1. Tratamiento térmico del acero inoxidable ferrítico: El acero inoxidable ferrítico generalmente presenta una estructura ferrítica única y estable. Al calentarse o enfriarse, no se produce ningún cambio de fase. Por lo tanto, sus propiedades mecánicas no se pueden modificar mediante tratamiento térmico. Su principal objetivo es reducir la fragilidad y mejorar la resistencia a la corrosión intergranular.
① Fragilidad de la fase σ: El acero inoxidable ferrítico genera con facilidad la fase σ, un compuesto metálico rico en cromo. Esta fase es dura y frágil, y se forma con especial facilidad entre los granos, lo que aumenta la fragilidad del acero y su susceptibilidad a la corrosión intergranular. La formación de la fase σ está relacionada con la composición. Además, el cromo, el silicio, el manganeso y el molibdeno, entre otros, favorecen su formación. También influye el proceso de fabricación, especialmente el calentamiento y el mantenimiento de la temperatura entre 540 y 815 °C, lo que promueve aún más su formación. Sin embargo, la formación de la fase σ es reversible. Al recalentar a una temperatura superior a la de formación de la fase σ, esta se redisuelve en la solución sólida.
② Fragilidad a 475 °C: Cuando el acero inoxidable ferrítico se calienta durante un tiempo prolongado entre 400 y 500 °C, presenta un aumento de la resistencia y una disminución de la tenacidad, es decir, un aumento de la fragilidad, que se manifiesta con mayor claridad a 475 °C, fenómeno conocido como fragilidad a 475 °C. Esto se debe a que, a esta temperatura, los átomos de cromo en la ferrita se reordenan formando una pequeña zona rica en cromo, coherente con la fase base, lo que provoca distorsión de la red cristalina, genera tensiones internas, aumenta la dureza del acero y, por consiguiente, su fragilidad. Simultáneamente a la formación de la zona rica en cromo, se produce una zona pobre en este elemento, lo que afecta negativamente a la resistencia a la corrosión. Al recalentar el acero a una temperatura superior a 700 °C, se eliminan la distorsión y las tensiones internas, y desaparece la fragilidad a 475 °C.
③ Fragilidad a altas temperaturas: Al calentarse a más de 925 °C y enfriarse rápidamente, el Cr, el C, el N, etc., forman compuestos que precipitan en los granos y los límites de grano, lo que aumenta la fragilidad y provoca corrosión intergranular. Estos compuestos se pueden eliminar calentando a 750-850 °C y enfriando rápidamente después.
Proceso de tratamiento térmico:
① Recocido: Para eliminar la fase σ, la fragilidad a 475 °C y la fragilidad a altas temperaturas, se puede realizar un recocido calentando a 780-830 °C, manteniendo la temperatura y enfriando posteriormente al aire o en horno. En el caso de aceros inoxidables ferríticos ultrapuros (con un contenido de C ≤ 0,01 % y un control estricto de Si, Mn, S y P), se puede aumentar la temperatura de recocido.
② Tratamiento de alivio de tensiones: Tras la soldadura y el procesamiento en frío, las piezas pueden presentar tensiones. Si el recocido no es adecuado en determinadas circunstancias, se puede recurrir al calentamiento, el mantenimiento en caliente y el enfriamiento al aire en el rango de 230 a 370 °C para eliminar parte de la tensión interna y mejorar la plasticidad.
2. Tratamiento térmico del acero inoxidable austenítico: El efecto de los elementos de aleación como el Cr y el Ni en el acero inoxidable austenítico provoca que el punto Ms descienda por debajo de la temperatura ambiente (entre -30 y -70 °C). Para garantizar la estabilidad de la estructura austenítica, no se produce ningún cambio de fase por encima de la temperatura ambiente durante el calentamiento y el enfriamiento. Por lo tanto, el objetivo principal del tratamiento térmico del acero inoxidable austenítico no es modificar sus propiedades mecánicas, sino mejorar su resistencia a la corrosión.
A. Tratamiento de solubilización del acero inoxidable austenítico
Función:
① Precipitación y disolución de carburos de aleación en el acero: El carbono (C) es un elemento de aleación en el acero. Si bien contribuye al fortalecimiento, no favorece la resistencia a la corrosión, especialmente cuando forma carburos con cromo (Cr), lo cual empeora aún más su efecto. Por ello, se debe procurar reducir su presencia. Debido a las características del C en la austenita, que varían con la temperatura (su solubilidad es alta a altas temperaturas y baja a bajas), se recomienda calentar el acero a alta temperatura para disolver completamente el compuesto C-Cr y luego enfriarlo rápidamente para evitar su precipitación, garantizando así la resistencia a la corrosión, en particular la corrosión intergranular.
