2205 vs 2507 – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Los aceros inoxidables dúplex 2205 y 2507 (comúnmente llamados «superdúplex») se especifican ampliamente donde se requiere mayor resistencia y mejor resistencia a la corrosión en comparación con los grados austeníticos. Los ingenieros y los equipos de compras suelen enfrentarse a una disyuntiva entre el costo, la soldabilidad y el nivel de resistencia a la corrosión localizada necesario para su uso en medios con cloruros. Los planificadores de producción deben sopesar la dificultad de conformado y mecanizado frente al ahorro derivado de la reducción del espesor de sección gracias a la mayor resistencia.
La principal diferencia técnica radica en que el acero 2507 contiene mayor cantidad de cromo, molibdeno y nitrógeno que el 2205, lo que le confiere mayor resistencia a la corrosión por picaduras y grietas, así como mayor límite elástico y resistencia a la tracción, a costa de una menor conformabilidad y un mayor costo del material. Esta estrategia composicional —aumentar el contenido de Cr, Mo y N manteniendo un equilibrio ferrítico-austenítico dúplex— es la razón por la que se comparan estos dos grados para entornos agresivos y aplicaciones con cargas críticas.
1. Normas y designaciones
- 2205: Comúnmente designado UNS S32205 / S32266; especificado en ASTM/ASME (por ejemplo, A240, A182 para productos forjados y labrados), EN (1.4462), JIS y GB existen equivalentes.
- 2507: Comúnmente designado UNS S32750; especificado en ASTM/ASME y EN (1.4410 se usa a menudo para superdúplex) y otras normas regionales.
Categorización: - Tanto el 2205 como el 2507 son aceros inoxidables (específicamente aceros inoxidables dúplex). No son aceros al carbono, aceros para herramientas ni grados HSLA.
2. Composición química y estrategia de aleación
La siguiente tabla resume los rangos de composición típicos para estos dos grados de acero dúplex (los rangos certificados por la fábrica varían según la norma y el fabricante). Los elementos no incluidos en la lista suelen estar presentes como hierro de equilibrio o en trazas.
| Elemento | 2205 (rango típico, % en peso) | 2507 (rango típico, % en peso) |
|---|---|---|
| do | ≤ 0,03 | ≤ 0,03 |
| Minnesota | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| PAG | ≤ 0,03 | ≤ 0,03 |
| S | ≤ 0,02 | ≤ 0,02 |
| Cr | 22.0–23.0 | 24.0–26.0 |
| Ni | 4.5–6.5 | 6.0–8.0 |
| Mes | 3.0–3.5 | 3,5–4,5 |
| V | típicamente trazas/ninguna | típicamente trazas/ninguna |
| Nb/Ti | típicamente ninguno | típicamente ninguno |
| B | típicamente ninguno | típicamente ninguno |
| norte | 0,14–0,20 | 0,24–0,32 |
| Fe | Balance | Balance |
Cómo afecta la aleación a las propiedades - Cromo: principal contribuyente a la formación de la película pasiva y a la resistencia a la corrosión por picaduras; un mayor contenido de Cr aumenta la resistencia general a la corrosión y eleva ligeramente la resistencia en los grados dúplex. - Molibdeno: mejora la resistencia a la corrosión por picaduras y grietas en medios que contienen cloruro. - Nitrógeno: estabiliza la fase austenítica y aumenta considerablemente la resistencia a la fluencia y la resistencia a la corrosión por picaduras (según PREN), mejorando también la resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión en muchos grados dúplex. - Níquel: equilibra la fracción de fase ferrita-austenita; un mayor contenido de Ni en 2507 ayuda a mantener una microestructura dúplex a pesar de un mayor contenido de Cr y Mo. - El bajo contenido de carbono minimiza la precipitación de carburos y la susceptibilidad a la corrosión intergranular.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
microestructuras típicas Ambos grados son dúplex: una mezcla aproximadamente igual de ferrita (δ) y austenita (γ) en estado recocido. La fracción volumétrica objetivo suele ser cercana a 50/50, pero varía según la forma del producto y su historial térmico. - 2205: microestructura dúplex estable con austenita formada por partición de Cr–Ni–N; equilibrada para una buena tenacidad y resistencia a la corrosión. - 2507: microestructura dúplex con niveles de aleación más altos; requiere un control cuidadoso de los ciclos térmicos para evitar un exceso de ferrita o fases intermetálicas perjudiciales.
Efectos de los procesos térmicos El tratamiento térmico de solubilización (normalmente entre 1020 y 1100 °C para aceros inoxidables dúplex) seguido de un enfriamiento rápido restablece el equilibrio dúplex y disuelve los precipitados intermetálicos. Ambos grados se benefician de un tratamiento térmico de solubilización adecuado tras el conformado en caliente o la soldadura de alta resistencia para recuperar sus propiedades. El enfriamiento lento o la exposición prolongada a temperaturas entre 600 y 950 °C favorecen la formación de fases intermetálicas sigma, chi u otras, lo que fragiliza el material y reduce su resistencia a la corrosión. Esto es especialmente preocupante en el caso del acero 2507, ya que su mayor contenido de Cr y Mo incrementa la fuerza termodinámica que impulsa la formación de compuestos intermetálicos. - El trabajo en frío aumenta la resistencia mediante el endurecimiento por deformación y modifica el equilibrio ferrita-austenita; los aceros dúplex a menudo se producen en espesores grandes o en placas con tratamiento termomecánico controlado para lograr las propiedades mecánicas deseadas. - A diferencia de los aceros al carbono, los ciclos típicos de temple y revenido no se aplican a los aceros inoxidables dúplex; el control se realiza principalmente mediante recocido de solubilización y trabajo en frío.
