Una guía completa sobre el acero inoxidable

Grados, composición, estructura molecular, producción y propiedades del acero inoxidable

En esta guía:

• ¿Cómo se fabrica el acero inoxidable?
• ¿De qué está hecho el acero inoxidable?
• Tipos de acero inoxidable
• Grados de acero inoxidable
• ¿El acero inoxidable es magnético?
• Propiedades mecánicas del acero inoxidable
• Un aspecto técnico:la microestructura molecular del acero inoxidable
• Cuidado y mantenimiento

El acero inoxidable es el nombre común de un gran grupo de aleaciones ferrosas que son resistentes a la oxidación. A diferencia de otras aleaciones de hierro, el acero inoxidable tiene una capa de pasivación estable que lo protege del aire y la humedad. Esta resistencia a la oxidación lo convierte en una buena opción para muchas aplicaciones, incluidos los usos en exteriores, acuosos, de servicio de alimentos y de alta temperatura.

¿Cómo se fabrica el acero inoxidable?

El acero inoxidable puede ser fundido o forjado. La principal diferencia está en cómo se forma en un producto final. Acero inoxidable fundido se fabrica vertiendo metal líquido en un recipiente de moldeo con una forma específica. Acero inoxidable forjado comienza en una fábrica de acero, donde las máquinas de colada continua convierten el acero inoxidable en lingotes, tochos, palanquillas o losas. Estos materiales de fabricación en bruto deben luego ser moldeados por un trabajo adicional. Se recalientan y se vuelven a trabajar mediante técnicas de laminado o martillado.

Los productos de acero inoxidable forjado son más comunes que los productos de acero inoxidable fundido.

Los objetos de acero inoxidable fundido generalmente se fabrican y acaban en una fundición o con la supervisión de la fundición. Si son un componente pequeño de un producto más grande, la fundición puede ir a otras fábricas para su ensamblaje. El acero inoxidable forjado comienza en una acería, pero se convierte en el producto final en otra fábrica.

¿De qué está hecho el acero inoxidable?

Como todo acero, el acero inoxidable comienza con una mezcla de hierro y carbono. Lo que distingue a esta familia de aleaciones es que el acero inoxidable también tiene un mínimo de 10,5 % de cromo. Este elemento confiere al acero inoxidable su característica resistencia a la oxidación. Cuando el acero inoxidable se expone a la atmósfera, el cromo se combina con el oxígeno para formar una capa de pasivación delgada y estable de óxido de cromo (III) (Cr₂ O₃ ). La capa de pasivación protege el acero interior de la oxidación y se reforma rápidamente si se raya la superficie.

Esta capa de pasivación es diferente al enchapado. Algunos metales se recubren con zinc, cromo o níquel para proteger la superficie. En esos casos, los beneficios del revestimiento se pierden una vez que un rasguño penetra en el revestimiento. El cromo del interior del acero inoxidable proporciona más que esta protección superficial. Crea su película pasiva cada vez que se expone al aire. Por lo tanto, incluso si el acero inoxidable está profundamente rayado, la capa de pasivación se autocurará.

HIERRO + CARBONO =ACERO

+ CROMO =ACERO INOXIDABLE
(AL MENOS 10,5 % DE CROMO)

Aleaciones ferríticas

Cromo
(10,5–18 %)
Carbono
(0,08–0,15 %)

Aleaciones ferríticas

Cromo (10,5–18 %)
Carbono (0,08–0,15 %)

Aleaciones martensíticas

Carbono
(0,10-1,2 %)
+ Cromo
(12-18%)

La producción puede implicar el enfriamiento o el endurecimiento al aire.

Aleaciones martensíticas

Carbono (0,10-1,2 %)
+ Cromo (12-18%)

La producción puede implicar el enfriamiento o el endurecimiento al aire.

Aleaciones austeníticas

+ Cromo
(16%)
+ Níquel
(8+%)

Puede contener molibdeno, titanio o cobre.

Aleaciones austeníticas

+ Cromo (16%)
+ Níquel (8+%)

Puede contener molibdeno, titanio o cobre.

Aleaciones dúplex

+ cromo (19+%)
+ Molibdeno
+ pequeña cantidad de níquel

Generalmente contiene molibdeno, cobre u otros elementos de aleación.

Aleaciones dúplex

+ cromo (19+%)
+ Molibdeno
+ pequeña cantidad de níquel

Generalmente contiene molibdeno, cobre u otros elementos de aleación.

Aleaciones de endurecimiento por precipitación

+ Cromo
+ Níquel
+ Cobre y/u otros elementos

La producción debe incluir técnicas de tratamiento térmico.