② Fase σ: Si el acero austenítico se calienta durante un tiempo prolongado entre 500 y 900 °C, o si se le añaden elementos como Ti, Nb y Mo, se favorece la precipitación de la fase σ, lo que aumenta la fragilidad del acero y reduce su resistencia a la corrosión. Para eliminar la fase σ, se disuelve a una temperatura superior a su temperatura de precipitación y, a continuación, se enfría rápidamente para evitar su reprecipitación.
Proceso:
En la norma GB1200, el rango de temperatura de calentamiento recomendado es relativamente amplio: 1000~1150 °C, generalmente entre 1020 y 1080 °C. Considerando la composición específica del grado, si se trata de una fundición o una forja, etc., la temperatura de calentamiento debe ajustarse adecuadamente dentro del rango permitido. Si la temperatura de calentamiento es baja, los carburos de C-Cr no se disuelven completamente. Si la temperatura es demasiado alta, también se producirán problemas de crecimiento del grano y una menor resistencia a la corrosión.
Método de enfriamiento: El enfriamiento debe realizarse a mayor velocidad para evitar la reprecipitación de los carburos. En las normas de mi país y de otros países, se indica un «enfriamiento rápido» tras el tratamiento de solubilización. Combinando la bibliografía y la experiencia práctica, el grado de «enfriamiento rápido» puede determinarse de la siguiente manera:
Contenido de C ≥ 0,08%; contenido de Cr > 22%, contenido de Ni relativamente alto; contenido de C < 0,08%, pero tamaño efectivo > 3 mm, debe refrigerarse por agua;
Contenido de C < 0,08%, tamaño < 3 mm, puede refrigerarse por aire;
Los dispositivos con un tamaño efectivo ≤ 0,5 mm pueden refrigerarse por aire.
B. Tratamiento térmico de estabilización del acero inoxidable austenítico
El tratamiento térmico de estabilización se limita al acero inoxidable austenítico que contiene elementos estabilizadores Ti o Nb, como 1Cr18Ni9Ti, 0Cr18Ni11Nb, etc.
Función:
Como se mencionó anteriormente, el cromo (Cr) se combina con el carbono (C) para formar compuestos de tipo Cr₂₃C₆ y precipita en los límites de grano, lo cual es la causa de la disminución de la resistencia a la corrosión del acero inoxidable austenítico. El Cr es un elemento con alta afinidad por la formación de carburos. Siempre que exista la oportunidad, se combinará con el C y precipitará. Por lo tanto, se añaden al acero elementos como el titanio (Ti) y el niobio (Nb), que tienen mayor afinidad que el Cr y el C, creando así las condiciones para que el C se combine preferentemente con el Ti y el Nb, reduciendo la probabilidad de que el C se combine con el Cr. De esta manera, el Cr se retiene establemente en la austenita, garantizando así la resistencia a la corrosión del acero. El tratamiento térmico de estabilización contribuye a la combinación del Ti y el Nb con el C y a la estabilización del Cr en la austenita.
Proceso:
Temperatura de calentamiento: Esta temperatura debe ser superior a la temperatura de disolución del Cr23C6 (400-825 ℃), inferior o ligeramente superior a la temperatura de disolución inicial del TiC o NbC (por ejemplo, el rango de temperatura de disolución del TiC es de 750-1120 ℃), y la temperatura de calentamiento de estabilización generalmente se selecciona entre 850 y 930 ℃, lo que disolverá completamente el Cr23C6 para que el Ti o el Nb se combinen con el C, mientras que el Cr seguirá permaneciendo en la austenita.
Método de enfriamiento: Generalmente se utiliza enfriamiento por aire, aunque también se puede emplear enfriamiento por agua o en horno, dependiendo de las condiciones específicas de las piezas. La velocidad de enfriamiento no influye significativamente en la estabilización. Según nuestros resultados experimentales, al enfriar desde la temperatura de estabilización de 900 °C hasta 200 °C, las velocidades de enfriamiento fueron de 0,9 °C/min y 15,6 °C/min. En comparación, la estructura metalográfica, la dureza y la resistencia a la corrosión intergranular fueron prácticamente idénticas.
