Manual Definitivo del Acero Inoxidable: Composición, Tipos y Cuidado

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

En esta guía:

• ¿Cómo se hace el acero inoxidable?
• ¿De qué está hecho el acero inoxidable?
• Tipos de acero inoxidable
• Grados de acero inoxidable
• ¿Es magnético el acero inoxidable?
• Propiedades mecánicas del acero inoxidable
• Una mirada técnica: microestructura molecular del acero inoxidable
• Cuidado y mantenimiento

El acero inoxidable es el nombre común para un gran grupo de aleaciones ferrosas resistentes al óxido. 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 al óxido lo hace una buena opción para muchas aplicaciones, incluyendo uso exterior, acuático, servicio alimentario y altas temperaturas.

¿Cómo se hace el acero inoxidable?

El acero inoxidable puede ser fundido o forjado. La diferencia principal está en cómo se forma en un producto final. El acero inoxidable fundido se hace vertiendo metal líquido en un contenedor de moldeo con forma específica. El acero inoxidable forjado comienza en una acería, donde coladoras continuas hacen el acero inoxidable en lingotes, bloques, tochos o planchones. Estas materias primas de fabricación deben luego formarse con trabajo adicional. Se recalientan y retrabajan usando técnicas de laminado o martilleo.

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

Los objetos de acero inoxidable fundido suelen hacerse y acabarse en una fundición o bajo su supervisión. Si son un componente pequeño de un producto mayor, la fundición puede ir a otras fábricas para ensamblaje. El acero inoxidable forjado empieza en una acería pero se convierte en 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 da 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 delgada y estable de pasivación de óxido de cromo (III) (Cr₂O₃). La capa de pasivación protege el acero interior de la oxidación y se reforma rápidamente si la superficie se raya.

Esta capa de pasivación es diferente al recubrimiento. Algunos metales se recubren con zinc, cromo o níquel para protección superficial. En esos casos, los beneficios del recubrimiento se pierden una vez que un rayado penetra el recubrimiento. El cromo dentro del acero inoxidable proporciona más que esta protección superficial. Crea su película pasiva siempre que se expone al aire. Por tanto, incluso si el acero inoxidable se raya profundamente, la capa de pasivación se auto-repara.

Composición Básica

HIERRO + CARBONO = ACERO

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

Tipos de acero inoxidable

Hay varias "familias" de acero inoxidable. Cada una tiene diferentes proporciones de hierro, cromo y carbono. Algunas tienen otros elementos como níquel, molibdeno, manganeso o cobre. Las propiedades de estos aceros varían según el contenido, haciendo de este un grupo versátil de aleaciones.

Aceros Ferríticos

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

Aceros Martensíticos

Carbono (0,10–1,2 %)
+ Cromo (12–18 %)
La producción puede implicar temple o endurecimiento al aire.

Aceros Austeníticos

+ Cromo (16 %)
+ Níquel (8 %+)
Pueden contener molibdeno, titanio o cobre.

Aceros Dúplex

+ Cromo (19 %+)
+ Molibdeno
+ pequeña cantidad de níquel
Generalmente contienen molibdeno, cobre u otros elementos de aleación.

Aceros de Endurecimiento por Precipitación

+ Cromo
+ Níquel
+ Cobre y/u otros elementos
La producción debe implicar técnicas de tratamiento térmico.

Grados de acero inoxidable

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

• Acero inoxidable ferrítico: 430, 444, 409
• Acero 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 vs 316. Sin embargo, no siempre es así. Los sistemas de escape automotriz a menudo eligen entre 304 y 409. Las parrillas de barbacoa pueden encontrarse hechas de 304 o 430.

¿Es magnético el acero inoxidable?

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

Los grados austeníticos de acero inoxidable (serie 3xx) no son magnéticos. ¿Su nevera de acero inoxidable limpia de imanes y dibujos? Acero inoxidable austenítico debido a las microestructuras de los cristales.

Los grados martensíticos y los más comunes ferríticos, 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 sujeta firmemente. En el dúplex, puede ser más fácil de desplazar y deslizar.

