ACEROS TERMORESISTENTES

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Maritza Barrera S. /Instituto de Investigaciones Metalúrgicas y de Materiales/SIDOR, Puerto Ordaz. Venezuela.
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Los aceros y superaleaciones resistentes a elevadas temperaturas, son aquellos materiales empleados en aplicaciones donde la temperatura de servicio excede los 650°C hasta alcanzar 1315°C aproximadamente. Las consideraciones tomadas para la selección de dichos materiales incluyen la resistencia a la corrosión a elevadas temperaturas, resistencia al agrietamiento y/o fatiga térmica, resistencia a creep, etc.


Los aleantes que se utilizan para mejorar la resistencia a la termofluencia y a la oxidación a alta temperatura son fundamentalmente: Cr, Mo, Ni, W, Nb, V, Ti, Al y Si. El Cr, Al y Si forman óxidos refractarios densos y adherentes que resultan efectivos para bloquear la difusión de oxígeno y frenar el desarrollo del proceso de oxidación del material al formar Cr2O3, Al2O3 o SiO2. El resto de los aleantes producen endurecimiento por solución sólida y por dispersión de finos carburos o precipitación de fases intermetálicas.


Los aceros más utilizados de estos tipos están cubiertos por las especificaciones de: ASME (American Society of Mechanical Engineers), ASTM (American Society of Testing Materials), API (American Petroleum Institute), ANSI (American National Standard Institute) y AISI (American Iron and Steel Institute). Son muy usados en todo tipo de industria, por ejemplo en el proceso de piroconsolidación que se lleva a cabo  en la Planta de Pellas  de SIDOR se usan en su parrilla móvil, barrotes fabricados con una aleación de acero inoxidable con base Fe-Cr-Ni de acuerdo a la norma ASTM A297 grado HH.


Entre los aceros termoresistentes tenemos  Aceros al carbono, Aceros al C-Mo y al C-Cr-Mo, Aceros inoxidables trabajados y fundidos y Superaleaciones.


Los aceros al carbono son adecuados cuando la corrosión o la oxidación no son severas, se utilizan en condensadores, intercambiadores de calor o calderas, cuando las aplicaciones son de bajas solicitaciones mecánicas se pueden utilizar los Aceros al carbono hasta 425°C y para temperaturas cercanas a 540°C pueden resistir por cortos períodos de tiempo.


Los aceros al C-Mo (Mo < 0.5%) y C-Cr-Mo (Mo entre 0.5 y 1% y Cr de 0.5 a 9%) tienen en general bajo contenido de carbono (0.15% máximo) y se emplean en tubos de caldera y en tuberías en plantas químicas y petroquímicas. Tienen estructura ferrítico-perlítica producto de los tratamientos térmicos de normalizado o de temple bainítico y revenido. En base a las relaciones de costo-comportamiento mecánico, los aceros al C se utilizan frecuentemente hasta 440ºC. Entre 440 y 540ºC se utilizan los aceros al C-Mo mientras que entre 540 y 650ºC se usan los aceros C-Cr-Mo. Los aceros C-Mo se utilizan para el mismo tipo de equipamiento que los aceros al carbono, pero éstos pueden soportar mayores valores de tensiones debido a que el agregado de molibdeno aumenta la tensión máxima y reduce la velocidad de termofluencia para una tensión y temperatura dada.


Los aceros inoxidables para aplicaciones de altas temperaturas, pueden utilizarse en la condición de trabajado o fundido. Los grados trabajados se clasifican en Ferríticos, Martensíticos, Austeníticos  y Endurecibles por precipitación (PH, precipitation hardening), mientras que los grados fundidos son Aleaciones Fe-Cr, Aleaciones Fe-Cr-Ni y Aleaciones Fe-Ni-Cr.


Los aceros inoxidables ferríticos son aceros de la serie AISI 400 con estructura ferrítica a todas las temperaturas, poseen contenidos de cromo en el rango de 10.5 a 30% y algunos grados también contienen Mo, Si, Al, Ti y Nb que le confieren características particulares. No pueden ser endurecidos por tratamientos térmicos y, en general, poseen baja resistencia mecánica y tenacidad. Tienen aplicaciones similares a los aceros al C-Cr-Mo pero poseen como ventaja principal una alta resistencia a la oxidación, resistencia a la corrosión bajo tensión en cloruros y a la oxidación a bajos costos. Sus aplicaciones incluyen rotores de turbinas, tubos intercambiadores de calor, etc.


