ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERIA MECÁNICA

CIENCIA DE MATERIALES II

TRABAJO DE INVESTIGACION Y CONSULTA

TEMA: ACEROS REFRACTARIOS

Paulo Renato Castro Da SilvaSantiago Alejandro Jaramillo García Jorge Sebastián Villacis BarbaGeorgina Andrea Almeida Padilla

1. Introducción

Los materiales que son empleados a temperaturas altas y a menudo en ambientes reactivos son considerados refractarios, sin embargo ya que existen metales que se clasifican como metales refractarios (Niobio, Molibdeno, Tungsteno y Tántalo) se tratará a los aceros refractarios como materiales resistentes al calor.

Los materiales resistentes a las altas temperaturas proporcionan resistencia mecánica, ambiental y estabilidad entre los 260 y 1200ᵒC de temperatura, en general se los utiliza en presencia de combustión, conforman elementos que son parte de motores de turbina, motores reciprocantes, plantas de energía, hornos y equipos para control de polución. En general estos materiales se caracterizan por mantener una microestructura estable mientras trabajan.

Tratando sobre aceros resistentes a altas temperaturas se puede hablar de:

Aceros al carbono y de baja aleación Aceros de carbono-molibdeno Aceros de cromo-molibdeno Aceros Inoxidables Súper-aleaciones

Entre las propiedades mecánicas que deben tener estos materiales se encuentra la resistencia a la tracción en altas temperaturas, resistencia a la fluencia (creep), resistencia a la fatiga de corto y largo ciclo, resistencia a la fatiga térmica y termo-mecánica, combinación de creep y fatiga, etc. Entre las propiedades físicas que se deben considerar la resistencia a la corrosión es la más importante. La mayor parte de las aleaciones ferrosas son tratables térmicamente.

2. Aleaciones ferrosas resistentes a la temperatura

2.1 Aceros al Carbono y de baja aleación

Los aceros al carbono son utilizados en aplicaciones en las cuales la corrosión y la oxidación no son problemas mayores, se utilizan en condensadores, intercambiadores de calor, calderas, etc. Presentan un bajo costo, buena soldabilidad y desempeño. Los aceros al carbono con porcentajes de hasta 0.15%C y los aceros con 0.35%C y entre 0.3 y 2.06%Mn son utilizados en tuberías y fundiciones. Los aceros al carbono pueden trabajar (en aplicaciones de bajo esfuerzo) en

temperaturas de hasta 425ᵒC y podrían llegar hasta los 540ᵒC por periodos cortos de tiempo. Son tratables térmicamente.

2.2 Aleaciones de Carbono-Molibdeno

Las aleaciones de Molibdeno y Carbono contienen hasta 0.5%Mo con un contenido de carbono alrededor del 0.2%, estos aceros se utilizan en los mismos equipos que los aceros al carbono pero pueden soportar esfuerzos mayores. El molibdeno aumenta la resistencia a la tracción repentina y por cortos periodos de tiempo, también reduce la taza de creep. Estos aceros pueden trabajar hasta los 450ᵒC.

2.3 Aleaciones de Cromo-Molibdeno y otros

Los aceros al Cromo-Molibdeno contienen entre 0.5 y 1% de Molibdeno que proporciona resistencia al creep, junto a un contenido de cromo de entre 0.5 y 9% que mejora la resistencia a la corrosión y a la grafitización1. Se suele añadir formadores de carburos (Vanadio, Niobio, Titanio) que permiten el endurecimiento por precipitación (envejecimiento). Los tipos generales de aceros al Cromo-Molibdeno son:

Cromo-Molibdeno puroo 1Cr-0.5Mo y 1.25Cr-0.5Mo : soportan temperaturas de hasta 510ᵒCo 2.25Cr-1Mo : soporta temperaturas de hasta 580ᵒCo 5Cr-0.5Mo: se utiliza hasta los 620ᵒCo 7Cr-0.5Mo y 9Cr-1Mo: tienen uso hasta los 650ᵒ

Cromo, Molibdeno y Vanadio: proporcionan mayor resistencia al creep y suelen utilizarse cuando el prototipo requiera mantener deformaciones menores al 1% mientras trabaja en temperaturas de hasta 540ᵒC. La aleación más común contiene 1%C, 1%Mo y 0.25%V.

