ACEROS MARTENSÍTICOS
Se llaman martensiticos, porque tienen una estructura metalografía formada básicamente por martensita (ferrita deformada por el carbono que no pudo difundirse).
Son la primera rama de los aceros inoxidables simplemente al cromo. Estos aceros sufren modificaciones estructurales con la temperatura, por lo que suelen someterse a tratamientos térmicos de temple y revenido. Tras estos procesos alcanzan buenas propiedades mecánicas, y tienen suficiente resistencia a la corrosión. Su uso más conocido es en la industria de la cuchillería.
En los aceros inoxidables martensiticos, el carbono está en una concentración tal, que permite la formación de ausentita a altas temperaturas, que a su vez se transforma en martensita durante el enfriamiento.
La martensita es una fase rica en carbono, frágil y extraordinariamente dura. Los aceros inoxidables martensiticos tienen la característica común de ser magnéticos y endurecible por tratamiento térmico, presentando cuando templados una micro estructura acicular (en forma de agujas).
Es importante observar que estos aceros son normalmente producidos por la industria siderúrgica en estado recocido, con ductilidad razonablemente buena. Solamente después de templados serán muy duros y poco dúctiles. Pero es precisamente en esta condición (templados), que serán resistentes a la corrosión.
Estos aceros son fabricados y vendidos en la industria en el estado recocido, con estructura ferritica, baja en dureza y buena ductilidad.
Solamente después de un tratamiento térmico de temple tendrá una estructura martensítica y serán muy duros y poco dúctiles. Pero es en esta condición, solamente templados, que serán resistentes a la corrosión.
Transformación martensítica:
Esta transformación es un tratamiento térmico cuyo objetivo es alcanzar altas cotas de endurecimiento debido a un cambio drástico en su estructura perlítica hasta alcanzar la martensita
El término martensita se debe al investigador Adolfo Martens, quien fue uno de los primeros en estudiar las estructuras de los aceros después del temple.
La transformación martensítica en los aceros comienza cuando el metal es enfriado suficientemente rápido desde el campo autentico, no dando tiempo para que exista una transformación difusional. Aquí, el tiempo es insuficiente para permitir que los átomos de carbono entren en solución sólida por difusión. La martensita es una solución sólida supe saturada de átomos de carbono con una estructura tetragonal de cuerpo centrado (TCC).
En esta estructura, dos dimensiones de la celda unitaria son iguales, y la tercera es un poco mayor por el aprisionamiento del carbono.
Figura 2. a) Diagrama esquemático del crecimiento de una colonia de perlita a partir de la ausentita madre, b) Colonias de perlita vista en microscopio óptico y c) microscopio electrónico. [11].
Figura 3. a) Efecto del carbono en los parámetros de red de la ausentita y la martensita. y b). Micro estructura martensítica presentando forma de agujas. [12]
La reacción martensítica comienza a una temperatura conocida como Ms (start martensite), la cual presenta desde valores tan altos como 500°C, hasta valores por debajo de la temperatura ambiente y termina cuando el acero alcanza una temperatura denominada Mf (finish martensite). A esta temperatura, toda la ausentita podría estar transformada en martensita, pero en la práctica, una pequeña cantidad de ausentita no se transforma (conocida como ausentita retenida), zonas blancas en la figura 2b).
Cuando Mfes muy baja, la cantidad de ausentita retenida puede llegar a tener valores considerables. La dureza y fragilidad de la martensita hace necesario revenirla para disminuir tensiones internas y ganar tenacidad, ductilidad y maquinabibilidad sin afectar mucho la dureza (en caso que el revenido se haga a bajas temperaturas). Para temperaturas de revenido más altas (>300°C), la micro estructura obtenida se hace cada vez más blanda, pero con mayor tenacidad.
1. PROCESOS DE FABRICACIÓN:
Como se ha dicho anteriormente los aceros inoxidables martensiticos son susceptibles de sufrir un tratamiento de temple para incrementar su resistencia y su dureza. El temple consiste en un calentamiento por encima de la temperatura de autenticación y en un enfriamiento llevado a cabo con rapidez suficiente para que la curva de enfriamiento se encuentre a la izquierda de la nariz de la curva “s”. Dicho enfriamiento en la que termina la transformación de la ausentita en martensita.
