Pregunte a un Ingeniero: Dominando las Propiedades del Acero Inoxidable Austenítico

Acero inoxidable austenítico versátil y resistente — incluso a temperaturas criogénicas o elevadas

El acero inoxidable se llama «inoxidable» por su resistencia al óxido. El acero contiene hierro y carbono en ciertos porcentajes: añadir el elemento cromo lo transforma de acero a acero inoxidable. Partiendo de estos tres elementos básicos, los metalúrgicos han creado una enorme gama de aceros inoxidables. Tipos de metales en la aleación, instrucciones de aleación, tratamientos térmicos y trabajo post-producción entran en la descripción de cada grado. Estas especificaciones se clasifican en cuatro sub-tipos principales: austenítico, ferrítico, martensítico y dúplex. Todos son útiles, pero los aceros austeníticos destacan por su utilidad superior. El 70 % de los artículos de acero inoxidable están hechos de acero inoxidable austenítico.

El cromo hace que el acero inoxidable sea resistente a la corrosión al oxidarse rápidamente. Esto forma un sello, o «capa pasiva», que protege el metal a base de hierro del óxido. El acero inoxidable austenítico tiene un elemento de aleación adicional, el níquel, que le da propiedades de resistencia y ductilidad.

Propiedades del acero inoxidable austenítico

El acero inoxidable austenítico tiene muchas propiedades útiles:

• Altamente resistente a la corrosión
• Duradero
• Conformable
• Soldable
• No se vuelve frágil a temperaturas criogénicas
• Rango de resistencia en caliente mayor que otros tipos de acero inoxidable
• Mayor expansión térmica que aceros martensíticos y ferríticos
• Menor conductividad térmica que grados martensíticos
• Generalmente no magnético; ligeramente magnético si se trabaja en frío

Estas propiedades hacen que el acero inoxidable austenítico sea versátil e ideal para muchas aplicaciones, incluyendo cocinas y equipos de procesamiento de alimentos, laboratorios y hospitales, mobiliario urbano exterior y revestimientos, hornos y calderas, intercambiadores de calor, y más. La serie 300 comercialmente común, incluyendo los grados 304 y 316, son aceros austeníticos.

El acero austenítico tiene estas propiedades útiles debido a su estructura molecular. Sin embargo, es costoso crear y mantener las moléculas de austenita dentro del acero. Por tanto, estos aceros solo se usan donde sus propiedades mejoradas son necesarias.

Microestructura austenítica

Cuando los metales se solidifican desde el estado fundido, cristalizan y forman granos que se unen en una red. Esta estructura cristalina determina muchas de las propiedades mecánicas del metal.

Hay muchos factores que influyen en esta microestructura: los materiales dentro de la red, qué tan caliente se pone el metal y qué tan rápido se enfría, y si el metal se trata térmicamente después. Las aleaciones austeníticas tienen algo llamado «microestructura cúbica centrada en las caras». Esta red está hecha de celdas densamente empaquetadas. Las moléculas de austenita centradas en las caras solo aparecen en aceros suaves cuando el hierro está en estado fundido. Cuando los metalúrgicos añaden níquel a la aleación, esta estructura puede mantenerse incluso cuando el metal está frío.

Las estructuras cúbicas centradas en las caras tienen átomos en cada esquina de la celda, más átomos en el centro de cada cara del cubo. Son los átomos en la cara de cada cubo los que dan al acero austenítico sus propiedades. La densidad de átomos por celda le da resistencia. Muchas otras formas de acero y acero inoxidable tienen estructuras menos densamente empaquetadas sin el átomo en el centro de cada cara.

El acero inoxidable austenítico es no magnético porque cada átomo en la celda puede encontrar una pareja con carga opuesta.

Acero inoxidable austenítico: adecuado para criogenia

Las estructuras cúbicas centradas en las caras son más resistentes a temperaturas extremas debido a la fuerza extra de los átomos adicionales por celda.

Los aceros inoxidables austeníticos son los únicos tipos de acero inoxidable que no se vuelven frágiles y fácilmente fracturables en aplicaciones criogénicas. Incluso por debajo de -180 °C (-292 °F), este material mantiene su tenacidad y alargamiento. Cuando se golpea, las moléculas pueden deslizarse unas sobre otras sin romperse.

En comparación, las estructuras cúbicas centradas en el cuerpo usualmente evidencian una temperatura de «transición» por debajo de la cual el material se rompe si se estresa mecánicamente. Esto se llama fragilización a baja temperatura.

Tolerancia al calor o resistencia en caliente

Cuando los metales se calientan, se ablandan hasta alcanzar sus puntos de fusión. Los que se ablandan menos rápido tienen mayor resistencia en caliente. El acero inoxidable austenítico comienza a perder su resistencia entre 480–540 °C (900–1000 °F) pero no tan rápido como otros tipos de acero inoxidable. Las temperaturas de servicio continuo en dos tipos, los aceros inoxidables martensíticos y ferríticos, están entre 700–815 °C (1300–1500 °F). La temperatura máxima de servicio continuo para el acero inoxidable austenítico 310 es 1 150 °C (2100 °F).

La complejidad de los metales

Los metales obtienen sus propiedades materiales únicas de su formación de red cristalina atómica. Estos granos son influenciados por muchos aspectos diferentes de la producción del metal.

El acero se crea cuando el hierro se alea con carbono, produciendo una aleación fuerte, dúctil, pero vulnerable al óxido. El cromo se añade para ayudar a crear una capa pasiva de óxido y prevenir el óxido. Cuando se trata térmicamente entre 910–1 390 °C (1 674–2 541 °F), el carbono permea a través de la red y el acero inoxidable ahora tiene mayor ductilidad y resistencia. La única forma de mantener esta estructura a temperatura ambiente es tener níquel y/o manganeso en la aleación. Estas adiciones proporcionan andamiaje químico para las celdas cúbicas centradas en las caras. Con todos estos elementos, se crea el acero inoxidable austenítico: no magnético, tolerante al calor y al frío, dúctil y soldable.

Los aceros inoxidables austeníticos resistentes siguen funcionando en muchos entornos industriales. Sus propiedades mecánicas los hacen, con mucho, la opción más popular en grados de acero inoxidable. Sin embargo, el níquel y manganeso añadidos hacen que los aceros austeníticos sean más caros: los nuevos aceros dúplex, que intercalan austenita y ferrita, tienden a tener algunas de las propiedades de ambos. Son una forma más barata de tener algunos beneficios del acero austenítico en entornos no extremos. Sin embargo, para aplicaciones criogénicas e intensivas en calor como calderas, intercambiadores de calor y líneas de vapor, el acero inoxidable austenítico seguirá siendo la opción más popular.