4. Propiedades mecánicas
Los valores que se muestran a continuación son rangos típicos para productos recocidos (placas, láminas, tubos) y varían según la fábrica y el tratamiento térmico. Utilice siempre los certificados de la fábrica para el diseño.
| Propiedad | 2205 (típico, recocido) | 2507 (típico, recocido) |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción (MPa) | ~620–880 | ~800–1000 |
| 0,2% de prueba / rendimiento (MPa) | ~450–650 | ~620–800 |
| Alargamiento (%) | ~20–35 | ~10–25 |
| Resistencia al impacto (Charpy V, temperatura ambiente) | Generalmente bueno, a menudo ≥40 J | En general bien, pero inferior a 2205 en algunas condiciones. |
| Dureza (HRC/HB) | moderado | mayor debido al aumento de la fuerza |
Interpretación Resistencia: El acero 2507 suele ser más resistente, tanto en límite elástico como en resistencia a la tracción, debido a su mayor contenido de nitrógeno y a la adición de elementos de aleación. Esto permite diseños más ligeros gracias a la reducción del espesor de la sección, manteniendo la misma resistencia a la carga. Tenacidad y ductilidad: El acero 2205 suele ofrecer mayor ductilidad y conformabilidad; el 2507 sacrifica algo de ductilidad a cambio de mayor resistencia. Ambos pueden presentar una excelente tenacidad al impacto con un procesamiento adecuado, pero el 2507 es más sensible al historial térmico y a la precipitación de compuestos intermetálicos. Los diseñadores deben verificar la resistencia para servicio a bajas temperaturas o componentes críticos a impactos.
5. Soldabilidad
Las consideraciones sobre la soldabilidad de los aceros inoxidables dúplex dependen del contenido de carbono y nitrógeno, y de la influencia de los elementos de aleación en la templabilidad y el equilibrio de fases.
- El contenido de carbono es bajo en ambos grados, lo que limita la formación de carburos y mejora la soldabilidad.
- El nitrógeno estabiliza la austenita; la pérdida de nitrógeno en el baño de soldadura (por desgasificación) puede alterar el equilibrio ferrita-austenita, por lo que la química adecuada del material de aporte y el gas de protección son importantes.
- Una mayor relación Cr/Mo en el acero 2507 incrementa el riesgo de formación de fases intermetálicas en la zona afectada por el calor (ZAC) si la velocidad de enfriamiento es lenta o el aporte térmico posterior a la soldadura es excesivo. Por lo tanto, el acero 2507 requiere un control más estricto del aporte térmico y de la temperatura entre pasadas que el acero 2205.
Índices comunes de soldabilidad (uso cualitativo) - El equivalente de carbono (IIW) y el Pcm pueden utilizarse para evaluar la susceptibilidad al agrietamiento en frío inducido por hidrógeno. Ejemplos de fórmulas: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Utilice estas fórmulas cualitativamente: ambos grados suelen tener un CE/Pcm bajo en comparación con los aceros de alto carbono, pero el mayor contenido de aleación del 2507 aumenta su CE/Pcm en comparación con el 2205.
Notas prácticas - El precalentamiento suele ser mínimo para los aceros inoxidables dúplex; evite el precalentamiento excesivo y mantenga temperaturas adecuadas entre pasadas para evitar la formación de sigma. Utilice metales de aporte con la misma aleación o con mayor aleación para restablecer el equilibrio de aleación en el metal de soldadura. El recocido de solubilización posterior a la soldadura rara vez resulta práctico para estructuras fabricadas de gran tamaño, pero puede utilizarse para componentes críticos. - Se recomienda realizar pruebas mecánicas posteriores a la soldadura y pruebas de corrosión (por ejemplo, resistencia a picaduras o ASTM G48) para conjuntos críticos, especialmente para 2507.
6. Corrosión y protección de superficies
Para los aceros inoxidables dúplex, la protección superficial estándar mediante acabado y pasivación es eficaz; la galvanización no es aplicable a los aceros inoxidables.
Número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras (PREN) - El PREN se utiliza comúnmente para estimar la resistencia a la corrosión por picaduras de cloruros: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ Debido a que el acero 2507 tiene mayor contenido de Cr, Mo y N que el 2205, presenta un PREN superior y, por lo tanto, una mayor resistencia a la corrosión por picaduras y grietas en ambientes con cloruros. El PREN es solo una referencia; la microestructura, las inclusiones y el estado de la superficie también influyen en el rendimiento real.