Por lo general, el tratamiento de temple no se emplea nunca solo, comporta a continuación por lo menos un tratamiento de revenido y/o de recocido para aliviar tensiones; la totalidad de estos tratamientos se denomina bonificación, y tiene como objetivo final mejorar las características intrínsecas del material.
Los factores que influyen en la práctica del temple son:
· El tamaño de la pieza: cuanto más espesor tenga la pieza más hay que aumentar el ciclo de duración del proceso de calentamiento y de enfriamiento.
· La composición química del acero: en general los elementos de aleación facilitan el temple.
· El tamaño del grano: influye principalmente en la velocidad crítica del temple, tiene mayor templabilidad el de grano grueso.
· El medio de enfriamiento: el más adecuado para templar un acero es aquel que consiga una velocidad de temple ligeramente superior a la crítica. Los medios más utilizados son: aire, aceite, agua, baño de Plomo, baño de Mercurio, baño de sales fundidas y polímeros hidrosolubles.
El tratamiento de revenido intenta conseguir en el acero una estructura más próxima al estado de equilibrio físico-químico que la conseguida con un tratamiento de temple. El tratamiento de revenido consiste en calentar al acero después de normalizado o templado, a una temperatura inferior al punto crítico, seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rápido cuando se pretenden resultados altos en tenacidad, o lento, para reducir al máximo las tensiones térmicas que pueden generar deformaciones.
Es importante tener en cuenta que el intervalo 430-580 ºC debe considerarse peligroso a los fines de un revenido, tanto en cuanto a la repentina disminución de la tenacidad (fragilidad Krupp), como en cuanto a la resistencia a la corrosión, que desciende bruscamente. El revenido permite obtener en los aceros martensiticos las mejores combinaciones de las más altas características mecánicas y las más elevadas propiedades de resistencia a la corrosión, aunque estas últimas se obtengan generalmente con un tratamiento de distensión.
El recocido para aliviar tensiones es el tratamiento efectuado a una temperatura más baja que el intervalo crítico 430-580 ºC. El objeto principal de esta operación consiste en eliminar las tensiones residuales debidas al temple y en mejorar la estabilidad mecánica de los aceros con solicitaciones internas debidas al proceso de mecanización. Conviene que este tratamiento siga inmediatamente al temple efectuándolo cuando las piezas estén todavía calientes, para evitar agrietamientos.
El recocido para aliviar tensiones es el tratamiento efectuado a una temperatura más baja que el intervalo crítico 430-580 ºC. El objeto principal de esta operación consiste en eliminar las tensiones residuales debidas al temple y en mejorar la estabilidad mecánica de los aceros con solicitaciones internas debidas al proceso de mecanización. Conviene que este tratamiento siga inmediatamente al temple efectuándolo cuando las piezas estén todavía calientes, para evitar agrietamientos.
1.2 COMPOSICIÓN QUÍMICA:
Contienen entre un 12 y un 18% de Cr, un 0,1-1,4% de C y menos de un 1,25% de Mn. Su principal característica es la capacidad que poseen para aumentar su dureza y resistencia mecánica mediante el tratamiento térmico que da lugar a la formación de martensita. Además, la acción de otros elementos puede resultar beneficiosa. Por ejemplo, el Si aumenta su resistencia a la oxidación en caliente, el Ni aumenta su templabilidad y el S facilita su mecanización. No obstante, la suma de P, S, Si y Ni no llega al 2,5%.
Son los aceros inoxidables menos aleados, y por tanto, los más baratos. Además, como son los que contienen más carbono para poder producir martensita por temple, poseen una dureza muy alta. En los aceros martensiticos, el tiempo que es necesario mantener el material a la temperatura de autenticación, previa al temple, es aproximadamente el doble que en el caso de los aceros al carbono comunes, debido a que el alto contenido en Cr dificulta los procesos de difusión.
Los contenidos típicos de los elementos de aleación en los aceros inoxidables martensiticos son los siguientes:
· 0,10% < C < 1,4%
· 12% < Cr < 18%
· 0% < Ni < 4%
Otro elementos: Mo, Mn, Si
1.3 TIPOS:
Existen cuatro tipos principales de acero martensiticos:
Ø Los aceros martensiticos puros. Con elevados porcentajes de Carbono (más de 0,2%), y ricos en ale antes, por lo que no son soldables (no se pueden representar en un diagrama de Shaeffler de Cr-Ni equivalente). Son aceros duros en caliente hasta los 500ºC, y suelen ser usado en instrumentos de cirugía, cuchillos, rodamientos,... (ejemplo, X39Cr13, o X105CrMo17).
