El diseño de acero inoxidable de duplex es una clase única de materiales de ingeniería preciados por su notable equilibrio de alta resistencia y resistencia a la corrosión. Su microestructura de dos fases - aproximadamente partes iguales austenita y ferrite- ofrece propiedades mecánicas que a menudo superan los de acero inoxidable convencional austrítico o ferrítico, haciéndolos indispensables en el procesamiento químico, exploración de petróleo y gas, infraestructura marina y fabricación de pulpa y papel.

¿Qué son los aceros inoxidables dúplex?

La resistencia al grieta de acero inoxidable dúplex se define por su microestructura de doble fase: aproximadamente 40–60 % ferrito (estación cúbica centrada en el cuerpo del hierro) y 40–60 % austenita (es decir, la fase cúbica del grieta centrada en el hierro-cromo). Esta estructura equilibrada se logra mediante la aleación cuidadosa y el tratamiento térmico.

Los grados de duplex más comunes son UNS S32205 (2205) ], UNS S31803 (2205 equivalente) y los grados super duplex como S32750 (2507) y [FLT]

Elementos de aleación clave y sus funciones

Cada elemento de aleación añadido a un acero inoxidable dúplex sirve un propósito, ya sea mediante la estabilización de una de las dos fases, la mejora de la resistencia a la corrosión, o el fortalecimiento directo de la matriz. A continuación se examinan detalladamente los principales elementos de aleación y sus contribuciones para producir fuerza.

Cromo (Cr)

El cromo es el elemento fundamental de todos los aceros inoxidables, proporcionando pasividad y resistencia a la corrosión. En grados dúplex, el cromo está normalmente presente en concentraciones de 20–25 %. El cromo es un fuerte estabilizador de férulas; promueve la formación de la fase ferrite ampliando el campo de fase férrea.

Nickel (Ni)

Nickel es el principal estabilizador de austenita, esencial para lograr el equilibrio de fase 50‐50 deseado. Las calificaciones dúplex típicas contienen 4-7 % níquel. Mientras que el níquel en sí no aumenta drásticamente la fuerza de rendimiento, su acción en la formación y estabilización de austenita afecta indirectamente la fuerza. Un contenido austenito equilibrado asegura que el material mantenga suficiente ductilidad y resistencia a la nitridad, que son difíciles

Molibdeno (Mo)

El molibdeno es un potente estabilizador de ferritas y uno de los elementos más eficaces para aumentar la resistencia a la corrosión (como se mide por el número equivalente de resistencia de Pitting, PREN). En aceros inoxidables dúplex, el contenido de molibdeno suele oscilar entre 2 y 4 % para las calificaciones estándar y hasta 6-7 % para las calificaciones super duplex.

Nitrógeno (N)

Nitrógeno es el elemento de aleación más potente para aumentar la resistencia del nitrógeno al dúplex.Presentación en concentraciones de 0,10–0,30 %, nifitrógeno actúa como un estabilizador de austenita fuerte y un refuerzo intersticial. Debido a que los átomos de nitrógeno son pequeños, ocupan sitios intersticiales en la celosía de la fase, creando una dislocación de alimentir.

Manganese (Mn)

Manganese es un estabilizador de austenita más débil que el níquel, pero a menudo se utiliza como sustituto parcial debido a consideraciones de coste. En algunas categorías dúplex, manganeso se añade en cantidades hasta un 2 % para aumentar la solubilidad del nitrógeno, permitiendo así un mayor contenido de nitrógeno sin causar porosidad o formación de nitritos.

Otros elementos: cobre, tungsteno, silicona y carbono

Identificar la resistencia a la corrosión, pero no es un efecto de resistencia a la corrosión, sino que es un reemplazo parcial para la formación de molibdeno en grados super duplex para aumentar la resistencia a la corrosión y el refuerzo de la corrosión.

Mecanismos para aumentar la fuerza de rendimiento

La fuerza de rendimiento de los aceros inoxidables dúplex es el resultado de varios mecanismos de fortalecimiento simultáneo. Entendiendo estos mecanismos permite a los diseñadores de aleación optimizar la composición y el procesamiento para lograr las propiedades de destino.

Fortalecimiento de la solución sólida

Este es el mecanismo principal por el cual elementos de aleación como cromo, molibdeno y níquel aumentan la fuerza de rendimiento. Los átomos substitucionales (Cr, Mo, Ni) se disuelven en la rejilla de hierro y crean cepas de celo local que obstruyen el deslizamiento del glide. La magnitud del fortalecimiento depende del tamaño de la dispersión del átomo de soluto y el disolvente (hielo)

Fortalecimiento de la precipitación (Reducción de la edad)

En ciertos aceros inoxidables dúplex, en particular los que contienen cobre o titanio, los precipitados finos pueden formar a temperaturas moderadas. Estos precipitados actúan como obstáculos para el movimiento de dislocación, requiriendo mayores tensiones para evitarlos. Por ejemplo, los grados dúplex de cobre que son portadores de cobre (como UNS S32550) pueden lograr mayor resistencia al rendimiento mediante la formación de precipitaciones ricas en cobre.

Refinemento de la abuela

La relación Hall‐Petch afirma que la resistencia aumenta a medida que disminuye el tamaño medio del grano. En aceros inoxidables dúplex, la estructura de granos consiste en la lamella alterna de ferrite y austenita. La vía media libre para dislocaciones se determina por el espaciado inter-lat. Control del tratamiento térmico (temperatura de refrigeración y tasa de refrigeración) y procesos de trabajo caliente pueden refinar el microestructuración.

