aceros inoxidables dúplex y su soldabilidad
TRANSCRIPT
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Aceros Inoxidables Dplex y su soldabilidad
Informe de Proyecto de Ttulo para optar al Ttulo de Ingeniero de Ejecucin en Mecnica
Alumnos: Carlos Andrs Soto Mella
Jorge Felipe Torres Henrquez
Profesor patrocinador: Vctor Osorio
Enero 2010
CHILLAN - CONCEPCION - LOS ANGELES
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NDICE
CONTENIDO
NOMENCLATURA
CAPTULO I
1.0 Aceros Inoxidables 6
1.1 Objetivos Generales 10
CAPTULO II
2.0 Aceros Inoxidables Dplex 12
2.2 Composiciones Qumicas 16
2.3 Propiedades Fsicas 21
2.5.1 Corrosin por Picaduras 22
2.6 Resistencia a la Corrosin bajo Tensiones (SCC) 24
2.7 Erosin Corrosin 25
CAPTULO III
3.0 Soldabilidad de Aceros Inoxidables Dplex 27
3.1 Tcnica de Soldadura 28
3.2 Evolucin Microestructural de los AID durante la Soldadura 32
3.2.1 Zona Afectada Trmicamente (ZAT) 34
3.2.2 Zona Fundida (ZF)
CAPTULO IV
38
4.0 Diagramas Temperatura Tiempo Transformacin 45
4.1 Transformaciones entre 600 y 1050 C 47
4.2 Transformaciones entre 300 y 600 C 48
CAPTULO V
5.0 Ensayos y Normas aplicables a la Soldadura de los AID 56
5.1 Calificacin del Proceso de Soldadura 57
5.2 Caractersticas de Tensin 58
5.3 Dureza 59
5.4 Tenacidad 62
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5.5 Medicin del contenido de Ferrita 64
5.6 Deteccin de Fases Intermetlicas 66
CAPTULO VI
6.0 Calificacin de Procedimiento de Soldadura 69
6.1 Ensayos de Calificacin de Procedimiento 73
6.1.1
6.1.2
Traccin
Doblado
74
76
CAPTULO VII
7.0 Discusin y Conclusiones 78
Referencias Bibliogrficas
ANEXOS
80
ANEXO I
Diseo de uniones para Aceros Inoxidables Dplex 85
ANEXO II
Consumibles para Aceros Inoxidables Dplex
87
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NOMENCLATURA
SCC Stress Corrosion Cracking
AID Acero Inoxidable Dplex
AISD Acero Inoxidable Sper Dplex
PREN Pitting Resistance Equivalent Number
ZATAT Zona Afectada Trmicamente a Alta Temperatura
ZATBT Zona Afectada Trmicamente a Baja Temperatura
SMAW Shielded Metal Arc Welding
GTAW Gas Tungsten Arc Welding
GMAW Gas Metal Arc Welding
SSCC Sulphide Stress Corrosion Cracking
t12-8 Tiempo de enfriamiento entre 1200 y 800 C
ZAT Zona Afectada Trmicamente
ZF Zona Fundida
PQR Procedure Qualification Record
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UNS Unified Numbering System for Metals and Alloys
Ferrita
Austenita
WPS Welding Procedure Specification
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CAPTULO I
Introduccin
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6
INTRODUCCIN
1.0 Aceros Inoxidables
La etimologa de la palabra acero nos lleva al latn aciarium, que proviene de acies
(filo). Por eso, el trmino todava se utiliza para referirse a las armas blancas como
la espada, y al temple y corte de estas.
Sin embargo, al hablar de acero, se define como una aleacin de Hierro (Fe) y
Carbono (C) con contenidos de C inferiores a 1.7%, que de acuerdo a su tratamiento
y a las proporciones, puede adquirir distintas resistencias, elasticidad y dureza. En
trminos de corrosin son materiales poco resistentes, teniendo en cuenta que se
oxidan en presencia del aire, cidos y se decapan a altas temperaturas.
Existe un grupo de aleaciones base Fe, las aleaciones Hierro Cromo Nquel
conocidas como Aceros Inoxidables. El cual resulta muy resistente a la corrosin.
El Cromo (Cr), en conjunto con otros elementos de aleacin, como el Nquel (Ni),
Carbono (C), Molibdeno (Mo), etc. Dan a los Aceros Inoxidables una resistencia a la
corrosin. El Cromo (Cr), es el elemento ms importante en los Aceros Inoxidables, a
partir de un 12% de este, reacciona con el oxigeno formando una capa de oxido de
cromo.
De acuerdo a la composicin qumica y estructura cristalina, los aceros Inoxidables
se clasifican en Austenticos, Martensticos, Ferrticos, Endurecidos por Precipitacin
y Dplex.
-Aceros Inoxidables Austenticos: el Nquel (Ni) es un elemento estabilizador del
austenita, a su vez incrementa el tamao del campo de austenita y al mismo tiempo
elimina la ferrita casi en su totalidad de las aleaciones Carbono Cromo Hierro. Si
el contenido de carbono queda por debajo de 0.03%, no se forman carburos y el
acero estar conformado de austenita a temperatura ambiente. Estos Aceros tienen
excelente ductibilidad y resistencia mecnica a la corrosin. La resistencia mecnica
se obtiene mediante un endurecimiento por solucin slida. Tambin pueden
deformarse en frio para obtener ms resistencia que los Ferrticos. Tienen excelente
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propiedades al impacto a baja temperatura, puesto que no tienen temperatura de
transicin.
-Aceros Inoxidables Martensticos: Son la primera rama de los aceros inoxidables,
llamados simplemente al Cromo y fueron los primeros desarrollados industrialmente
(aplicados en cuchillera). Tienen un contenido de Carbono relativamente alto de 0.2
a 1.2% y de Cromo de 12 a 18%. Los tipos ms comunes son el AISI 410, 420 y 431
Las propiedades bsicas son: Elevada dureza (se puede incrementar por tratamiento
trmico) y gran facilidad de maquinado, resistencia a la corrosin moderada.
Principales aplicaciones: Ejes, flechas, instrumental quirrgico y cuchillera.
-Aceros Inoxidables Ferrticos: contiene hasta un 30% de Cromo (Cr) y menos de
0.12% de C. Debido a su estructura CC, los Aceros Inoxidables Ferrticos tienen
buena resistencia mecnica y una ductibilidad moderada, derivadas del
endurecimiento por solucin solida y endurecimiento por deformacin. Adems
tienen excelente resistencia a la corrosin, una conformabilidad moderada y son
relativamente econmicos.
-Aceros Inoxidables Endurecidos por Precipitacin: estos Aceros contienen adiciones
de Tantalio (Ta), Niobio (Nb) o Aluminio (Al). Primero el Acero se calienta y despus
es templado para inducir que la austenita se transforme en martensita. El
recalentamiento permite obtener precipitados como el Ni3Al a partir de la martensita.
Se obtienen propiedades mecnicas, incluso con bajo contenidos de C.
-Aceros Inoxidables Dplex: Como su nombre lo indica, los aceros inoxidables dplex
estn constituido micro estructuralmente por dos fases: ferrita y austenita.
Estos materiales tienen la ventaja de poseer una elevada resistencia mecnica,
alcanzando valores de limite elstico entre 700-900 Mpa Mega pascales- (el doble
de lmite elstico que los aceros inoxidables Austenticos) lo que representa en
muchos casos un ahorro significativo en costos de material. Por ejemplo en la
fabricacin de tanques de almacenamiento para los buques de carga, donde el acero
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inoxidable dplex ha mostrado tener una resistencia superior al acero inoxidable
Austenticos y ha permitido un ahorro significativo en peso de la estructura.
Estos Aceros, son aleaciones base Hierro con Cr y Mo, con suficiente cantidad de
estabilizadores de la Austenita, Ni y N para lograr el balance entre Ferrita y
Austenita. El resultado es una adecuada combinacin de estas dos fases, la
Austenita confiere ductilidad y la Ferrita resistencia a SCC. El Mo hace ms
resistente a la capa pasivante y mejora la resistencia a las picaduras.