Ø Los aceros martensiticos con parte de ferrita. Estos se diferencian de los aceros Ferríticos por su mayor contenido en carbono, aunque pueden llegar a tener matriz martensítica o ferritica, aunque si tienen elevados porcentajes de C, Cr, Ni o Molibdeno serán Martensiticos. Estos aceros suelen ser usados por su elevada resistencia y resistencia en caliente (turbinas de gas, agua, vapor, ejes, árboles,...) así como en la fabricación de tanques.
Ø Aceros de martensita blanda. Con contenido en carbono inferior al 0,06% (Níquel del 4 al 6% y Molibdeno del 0,3 al 1,5%). Por el contenido en Níquel y Molibdeno siempre tendrán una matriz martensítica, aunque por el bajo contenido en carbono esta será relativamente blanda y tenaz. Es soldable y se usa en piezas que requieran buena tenacidad y resistencia a la corrosión.
Ø Acero martensiticos endurecible por precipitación. Con carbono inferior al 0,08%, Cr del 13 al 18%, Ni inferior al 6% y Mo inferior al 1,3%, así como cobre, aluminio y niobio como elementos para la precipitación que produzca el endurecimiento de la matriz martensítica, sin dañar la tenacidad o la deformabilidad. La matriz será una mezcla de Ausentita, martensita y hierro delta (como la ferrita, pero directamente de la solidificación, sin pasar por ausentita). Tras tratamientos tiene una elevada resistencia y buena resistencia a la corrosión, y resistencia térmica.
1.4 CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDAD GENERALES:
· Estructura hexagonal compacta con fuerte precipitación de carburos de cromo.
· Propiedades mediocres de tenacidad, ductilidad, resistencia a la corrosión.
· Debido al alto contenido de carbono y a la naturaleza de su dureza, es de pobre soldabilidad.
· Son magnéticos.
· Son endurecible por tratamiento térmico (temple + revenido) pero en detrimento de su ductilidad y su resistencia a la corrosión.
A continuación se puede observar una micrografía de un acero inoxidable martensiticos.
PROPIEDADES GENERALES DE LOS ACEROS INOXIDABLES
Tipo | Resistencia a la corrosión | Dureza | magnéticos | Endurecibles por tratamiento térmico(Temple) | Soldabilidad |
Martensiticos | Baja | Alta | Si | Si | Pobre |
Ferríticos | Buena | Media Baja | Si | No | Limitada |
Austeníticos | Excelente | Alta | no | no | Excelente |
§ Adquieren mayor dureza al ser trabajados en frío.
§ Adquieren cierto magnetismo al ser trabajados en frío.
1.5 USOS Y APLICACIONES DE LOS ACEROS MARTENSÍTICOS:
Dentro de estos aceros, los que poseen un 11-14% de Cr y hasta un 0,15% de C se utilizan para álabes de turbina y maquinaria resistente a la corrosión. Cuando el contenido de carbono sube hasta un 1%, el contenido de Cr puede llegar a ser de un 18%, empleándose en cuchillería. Los aceros que contienen entre un 1 y un 1,2% de C, y entre un 16 y un 20% de Cr reúnen una combinación muy buena de resistencia mecánica, dureza, tenacidad y resistencia a la abrasión y corrosión, y se utilizan en bolas de rodamientos, equipos químicos, bombas de aceite, etc.
· 403.- Es primariamente empleado en partes críticas de maquinaria sometida a altos esfuerzos y donde se requiere, además buena resistencia al calor, corrosión, desgaste abrasivo o erosión.
· 410.- Es de propósito general y el tipo más usado de la familia martensítica debido a sus atractivas características y su bajo costo. Se emplea en tuercas, tornillos, cubiertos, herramientas de cocina, partes de horno a bajas temperaturas, equipo para refinación de petróleo, vajillas, partes para turbinas a gas o vapor, etc. Tiene un coeficiente de expansión poco menor que el del acero al carbono, mientras que la conductividad térmica es casi la mitad correspondiente al valor para el acero al carbono. Puede desarrollar una excelente combinación de resistencia mecánica y dureza mediante adecuado tratamiento térmico. En la condición de recocido, es dúctil y es una buena opción para formado y otras operaciones de transformación donde el uso final está destinado a ambientes moderadamente corrosivos.
