Superaustenítico: de la aleación 20 al 654SMO

Acero inoxidable superaustenítico: historia de tres etapas, de la aleación 20 al 654SMO

Por Harris, técnico de SHUNFU METAL

El acero inoxidable superaustenítico es un austenítico de alto contenido en cromo, molibdeno y nitrógeno cuyo índice PREN no baja de 40. Frente a los austeníticos convencionales ofrece mucha mejor resistencia a la corrosión uniforme, por picadura, en rendijas y bajo tensión, y la aleación con nitrógeno le añade una combinación poco común: alta resistencia mecánica sin renunciar a la tenacidad. Por eso se ha impuesto en entornos agresivos: tratamiento de residuos urbanos y desulfuración de gases de combustión, industria química, pasta y papel, extracción de petróleo y gas y desalación de agua de mar.

Su desarrollo ha sido una persecución constante: más resistencia a la corrosión en los medios más duros, con un ojo siempre puesto en el coste. Este artículo resume la evolución que describe una revisión técnica china de referencia sobre el tema, ordenada en tres etapas —subir el molibdeno, añadir nitrógeno y, por último, subir ambos— y los dos avances metalúrgicos que la hicieron posible: la metalurgia secundaria (VOD/AOD) y la aleación con nitrógeno. Entender ese recorrido importa, porque la gama se aplica cada vez más y en entornos cada vez más severos, y conocer los porqués ayuda a desarrollar y especificar los grados que vienen. Una nota práctica antes de empezar: estos aceros circulan a la vez con nombre comercial (254SMO, AL-6XN, 654SMO), designación UNS (S31254, N08367, S32654) y designación china GB (015Cr20Ni18Mo6CuN); el 254SMO es además el 1.4547 europeo, el 654SMO el 1.4652 y el 904L el 1.4539.

Tres etapas de evolución

El concepto de acero inoxidable superaustenítico nació en los años 80 en paralelo a los superferríticos y los superdúplex, por analogía con las superaleaciones de níquel. Repasando su historia, la evolución se ordena con claridad en tres etapas: elevar el contenido de Mo, añadir N y, finalmente, elevar Mo y N a la vez. Cada etapa responde a una exigencia industrial concreta y se apoya en la tecnología disponible en su momento.

Etapa 1: el molibdeno (años 30-60)

La primera etapa arranca en los años 30, cuando el rápido desarrollo de las industrias ligadas al ácido sulfúrico elevó las exigencias sobre los aceros inoxidables que debían manejarlo. Para resolver los problemas de corrosión en medios sulfúricos, Estados Unidos desarrolló la aleación 20 (20Cr-30Ni-2,5Mo-3,5Cu), y Francia y Suecia otras dos de composición similar (20Cr-25Ni-4,5Mo-1,5Cu), conocidas como Uranus B6 y 2RK65.

Aunque la aleación 20 se diseñó para el ácido sulfúrico, su uso se extendió a los equipos de proceso de disolventes, explosivos, plásticos, fibras sintéticas, productos químicos orgánicos, farmacia y alimentación. A partir de los años 70, Uranus B6 y 2RK65 pasaron a denominarse 904L (N08904, EN 1.4539), un grado con buena resistencia a la corrosión uniforme en ácido sulfúrico y fosfórico que se aplica en petroquímica, pasta y papel, metalurgia y alimentación, y que en medios acuosos con cloruros a alta temperatura puede sustituir a los intercambiadores fabricados en 304 y 316. La aleación 20 y el 904L son la piedra fundacional del superaustenítico.

El mecanismo por el que el Mo ayuda es bien conocido: al añadirlo se eleva el potencial de corrosión y la estabilidad y densidad de la película pasiva, se favorece la repasivación y se reducen el número y el tamaño de los núcleos de picadura y de las picaduras metaestables. Con ello, el acero aguanta mucho mejor los medios con cloruros, cada vez más frecuentes en la industria.

