¿Son los aceros aleados resistentes al calor?
El acero aleado es acero al carbono al que se le han añadido cantidades controladas de elementos como cromo, molibdeno, níquel, vanadio, tungsteno, manganeso y silicio para modificar sus propiedades. Las adiciones cambian la templabilidad, la resistencia y la tenacidad, y cuando el cromo, el silicio, el aluminio o el molibdeno están presentes en el equilibrio adecuado, también cambian el comportamiento del acero a altas temperaturas. Debido a que el acero aleado es una familia y no un solo material, la resistencia al calor depende completamente del grado, la temperatura de servicio y la atmósfera involucrada.
La resistencia al calor en el acero es en realidad tres propiedades que trabajan juntas. La primera es la resistencia a la oxidación y la incrustación: la superficie debe seguir formando un óxido denso y adherente que permanezca en su lugar en lugar de desprenderse y exponer el metal fresco. La segunda es la estabilidad estructural: la microestructura no debe ablandarse ni esferoidizarse ni perder fuerza mientras está caliente. La tercera es la resistencia a la fluencia: el material debe resistir una deformación lenta y permanente bajo una carga sostenida a temperatura. Un acero de aleación templado y revenido como el 4140 puede ser muy fuerte a temperatura ambiente, pero perder gran parte de esa resistencia por encima de aproximadamente 300 grados, mientras que un grado de tubería de cromo-molibdeno puede brindar décadas de servicio confiable por encima de 500 grados.
¿Qué controla la resistencia al calor en el acero aleado?
Los elementos de aleación realizan trabajos específicos. El cromo es el elemento que hace que el acero sea resistente al calor en el aire, porque promueve una incrustación protectora de óxido de cromo. El molibdeno y el tungsteno aumentan la resistencia al calor y la resistencia a la fluencia. El vanadio y el niobio forman carburos estables que resisten el engrosamiento, que es lo que preserva la resistencia a la rotura por fluencia durante exposiciones prolongadas. El silicio y el aluminio favorecen la formación de capas de óxido. El níquel estabiliza la austenita y conserva la tenacidad a temperatura. El contenido bajo-de carbono también es importante, porque el exceso de carbono reduce la soldabilidad y promueve la inestabilidad del carburo a temperatura.
| Elemento | Contribución a temperatura elevada. |
|---|---|
| Cromo | Forma una incrustación de óxido densa y autorreparable; resiste la oxidación y la incrustación |
| Molibdeno | Aumenta la resistencia al calor y la resistencia a la fluencia; estabiliza los carburos |
| vanadio, niobio | Carburos finos y estables que retardan el ablandamiento y la fluencia. |
| Silicio, aluminio | Apoya la formación de capas de óxido y la resistencia a la oxidación interna. |
| Níquel | Estabilidad y tenacidad de la austenita a temperatura. |
Rangos de servicio típicos por familia de acero
La siguiente tabla resume los rangos de ingeniería habituales citados en la práctica industrial para las principales familias utilizadas en tuberías, tubos y equipos a presión. Los valores de tensión reales permitidos siempre provienen del código de diseño vigente y de la especificación de grado específica.
| familia de acero | Grados típicos | Rango de servicio superior habitual |
|---|---|---|
| Carbono y carbono-manganeso | ASTM A106 Grado B, GB/T 700 Q235B | Alrededor de 425 grados |
| 1.25Cr-0.5Mo baja aleación | ASTM A335 P11 | Alrededor de 540 a 595 grados |
| 2.25Cr-1Mo baja aleación | ASTM A335 P22 | Alrededor de 580 a 620 grados |
| 9Cr-1Mo-V de baja aleación | ASTM A335 P91 | Alrededor de 600 a 650 grados |
| inoxidable austenítico | ASTM A312 TP304H, TP316H, TP347H | 650 grados y más |
Dónde se utiliza acero de aleación-resistente al calor
Tubos para calderas, tuberías para sobrecalentadores y recalentadores en plantas de generación de energía.
Tuberías para intercambiadores de calor y condensadores en refinerías, plantas petroquímicas y químicas.
Colectores de vapor, recalentamiento en caliente y tuberías principales de vapor donde la vida útil gobierna el diseño.
Piezas de hornos, soportes de tubos radiantes, recuperadores y canalizaciones de alta temperatura.
Herramientas de trabajo en caliente, como matrices de forja e insertos de fundición a presión, que deben resistir el ablandamiento.
