¿Qué es el acero inoxidable?

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Saludos estimados amigos de Hive.

En un post cuando hacía mención a los estados de oxidación del hierro un usuario en un comentario me preguntaba como actuaba el acero inoxidable para resistir la oxidación, y aunque ya tenía una idea de las características de este, esa pregunta me motivo a preparar una explicación un poco más nutrida y compartirla en este post.

Todos tenemos en cuenta que la característica principal del acero inoxidable, como su nombre lo indica, es una elevada resistencia a la oxidación. Pero, a diferencia del oro y el platino, que en su forma pura son metales resistentes a este proceso, al hablar de acero inoxidable no hacemos referencia a un compuesto en específico, sino al nombre que se le da a un grupo de aceros resistentes a la corrosión.

Acero inoxidable. Fuente: Pixnio.com, imagen CC0.

Los aceros inoxidables corresponden a una aleación de acero que tiene un contenido de cromo entre 10 y 12% en masa, pudiendo contener también otros metales como molibdeno, níquel y tungsteno[1], aunque en la literatura se encuentra que la proporción de cromo debe ser al menos de 12% para garantizar esta propiedad[2]. El acero inoxidable es un compuesto producto de una aleación, no es un revestimiento como los que en algunos casos son aplicados a los aceros para protegerlos, como baños de níquel o zinc. Es el cromo utilizado en la aleación la que le proporciona al acero esta cualidad de inoxidable.

Ahora bien, quizás podamos creer que el acero inoxidable no se oxida, pero de hecho si lo hace, solo que no de la forma en que nosotros entendemos este proceso.

Muchos quizás entendemos la oxidación como el proceso ocurrido a los materiales metálicos expuestos al ambiente. Sin embargo, hay que verlo de forma diferente, en química la oxidación es una reacción donde una especie pierde electrones, y en consecuencia, aumenta su estado de oxidación[3].

Aspecto de la oxidación en elementos de acero. Fuente: Pxhere.com, imagen CC0.

En este sentido, no solo los metales se oxidan, sino cualquier elemento capaz de ceder electrones mediante una reacción, sin que necesariamente tenga lugar una reacción con el oxígeno. Por ejemplo, en la reacción entre el yoduro de sodio con cloro:
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Aquí el yoduro de sodio se oxida a yodo, el proceso de perdida de electrones se puede visualizar mejor al escribir las semireacciones:
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El Yoduro sufre la perdida de electrones para convertirse en yodo molecular, en el que aumenta su estado de oxidación de -1 a 0, por acción de la reducción del cloro a cloruro de sodio, donde el estado de oxidación del cloro disminuye de 0 a -1.

Por otro lado, la corrosión si es un proceso mayormente asociado a los metales, siendo un proceso donde ocurre el deterioro del material por efectos de una reacción de oxidación, en un sentido más específico, se podría definir como un fenómeno electroquímico que se produce por un flujo de electrones que se establece a consecuencia de una diferencia de potenciales entre dos especies implicadas[4]. Así, en lugar de llamarlo acero inoxidable deberíamos llamarlo acero resistente a la corrosión, pero quizás no sea tan comercial este nombre.

La oxidación del hierro es una clásica reacción electroquímica de este tipo, en esta reacción:

En la reacción anterior, el hierro se oxida al perder electrones y aumentar su estado de oxidación de 0 a +3, lo electrones perdidos por el hierro son aceptados por el oxígeno, el cual actúa como agente oxidante.

Quizás nuestra noción de oxidación nace de la reacción anterior, que es la corrosión por oxígeno, la cual se produce por la exposición de metales al oxígeno molecular disuelto en el aire o en el agua.

¿Y que hace al acero inoxidable resistente a la corrosión?

Como ya mencionamos, es el cromo es el elemento clave en la resistencia a la corrosión del acero. Pero tratemos de entender la ciencia que hay detrás de la acción de este elemento.

Como todos sabemos, cuando un acero normal es expuesto al ambiente este se oxida, es decir, aparecen esas manchas marrones o rojizas, lo que ocurre es que el hierro del acero reacciona con el oxígeno molecular del aire produciendo óxido férrico (Fe2O3). Esta mancha de óxido no solo se va esparciendo sobre la superficie sino que también se va expandiendo ya que una molécula de Fe2O3 tiene mayor volumen que los átomos de hierro a su alrededor, provocando una fisura que luego se descama y deja expuesto más hierro fresco y reiniciando el proceso.