Los carburos de Cr tienden a precipitar en la interface Ferrita-Austenita pero
obteniendo el Cr de la Ferrita en donde la difusin es ms rpida y la
homogeneizacin del Cr en la misma es mayor que si fuese Austenita y por lo tanto
la disminucin de la concentracin de Cr en el borde de grano no es tan pronunciada
impidiendo la Corrosin Intergranular.
Consecuentemente los Aceros Dplex son usados en las ms severas condiciones
de temperatura y contenido de cloruros donde los Inoxidables Austenticos sufren
SCC, picaduras y grietas de corrosin.
Recordemos que los aceros Inoxidables totalmente Ferrticos generalmente resisten
la SCC mejor que los Austenticos. Pequeas adiciones de Ni aumentan la
susceptibilidad a SCC. Los Aceros Inoxidables Dplex son aceros con ms Cr para
mantener la resistencia a la corrosin de los Aceros Austenticos y menos Ni para
aumentar el contenido de ferrita con el objeto de aumentar la resiste ncia a SCC en
medios con cloruros a alta temperatura. Por lo tanto los Aceros Dplex son ms
resistentes a SCC que los Austenticos pero no totalmente inmunes.
Los Aceros Inoxidables Dplex son aceros con una resistencia a SCC intermedia
entre los Austenticos y los Ferrticos, la que disminuye con el trabajado en fro.
Estos Aceros tienen ms tenacidad que los Ferrticos, debido a ello se los consigue
en forma de chapa que se suelen usar para fabricar la placa-tubo de los
intercambiadores de calor. Como desventaja se observa que para contenidos
similares de Cr y Mo su resistencia a grietas de corrosin es algo menor que los
aceros Ferrticos o Austenticos.
Los AID surgieron en la dcada del 30 y desde entonces estas aleaciones han
sufrido numerosas modificaciones que van desde su composicin hasta las
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tecnologas usadas en su produccin. Los Dplex modernos poseen una excelente
resistencia a la corrosin y buenas propiedades mecnicas.
Los AID se han convertido en aleaciones de uso creciente en las industrias qumicas
y de derivados del petrleo, as como en aplicaciones especificas de generacin de
energa, industria del papel y celulosa.
La mayor parte de la tecnologa en soldadura asociadas con los AID ha sido
generada para aplicaciones en plataforma a petroleras mar adentro, donde se da
mayor nfasis a la propiedades para baja temperatura de la unin soldada.
Considerando que cada vez es ms frecuente el uso de estos Aceros en el pas,
principalmente en la industria de la celulosa y tomando en cuenta las dificultades que
se han presentado para ser soldadas en terreno, se hace necesario estudiar su
soldabilidad con el objetivo de conocer e identificar las variables y parmetros con
mayor influencia en las propiedades de las uniones soldadas.
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1.1 Objetivos Generales
El objetivo del presente trabajo es profundizar en el conocimiento de los Aceros
Inoxidables Dplex (AID) y su soldabilidad, con la finalidad de determinar los
parmetros necesarios para la obtencin de una unin soldada de buena calidad.
1.2 Objetivos Especficos
Estudio de la metalurgia de la soldadura.
Normas que se aplican para determinar la soldabilidad.
Ensayos que se pueden aplicar para obtener los parmetros de una soldadura
de buena calidad.
Establecer criterios de seleccin de parmetros para una soldadura de
calidad.
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CAPTULO II
Aceros Inoxidables Dplex
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2.0 Aceros Inoxidables Dplex
Estos aceros son materiales que se caracterizan por una microestructura bifsica
formada por fracciones similares de volumen de austenita y ferrita. Tpicamente
poseen de 20% a 30% de Cromo (Cr) y de 5% a 10% de Nquel (Ni), con cantidades
muchas ms bajas de Carbono (menores de 0.03%) y con adiciones de Nitrgeno,
Molibdeno, Tungsteno y Cobre.
Su microestructura bifsica balanceada les confiere una resistencia a la corrosin
bajo tensin, alta resistencia a la corrosin Intergranular y excelente propiedades
mecnicas. A si mismo, si la proporcin de austenita aumenta, la resistencia a la
corrosin bajo tensin y la resistencia mecnica disminuyen. Por otro lado, si la
proporcin de ferrita aumenta, disminuye la tenacidad del material.
Estos aceros poseen un alto nivel de resistencia a la corrosin en la mayora de los
ambientes donde se usan los Inoxidables Austenticos; sin embargo, existen algunos
casos notables donde son rotundamente superiores. Estos resultados provenientes
de su alto contenido de cromo, el cual es beneficioso en la oxidacin por cidos,
junto con suficiente contenido de Molibdeno y Nquel proporcionan la resistencia en
ambientes de cidos reductores. Un contenido relativamente alto de Cromo,
Molibdeno y Nitrgeno tambin dan una buena resistencia a una corrosin en grietas
y por picadura. Su estructura dplex es una ventaja en ambiente que potencialmente,
produzcan agrietamiento por corrosin bajo tensin por cloruro. Si la microestructura
contiene al menos 25% o 30% de ferrita, los dplex son lejos los ms resistentes a la
corrosin bajo tensin que los aceros Austenticos 304 o 316. La ferrita es, sin
embargo, susceptible a fragilizacin por Hidrogeno; as los aceros dplex no poseen
altas resistencias en ambientes o aplicaciones donde pueden introducirse Hidrogeno
al metal.
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Los AID presentan bajos coeficientes de expansin trmica, similar a los de los
inoxidables ferrticos, su uso es aconsejable para aplicaciones de temperaturas
menores a 300C. En cambio la conductividad trmica es mayor que de los
inoxidables Austenticos, lo que sumado a la baja expansin trmica, los hacen
bueno candidatos a utilizar en intercambiadores de calor.
Son altamente magnticos debido a la ferrita en su estructura, lo que permite el uso
de fijadores magnticos durante el proceso de maquinados u otros procesos.
Las propiedades mecnicas de los dplex son el resultado de la combinacin de la
composicin qumica y de las propiedades de la ferrita y la austenita, principalmente
de la ferrita que tiene mayor limite de influencia que la austenita.
Los dplex tienen un alto lmite de fluencia comparado con los inoxidables
Austenticos. Presentan las resistencias a la traccin con un porcentaje de
elongacin de hasta un 25%. La resistencia al impacto tiene un valor intermedio entre
los inoxidables Ferrticos y Austenticos.
2.1 Clasificacin de los Aceros Inoxidables Dplex
Aceros dplex 22 Cr (con 22% de Cromo)
Aceros dplex 25 Cr (con 25% de Cromo)
Aceros dplex sin Molibdeno
2.1.1 Aceros Dplex 22 Cr
AID con 22% de Cromo, con un 3% de Molibdeno y un 0.17% de Nitrgeno. El
contenido de Cromo, Nquel y Molibdeno les confiere una gran resistencia a la
corrosin uniforme y corrosin por picadura y grietas, en ambientes de cloruro, con
un nmero PREN = 35. Muy superior a un 316 o 317. Tambin presenta una gran
resistencia a la corrosin bajo tensin en ambientes de sulfuro de Hidrgeno. El
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contenido de Nitrgeno mejora la resistencia a la corrosin de las soldaduras, no
siendo necesario el tratamiento trmico despus de soldar. Su resistencia mecnica
(Rm=6300 Kg/cm2) es aproximadamente el doble de la de un acero i noxidable
austenticos, lo que permite uti lizar menores espesores y economizar en material. Se
puede utilizar los mismos procedimientos de soldadura de los aceros austenticos,
tales como: SMAW, GTAW, GMAW pero con ciertas precauciones, por ejemplo: no
precalentar la pieza, dejar enfriar por debajo de 150 C entre cada pasada, ajustar la
energa aplicada al rango 1.0 2.5 KJ/mm para mantener el equilibrio
ferrita/austenita de la aleacin. Puede ser formado en caliente (950 1150 C).