En los años 50, la sueca Avesta subió el Mo y produjo un acero de 16,5Cr-30Ni-6Mo: el embrión del futuro 254SMO (S31254, 20Cr-18Ni-6Mo-0,2N). En los años 60, la europea Ugine desarrolló la aleación NSCD, resistente al agua de mar, con más de un 5 % de Mo. La investigación daba un paso más hacia los grados modernos.

En 1967, la International Nickel Company patentó aleaciones con 14-21 % de Cr, 20-40 % de Ni y 6-12 % de Mo. Ese mismo año, Allegheny (EE. UU.) produjo el AL-6X (20Cr-24Ni-6Mo), destinado a tubos de condensador de pared delgada en centrales refrigeradas por agua de mar. Pero su alta aleación pasaba factura: en espesores gruesos no era posible un enfriamiento rápido tras la fabricación, y el enfriamiento lento a alta temperatura hacía precipitar fases intermetálicas (σ, χ y Laves), ricas en Cr y Mo. Esa precipitación empobrece localmente la matriz en Cr y Mo, lo que no solo reduce las propiedades mecánicas, sino también la resistencia a la corrosión; por eso el AL-6X comercial quedó limitado a espesores inferiores a 2,5 mm.

Etapa 2: el nitrógeno (1976-años 90)

En 1976, Avesta patentó un acero nuevo y presentó el 254SMO, el representante típico de la segunda etapa. Fabricado con metalurgia secundaria y aleado con nitrógeno, controla el N en torno al 0,2 % y el Mo en torno al 6 %. Le siguieron otros grados también nitrogenados: el AL-6XN (N08367, 21Cr-24Ni-6Mo-0,2N) y el AL-6XN Plus, desarrollados por Allegheny en los años 70 sobre la base del AL-6X para resolver la corrosión marina, y el Cronifer 1925hMo (N08926, 20Cr-25Ni-6Mo-0,2N) de la alemana VDM, un 904L con más Mo y un 0,2 % de N.

El AL-6XN y el Cronifer 1925hMo tienen composiciones parecidas y contienen un 7 % más de Ni que el 254SMO, con lo que su fase austenítica es más estable. Los tres —254SMO, AL-6XN y Cronifer 1925hMo— son hoy los aceros «6Mo» maduros y fáciles de fabricar, presentes en plataformas marinas de petróleo y gas, desalación, intercambiadores de agua de mar y tubos de condensador, así como en medios de alta concentración de cloruros: desulfuración de gases, pasta y papel, plantas de blanqueo, centrales nucleares y destilación de crudo, además de reactores y tuberías de productos químicos.

Más allá de esos tres, distintos países desarrollaron otros 6Mo notables. En 1984 Corea patentó el SR50A (S32050, 23Cr-21Ni-6Mo-0,25N), con más Cr y N que los anteriores: mejor resistencia a la corrosión, resistencia mecánica muy superior a la de los austeníticos convencionales y una resistencia a la corrosión localizada comparable a la de las aleaciones de titanio, apto para entornos muy exigentes como centrales nucleares, sistemas de desulfuración, piezas de motores de cohete y materiales biomédicos. En 1988, la finlandesa Outokumpu presentó el Nirosta 4565S (S34565, 24Cr-17Ni-5Mo-6Mn-0,5N), que eleva el manganeso para aumentar la solubilidad del N. El Mn es un formador de austenita débil, pero también un estabilizador fuerte, y junto con el N permite sustituir o reducir el caro Ni: el acero combina buena resistencia a la corrosión con ventaja de precio, y con un 0,5 % de N su límite elástico supera en un 40 % al del 254SMO. Hoy se aplica en pasta y papel, almacenamiento y transporte de productos químicos, hidrometalurgia, desulfuración de gases y desalación. Ya en los años 90, la japonesa Yakin partió del 254SMO y subió el Cr, bajó el Mo y optimizó el resto de elementos para crear el NAS 254N (S32053, 23Cr-25Ni-5Mo-0,2N), que mantiene la resistencia a la corrosión y reduce el riesgo de precipitación de fases intermetálicas; se usa en obra marina, industria química, pasta y papel y sistemas de control de contaminación.

