310/S, 309/S
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Información General

 

Las aleaciones 309/309S y 310/310S son aceros inoxidables austeníticos, utilizadas mayormente para aplicaciones de temperatura elevada. Su alto contenido de cromo y níquel  proporcionan una resistencia a la corrosión comparable, y la retención de una mayor fracción de fuerza en temperatura ambiente, que la aleación austenítico común, 304.

 
Estándares: ASTM A167, ASTM A240

 

 

Aplicaciones

 

Las aleaciones superiores de acero inoxidable exhiben por lo general una excelente Resistencia a temperaturas elevadas, junto con resistencia a la fluencia y deformación por ataques ambientales. Como tal, se utilizan ampliamente en la industria de tratamiento térmico  para partes de hornos como las Cintas transportadoras, rodillos, piezas de los quemadores, los soportes refractarios, retortas y revestimientos de hornos, ventiladores, tubos, cestos y bandejas para sostener piezas chicas. Estas aleaciones también se utilizan en la industria de procesos químicos para contener ácidos concentrados calientes, amoniaco y dióxido de azufre. En la industria de procesamiento de alimentos, se utilizan en contacto con ácido acético y acido cítrico caliente.

 

Composición Química

 

 

 

309

309S

Carbono

0.2

0.08

Manganeso

2.0

2.0

Fosforo

0.045

0.045

Azufre

0.03

0.03

Silicio

0.75

0.75

Cromo

22.0 - 24.0

22.0 - 24.0

Nitrógeno

12.0 - 15.0

12.0 - 15.0

Hierro

Balance

Balance

 

 

 

310

310S

Carbono

0.25

0.08

Manganeso

2.0

2.0

Fosforo

0.045

0.045

Azufre

0.03

0.03

Silicio

1.75

1.50

Cromo

24.0 - 26.0

24.0 - 26.0

Níquel

19.0 - 22.0

19.0 - 22.0

Hierro

Balance

Balance

 

 

Resistencia a la Corrosión

 

Resistencia a la corrosión acuosa
Las aleaciones 309/309S y 310/310S se utilizan principalmente a temperaturas elevadas para aprovechar de su resistencia a la corrosión. Sin embargo, ambos de estas aleaciones son resistentes a la corrosión acuosa debido a su alto contenido de cromo y níquel.
A pesar de que su mayor contenido de níquel proporciona una mejoría marginal con respecto al agrietamiento por corrosión de cloruro bajo tensión, en comparación con los aceros inoxidables 18-8, las aleaciones 309/309S y 310/310S no son inmunes a este tipo de ataque.
 
Ciertas aplicaciones especifican el uso de la aleación 310/310S  donde se requiere una resistencia mayor a la corrosión acuosa.
 
 
Resistencia a la oxidación en temperaturas elevadas
Los aceros inoxidables son resistentes a la oxidación a través de la oxidación selectiva del cromo, lo cual forma un oxido muy estable con crecimiento lento  (Cr2O3 o cromia). Dado suficiente cromo en la aleación subyacente, una capa de superficie compacta y adherente de oxido de cromo se establece, lo cual impide la formación de óxidos de otros óxidos que crecen mas rápido, y también sirve como una barrera a degradación adicional. La velocidad de oxidación es controlada por el transporte de especies cargadas a través de la escala de cromia externo. Mientras la escala de la superficie se espesa, la tasa de oxidación disminuye drásticamente porque las especies cargadas deben viajar más lejos. Este proceso,  el análogo de alta temperatura de pasivación durante corrosión en bajas temperaturas, se conoce como la formación de incrustaciones de protección.
 
La resistencia a la oxidación de los aceros inoxidables austeníticos se puede aproximar por su contenido de cromo. Aleaciones con resistencia infalible al calor contienen por lo general un 20% (en peso) de cromo. Sustitución de hierro  con níquel también mejora el comportamiento de una aleación en altas temperaturas. Las aleaciones 309/309S y 310/310S son materiales altamente aleados y son, por lo tanto, muy resistentes a la oxidación.
 
Una muestra de metal oxidado aumentará en peso correspondiente a la cantidad de oxigeno incorporado en la escala y cualquier oxidación interna. La mediación del cambio de peso de una muestra que ha sido expuesto a altas temperaturas durante un período de tiempo es una manera de determinar la resistencia a la oxidación de una aleación. Mayores ganancias de peso indican, por lo general, oxidación más severa.
 
