Son diversas las aplicaciones en las que el bombeo y trasiego de topo tipo de agua requieren de materiales metálicos con características físico – químicas especiales, esto para asegurar la operatividad, calidad y eficiencia de cada proceso. Comúnmente los aceros y hierros fundidos son los materiales utilizados en tuberías, bombas y accesorios como válvulas, codos, tes, reducciones entre otros.
Sin embargo, como es sabido estos materiales se enfrentan a procesos de oxidación, lo cual se trata de una reacción química en su superficie por contacto del metal con el oxígeno de aire / agua. Esto deriva en la formación de óxidos complejos inicialmente en la superficie. Como resultado de la oxidación se presenta la corrosión, que es un deterioro progresivo del material metálico como resultado de una ataque químico donde hay un flujo de electrones del material al medio o a otro metal. Esto deriva en pérdida de material, contaminación del medio circundante, pérdida de propiedades mecánicas como dureza, elasticidad, ductilidad, tenacidad, resistencia a fatiga, resistencia a fractura, etc.
Los aceros y hierros fundidos son mezclas de hierro (Fe) – carbono (C) más otros materiales aleantes que en proporciones de dotación confieren propiedades mecánicas específicas. Esto se muestra en el diagrama hierro – carbono, el cual es una representación de las diferentes zonas donde prevalecen estructuras cristalinas polimórficas que toman las moléculas de la aleación en función de la temperatura de solidificación. Ver imagen 1. Los aceros y hierros fundidos están representados por el sistema binario hierro-carbono. El hierro comercialmente puro contiene hasta 0.008% de C, los aceros hasta 2.11% de C y los hierros fundidos hasta 6.67% de C, aunque la mayoría de éstos contienen menos de 4.5% de C.
En la Imagen 1 se muestra el diagrama de fases hierro-carburo de hierro. Aunque este diagrama se puede extender hacia la derecha, a 100% de C (grafito puro) la gama que importa para las aplicaciones de ingeniería es de hasta 6.67% de C, ya que el Fe3C es una fase estable. El hierro puro se funde a una temperatura de 1538 °C (2798 °F), como se muestra en el extremo izquierdo de la gráfica. Al enfriarse el hierro, primero se forma ferrita delta, después austenita y finalmente ferrita alfa. Estas estructuras poliméricas se ven modificadas por elementos aleantes como en el caso del acero inoxidable.
Los aceros inoxidables se caracterizan por su resistencia a la corrosión, alta resistencia y ductilidad, así como por su elevado contenido de cromo. Se les llama inoxidables porque, en la presencia de oxígeno (aire), desarrollan una delgada película de óxido de cromo, dura y adherente, que protege al metal de la corrosión. Este efecto se llama auto pasivación.
Esta película protectora se vuelve a acumular en caso de que se raye la superficie. Para que la pasivación ocurra, el contenido mínimo de cromo debe ser de 10% a 12% en peso. Además del cromo, otros elementos de aleación típicos de los aceros inoxidables son el níquel, molibdeno, cobre, titanio, silicio, manganeso, aluminio, nitrógeno y azufre.
La letra L se utiliza para identificar los aceros de bajo carbono. A mayor contenido de carbono, menor será la resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables, debido a que el carbono se combina con el cromo en el acero y forma carburo de cromo. Ejemplo acero inoxidable 316L. La reducida disponibilidad de cromo reduce la pasividad del acero. De igual manera, el carburo de cromo introduce una segunda fase y, a partir de ahí, promueve la corrosión galvánica. Desarrollados a principios de 1900, los aceros inoxidables se fabrican mediante hornos eléctricos o por el proceso básico de oxígeno y se procesan mediante técnicas similares a las utilizadas en otros tipos de producción de acero. El nivel de pureza se controla por medio de diversas técnicas de refinación.
Imagen 1. Diagrama Hierro – Carbono y estructuras polimórficas.
Los aceros inoxidables están disponibles en una amplia variedad de formas; las aplicaciones típicas que incluyen instrumentación quirúrgica, herramientas, turbinas, bombas y tuberías . Las ventajas son: mejores propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión contra cloruros como la sal, por lo cual son ideales para usos en ambientes marinos.. Aunque el costo inicial es elevado, se estima que, debido a los menores costos de mantenimiento, el acero inoxidable es más económico que cualquier otro acero. Generalmente, los aceros inoxidables se dividen en cinco tipos:
- Austeníticos (series 200 y 300). En general, estos aceros están compuestos de cromo, níquel y manganeso en hierro. No son magnéticos y tienen excelente resistencia a la corrosión, pero son susceptibles al agrietamiento por esfuerzo-corrosión. Los aceros inoxidables austeníticos se endurecen mediante el trabajo en frío. Son los aceros inoxidables más dúctiles y se pueden formar con facilidad, aunque su formabilidad se reduce con mayor trabajo en frío. Se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, como los artículos de cocina, accesorios, construcción soldada, equipo ligero de transporte, partes para hornos e intercambiadores de calor, así como en componentes para ambientes químicos severos como elementos de bombas y tuberías.