Etapa 3: más Mo y más N (1992-2000)

El 254SMO, el AL-6XN, el Cronifer 1925hMo y el S34565 rinden bien, pero en rendijas o a temperaturas altas su resistencia tiene techo; ahí las aleaciones de níquel o de titanio toman la delantera, a un precio elevado. Para cerrar esa brecha, en 1992 Avesta desarrolló el 654SMO (S32654, 24Cr-22Ni-8Mo-3Mn-0,5N): la tercera etapa. Sobre la base de los 6Mo sube de forma notable el Cr, el Mo y el N —Mo hasta el 7 %, N hasta el 0,5 %— y añade el Mn justo para poder producirlo con AOD convencional y colada continua, sin miedo a que el N escape en los procesos posteriores. El 654SMO es un hito: la acción conjunta de Cr, Mo y N le da una gran resistencia a la corrosión en medios con haluros y, conservando forjabilidad y tenacidad, mucha más resistencia mecánica. Se emplea en desalación, blanqueo de pasta y desulfuración de gases, y se ha convertido en sustituto de aleaciones de níquel y de titanio.

En 1994, Francia sustituyó parte del Mo por W y desarrolló el B66 (S31266, 24Cr-22Ni-6Mo-3Mn-2W-0,5N). Con más Ni y N que la mayoría de los austeníticos y de las aleaciones de níquel, reduce el riesgo de precipitación de intermetálicos; está diseñado para mejorar la estabilidad microestructural y las propiedades mecánicas, y es un superaustenítico pensado para piezas grandes de pared gruesa.

En el sector de cables para la extracción de petróleo y gas, el 316 se queda corto, y las aleaciones de níquel y cobalto, aunque excelentes, son caras. Los aceros 6Mo acortaron la distancia, pero no la cerraron del todo; para acercarse a las prestaciones de las aleaciones de Ni y Co, en 2000 la estadounidense Special Metals desarrolló el Incoloy 27-7Mo (S31277, 22Cr-27Ni-8Mo-0,35N).

Tras estas tres etapas el sistema ha madurado: hoy la familia superaustenítica cuenta con once grados. La tabla siguiente recoge sus composiciones, tal como aparecen en la Tabla 1 del documento original:

Tabla 1. Composición de los grados superausteníticos (% en masa). Fuente: Tabla 1 del documento original. El Si no supera el 1,0 %; el S se limita a 0,005-0,03 % y el P a 0,03-0,045 %, según el grado. «—» indica que no se especifica.

Los dos avances que lo hicieron posible

Detrás de estas tres etapas hay dos tecnologías habilitadoras, sin las cuales ninguno de los grados modernos existiría: la metalurgia secundaria —principalmente la descarburación al vacío con oxígeno (VOD) y la descarburación con argón y oxígeno (AOD)— y la aleación con nitrógeno.

Por qué el carbono tenía que bajar de 0,02 %

Los superausteníticos llevan mucho Cr, y la físico-química de un baño rico en Cr hace que el C suba con él. El C es un elemento que forma y estabiliza fuertemente la austenita, pero se combina con facilidad con los elementos de aleación formando carburos (M₂₃C₆, M₆C, MC y M₇C₃) que dejan zonas pobres en Cr; eso perjudica sobre todo la resistencia a la corrosión intergranular y por picadura. Por eso el C debe quedar por debajo del 0,02 %. Para bajarlo hay dos vías: elevar la temperatura de fusión o reducir la presión parcial de CO. De ahí nació, precisamente, la metalurgia secundaria.

La metalurgia secundaria: de la SD al AOD y el VOD

La metalurgia secundaria es el eslabón intermedio entre el convertidor y la colada continua, y perfeccionó el proceso de acero líquido que inventó Henry Bessemer. Mejora la precisión y la eficiencia del refino, permite ajustar las condiciones de las reacciones, aumenta la superficie de reacción de la escoria y acelera la transferencia de masa en el baño. Gracias a ella, las etapas 2 y 3 del superaustenítico fueron posibles.