 
Otras formas de degradación
Otras especies aparte del oxigeno presentes en el ambiente de alta temperatura pueden causar la degradación acelerado de acero inoxidable. La presencia de azufre puede provocar un ataque de sulfuración. La sulfuracion de los aceros inoxidables es un proceso complicado que depende en gran medida de los niveles relativos de azufre y oxigeno, junto con la forma de azufre presente. El ataque de sulfuración todavía puede ocurrir en regiones en las que esta barrera ha sido dañada. La sulfatación se intensifica en aleaciones con una cantidad significativo (25% o más) de níquel. Níquel y sulfuro de níquel forman un bajo punto de fusión eutéctica lo cual puede provocar daños catastróficos a la aleación subyacente en temperaturas elevadas.
 
Los altos niveles de especies que contienen carbono en el ambiente pueden dar lugar a la entrada indeseada de carbono y la formación subsiguiente de carburos internos. Por lo general, la carburación tiene lugar en temperaturas superiores a 1470°F (800°C). La formación de una zona de metal internamente carburizado puede causar cambios indeseados en las propiedades físicas y mecánicas. Por lo general, la presencia de oxigeno evitará este ingreso con la formación de una capa externa protectora. Los niveles mas altos de níquel y cilicio son algo eficaz en la reducción a la susceptibilidad de la carburación. La formación de polvo metálico es una forma específica de ataque de carburación que generalmente se produce en temperaturas mas bajas (660-1650°F o 350-900°C). Esto puede resultar en un ataque local catastrófico a través de la formación de cráteres profundos por un mecanismo complejo que convierte el metal solido en una mezcla de grafito y partículas de metal.
 
Nitruración puede ocurrir en la presencia de gas nitrógeno. Los óxidos son generalmente más estables que los nitruros así que en un ambiente que contiene oxigeno, típicamente se formará una capa de óxido. Estas capas de óxido son buenas barreras al ingreso del nitrógeno de manera que nitruración es raramente una preocupación en el aire o los gases típicos de los productos de combustión. Nitruración puede ser un problema en el nitrógeno purificado y es de interés especialmente en entornos de amoniaco craqueado  donde la potencial de oxigeno es muy baja. A temperaturas relativamente bajas se formará una película de nitruro en la superficie. En temperaturas altas (superior a 1832°F o 1000°C) la difusividad del nitrógeno es lo suficientemente rápido que el nitrógeno penetra profundamente al metal y causa la formación de nitruros internos sobre los limites del grano y dentro de los granos. Esto puede comprometer las propiedades mecánicas.
 
La inestabilidad metalúrgica, o la formación de nuevas fases durante la exposición a altas temperaturas, pueden tener un efecto negativo en cuanto a las propiedades mecánicas y reducir la resistencia a la corrosión. Las partículas de carburo tienden a precipitar en los limites del grano (sensibilización) cuando los aceros austeníticos se mantienen a, o se templan lentamente, entre el rango de temperaturas de 800-1650°F (427-899°C). Los contenidos altos de cromo y níquel en estas aleaciones resultan en una solubilidad inferior de carbono, lo cual tiende a aumentar la susceptibilidad a la sensibilización. El templado forzado (gas o líquido) se recomienda durante el intervalo de temperatura crítica, en particular para secciones más gruesas. El tiempo a temperatura requerida para formar carburos de cromo aumenta con la disminución del contenido de carbono. Por lo tanto, las versiones de bajo carbono de estas aleaciones son más resistentes pero no inmunes a la sensibilización. Cuando se calienta a temperaturas 1200-1850°F (649-1010°C) por periodos largos, las aleaciones 309/309S y 310/310S pueden exhibir ductilidad disminuida a temperatura ambiente debido a la precipitación de partículas quebradizas (fase sigma y carburos). La fase sigma se forma a menudo en los límites del grano y puede reducir la ductilidad. Este efecto se puede reversar, y la ductilidad puede ser restaurada por completo con el recocido a temperaturas sugeridas.  
 
 
Corrosión de Picaduras/Hendiduras

Las aleaciones 18-8 se han utilizado con gran éxito en aguas dulces que contienen niveles bajos de iones de cloruro. Por lo general, se considera 100ppm de cloruro el límite para las aleaciones 18-8, especialmente si hay grietas presentes. Niveles más altas de cloruro pueden causar corrosión de picaduras y hendiduras. Para condiciones mas severas, con niveles más altos de cloruro, un pH bajo, y/o temperaturas altas, se recomienda el uso de aleaciones con un contenido mas alto de molibdeno, como la aleación 316. No se recomiendan las aleaciones 18-8 en ambientes expuestos al mar. 

