Análisis microestructural, nanoestructural y a escala atómica de los fenómenos de sensibilización de aceros inoxidables ferríticos

Resumen

El suministro de los aceros inoxidables ferríticos AISI 430 con acabado brillante proporcionados por ACERINOX, requiere, para algunas aplicaciones, la utilización de una película plástica adhesiva para proteger la superficie antes de su puesta en servicio. Al retirar esta película adhesiva protectora, la superficie del acero muestra en ocasiones un reflejo brillante. Al principio se pensó que la cinta dejaba restos de adhesivo en el acero y que estos brillaban cuando la luz incidía sobre la superficie. Sin embargo, estos reflejos proceden del propio material. En realidad, se corresponde con un defecto superficial en el que pestañas de material se encuentran semi-desprendidas de la superficie, lo que perjudica su calidad visual. Este defecto se denomina "defecto de polvo dorado" (conocido comocentelleo en ACERINOX), por su aspecto brillante a simple vista. Por ello, la empresa ha puesto en marcha algunos procedimientos para evaluar y tratar de mitigar los daños causados por este defecto. El fabricante ha observado que el uso de aluminio como aleación parece dificultar en cierta medida la aparición de este defecto. Sin embargo, aún no se comprende la relación directa entre el aluminio y la mejora de la calidad superficial del acero inoxidable ferrítico AISI 430. A lo largo de los años, este fenómeno sigue apareciendo esporádicamente y la verdadera razón de su aparición no está clara. Por lo tanto, esta Tesis Doctoral Industrial pretende comprender el origen y la naturaleza del centelleo, así como desarrollar contramedidas eficaces para prevenir su aparición. Una vez conocido el defecto y la razón de su aparición, será posible determinar el papel del aluminio en la obstaculización del desarrollo del defecto, así como establecer otras posibles vías para prevenir su aparición. Para ello, el primer paso es comprender la naturaleza del defecto, es decir, su morfología, la composición química y su naturaleza cristalina. Una vez identificado el defecto, será necesario rastrear su origen a través del proceso de producción del acero. Para ello, se estudiarán muestras de acero inoxidable ferrítico AISI 430 en diferentes etapas del proceso de producción: (i) tras el laminado en caliente y el posterior recocido ("recocido caliente"), (ii) tras el tratamiento de decapado químico y (iii) al final del proceso de producción, concretamente tras el recocido final ("recocido brillante"). Por último, para encontrar la relación entre el aluminio y la mejora de la calidad superficial, se estudiaron muestras de acero inoxidable ferrítico AISI 430 al final del proceso de producción con diferentes contenidos de aluminio. Para llevar a cabo todos estos estudios, en esta Tesis Doctoral se ha utilizado la combinación de varias técnicas como la microscopía óptica, la microscopía de fuerza atómica (AFM), la microscopía electrónica de barrido (SEM) combinada con la espectroscopía de la dispersión de energía de Rayos X (EDS) y la preparación de lamellasTEM (muestras FIB) para estudios de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HR-TEM). Además, para conocer el estado de recristalización de los diferentes materiales de estudio, las muestras también se caracterizaron mediante difracción de electrones retrodispersados (EBSD). Además, para determinar la composición química local de las fases que componían las pestañas del centelleo, se utilizó la espectroscopia monocromática de pérdida de energía de electrones (EELS) en combinación con el algoritmo de agrupamiento k-means Los resultados muestran que la morfología típica de las pestañas de centelleo se basa en una microestructura de capa superior compuesta por subgranos separados de la matriz del acero por varias grietas. Esta capa superior presenta en su mayoría, una acumulación de precipitados de Cr7C3 y, en cierta medida, de Cr6C3N. El origen del centelleo parece comenzar con una recristalización superficial inadecuada que se produce debido a un proceso de recocido insuficiente tras la etapa de laminación en caliente. La formación de las pestañas se produce entonces tras el tratamiento de decapado y sobrevive a las etapas restantes etapas del proceso de producción, incluida la etapa de laminación en frío, durante la cual, tiene lugar una degradación del aspecto de las pestañas. Estas pestañas sólo son visibles a simple vista tras el recocido final (recocido brillante). Esto se debe a la formación de una capa de óxido mixta rica en Cr2O3 y MnCr2O4, que consigue levantar fácilmente las pestañas de la superficie cuando se aplica la prueba de la cinta. Por último, se demuestra que el uso de aluminio puede mejorar el aspecto del defecto porque acelera el proceso de recristalización sin modificar el tiempo de recocido de un acero inoxidable ferrítico AISI 430 estándar afectado por el centelleo. Como resultado del desarrollo de esta Tesis Doctoral Industrial, se ha podido conocer en profundidad la compleja naturaleza del centelleo, el origen del defecto en el proceso productivo, así como el papel que juega el aluminio en la mejora de la calidad superficial del acero. En el marco de la colaboración entre ACERINOX y la Universidad de Cádiz, esta Tesis Doctoral allanó el camino para posteriores estudios centrados en el desarrollo tecnológico, pudiéndose desarrollar en una planta piloto.