Pero cuando la aleación de acero y cromo se expone al oxígeno del ambiente, se forma una capa pasiva de óxido de cromo (Cr2O3) en la superficie, debido a que el cromo tiene mayor afinidad por el oxígeno que el hierro, esto se puede observar al comparar el potencial de reducción de ambos elementos; la siguiente tabla nos puede dar una idea de los fácil que puede ser para un elemento perder electrones.

Tabla n°1. Potencial estándar de reducción de algunas sustancias.

rf4dhsu8zl9jyf6kmlzz Datos tomados de Wikipedia.com


Mientras más alto es el potencial de reducción de los elementos, más difícil será quitarle sus electrones y por lo tanto más difícil será que se oxiden. Tomemos por ejemplo el caso del oro, este tiene uno de los potenciales más altos, incluso mayor que el del oxígeno, por lo que este último no podrá arrancarle tan fácilmente los electrones y provocar su oxidación, como lo haría con el hierro que está más abajo en la tabla. Por eso el oro es uno de los metales que en condiciones normales no se oxida con facilidad.

Entonces, debido a esta mayor afinidad del cromo por el oxígeno, tiene lugar la oxidación de este antes que la del hierro, lo que produce una capa de óxido de cromo que es muy delgada y termodinámicamente muy estable, donde los procesos de difusión son muy lentos, y además, esta capa no se desprende como en el caso del óxido de hierro; lo que produce una capa que protege de una acelerada corrosión al acero. Si la superficie del acero inoxidable se raya, desprendiendo esta capa protectora, se formara una nueva película pasiva de óxido de cromo que seguirá protegiendo el resto del acero del ataque de la corrosión, siempre que haya suficiente cromo en el medio.

Por otro lado, el cromo promueve una fase del acero más estable. En la siguiente figura se observa un diagrama de fases aproximado para el sistema Fe-Cr, en el cual se describe las diferentes fases que conforman el acero.

jopitqvsscbxp2yzlejb Diagrama de fases aproximado para el sistema Fe-Cr. Fuente: Wikimediacommons.com, imagen de dominio público.


En la imagen podemos observar que la fase de los aceros con un contenido mayor a 12% en peso de Cr es totalmente Ferrita (α) a elevadas temperaturas. Mientras que a bajas temperaturas aceros con un contenido de Cr mayor a 20% contienen en su estructura la fase sigma, la cual tiende a fragilizar el material[2]. Es importante señalar que en la fase α (ferrita) posee una estructura cubica centrada en la cara (BCC) la cual solubiliza muy poco carbono; y la fase ϒ (austenita) posee una estructura cubica centrada en la cara (FCC) capaz de solubilizar hasta un 2% de carbono, algunos elementos añadidos al acero pueden hacer que predomine una de estas fases. El cromo es un elemento que estabiliza la fase ferrita, haciendo que se contraiga la región de la austenita.

Clasificación de los aceros inoxidables

Estos aceros se clasifican comercialmente en cinco familias basados principalmente en su microestructura característica:

