Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 10-22.
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 2 (3): 113-117 Julio-Septiembre 2019 https://doi.org/10.37636/recit.v23113117
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ISSN: 2594-1925
Reducción de la fase de ferrita en aceros inoxidables austeníticos
mediante el control del contenido de equivalentes de Cr-Ni
Reduction of ferrite phase in austenitic stainless steels by controlling content
of Cr-Ni equivalent
Ruiz Ochoa Juan Antonio
1
, Ramos Azpeitia Mitzuo Osvaldo
2
, Castañeda Robles Iván Erick
3
,
Hernández Rivera José Luis
4
, Paz González Juan Antonio
1
1
Facultad de Ciencias de la Ingeniería y Tecnología. Universidad Autónoma de Baja California. Blvd
Universitario 1000, Unidad Valle de las Palmas, 22260 Tijuana, Baja California, México
2
Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de San Luis Potosí. Av. Dr. Manuel Nava No.8 Edificio P, Zona
Universitaria, 78290, San Luis Potosí, San Luis Potosí, México.
3
Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Ciudad del Conocimiento, Carretera Pachuca-Tulancingo Km.
4.5, 42184, Mineral de la Reforma, Hidalgo, México
4
CONACYT-Instituto de Metalurgia-Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Sierra Leona 550, Lomas 2da
Sección. 78210. San Luis Potosí, San Luis Potosí, México.
Autor de correspondencia: Dr. Juan Antonio Ruiz Ochoa, Facultad de Ciencias de la Ingeniería y Tecnología.
Universidad Autónoma de Baja California. Blvd Universitario 1000, Unidad Valle de las Palmas, 22260 Tijuana,
Baja California, México. E-mail: ruizj99@uabc.edu.mx. ORCID: 0000-0003-0826-3799.
Recibido: 26 de Junio del 2019 Aceptado: 19 de Septiembre del 2019 Publicado: 30 de Septiembre del 2019
Resumen. - Los aceros inoxidables austeníticos AISI 316L son muy comunes en la industria. Grandes
cantidades de este material se desechan como chatarra y pueden utilizarse posteriormente como material
reciclado para la colada. En ambientes marinos (altamente corrosivos), este tipo de acero presenta
corrosión intragranular, específicamente en una de sus fases, en la ferrita, por lo que se prefiere
mantenerla en la menor proporción posible (<1%), pero normalmente se encuentra alrededor del 12%.
Si se requiere que una pieza de fundición de acero AISI 316L transporte un fluido presurizado, debe
realizarse de acuerdo con las consideraciones descritas en la norma ASTM A351. En este trabajo, se
encontró que el acero CF3M tiene mayor solicitud en términos de proporciones químicas elementales de
sus componentes. Por lo tanto, se utilizaron los diagramas de Schaeffler y Schoefer para reducir el
contenido de "ferrita equivalente" en al menos el 90%, haciendo ajustes en la fundición modificando los
porcentajes de Ni y Cr.
Palabras clave: Aceros Inoxidables Austeníticos; Ferrita; Diagrama de Schaeffer; Diagrama de Schoefer.
Abstract. - AISI 316L austenitic stainless steels are very common in the industry. Large amounts of this
material are discarded as a chisel and can subsequently be used as recycled material for casting. In
marine environments (highly corrosive), this type of steel presents intragranular corrosion, specifically
in one of its phases, in the ferrite, so it is preferred to keep it at the lowest possible proportion (<1%), but
usually it is found around the 12% of it. If a casting is required to transport a pressurized fluid from AISI
316L steel, it should be performed according to considerations described in ASTM A351 Standard. We
find that CF3M steel is the most similar in terms of elemental chemical proportions of its components.
Therefore, the Schaeffler and Schoefer diagrams were used to reduce the content of "equivalent ferrite"
by at least 90%, making adjustments in the casting by modifying the Ni and Cr percentages.
Keywords: Austenitic Stainless Steels; Ferrite; Schaeffler Diagram; Schoefer Diagram.
