capitulo 1 - aceros inoxidables

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ACEROS INOXIDABLES

Dr. Carlos [email protected]

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ACEROS INOXIDABLES

International Stainless Steel Forum.http://www.worldstainless.org/NR/rdonlyres/9B25D843-CD1D-45AB-AA3F-C7AFE8A38631/3966/DemandIndexAllStainlessProducts1.pdf

Crecimiento de la producción mundial de acero inoxidable

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ACEROS INOXIDABLESACEROS INOXIDABLES

Se definen como aceros inoxidables a aquellas aleaciones ferrosas que contienen como mínimo 10.5 %Cr, contenidos importantes de Ni, y en menor proporción elementos como Mo, N, Cu, Ti, V, etc.

Estas aleaciones son empleadas primariamente bajo condiciones ambientales normales (corrosión atmosférica, soluciones acuosas, aguas de río, agua de mar, etc.) y de manera específica en ambientes mas agresivos como ácidos orgánicos e inorgánicos y soluciones alcalinas.

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Resistencia a la corrosiónResistencia al calor y al fuego. HigieneApariencia estéticaVentajosa resistencia específicaFácil fabricaciónResistencia al impactoEcológico (100% reciclable)Alta vida en servicio

Razones para elegir un acero inoxidable

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Ferríticos

DuplexAusteníticos

SuperAusteníticos

Austeníticosresistentes al Calor

Conteniendo NiBásicamente con Cr

Martensíticos

SuperFerríticos

La familia de los La familia de los ““inoxidablesinoxidables””

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En la actualidad, los aceros inoxidables se pueden clasificar en forma general en cinco grandes familias :

• Los aceros inoxidables ferríticos• Los aceros inoxidables austeníticos• Los aceros inoxidables martensíticos• Los aceros inoxidables austeno-ferríticos (dúplex)• Los aceros inoxidables endurecibles por precipitación

Además de estos, existen otros nuevos tipos de aceros inoxidables como los aceros inoxidables ferrítico-martensíticos.

ClasificaciClasificacióón de los aceros inoxidablesn de los aceros inoxidables

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ClasificaciClasificacióón de los aceros inoxidablesn de los aceros inoxidables

Austeníticos Cr-Ni , 66.8%

Duplex, 0.8%

Ferríticos, 23%

Austeníticos Cr-Mn ,

9.4%

Distribución de la producción mundial de aceros inoxidables en los tipos de inoxidables más

empleados (ISSF,2006).

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Breve Metalurgia de los Breve Metalurgia de los aceros inoxidablesaceros inoxidables

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Breve Metalurgia de los aceros inoxidablesBreve Metalurgia de los aceros inoxidables

Diagrama Fe-Cr

El Cr es un elemento “alfágeno”, es decir estabiliza la ferrita

Aleaciones Fe-Cr con > 18%Cr presentan una sola fase en estado sólido (ferrita)

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Diagrama Fe-Ni

El Ni es un elemento “gamágeno”, es decir estabiliza la austenita

Aleaciones Fe-Ni son completamente austeníticos

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Diagrama Fe-Ni Diagrama Fe-Cr

El efecto del Cr y Ni combinados produce resultados muy complejos que dependerán de la proporción de estos elementos presentes. 12


Comienzo de la transformación γ→ α

Comienzo de la región γ + δ

T (°C)

En una aleación Fe-Cr-Ni

El Ni aumenta el dominio de la fase γ y la estabiliza a

temperaturas bajas

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El C es también gamageno y tiende a estabilizar la austenita y formar carburos

carburos

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En una aleación Fe-Cr

1: 0,002%

3: 0,015%

4: 0.030%

6: 0,250%

El N desplaza la zona γ , γ+δ a

mayores contenidos de Cr

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El Mo desplaza la zona de la

austenita (γ) a menores

contenidos de Cr

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El Ni amplia la zona de la

austenita (γ) a mayores

contenidos de Cr

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En un acero inoxidable la temperatura de inicio de la transformación martensítica viene dado por:

Asi mismo, los aceros inoxidables austeníticos pueden inducir transformación martensítica por deformación plástica:

Md30(ºC) = 551-462(C+N) -9.2(Si) -8.1(Mn) -13.7(Cr)-29(Ni)-18.5(Mo) -29(Cu) -68(Nb)-1.42(#ASTM-8)

Nohara, 1977)

Md30(ºC) : temperatura a la cual un 50% de austenitaes transformada a martensita por deformación en frío para un grado de deformación del 30%

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Representación espacial de un diagramas ternario

Los aceros inoxidables son aleaciones que poseen al menos Fe-Cr-Ni. El estudio de las fases presentes en estado sólido se realiza a través de un diagrama ternario.