El pionero de la desgasificación al vacío fue el desgasificador en corriente de acero (SD) que Krupp instaló en la Alemania Occidental de 1952: servía para eliminar hidrógeno, pero apenas eliminaba oxígeno. Con la madurez de los eyectores de vapor de gran caudal, las variantes se multiplicaron: en 1956 llegó la desgasificación por elevación (DH) de Dortmund Hörder Huttenunion; en 1958, la desgasificación por circulación (RH) de Rhein Stahl Huttenwerke y Heraeus —ambas eficaces con H, O, C y N, a costa de acortar la vida del revestimiento—; y en 1964, la sueca ASEA-SKF desarrolló un método de desgasificación al vacío, el ASEA-SKF, capaz de descarburar insuflando oxígeno y de refinar aceros de C ultrabajo. Fue el primer modelo de refino fuera del horno.

En 1964, la estadounidense Union Carbide inventó la descarburación con argón y oxígeno (AOD): soplar gas inerte baja la presión parcial de CO y permite descarburar conservando el Cr. En 1967 se construyó y puso en marcha el primer horno AOD en la acería Joslyn (EE. UU.), y la capacidad de producción de inoxidable dio un salto cualitativo: se podían suprimir microelementos nocivos y, a la vez, controlar con precisión los elementos de aleación, lo que abrió la puerta a aceros más aleados. En 1972, la francesa Creusot-Loire y la sueca Uddeholm desarrollaron sobre la base del AOD el soplado de vapor y oxígeno (CLU), en producción desde 1973 en Degerfors: mejora la vida del revestimiento, pero oxida más Cr que la AOD.

En 1965, la alemana Edelstahlwerk Witten inventó la descarburación al vacío con oxígeno (VOD): el vacío baja la presión parcial de CO y se descarbura conservando el Cr, lo que permite fabricar aceros de C ultrabajo, de alta dificultad y alta pureza. Sobre esa base llegaron más variantes: el KVOD/VAD de Finkl-Mohr (1976), que suma ventajas del VOD y del AOD con menos argón y menos refractario que la AOD y más rapidez que el VOD; el SS-VOD de la japonesa Kawasaki (1976), con agitación de argón reforzada para bajar aún más C y N; el VODC/VODK de Witten, de alto rendimiento de Cr; y el Finkl-VAD (1967), que añadió calentamiento por arco en vacío para descarburar aceros de alto Cr, a mayor coste. En 1970, la japonesa Nippon Steel añadió una lanza de oxígeno al equipo RH y creó el RH-OB; en 1971, la japonesa Daido Steel desarrolló el horno-cuchara (LF), con calentamiento por arco, agitación con argón y desgasificación al vacío —un equipo sencillo y de coste bajo, idóneo para modernizar instalaciones existentes—; y en 1980, la misma Daido presentó el GRAF, un horno de arco con refino por gas que sustituye el vacío por gas inerte y desgasifica más rápido H, O, N y S.

Con la AOD y el VOD asentados, el proceso en dos pasos —horno de arco eléctrico (EAF) más VOD/AOD— se hizo maduro y con buen rendimiento. Para aceros de requisitos especiales, Alemania y Japón añadieron un tercer paso (EAF → AOD → VOD), que eleva todavía más el ritmo de producción.

La aleación con nitrógeno

La segunda guerra mundial convirtió el Ni en recurso estratégico escaso, y Alemania y Estados Unidos respondieron con los aceros de la serie 200, en los que Mn y N sustituían parte del Ni. Terminada la guerra, la escasez se relajó y el desarrollo de la serie 200 se frenó; más tarde, investigadores indios que habían participado en su desarrollo en EE. UU. la retomaron y la adaptaron a la realidad de su país, rico en Mn y pobre en Ni. A la vista del buen papel del N, el superaustenítico también se nitrogenó, con el 254SMO como caso típico.