· 416.- Otra versión del tipo 410, donde el azufre o el selenio son adicionados para producir las mejores características de maquinabilidad de la clase martensítica, tiene menor desempeño en ductilidad y formabilidad que el 410. Se utiliza en conectores, cerraduras, cabezas de palos de golf, partes de bombas, flechas, partes para válvulas, etc.
· 420.- Es una modificación del 410, con alto contenido de carbono, que le permite alcanzar mayor dureza y mayor resistencia al desgaste aunque menor resistencia a la corrosión. Se utiliza para instrumentos dentales y quirúrgicos, hojas de cuchillos, moldes, herramientas, etc.
· 422.- Diseñado para el servicio a temperaturas de hasta 650º C, combinando resistencia mecánica. Presenta maquinabilidad de mediana a baja.
· 431.- Diseñado para obtener altas propiedades mecánicas mediante tratamiento térmico junto con buena resistencia al impacto. Empleado para fabricar conectores, cerraduras, partes para transportadores, equipo marino, flechas de propalas, flechas de bombas, resoles, etc.
· 440.- Utilizados en donde se requiere una alta y extremada dureza, resistencia a la abrasión y buena resistencia a la corrosión. De baja maquinabilidad. Sus principales aplicaciones son: cuchillería, partes resistentes al secado, equipo quirúrgico, inyectores, etc.
Las familias de los aceros inoxidables martensiticos se encuentran en el siguiente esquema:
Los aceros inoxidables martensiticos poseen la capacidad de endurecerse mediante tratamientos térmicos. Su composición química se caracteriza por un bajo contenido en níquel, y un medio/alto contenido en carbono. Este alto contenido en carbono les proporciona un aumento de su resistencia, y una disminución de la tenacidad y la soldabilidad. En general, se emplean en equipos para la industria química y petroquímica, así como para la fabricación de instrumentación quirúrgica.
Los aceros que pertenecen a este grupo se caracterizan por poseer una alta resistencia mecánica y una limitada resistencia a la corrosión. Para aumentar la resistencia a altas temperaturas, estos aceros se alean con elementos formadores de carburos, como son el wolframio y el vanadio. Si se aumenta el contenido de níquel, se consigue un aumento de la tenacidad. Así es como se obtienen los aceros austeno-martensíticos: 13Cr-5Ni y 16Cr-5Ni-1Mo, que se caracterizan por su alta resistencia mecánica y buena resistencia a alta temperatura. Además, el aumento de Mo mejora la resistencia a la corrosión, lo que en combinación con el alto contenido en Cr le proporcionan al acero 16Cr-5Ni-1Mo mayor resistencia a la corrosión que otros aceros inoxidables endurecibles.
Los aceros inoxidables martensiticos son resistentes a la corrosión en agua, así como en disoluciones alcalinas y de ácidos orgánicos y ácidos inorgánicos oxidantes diluidos. Los aceros inoxidables austeno-martensíticos, en particular el 16Cr-5Ni-1Mo, muestran mayor resistencia a la corrosión que otros aceros de este grupo. Este acero puede emplearse en los mismos ambientes que los martensiticos con un 13 ó 17% de Cr, pudiendo resistir más altas concentraciones de agentes corrosivos y mayores temperaturas. Los aceros inoxidables martensiticos no poseen unas altas resistencia a la corrosión por picaduras y a la corrosión en resquicios, pero sí presentan un mejor comportamiento frente a la corrosión bajo tensión. Así, el acero austeno-martensíticos 16Cr-5Ni-1Mo es comparable a un autentico débilmente aleado en cuanto a su resistencia a la corrosión por picaduras y a la corrosión en resquicios en agua de mar, pero no es susceptible a la corrosión bajo tensión.
Los aceros inoxidables martensiticos con contenidos bajos de carbono (AISI 410S y AISI 410), y los austeno-martensíticos, se emplean a menudo como materiales inoxidables en el sector de la construcción. Además, el acero AISI 410S se usa, entre otras aplicaciones, en tubos e intercambiadores de calor para la industria petroquímica. El acero AISI 410 se emplea fundamentalmente en cuberterías. Los aceros inoxidables martensiticos con alto contenido en carbono (AISI 420L y 420) se usan para instrumentos que se emplean en cirugía, y en tijeras, cuchillos, muelles y algunas herramientas. El acero AISI 431 se caracteriza por su alto contenido en Cr, por ello se emplea a menudo en componentes y conexiones que estarán en contacto con ácido nítrico.