Ciertas aleaciones de cromo-molibdeno junto a otros elementos (vanadio, niobio, tantalio y boro) encuentran aplicación en componentes de gran sección transversal que trabajaran en ambientes con alto contenido de Hidrógeno, dependiendo de la composición estos presentan un buen desempeño entre los 455 y 600ᵒC.

Los aceros al Cromo-Molibdeno se utilizan en recipientes de presión y tuberías que transportan fluidos viscosos y compresibles, encuentran aplicación en plantas de energía fósil y nuclear. Ciertas aleaciones suelen utilizarse para fabricar matrices ya que estas deben mantener su rigidez cuando se las somete a temperaturas altas, también, al adicionar silicio (hasta un 1.2%) soportan la oxidación hasta los 800ᵒC.

2.4 Aceros Inoxidables

Cuando las condiciones del ambiente son desfavorables (temperaturas altas y medios corrosivos), es necesario la utilización de aceros inoxidables y superaleaciones. Aleados principalmente con Níquel y Cromo, son los aceros más resistentes a las altas temperaturas.

Los aceros inoxidables están compuestos principalmente por 4 grupos: ferríticos, martensíticos, austeníticos, y envejecibles.

2.4.1 Aceros inoxidables ferríticos

1 Descomposición de la cementita en grafito

Estos aceros, aleados principalmente con cromo (que favorece la formación de ferrita), tienen una baja resistencia mecánica a altas temperaturas así como una baja resistencia al creep. Sin embargo la resistencia a la corrosión es muy alta, incluso en temperaturas sobre los 800°C debido a que el cromo forma carburos. Otra limitación a parte de su baja resistencia, es su fragilización después de trabajar a altas temperaturas (fragilización por fase sigma), pero dicha fragilización puede eliminarse con un tratamiento térmico de revenido.

Por ejemplo el acero tipo 430 con un 17% de Cromo, es resistente a la corrosión incluso sobre los 815°C, es dúctil entre los 400 y 590°C, y su temperatura de revenido para contrarrestar la fragilización por fase sigma es sobre 760°C.

Las aplicaciones para los aceros inoxidables ferríticos van desde partes de hornos hasta tubos de protección de termocuplas; donde las temperaturas de trabajo son altas pero no están sometidos a esfuerzos considerables.

2.4.2 Los aceros inoxidables martensíticos

Utilizados principalmente en aplicaciones a elevadas temperaturas, son conocidos como los “súper 12 Cromo” por su contenido del 12% de Cromo, además contiene Molibdeno (sobre el 3% en peso) y/o Tungsteno (sobre el 3.5%). Elementos como el Vanadio, Niobio y Nitrógeno son añadidos a la aleación en pequeñas cantidades para mejorar la resistencia en cierta forma.

Si bien es cierto, pueden emplearse en condiciones de trabajo con temperaturas sobre los 650°C, solo ofrecen moderada resistencia mecánica alrededor de los 540°C.

No presentan el problema de reblandecimiento de los aceros ferríticos y su microestructura ya es martensítica, por lo que no es necesario aplicarles tratamientos térmicos.

Los aceros martencíticos no aleados solo pueden ser usados hasta los 400°C por lo que se puede observar la importante influencia de los elementos aleantes al incrementar el rango de trabajo por sobre los 650°C.

2.4.3 Aceros inoxidables austeníticos

Son los aceros inoxidables más fuertes, ofrecen excelente resistencia mecánica y a la corrosión alrededor de los 540°C, Están aleados principalmente con Níquel y Cromo. No son tratables térmicamente ya que su microestructura es austenítica y al ser de red tipo FCC, no posee propiedades magnéticas.

Además de tener una alta resistencia a la corrosión a elevadas temperaturas, también posee una resistencia al creep muy buena, aun sobre los 800°C, es por eso que sus aplicaciones van desde herramientas para la manipulación de elementos muy corrosivos, resistencia a condiciones de oxidación severas, hasta Fabricación de tuberías de alta presión, calderas, radiadores de alta potencia, refinería de petróleo entre otras.

Al añadir titanio y/o niobio se combinan con el carbono y minimizan la corrosión intergranular (causada por la sensitización) que generalmente ocurre después de la soldadura, sin embargo no protegen completamente al acero de la sensitización con éste a estado expuesto por un prolongado periodo de tiempo al rango de temperaturas de 425 a 815°C (rango de sensitización).