Estando expuesto a 700 975 C forma fase sigma, a 450 800 C precipitan
carburos y a 350 525 C se vuelve quebradizo. Despus de formado en caliente
debe ser sometido a un recocido (1020 1100 C) y templado.
Tambin puede ser trabajado en fro, pero con mayor dificultad que un acero
austenticos por su mayor lmite elstico. Si una deformacin en fro excede el 10%
se recomienda un recocido. Se puede aplicar un tratamiento trmico para liberar
tensiones en el rango 550 600 C. Como acero dplex es relativamente ms fcil
de maquinar con herramientas de acero rpido que con herramientas de carburo
cementado en relacin a un acero inoxidable austenticos de similar contenido de
aleacin.
2.1.2 Aceros Dplex 25Cr
AID con 25% de Cr o Superdplex con un 4% de Molibdeno y un 0.27% de
Nitrgeno. El mayor contenido de Cromo, Nquel y Molibdeno les confiere una mayor
resistencia a la corrosin uniforme y corrosin por picadura y grietas, en ambientes
de cloruro, con un nmero PREN = 40 superior al dplex UNS S31803 (2205), al 316
y 317. Su resistencia mecnica tambin es superior (Rm=7560 Kg/cm2). Si es
recocido (1050 1125 C) y templado la aleacin contiene 30 50 % de fase ferrita y
el resto es austenita. Los AID son ms susceptibles a la precipitacin de carburos,
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entre granos de la aleacin, que los aceros austenticos. Sometido a un
calentamiento de 700 1000 C puede haber formacin de fase sigma y en el rango
de temperatura a 325 520 C se puede tornar quebradizo. Sin embargo en las
operaciones normales de soldadura y calentamiento la microestructura no forma
ningn precipitado o fase que pueda producir fragilidad.
Se puede conformar en caliente (1025 1200 C) seguido de un recocido y
templado. Para el formado en fro se requiere ms esfuerzo que para los aceros
austenticos normales. Si una deformacin en fro excede el 10% se recomienda un
recocido.
Un recocido para disolucin de precipitados se debe aplicar como mnimo a 1050 C.
Tienen buena soldabilidad con los procedimientos SMAW, GTAW, GMAW, SAW.
Como material de relleno debe usarse un metal que preserve la estructura dplex.
2.1.3 Aceros Dplex sin molibdeno
Aceros Inoxidables Dplex de alta resistencia mecnica (Rm=6370 Kg/cm2) y,
perfectamente equilibrado en su composicin para lograr aproximadamente 50% de
fase ferrita y 50% de fase austenita. La austenita es estable y se restituye
espontneamente en la zona afectada por el calor en una soldadura. Combina las
propiedades de los aceros ferrticos y austenticos. El alto contenido de Cromo le
confiere una gran resistencia a la corrosin por picaduras, por grietas y corrosin
uniforme. Su microestructura dplex garantiza una gran resistencia a la corrosin
bajo tensin. Se utiliza tanto recocido como templado (950 1050 C). Puede ser
trabajado en fro, al igual que los aceros austenticos, pero con mayor esfuerzo
debido a su mayor lmite elstico (Rp=4200 Kg/cm2).
El trabajo en fro produce un endurecimiento de la aleacin. Tambin puede ser
trabajado en caliente (1100 950 C) seguido por un recocido y templado. Durante
su uso, no debe ser expuesto a temperaturas sobre 300 C por perodos largos de
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tiempo. Tiene buena soldabilidad sin requerir tratamiento trmico despus de la
soldadura.
2.2 Composiciones Qumicas
Las interacciones de los elementos de aleacin principales (Cr, Mo, N y Ni) son muy
complejas y, para alcanzar una estructura dplex que responda bien al proceso y a
la fabricacin, se debe tener cuidado en la adicin de estos elementos. Adems del
equilibrio de fases austenita y ferrita, hay otro punto importante con respecto a los
dplex y su composicin qumica, que es la formacin de fases intermetlicas
perjudiciales a temperaturas elevadas.
En la tabla 2.1 se comparan las composiciones qumicas de los AID y austenticos.
Se debe destacar el reducido contenido en Nquel que presentan los dplex, hecho
de suma importancia dado el elevado precio de este elemento lo que los convierte en
materiales realmente competitivos en precio con respecto a los austenticos
equivalentes.
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Tabla 2.1 Composicin qumica de Aceros Inoxidables Austenticos y los AID.
Ac. Inox. Austenticos
Composicin Qumica (%)
Designacin
UNS
Cr
Ni
Mo
C
N
AISI 304 S 30400 18.0 8.0 - 0.07 -
AISI 304 L S 30403 18.0 10.0 - 0.03 -
AISI 321 S 32100 18.0 9.0 - 0.08 -
AISI 347 S 34700 18.0 9.0 - 0.08 -
AISI 316 S 31600 17.0 11.0 2.0 0.03 -
AISI 316 L S 31603 17.0 11.0 2.0 0.03 -
316 Ti S 31635 17.0 11.0 2.0 0.08 0.10
Ac. Inox. Dplex
Composicin Qumica (%)
Designacin
UNS
Cr
Ni
Mo
C
N
329 S 32900 28.0 4.5 1.5 0.1 -
44LN S 31200 24.0 26.0 5.5 6.5 1.2 2.0 0.03 0.14 0.20
DP3 S 31260 24.0 26.0 5.5 7.5 2.5 3.5 0.03 0.10 0.30
2205 S 31803 22.0 5.7 3.2 0.02 0.18
2304 S 32304 23.0 4.5 - 0.02 0.10
Ferralium 255 S 32550 25.5 5.5 3.4 0.04 0.2
2507 S 32750 25.0 7.0 4.0 0.02 0.27
Zeron100
S 32760 24.0 26.0 6.0 8.0 3.0 4.0 0.03 0.3
3RE60
S 31500 18.5 4.9 2.7 0.03 0.07
Uranus 50
S 32404 20.5 22.5 5.5 8.5 2.0 3.0 0.04 0.20
7Mo Plus S 32950 26.0 29.0 3.5 5.2 1.0 2.5 0.03 0.15 0.35
DP3W S 39274 24.0 26.0 6.0 8.0 2.5 3.5 0.03 0.24 0.32
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2.2.1 Influencia de los elementos aleantes.
Cromo
El Cromo es uno de los elementos que dan al acero su carcter inoxidable, pero no
es el nico, en efecto otros elementos como el Molibdeno, el Nitrgeno, el Silicio, el
Nquel, el Manganeso y el Cobre tambin afectan a las propiedades de resistencias a
la corrosin de los aceros inoxidables.
Un mnimo cercano al 10,5% de Cromo es necesario para formar una pelcula pasiva
estable, que pueda proteger a un acero contra la corrosin atmosfrica suave. El
aumento en el contenido de Cromo aumenta la resistencia a la corrosin del acero
inoxidable. El Cromo es un elemento alfgeno, lo que significa que la adicin de
Cromo estabiliza la ferrita. Si se incrementa el contenido de Cromo, ms Nquel es
necesario para formar una estructura austenticos o una estructura dplex
(austenticos ferrticos). Un elevado porcentaje de Cromo promueve tambin la
formacin de fases intermetlicas.
El Cromo tambin aumenta la resistencia a la oxidacin a temperaturas elevadas.
Este efecto del Cromo es muy importante por su influencia sobre la formacin y la
remocin del depsito de xido o de la tinta resultante del tratamiento trmico o de la
soldadura. Los AID son ms difciles a desoxidar que los aceros inoxidables
austenticos. Incluso si algunos otros elementos pueden ayudar al Cromo a formar o
mantener la pelcula de xido, el Cromo solo confiere las propiedades de resistencia
a la corrosin al acero inoxidable.