Aleaciones de endurecimiento por precipitación

+ Cromo
+ Níquel
+ Cobre y/u otros elementos

La producción debe incluir técnicas de tratamiento térmico.

Tipos de acero inoxidable

Existen varias “familias” de acero inoxidable. Cada una de estas familias tiene diferentes proporciones de hierro, cromo y carbono. Algunos tienen otros elementos, como níquel, molibdeno, manganeso o cobre. Las propiedades de estos aceros varían según el contenido, lo que hace de este un grupo versátil de aleaciones.

Grados de acero inoxidable

Los grados dan una idea de la familia de un acero inoxidable en particular. Los grados más comunes son:

• Acero inoxidable ferrítico:430, 444, 409
• Inoxidable austenítico:304, 302, 303, 310, 316, 317, 321, 347
• Acero inoxidable martensítico:420, 431, 440, 416
• Acero inoxidable dúplex:2304, 2205

A veces, los ingenieros eligen entre aleaciones de la misma familia, como en los dos grados comerciales populares de acero inoxidable austenítico, 304 frente a 316. Sin embargo, no siempre es así. Los sistemas de escape de automóviles a menudo eligen entre 304 y 409. Las parrillas para barbacoa se pueden encontrar hechas de 304 o 430.

¿El acero inoxidable es magnético?

Usar un imán para determinar si el metal frente a ti es inoxidable no te dará una respuesta definitiva. Algunos grados y tipos de acero inoxidable son magnéticos y otros no, todo depende de los diferentes elementos de la aleación.

Los grados de acero inoxidable austenítico (serie 3xx) no son magnéticos. ¿Tu nevera de acero inoxidable que está limpia de imanes y arte frigorífico? Inoxidable austenítico debido a las microestructuras de los cristales. (Lea más abajo en nuestra sección de tecnología).

Los grados martensíticos y los inoxidables ferríticos más comunes, como el 430, son magnéticos. Los aceros dúplex, que son una mezcla de aceros austeníticos y ferríticos, suelen ser ligeramente magnéticos. Un imán en el acero ferrítico se mantiene firme. En el dúplex todavía, podría ser más fácil interrumpir y deslizarse.

Propiedades mecanicas del acero inoxidable

El acero inoxidable generalmente se elige porque es resistente a la corrosión, pero también se elige porque es acero. Propiedades como la resistencia, el rendimiento, la tenacidad, la dureza, la respuesta al endurecimiento por trabajo, la soldabilidad y la tolerancia al calor hacen del acero un metal increíblemente útil en la ingeniería, la construcción y la fabricación, especialmente dado su costo. Un ingeniero considera la carga de trabajo y las condiciones atmosféricas del acero inoxidable antes de decidirse por un grado.

Propiedades de tracción

Las propiedades de tracción de los metales se miden tirando. Una barra de tracción representativa está sujeta a una fuerza de tracción, también conocida como carga de tracción. En caso de falla, se miden la resistencia a la tracción, el límite elástico, el alargamiento y la reducción del área.

Dureza

La dureza es la capacidad del acero para resistir la indentación y la abrasión. Las dos pruebas de dureza más comunes son Brinell y Rockwell. En la prueba de Brinell, una pequeña bola de acero endurecido se introduce en el acero mediante una carga estándar y se mide el diámetro de la impresión resultante. La prueba de Rockwell mide la profundidad de la indentación. La dureza se puede aumentar en algunos metales mediante trabajo en frío, también conocido como endurecimiento por trabajo. En algunos metales, la dureza se puede aumentar mediante tratamiento térmico.

Resistencia

La tenacidad es la capacidad del acero para ceder plásticamente bajo tensión muy localizada. Un acero tenaz es resistente al agrietamiento, lo que hace que la tenacidad sea una cualidad muy deseable utilizada en aplicaciones de ingeniería. El nivel de tenacidad se determina mediante una prueba dinámica. Se muesca una barra de muestra para localizar la tensión y luego se golpea con un péndulo oscilante. La energía absorbida al romper la barra de muestra se mide por la cantidad de energía que pierde el péndulo. Los metales duros absorben más energía, mientras que los metales frágiles absorben menos.

Ferrítico

Los aceros inoxidables ferríticos contienen hierro, carbono y entre un 10,5 y un 18 % de cromo. Pueden contener otros elementos de aleación como molibdeno o aluminio, pero normalmente en cantidades muy pequeñas. Tienen una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC), igual que el hierro puro a temperatura ambiente.