Aceros inoxidables martensíticos: estos son esencialmente aceros con una aleación de cromo entre el 11 y el 18%, pudiendo contener pequeñas cantidades de otros elementos como níquel. Estos aceros tienen una transformación alotrópica de austenita a Martensita a temperatura elevada presenta microestructura austenítica que al enfriar rápidamente se transforma en martensita. Son aceros ferromagnéticos y resistentes a la corrosión en medios suaves o moderadamente agresivos. Estos aceros tienen aplicaciones donde se requiere buena resistencia a la tensión, siendo principalmente usados en cuchillos, navajas, válvulas para motores, tuercas, tornillos, equipos para la industria petrolera y de alimentos[5].
Aceros inoxidables ferríticos: estas son aleaciones en las que predomina la estructura ferrita, las cuales proveen una buena resistencia a la formación de grietas por corrosión o por esfuerzos, siendo usados donde se requieren buenas propiedades mecánicas como resistencia y ductilidad, además, presentan buena resistencia a los cloruros. Por lo general estos aceros tienen un contenido de cromo que puede variar entre el 11 y el 30%, pudiendo contener además otros compuestos como molibdeno, silicio, titanio o aluminio para mejorar la maquinabilidad del acero. En contraste con los martentisícos, estos aceros son endurecidos mediante tratamientos térmicos, haciéndolos difícil de trabajar en frio[2].
Aceros inoxidables austeníticos: en cuanto a usos estos aceros conforman el grupo más grande de estas aleaciones. Contienen una cantidad de Cr que varía entre el 16 y el 26%, presentando una muy buena resistencia a la corrosión en la mayoría de los ambientes. Como su nombre lo indica, estos mantienen la estructura de la austenita, la fase ϒ, la cual se pueden mantener a temperatura ambiente utilizando un elemento estabilizador en la aleación, como el níquel; siendo las aleaciones Cr-Ni típicas las de 18-8. Otros elementos que promueven la fase austenita el carbono, el nitrógeno y el cobre[2]. Estos aceros presentan muy buena ductilidad, tenacidad y resistencia a la corrosión y con una gran capacidad de deformación, lo que les permite una gran elongación durante la aplicación de cargas.
Aceros inoxidable dúplex: como su nombre lo sugiere, son aceros que presentan dos fases, su estructura está formada por la austenita y la ferrita en igual proporción. Estas son aleaciones de hierro, cromo y molibdeno pero requieren de otros elementos para estabilizar la austenita a temperatura ambiente, siendo principalmente usados el nitrógeno y el níquel, y lograr así el balance deseado de ambas fases. Estos aceros combinan algunas de las mejores propiedades de los aceros austeníticos y ferríticos, lo que le brinda excelentes prestaciones en condiciones severas[5].

Composición química y función de algunos elementos en la aleación

Para identificar los aceros inoxidables se utiliza un sistema de tres dígitos mediante los cuales se hace referencia a los elementos que componen la aleación y la estructura que predomina en la misma, en la siguiente tabla se puede observar este sistema.

Tabla n°2. Designación y composición de los aceros inoxidables según la serie AISI.

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Por ejemplo, los aceros de la serie 200 y la serie 300 se diferencian entre sí principalmente debido al contenido de Ni y Mn. Un acero AISI 201 contiene entre 16 y 18% cromo, entre 3,5 y 5,5% de níquel y entre 5,5 y 7,5% de magnesio; en tanto que un acero AISI 301 tiene el mismo contenido de cromo pero entre 6 y 8% de níquel y máximo 2% de magnesio.

Efecto de algunos elementos en la aleación de acero inoxidable


Ahora bien, cada elemento agregado a la aleación tiene un efecto sobre las propiedades físicas y químicas de los aceros inoxidables, algunos de los elementos más importantes son:

Cromo: constituye el principal elemento de la aleación de acero inoxidable, es el responsable de conferirle la propiedad de resistencia a la corrosión.
Níquel: se utiliza para mejorar la resistencia a la corrosión en ambientes ácidos, también mejora propiedades como la ductilidad. Este elemento promueve la formación y estabilización de la fase austenita.
Manganeso: se emplea para aumentar la ductilidad del acero en caliente, y es un promotor de la fase ferrita o austenita según la temperatura; a altas temperaturas promueve la formación de la primera mientras que a bajas temperaturas favorece la segunda.
Molibdeno: este elemento es un formador de la fase ferrita y se utiliza para mejorar la resistencia a la corrosión por picaduras.
Nitrógeno: este aumenta la resistencia a la corrosión por picaduras en aceros pero además aumenta la resistencia mecánica del acero. Este elemento se incorpora en los aceros inoxidables dúplex y austeníticos con elevado contenido de cromo para compensar la tendencia de estos a formar la fase sigma.

Aplicaciones de los aceros inoxidables


Las áreas donde encontramos aplicaciones para los aceros inoxidables son realmente numerosas, especialmente los aceros austeniticos son los de mayor uso en los siguientes sectores:

Químico: especialmente los aceros de la serie 300, como los 304 y 316, son los recomendados para la industria química, por su resistencia al ataque de agentes muy agresivos, son los más recomendados para manejar compuestos como ácido nítrico, ácido sulfúrico en bajas concentraciones, ácido fosfórico en concentraciones hasta del 40%, y un gran número de compuestos orgánicos.
Alimentario: gracias a una superficie casi exenta de porosidad con una gran facilidad de limpieza, hacen del acero inoxidable un material muy higiénico para el manejo de alimentos. Estas características se combinan con otras como la resistencia a la abrasión y ausencia de recubrimientos desprendibles, así como la resistencia a elevadas temperaturas y elevada resistencia a la corrosión. Todo ello se suma para brindar un material que garantiza la inocuidad en la preparación de alimentos, como seguridad en los servicios de calderas y hervidores.

