Acero 440:
El documento describe experimentos para comparar el rendimiento de dos aceros con rodamiento de bolas en un entorno inusual basado en las condiciones en una aplicación de estación de energía. Los materiales probados fueron el acero convencional con rodamiento de bolas AISI 52100 (que había sufrido daños por corrosión en la aplicación) y un material alternativo, el acero inoxidable martensítico AISI 440C. La atmósfera de prueba era dióxido de carbono húmedo a una presión de aproximadamente 3 MPa, y los cojinetes se contaminaron deliberadamente con una cantidad representativa de cloruro de sodio. El objetivo de las pruebas fue comparar el rendimiento de la fatiga por contacto con el rodamiento de los materiales y buscar otros mecanismos de falla como la fragilización por hidrógeno. Se usaron conjuntos de cojinete de bolas reales como muestras de prueba. Las tasas de falla se encontraron entre 1 y 2 órdenes de magnitud más altas de lo que se hubiera esperado bajo condiciones ideales, pero a pesar de varias diferencias en la morfología, la fatiga por contacto con rodadura pareció ser el único mecanismo de falla significativo. Los resultados se analizaron estadísticamente suponiendo que los fallos se ajustaban a una distribución exponencial, y se demostró que los rodamientos de acero inoxidable funcionaban más del doble que los fabricados con aceros convencionales.
ACERO INOXIDABLE
Una de las características que caracteriza a los aceros inoxidables es un contenido mínimo de 10,5% de cromo como principal elemento de aleación. Cuatro categorías principales de acero inoxidable forjado, basadas en la estructura metalúrgica, son austeníticas, ferríticas, martensíticas y de endurecimiento por precipitación. Los grados de acero inoxidable fundido generalmente se designan como resistentes al calor o resistentes a la corrosión.
El acero inoxidable forjado austenítico se clasifica en tres grupos:
La serie AISI 200 (aleaciones de hierro-cromo-níquel-manganeso)
La serie AISI 300 (aleaciones de hierro-cromo-níquel)
Aleaciones reforzadas con nitrógeno
El contenido de carbono suele ser bajo (0,15% o menos) y las aleaciones contienen un mínimo de 16% de cromo con suficiente níquel y manganeso para proporcionar una estructura austenítica a todas las temperaturas desde la región criogénica hasta el punto de fusión de la aleación.
Los aceros inoxidables austeníticos reforzados con nitrógeno son aleaciones de cromo-manganeso-nitrógeno; algunos grados también contienen níquel. Las resistencias al rendimiento de estas aleaciones (recocidas) son típicamente un 50% más altas que las de las que no contienen nitrógeno. No son magnéticos y la mayoría lo siguen siendo, incluso después de un severo trabajo en frío.
Al igual que el carbono, el nitrógeno aumenta la resistencia de un acero. Pero a diferencia del carbono, el nitrógeno no se combina significativamente con el cromo en un acero inoxidable. Esta combinación, que forma carburo de cromo, reduce la resistencia y la resistencia a la corrosión de una aleación.
Hasta hace poco, los metalúrgicos tenían dificultades para agregar cantidades controladas de nitrógeno a una aleación. El desarrollo del método de descarburación de argón y oxígeno (AOD) ha hecho posibles niveles de resistencia anteriormente inalcanzables en aleaciones de acero inoxidable recocidas convencionales.
Los aceros inoxidables austeníticos generalmente se usan cuando la resistencia a la corrosión y la tenacidad son requisitos primarios. Las aplicaciones típicas incluyen ejes, bombas, sujetadores y tuberías en agua de mar y equipos para procesar productos químicos, alimentos y productos lácteos.
Las aleaciones ferríticas forjadas (la serie AISI 400) contienen de 10.5 a 27% de cromo. Además, el uso de la descarburación de oxígeno-argón y la fusión por inducción al vacío ha producido varios grados ferríticos nuevos que incluyen 18Cr-2Mo, 26Cr-1Mo, 29Cr-4Mo y 29Cr-4Mo-2Ni. Bajo en contenido de carbono, pero generalmente más alto en cromo que los grados martensíticos, estos aceros no pueden ser endurecidos por el tratamiento térmico y solo son moderadamente endurecidos por el trabajo en frío. Los aceros inoxidables ferríticos son magnéticos y retienen su microestructura básica hasta el punto de fusión si hay suficiente Cr y Mo. En la condición recocida, la resistencia de estos grados es aproximadamente un 50% más alta que la de los aceros al carbono.
