Tratamiento térmico del acero inoxidable dúplex: guía de solución y alivio de tensiones
1. Qué es el acero inoxidable dúplex y cómo se designa
Un acero inoxidable dúplex es aquel que, tras el tratamiento de solución (solubilización), presenta una microestructura formada por ferrita y austenita, con una fracción volumétrica de cada fase no inferior al 25 %. Esa condición de «doble fase» es la que da nombre a la familia y la que explica su comportamiento: combina la resistencia mecánica de los aceros ferríticos con la tenacidad y la soldabilidad de los austeníticos.
Su desarrollo respondió a una necesidad concreta: mejorar la resistencia a la corrosión por picaduras del acero austenítico 18-8 en agua de mar. Frente a los aceros inoxidables austeníticos convencionales, el dúplex ofrece mejor comportamiento frente a la corrosión por picaduras, la corrosión en grietas y el agrietamiento por corrosión bajo tensión en medios que contienen iones cloruro (Cl–), manteniendo al mismo tiempo buenas propiedades mecánicas y de fabricación.
El punto de partida de cualquier trabajo con dúplex es identificar correctamente el grado, porque las designaciones cambian según la norma. Esta es la correspondencia entre las designaciones chinas GB/T, las norteamericanas UNS/ASTM y las europeas EN/DIN:
| GB/T (China) | UNS / ASTM | EN / DIN | Denominación comercial | Familia |
|---|---|---|---|---|
| 12Cr21Ni5Ti | Sin equivalencia directa (referencia: AISI 329 / UNS S32900) | — | — | Baja aleación |
| 022Cr23Ni5Mo3N | S32304 | 1.4362 | 2304 | Baja aleación |
| 022Cr22Ni5Mo3N | S31803 / S32205 | 1.4462 | 2205 | Media aleación |
| 03Cr25Ni6Mo3Cu2N | S32550 | 1.4507 | Ferralium 255 | Alta aleación |
| 022Cr25Ni7Mo4N | S32750 | 1.4410 | 2507 | Súper dúplex |
| 022Cr25Ni7Mo4WCuN | S32760 | 1.4501 | Zeron 100 | Súper dúplex |
2. Composición química y las cuatro familias del dúplex
La composición de un dúplex se define buscando cuatro objetivos simultáneos: garantizar la resistencia a la corrosión, en especial frente a picaduras, grietas y agrietamiento bajo tensión; asegurar el carácter dúplex, es decir, dos fases con al menos un 25 % de volumen cada una tras la solución; mantener un nivel adecuado de resistencia, plasticidad y tenacidad; y conservar buenas condiciones de colada, tratamiento térmico y maquinabilidad. Por eso, además del cromo y el níquel base, se añaden molibdeno, nitrógeno y tungsteno para elevar la resistencia a la picadura, y en algunos grados manganeso, cobre, titanio y niobio para mejorar la resistencia a la corrosión, reducir el consumo de níquel o estabilizar el carbono.
La familia se organiza en cuatro grupos según el nivel de aleación:
Primera categoría — baja aleación
Aleación base de cromo y níquel, con contenidos moderados y sin molibdeno. Ejemplo: 12Cr21Ni5Ti. En resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión puede sustituir a los AISI 304 o 316.
Segunda categoría — media aleación
Frente al grupo anterior incorpora molibdeno o cobre, además de nitrógeno. Ejemplos: 022Cr22Ni5Mo3N y 022Cr23Ni5Mo3N. Su resistencia a la corrosión permite sustituir al AISI 316L. Es el grupo más utilizado en la industria, con el 2205 como grado de referencia.
Tercera categoría — alta aleación
Contenido de cromo en torno al 25 % en masa, con molibdeno y nitrógeno, y en algunos casos cobre y tungsteno. Ejemplo: 03Cr25Ni6Mo3Cu2N. Su resistencia a la corrosión supera a la de los dúplex de media aleación.
Cuarta categoría — súper dúplex
Alto contenido de molibdeno y nitrógeno, en ocasiones con tungsteno y cobre. Ejemplos: 022Cr25Ni7Mo4N y 022Cr25Ni7Mo4WCuN. Están pensados para medios agresivos y ofrecen una combinación de resistencia a la corrosión y propiedades mecánicas comparable a la de los aceros inoxidables superausteníticos.