Si además le agregamos C al sistema su representación requeriría un diagrama ternario

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Secciones isotérmicas del diagrama ternario Fe-Cr-Ni

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Diagramas seudo-binarios Fe-Cr-Ni

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Diagramas seudo-binarios Fe-Cr-Ni

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Diagrama Schaeffler de aceros inoxidables

Elementos gamágenos:Ni, C, Mn, Cu, Co, N

Elementos alfágenos:Cr, Mo, Si, V, Al, Nb, Ti, W

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Precipitación de fases secundarias

Diagrama ternario Fe-Cr-C a 900ºC

Termodinámicamentela austenita y la ferrita no son las únicas fases estables en los aceros inoxidables.

Carburos (M23C6)

Fase sigma, etc.

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Sección de diagrama Fe-Cr-C para 0.1%C http

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Termodinámicamentela austenita y la ferrita no son las únicas fases estables en los aceros inoxidables.

Carburos (M23C6)

Fase sigma, etc.

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Ni16Nb6 Si7, Ni16Ti6 Si7fccG-Phase

Fe36Cr12 Mo10bcc Chi-phase

Fe2Mo, Fe2Nb hexagonal Laves phase

Fe,Ni,Cr,Motetragonal Sigma

(FeCr)21Mo3 C; Fe3Nb3C; M5SiC diamond cubic M6C

Cr16Fe5 Mo2C (e.g.) fccM23C6

CrNbNtetragonal Z-phase

TiNfccTiN

TiCfccTiC

NbNfccNbN

NbCfccNbC

ComposiciónEstructuraPrecipitado

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Fase Fe Cr Mo NiM23C6 18 63 14 5Sigma 55 29 11 5Chi 52 21 22 5Laves 38 11 45 6Acero inox resto 17,3 2,66 13,1


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Precipitación de fases secundarias:acero 0,02%C-17%Cr-13%Ni-2,7%Mo

horas

°C


28

Precipitación de fases secundarias:acero 0,05%C-17%Cr-13%Ni- 4,9%Mo-0,04%N

horas

°C


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Corrosión intergranular

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Corrosión intergranular

Velocidades de enfriamiento durante la soldadura

curva 1´: precalentamiento a 300°C

horas

Influencia de la microestructura

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Aceros Inoxidables Aceros Inoxidables FerrFerrííticosticos

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Este tipo de aleaciones tienen contenidos de Cr entre 12 y 29% y muy bajos contenidos de Ni (< 2%). Reciben su nombre debido a que sumicroestructura esta constituida completamente por ferrita


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Rango de los aceros inoxidables ferríticos

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CARACTERCARACTERÍÍSTICAS:STICAS:

•No sufren transformación alotrópica - salvo algunos grados, ej: 412 (12%Cr), 430 (17%Cr)•Son magnéticos•no pueden ser endurecidos por temple (solamente por acritud).

412 (12%Cr) 430 (17%Cr)

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412 (12%Cr) 430 (17%Cr)

Ms (ºC):

AISI 304 = -93ºCAISI 304L = -52ºCAISI 316 = -164ºCAISI 316L = -373ºC

AUSTENÍTICOS

AISI 409 = 292ºCAISI 412 =AISI 430 = 220ºC

FERRÍTICOS

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VENTAJAS:VENTAJAS:•Son aceros inoxidables económicos•Tienen buena resistencia a la corrosión localizada en medios conteniendo Cl-