Molibdeno
El Molibdeno ayuda al Cromo mejorando la resistencia al ataque por cloruros en los
aceros inoxidables. Cuando el contenido de Cromo del acero es del 18% o ms, las
adiciones del Molibdeno son cerca de tres veces ms eficaces que las adiciones de
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Cromo contra la corrosin por picaduras (pitting corrosin) y corrosin en rendijas
(crevice corrosin), en ambientes contaminados por cloruros.
El Molibdeno es un elemento alfgeno y tambin aumenta la tendencia de un acero
inoxidable a formar fases intermetlicas perjudiciales. Por eso, se restringe
generalmente a porcentajes cercanos al 7,5% en aceros inoxidables austenticos y
del 4% en AID.
Nitrgeno
El Nitrgeno aumenta la resistencia a la corrosin por picaduras y en rendijas de los
aceros inoxidables austenticos y dplex. Adems, aumenta substancialmente su
resistencia mecnica y, de hecho, es el elemento ms eficaz de los elementos de
endurecimiento por solucin slida. La tenacidad tambin aumenta con la adicin de
Nitrgeno.
El Nitrgeno retrasa la formacin de fases intermetlicas lo suficiente para permitir el
proceso y fabricacin de las aleaciones dplex. Se utiliza en los aceros inoxidables
austenticos y dplex, que contienen alto contenido de Cromo y Molibdeno, para
compensar su tendencia a formar la fase sigma.
El Nitrgeno es un elemento fuertemente gammgeno y puede sustituir en parte al
Nquel en los aceros inoxidables austenticos. En AID, el Nitrgeno se agrega casi
hasta su lmite de solubilidad, y la cantidad de Nquel se ajusta para alcanzar el
equilibrio deseado de fases.
Nquel
El Nquel es un estabilizador de la fase austenita, esto quiere decir que la adicin de
este elemento a una aleacin base Hierro promueve un cambio en la estructura
cristalina de aceros inoxidables de una estructura ferrtica a una estructura
austentica.
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Los aceros inoxidables ferrticos contienen poco o nada de Nquel, mientras que los
dplex contienen una cantidad intermedia de Nquel que va desde 4 a 7 %, y los
aceros inoxidables austenticos de la serie 300 contienen por lo menos un 8%.
La adicin de Nquel retrasa la formacin de fases intermetlicas perjudiciales en
aceros inoxidables austenticos, pero es menos eficaz que el Nitrgeno.
La estructura CCC de la austenita es la responsable de la excelente tenacidad de los
aceros inoxidables. La presencia de esta fase en cantidades prximas al 50%
aumenta de manera considerable la tenacidad de los dplex, si se los compara con
los inoxidables ferrticos.
Figura 2.1 La adicin de Nquel promueve un cambio de estructura cristalina de CC
a CCC (al menos un 8% de nquel). Los AID tienen una microestructura en la cual
idealmente alrededor del 50% de la estructura es ferrtica y el 50% es austentica.
Otros elementos
Existen otros elementos de aleacin que modifican las propiedades de los AID. El
Silicio por ejemplo es un elemento alfgeno que acta de manera similar al Cromo
sobre la estructura.
El Niobio y el Titanio mejoran la resistencia a todas las formas de corrosin, incluso
la corrosin intergranular. Son elementos estabilizadores de los carburos. Cabe
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destacar tambin el efecto estabilizador del Manganeso que es un elemento
altamente gammgeno.
Cuando el acero contiene muchos elementos, el efecto global es una suma de los
diferentes efectos individuales. Ahora bien, sabemos que los elementos ms
caractersticos de los aceros inoxidables son el Cromo, el Molibdeno, el Nitrgeno y
el Nquel, elementos alfgenos y gammgenos. Estos ltimos elementos permiten
por eso la coexistencia de ferrita y austenita en el seno del acero.
2.3 Propiedades Fsicas
Los AID presentan un bajo coeficiente de expansin trmica, lo que permite que sean
susceptibles de aplicarse en condiciones en las que existan ciclos trmicos.
La conductividad trmica de los AID es mayor que la de los austenticos, lo que
asociado a su bajo coeficiente de expansin trmica y la posible reduccin en el
espesor (debido a su mayor resistencia mecnica), hace que estas aleaciones
puedan ser utilizadas en intercambiadores de calor.
El fuerte comportamiento magntico, dado por la presencia de un 50% de ferrita,
permite el empleo de sujeciones magnticas durante el mecanizado.
2.4 Propiedades Mecnicas
Como ya se ha indicado, la resistencia a la traccin de los AID es notablemente
superior al de los austenticos, especialmente en lo que al lmite elstico se refiere.
En lo que respecta a la resistencia al impacto, el comportamiento de los AID es
intermedio entre los aceros inoxidables austenticos y el de los ferrticos. La
tenacidad es satisfactoria hasta temperaturas de -60 C. Sin embargo, la presencia
de precipitados es muy perjudicial para la tenacidad, por lo que se hace necesario
vigilar que tanto la composicin qumica como los tratamientos trmicos sean los
adecuados.
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2.5 Resistencia a la Corrosin
Aunque los AID presentan unas propiedades mecnicas muy interesantes, es su
comportamiento frente a la corrosin la caracterstica ms destacable de estas
aleaciones. El comportamiento de los AID en muchos ambientes corrosivos es
equivalente o incluso superior a los aceros inoxidables austenticos con niveles de
Cromo y Molibdeno equivalentes. Aqu se analizarn las dos formas de corrosin
ms importantes que afectan a los AID, la corrosin por picaduras y la corrosin bajo
tensiones. La corrosin por picaduras es la ms perjudicial, ya que las pequeas
picaduras o pits pueden constituirse en focos de grietas de fatiga o de corrosin bajo
tensiones.
2.5.1 Corrosin por Picaduras
La resistencia a la corrosin por picaduras en las aleaciones Fe Cr Ni es
fuertemente dependiente de la composicin qumica, y en particular, de los niveles
de Cromo, Molibdeno y Nitrgeno. El efecto de estos tres elementos se puede
cuantificar de manera simple mediante el denominado ndice PREN (Pitting
Resistance Equivalent Number). Este ndice viene dado por la ecuacin 2.1.
PREN = % Cr + 3.3 % Mo + 16 % N (2.1)
Los rangos de los valores obtenidos de la ecuacin anterior para los AID se
encuentran en el orden de 24 para los grados que contienen Molibdeno y sobre 40
para los ms aleados. El ndice PREN para nuestro inoxidable dplex alcanza el
valor 35, lo cual indica una considerable resistencia a la corrosin por picaduras.
-
23
Tabla 2.2 Propiedades fsicas a altas temperaturas de aceros dplex comparadas
con aceros al carbono e inoxidables austenticos.