3. Microestructura: el equilibrio ferrita-austenita
Las propiedades del dúplex se obtienen ajustando tres variables: la proporción entre las dos fases, la composición de cada una de ellas y la ausencia de fases precipitadas. La temperatura de calentamiento y la velocidad de enfriamiento actúan directamente sobre las tres.
En estado de equilibrio, la proporción de fases depende sobre todo de la composición química, concretamente del cromo equivalente (Creq) y del níquel equivalente (Nieq), y de su cociente P = Creq / Nieq. Cuanto mayor es P, mayor es el contenido de ferrita. Pero la temperatura también interviene: grados con el mismo valor de P pueden presentar proporciones distintas tras calentar a temperaturas diferentes. Al elevar la temperatura, la austenita disminuye y la ferrita aumenta; por encima de 1300 °C, algunos dúplex pueden quedar convertidos por completo en ferrita monofásica.
De ahí la regla práctica: para obtener una proporción de fases adecuada hay que elegir con criterio tanto la temperatura como el tiempo de permanencia.
Con las dos fases en equilibrio relativo, la distribución de los elementos de aleación también se estabiliza, pero no es uniforme. La regla general es que los elementos ferríticos —cromo, molibdeno, silicio— se concentran en la ferrita, mientras que los austeníticos —níquel, nitrógeno, manganeso— lo hacen en la austenita. A medida que sube la temperatura, el reparto tiende a igualarse: la relación entre la concentración de un elemento en la ferrita y en la austenita se aproxima a 1.
4. Fases secundarias: el verdadero riesgo del dúplex
Además de ferrita y austenita, un dúplex puede desarrollar fases secundarias cuando se mantiene entre 300 y 1000 °C o cuando recibe un tratamiento térmico incorrecto. Todas ellas perjudican las propiedades mecánicas o la resistencia a la corrosión, y todas se evitan con el mismo principio: salir rápido de ese intervalo de temperaturas.
Austenita secundaria (γ2)
Al aumentar la temperatura crece la fracción de ferrita y, por encima de 1300 °C, algunos grados se transforman totalmente en ferrita. Esa ferrita es inestable y, durante el enfriamiento posterior, parte de ella se transforma en austenita en los bordes de grano: es la austenita secundaria. Según la temperatura de formación, el mecanismo cambia: a temperatura elevada se forma por nucleación y crecimiento, con morfología de tipo Widmanstätten; entre 300 y 650 °C se forma por transformación sin difusión, de tipo cizallamiento martensítico; y entre 600 y 800 °C aparece cuando la ferrita precipita fase sigma o carburos, generando a su alrededor zonas ricas en níquel y pobres en cromo que se transforman en austenita, un producto de reacción eutectoide (α → σ + γ2). En cualquiera de los tres casos aparece una nueva heterogeneidad composicional que perjudica la resistencia a la corrosión.
Carburos
Al calentar por debajo de 1050 °C precipitan carburos en la interfaz ferrita-austenita: por encima de 950 °C aparecen carburos del tipo M7C3, y por debajo de 950 °C, del tipo M23C6. El M23C6 se forma preferentemente en la interfaz α/γ, también en α/α y γ/γ, y rara vez en el interior de la ferrita o la austenita. Al crecer consume cromo de la ferrita adyacente, que se transforma en austenita secundaria, dando lugar a zonas enriquecidas en M23C6 y γ2.
Este efecto, sin embargo, es mucho menos grave que en los aceros austeníticos: el contenido de carbono del dúplex es muy bajo, la cantidad de carburo precipitada es pequeña, y el alto contenido de cromo de la ferrita repara con rapidez la película pasiva alrededor del precipitado. En los súper dúplex, con w(C) < 0,02 %, prácticamente no se produce precipitación de carburos.
Nitruros
En los grados con nitrógeno, la solubilidad de este elemento en la ferrita es muy baja, de modo que queda sobresaturado y, al enfriar desde alta temperatura, pueden precipitar nitruros como Cr2N o CrN. El nitruro en sí no tiene un efecto apreciable sobre las propiedades, pero la precipitación de Cr2N suele ir acompañada de formación de austenita secundaria, y esa heterogeneidad local sí degrada la resistencia a la corrosión.