DESVENTAJAS:DESVENTAJAS:•Susceptibles al crecimiento de grano•Susceptibles a la precipitación de fases secundarias : carburos y fase sigma•Mas difíciles de soldar que los austeníticos

• Susceptibles a la fragilización por hidrógeno

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Ti=0,2 + 4(C+N) min0,030,040,5181,01,00,07439

3,8Mo0,020,0252,2290,20,30,010Al29-4-2

2,0Al, 0,4Ti------181,00,30,0418SR

2,25Mo, 0,035N max0,030,041,018,51,01,00,025444

(18-2)

Ti=5%C min (*)0,030,040,7517,51,01,00,10430Ti

0,25N0,030,04--251,01,50,20446

--0,030,04--211,01,00,20442

1,0Mo, Nb+Ta=5%0,030,04--171,01,00,12436

1,0Mo0,030,04--171,01,250,12434

0,6Mo (**)>0,150,06--171,01,250,12430F

--0,030,04--171,01,00,08430

Nmax 0.0301.0110.0340977

Ti = 6%C min (*)0,0450,05--111,01,00,08409

0,2 Al0,030,04--131,01,00,08405

Otros%S%P%Ni%Cr%Si%Mn%CAISI

aceros inoxidables super-ferríticos

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Níquel Molibdeno

El crecimiento continuo del precio de los metales Ni y Mo han elevado el precio de los aceros inoxidables con altos contenidos de Ni (60% costo de estas aleaciones) como los austeníticos.

Ello ha atraído la atención a los aceros inoxidables ferríticos

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Tubos de escape

http://www.justbars.com/

http://www.perrinperformance.com/

Equipos de cocina

APLICACIONES:APLICACIONES:

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18Cr-Cb

18Cr-10Ni

11%Cr

18Cr

Tubos de escape


Porque fabricar tubos de escape de inox ferríticos?

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18Cr-Cb

18Cr-10Ni

11%Cr

18CrTubos de escape


Porque fabricar tubos de escape de inox ferríticos?

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En los últimos años se han desarrollado aceros inoxidables ferríticosdiseñados especialmente para su empleo en la fabricación de tubos de condensadores para agua de mar. Aleaciones para esta aplicación suelen tener contenidos de Cr > 26% y de Mo > 3% y se les denomina aceros inoxidables super-ferríticos.

http://img.alibaba.com/photo/51813182/Sea_Water_Cooler_used_in_ship.jpg

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Aceros Inoxidables Aceros Inoxidables AustenAustenííticosticos

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Estas aleaciones estan constituidas por una sólafase: AUSTENITA. %Cr : 18-25, %Ni :9 -35%, %Mo:0-6

Son las aleaciones mas populares, especialmente el grado AISI 304 que constituye mas del 50% de la producción de todos los aceros inoxidables producidos.

CARACTERCARACTERÍÍSTICAS:STICAS:

No sufren transformación alotrópicaSon no magnéticosno pueden ser endurecidos por temple (solamente por acritud).

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VENTAJAS:VENTAJAS:Son aceros inoxidables muy resistentes a la corrosión.Son dúctiles y muy tenacesSe sueldan sin dificultad

DESVENTAJAS:DESVENTAJAS:susceptibles a la precipitación de fases secundarias : carburos y fase sigmasusceptibles a la corrosión localizada debida a Cl-Pueden fragilizarse por CBT

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Aceros Aceros Inoxidables Inoxidables AustenAustenííticosticos

los aceros inoxidables “super-austeníticos”poseen adiciones mayores de Cr, Mo y N.

(Ej: Avesta™254 SMO)

AISI %C %Mn %Cr %Ni Otros

303 0,15 2,0 18 9,0 0,06Mo

304 0,08 2,0 19 9,2 ----

316 0,08 2,0 17 12 2,0Mo

317 0,08 2,0 19 13 3,5Mo

321 0,08 2,0 19 14 Ti = 5xCmin

347 0,08 2,0 18 11 Cb+Ta =10xC min

20 Mo6 0,03 1,0 24,0 35,0 5,7Mo, 3Cu

254SMO 0,03 1,0 20 18 6,2Mo, 0,7Cu,

0,2N 48


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Incremento de la resistencia mecánica por deformación en frío.