 

 

 

Propiedades Físicas

 

 

 

309

310

Densidad

a 20°C: 8.03g/cm3

a 20°C: 8.03g/cm3

Coeficiente Lineal de Expansión Térmica

a 20 - 100°C: 15.6 (mm/m)•°K

a 20 - 500°C: 17.6 (mm/m)•°K

a 20 - 1000°C: 19.4 (mm/m)•°K

a 20 - 100°C: 15.9 (mm/m)•°K

a 20 - 500°C: 17.1 (mm/m)•°K

a 20 - 1000°C: 18.9 (mm/m)•°K

Resistividad Eléctrica

a 20°C: 78.0  mW•cm

 

a 20°C: 78.0  mW•cm

 

Conductividad Termica

a 20 - 100°C: 15.6 W/m•K

a 20 - 500°C: 18.7 W/m•K K

a 20 - 100°C: 13.8 W/m•K

a 20 - 500°C: 18.7 W/m•K K

Calor Especifico

a 0 - 100°C: 502 J/kg•K

a 0 - 100°C: 502 J/kg•K

Permeabilidad Magnético

(recocido)

A 200H: 1.02

A 200H: 1.02

Modulo de Elasticidad (recocido)

en tensión (E) 200 GPa

en cortante (G) 77 GPa

en tensión (E) 200 GPa

en cortante (G) 77 GPa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Propiedades Mecánicas

 

 

 

309

309S

0.2% Offset

 Limite Elástico,

     ksi

a 25°C: 42ksi

a 538°C: 24ksi

a 871°C: 18.5ksi

a 25°C: 50.9ksi

a 538°C: 26.7ksi

a 871°C: 16.6ksi

Resistencia a la Tracción

     ksi

a 25°C: 90ksi

a 538°C: 66ksi

a 871°C: 21ksi

a 25°C: 97.1ksi

a 538°C: 71.2ksi

a 871°C: 20.7ksi

Elongación, %

a 25°C: 49%

a 538°C: 36%

a 871°C: 50%

a 25°C: 44.6%

a 538°C: 26.6%

a 871°C: 73.3%

 

 

 

 

 

 

 

310

310S

0.2% Offset

 Limite Elástico,

     ksi

a 25°C: 42.4ksi

a 538°C: 24.2ksi

a 871°C: 19.7ksi

a 25°C: 45.6ksi

a 538°C: 29.4ksi

a 871°C: 16.1ksi

Resistencia a la Tracción

     ksi

a 25°C: 89.5ksi

a 538°C: 70.1ksi

a 871°C: 30.3ksi

a 25°C: 90.5ksi

a 538°C: 70.2ksi

a 871°C: 22.5ksi

Elongación, %

a 25°C: 45%

a 538°C: 36%

a 871°C: 66%

a 25°C: 42.6%

a 538°C: 37.0%

a 871°C: 56.5%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Propiedades de Fabricación

 

Las aleaciones 309/309S y 310/310S de acero inoxidable son ampliamente utilizadas con tratamientos y/o procesos térmicos debido a sus propiedades de alta temperatura y resistencia a la corrosión.   Por lo mismo suelen a ser formadas en estructuras complejas. Acero carbono leve se conoce generalmente como el estándar de rendimiento en la mayoría de operaciones de formación de metales. Con respecto al acero carbono, los aceros inoxidables austeníticos presentan una diferencia significativa, son mas resistentes y tienden a endurecerse mas rápidamente. Aunque esto no altera los métodos generales utilizados para el corte, mecanizado, formación, etc., sí afecta las características específicas de estos métodos.

 
El corte y mecanizado de los aceros inoxidables austeníticos se realiza fácilmente usando técnicas estándar, normalmente empleadas para el acero dulce común, con algunas modificaciones. Su comportamiento durante el corte puede ser muy diferente—son más resistentes y tienden a endurecerse con más rapidez. Los chips producidos son fibrosas y duras y retienen una ductilidad considerable. Las herramientas deben ser bien afiladas y agarradas de manera firme. Generalmente se utilizan cortes más profundos en velocidades más lentas para las zonas endurecidas. Debido a su baja conductividad térmica y alto coeficiente de expansión térmica, se debe considerar la eliminación de calor y las tolerancias dimensionales durante las operaciones de corte y mecanizado.
 
Los aceros inoxidables austeníticos son fácilmente moldeables en frio por métodos convencionales, tales como la flexión, la formación por estiro, formación de laminados, formación por martillo, y la hidroformación. Se endurecen rápidamente, lo cual se manifiesta con cada vez mayor cantidad de fuerza necesario para continuar la deformación. Esto se traduce en la necesidad de utilizar maquinas de formación mas fuertes, y eventualmente limita la cantidad de deformación posible sin formar grietas.
 