Con el avance de la técnica quedó claro lo que aporta el N: su capacidad de estabilizar la austenita es unas 30 veces la del Ni, es un recurso abundante y retrasa la precipitación de carburos y fases intermedias. En dosis pequeñas mejora de forma notable las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión localizada; en dosis grandes, como en el 654SMO, conserva forjabilidad y tenacidad y eleva mucho la resistencia. En cuanto al mecanismo, el N frena la disolución anódica, favorece la repasivación, estabiliza y densifica la película pasiva, forma compuestos de NO o sales de amonio y genera NH₃ o NH₄⁺ que elevan el pH local en la picadura. De ahí nació la generación de superausteníticos de alto N —por encima del 0,5 %—, con el 654SMO como referencia.

El futuro: nuevas aleaciones y nuevos mercados

Tras tres generaciones, el sistema de aleaciones está maduro: gran resistencia a la corrosión, buenas propiedades mecánicas y un precio contenido, lo que ha ido ampliando sus aplicaciones. Pero la industria avanza y los medios son cada vez más severos, así que la investigación continúa por dos vías de diseño.

Diseño: subir Cr, bajar Mo, mantener N

La primera vía es prolongar la estrategia del alto Mo. En 1997, la japonesa Yakin partió del NAS 254N, subió el Mo hasta el 7,5 % y, para mantener la fase austenítica, elevó el Ni hasta el 35 %, creando el NAS 354N (23Cr-35Ni-7,5Mo-0,2N): mejora la resistencia a la picadura y a la corrosión en rendijas y, gracias al Ni, también la resistencia a la corrosión bajo tensión, con menor riesgo de fases secundarias; se emplea en petroquímica, obra marina, alimentación, farmacia y electrónica. En 2020, sobre esa base, el NAS 355N añadió un 3,2 % de Cu (23Cr-35Ni-7,5Mo-0,2N-3,2Cu) para conservar la resistencia a los cloruros y mejorar la resistencia al ácido sulfúrico, lo que lo hace idóneo donde coexisten medios sulfúricos y cloruros: equipos de desulfuración, equipos químicos e intercambiadores.

La segunda vía es subir el Cr. En 2020, la sueca Sandvik presentó el Sanicro 35 (N08935, 27Cr-35Ni-6,5Mo-0,3N), un grado nuevo diseñado para entornos corrosivos y agua de mar: apenas forma fases intermedias, mejora la soldabilidad y la productibilidad, y sirve para cilindros hidráulicos e instrumentación, intercambiadores y conducciones en obra marina, petróleo y gas.

Ahora bien: para mantener el equilibrio de fases, el NAS 354N, el NAS 355N y el Sanicro 35 necesitan un Ni por encima del 30 %, lo que en rigor los convierte en aleaciones hierro-níquel, con economía y fabricación discutibles. La vía razonable pasa por el cálculo de materiales: subir el Cr, bajar el Mo y subir el N. Así se mantiene un PREN alto y se reducen el Ni y el Mo para asegurar el coste; bajar el Mo reduce además la dificultad de fabricación.

La obra marina tira de la demanda

El superaustenítico ya es maduro en desulfuración de gases, pasta y papel, petroquímica y desalación. Con la industria en marcha, la técnica avanzando y la estrategia nacional china, el desarrollo de la industria petrolífera marina gana peso. Y el mar no se parece a la tierra: corrientes intensas, temperatura y presión que cambian con la profundidad, geología submarina singular, microorganismos complejos y un petróleo y gas con más H₂S, CO₂ y Cl⁻, con corrosión en tres fases (sólido, líquido y gas).