Aceros inoxidables martensiticos de mayor empleo en la industria: AISI 410 y AISI 420.
Acero inoxidable martensiticos AISI 410:
Es el más popular dentro de la familia de los inoxidables martensiticos, y es adecuado para ambientes que no sean demasiado corrosivos, y para aplicaciones que requieran alta resistencia. Tiene propiedades similares al acero endurecible por precipitación 17/4 PH. Sin embargo, es algo más dúctil y muestra menor resistencia.
Composición química:
GRADO | C | Mn | Si | P | S | Cr | |
410 | min | -- | -- | -- | -- | 11,5 | |
max | 0,15 | 1 | 1 | 0,04 | 0,03 | 13,5 |
Propiedades mecánicas (en estado de recocido):
GRADO | Resistencia mecánica(MPa) | Límite elástico 0,2%(MPa) | Dureza Rockwell B(HRB) |
410 | 517 | 276 | 82 |
Propiedades físicas:
Densidad*[kg/dm3] | Módulo de elasticidad*[kN/mm2] | Conductividad térmica*[W/(m*K)] | Capacidad térmica específica*[J/(kg*K)] | Resistividad eléctrica*[(Ohm*mm2)/m] |
7,6 | 216 | 30 | 460 | 0,57 |
* a 20ºC.
Correspondencia AISI/EN:
MA | ASTM | NORMA | UNE 10088 |
Designación | 410 | Designación simbólica | X12Cr13 |
Designación numérica | 1.4006 |
Otras características:
· Puede adquirir altas propiedades mecánicas después de un tratamiento térmico. Además, posee una alta resistencia al impacto, y buena resistencia a la corrosión hasta los 650ºC.
· Se emplea en cuberterías, álabes de turbinas de gas y de vapor, utensilios de cocina, etc.
· Es resistente de forma moderada a la erosión por partículas y a la fricción.
· Se emplea como base para la aplicación de recubrimientos.
Acero inoxidable martensiticos AISI 420
El acero inoxidable martensiticos AISI 420 es una acero de medio/alto contenido en carbono, con capacidad para ser endurecido por tratamiento térmico. Contiene un mínimo de 12% de Cr, suficiente para proporcionarle resistencia frente a la corrosión. Posee una buena ductilidad en estado de recocido. Se emplea a menudo en cuberterías.
Composición química:
GRADO | C | Mn | Si | P | S | Cr | |
420 | min | 0,15 | -- | -- | -- | -- | 12 |
max | 1 | 1 | 0,04 | 0,03 | 14 |
Propiedades mecánicas (en estado de recocido):
GRADO | Resistencia mecánica(MPa) | Límite elástico 0.2%(MPa) | Dureza Rockwell B(HRB) |
420 | 655 | 345 | 92 |
Propiedades físicas:
Densidad*[kg/dm3] | Módulo de elasticidad*[kN/mm2] | Conductividad térmica*[W/(m*K)] | Capacidad térmica específica*[J/(kg*K)] | Resistividad eléctrica*[(Ohm*mm2)/m] |
7,7 | 215 | 30 | 460 | 0,6 |
Correspondencia EN/AISI:
NORMA | ASTM | NORMA | UNE 10088 |
Designación | 420 | Designación simbólica | X20Cr13 |
Designación numérica | 1.4021 |
Otras características:
· Tiene buena resistencia a la corrosión cuando ha sido endurecido, en los medios siguientes: atmósfera, envases o tanques para almacenamiento de alimentos, así como en bases y ácidos suaves.
· La resistencia a la corrosión es menor en la condición de recocido.
· La resistencia a la corrosión aumenta con la calidad del acabado superficial.
· Normalmente tiene menor resistencia a la corrosión que los grados austeníticos y que los aceros inoxidables AISI 410 y AISI 430.
· Al ser un acero de contenido medio en carbono, también se puede emplear en cubertería.
ü En términos generales se pueden decir que los aceros inoxidables martensiticos presentan una menor resistencia a la corrosión que las demás familias de aceros inoxidables, pero tienen una resistencia mecánica elevada.
ü Todos los aceros inoxidables contienen el cromo suficiente para darles sus características de inoxidables. Muchas aleaciones inoxidables contienen además níquel para reforzar aún más su resistencia a la corrosión. Estas aleaciones son añadidas al acero en estado de fusión para hacerlo "inoxidable en toda su masa".
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