Componentes de escape automotrices e industriales que oscilan entre temperatura ambiente y alta.
Notas de corte, conformado y soldadura
El acero de aleación-resistente al calor es resistente y abrasivo, por lo que el corte normalmente se realiza con un disco de corte abrasivo-, una sierra de cinta con una hoja de carburo o bi-metálica o un soplete de plasma en secciones más gruesas. El calor de corte excesivo puede templar el borde cortado o introducir microfisuras, por lo que los cortes deben realizarse de manera constante, con enfriamiento cuando sea posible, y la zona afectada debe repararse antes de soldar. El conformado se realiza en caliente o en estado recocido para los grados de baja aleación, porque el conformado en frío de secciones gruesas de cromo-molibdeno puede agrietarse.
La soldadura sigue el código de construcción vigente con una selección de metal de aportación coincidente o equivalente, entrada de calor controlada y temperatura entre pasadas verificada. Los grados de cromo-molibdeno normalmente necesitan precalentamiento y tratamiento térmico posterior-soldadura para evitar zonas duras y sensibles a las grietas-afectadas por el calor, y los grados austeníticos necesitan un relleno estabilizado o con bajo contenido de carbono para resistir la sensibilización. Independientemente del grado, el aporte de calor, la protección de las raíces y la limpieza deciden si la junta ofrece la vida útil prevista en el diseño.
Puntos de inspección y errores comunes
Realizar pedidos basándose únicamente en las palabras resistente al calor en lugar de un grado y especificación específicos.
Sustituir un grado de aleación inferior por un servicio crítico{0}}para la fluencia, suponiendo que cualquier acero de aleación servirá.
Sin tener en cuenta el margen de incrustaciones y corrosión, que es lo que realmente acaba con la vida útil de muchos componentes calientes.
Saltarse el tratamiento térmico posterior-a la soldadura en las juntas de cromo-molibdeno y dejar atrás las zonas duras.
Ignorar los datos de tracción y fluencia a alta temperatura cuando la temperatura de diseño supera los 400 grados.
Preguntas frecuentes
P: ¿El acero aleado es resistente al calor?
Algunos aceros aleados son resistentes al calor, pero la mayoría no. Los aceros aleados-de uso general utilizados para herramientas, engranajes y estructuras pierden resistencia rápidamente por encima de los 200 a 300 grados. Las familias resistentes al calor son los grados de baja aleación de cromo-molibdeno, los grados martensíticos y ferríticos resistentes al calor y los aceros inoxidables austeníticos y resistentes al calor.
P: ¿Qué elemento hace que el acero sea resistente al calor?
El cromo es el elemento clave para la resistencia a la oxidación porque forma una capa protectora de óxido. El molibdeno, el vanadio y el niobio proporcionan resistencia a la fluencia. Un acero resistente al calor necesita la combinación adecuada, ni una sola adición.
P: ¿Se oxidará el acero aleado al aire libre?
Sí. La mayoría de los aceros aleados contienen hierro como elemento principal y se oxidarán cuando se expongan a la humedad y al oxígeno. Sólo los grados resistentes a la oxidación, como los aceros inoxidables y resistentes a la intemperie, están formulados para resistir la corrosión atmosférica, e incluso ellos pueden decolorarse o mancharse en condiciones agresivas.
P: ¿Hasta qué temperatura se pueden utilizar tuberías de acero al carbono?
El acero al carbono y al carbono{0}}manganeso, como el ASTM A106 Grado B, generalmente se limita a alrededor de 425 grados en servicio continuo debido a la oxidación y la grafitización. Por encima de ese nivel, normalmente se selecciona un grado de baja aleación que contenga cromo-.
P: ¿Es el acero aleado más difícil de cortar que el acero al carbono?
Sí. Los elementos de aleación forman carburos duros, por lo que el acero aleado es más abrasivo y más resistente al corte y afilado. Utilice herramientas abrasivas o de carburo, mantenga velocidades moderadas y controle el calor generado por el corte.
P: ¿Cuál es la diferencia entre acero resistente al calor y acero inoxidable?
Se superponen pero no son lo mismo. Los aceros resistentes al calor se seleccionan principalmente por su rendimiento de oxidación y fluencia a temperatura, mientras que los aceros inoxidables se seleccionan principalmente por su resistencia a la corrosión a temperatura ambiente o moderada. Los grados de acero inoxidable austenítico como el TP316H cumplen ambas funciones.