También es posible la transformación parcial de la austenita en martensitapor efecto de la deformación plástica


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Incremento de la resistencia mecánica por deformación en frío.


AISI 304 = -93ºC -10ºCAISI 304L = -52ºC +14ºCAISI 316 = -164ºC -84ºCAISI 316L = -373ºC -154ºC

Ms Md30

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AISI 304 = -93ºC -10ºCAISI 304L = -52ºC +14ºCAISI 316 = -164ºC -84ºCAISI 316L = -373ºC -154ºC

Ms Md30

14.010.08.04.54.24.0% martensita

0.9950.4700.4200.2780.1950.148deformación

% martensita en función de la deformación en 316L

Han-Shen Wang, J. R. Yang and H. K. D. H. Bhadeshia (2005)

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Para convertir KSI en MPa multiplicar por 6,894.


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Para convertir KSI en MPa multiplicar por 6,894.


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El coeficiente de expansión térmica de los inox. Austeníticos es 50% mayor que la de los aceros al C

La temperatura de fusión de los inoxausteníticos es menor (los baños son más fluídos)


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La resistencia eléctrica de los inox. austeníticos es 6 veces mayor que la de un acero al carbono ordinario

La conductividad térmica de los inoxausteníticos es 60% menor que la de los aceros al carbono


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Aplicaciones:Aplicaciones:Aplicaciones marinasAplicaciones criogénicasAplicaciones domésticasAplicaciones industriales Aplicaciones en Construcción civilAplicaciones a elevadas temperaturas

Dr. Carlos Fosca

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57

Aplicaciones de aceros inoxidables Aplicaciones de aceros inoxidables austenaustenííticosticos

Barras corrugadas

Estructura de vehículos (trenes)

Elementos estructurales decorativos

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Barras corrugadas

Aplicaciones arquitectónicas

(Frank Gehry)

Walt Disney Concert Hall, Los Angeles

Hotel Marques de Riscal, España

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Aplicaciones arquitectónicasht

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Helios House, Los Angeles

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Intercambiadores de calor, reactores, líneas de tuberías, bombas

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Recipiente de filtro de AISI 316

Tubería de calentamiento de inox 316

Aplicaciones de aceros inoxidables Aplicaciones de aceros inoxidables austenaustenííticosticos Dr. Carlos Fosca

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Aceros Inoxidables Aceros Inoxidables MartensMartensííticosticos

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Aceros Inoxidables Aceros Inoxidables MartensMartensííticosticosSon aleaciones que pueden endurecerse por tratamiento térmico (transformación martensítica) elevando su dureza y resistencia al desgaste.

%C: 0,15-1,0, %Cr: 12-18,

CARACTERCARACTERÍÍSTICAS:STICAS:Se endurecen por templeSon magnéticos

VENTAJAS:VENTAJAS:Son aceros inoxidables muy resistentes mecánicamente (>1400 MPa )Dureza por temple y revenido: 40-60HRCSon poco tenaces Difícilmente soldables

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DESVENTAJAS:DESVENTAJAS:susceptibles a la precipitación de fases secundarias : carburosPoseen una baja resistencia a la corrosiónPueden fragilizarse por CBT y por hidrógeno


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AISI %C %Mn %Cr %Ni Otros

403 0,15 1,0 12,2 --

410 0,15 1,0 12,2 --410S 0,08416 0,15 1,25 13 -- 0,6 Mo

431 0,20 1,0 16 1,9

440A 0,67 1,0 17 -- 0,75Mo

416PLUS 0,15 1,0 13 -- 0,6 Mo

Variaciones del mismo tipo de acero inoxidable:

440A 0,70 %C440B 0,80 %C440C 1,10 %C440F 1,10 %C + 0,1-0,35%S


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Ms(ºC)Inox

420

416

414

410

403

212205164221221

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Diagrama ternario Fe-Cr-C para 13%Cr

%CC1 = M23C6

C2 = M7C3

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Sección isotérmica del diagrama Fe-Cr-C a 1000°C

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Temple a 1038ºC enfriado al aceite y 2 horas de revenido

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El acero inoxidable mas representativo: AISI 410 (12%Cr- 0,15%C- 1,0%Mn) que junto al acero AISI 430 puede ser empleado en la fabricación de pernos, ejes de bombas, válvulas, alabes de turbinas a gas y vapor.