Un rango relativamente pequeño de temperaturas puede ser utilizado para un trabajo eficaz en los tratamientos térmicos de las aleaciones 309 y 310, debido a numerosos factores ambientales y metalúrgicos. La forja debe comenzar en el rango de 1800-2145°F (980-1120°C) y terminar no mas frio que  1800°F (980°C). Trabajar en temperaturas más altas puede resultar en una caída de ductilidad-caliente debido a factores ambientales y metalúrgicos, particularmente la formación de ferrita. El trabajo en temperaturas mas bajas puede resultar en la formación de sigma o sensatización. Después de la forja la pieza de trabajo debe ser enfriado rápidamente a un calor negro.
 
 
Soldadura
Los grados austeníticos se consideran generalmente lo más soldables de los aceros inoxidables. Se pueden soldar utilizando todos los procesos comunes. Esto tiende a ser cierto en cuanto a las aleaciones 309/309S y 310/310S. Cuando se requiere metal de relleno, se tiende a usar composiciones similares. El contenido elevado de aleación en estos grados puede hacer que el baño de fusión sea lento. Si la fluidez del baño de fusión llega a ser problemática, un metal de relleno con contenido de silicio puede ayudar (ej. ER309Si, ER309LSi).
 
Las aleaciones 309/309S y 310/310S exhiben un coeficiente de expansión térmica relativamente alto y un bajo nivel de conductividad térmica, y forman bajos niveles de ferrita al solidificar el metal de la soldadura. Estos factores pueden llevar a la fisuración en caliente. El problema puede ser más grave para las juntas restringidas y/o anchas.  Metal de relleno con un contenido de aleación inferior (por ejemplo, ER308) aumentará la cantidad de ferrita en el depósito de soldadura y reducirá la tendencia de la fisuración en caliente. La dilución posterior del metal base puede disminuir la resistencia al calor y la corrosión  de la soldadura.
 
Las aleaciones de grado “S” son relativamente bajas en carbono. Con prácticas de soldadura adecuadas, la corrosión intergranular de la zona afectada por el calor es poco probable. La termocoloración se debe quitar para asegurar la restauración completa de la resistencia a la corrosión cerca de la soldadura. La trituración o cepillado con un cepillo de acero inoxidable se puede utilizar para quitar la termocoloración. El decapado con acido también quitara la termocoloración. Se puede tratar piezas pequeñas en un baño, y las piezas mas grandes se pueden decapar de manera local con una pasta especial que consista en una mezcla de acido nítrico y HF o acido clorhídrico. Un lavado con agua debe seguir este proceso de inmediato, con el cuidado de eliminar por completo todos los restos de la pasta decapado. 
 
 
Tratamiento Térmico
Los aceros inoxidables austeníticos son tratados con calor para eliminar los efectos de la conformación en frío o disolver los carburos precipitados de cromo. El tratamiento térmico  más seguro para llevar a cabo ambos requisitos es la solución de recocido que se lleva a cabo en la gama de 1850  a 2050 ° F (1010  a 1121 ° C). Enfriamiento desde la temperatura de recocido debería ser a tasas suficientemente altas, de 1500 a 800° F (816 - 427 ° C) para evitar reprecipitación de carburos de cromo.
 
Estos materiales no pueden ser endurecidos a través del tratamiento térmico.
 
 
Recocido
La razón principal para el recocido de estas aleaciones es producir una microestructura recristalizada con un tamaño de grano uniforme y para la disolución de precipitados de carburo de cromo  perjudiciales. Para garantizar el recocido completo las piezas deben mantenerse en el rango de 2050-2150 ° F (1120-1175 ° C) durante aproximadamente 30 minutos por pulgada de espesor. Esto es sólo una recomendación general - casos específicos pueden requerir una mayor investigación. Cuando está apropiadamente recocido, estos grados son principalmente austeníticos a temperatura ambiente. Algunas pequeñas cantidades de ferrita pueden estar presentes.
 
La formación de escala de óxido es inevitable durante el recocido al aire en las aleaciones 309/309S y 310/310S. La escala que forma es generalmente rica en cromo y relativamente adherente. En general, la escala del recocido debe ser quitada antes de  procesamiento o servicio adicional. Hay dos métodos típicos para la eliminación de escala - mecánica y química. Una combinación de  limpieza con arena de sílice o bolas de vidrio antes de la extracción química de la escala es generalmente eficaz en la eliminación de la escala.