Fases intermetálicas
Son el grupo más dañino. En el dúplex pueden aparecer fase sigma (σ), fase chi (χ), fase alfa prima (α′), fase R, fase pi (π) y Fe3Cr3Mo2Si2. Todas son frágiles y afectan a la tenacidad y a la resistencia a la corrosión.
Fase σ. Es la más perjudicial: dura y frágil, reduce de forma notable la plasticidad y la tenacidad y, al ser rica en cromo, genera a su alrededor zonas empobrecidas en cromo o, si llega a disolverse, reduce directamente la resistencia a la corrosión del conjunto. En los aceros inoxidables ferríticos de alto cromo la fase σ se forma por debajo de 820 °C y con cinética muy lenta (varias horas), de modo que al enfriar desde alta temperatura no suele ser un problema. En el dúplex la situación es distinta: el molibdeno presente en la ferrita amplía el intervalo de formación y acorta los tiempos, hasta el punto de que la fase σ puede existir por encima de 950 °C y precipitar en cuestión de minutos. Por eso, tras la solución, el dúplex —y en especial el súper dúplex con alto cromo y molibdeno— exige enfriamiento rápido. Durante el revenido posterior a la solución, la fase σ nuclea en los puntos de encuentro de interfases α/α/γ y crece a lo largo de las interfases α/α y α/γ, acompañada de una reacción similar a la eutectoide (α → σ + γ2), lo que agrava todavía más su efecto sobre la corrosión.
Fase χ. Aparece entre 700 y 900 °C, primero en los bordes de grano ferríticos y en las interfases ferrita-austenita. Su cantidad es muy inferior a la de la fase σ y su intervalo de existencia es más estrecho y a menor temperatura. Es una fase intermetálica dura y frágil, rica en cromo y molibdeno, de fórmula Fe36Cr12Mo10. Como suele coexistir con la fase σ, resulta difícil aislar su efecto, pero no debe ignorarse: en el acero 026Cr18Ni5Mo3Si2, entre 750 y 950 °C, la transformación adopta la forma α → γ2 + σ (χ), con máxima sensibilidad entre 800 y 900 °C. En tiempos cortos domina la fase χ; con el tiempo, la fracción de χ disminuye mientras la de σ aumenta hasta convertirse en la fase principal, lo que permite considerar la fase χ como una fase metaestable que evoluciona hacia σ.
Fase α′. Entre 400 y 500 °C el dúplex muestra fragilidad, equivalente a la fragilidad a 475 °C de los aceros ferríticos. Se origina en la ferrita por descomposición espinodal a escala submicroscópica, que genera zonas ricas en cromo y zonas ricas en hierro; las zonas ricas en cromo constituyen la fase α′. Al tener el dúplex más cromo y menos carbono que los ferríticos, esas zonas no afectan de forma relevante a la resistencia a la corrosión, pero la fase α′ sí provoca una fragilización severa. Mantener la plasticidad y la tenacidad exige eliminar la fase α′ mediante un tratamiento térmico correcto.
Fase R. Intermetálico rico en molibdeno que precipita en la ferrita, de fórmula Fe2Mo, con intervalo de precipitación entre 550 y 750 °C.
Fase π. Detectada en el metal de soldadura de aceros 22Cr-8Ni-3Mo revenidos a 600 °C. Al igual que la fase R, precipita en el interior del grano ferrítico; contiene cromo y molibdeno elevados y su fórmula es Fe7Mo13N4, tratándose en realidad de un nitruro.
Fe3Cr3Mo2Si2. Fase intermetálica laminar identificada en el dúplex 026Cr18Ni5Mo3Si3. Precipita entre 450 y 750 °C, en las interfases α/γ y en bordes de grano y subgrano de la ferrita, a veces con morfología de agujas finas hacia el interior del grano, y presenta escasa tendencia al crecimiento.
5. Propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión
Comportamiento mecánico
La estructura bifásica determina el perfil mecánico: frente a los inoxidables monofásicos austeníticos o ferríticos, el dúplex presenta mayor resistencia y dureza, con una plasticidad y tenacidad intermedias entre ambos. Elementos como carbono, cromo, molibdeno, cobre y nitrógeno refuerzan la matriz y, con las proporciones adecuadas, reducen la precipitación de fases frágiles. Además, la presencia simultánea de dos fases limita el crecimiento de grano y mantiene un grano fino, lo que explica su elevado límite elástico sin renunciar a la ductilidad. La regla de ajuste es sencilla: al aumentar la fracción de ferrita suben la resistencia y, en particular, el límite elástico; al aumentar la fracción de austenita mejoran la plasticidad y la tenacidad.
Resistencia a la corrosión
El dúplex ofrece una resistencia a la corrosión excelente, en especial frente a picaduras, corrosión en grietas y agrietamiento bajo tensión en medios con cloruros, donde supera al resto de los inoxidables. El cromo es el elemento base: forma la película pasiva estable y favorece su autorreparación. El molibdeno aumenta la estabilidad de esa película. El nitrógeno mejora su homogeneidad y, en capacidad de elevar el índice de resistencia a la picadura, equivale a entre 20 y 30 veces el cromo.
La estructura bifásica también contribuye: los contenidos elevados de cromo, molibdeno y nitrógeno en ambas fases mantienen el potencial de corrosión de cada una dentro de la zona de pasivación; el grano más fino y la mayor superficie de borde de grano diluyen la concentración de precipitados; y cuando se forma una zona empobrecida en cromo, la ferrita adyacente —rica en cromo— repone el cromo con rapidez.
El criterio composicional habitual para evaluar la resistencia a la picadura es el PRE. Cuanto mayor es su valor, mayor es la resistencia. La expresión más utilizada es:
PREN = w(Cr) + 3,3 w(Mo) + 16 w(N)
Existen expresiones ampliadas que incorporan el efecto de manganeso, tungsteno, fósforo y azufre. Otro criterio complementario es la temperatura crítica de picadura (CPT): cuanto más alta, mayor resistencia a la picadura.
Según el valor de PRE, las cuatro familias se sitúan en los siguientes rangos: baja aleación, PRE no superior a 25; media aleación, PRE entre 25 y 35; alta aleación, PRE entre 35 y 40; súper dúplex, PRE superior a 40.
6. Tratamiento térmico: solución y alivio de tensiones
El tratamiento térmico del dúplex es relativamente sencillo porque su objetivo esencial es la solución. Solo en casos particulares, como piezas fundidas, se recurre a un recocido de alivio de tensiones.
Tratamiento de solución por familia
Dúplex de baja aleación. Contienen únicamente cromo y níquel, en cantidades moderadas, por lo que la temperatura de solución no debe ser elevada. Tras calentar entre 950 y 1050 °C y enfriar en agua se obtienen entre un 55 % y un 70 % en volumen de ferrita. Una temperatura excesiva eleva demasiado la fracción de ferrita, lo que perjudica la resistencia a la corrosión y puede dejar muy poca austenita, con el consiguiente engrosamiento de grano y pérdida de propiedades mecánicas.
Dúplex de media aleación. Además de cromo y níquel, incorporan molibdeno y nitrógeno. El nitrógeno estabiliza la austenita, que se mantiene en cantidad suficiente incluso a temperaturas altas, lo que permite elevar la temperatura de solución. El intervalo de trabajo es 1000-1100 °C, con buena combinación de resistencia y plasticidad; considerando el efecto conjunto sobre microestructura, propiedades mecánicas y corrosión, la práctica recomendada es calentar entre 1040 y 1080 °C y enfriar en agua, lo que asegura entre un 40 % y un 50 % en volumen de ferrita.
Dúplex de alta aleación. Tienen más del 25 % en masa de cromo, más níquel que los grupos anteriores y adiciones importantes de cobre y nitrógeno. El cobre también estabiliza la austenita, de modo que, gracias a la acción conjunta de cobre y nitrógeno, a 1200 °C todavía queda cerca de un 40 % en volumen de austenita.