Aceros inoxidables martensíticos de alto contenido de carbono (> 0,2%C) son empleados como acero para cuchillería (tipos

AISI 420 y AISI 440).Aplicaciones:Aplicaciones:Partes de válvulas, componentes de turbina, cuchillería, pernos, partes de máquinas


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RodeteTurbina Pelton

RotorTurbina vapor

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Aceros Inoxidables Aceros Inoxidables DuplexDuplex

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Son aleaciones que tienen una microestructurade ferrita + austenita (50%)

%Cr: 18-27 %Ni: 4-7, %Mo: 0,2-4

CARACTERCARACTERÍÍSTICAS:STICAS:No se pueden templarSon magnéticos

VENTAJAS:VENTAJAS:Son aceros inoxidables muy resistentes mecánicamente (600 - 800 MPa )Son mas tenaces que los ferríticos pero menos que los austeníticosFácilmente soldablesMuy buena resistencia a la corrosión localizada en presencia de Cl-

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DESVENTAJAS:DESVENTAJAS:susceptibles a la precipitación de fases secundarias : carburos, fase σ,fase chi,...


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Nombre %Cr %Ni %Mo %N Otros

SAF 2304UR 35N 23 4 0,20 0,10UR 50 21 7 2,5 0,07 1,5CuVEW A903 18,5 5 2,7 0,07 1,5SiUR 45N 22 5,3 3 0,16SAF 2205DP-3 25 6,5 3,0 0,16 0,5Cu,

0,3WUR 52N 25 6,5 3,0 0,18 1,6CuVEW A905 26 3,7 2,3 0,34 6 MnZERON 100 25 7 3,6 0,25 0,7Cu,

0,7wUR 52N+ 25 6 3,8 0,26 1,5Cu

Los aceros inoxidables super-duplex (25%Cr-7%Ni-4%Mo-0,25%N) poseen una resistencia a la corrosión por picaduras equivalente a la de los aceros inoxidables super-austeníticos.


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Aplicaciones:Aplicaciones:

• Industria de generación de energía• Industria Off-shore• Industria química• Intercambiadores de calor• buques tanque• recipientes a presión• Bombas de fluidos corrosivos


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Tanque para almacenamiento de sustancias químicas

Duplex 2205

Reactor de 10,000 litros con elmentos de calefacción y

enfriamiento


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Aproximadamente 363 toneladas del acero inox. duplex (2205) serán usadas en la cubierta de este puente de 235 metros de largo sobre las aguas saladas de Haynes, Oregon (USA)

Conectores para tuberías submarinas


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Equipos y componentes para instalaciones off-shore son fabricados

de aceros inoxidables super duplex(PREN > 40) capaces de soportar

condiciones de corrosión extremas.

Serpentín de calentamiento para calentadores de agua hecho de tubos de inox duplex que garantizan 25 años de servicio sin mantenimiento


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http://www.stainlessclad.com/process/index.aspx#


Barras de construcción recubiertas de capa de acero inoxidable

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Edificio en Helsinki fabricado de acero inox. Duplex LDX 2101 84


Edificio en Helsinki fabricado de acero inox. Duplex LDX 2101

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Aceros inox. duplex de bajo costo

Tubería flexible para instalaciones submarinas S2003 . Presenta > resistencia mecánica y a la

corrosión que el 316. Menores espesores de tubería permite una reducción de costos y de

peso.