Cuando PREN no sea aplicable El índice PREN se centra en la resistencia a la corrosión por picaduras en medios clorurados; para la corrosión general, no se pueden inferir tasas de corrosión uniformes en soluciones ácidas o alcalinas oxidantes únicamente a partir del índice PREN. La resistencia a la corrosión bajo tensión (CBT) depende de las condiciones metalúrgicas, el estado de tensión y el entorno; los aceros dúplex suelen ser más resistentes a la CBT que los aceros austeníticos, pero su comportamiento ante la CBT puede variar.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Maquinabilidad: Ambos grados se endurecen por deformación durante el corte. La mayor resistencia y contenido de aleación del 2507 dificultan un poco más su mecanizado, requiriendo configuraciones rígidas, herramientas afiladas, profundidades de corte reducidas y, a menudo, velocidades de avance más lentas. La selección de los materiales de las herramientas y del refrigerante es importante.
- Conformado/doblado: El acero 2205 es más fácil de conformar que el 2507 debido a su mayor ductilidad. El 2507 puede requerir radios de curvatura mayores, menor deformación por pasada y recocidos más frecuentes para conformados severos.
- Acabado superficial: El pulido mecánico y químico es similar para ambos grados, pero el 2507 puede requerir métodos más agresivos para eliminar la deformación subsuperficial producida por el mecanizado.
8. Aplicaciones típicas
| 2205 (Solicitudes) | 2507 (Solicitudes) |
|---|---|
| Intercambiadores de calor, tuberías y accesorios en plantas químicas y petroquímicas | Componentes submarinos y de superficie en la industria del petróleo y el gas en aguas profundas |
| Sistemas de agua de mar, componentes de desalinización con niveles moderados de cloruro | Ambientes altamente agresivos con cloruros, por ejemplo, pozos ricos en cloruros, salmueras a alta temperatura |
| Recipientes a presión, tanques de almacenamiento donde se requiere alta resistencia y resistencia a la corrosión pero el presupuesto es limitado. | Bridas, umbilicales, válvulas y colectores críticos que requieren la máxima resistencia a picaduras y grietas |
| Digestores y equipos de procesamiento para la industria de la pulpa y el papel | Aplicaciones donde se requiere una reducción del espesor de la sección debido a cargas elevadas y medios corrosivos. |
Justificación de la selección - Elija el acero 2205 cuando se requiera un equilibrio entre resistencia, tenacidad y resistencia a la corrosión con una exposición a cloruros más moderada y cuando la eficiencia de conformado y soldadura sean prioritarias. - Elija el acero 2507 cuando el ambiente sea especialmente agresivo (alto contenido de cloruros, alta temperatura), cuando una mayor tensión admisible permita un espesor reducido o cuando se requiera la máxima resistencia a picaduras/grietas.
9. Costo y disponibilidad
- Coste: El acero 2507 es sistemáticamente más caro que el 2205 debido a su mayor contenido de aleación (principalmente Ni, Mo y N) y a controles de procesamiento más estrictos. Las diferencias en el coste del material pueden ser considerables y deben sopesarse con las ventajas a lo largo de su vida útil y el posible ahorro en secciones.
- Disponibilidad: El acero 2205 está ampliamente disponible en placas, tuberías, accesorios y elementos de fijación. El acero 2507 está disponible comercialmente, pero su uso es menos frecuente; algunos formatos o tamaños personalizados pueden requerir plazos de entrega prolongados. Al especificar el acero 2507, los responsables de la planificación de compras deben considerar los plazos de entrega y los requisitos de ensayo de fábrica.
10. Resumen y recomendación
| Criterio | 2205 | 2507 |
|---|---|---|
| Soldabilidad | Mejor (más tolerante) | Es bueno, pero requiere un control más estricto del aporte térmico. |
| equilibrio entre resistencia y tenacidad | Alta resistencia con buena ductilidad | Mayor resistencia, ductilidad algo menor |
| Costo | Más bajo (más económico) | Mayor (prima) |
Elige 2205 si: - Necesitas un acero dúplex robusto con buena resistencia general a la corrosión y a la corrosión bajo tensión, mejor conformabilidad y soldadura más sencilla, y un menor coste de material. - El servicio implica una exposición moderada a cloruros donde el PREN y la microestructura del 2205 son adecuados.
Elige 2507 si: - El entorno es altamente agresivo (alto contenido de cloruro, temperaturas elevadas o condiciones de grietas estrechas) y se requiere la mayor resistencia a picaduras/grietas. - Necesita una mayor resistencia a la tracción/límite elástico para reducir el espesor de la sección o cumplir con requisitos de carga estrictos y está dispuesto a aceptar mayores costos de materiales y controles de fabricación más rigurosos.
Nota final: Los certificados de fábrica, la forma real del producto, el historial de fabricación y las pruebas de servicio en sitio (p. ej., pruebas de corrosión por picaduras/hendiduras en juntas soldadas) son información esencial para la selección final del grado. Siempre valide los valores de diseño con los datos del proveedor y los códigos pertinentes para componentes críticos de seguridad.