Los aceros utilizados comúnmente en dicho rango, son los 321 y 347, ya que poseen los mencionados elementos aleantes.

Los aceros inoxidables austeníticos con contenido de molibdeno poseen mayor resistencia mecánica a altas temperaturas, (alrededor de los 800°C) y a la oxidación (alrededor de los 900°C). Pero poseen una desventaja y es que al estar expuesto al ambiente el molibdeno forma una capa de oxido que se volatiza y provoca que el acero se oxide más rápidamente.

Los aceros tipo 309 y 310 con un contenido de cromo de 23 a 25% de cromo son los que más temperatura resisten, conservando aun, con una disminución, su resistencia mecánica alrededor de los 870°C.

Y los aceros altamente aleados, tipo 330 con 19% de Cr, 25% de Ni y 1% de Si, logran resistir a la corrosión a temperaturas de 1150°C.

2.4.4 Los aceros inoxidables edurecibles por precipitación

Generalmente son austeníticos. Poseen la resistencia más alta de todos los aceros inoxidables a temperatura ambiente. Sus propiedades están entre los aceros inoxidables con 18% de Ni y sin contenido de cromo hasta los de 12% de cromo de microestructura martensítica templados y revenidos.

Al añadir nitrógeno de 0.2 a 0.5%, se logra una aleación resistente utilizada principalmente en válvulas de alta temperatura por su baja conductividad. El nitrógeno se combina en el acero con él Ni o el Mn.

Las aleaciones con contenidos del 0.01% al 0.25% de carbono en peso y en ciertos casos de 0.3 a 0.6%, soportan temperaturas de alrededor de 650°C y en casos extremos, en donde los esfuerzos son bajos, logra resistir hasta los 1315°C.

2.4.5 Las superaleaciones

Con contenidos de Vanadio, Niobio, Titanio que permiten el endurecimiento por precipitación, son una extensión tecnológica de los aceros inoxidables, sus aplicaciones están alrededor de los 540°C. Sus aleaciones principales son el Níquel y el Cobalto. Sin embargo no todas las superaleaciones son aceros, también ciertas fundiciones y aleaciones no ferrosas.

La ventaja de las superaleaciones (no precisamente aceros) es que pueden ser conformados plásticamente (rolados, forjados, laminados, etc.), son tratables térmicamente, mediante cualquier TT se puede determinar sus propiedades y resisten temperaturas de hasta el 85% de su temperatura de fusión.

3. Propiedades Mecánicas

3.1 Influencia de la temperatura en las propiedades mecánicas

La influencia de la temperatura en la resistencia de los materiales se evalúa con pruebas de tracción con altas velocidades de deformación de acuerdo a las norma ASTM E8 y E21. En general los materiales se debilitan con el aumento de la temperatura. Como se observa en la figura 1, un acero normalizado de 0.17%C pierde sus propiedades mecánicas al ser expuesto a temperaturas altas durante 83000 horas y luego probado a tracción a temperatura ambiente.

Fig. 1 Variación de las propiedades mecánicas con la temperatura para una aleación de 0.17%C [1]

A temperaturas altas los procesos activados térmicamente tales como el deslizamiento múltiple (en más de un plano) y el deslizamiento cruzado (una dislocación pasa de un plano a otro) permiten la relajación de los esfuerzos internos, debilitando el material. Cuando la temperatura llega a ser la mitad del punto de fusión del material los procesos de difusión pasan a ser significativos y los mecanismos de recuperación, re-cristalización y crecimiento de grano reducen la densidad de dislocaciones y por lo tanto la resistencia del materia. En la figura 2 se muestra la disminución de las propiedades mecánicas (tensión a deformación rápida y esfuerzo de fluencia) de varias aleaciones, algunas de estas fueron tratadas térmicamente (ver descripción en inglés).

Fig.2 Propiedades mecánicas a temperatura de cuarto y 540ᵒC para varias aleaciones [1]

En general la deformación dependerá de la microestructura, materiales con microestructura FCC poseen más planos de deslizamiento lo que permite un cambio gradual de la ductilidad y resistencia cuando trabajan a temperaturas altas. Los materiales que presentan microestructuras BCC tienen cambios abruptos tanto en la ductilidad como en la resistencia cuando llegan a la temperatura de transición dúctil.