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1. Introducción
Cuando es necesario proveer de buena protección
a la corrosión intragranular, con un buen
comportamiento mecánico en piezas de aceros
inoxidables austeníticas sujetas a ambientes
altamente corrosivos, como lo es el marino, se
requiere tener especial cuidado de la composición
química, así como de la tasa de enfriamiento
durante la solidificación [1], por lo que podemos
obtener aceros austeníticos con baja presencia de
la fase delta ferrita, en el orden de 1 % o menor, lo
cual representa un valor muy bajo, considerando
que estas aleaciones contienen alrededor del 10 %
de esta fase dañina [2]. Esto es posible en una
aleación de acero inoxidable austenítico
procesado 316L [3-4] o en su similar de fundición,
el acero CF3M [5] teniendo cuidado, como se
mencionó antes, en la tasa de enfriamiento y
controlando la relación entre el cromo y el níquel
equivalente, los cuales promueven la formación
de la fase ferrítica. Utilizando los Diagramas de
Schaeffler [6] y Schoefer [7], podemos
correlacionar esta interacción para predecir la
formación de la fase delta ferrita. Adicionalmente,
se compara los valores de ferrita calculados con
los que se proponen en una aleación, que,
finalmente, se obtiene físicamente para corroborar
tanto la fase ferrita obtenida como las propiedades
mecánicas que determinarán el comportamiento
para su aplicación en específico.
2. Metodología
Se realizó una investigación documental sobre el
acero inoxidable austenítico 316L, y sobre la
aleación CF3M, que es la aleación de fundición
equivalente al 316L. Tomando en cuenta la
composición de ambas aleaciones, según sus
respectivas normas, se estimó el contenido de
ferrita, de acuerdo a la metodología en su
obtención mediante los Diagramas de Schaeffler y
Schoefer. Se calcularon los valores teóricos de
propiedades mecánicas en aleaciones hipotéticas y
se obtuvieron los valores reales de una muestra
propuesta. Se corroboraron los datos obtenidos
mediante Espectrometría de Chispa y Microscopía
Óptica.
2.1.Estimación del contenido de Ferrita
Equivalente de acuerdo a Schaeffler.
Para la estimación de la Ferrita Equivalente, se
obtienen los valores de Cr equivalente (Creq) y de
Ni equivalente (Nieq), mediante las siguientes
ecuaciones:
Ni
eq
= % Ni + 30 (% C) + 0.5 (% Mn) (1)
Cr
eq
= % Cr + % Mo + 1.5 (% Si) + 0.5 (% Nb) (2)
Nótese que los valores obtenidos dependerán de
las concentraciones de otros elementos químicos,
tales como el C y/o el Mo.
Una vez estimados ambos valores, se ubican en el
“diagrama de Schaeffler” y se observa en qué
recta diagonal se localiza el punto de intersección,
el cual representa la predicción del % aproximado
de la(s) Fase(s) en la aleación.
Figura 1. Diagrama Schaeffler empírico de predicción de fases en
el acero de acuerdo a las concentraciones de Cr, Mo, Si, Nb, Ni, C
y Mn.
La importancia de dicho diagrama reside en el
hecho de que podemos ubicar la Ferrita α.
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2.2.Estimación del contenido de Ferrita
Equivalente de acuerdo a Schoefer.
Schoefer propone una manera similar a la
metodología llevada a cabo en la estimación de la
Ferrita Equivalente propuesta por Schaeffler, en
este caso, el factor Creq/Nieq se obtiene mediante
las siguientes ecuaciones:
Ni
eq
= %Ni + 30 (%C) + 0.5 (%Mn) + 26 (%N-0.02) + 2.77 (3)
Cr
eq
= %Cr + 1.4 (%Mo) +1.5 (%Si) + %Cb - 4.99 (4)
Una vez estimados ambos valores, se realiza la
operación aritmética para obtener el factor
Creq/Nieq, el cual se ubica directamente en el
“diagrama de Schoefer” y se observa
horizontalmente el punto donde corta la curva, la
cual representa específicamente la predicción del
% aproximado de la fase Ferrita (volumen de
ferrita).
2.3.Estimación del contenido de Ferrita
Equivalente de los aceros CF3M y 316L.
En la Tabla 1 se muestra tanto los porcentajes
elementales como el cálculo de los % de Ferrita de
los aceros austeníticos CF3M y 316L, de acuerdo
a los rangos porcentuales de los elementos
químicos que pueden variarse.
Figura 2. Diagrama Schoefer empírico de predicción de fases en
el acero de acuerdo a las concentraciones de Cr, Mo, Si, Nb, Ni, C,
Mn y N.
En ella se observa que los valores son mayores
para los aceros CF3M que en los del acero 316L.
Con base al diagrama de Schoefer se estimó que
para obtener los valores de ferrita inferiores al 0.6
%, la relación Creq/Nieq debe de ser
preferentemente igual o menor a 0.9.