Los aceros inoxidables martensíticos son aceros que endurecen por transformación martensítica al aire desde la temperatura de austenización, el contenido de Cr está generalmente en el rango de 10.5 a 18% y el contenido de carbono puede ser de hasta 1.2%. Algunos grados poseen elementos como Nb, Si, W y V para modificar la respuesta al revenido. También se adiciona Ni para mejorar la resistencia a la corrosión en algunos medios y la tenacidad. Sus aplicaciones incluyen turbinas de gas y vapor, válvulas de vapor y ejes de bombas, etc., que requieren de resistencia mecánica y al calor hasta los 540ºC.


Los aceros inoxidables austeníticos comprenden el grupo que contienen entre 18 a 25% Cr y Ni hasta el 20%, algunos grados contienen Mn hasta 18%. Estos aceros no son endurecibles por tratamiento térmico pero pueden serlo por trabajado en frío, aunque a elevadas temperaturas se pierde el efecto debido a la recristalización de la estructura. Se los utiliza en partes de hornos, tuberías de intercambiadores de calor, tuberías de vapor, turbinas de gas, etc. Los grados H de los aceros inoxidables austeníticos se especifican para condiciones donde se requieren resistencia a la termofluencia y a la ruptura por termofluencia óptimas.


Los aceros inoxidables endurecibles por precipitación (PH) son grados que pueden ser endurecibles mediante un tratamiento de envejecido. Se clasifican en austeníticos, semiausteníticos o martensíticos de acuerdo a la microestructura obtenida luego del recocido de solubilizado. Sus aplicaciones incluyen las situaciones de mayor requerimiento mecánico a alta temperatura por corto período de tiempo junto con resistencia a la corrosión y a la oxidación hasta 425ºC (industria aeroespacial, turbinas de gas, etc.)


Los aceros inoxidables fundidos están relacionados composicionalmente con los trabajados siendo la mayor diferencia el contenido de carbono. En los aceros inoxidables resistentes a altas temperaturas fundidos, el contenido de carbono varía entre 0.3 a 0.6% mientras que en los trabajados típicamente entre 0.01 a 0.25%. Estos aceros se designan por la Sociedad Americana de Fundidores de Aceros. La letra H indica que el acero será utilizado principalmente para servicios a altas temperaturas. La segunda letra denota el tipo nominal Cr-Ni de la aleación y los números que siguen a las dos primeras letras indican el porcentaje máximo de carbono, en la Figura 1 se muestra como es la clasificación de aleaciones fundidos resistentes al calor  según la relación de los contenidos de cromo y níquel. Otra manera de clasificarlos es por el orden en que los aleantes están en mayor proporción: Aceros Fe-Cr (grados HA, HC y HD), Fe-Cr-Ni  (grados HE, HF, HH, HI, HK y HL) y Fe-Ni-Cr.( grados HN, HP, HT y HU).


Las superaleaciones  se desarrollaron a partir de los aceros inoxidables austeníticos pero con contenidos de Ni mayores. Son aleaciones base Ni (tipo INCONEL serie 600 y 700), base Fe-Ni (tipo INCOLOY serie 800) y base Co (tipo STELLITE) que se usan generalmente a temperaturas mayores a 540ºC ya que poseen una excelente resistencia mecánica a elevadas temperaturas. Estas aleaciones se emplean, al igual que los aceros inoxidables endurecibles por precipitación, cuando los requerimientos de resistencia a la termofluencia y a la oxidación/corrosión son los más exigentes: industria aeroespacial, turbinas de gas, reactores nucleares, etc.



 
Figura 1.- Clasificación de aleaciones fundidos resistentes al calor  según la relación de los contenidos de cromo y níquel [1]

Referencia:
 [1]    Jiménez, L., Incremento de la vida Útil de los barrotes del Horno de Piroconsolidación de la planta de pellas. 1ra Fase, IIMM-10-022P, Instituto de Investigaciones Metalúrgicas y de Materiales, SIDOR, Diciembre, 2011
Bibliografía:
- Campos, M. Blanco, L, Sicre-Artalejo, J. y Torralba, J, Aceros de baja aleación y alto rendimiento, Rev. Metal. Madrid, 44 (1), Enero-Febrero, 5-12, 2008, ISSN: 0034-8570- Acero para un futuro sostenible, ArcelorMittal, España 2014
- Molina, J., Remache, A. y Santiago, C., , Análisis de la Microestructura del Acero V320 Sometido a Tracción y Torsión luego de un Tratamiento Térmico de Temple Subcero, Revista Infociencia Vol. 10 / 2016, p. 55-62, https://www.researchgate.net/publication/323945761


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