C. Tratamiento de alivio de tensiones del acero inoxidable austenítico
Propósito: Las piezas fabricadas con acero inoxidable austenítico inevitablemente presentan tensiones, como las de mecanizado y soldadura durante el trabajo en frío. La presencia de estas tensiones conlleva efectos adversos, como la afectación de la estabilidad dimensional. Además, se produce corrosión bajo tensión cuando las piezas sometidas a tensiones se utilizan en medios que contienen cloruros, H₂S, NaOH u otros. Este tipo de daño repentino se produce localmente sin precursores y resulta muy perjudicial. Por lo tanto, en determinadas condiciones de trabajo, las piezas de acero inoxidable austenítico deben minimizar las tensiones, lo cual se puede lograr mediante métodos de alivio de tensiones.
Proceso: Cuando las condiciones lo permiten, el tratamiento de solubilización y estabilización reduce eficazmente la tensión residual (el enfriamiento con agua de solución sólida también genera cierta tensión). Sin embargo, en ocasiones este método no es viable, por ejemplo, en tuberías de circuitos, piezas completas sin márgenes y componentes con formas particularmente complejas y propensas a la deformación. En estos casos, se puede emplear el método de alivio de tensiones mediante calentamiento a una temperatura inferior a 450 °C para reducirla parcialmente. Si la pieza se utiliza en un entorno corrosivo de alta tensión y es imprescindible eliminarla por completo, se recomienda considerar, al seleccionar los materiales, el uso de aceros con elementos estabilizadores o acero inoxidable austenítico de ultra bajo carbono.
D. Tratamiento térmico del acero inoxidable martensítico
La característica más destacada del acero inoxidable martensítico, en comparación con el acero inoxidable ferrítico, el austenítico y el dúplex, es que sus propiedades mecánicas pueden ajustarse en un amplio rango mediante tratamientos térmicos para satisfacer las necesidades de diferentes condiciones de uso. Los distintos tratamientos térmicos también influyen de manera diferente en la resistencia a la corrosión.
① Estado organizativo del acero inoxidable martensítico después del temple
Dependiendo de la composición química
0Cr13, 1Cr13, 1Cr17Ni2 son martensita + una pequeña cantidad de ferrita;
2Cr13, 3Cr13, 2Cr17Ni2 son básicamente organizaciones martensíticas;
4Cr13 y 9Cr18 son carburos de aleación en la matriz martensítica;
0Cr13Ni4Mo y 0Cr13Ni6Mo son austenita residual en la matriz martensítica.
② Resistencia a la corrosión y tratamiento térmico del acero inoxidable martensítico
El tratamiento térmico del acero inoxidable martensítico no solo modifica sus propiedades mecánicas, sino que también influye en su resistencia a la corrosión. Por ejemplo, tras el temple, después de la transformación martensítica, se utiliza un revenido a baja temperatura, que proporciona mayor resistencia a la corrosión; un revenido a temperatura media (400-550 °C) ofrece menor resistencia a la corrosión; y un revenido a alta temperatura (600-750 °C) mejora dicha resistencia.
③ Proceso de tratamiento térmico y función del acero inoxidable martensítico
Recocido: Se pueden utilizar diferentes métodos de recocido según el propósito y la función que se desee lograr: si solo se requiere reducir la dureza, facilitar el procesamiento y eliminar la tensión, se puede utilizar el recocido a baja temperatura (algunos también se denominan recocido incompleto). La temperatura de calentamiento se puede seleccionar entre 740 y 780 °C, y se puede garantizar una dureza de 180 a 230 HB mediante enfriamiento al aire o enfriamiento en horno;
Para mejorar la estructura de forja o fundición, reducir la dureza y garantizar un bajo rendimiento para su aplicación directa, se puede utilizar un recocido completo, generalmente calentado a 870~900 ℃, enfriado en horno después del aislamiento, o enfriado a menos de 600 ℃ a una velocidad de ≤40 ℃/h. La dureza puede alcanzar 150~180 HB;
El recocido isotérmico puede sustituir al recocido completo para lograr el mismo objetivo. La temperatura de calentamiento es de 870 a 900 °C, y tras el calentamiento y mantenimiento de la temperatura (véase la curva de transformación), el horno se enfría a 700-740 °C, manteniéndose esta temperatura durante un tiempo prolongado (véase la curva de transformación). Posteriormente, el horno se enfría por debajo de 550 °C y se extrae la pieza. La dureza alcanza entre 150 y 180 HB. Este recocido isotérmico también es un método eficaz para corregir deficiencias estructurales tras la forja y mejorar las propiedades mecánicas después del temple y revenido, especialmente la resistencia al impacto.
Temple: El objetivo principal del temple del acero inoxidable martensítico es fortalecerlo. Se calienta el acero por encima de la temperatura crítica, se mantiene caliente para que los carburos se disuelvan completamente en la austenita y, a continuación, se enfría a una velocidad adecuada para obtener la estructura martensítica templada.
