero.

La investigación también descubrió que las partículas bifásicas Cr23C6 y Cr2N de la aleación tienen un fuerte impacto en las propiedades mecánicas, especialmente en la tenacidad y la ductilidad, lo que provoca una reducción de la tenacidad y la ductilidad y un mayor riesgo de fractura.

La precipitación típica de la fase α' conduce a un 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 se envejece a temperaturas entre 400-475 ℃, la precipitación de la fase α' conduce a un aumento de la dureza, pero después de envejecer durante más de 500 horas a 475 ℃, su tenacidad cae bruscamente.

La figura 11 muestra la dureza del acero inoxidable ferrítico ultrapuro 441 y la energía absorbida por la fractura tras el envejecimiento.

Fig. 11 Cambio de la dureza y de la energía absorbida en fractura del acero inoxidable ferrítico ultrapuro 441 con el tiempo tras el envejecimiento a 400 ℃ y 450 ℃.

(a) La dureza varía con el tiempo de envejecimiento; (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 ultrapuro 446 puede mejorarse en cierta medida cuando la estructura de red de la fase σ no se ha formado tras el 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 que se forme o no una estructura de red, la precipitación de la fase σ perjudica gravemente la propiedad de impacto del material, lo que provoca una disminución de su propiedad de impacto y el incumplimiento de determinados requisitos para el acero.

Fig. 12 Cambio de la resistencia a la tracción y el alargamiento del acero inoxidable ferrítico ultrapuro 446 con el tiempo tras el envejecimiento a 800 ℃.

La precipitación de la fase Laves en el acero inoxidable ferrítico ultrapuro tiene repercusiones tanto positivas como negativas.

Según la bibliografía, con un tiempo de envejecimiento prolongado, la fase Fe2Nb empezará 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 provoca un aumento de la resistencia a la fluencia y de la resistencia a alta temperatura del acero. La presencia de W en la fase Laves también contribuye a mejorar la resistencia a la tracción a alta temperatura del acero.

Como se ilustra en la Fig. 13, en comparación con el acero inoxidable ferrítico 444 sin W, la resistencia a la tracción mejora significativamente cuando la fracción másica de W se sitúa entre 0,5% y 1%.

Cuando se envejece a 900 ℃, la resistencia a la tracción disminuye ligeramente con el aumento del tiempo de envejecimiento, pero finalmente se estabiliza. A 1000 ℃, la resistencia a la tracción puede disminuir significativamente, pero la resistencia inicial a la tracción sigue siendo superior a la del acero no W.

Fig. 13 Variación de la resistencia a la tracción a alta temperatura del acero inoxidable ferrítico 444 con el tiempo de envejecimiento a 900C 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 tenacidad al impacto del acero. A medida que el número de límites de grano disminuye y el tamaño de grano se hace más grande, la tasa de precipitación disminuye.

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 comprendidas entre 850 ℃ y 1050 ℃, las fases Laves de tipo (FeCrSi)2(MoNb) y (Fe, Cr)2(Nb, Ti) se transformarán en precipitados de (Nb, Ti)(C, N). La fracción másica de Nb en la solución aumentará debido a la disolución y el engrosamiento de los precipitados, lo que provocará una reducción de su resistencia a la tracción.

Sin embargo, tras el tratamiento de envejecimiento a 950 ℃, la homogeneidad de los granos recristalizados mejora y el alargamiento aumenta bruscamente, alcanzando 37,3%. A continuación, se estabiliza gradualmente en 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 en la resistencia a la corrosión

Se ha comprobado que la precipitación de la fase frágil afecta negativamente a la resistencia a la corrosión del acero.

Además, según la bibliografía, la elevada fracción másica de Cr del acero inoxidable ferrítico ultrapuro 27,4Cr-3,8Mo conduce a la formación de las fases σ y χ tras el envejecimiento a 950°C durante 0,5 horas, lo que provoca 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 la picadura. El cambio en el potencial de picadura se ilustra en la Figura 15.

Fig. 15 Potencial de picadura del acero inoxidable 24,7Cr-3,4Mo y 27,4cr-3,8Mo

El contenido de cromo (Cr) y molibdeno (Mo) en el acero inoxidable desempeña un papel crucial en su resistencia a la corrosión. Cuando la fracción másica de Cr supera los 25% y la temperatura se sitúa entre 700-800°C, se produce la precipitación de las fases σ y χ, lo que conlleva una disminución de la resistencia a la corrosión.