Propiedades mecánicas del acero inoxidable

El acero inoxidable se elige usualmente porque es resistente a la corrosión —pero también porque es acero. Propiedades como resistencia, límite elástico, tenacidad, dureza, respuesta al endurecimiento por trabajo, soldabilidad y tolerancia al calor hacen del acero un metal increíblemente útil en ingeniería, construcción y manufactura, especialmente dado su coste. Un ingeniero considera la carga de trabajo y condiciones atmosféricas del acero inoxidable antes de decidir un grado.

Propiedades de tracción

Las propiedades de tracción de los metales se miden tirando. Una probeta de tracción representativa se somete a fuerza de tracción, también conocida como carga tensil. Al fallar, se miden la resistencia a la tracción, límite elástico, alargamiento y reducción de área.

Dureza

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

Tenacidad

La tenacidad es la capacidad del acero para ceder plásticamente bajo tensión muy localizada. Un acero tenaz es resistente al agrietamiento, haciendo de la tenacidad una cualidad muy deseable en aplicaciones de ingeniería. El nivel de tenacidad se determina usando un test dinámico. Una probeta con muesca para localizar la tensión es golpeada por un péndulo oscilante. La energía absorbida al romper la probeta se mide por cuánta energía pierde el péndulo. Los metales tenaces absorben más energía, mientras que los frágiles absorben menos.

Ferrítico

Los aceros inoxidables ferríticos contienen hierro, carbono y 10,5–18 % de cromo. Pueden contener otros elementos de aleación como molibdeno o aluminio, pero usualmente en cantidades muy pequeñas. Tienen una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC) —la misma 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 correspondientemente baja resistencia. Otras debilidades del tipo ferrítico incluyen mala soldabilidad y resistencia a la corrosión reducida. Son, sin embargo, deseables para aplicaciones de ingeniería por su tenacidad superior. Los aceros inoxidables ferríticos se usan 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 las caras (FCC) y están compuestos de hierro, carbono, cromo y al menos 8 % de níquel. Debido a su alto contenido de cromo y níquel, son altamente resistentes a la corrosión y no magnéticos. Como los aceros inoxidables ferríticos, los austeníticos no pueden endurecerse por tratamiento térmico. Sin embargo, pueden endurecerse por 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 ambos grados austeníticos. El principal impulsor de la popularidad de los aceros inoxidables austeníticos es la facilidad con que pueden formarse y soldarse, haciéndolos ideales para manufactura de alta eficiencia. Hay muchos subgrupos de aceros inoxidables austeníticos con amplias variaciones en contenido de carbono. Las propiedades se afinan más con la adición de elementos de aleación como molibdeno, titanio y cobre. Los aceros inoxidables austeníticos se usan frecuentemente para producir fregaderos de cocina, marcos de ventanas, equipos de procesamiento de alimentos y tanques químicos. También se usan comúnmente para mobiliario de exterior como bancos, bolardos de acero inoxidable y aparcabicicletas.

Martensítico

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

Dúplex

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

Los aceros inoxidables dúplex también son muy rentables. La resistencia y resistencia a la corrosión del acero inoxidable dúplex se logran con un contenido de aleación menor que grados austeníticos equivalentes. Los aceros inoxidables dúplex se usan regularmente para producir piezas para aplicaciones expuestas a cloruros en la industria de desalinización y petroquímica. También se usan en industrias de construcción y edificación para puentes, vasos a presión y barras de unión.

Endurecimiento por Precipitación

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

Las aleaciones de endurecimiento por precipitación austeníticas han sido mayormente reemplazadas por superaleaciones de mayor resistencia. Sin embargo, los aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación semi-austeníticos continúan usándose en aplicaciones aeroespaciales, e incluso aplicados a nuevas formas. Los aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación martensíticos son más fuertes que los grados martensíticos regulares y se usan frecuentemente para producir barras, varillas y alambres.

Una mirada técnica: microestructura molecular del acero inoxidable

Cuando los metales se solidifican desde el estado fundido, 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 fases hierro-carbono ilustra cómo la temperatura y el carbono afectan la formación de granos en el acero. Muestra tres fases de formación de hierro:

• Ferrita, o hierro alfa (α), es el grano estándar formado a temperaturas bajo 912 °C.
• Austenita, o hierro gamma (γ), tiene granos cristalinos más densamente empaquetados y aparece entre 912–1394 °C.
• Hierro delta (δ) se forma a calores sobre 1395 °C, antes de que el hierro se vuelva líquido a 1538 °C. La fase de hierro delta se parece más a α-hierro, o ferrita.