Nombre
UNS
20 C
100 C
200 C
300 C
400 C
500 C
Mdulo Elstico de Tensin en funcin de la Temperatura en GPa
Acero al Carbono Tipo 304
329 3RE60 2304
2205 Zeron 100 Ferralium 255
2507
G10200 S30400
S32900 S31500 S32304
S31803 S32760 S32550
S32750
207 193
200 200 200
200 205 210
200
- 192
195 190 190
190 194 200
190
- 183
185 180 180
180 181 198
180
- 177
- 170 170
170 170 192
170
- 168
- 160 160
160 - 182
160
- 159
- 150 150
150 - 170
150
Coeficiente de Expansin Trmica, desde 20 C a T en 1/C * 10
-6
Acero al Carbono
Tipo 304 329
3RE60 2304 2205
Zeron 100 Ferralium 255 2507
G10200
S30400 S32900
S31500 S32304 S31803
S32760 S32550 S32750
NA
NA NA
NA NA NA
NA NA NA
12,1
16,4 10,9
13,0 13,0 13,0
12,5 12,1 13,0
13,0
16,9 11,0
13,5 13,5 13,5
13,0 12,6 13,5
-
17,3 11,6
14,0 14,0 14,0
13,5 13,0 14,0
14,0
17,6 12,1
14,5 14,5 14,5
- 13.3 14,5
-
18,0 12,3
15,0 15,0 15,0
- 13,6 15,0
Conductividad Trmica en funcin de la Temperatura en W/m C
Acero al Carbono Tipo 304
329 3RE60 2304
2205 Zeron 100 Ferralium 255
2507
G10200 S30400
S32900 S31500 S32304
S31803 S32760 S32550
S32750
52,0 14,5
- 16,0 16,0
16,0 17,0 13,5
16,0
51,0 16,2
- 17,0 17,0
17,0 18,0 15,1
17,0
49,0 17,8
- 19,0 19,0
19,0 19,0 17,2
19,0
- 19,6
- 20,0 20,0
20,0 20,0 19,1
20,0
43,0 20,3
- 21,0 21,0
21,0 - 20,9
21,0
- 22,5
- 22,0 22,0
22,0 - 22,5
22,0
-
24
Tabla 2.3 Propiedades mnimas de traccin y mximas de dureza a temperatura
ambiente para aceros inoxidables forjados. ASTM A240
Acero
UNS
Rp
[MPa]
Rm
[MPa]
Dureza
HB
HRC
Ferrtico S40900 205 380 179 -
S44700 415 550 223 20
Austentico S31603 170 485 217 -
S31254 300 650 223 -
Dplex
S31200 450 690 293 31
S31260 485 690 290 -
S31803 450 620 293 31
S32304 400 600 290 32
S32550 550 760 302 32
S32750 550 795 310 32
S32760 550 750 270 -
S32900 485 620 269 28
S32950 485 690 293 32
2.6 Resistencia a la Corrosin bajo Tensiones (SCC)
2.6.1 Resistencia a la corrosin bajo tensiones en cloruros
La corrosin bajo tensin en este tipo de medios es un fenmeno frecuente en
numerosas industrias, especialmente en sistemas de calentamiento y enfriamiento
que utilizan agua no tratada que contenga oxgeno y cloruros. En este tipo de
ambientes, la resistencia a la SCC disminuye al aumentar el nivel de oxgeno del
medio, mientras que aumenta con el pH. El buen comportamiento de los AID frente a
la SCC est en relacin con su alta resistencia a la corrosin por picaduras, que en
muchos casos inicia la SCC [1].
-
25
2.6.2 Resistencia a la corrosin bajo tensiones en sulfuros
Los mecanismos de la corrosin bajo tensiones en medio sulfuro (SSCC) que
contenga H2S, CO2 y Cl- no estn bien entendidos hasta el momento. Los parmetros
principales que afectan a este fenmeno son el pH, la presin parcial de H2S, la
temperatura y la concentracin de cloruros.
Para los AID, la mayor sensibilidad a la SSCC ocurre en el rango de temperaturas
entre 80 y 100 C. Normalmente, cuanto mayor sea el PREN, mayor ser la
resistencia a la SSCC, cualquiera que sea la microestructura del acero inoxidable,
dplex o austentica. Por tanto, los dplex presentan una mayor resistencia a la
SSCC que los 316L.
2.7 Erosin Corrosin
Los problemas de erosin corrosin tienen serias consecuencias econmicas en
muchas industrias, dado que la vida en servicio de muchos equipos puede verse muy
reducida por este fenmeno. Adems, dada la complejidad y el nmero de
parmetros que intervienen, es muy difcil estimar el dao real en el equipo.
Se ha comprobado [2] que la abrasin aumenta drsticamente la velocidad de
corrosin en los aceros inoxidables. Los AID ofrecen una gran resistencia a la
aparicin de este tipo de corrosin, dado que poseen una gran capacidad para
repasivarse tras la depasivacion producida por la erosin.
-
26
CAPTULO III
Soldadura de Aceros Inoxidables Dplex
-
27
3.0 Soldabilidad de Aceros Inoxidables Dplex
La mejora en la soldabilidad de los AID ha sido una de las razones principales para
que su uti lizacin se haya extendido de manera tan destacable. El desarrollo
metalrgico de estas aleaciones ha conducido a una mayor estabilidad
microestructural durante los ciclos trmicos asociados al proceso de soldadura,
resultando en menores riesgos para la precipitacin de fases intermetlicas. Este
hecho ha sido de especial trascendencia en el caso de los AID altamente aleados y
en los AISD. Dicha evolucin ha trado como consecuencia:
Mayor ductilidad y tenacidad en las uniones soldadas, particularmente a bajas
temperaturas, mediante el control del contenido de ferrita en la soldadura.
Mejora en el comportamiento a la corrosin tanto en la zona afectada
trmicamente como en el bao de fusin, evitando la aparicin de
precipitados.
Desarrollo de parmetros de soldeo para diversos procedimientos de unin,
permitiendo la utilizacin de mtodos de alta productividad, tales como SAW,
GMAW o GTAW, con el correspondiente incremento en la competitividad de
los AID.
Gran parte de las aplicaciones actuales de los AID involucra algn proceso de
soldadura. Por este motivo, la soldabilidad de estos aceros ha sido objeto de una
amplia investigacin. Los AID modernos han sido desarrollados para tener una
excelente soldabilidad. No obstante, existen algunos cuidados que deben ser
tomados durante la soldadura, para preservar las propiedades mecnicas y de la
resistencia a la corrosin que estos materiales poseen.
-
28
3.1 Tcnica de soldadura
Las prcticas de soldadura uti lizadas con los aceros inoxidables austenticos, como
limpieza, uso de gas de purga, evitar la contaminacin con acero al carbono, etc.,
deben ser usados tambin con los AID. Adems de esto, la tcnica de soldadura
debe volcarse para mantener la microestructura balanceada en la junta soldada y
consecuentemente, mantener las propiedades mecnicas y de resistencia a la
corrosin lo menos alteradas posibles .Eso envuelve tanto los cambios de
composicin qumica en la poza de fundicin, como el control de la historia trmica
de la unin.
3.1.1 Procesos de Soldadura
Prcticamente todos los procesos de soldadura al arco convencionales pueden ser
usados en la soldadura de los AID. El uso de procesos con una fuente de calor de
alta densidad, como el flujo de electrones o el lser, tienen una aplicacin limitada.
En estos casos la formacin de austenita es impedida debido a las elevadas
velocidades de enfriamiento de la junta. Lo mismo acontece en la soldadura por
resistencia y por friccin.
3.1.2 Metal de Aporte
Las velocidades de enfriamiento registradas durante la soldadura pueden ser tales,
que la fraccin de ferrita en la ZF puede ser bastante elevada. Como consecuencia,
ocurre una disminucin de la tenacidad y de la resistencia a la corrosin. Por lo tanto,
el uso de aportes con composicin qumica igual al metal base es limitado a la
soldadura de algunos AID y uniones que sern sometidas a tratamiento trmico
post-soldadura [11].
-
29
Con el fin de facilitar la formacin de austenita en la ZF, generalmente son usados
metales de aporte con una cantidad de Ni de 2.5 a 3.5% sobre el metal base. Por
ejemplo, para soldar un acero 2205 (Fe-22Cr-5.5Ni-3Mo) es utilizado un aporte de
tipo Fe-22Cr-9Ni-3Mo. Con el uso de estos aportes y el control de dilucin, las
proporciones de ferrita deben ser mantenidas alrededor de 50%. En caso que ocurra
un aumento exagerado de Ni en el aporte, ste puede llevar a la precipitacin de
fases intermetlicas en la ZF. La proporcin de austenita en la ZF tambin puede
ser controlada por la introduccin de Nitrgeno en la poza de fusin a travs del
metal de aporte. Adems, con un aumento en Nitrgeno, se evita que este elemento
migre de la ZAT por la poza de fusin. Por lo tanto, el Nitrgeno de la ZAT puede ser
mantenido en su porcin original, facilitando la formacin de austenita.