Considerando un valor promedio en los elementos
químicos del CF3M que pueden variarse, la
relación Creq/Nieq es del orden de 1.208, lo cual
representa un 11 % Ferrita. Para disminuir la
relación Creq/Nieq es necesario disminuir los
contenidos de los elementos Cr, Mo y Si y
aumentar los contenidos de los elementos C, Ni y
Mn.
Como parte de la estrategia de mantener los
porcentajes de Ferrita bajos, se predice que las
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propiedades mecánicas de dichas aleaciones
deben de mejorarse, por lo tanto, en la literatura
existen diversas ecuaciones para predecir las
propiedades mecánicas en función de la
composición, entre ellas se encuentran las
siguientes:
σ
ced
(0.2%) = 120 + 2Mn + 2Cr + 14Mo + (6.15-
(0.054%Ferrita)) %Ferrita. (5)
σ
máx
= 470 +14Mo + 1.5%Ferrita (6)
σ
ced
= 15.4 (4.4 +23C + 1.3Si + 0.24Cr + 0.94Mo + 0.16%
Ferrita) (7)
σ
máx
= 15.4 (29 + 35C + 2.4Si +0.11Ni + 1.2Mo +0.14%
Ferrita) (8)
σ
ced
= Esfuerzo cedencia
σ
máx
= Esfuerzo máximo
Tomando en cuenta las ecuaciones anteriores y los
datos de las composiciones químicas de la Tabla 1
junto con la composición química de la propuesta
hecha, se realizó el cálculo del esfuerzo máximo y
el esfuerzo de cedencia de las aleaciones CF3M,
316L. Los resultados se presentan en la Tabla 2.
Se procedió a realizar una fundición con la
composición propuesta para corroborar los datos
mediante ensayos en una Máquina Universal de
Ensayos de Tensión Shimadzu AG-X 100 kN.
Se realizó la caracterización microestructural de la
aleación propuesta, y se comparó con una muestra
de un acero comercial CF3M. Las muestras de
ambas piezas fueron preparadas
metalograficamente con etapas de desbaste con
lijas de SiC y pulido con pastas de diamante de 3
y 1 mm. Posteriormente fueron atacadas con el
reactivo Murakami (10g K
3
Fe (CN)
6
, 7 g de
NaOH, 100 ml agua destilada) durante 3 minutos
y se obtuvieron sus respectivas metalografías en
un microscopio óptico Nikon Eclipse MA-100.
3. Resultados
Se propuso la siguiente composición para la
aleación de acero austenítico: C=0.03, Si=0.6,
Mn=1.5, Cr=17, Ni=13 y Mo=2.0. Con esta
composición la relación Creq/Nieq calculada es de
0.90, con lo cual se obtiene de 1.0-2.0 %
aproximado de ferrita según el diagrama de
Schoefer. Considerando que generalmente las
cuantificaciones de ferrita son menores a los
valores predichos por los diagramas de Shaeffler
y Schoefer, se pensó que esta propuesta sería la
adecuada.
Respecto a las propiedades mecánicas, de la Tabla
2 se observa que en la aleación propuesta presenta
valores de σ
ced
(calculados por las ecuaciones)
menores a los que deben obtenerse, de acuerdo a
la norma, sin embargo, el σ
máx
calculado por
ambas ecuaciones es mayor al especificado por la
norma.
Se procedió a la obtención de la muestra mediante
el proceso de fundición en un horno de inducción,
buscando obtener los porcentajes antes
mencionados. La Tabla 3 presenta la composición
final obtenida en una probeta, los porcentajes se
obtuvieron del análisis en un Espectrómetro de
chispa Spectrolab. Posteriormente, se calcularon
sus propiedades mecánicas, las cuales también se
incorporan en la Tabla 2.
Las micrografías obtenidas a 100X en las Figura 3
y 4, muestran que la microestructura está formada
por una matriz de austenita (área blanca) con islas
de ferrita (fases color café) y carburos finos
dispersos homogéneamente en la matriz (puntos
negros). La cantidad de ferrita fue mucho menor
en el acero modificado en comparación con el
acero CF3M convencional, como se puede
observar ambas imágenes.
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Figura 3. Micrografía de muestra de acero comercial CF3M.
Figura 4. Micrografía de Acero Propuesto con menor contenido de
Fase Ferrita.