Debido a su estructura cristalina, los aceros inoxidables ferríticos son magnéticos. Su contenido de carbono relativamente bajo produce una resistencia correspondientemente baja. Otras debilidades del tipo ferrítico incluyen una mala soldabilidad y una menor resistencia a la corrosión. Sin embargo, son deseables para aplicaciones de ingeniería debido a su tenacidad superior. Los aceros inoxidables ferríticos se utilizan a menudo para tubos de escape de vehículos, líneas de combustible y molduras arquitectónicas.

Austenítico

Los aceros inoxidables austeníticos tienen una estructura cristalina cúbica centrada en la cara (FCC) y están compuestos de hierro, carbono, cromo y al menos un 8 % de níquel. Debido a su alto contenido en cromo y níquel, son altamente resistentes a la corrosión y no magnéticos. Al igual que los aceros inoxidables ferríticos, los aceros inoxidables austeníticos no pueden endurecerse mediante tratamiento térmico. Sin embargo, pueden endurecerse mediante trabajo en frío. El alto contenido de níquel en los aceros inoxidables austeníticos los hace capaces de funcionar bien en aplicaciones de baja temperatura.

Los dos aceros inoxidables más comunes, 304 y 316, son grados austeníticos. El principal impulsor de la popularidad de los aceros inoxidables austeníticos es la facilidad con la que se pueden formar y soldar, lo que los hace ideales para la fabricación de alta eficiencia. Hay muchos subgrupos de aceros inoxidables austeníticos con amplias variaciones en el contenido de carbono. Las propiedades se afinan aún más mediante la adición de elementos de aleación como molibdeno, titanio y cobre. Los aceros inoxidables austeníticos se utilizan con frecuencia para producir fregaderos de cocina, marcos de ventanas, equipos de procesamiento de alimentos y tanques químicos. También se utilizan comúnmente para muebles de exteriores, como bancos, bolardos de acero inoxidable y aparcabicicletas.

Martensita

Los aceros inoxidables martensíticos tienen una estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). Contienen entre un 12 % y un 18 % de cromo y tienen un mayor contenido de carbono (0,1–1,2 %) que los aceros inoxidables austeníticos o ferríticos. Al igual que la estructura ferrítica BCC, BCT es magnética. Los aceros inoxidables martensíticos son muy útiles en situaciones en las que la resistencia del acero es más importante que su soldabilidad o resistencia a la corrosión. La principal distinción es que el acero inoxidable martensítico puede endurecerse mediante tratamiento térmico debido a su alto contenido de carbono. Esto los hace útiles para una serie de aplicaciones, incluidas piezas aeroespaciales, cuchillería y cuchillas.

Dúplex

Los aceros inoxidables dúplex son el tipo de acero inoxidable más nuevo. Contienen más cromo (19–32 %) y molibdeno (hasta un 5 %) que los aceros inoxidables austeníticos, pero significativamente menos níquel. Los aceros inoxidables dúplex a veces se denominan austeníticos-ferríticos porque tienen una estructura cristalina híbrida ferrítica y austenítica. La mezcla aproximadamente mitad y mitad de las fases austenítica y ferrítica en los aceros inoxidables dúplex le brinda ventajas únicas. Son más resistentes al agrietamiento por corrosión bajo tensión que los grados austeníticos, más duros que los grados ferríticos y aproximadamente dos veces más fuertes que una forma pura de cualquiera de ellos. La ventaja clave de los aceros inoxidables dúplex es la resistencia a la corrosión igual o superior a los grados austeníticos en el caso de la exposición al cloruro.

Los aceros inoxidables dúplex también son muy rentables. La fuerza y ​​la resistencia a la corrosión del acero inoxidable dúplex se logran con un contenido de aleación más bajo que los grados austeníticos equivalentes. Los aceros inoxidables dúplex se utilizan regularmente para producir piezas para aplicaciones expuestas al cloruro en la industria petroquímica y de desalinización. También se utilizan en las industrias de la construcción y la construcción para puentes, recipientes a presión y barras de unión.

Endurecimiento por precipitación

Los aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación pueden tener una variedad de estructuras cristalinas; sin embargo, todos contienen cromo y níquel. Sus características comunes son la resistencia a la corrosión, la facilidad de fabricación y una resistencia a la tracción extremadamente alta con tratamiento térmico a baja temperatura.

Las aleaciones de endurecimiento por precipitación austenítica han sido reemplazadas en su mayoría por superaleaciones de mayor resistencia. Sin embargo, los aceros inoxidables endurecidos por precipitación semiausteníticos continúan utilizándose en aplicaciones aeroespaciales, e incluso se aplican a nuevas formas. Los aceros inoxidables martensíticos de endurecimiento por precipitación son más fuertes que los grados martensíticos regulares y se usan con frecuencia para producir barras, varillas y alambres.