La experiencia de las últimas décadas lo ilustra bien. Entre 1975 y 1980, la neerlandesa NAM instaló 13,3 km de conducciones —siete con 316L y cuatro con dúplex en el interior— para sustituir a las de acero al carbono con inhibidores; pero en aguas de Catar el 316L sufrió picadura y corrosión en rendijas graves. En 2008, el huracán que azotó el golfo de México sepultó bajo el oleaje tuberías, válvulas y bombas de 304L, y un mes después apareció la picadura. En agosto de 2013, un buque metanero de la china Nantong Pacific Ocean Engineering sufrió picadura severa en tuberías de 304 con apenas medio año de servicio. Para evitar fugas, la ingeniería marina necesita más resistencia a la corrosión, más resistencia mecánica y alta tenacidad: exactamente el terreno del superaustenítico, cuyas propiedades mejoran con el N añadido.

Los grandes proyectos dibujan el mapa de aplicación. Entre 1986 y 1989, Statoil (Noruega) empleó unas 475 t de AL-6XN en la plataforma Gullfaks, y Conoco más de 600 t en Heidrun. Entre 1995 y 2010, el yacimiento Al Shaheen (Catar) usó 408 t de tubería de 254SMO. En 1995, Forsmark 1 y 2 (Suecia) sustituyeron sus condensadores de titanio por cerca de 94 000 m de 654SMO, y entre 1995 y 1997 Ringhals (Suecia) y TVO (Finlandia) hicieron lo propio con 56 000 y 58 000 m. La neerlandesa AVR Demi usó 1,4 millones de metros de condensador de pared fina en S34565. Aasgard y Kristin (Statoil) superaron las 500 t de S34565. El yacimiento Snorre empleó tubos sin soldadura, tubos soldados y otros sistemas de Cronifer 1925hMo para agua de mar y para el transporte y tratamiento de mezclas de hidrocarburos con sulfhídrico y agua de mar. En 1990, Yakin revistió con S32053 la parte superior de los pilotes de un atraque para buques de GLP: 29 años después, esa zona seguía sin corrosión. Y en el aeropuerto de Haneda (Tokio), 1 201 pilotes de tubería llevan revestimiento de 254SMO de 0,4 mm en la zona de mareas: 69 000 m², 250 t.

La experiencia también marca los límites. Con el 254SMO se ha observado corrosión en rendijas por encima de 35 °C en medios con iones cloruro; y en una plataforma del mar del Norte, a la salida del enfriador de crudo, aparecieron ataques de rendija graves en bridas y boquillas roscadas cuando la temperatura superaba los 70 °C.

Aguas profundas: 260 °C, 172 MPa y sulfhídrico

La exploración de petróleo y gas se desplaza hacia yacimientos más profundos, sobre todo en aguas profundas. Cada vez más escenarios combinan 260 °C, 172 MPa y contenidos altos de H₂S, CO₂, Cl⁻ y azufre libre: no solo corrosión general, también fisuración por corrosión bajo tensión por sulfuros, por cloruros o por su acción conjunta. Y cuanto más profundo es el yacimiento, más temperatura y más cargas suspendidas y presión debe soportar el material, de modo que las exigencias mecánicas también suben. El resultado es una lista de requisitos simultáneos —buenas propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión uniforme, a la picadura y en rendijas, y resistencia a la fisuración por cloruros con sulfuros— más una condición añadida: coste razonable. Con ese perfil, el superaustenítico tiene mucho que decir en las aguas profundas, y la investigación seguirá optimizando sus prestaciones para cada entorno.

Conclusión

La historia del acero inoxidable superaustenítico es una persecución de prestaciones: desde la aleación 20 y el 904L, nacidos para resistir los medios sulfúricos, hasta los aceros 6Mo —254SMO, AL-6XN, Cronifer 1925hMo— pensados para los medios con cloruros, y los grados de 7Mo de la familia del 654SMO. Tres etapas, un sistema cada vez más maduro y dos tecnologías protagonistas: el refino fuera del horno (AOD, VOD) y la aleación con nitrógeno. Con la industria apretando, el futuro sigue el mismo rumbo —más Cr, más Mo y más N— con una condición que no se negocia: equilibrio de fases y economía.

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