- Ferríticos (serie 400). Estos aceros tienen un alto contenido de cromo (hasta 27%), son magnéticos y poseen buena resistencia a la corrosión, pero su ductilidad es más baja que la de los aceros inoxidables austeníticos. Los ferríticos se endurecen mediante trabajo en frío y no se les puede dar tratamiento térmico. En general se utilizan en aplicaciones no estructurales, como condiciones sépticas y transporte.
- Martensíticos (series 400 y 500). La mayoría de los aceros inoxidables martensíticos carecen de níquel y se endurecen mediante tratamiento térmico. Su contenido de cromo puede ser hasta de 18%, son magnéticos y tienen alta resistencia, dureza y resistencia a la fatiga, buena ductilidad y resistencia moderada a la corrosión. Se utilizan comúnmente en cuchillería, herramientas quirúrgicas, instrumentos, válvulas especiales, tuberías y resortes.
- De endurecimiento por precipitación (PH, por sus siglas en inglés). Estos aceros contienen cromo y níquel, junto con cobre, aluminio, titanio o molibdeno. Tienen buena resistencia a la corrosión, ductilidad y alta resistencia a temperaturas elevadas.Se aplican principalmente en aeronaves y componentes estructurales aeroespaciales.
- De estructura dúplex y superduplex. Estos aceros tienen una mezcla de austenita y ferrita. Poseen buena resistencia y una mayor resistencia a la corrosión (en la mayoría de los ambientes) y al agrietamiento por esfuerzo-corrosión que los aceros austeníticos de la serie 300. Se aplican sobre todo en plantas de tratamiento de aguas, elementos en intercambiadores de calor y la industria marina, por ejemplo en tomas de fondo para plantas de desalinización.
Tabla 1. Ejemplos de los aceros inoxidables más comunes de uso industrial
| Designación AISI (UNS) | Resistencia máxima a la tensión (MPa) | Resistencia a la fluencia (MPa) | Elongación en 50 mm (%) | Características y aplicaciones típicas |
| 303 (S30300) | 550–620 | 240–260 | 53–50 | Productos de máquinas roscadoras (ejes,
válvulas, pernos, bujes y tuercas) y accesorios para aeronaves (pernos, tuercas, remaches, tornillos, espárragos). |
| 304 (S30400) | 5–620 | 240–290 | 60–55 | Equipo químico, tanques, bombas, impulsores y de proceso de alimentos,
recipientes criogénicos, canales, caños y placas de escurrimiento. |
| 316 (S31600) | 50–590 | 210–290 | 60–55 | Alta resistencia a la corrosión y alta resistencia
a la termofluencia, equipo químico (bombas, tanques, agitadores, industria alimenticia y farmacéutica. |
| 410 (S41000) | 480–520 | 240–310 | 35–25 | Partes para máquinas, ejes para bombas,
pernos, bujes, canales para carbón, cuchillería, polipastos, herramientas, partes para motores de aviones, maquinaria para minería, cañones para armas, tornillos y válvulas. |
| 416 (S41600) | 480–520 | 275 | 30–20 | Accesorios para aviones, pernos, tuercas,
insertos para extinción de incendios, remaches y tornillos. |
Posterior a un proceso de soldadura sea cual sea el método (electrodo revestido, TIG, MIG, MAG, etc) la capa pasiva del acero oxidable se pierde ya que las características físico químicas se pierden en el punto de unión. Para volver a recobrar dichas condiciones es necesario realizar un proceso de pasivación externo mediante la adición de químicos específicos ya sea por inmersión o recirculación como es el caso de las tuberías.
A nivel comercial, es común encontrar bombas, tuberías y accesorios en acero inoxidable 304 y 316. Las características de estos se muestran en la siguiente tabla.
Tabla 2. Principales diferencias entre los aceros inoxidables 304 y 316
| Propiedad | SS304 | SS316 |
| Contenido de Cromo | 18-20% | 18-20% |
| Contenido de Niquel | 8-10.5% | 8-10.5% |
| Contenido de Molibdeno | No tiene | 2-3% |
| Resistencia a la corrosión | Buena, pero no ideal en ambientes con cloruros | Excelente, resistente a cloruros y productos químicos |
| Aplicaciones | General, utensilios de cocina, construcción, parte de bombas, accesorios y tuberías con poca probabilidad al ataque químico | Ambientes marinos, industria química y farmacéutica. Bombas, accesorios y tuberías con alta probabilidad al ataque químico. |
| Costo | Más bajo | Más alto |
En VyP Asesores S.A nos especializamos en este tipo de procesos de pasivaciones para acero inoxidable y aceros al carbono. Por lo que ponemos a su disposición nuestra experiencia para asesorarle de la mejor manera.
Elaborado por Ing. Johnny Garita G.
Fuentes:
- Electrical Engineering Pocket Handbook. EASA. 2010
- NEMA MG 10-2001
- IEEE PCIC-95-21, Sept 2001.
- NEC 2022