La adición de carbono influye en cómo los granos básicos de acero cristalizan, estabilizan e interactúan. La temperatura influye en cómo el carbono se absorbe. La fase de austenita a alta temperatura está saturada de carbono, con moléculas de metal densamente empaquetadas. A otras temperaturas, no todo el carbono se absorbe. Crea otras estructuras moleculares. Por ejemplo, es común que una aleación hierro-carbono contenga moléculas de cementita Fe₃C. En forma pura, la cementita se clasifica como cerámica: es dura y frágil, y presta estos atributos al metal final. El grafito también puede formarse a nivel molecular. La forma de este grafito puede afectar cómo se comporta el metal al ser golpeado. Nódulos de grafito redondos pueden deslizarse unos past otros cuando son golpeados, deformándose pero no rompiéndose. En comparación, un metal con mucho grafito escamoso puede cizallarse a lo largo de los límites de escamas al ser golpeado. Qué tan rápido se enfría un metal, y si es tratado térmicamente o trabajado, también afectan el tamaño y forma del grano.

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

Microestructuras cúbicas centradas en el cuerpo vs. 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 red, y cómo se conectan entre sí, cambian cómo esta red se comporta bajo tensión. Las redes básicas son primitiva, centrada en el cuerpo y centrada en las caras.

FORMAS BÁSICAS DE CELDA

Primitiva Cúbica

• Cada átomo en este cubo primitivo está en una esquina de la celda. Cada átomo es un punto de conexión en la red.
• Cada átomo de esquina se comparte equitativamente con las celdas alrededor. Por tanto, cada átomo es parte de ocho cubos adyacentes.
• La celda unitaria contiene 1 átomo en total. Como cada átomo de esquina se comparte con ocho cubos adyacentes, solo 1/8 de cada átomo está dentro de la celda primitiva. 8 x 1/8 de cada átomo de esquina = 1 átomo total.

Centrada en el Cuerpo Cúbica (BCC)

• Como la forma cúbica primitiva, hay átomos en cada esquina de la celda.
• Adicionalmente, un átomo está en el centro de la celda. Este átomo no se comparte con otras celdas: hay 8 celdas unidas a la red y una solo al átomo.
• La celda unitaria contiene 2 átomos en total: 8 átomos x 1/8 de participación por átomo, como en la estructura cúbica primitiva, más el átomo en el centro.
• Hierro alfa (ferrita) y hierro delta son ambos metales BCC.

Centrada en las Caras Cúbica (FCC)

• La estructura cúbica centrada en las caras tiene átomos en cada esquina de la celda y adicionalmente un átomo en el centro de cada cara del cubo.
• Los átomos "centrados en la cara" se comparten solo con dos celdas, y así cada uno contribuye 1/2 del valor de un átomo.
• La celda unitaria contiene 4 átomos en total: 8 átomos x 1/8 de participación para átomos de esquina, y 6 átomos x 1/2 de participación para átomos centrados en la cara.
• Hierro gamma (austenita) es un metal FCC.

El acero, sin níquel o manganeso, logra una estructura cúbica centrada en las caras (FCC) estable entre 1674–2541 °F. A estas temperaturas, el carbono en el acero permea cada celda.

Sin embargo, este acero, enfriado de forma regular (sin temple), se volverá ferrítico y cúbico centrado en el cuerpo (BCC). No mantendrá la estructura FCC.

Las redes BCC son más vulnerables a algunos tipos de tensión mecánica que las estructuras FCC más densamente empaquetadas. No tienen el mismo número de átomos en cada celda manteniendo la red unida. Mantener la estructura FCC incluso a temperaturas ambiente ayuda a mantener su resistencia extra. Esto se hace usualmente con elementos extra añadidos a la aleación.

Microestructuras de aceros ferríticos, austeníticos, martensíticos y dúplex

Acero ferrítico es un acero BCC común. Se vuelve frágil a temperaturas criogénicas, pierde resistencia rápidamente a temperaturas elevadas, y es magnético. Estas propiedades se deben a la forma cúbica centrada en el cuerpo (BCC).

Dentro de cada célula BCC "poco empaquetada", no todos los electrones pueden encontrar y emparejarse con electrones de spin opuesto. Son estos electrones sin emparejar los que crean el magnetismo del acero ferrítico. Con solo dos átomos añadiendo resistencia a cada celda, el acero ferrítico también es más fácil de romper, especialmente en entornos calientes o fríos.