86

Aceros inox. duplex de bajo costo

US$ 432048”x96”x1/4”2304US$ 521048”x96”x1/4”2205

US$ 210348”x96”x1/4”2101

US$ 710748”x96”x1/4”317LUS$ 290648”x96”x1/4”316LUS$ 253148”x96”x1/4”304L

Precio de la planchaPlanchaInox


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Aceros Inoxidables Aceros Inoxidables EndureciblesEndureciblespor precipitacipor precipitacióónn

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Aceros Inoxidables Aceros Inoxidables EndureciblesEndurecibles por por precipitaciprecipitacióón (PH)n (PH)

son aceros inoxidables del tipo Cr-Ni que contienen adicionalmente otros elementos de aleación como el Cu y Al que favorecen la precipitación de fases secundarias y elevan significativamente la dureza y resistencia mecánica del material cuando es sometido a un tratamiento térmico de envejecimiento

Estos aceros pueden ser del tipo martensítico, semi-austeníticosy austeníticos

CARACTERCARACTERÍÍSTICAS:STICAS:Se endurecen por tratamiento térmico de precipitación: formación de partículas intermetálicas muy finas (fase de Laves, Ni3(Al,Ti), carburos, fosfuros).

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VENTAJAS:VENTAJAS:Son aceros inoxidables muy resistentes mecánicamente (hasta 1700 MPa )Dureza después de T.T.: hasta 48HRCDuctilidad y tenacidad aceptables


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DESVENTAJAS:DESVENTAJAS:Resistencia a la corrosión limitadaPueden fragilizarse por CBT y por hidrógeno

Eje portahélice para embarcación marina

Aplicaciones:Aplicaciones:

Elementos de máquinas Elementos estructurales para aeronaves, ejes portahélices de aplicación naval.


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Aceros Inoxidables Aceros Inoxidables EndureciblesEndurecibles por precipitacipor precipitacióón (PH)n (PH)

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Propiedades mecPropiedades mecáánicas de los nicas de los aceros inoxidablesaceros inoxidables

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PROPIEDADES MECPROPIEDADES MECÁÁNICAS DE LOS ACEROS INOXIDABLESNICAS DE LOS ACEROS INOXIDABLES

AUSTENÍTICOSX2CrNi1911 304L 220 520-670 45 90X2CrNiMo17-12-2 316L 240 530-680 40 90X1CrNi25-21 310S 200 470-670 40 90X2CrNiMoN 17-13-3 316N 300 580-780 35 90X2CrNiMo18-12-4 317L 240 550-700 35 90X2CrMnNiN 18-9-5 202 340 680-880 45 90

FERRITICOSX6CrAl13 410 240 400-600 19X6Cr17 430 250 450-600 20X2CrMoTi 29-4 430 550-700 18

MARTENSÍTICOSX12Cr13 403 450 650-850 15 25X12CrS13 416 450 650-850 15 25X20Cr13 420 500 700-850 13 25X17CrNi16-2 431 600 800-950 12 20

DUPLEXX2CrNiN 23-4 400 600-850 20 90X2CrNiMoN 22-5-3 480 660-950 25 90X2CrNiMoCuN 25-6-3 500 690-940 17 90X2CrNiMoCuWN 25-7-4 530 730-930 25 90

ENDURECIBLES POR PRECIPITACIÓNX5CrNiCuNb16-4 720 930-1100 16 40

17-4PH 1300 1410 14 -----

UNE-EN10088 AISI LímiteElástico (N/mm2)

Resistencia a tracción(N/mm2)

Elongación% min

ResilienciaISO-V

Min (Joule)

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97

austeníticosduplex

ferríticos

martensíticos PH

Características Mecánicas

Res

iste

ncia

a la

cor

rosi

ón


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Familia Respuestamagnética

grado de endurecimiento

Resistencia a la

Corrosion

Endurecible

Austeniticos GeneralmenteNo

Muy alto alta Por trabajoen frío

Duplex Si Medio Muy alta No

Ferriticos Si Medio Media No

Martensiticos Si Medio Media Temple y revenido

EndureciblesporPrecipitación

SiMedio Media Endurecimien

to porprecipitación


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99


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http

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100


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T ºC

Esfuerzos de diseño permisibles

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Esfuerzos de diseño permisibles para tanques

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Con el uso de aceros inoxidables duplex se pude lograr un ahorro en peso significativo.

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Espesores de pared para tanques según API 650

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Caso: Tanques para almacenamiento de suspensión acuosa de polvo de mármol (90ºC)

106

FIN

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capitulo 1 - aceros inoxidables

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