Los aceros inoxidables ferríticos se usan generalmente donde se requiere resistencia a la corrosión moderada y donde la resistencia no es una necesidad importante. También se usan cuando el agrietamiento por corrosión por cloruros puede ser un problema porque tienen una alta resistencia a este tipo de falla por corrosión. En secciones pesadas, lograr dureza suficiente es difícil con los grados ferríticos de mayor aleación. Las aplicaciones típicas incluyen sistemas automotrices de corte y escape y equipos de transferencia de calor para las industrias química y petroquímica.
Los aceros martensíticos también están en la serie AISI 400. Estos aceros forjados con alto contenido de carbono contienen de 11.5 a 18% de cromo y pueden tener pequeñas cantidades de elementos de aleación adicionales. Son magnéticos, pueden endurecerse mediante tratamiento térmico y tienen una gran resistencia y una tenacidad moderada en condiciones templadas y endurecidas. La formación debe hacerse en la condición recocida. Los aceros inoxidables martensíticos son menos resistentes a la corrosión que los grados austeníticos o ferríticos. Se han desarrollado dos tipos de aceros martensíticos, 416 y 420F, específicamente para una buena maquinabilidad.
Los aceros inoxidables martensíticos se usan cuando la resistencia y / o dureza son una preocupación principal y donde el ambiente es relativamente leve desde un punto de vista corrosivo. Estas aleaciones se utilizan generalmente para rodamientos, moldes, cubiertos, instrumentos médicos, piezas estructurales de aviones y componentes de turbinas. El tipo 420 se utiliza cada vez más para moldes para plásticos y para componentes industriales que requieren dureza y resistencia a la corrosión.
Los aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación desarrollan una resistencia muy alta a través de un tratamiento térmico a baja temperatura que no distorsiona significativamente las piezas de precisión. Las composiciones de la mayoría de los aceros inoxidables endurecidos por precipitación se equilibran para producir un endurecimiento mediante un tratamiento de envejecimiento que precipita compuestos duros e intermetálicos y simultáneamente templa la martensita. La microestructura inicial de las aleaciones de PH es austenita o martensita. Las aleaciones austeníticas deben tratarse térmicamente para transformar la austenita en martensita antes de que se pueda lograr el endurecimiento por precipitación.
Estas aleaciones se usan cuando se requieren alta resistencia, resistencia moderada a la corrosión y buena fabricación. Las aplicaciones típicas incluyen ejes, bombas de alta presión, componentes de aeronaves, muelles de alta temperatura y sujetadores.
Los aceros inoxidables fundidos generalmente tienen grados de forjado correspondientes que tienen composiciones y propiedades similares. Sin embargo, existen pequeñas pero importantes diferencias en la composición entre el yeso y las leyes forjadas. Las piezas fundidas de acero inoxidable deben especificarse mediante las designaciones establecidas por el ACI (Alloy Casting Institute), y no mediante la designación de aleaciones forjadas similares.
La temperatura de servicio proporciona la base para distinguir entre calidades de fundición resistentes al calor y resistentes a la corrosión. La serie C de grados ACI designa los aceros resistentes a la corrosión; la serie H designa los aceros resistentes al calor, que pueden usarse para aplicaciones estructurales a temperaturas de servicio entre 1.200 y 2.200 ° F. Los contenidos de carbono y níquel de las aleaciones de la serie H son considerablemente más altos que los de la serie C. Los aceros de la serie H no son inmunes a la corrosión, pero se corroen lentamente, incluso cuando están expuestos a productos de combustión de combustible o atmósferas preparadas para carburación y nitruración. Los grados de la serie C se utilizan en válvulas, bombas y accesorios. Los grados de la serie H se utilizan para piezas de hornos y componentes de turbinas.
La agitación y el desgaste son modos de falla que requieren una atención especial con los aceros inoxidables, ya que estos materiales sirven en muchos entornos hostiles. A menudo operan, por ejemplo, a altas temperaturas, en aplicaciones de contacto con alimentos y donde el acceso es limitado. Dichas restricciones impiden el uso de lubricantes, lo que lleva al contacto de metal con metal, una condición que promueve el desgaste excesivo y el desgaste acelerado.
En una situación de desgaste por deslizamiento, primero se produce un modo de falla de excoriación, seguido de pérdida dimensional debido al desgaste, que a su vez suele estar seguido de corrosión. La agitación es una forma severa de desgaste adhesivo que se manifiesta como áreas desgarradas de la superficie metálica. La agitación puede minimizarse disminuyendo las tensiones de contacto o mediante el uso de capas superficiales protectoras tales como lubricantes (cuando sea aceptable), superposiciones de soldadura, placas y tratamientos superficiales nitrurados o carburizados.