Acero austenítico es FCC a temperatura ambiente debido a una adición de níquel en la aleación. El acero austenítico es más dúctil que el FCC, incluso a temperaturas criogénicas. Tiene más resistencia al calor. Tampoco es magnético. Estas propiedades se deben a su forma centrada en las caras (FCC).

Todas las redes tienen "sistemas de deslizamiento", o líneas de cizalla, donde la red puede deslizarse al ser golpeada sin que las celdas se rompan. Las redes cúbicas tienen mucha simetría y por tanto más planos de deslizamiento. Quizás contraintuitivamente, el cristal FCC más densamente empaquetado tiene más líneas de cizalla que los cristales BCC poco empaquetados. Los cristales densamente empaquetados se deslizan más fácilmente unos past otros. Cada celda tiene más peso y resistencia atómica y se mantiene unida más fácilmente.

La deformación plástica a nivel micro soporta la ductilidad del material a nivel macro. Por eso hay un rango más amplio de resiliencia en estructuras cúbicas centradas en las caras. Las estructuras ferríticas son más propensas a romperse por impacto, o fracturarse al estirarse, especialmente en entornos desafiantes.

Los aceros inoxidables austeníticos son los únicos tipos de acero inoxidable que no se vuelven frágiles y fácilmente fracturables en aplicaciones criogénicas. El acero austenítico mantiene la mayor parte de su tenacidad y alargamiento incluso por debajo de -180 °C (-292 °F). El fragilizado a baja temperatura es característico de aceros ferríticos y dúplex. Tras una temperatura de transición se vuelven propensos a romperse bajo tensión.

Acero martensítico es otro tipo de acero con un tipo de grano muy diferente en la superficie. Estos aceros no tienen una microestructura cúbica simple. La martensita se forma por temple: un enfriamiento rápido de la superficie. El choque ambiental causa que la red se eleve al congelarse. Las microestructuras martensíticas están bajo tensión, en forma tetragonal centrada en el cuerpo, y no se alinean uniformemente. Esto permite que las superficies martensíticas sean más duras, pero también más frágiles, incluso a temperatura ambiente.

Acero dúplex es una adición relativamente nueva a las variedades de aceros inoxidables. Estos aceros tienen una mezcla de microestructuras. Capas intercaladas de ferrita y austenita dan al material final propiedades de ambos. Los porcentajes más bajos de níquel y/o manganeso necesarios para el acero inoxidable dúplex reducen el coste comparado con el acero inoxidable austenítico.

Cuidado y mantenimiento del acero inoxidable

Aunque el acero inoxidable es resistente al óxido, no es impermeable. Su resistencia a la corrosión se basa en su capa de pasivación, que puede ser perturbada químicamente. Sales, ácidos, rayados que retienen humedad, y depósitos de hierro pueden hacer que el acero inoxidable sea vulnerable al óxido.

Debe tenerse cuidado al instalar acero inoxidable: las herramientas de acero pueden cambiar la química de la superficie dejando depósitos de hierro que hacen la superficie vulnerable. Cualquier lugar que haya estado en contacto con acero debe limpiarse. Los rayados profundos que puedan retener humedad deben evitarse.

El mantenimiento de superficies de acero inoxidable no es difícil pero debe hacerse regularmente si el acero está expuesto a golpes, rayados, sal, hierro u otros químicos. El mobiliario de exterior de acero inoxidable debe atenderse dos veces al año.

La forma de limpiar acero inoxidable depende del tipo de problema. Diferentes estrategias son necesarias para diferentes tipos de marcas. Nuestra publicación detallada de limpieza describe pasos para decoloración, óxido, grasa, huellas dactilares, cemento o caliza. Es bueno tratar la corrosión rápidamente. Cuando se detecta temprano, WD-40 u otro lubricante puede ser todo lo necesario para eliminar el óxido.

Con mantenimiento y cuidado adecuados, las propiedades del acero inoxidable que lo hacen tan atractivo —la tenacidad del acero unida a la resistencia a la corrosión y el brillo del cromo— pueden seguir siendo un activo libre de estrés por años.

Para más información sobre acero inoxidable, o para solicitar un presupuesto para un proyecto personalizado, contáctenos.