Una mirada técnica:la microestructura molecular del acero inoxidable

Cuando los metales salen del estado fundido, se cristalizan y forman granos. Esta estructura cristalina determina muchas de las propiedades mecánicas del metal. Muchos factores influyen en esta microestructura.

Los tipos de átomos en una aleación cambian la estructura debido a las moléculas formadas por esos tipos atómicos. Los porcentajes de cada material también determinan qué arreglos forman los átomos.

La temperatura tiene un efecto profundo en la forma de la red cristalina de un metal. Diferentes estructuras comienzan a formarse a temperaturas específicas. Las aleaciones tienen tablas de fase que demuestran qué tipos de granos son comunes a diferentes temperaturas y con diferentes porcentajes de elementos importantes.

Nuestro diagrama de fase de hierro-carbono ilustra la forma en que la temperatura y el carbono afectan la formación de granos en el acero. Muestra tres fases de formación de hierro:

• La ferrita, o hierro alfa, (α) es el grano estándar que se forma a temperaturas inferiores a 912 °C.
• La austenita, o hierro gamma (γ), tiene cristales de grano más densamente empaquetados y aparece entre 912 y 1394 °C.
• El hierro delta (δ) se forma a temperaturas superiores a 1395 °C, antes de que el hierro se vuelva líquido a 1538 °C. La fase de hierro delta se parece más al hierro α o ferrita.

La adición de carbono influye en cómo los granos básicos de acero cristalizan, estabilizan e interactúan entre sí. La temperatura influye en cómo se absorbe el carbono. La fase austenita de alta temperatura está saturada con el carbono, con moléculas de metal densamente empaquetadas. A otras temperaturas, no se absorbe todo el carbono. Crea otras estructuras moleculares. Por ejemplo, es común que una aleación de hierro y carbono contenga Fe₃ C moléculas de cementita. En forma pura, la cementita se clasifica como cerámica:es dura y quebradiza, y le otorga estos atributos al metal final. El grafito también se puede formar a nivel molecular. La forma de este grafito puede afectar el comportamiento del metal cuando se golpea. Los nódulos redondos de grafito pueden deslizarse entre sí cuando se golpean, deformándose pero sin romperse. En comparación, un metal con mucho grafito escamoso puede romperse a lo largo de los límites de las escamas cuando es golpeado. La rapidez con que se enfría un metal y si se trata con calor o se trabaja, también afectan el tamaño y la forma del grano.

Los aceros austeníticos son aquellos que tienen una red austenítica con hierro γ. En el diagrama de fases de hierro-carbono, esta red se encuentra normalmente a altas temperaturas. Sin embargo, agregar níquel y/o manganeso permite que la austenita permanezca mientras el acero se enfría. La microestructura de austenita se conoce como "cúbica centrada en las caras". Las moléculas cúbicas centradas en las caras otorgan propiedades particulares al metal.

Microestructuras cúbicas centradas en el cuerpo y centradas en las caras

El metal es un cristal hecho de una red molecular. Cada celda de una red está formada por átomos. El número de átomos en cada celda de la red y cómo se conectan entre sí cambia el comportamiento de esta red bajo tensión. Las redes básicas son primitivas, centradas en el cuerpo y centradas en la cara.

FORMAS CELULARES BÁSICAS

Primitivo
cúbico

• Cada átomo en este cubo primitivo se encuentra en una esquina de la celda. Cada átomo es un punto de conexión en la red.
• Cada átomo de la esquina se comparte por igual con las células que lo rodean. Por lo tanto, cada átomo es parte de ocho cubos adyacentes.
• La celda unitaria contiene 1 átomo en total. Debido a que cada uno de los átomos de las esquinas se comparte con ocho cubos adyacentes, solo 1/8 de cada átomo está dentro de la celda primitiva.
  8 x 1/8 de pieza de cada átomo de esquina =1 átomo en total.

Cuerpo-
Centrado
Cúbico (BCC)

• Al igual que la forma cúbica primitiva, hay átomos en cada esquina de la celda.
• Además, un átomo se encuentra en el medio de la celda. Este átomo no lo comparten otras células:hay 8 células unidas a la red y una sola al átomo.
• La celda unitaria contiene 2 átomos en total:
  8 atoms x 1/8 share per atom, as in the primitive cubic structure, plus the atom in the center.
• Alpha-iron (ferrite) and delta-iron are both BCC metals.