Selección de la temperatura de calentamiento: El principio fundamental es asegurar la formación de austenita y lograr la disolución completa de los carburos de aleación en la misma, homogeneizando así su composición. Asimismo, se debe evitar la formación de granos de austenita gruesos o la presencia de ferrita o austenita residual en la estructura tras el temple. Por ello, la temperatura de calentamiento para el temple no debe ser ni demasiado baja ni demasiado alta. La temperatura de calentamiento para el temple del acero inoxidable martensítico varía ligeramente según el material, por lo que el rango recomendado es amplio. Según nuestra experiencia, suele ser suficiente un calentamiento entre 980 y 1020 °C. Por supuesto, para aceros especiales, controles de componentes específicos o requisitos particulares, la temperatura de calentamiento deberá ajustarse según convenga, pero sin alterar el principio de calentamiento.
Método de enfriamiento: Debido a las características de composición del acero inoxidable martensítico, la austenita es relativamente estable, la curva C se desplaza hacia la derecha y la velocidad crítica de enfriamiento es relativamente baja. Por lo tanto, se puede utilizar el enfriamiento por aceite o por aire para lograr el efecto de temple de la martensita. Sin embargo, para piezas que requieren una gran profundidad de temple y propiedades mecánicas, especialmente una alta tenacidad al impacto, se recomienda el enfriamiento por aceite.
Revenido: Tras el temple, el acero inoxidable martensítico adquiere una estructura martensítica con alta dureza, alta fragilidad y alta tensión interna, por lo que debe someterse a revenido. El acero inoxidable martensítico se utiliza básicamente a dos temperaturas de revenido:
El revenido se realiza entre 180 y 320 °C. Se obtiene una estructura martensítica revenida que conserva una alta dureza y resistencia, pero presenta baja plasticidad y tenacidad, además de una buena resistencia a la corrosión. Por ejemplo, el revenido a baja temperatura se puede utilizar para herramientas, rodamientos, piezas resistentes al desgaste, etc.
El revenido entre 600 y 750 °C produce una estructura de martensita revenida. Esta presenta buenas propiedades mecánicas generales, como resistencia, dureza, plasticidad y tenacidad. El revenido puede realizarse a la temperatura límite inferior o superior según los requisitos de resistencia, plasticidad y tenacidad. Esta estructura también presenta buena resistencia a la corrosión.
Generalmente no se utiliza el revenido entre 400 y 600 °C, ya que en este rango de temperatura se precipitan carburos altamente dispersos de la martensita, lo que produce fragilidad por revenido y reduce la resistencia a la corrosión. Sin embargo, los resortes, como los de acero 3Cr13 y 4Cr13, pueden revenirse a esta temperatura, alcanzando una dureza Rockwell C de 40 a 45, con buena elasticidad.
Generalmente, el enfriamiento posterior al revenido puede realizarse al aire, pero para aceros con tendencia a la fragilidad por revenido, como 1Cr17Ni2, 2Cr13 y 0Cr13Ni4Mo, es preferible el enfriamiento en aceite. Además, es importante tener en cuenta que el revenido debe llevarse a cabo inmediatamente después del temple, en un plazo máximo de 24 horas en verano y de 8 horas en invierno. Si la temperatura del proceso impide realizar el revenido a tiempo, se deben tomar medidas para prevenir la aparición de fisuras estáticas.
E. Tratamiento térmico del acero inoxidable dúplex ferrita-austenita
El acero inoxidable dúplex es un miembro relativamente nuevo de la familia de los aceros inoxidables, desarrollado más recientemente, pero sus características son ampliamente reconocidas y valoradas. Su composición (alto contenido de cromo, bajo contenido de níquel, molibdeno y nitrógeno) y sus características estructurales le confieren mayor resistencia y plasticidad que los aceros inoxidables austeníticos y ferríticos; una resistencia a la corrosión equivalente a la del acero inoxidable austenítico; y una mayor resistencia a la corrosión por picaduras, corrosión por hendiduras y corrosión bajo tensión que cualquier otro acero inoxidable en medios clorados y agua de mar.
Función:
① Eliminar la austenita secundaria: A altas temperaturas (como en fundición o forja), aumenta la cantidad de ferrita. Por encima de 1300 °C, puede formarse una ferrita monofásica. Esta ferrita de alta temperatura es inestable. Al envejecer a baja temperatura posteriormente, precipita la austenita. Esta austenita se denomina austenita secundaria. Su contenido de Cr y N es menor que el de la austenita normal, por lo que puede convertirse en una fuente de corrosión; por lo tanto, debe eliminarse mediante tratamiento térmico.