Aleaciones de Ni han sido usadas para soldar AID, pero pueden facili tar la
precipitacin de fases intermetlicas y la prdida de Nitrgeno de la ZAT.
Los aportes deben garantizar las proporciones de C, P y S en el metal de soldadura
menores o iguales a los del metal base.
3.1.3 Gases de Proteccin
El gas bsico usado con los procesos que precisan de proteccin gaseosa es el
Argn. Para mejorar las condiciones de soldadura, este gas puede ser mezclado con
otros gases como He, N2 o CO2. El Helio permite el aumento de la velocidad de
soldadura y las emisiones de O3, pero su costo puede ser elevado, dependiendo de
la aplicacin. La adicin de 1 10% en volumen de N2 al gas tiene como fin
aumentar el porcentaje de Nitrgeno en la ZF y mantener su proporcin original en la
ZAT. Como el Nitrgeno es un elemento de aleacin gammgeno su aumento
conlleva a una fraccin volumtrica mayor de austenita en la ZF. Adems, el
Nitrgeno aumenta el potencial de ionizacin de la mezcla gaseosa, estabilizando el
arco elctrico. En el caso de GMAW, la adicin de CO2 al gas de proteccin mejora la
mojabilidad del metal lquido y estabiliza el arco. Por eso, debido al problema de
-
30
introduccin de Carbono en la ZF, mezclas con ms de 5% en volumen de CO2 no
deben ser utilizadas. El Hidrgeno en el gas de proteccin mejora la penetracin del
cordn de soldadura, pero puede llevar a agrietamiento por Hidrgeno y, por lo tanto,
no debe ser adicionado al gas de proteccin.
WIKTOROWICZ; CROUNCH [13] propusieron las mezclas Ar-20He -1.1N y Ar-20He-
2.25N para soldadura GTAW de AID y AISD, respectivamente. Para soldadura
GMAW se propone una mezcla Ar-2.5 CO2.
Para la proteccin de raz es usado como gas de purga Ar, N2 o mezclas de estos
gases.
3.1.4 Energa de Soldadura
Una energa de soldadura elevada tiende a producir una velocidad de enfriamiento
menor de la junta. Como consecuencia, favorece la precipitacin de austenita,
equilibrando la microestructura. De la misma manera puede favorecer la precipitacin
de fases intermetlicas y el crecimiento de grano, dependiendo de la temperatura
mxima alcanzada. Una energa de soldadura baja lleva a una velocidad de
enfriamiento elevada. As, la precipitacin de austenita es dificultada, produciendo
una fraccin elevada de ferrita. En este caso ocurre la precipitacin de nitruros de
Cromo en la ferrita. En ambos casos se tiene una severa disminucin en la tenacidad
y la resistencia a la corrosin del material. Por lo tanto, han sido propuestas por
diversos autores ventanas operacionales basadas en la energa de soldadura. Pero,
como la energa de soldadura no es el nico factor que influye en la microestructura
obtenida, se encuentra en la literatura una gran dispersin entre los datos
reportados. En general son sugeridos valores menores de energa de soldadura para
los AISD que para los AID.
La figura 3.1 presenta un baco para calcular el tiempo de enfriamiento entre 1200 y
800C (t12-8) en funcin del espesor de plancha y de la energa de soldadura. En
este rango de temperaturas ocurre principalmente la precipitacin de austenita, entre
-
31
otras fases. El baco presenta dos lneas entrecortadas definiendo los tiempos de
enfriamiento mnimos para el AID UNS S31803 (2205). El t12-8 menor fue propuesto
por HONEYCOMBE; GOOCH. La otra lnea representa el tiempo mnimo de
enfriamiento para producir en la ZF y en la ZAT una fraccin de austenita superior a
20%, llevndose en cuenta las variaciones qumicas normales en este material. En
otro estudio se presenta como recomendacin general para obtener una
microestructura balanceada en la junta soldada de un AID, el uso de t12-8 en un
rango de 4 a 15 segundos [12].
Figura 3.1 baco para estimar el tiempo de enfriamiento de 1200C a 800C en
funcin de la energa de soldadura y del espesor de plancha [12].
-
32
3.1.5 Otras Variables
Generalmente el pre-calentamiento no es recomendado, pero algunas veces es
usado cuando planchas gruesas de un AID de bajo Nitrgeno son soldadas con una
energa de soldadura baja. En el caso de AID de alta aleacin, el pre-calentamiento
puede perjudicar las propiedades de la junta. Cuando sea solicitado, la temperatura
mxima recomendada es de 150 C.
La temperatura entre pasadas de soldadura debe ser la ms baja posible a fin de
evitar la precipitacin de fases intermetlicas. La faja de temperatura recomendada
es de 60 a 150 C cuando se est soldando AISD y de 150 a 250 C en caso de AID.
El tratamiento trmico post-soldadura no es muy comn, excepto cuando se suelden
planchas gruesas con metal de aporte de baja aleacin o sin l (autgena). El
calentamiento hasta la temperatura de tratamiento debe ser bastante rpido. Las
temperaturas recomendadas son de 1050 1100 C para los AID y de 1070 1120
C para los AISD. Un tiempo de 5 30 minutos son suficientes para disolver los
nitruros, carburos y dems fases intermetlicas que puedan existir y para obtener las
fracciones adecuadas de ferrita y austenita. El enfriamiento posterior debe ser rpido
para evitar la precipitacin de fases intermetlicas.
3.2 Evolucin Microestructural de los AID durante la Soldadura
La estructura obtenida en la ZF y la ZAT dependen entre otros factores de la
historia trmica a la cual es sometida cada una de estas regiones. Los cambios
microestructurales que ocurren durante el calentamiento y el enfriamiento de una
soldadura de un AID, deben ser controladas de modo que las propiedades de la junta
sean las mejores posibles. Conforme a lo discutido anteriormente, este control puede
ser ejercido a travs de la composicin qumica y/o de la historia trmica. La
composicin qumica de la ZF puede ser cambiada a travs del metal de aporte y/o
-
33
del gas de proteccin. Por otro lado, la historia trmica determinar bsicamente la
microestructura de la ZAT de los AID y, eventualmente, de la ZF.
La figura 3.2 presenta algunas modificaciones microestructurales ocurridas en la
junta soldada de un AID. Se observa de esta figura, que se distinguen 5 regiones en
la junta soldada: zona fundida, zona parcialmente fundida, zona de crecimiento del
grano de ferrita, zona bifsica parcialmente transformada y zona bifsica similar al
metal base. En esta figura no fue representada la precipitacin de otras fases
adems de la ferrita y la austenita.
Figura 3.2 Diagrama esquemtico de los cambios microestructurales ocurridos en
la junta soldada de un AID.
Una energa de soldadura elevada tiende a producir una velocidad de enfriamiento
menor de la junta, dependiendo del espesor de la plancha. Como consecuencia,
promueve la precipitacin de austenita, balanceando, en parte, la microestructura. De
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34
la misma manera, puede favorecer la precipitacin de fases intermetlicas y el
crecimiento de grano, dependiendo de la temperatura mxima alcanzada en la ZAT.
En la situacin contraria, una energa de soldadura baja lleva a una velocidad de
enfriamiento elevada. As, la precipitacin de austenita se ve dificultada, generando
una fraccin elevada de ferrita, lo que a su vez acarrea la precipitacin de una gran
cantidad de nitruros de cromo en el interior de la ferrita. En ambos casos se tiene
como resultado una severa disminucin en la tenacidad y la resistencia a la corrosin
del material.