Face-Centered
Cubic (FCC)

• The face-centered cubic structure has atoms at each corner of the cell and additionally an atom in the center of each face of the cube.
• The “face” centered atoms are shared only with two cells, and so each contribute 1/2 an atom’s worth.
• The unit cell contains 4 atoms total:
  8 atoms x 1/8 share for the corner atoms, and 6 atoms x 1/2 share for the face-centered atoms.
• Gamma-iron (austenite) is an FCC metal.

Steel, without nickel or manganese, achieves a stable face-centered cubic (FCC) structure between 1,674—2,541°F. At these temperatures, carbon in the steel permeates each cell.

However, this steel, cooled in a regular (unquenched) fashion, will become ferritic and body-centered cubic (BCC). It will not maintain the FCC structure.

BCC lattices are more vulnerable to some types of mechanical strain than more densely-packed FCC structures. They don’t have the same number of atoms in each cell holding the lattice together. Keeping the FCC structure even at room temperatures helps maintain its extra strength. This is usually done with extra elements added to the alloy.

Microstructures of ferritic, austenitic, martensitic, and duplex steels

Ferritic steel is a common BCC steel. It becomes brittle at cryogenic temperatures, loses strength quickly in elevated temperatures, and is magnetic. These properties are due to the body-centered cubic (BCC) form.

Within each “loosely” packed BCC cell, not all electrons are able to find and pair with electrons of the opposite spin. It is these unattached electrons that create the magnetism of the ferritic steel. With only two atoms adding strength to each cell, ferritic steel is also easier to break, especially in hot or cold environments.

Austenitic steel is FCC at room temperature due to an addition of nickel in the alloy. Austenitic steel is more ductile than FCC, even at cryogenic temperatures. It has more heat-strength. It is also not magnetic. These properties are due to its face-centered (FCC) form.

All lattices have “slip systems,” or lines of shear, where the lattice can slide when struck without the cells being ripped apart. Cubic lattices have lots of symmetry and therefore more slip planes. Perhaps counterintuitively, the more densely packed FCC crystal has more lines of shear than the loosely packed BCC crystals. Densely packed crystals slide more easily past each other. Each cell has more atomic weight and strength and holds together more easily.

Plastic deformation at the micro level supports the material’s ductility at the macro level. This is why there is a wider range of resilience in face-centered cubic structures. Ferritic structures are more likely to shatter on impact, or fracture when stretched, especially in challenging environments.

Austenitic stainless steels are the only stainless types that do not become brittle and easily fractured in cryogenic applications. Austenitic steel keeps most of its toughness and elongation even below -292°F. Low-temperature embrittlement is characteristic of ferritic and duplex steels. After a transition temperature they become likely to shatter under stress.

Martensitic steels are another type of steel with a very different type of grain at the surface. These steels do not have a simple cubic microstructure. Martensite is formed by quenching:a rapid cooling of the surface. The environmental shock causes the lattice to heave as it freezes. Martensitic microstructures are under strain, in a body-centered tetragonal shape, and do not line up evenly. This allows martensitic surfaces to be harder, but they are also more brittle, even at room temperature.

Duplex steels are a relatively new addition to the varieties of stainless steels. These steels have a blend of microstructures. Interleaved layers of ferrite and austenite give the final material properties of both. The lower percentages of nickel and/or manganese needed for duplex stainless lowers the cost compared to austenitic stainless.

Care and maintenance of stainless steel

Although stainless steel is rust-resistant, it is not impervious. Its corrosion resistance is based on its passivation layer, which can be disturbed chemically. Salts, acids, scratches that hold moisture, and iron deposits can cause stainless steel to become vulnerable to rust.

Care must be taken when installing stainless:steel tools can change the surface chemistry of the steel by leaving behind iron deposits that make the surface vulnerable. Any place that has come into contact with steel should be cleaned. Deep scratches that could hold moisture should be avoided.

Maintenance of stainless surfaces is not difficult but should be undertaken regularly if the steel is exposed to bumps, scratches, salt, iron, or other chemicals. Outdoor site furniture should be attended to twice per year.

The way to clean stainless steel depends on the type of issue at hand. Different strategies are necessary for different types of marks. Our in-depth cleaning post describes steps for discoloration, rust, grease, fingerprints, cement, or limestone. It is good to deal with corrosion quickly. When caught early, WD-40 or another lubricant may be all that is necessary to remove rust.

With proper maintenance and care, the properties of stainless steel that make it so attractive—steel’s toughness wedded to chromium’s corrosion resistance and luster—can continue to be a stress-free asset for years.

For more information on stainless steel, or to request a quote for a custom project, please contact us.