Se realizó una cuantificación del contenido de
ferrita en ambas microestructuras utilizando el
método descrito en la norma ASTM E562-08. Se
utilizó una malla cuadriculada con 100 puntos. El
arreglo utilizado fue de 10 campos por línea y se
usaron 3 líneas (30 campos). El espaciamiento fue
de 2mm en la dirección horizontal y de 5mm en la
dirección vertical. Una vez obtenidos los datos se
procedió a realizar la cuantificación de la cantidad
de ferrita utilizando las ecuaciones descritas en
dicha norma. Los resultados se presentan en la
Tabla 4.
3.1.Tablas
Tabla 1. Composición química y cálculo de ferrita para el acero
316L y su equivalente CF3M.
% Elemental
316L
(ASTM A213)
CF3M
(ASTM)
% C
0.035
0.03
% Si
1.0
1.5
% Mn
2.0
1.5
% Cr
16–18.5
17–21
% Ni
10–14
9–13
% Mo
2–3
2–3
% S
0.03
0.04
% P
0.045
0.04
% Ferrita (Shaeffler)
5–8
12–18
% Ferrita (Shoefer)
6–7
10–16
Tabla 2. Esfuerzos de cedencia y máximo en función de la
composición química para el acero 316L y su equivalente CF3M.
Aleación
σ
ced
(ec. 5)
[MPa]
σ
ced
(ec. 7)
[MPa]
σ
máx
(ec. 6)
[MPa]
316L
Mayor a 205
Mayor a 485
CF3M
Mayor a 205
Mayor a 485
Aleación
PROPUESTA
(Empírico)
194.1
185.9
500.25
Aleación
PROPUESTA
(Real)
318.5
531
Tabla 3. Porcentajes de Elementos Químicos en Fundición de
Aleación Propuesta
Elemento Químico
%
C
0.0198
Si
0.568
Mn
1.4
Cr
17.42
Mo
2.01
Ni
12.67
P
0.015
S
0.0019
Creq/Nieq
0.96
%Ferrita Estimada
3
Tabla 4. Resultados de la cuantificación de ferrita para la aleación
CF3M con composición convencional y la aleación propuesta
Aleación
Volumen de ferrita
estimado (intervalo de
confianza 95%)
% de
precisión
relativa
CF3MConvencional
12.783 ± 0.948
7.412
Aleación Propuesta
0.317 ± 0.218
68.774
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4. Conclusiones
La modificación de la composición química
propuesta para el acero CF3M (C=0.03, Si=0.6,
Mn=1.5, Cr=17, Ni=13 y Mo=2.0), cumple con
los requerimientos de la norma ASTM para este
tipo de acero y permite obtener microestructuras
con un contenido de ferrita menor a 0.5%. La
modificación de la composición propuesta
permite obtener propiedades mecánicas iguales o
superiores a las especificadas por la norma ASTM
correspondiente a piezas de fundición.
Referencias
[1] A.F. Padhilha, and P.R. Rios,
"Decomposition of austenite in austenitic
stainless steels", ISIJ International Vol. 42,
pp. 325 - 337, 2002.
https://doi.org/10.2355/isijinternational.42.3
25
[2] ASTM A800/A800M-10, Standard practice
for steel casting, austenitic alloy, estimating
ferrite content thereof, American Society for
Testing and Material, International, West
Conshohocken, PA, 2014, www.astm.org
[3] ASTM A240 / A240M-16a, Standard
Specification for Chromium and Chromium-
Nickel Stainless Steel Plate, Sheet, and Strip
for Pressure Vessels and for General
Applications, ASTM International, West
Conshohocken, PA, 2016, www.astm.org
[4] ASTM A666-15, Standard Specification for
Annealed or Cold-Worked Austenitic
Stainless Steel Sheet, Strip, Plate, and Flat
Bar, ASTM International, West
Conshohocken, PA, 2016, www.astm.org
[5] ASTM A351 / A351M-16, Standard
Specification for Castings, Austenitic, for
Pressure-Containing Parts, ASTM
International, West Conshohocken, PA, 2016,
www.astm.org
[6] C.J. Long, and W.T. DeLong, "The Ferrite
Content of Austenitic Stainess Steel Weld
Metal", Welding Research, AWS and WRC,
pp. 281-291, 1973.
https://app.aws.org/wj/supplement/WJ_1973
_07_s281.pdf
[7] D.L. Olson, "Prediction of austenitic weld
metal microstructure and properties", Weld
Journal, Miami, Vol. 64:10, 281-295, 1984.
http://files.aws.org/wj/supplement/WJ_1985
_10_s281.pdf
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