② Eliminar el carburo tipo Cr23C6: El acero de doble fase precipitará Cr23C6 por debajo de 950 ℃, lo que aumenta la fragilidad y reduce la resistencia a la corrosión, y debe eliminarse.
③ Eliminar los nitruros Cr2N y CrN: Debido a que el acero contiene un elemento N, este puede generar nitruros con Cr, lo que afecta la resistencia mecánica y a la corrosión, y debe eliminarse.
④ Eliminar fases intermetálicas: Las características de composición del acero dúplex favorecen la formación de algunas fases intermetálicas, como la fase σ y la fase γ, que reducen la resistencia a la corrosión y aumentan la fragilidad, por lo que deben eliminarse.
Proceso: Similar al acero austenítico, adopta un tratamiento de solución, temperatura de calentamiento de 980~1100℃ y luego enfriamiento rápido, generalmente enfriamiento por agua.
F. Tratamiento térmico del acero inoxidable endurecido por precipitación
El acero inoxidable endurecido por precipitación es de desarrollo relativamente reciente. Se trata de un tipo de acero inoxidable que ha sido probado, sintetizado e innovado en la práctica. Entre los aceros inoxidables más antiguos, el ferrítico y el austenítico presentan buena resistencia a la corrosión, pero sus propiedades mecánicas no se pueden ajustar mediante tratamientos térmicos, lo que limita su aplicación. El acero inoxidable martensítico permite ajustar sus propiedades mecánicas dentro de un rango más amplio mediante tratamientos térmicos, pero su resistencia a la corrosión es baja.
Características:
Presenta un menor contenido de carbono (generalmente ≤0,09%), un mayor contenido de cromo (generalmente ≥14%) y molibdeno, cobre y otros elementos, lo que le confiere una mayor resistencia a la corrosión, incluso comparable a la del acero inoxidable austenítico. Mediante un tratamiento de solubilización y envejecimiento, se obtiene una estructura con una fase de endurecimiento por precipitación sobre la matriz martensítica, lo que le confiere una mayor resistencia. La resistencia, la plasticidad y la tenacidad pueden ajustarse dentro de un rango determinado mediante la modificación de la temperatura de envejecimiento. Además, el método de tratamiento térmico de solubilización inicial seguido de endurecimiento por precipitación permite obtener una forma básica con baja dureza tras el tratamiento de solubilización, para luego endurecerla mediante envejecimiento. Este método reduce los costes de procesamiento y ofrece mejores resultados que el acero martensítico.
Clasificación:
① Acero inoxidable endurecido por precipitación martensítica y su tratamiento térmico: Las características del acero inoxidable endurecido por precipitación martensítica son: la temperatura inicial (Ms) de la transformación de austenita a martensita es superior a la temperatura ambiente. Tras el calentamiento para la austenización y un enfriamiento rápido, se obtiene una matriz martensítica acicular. Tras el envejecimiento, se precipitan finas partículas de cobre de la matriz martensítica acicular, lo que contribuye a su fortalecimiento.
② Tratamiento térmico del acero inoxidable semiaustenítico: El punto Ms de este acero suele ser ligeramente inferior a la temperatura ambiente, por lo que tras el tratamiento de solubilización y el enfriamiento a temperatura ambiente, se obtiene una estructura austenítica de muy baja resistencia. Para mejorar la resistencia y la dureza de la matriz, es necesario calentarla nuevamente a 750-950 °C y mantenerla a esa temperatura. En esta etapa, los carburos precipitan en la austenita, lo que reduce su estabilidad y eleva el punto Ms por encima de la temperatura ambiente. Al enfriarse nuevamente, se obtiene una estructura martensítica. Algunos también pueden aplicar un tratamiento térmico en frío (tratamiento subcero) y, posteriormente, envejecer el acero para obtener finalmente un acero reforzado con precipitados en la matriz martensítica.
Se observa que, tras un tratamiento adecuado, el acero inoxidable martensítico endurecido por precipitación alcanza propiedades mecánicas equivalentes a las del acero inoxidable martensítico, mientras que su resistencia a la corrosión es comparable a la del acero inoxidable austenítico. Cabe destacar que, si bien ambos tipos de acero inoxidable pueden reforzarse mediante tratamientos térmicos, el mecanismo de refuerzo difiere. Debido a sus características, el acero inoxidable endurecido por precipitación goza de gran prestigio y se utiliza ampliamente.
Fecha de publicación: 6 de febrero de 2025