Hardening (Recortamiento de trabajo)

Los aceros inoxidables dúplex presentan un endurecimiento de trabajo significativo debido a los diferentes comportamientos de deformación de ferrite y austenite. Durante la deformación plástica, las dislocaciones se acumulan y el material se fortalece. La presencia de dos fases crea fuentes adicionales de dislocación en los límites de fase. Si bien no una consideración de diseño primario para la resistencia al rendimiento estático, el endurecimiento del trabajo es un factor para los componentes sometidos a la formación de frío o curvación.

Impacto de la aleación en el equilibrio de fase y la microestructura

La fuerza de rendimiento de un acero inoxidable dúplex no puede considerarse sin referencia a su microestructura. Las proporciones relativas de ferrite y austenita —y la presencia de cualquier fase secundaria— influyen directamente en las propiedades mecánicas.

Ratio de ferrita‐ austenita

El balance de nitrógeno es más fuerte y más fuerte en el caso de los cambios de la fase de nitrógeno.El balance de nitrógeno es más fuerte y se reduce considerablemente en el caso de los cambios de nitrógeno en el caso de la fase de ferrigen.

Fases intermetallicas

La exposición a las temperaturas en el rango de 600–1000 °C durante el tratamiento térmico o la soldadura puede llevar a la precipitación de fases intermetallicas como la fase sigma (σ), la fase chi (χ) y las fases de lavado. Estas fases son ricas en cromo y molibdeno y son extremadamente duras y frágiles.

Nitrógeno como estabilizador de microestructura

El nitrógeno no sólo fortalece el austenito sino que también lo estabiliza durante el tratamiento térmico, promoviendo una distribución más uniforme de las fases. Este efecto mejora la consistencia mecánica general del material. En las articulaciones soldadas, el nitrógeno ayuda a reducir la formación de zonas ricas en ferrita que pueden sufrir de menor dureza. Muchos metales de relleno para soldaduras dúplex se enriquecen deliberadamente con nitrógeno para mantener el equilibrio metálico de austenita en el balance.

Efecto sobre la fuerza de rendimiento: Ejemplos cuantitativos

Para ilustrar el impacto práctico de elementos de aleación sobre la fuerza de rendimiento, examinamos tres grados comunes de acero inoxidable dúplex: estándar 2205, super duplex 2507, y un grado dúplex mago.

Dúplex Grado 2205 (UNS S32205 / S31803)

La estructura de nitrógenos de grado inferior es de 480 a 550 MPa. La resistencia mínima de rendimiento (0,2 % offset) es de 450 MPa para S32205, pero la resistencia de rendimiento de los rendimientos de los anécdomos es de 480 a 550 MPa.

Super Duplex 2507 (UNS S32750)

Super duplex grades están diseñados para los entornos más agresivos, como la producción de aceite y gas offshore, plantas de desalinización y reactores químicos. La composición del 2507 incluye 25 % Cr, 7 % Ni, 4 % Mo, 0.25–0.30 % N. Su resistencia mínima de rendimiento es de 550 MPa, y los valores típicos alcanzan los 600–680 MPa.

Grados de dúplex magros (por ejemplo, UNS S32101, S32304)

Los grados de duplex magros están diseñados con menor contenido de níquel y molibdeno para reducir el coste, ofreciendo una mayor resistencia a la corrosión que los austenitics estándar. Por ejemplo, UNS S32101 (21 % Cr, 1,5 % Ni, 0,6 % Mo, 0,20 % N, 5 % Mn) tiene una resistencia mínima al rendimiento de 450 MPa, comparable a 2205.

Consideraciones para el tratamiento y procesamiento de calor

La resistencia al rendimiento de los aceros inoxidables duplex está influenciada no sólo por la composición sino también por la historia térmica-mecánica. La solución de la solución de la solución a 1020-1150 °C seguida de la rápida apagación del agua es el tratamiento de calor estándar. Durante el amasamiento, la microestructura homogeneiza y cualquier fase intermetallica se disuelve.

El trabajo frío (rolling, dibujo) puede aumentar la fuerza de rendimiento mediante el endurecimiento de la cepa. Por ejemplo, los tubos dúplex desenrollados en frío pueden mostrar resistencias de rendimiento de 100 a 200 MPa por encima de los valores anatados. Sin embargo, el trabajo frío también reduce la ductilidad y puede afectar la resistencia a la corrosión si la superficie está dañada.

La soldadura es otro paso crítico de procesamiento. La zona afectada por el calor (HAZ) de una soldadura dúplex puede experimentar ferrite-enrichment si el enfriamiento es demasiado rápido, reduciendo el contenido de austenita y provocando una pérdida de dureza. Aleaciones de relleno adecuado con níquel extra y nítrógeno se utilizan para mantener el equilibrio de fase y evitar una reducción significativa en la unión soldada.

Conclusión

La resistencia al rendimiento de los aceros inoxidables dúplex es una función compleja de composición de aleación, equilibrio de fases y historia del procesamiento. Los elementos de aleación como cromo, molibdeno, níquel y especialmente nitrógeno juegan roles distintos en el fortalecimiento del material a través de efectos de solución sólida, endurecimiento de precipitación y estabilización microestructural.

Las calidades duplex prácticas, que van desde el dúplex de magro económico hasta el super duplex de alto rendimiento, demuestran que la aleación dirigida puede lograr resistencias de rendimiento de 450 MPa a más de 650 MPa. La capacidad de adaptar estas propiedades ha hecho que los aceros inoxidables duplex sean un material de elección en entornos exigentes donde tanto la resistencia como la resistencia a la corrosión sean primordiales.

Para más información sobre composiciones y propiedades de acero inoxidable dúplex, consulte referencias autorizadas de la Asociación Internacional de Molibdeno , Datos técnicos Outokumpu y Wikipedia's overview of duplex stainless steel].