Tanques de acero inoxidable en una industria de alimentos. Fuente: Pxhere.com, imagen CC0

Transporte: los aceros inoxidables son muy empleados para la fabricación de estructuras portantes. Por ejemplo para el transporte de productos corrosivos el criterio de selección del material para los contenedores está más que justificado por las características agresivas del producto. Por otro lado para el transporte de alimentos es la garantía de seguridad contra la contaminación por contacto con superficies que se deterioran con el tiempo de contacto con la sustancia.
Construcción: en este sector estos materiales han encontrado numerosas aplicaciones, principalmente por poseer un acabado que requiere de poco mantenimiento. Por lo que los podemos encontrar en pasamanos, ascensores, mostradores, conductos, como revestimiento y decoración en el exterior de edificaciones.
Accesorios domésticos: la higiene y la estética lograda son los criterios que prevalecen en la selección de los aceros inoxidables para la fabricación de nuestros utensilios de cocina, cubiertos, cuchillos, fregaderos, cocinas y piezas internas de electrodomésticos.

Utensilios de cocina. Fuente: Pxfuel.com, imagen CC0

Medico: por su resistencia a la corrosión y características higiénicas, los materiales de aceros inoxidable abundan en los ambientes hospitalarios, así como en el instrumental quirúrgico.


Bueno amigos, espero haberles brindado información relevante sobre las características de los aceros inoxidables y su resistencia a la corrosión, lo que nos ha permitido utilizarlos en un gran número de aplicaciones. Hasta la próxima!


Referencias

  1. Wikipedia.com. Acero inoxidable.
  2. Gámez Campos, L. A. (2017). Análisis de la soldabilidad de aceros inoxidables austeniticos unidos mediante el proceso GMAW aplicados a la fabricación de tanques de lixiviación. Corporación Mexicana de Investigación en Materiales. Saltillo, Coahuila.
  3. Chang, R. (2001). Química General.
  4. Wikipedia.com. Corrosión.
  5. Agredo Gutiérrez, L. (2017). Evaluación del efecto mecánica y metalúrgico de las fases intermetalicas en la unión soldada de los aceros inoxidables dúplex 2304. Universidad Autónoma de Occidente, Santiago de Cali

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Las formulas, reacciones y estructuras químicas indicadas fueron elaboradas por el autor en Microsoft PowerPoint.


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Saludos @emiliomoron, muy didáctico el contenido y te confieso que aclaré muchas dudas al respecto, lo grande que tiene este tipo de redes sociales es que te permite intercambiar información de interés, seguimos en comunicación

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Saludos amigo @amestyj, gracias por pasar a leer, me alegra que pudieras aclarar las dudas que tenias respecto al tema, creo que muchos las tienen al respecto. Ciertamentente esta red social y especialmente nuestra comunidad nos permite intercambiar información de diversas áreas. Nos seguimos leyendo!

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La química del acero inoxidable, aunque no es mi campo, vi un poco de lo que mencionas durante mis estudios, donde otro elemento como el cromo se oxida más rápido para formar la capa protectora. El hierro galvanizado funciona igual desde el punto de vista químico si no me equivoco, pero utiliza Zinc en vez de Cromo.

Gracias por compartir, esto es de ayuda para refrescar un poco los conocimientos y profundizar más en la química del acero inoxidable. En la Ing. Civil solemos fijarnos bastante en el % de carbono en el acero ya que eso afecta la soldabilidad y la ductilidad desde el punto de vista estructural, y se sabe del efecto del Cromo pero por supuesto no se profundiza en los procesos químicos. Saludos compañero @emiliomoron

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Saludos @acont. En otras ramas de ingeniería es más importante conocer otras propiedades que profundizar en la química de este, por eso todas nuestras áreas se complementan. Ciertamente el zinc en el acero galvanizado tiene una función similar, quizás pueda ampliar algo al respecto en un post. Muchas gracias por pasar a leer mi estimado.

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Muy completa y clara la información. Saludos @emiliomoron.

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Saludos estimado @capp. Muchas gracias, me alegra que se puede entender con facilidad.

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