Los resultados de la prueba de las parejas de acero inoxidable (tabla) indican la resistencia a la fricción relativamente pobre de los grados austeníticos e incluso la aleación 17-4 PH, a pesar de su alta dureza. Entre los grados estándar, solo AISI 416 y 440C tuvieron un buen rendimiento. Las aleaciones Nitronic 32 y 60 de Armco demostraron una buena o excelente resistencia a la excoriación (las últimas fueron desarrolladas específicamente para el servicio antigolpe).
Los recientes hallazgos de la investigación demuestran que la adición de silicio a una aleación inoxidable austenítica reforzada con nitrógeno de alto manganeso produce un acero inoxidable resistente al desgaste. El desgaste y la resistencia a la corrosión aún se consideran intercambios inevitables en acero inoxidable, pero la nueva fórmula promete resistir ambas condiciones.
Vencer la corrosión es la razón número uno para elegir acero inoxidable. Pero en los casos en que las piezas son difíciles de lubricar, la mayoría de los aceros inoxidables no resisten el desgaste. Bajo altas cargas y lubricación insuficiente, el acero inoxidable a menudo presenta un tipo de daño superficial conocido como irritación. En partes críticas, la excoriación puede provocar convulsiones o congelamiento, lo que puede apagar la maquinaria.
Por lo general, los diseñadores evitan la excoriación mediante el uso de aleaciones de fundición o aplicando un cobalto a las piezas de acero inoxidable. De cualquier manera, las soluciones pueden ser costosas y pueden plantear nuevos problemas que acompañan el proceso de cara dura. Estos incluyen mantener un espesor de revestimiento uniforme y garantizar una adhesión adecuada entre el revestimiento y el sustrato. Una nueva fórmula inoxidable tiene como objetivo eludir estas dificultades ofreciendo una alternativa a los costosos materiales resistentes al desgaste.
En busca de una alternativa rentable, los investigadores de Carpenter Technology, Reading, Pensilvania, analizaron los efectos elementales del silicio, el manganeso y el níquel sobre la resistencia a la excoriación de los aceros inoxidables austeníticos reforzados con nitrógeno. Los resultados de un programa de prueba inicial determinaron que el silicio era un catalizador para la resistencia a la excoriación, mientras que el níquel y el manganeso no lo eran.
Los niveles de silicio en una aleación inoxidable resistente a las agallas recientemente desarrollada están entre 3 y 4%. Los niveles de silicio deben permanecer por debajo del 5% para mantener la estructura metalúrgica adecuada. Además, demasiado silicio disminuye la solubilidad del nitrógeno. Para mantener la fortaleza, se necesitarían agregar cantidades más altas de níquel costoso.
Los investigadores ahora pueden definir límites óptimos de composición para un acero inoxidable resistente a las agallas. Para probar la validez del acero nuevo, se evalúan y comparan propiedades tales como desgaste, desgaste y corrosión con aceros inoxidables disponibles comercialmente. Cuatro aleaciones, una aleación austenítica resistente a las agallas llamada Gall-Tough, otras aleaciones austeníticas con mayor contenido de níquel y manganeso (16Cr-8Ni-4Si-8Mn), y aceros inoxidables tipos 304 y 430 se incluyen en la comparación.
Los resultados muestran que el umbral de excoriación para el acero inoxidable resistente a las agallas es más de 15 veces mayor que el de los aceros inoxidables convencionales. Además, el acero inoxidable resistente a las agallas soporta más del doble de la tensión sin gripado en comparación con la aleación 16Cr-8Ni-4Si-8Mn. Sin embargo, la nueva fórmula sacrifica solo una pequeña cantidad de resistencia a la corrosión.
Para obtener resistencia y dureza, el acero inoxidable resistente a las agallas y la aleación 16Cr-8Ni-4Si-8Mn vencieron a las aleaciones de los tipos 304 y 430. La nueva aleación también muestra una resistencia a la tracción última excepcionalmente alta, posiblemente debido a la formación de martensita durante las pruebas de tracción. La ductilidad para las cuatro aleaciones es excelente. Estos hallazgos indican que las aleaciones resistentes a las agallas pueden salvar económicamente la brecha entre la corrosión, la excoriación y la resistencia al desgaste de metal contra metal.