3.2.1 Zona Afectada Trmicamente (ZAT)
La ZAT de los AID puede ser divida en dos sub-regiones. La regin sometida a altas
temperaturas (ZATAT) y la regin sometida a bajas temperaturas (ZATBT). La
primera es delimitada por las temperaturas de solvus de la ferrita, y la temperatura de
solidus de la aleacin, donde el acero est completamente ferritizado. La segunda
presenta como lmite superior la temperatura de solvus de la ferrita. En esta ltima
regin de la ZAT el AID permanece en el campo bifsico, pero, con una fraccin
volumtrica final de austenita que puede ser bien diferente a la del metal base
original.
3.2.1.1 Zona Afectada Trmicamente a Alta Temperatura (ZATAT)
La extensin de la ZATAT es determinada por los parmetros de soldadura, por la
geometra de la junta y por la composicin qumica del AID. De acuerdo a lo
presentado en la figura 3.3 del ciclo trmico genrico en la ZATAT se pueden
distinguir tres diferentes estados: el estado I describe el calentamiento hasta la
temperatura de solvus de la ferrita. Durante el estado II el material se encuentra
dentro del campo ferrtico. El estado III consiste en el enfriamiento desde la
temperatura de solvus de la ferrita hasta la temperatura ambiente.
-
35
Figura 3.3 Estados del ciclo trmico de soldadura de la ZATAT
Durante el estado I la austenita se transforma en ferrita, asistida por la difusin de
elementos intersticiales y substitucionales. La cintica de dilucin de la austenita
depende de la tasa de calentamiento. Si la velocidad de calentamiento fue muy
elevada, la disolucin de austenita puede ser impedida, incluso a temperaturas
mayores que la de solvus de la ferrita. Algunos precipitados como nitruros, carburos,
o intermetlicos tambin se pueden disolver durante el calentamiento, dependiendo
de la tasa de calentamiento.
Durante el estado II los precipitados y la austenita continan disolvindose, pero con
una cintica acelerada a temperatura ms elevada. En caso que la velocidad de
calentamiento no sea muy alta, estas transformaciones se completan, restando
solamente la ferrita. El crecimiento de grano depende de la temperatura y del tiempo
de permanencia del material encima de la temperatura de solvus de la ferrita. Este
tiempo encima de la temperatura de solvus depende de la energa de soldadura, de
la geometra de la junta y de la composicin qumica de la aleacin, la cual determina
el intervalo de temperatura donde el material es totalmente ferrtico. Diversos
modelos han sido propuestos para predecir el tamao de grano en la ZAT de los AID
a partir del tiempo sobre la temperatura de solvus o el (t12-8). Este crecimiento de
grano puede llevar a una severa cada en la tenacidad del material.
-
36
El enfriamiento en el estado III tiene una precipitacin de austenita a partir de la
ferrita. Con altas velocidades de enfriamiento la austenita precipitada en los lmites
de grano de ferrita puede ser discontinua. A medida que la velocidad de enfriamiento
disminuye, la austenita en los lmites se torna cada vez ms continua. A partir de la
saturacin de los sitios para la nucleacin en los lmites de grano, la austenita crece
en direccin al centro de grano de la ferrita, como austenita de Widmansttten. Para
velocidades de enfriamiento ms bajas puede ocurrir una precipitacin de austenita
intragranular.
La cantidad y morfologa de la austenita precipitada depende no solo de la velocidad
de enfriamiento, sino tambin de la composicin qumica de la aleacin y del tamao
de grano ferrtico. La proporcin de Nitrgeno altera la posicin de la temperatura de
solvus de la ferrita. De esta forma, aumentndose el porcentaje de Nitrgeno,
aumenta la temperatura de solvus. En este caso la precipitacin de austenita
comienza a temperaturas ms elevadas, produciendo una cantidad mayor de
austenita de Widmansttten. Por otro lado, una disminucin de nitrgeno en la
aleacin genera una fraccin volumtrica mayor de austenita intragranular.
Durante el enfriamiento pueden precipitar otras fases como, nitruros y carburos. La
cintica de la precipitacin de estas fases depende bsicamente de la composicin
qumica de la aleacin, del ciclo trmico experimentado y de la fraccin volumtrica
de austenita formada.
3.2.1.1 Zona Afectada Trmicamente a Baja Temperatura (ZATBT)
Debajo de la temperatura de solvus de la ferrita, que delimita el comienzo de la
ZATBT, se encuentra la temperatura donde las fracciones volumtricas de ferrita y
austenita son las de equilibrio (T/). Adems, puede ser definido el rango de
temperaturas de precipitacin de algunas fases de inters. Asimismo, dependiendo
de la temperatura mxima alcanzada en la regin en estudio, en el ciclo trmico
pueden ser delimitados hasta dos estados principales.
-
37
En el estado I se tiene una disolucin parcial de austenita y, dependiendo de la
velocidad de enfriamiento, su posterior precipitacin. En este caso, los granos de
austenita no disueltos inhiben el crecimiento del grano ferrtico. Ya durante el
enfriamiento posterior la austenita crece continuamente a partir de las islas
intergranulares de austenita no disueltas. La fraccin final de austenita en esta zona
es mayor que en la ZATAT, por lo tanto la precipitacin intergranular de nitruros es
significativamente menor.
El estado II es delimitado por las temperaturas mxima y mnima de precipitacin de
las fases de inters. La precipitacin de estas fases depende de la cintica de
transformacin y del tiempo de permanencia en este rango.
La figura 3.4 presenta, a modo de ejemplo, los ciclos trmicos en dos regiones
diferentes de la ZATBT. En la primera regin (figura 3.4.a) se alcanza una
temperatura mxima encima de T/ .En este caso se puede distinguir los dos estados
del ciclo trmico. El segundo ciclo trmico (figura 3.4.b) representa una regin de la
ZATBT donde la temperatura mxima alcanzada est comprendida en el intervalo de
precipitacin de las fases de inters. En este caso se tiene solamente el estado II del
ciclo, prcticamente sin modificaciones en la fraccin volumtrica de la austenita.
Figura 3.4 Estados de un ciclo trmico de soldadura en la ZATBT. En (a) la
temperatura mxima sobre T/ y en (b) dentro del intervalo de precipitacin de una
fase.
-
38
3.2.2 Zona Fundida (ZF)
Durante la solidificacin de la posa de fusin, el crecimiento epitaxial y competitivo a
partir de los granos de ferrita de la zona parcialmente fundida, producen una
estructura columnar grosera de granos de ferrita en la ZF. As, el tamao de grano de
la ZATAT tiene una influencia directa en la microestructura de la ZF. Posteriormente,
durante el enfriamiento, similar a lo que acontece en la ZATAT, ocurre una
precipitacin de austenita y las dems fases posibles. Los mecanismos de las
transformaciones en estado slido dentro de la ZF son bsicamente los mismos
descritos para la ZAT.
Conforme fue presentado anteriormente, la composicin qumica de la ZF puede ser
ajustada a travs del metal de aporte y del gas de proteccin, junto con el control de
la dilucin. Esto permite el control de la fraccin de austenita y por lo tanto de la
precipitacin de nitruros de cromo. Adems de eso, el control del ciclo trmico no
debe ser olvidado, principalmente cuando son realizadas soldaduras autgenas o
con metal de aporte con la misma composicin qumica del metal base.
3.3 Discontinuidades en soldaduras de AID
La discontinuidad en soldadura es una interrupcin en su estructura, es decir, es la
carencia en las caractersticas mecnicas, metalrgicas y fsicas del material o
soldadura. La presencia de discontinuidades en la soldadura es inevitable debido a
los diferentes procesos metalrgicos que ocurren en el momento en que se suelda.
Todas las interacciones metalrgicas deben ser cuidadosas y estrictamente
controladas para evitar que ocurran discontinuidades en la soldadura, lo cual no es
posible el 100% de las veces. Una discontinuidad se convierte en defecto cuando su
tamao, forma, orientacin, ubicacin o propiedades son inadmisibles para alguna
norma especfica.