Además, el Cr se combina fácilmente con elementos de carbono (C) y nitrógeno (N), causando precipitación en el límite del grano o dentro del grano. Esto conduce a la formación de carbono y nitruro ricos en Cr, reduciendo la fracción másica de Cr y la resistencia a la corrosión. Los precipitados también dañan la película de pasivación, haciendo que pierda su uniformidad y estabilidad, lo que afecta a la resistencia a la corrosión del acero.

Las uniones soldadas en ambientes corrosivos son propensas a la corrosión intergranular, por picaduras, por grietas y otros tipos de corrosión local. Investigadores como Huang Zhitao han descubierto que el aumento de la fracción másica de Mo en aceros inoxidables ferríticos de gran pureza en ambientes clorados 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 la adición de una cierta cantidad de Mo al acero inoxidable ferrítico ultrapuro 26Cr puede enriquecer el Cr de 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 la adición de niobio (Nb) y titanio (Ti) al acero inoxidable ferrítico ultrapuro puede prevenir eficazmente la precipitación de compuestos de Cr carbono y nitrógeno y mejorar su resistencia a la corrosión intergranular.

Sin embargo, otros estudios han demostrado que unos niveles elevados de Ti y N en el acero inoxidable ferrítico ultrapuro 15Cr pueden dar lugar a la formación de TiN, que acelera el crecimiento de la corrosión por picaduras e influye negativamente en 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 0-100 horas provoca un aumento de la dureza, de las fases α' y 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 es la fracción másica de Cr en el acero inoxidable ferrítico ultrapuro, más probable es que produzca precipitados que reduzcan gravemente 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 perspectivas

En este trabajo 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 alta temperatura se debe a la precipitación de carbono y nitruro de cromo.

(2) Los elementos de aleación, los elementos de tierras raras (ER) y los tratamientos de envejecimiento en el acero inoxidable ferrítico ultrapuro tienen un cierto impacto en las fases precipitadas, que pueden inhibir en cierta medida la generación de fragilidad de fase σ, fragilidad a 475°C y fragilidad a alta temperatura.

A continuación se detallan los impactos específicos:

① La precipitación de las fases α ', σ , χ , y Laves aumenta cuando aumenta el contenido de Cr y Mo. En los aceros inoxidables ferríticos ultrapuros, la adición de elementos estabilizadores puede reducir o eliminar la fragilidad a alta temperatura en secciones delgadas. La fragilidad a alta temperatura puede evitarse si se evitan 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 causar el engrosamiento 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 picadura del acero.

③ Los distintos tratamientos de envejecimiento tienen efectos variables sobre los precipitados. Los precipitados pueden diferir ligeramente en función del contenido de Cr. Al envejecer a 600-800 ℃, precipita una pequeña cantidad de fases σ χ y Laves. A 600 ℃, la fase αš se redisuelve en la matriz, y la fragilidad desaparece a 475 ℃. Un gran número de fases σ χ y Laves precipitan al envejecer a 850-950 ℃. Al envejecer a 1000-1100 ℃, la precipitación de las fases σ , χ , y Laves se reduce o incluso desaparece. La fragilidad de la fase σ puede eliminarse con 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 mejora su resistencia a altas temperaturas y a la tracción. Además, la adición de elementos de Cu da lugar a la precipitación de la fase rica en Cu, lo que mejora la tenacidad del acero.

Los recursos nacionales de Ni son escasos, y un consumo excesivo puede provocar escasez, lo que afectará gravemente a la industria del acero inoxidable.

El acero inoxidable ferrítico ultrapuro, como acero que ahorra recursos, tiene un alto rendimiento integral y un bajo coste integral, por lo que es una opción inevitable para la industria nacional del acero inoxidable para promover el acero inoxidable de la serie 400 con bajo contenido de níquel.

El acero inoxidable ferrítico ultrapuro ha ido sustituyendo gradualmente a algunos aceros inoxidables austeníticos en sectores como la automoción, los electrodomésticos y los ascensores. También se ha utilizado con éxito en la construcción de cubiertas 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, es crucial centrarse en la fragilidad del acero inoxidable ferrítico ultrapuro. Para garantizar unas buenas propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión, es necesario frenar eficazmente la generación de fragilidad de fase σ, fragilidad de 475℃ y fragilidad a alta temperatura durante la producción y el uso. De este modo, pueden aprovecharse plenamente las ventajas del "ahorro de recursos", lo que conduce a un mayor progreso y desarrollo de la industria del acero inoxidable.

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Shane
Autor

Shane

Fundador de MachineMFG

Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.

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