3.2 Creep

El creep es la deformación lenta que sufre un material bajo un esfuerzo y que resulta en un cambio de forma permanente, el creep está asociado a velocidades de deformación de 1%/min. El creep es un fenómeno no deseado y es un factor de diseño importante, por ejemplo, los rotores en las turbinas aumentan su longitud con el tiempo y deben ser reemplazados antes de que colisionen con las paredes de la turbina.

El creep puede darse a cualquier temperatura, pero comienza a ser apreciable cuando la esta alcanza el 40% del punto de fusión. Tiene tres etapas y conduce a la falla.

o Primaria (0<T<0.4Tf): la velocidad de deformación disminuye a lo largo del tiempo y es inversamente proporcional a la deformación.

o Secundaria (T>0.4Tf): la tasa de deformación permanece constante, es independiente del tiempo y la temperatura.

o Terciaria (T>0.4Tf): la tasa de deformación aumenta con el tiempo y la deformación.

Cuando el material pasa por la tercera etapa este se fractura ya que no puede soportar las cargas a las que es sometido.

En la figura 2 se observan las temperaturas máximas de trabajo (según la tasa de creep y la ruptura) sugeridas para diferentes aleaciones que conforman componentes de trabajo continuo en la industria petroquímica.

Fig. 3 Temperatura máxima de trabajo según creep y ruptura para diferentes aleaciones [1]

3.3 Fatiga a temperaturas altas

La falla por fatiga puede ocurrir a cualquier temperatura bajo el punto de fusión y presentar la fractura que la caracteriza (poca deformación). Cuando las temperaturas son altas la resistencia a la fatiga disminuye junto a la resistencia mecánica, esto se observa en la figura 3, a medida que aumenta la temperatura el esfuerzo de ruptura (105h) disminuye considerablemente.

Fig. 4 Predicción del esfuerzo de ruptura por fatiga (105h) de un acero al carbono mediante la práctica de grano grueso y grano fino [1]

En general, a comparación de otros tipos de acero, los aceros resistentes al calor tienen las siguientes ventajas y desventajas:

4. Ventajas

Es un producto terminado como molde y su costo es menor que el de un elemento fabricado.

El costo de fabricación para piezas pequeñas es menor. La composición de aleaciones similares son más fuertes a una elevada temperatura que las

aleaciones forjadas. Algunos diseños son más sencillos de fabricar que en las aleaciones forjadas y resultan

más económicos. Gracias a la capa de óxido que se forma en su superficie que permanece estable hasta

temperaturas de 1200 C se impide la formación de cascarilla. Elevada resistencia a altas temperaturas y excelente tenacidad. Buena resistencia a la corrosión por humedad atmosférica, agua, vapor de agua, agentes

medianamente corrosivos de la industria alimentaria, ácidos, lejías de sosa, vinagre, etc. Se utilizan para construcciones de elementos que deban presentar una elevada resistencia

a la oxidación en caliente.

5. Desventajas

El costo para producciones a baja escala es elevado. Su disponibilidad en el mercado no es tan elevada. El costo por energía es mayor ya que la duración de su tratamiento térmico es mayor en

comparación con las aleaciones forjadas.

6. Aplicaciones

Pese a que se citaron algunas aplicaciones de cada aleación se presenta en la figura 5 una tabla que muestra que aleaciones se escogen normalmente para conformar ciertos elementos pertenecientes a plantas generadoras por quema combustibles fósiles o de vapor. También especifica que requerimientos debe cumplir el material seleccionado.

Fig. 5 Propiedades mecánicas requeridas por componentes utilizados en la industria energética

Se aplican en hornos de calcinación de cemento, sinterización de minerales, calderas, soportes para tratamientos térmicos, industria de la cerámica y enlozado.

Componentes para el refinamiento de petróleo y operaciones petroquímicas Componentes en plantas de energía en base de vapor Herramientas para trabajo en caliente Válvulas para motores de combustión Equipos para el control de emisiones Turbinas de gas Resistencias eléctricas Hornos para tratamientos térmicos Hornos calentadores de aire Cajas de cimentación Cajas y crisoles Cartuchos y placas de calefacción

Conclusiones

Recomendaciones