Súper dúplex. Su composición combina carbono, azufre y fósforo muy bajos con cromo y níquel altos, más molibdeno, tungsteno, cobre y nitrógeno. El elevado nivel de aleación, en particular el tungsteno, permite subir la temperatura de solución; en producción se emplea el intervalo 1100-1120 °C, con permanencia y enfriamiento en agua.
Velocidad de calentamiento y enfriamiento
El procedimiento de solución es sencillo, pero hay dos puntos que concentran la mayoría de los problemas de taller.
El primero es la velocidad de calentamiento, que debe controlarse y no ser excesiva, en especial en el tramo de baja temperatura. Dos razones lo explican: el alto contenido de aleación reduce la conductividad térmica, de modo que un calentamiento lento disminuye el gradiente entre la superficie y el núcleo y da tiempo a que los elementos se disuelvan por completo; y los procesos previos de conformado en caliente —forja, laminación o colada— inevitablemente dejan fases frágiles precipitadas que fragilizan el material. Si además la pieza es grande, con cambios de sección marcados o de forma compleja, aparecen tensiones elevadas que, sumadas a las que genera un calentamiento rápido, pueden provocar grietas de tratamiento térmico.
El segundo es el enfriamiento, que influye de forma decisiva en la resistencia a la corrosión. Por eso el enfriamiento en agua tras la solución debe aplicarse no solo a piezas fundidas y forjadas, sino también a reparaciones por soldadura en piezas fundidas y a componentes soldados de acero dúplex.
Tratamiento de alivio de tensiones
El tratamiento final ideal del dúplex es siempre la solución. Sin embargo, en situaciones como la reparación por soldadura de defectos tras el desbaste de piezas fundidas, los conjuntos soldados de geometría compleja o los trabajos en obra sin posibilidad de realizar una solución, se recurre al alivio de tensiones. La temperatura y el tiempo deben elegirse con cuidado, situándose en un intervalo en el que no precipiten carburos, nitruros ni fases intermetálicas. El alivio se realiza entre 200 y 250 °C, o bien entre 550 y 600 °C, con un tiempo de permanencia que no debe superar las 10 h.
7. Implicaciones prácticas para taller e inspección
De todo lo anterior se deduce una regla de oro: el dúplex se comporta bien mientras se mantenga fuera del intervalo 300-1000 °C durante el enfriamiento. Todas las fases perjudiciales —austenita secundaria, carburos, nitruros, fase σ, fase χ, fase R y fase π— tienen su ventana en ese rango o en sus inmediaciones.
| Intervalo crítico | Fase que puede precipitar | Consecuencia principal |
|---|---|---|
| 400-500 °C | Fase α′ | Fragilización severa |
| 450-750 °C | Fe3Cr3Mo2Si2 | Fragilidad, pérdida de tenacidad |
| 550-750 °C | Fase R (Fe2Mo) | Fragilidad en ferrita |
| 600-800 °C | Fase σ + γ2, carburos | Pérdida de tenacidad y de resistencia a la corrosión |
| 700-900 °C | Fase χ (Fe36Cr12Mo10) | Fragilidad; evoluciona a fase σ |
| Por debajo de 1050 °C | Carburos M7C3 (>950 °C) y M23C6 (<950 °C) | Precipitación en interfases α/γ |
| Por encima de 1300 °C | Ferrita monofásica inestable | Austenita secundaria al enfriar |
Para quien compra o mecaniza dúplex, esto se traduce en tres verificaciones concretas. Primera: exigir al proveedor el certificado de tratamiento térmico con la temperatura real de solución y el tipo de enfriamiento, porque una pieza correctamente aleada puede quedar inservible por un enfriamiento lento. Segunda: comprobar la fracción de ferrita, que debe situarse en la banda prevista para el grado (en torno al 40-50 % para los de media aleación tratados a 1040-1080 °C). Tercera: en componentes soldados o reparados, no dar por buena la pieza sin valorar si procede una nueva solución con enfriamiento en agua, ya que el ciclo térmico de la soldadura atraviesa de lleno los intervalos de precipitación.
Entender qué ocurre dentro del material entre 300 y 1000 °C es, en la práctica, lo que distingue una pieza dúplex que cumple su vida útil de otra que falla antes de tiempo.