-
39
Los AID pueden presentar prdida de sus propiedades mecnicas y resistencia a la
corrosin no tan solo con la precipitacin de fases intermetlicas o un desbalance de
fases, sino que tambin por otras discontinuidades que se pueden generar en las
soldaduras, sin importar el material a soldar. LUNDIN [14] clasific las
discontinuidades en 3 grupos: discontinuidades de Proceso y Procedimiento, de
Diseo y de Metalurgia. Dentro de las discontinuidades asociadas a la metalurgia, se
encuentran la porosidad y el agrietamiento, que a continuacin se definen y analizan
para el caso de soldadura de AID.
3.3.1 Porosidad
Se define como un tipo de discontinuidad en forma de cavidad formado por un gas
que queda atrapado durante la solidificacin. Son varios los tipos de porosidad que
se encuentran en la fusin y se pueden clasificar por tipo, forma, localizacin con
respecto a la soldadura y distribucin dentro de sta.
Como el Nitrgeno influye en la microestructura del metal de soldadura y sus
propiedades, es importante controlar su contenido durante la soldadura. Cuando se
usan gases libres de Nitrgeno en procesos de soldadura que uti lizan proteccin con
gases, como GTAW, GMAW y SAW, el resultado es normalmente una prdida de
nitrgeno (Fig. 3.5), debido a la baja solubilidad de este elemento en el charco de
soldadura. Para solucionar este problema se usan mezclas de gases con cierto
contenido de Nitrgeno.
Cuando se utilizan gases de proteccin con demasiado Nitrgeno puede conducir a
porosidad en el metal de soldadura. La probabilidad de que esto ocurra depende de
los parmetros de soldadura, de la composicin de la aleacin y del modo de
solidificacin. Ejemplo de ello, es que al parecer un arco de mayor longitud (alto
voltaje) es perjudicial. Esto es presumiblemente una funcin del aumento de la
probabilidad de ingreso del aire en la proteccin, que puede aumentar efectivamente
el contenido de nitrgeno de la cubierta. Adems, parece que el contenido de
-
40
nitrgeno del metal de soldadura aumenta a lo largo de la longitud de la soldadura,
incrementando la posibilidad de porosidad.
Figura 3.5 Efecto del nivel de nitrgeno en el gas de proteccin de Ar sobre el
contenido de Nitrgeno del metal de soldadura con GTAW de aceros 2205 [14].
3.3.2 Agrietamiento
Ocurren en el metal base y en el metal de soldadura, cuando las tensiones
localizadas exceden la resistencia ltima del material. La mayor parte de las normas
consideran que las grietas son, independientemente de su longitud, defectos y por lo
tanto una vez detectadas deben removerse y/o eliminarse.
Si la formacin de las grietas ocurre durante o despus de la solidificacin, el
agrietamiento puede clasificarse en caliente o en fro [14].
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41
3.3.2.1 Agrietamiento en Caliente
Es el resultado de fracturas intergranulares producidas a altas temperaturas,
cercanas a la temperatura de solidus, el cual puede ocurrir en el metal soldado, en la
zona afectada trmicamente (ZAT) inmediatamente adyacente a la lnea de fusin, o
en ambas regiones.
Cuando el agrietamiento ocurre durante la solidificacin del metal soldado, ste se
denomina Agrietamiento por Solidificacin (agrietamiento producido en la zona de
fusin). Para que se produzca este tipo de fisuras durante el ciclo trmico de la
soldadura se hacen necesarias dos precondiciones: que el metal carezca de
ductibilidad, y que la resistencia a la traccin como resultado de la contraccin
excedan el correspondiente esfuerzo a la fractura.
En situaciones en donde el agrietamiento se forma en la zona afectada trmicamente
producto de la licuacin de micro constituyente de bajo punto de fusin, ste es
conocido como Agrietamiento por Licuacin Constitucional.
Los resultados del ensayo Varestraint demuestran que los aceros inoxidables dplex
comerciales son menos susceptibles al agrietamiento por solidificacin del metal de
soldadura que las aleaciones austenticas con solidificacin de austenita primaria.
Los aceros inoxidables dplex solidifican en ferrita y la formacin de la austenita
ocurre solamente en el estado slido. Esto puede reducir los beneficiosos efectos de
la formacin de austenita en obstculo al agrietamiento por solidificacin, y se ha
demostrado que las composiciones que solidifican en un modo ferrtico (ferrita 5 -
20%) pueden ser susceptibles a agrietarse por solidificacin. Las aleaciones con un
contenido ms alto de ferrita, por ejemplo, los aceros dplex actuales, tienen una
estructura columnar ms gruesa y son ms probables de exhibir las grietas por
solidificacin.
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42
La ocurrencia de agrietamiento por licuacin en la ZAT de los aceros dplex la sido
evaluada, en donde se ha mostrado que la susceptibilidad es aproximadamente
comparable a los aceros austenticos con bajos niveles de ferrita, lo que indica que
los aceros dplex poseen buena resistencia a este tipo de agrietamiento bajo
moderadas condiciones de control.
3.3.2.2 Agrietamiento en Fro
Estos tipos de grietas se forman despus de que se termina la solidificacin, y
dependen de la presencia de una tensin residual, microestructura susceptible e
hidrgeno disuelto; dicha tensin puede presentarse por los distintos componentes
de soldadura o por las tensiones trmicas. La susceptibilidad de la microestructura al
agrietarse en fro se relaciona directamente con la solubilidad del hidrgeno y la
posibilidad de su sobresaturacin (a este fenmeno tambin se le denomina
"Agrietamiento por Hidrgeno"). La presencia de Hidrgeno en una soldadura al arco
es debido a la presencia de humedad que se introduce con el gas de proteccin, el
cual es disociado por el arco para formar hidrgeno elemental, que a la vez se
disuelve en la zona fundida y la ZAT. En estado sobresaturado el hidrgeno se
recombina en las zonas de alta tensin y se puede producir una grieta. Para evitar
que se agriete, se debe hacer un precalentamiento, y luego un tratamiento trmico
posterior a la soldadura para que el hidrgeno salga por difusin.
Este agrietamiento se presenta en el metal de soldadura GTAW, el cual utiliza en el
gas de proteccin un contenido de hidrgeno entre un 2 10%. Este agrietamiento
fro retrasado ocurre despus de cierto tiempo de incubacin en soldaduras muy
contenidas y adems si el contenido de ferrita est sobre 50 - 60 %, como se
muestra en la Figura. 3.6. Mediante el proceso de soldadura SMAW, el alto contenido
de Hidrgeno en el metal de soldadura se puede evitar por medio del almacenado de
los electrodos en hornos a temperaturas apropiadas para el secado adecuado de
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43
ellos. La solucin para evitar este problema es realizar un tratamiento trmico con el
objetivo de promover la difusin del hidrgeno fuera del material de soldadura
solidificado.
Figura 3.6 Efecto del contenido de ferrita en la susceptibilidad al agrietamiento por
hidrgeno con gas de proteccin Ar +H2.
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CAPTULO IV
Diagramas Temperatura - Tiempo - Transformacin
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4.0 Diagramas Temperatura Tiempo Transformacin
Los AID, en funcin de su composicin qumica, pueden experimentar importantes
cambios en su microestructura al ser sometidos a tratamientos trmicos e
isotrmicos. La mayora de estas transformaciones ocurren en la fase ferrita, debido
principalmente al hecho de que las velocidades de difusin de los diferentes
elementos de aleacin en esta fase son del orden de 100 veces ms rpidos que los
correspondientes valores en la austenita [16]. Adems, dado que la ferrita se
encuentra enriquecida en Cr y Mo, elementos que promueven la formacin de
compuestos nter metlicos, dicha transformacin se ve an ms favorecida.
Los compuestos nter metlicos que pueden originarse durante los tratamientos
trmicos, tales como la fase sigma, carburos, nitruros, , etc., ejercen una notable
influencia tanto sobre las propiedades mecnicas como sobre la resistencia a la
corrosin [4]. En la mayora de los casos, dicha influencia suele ser perjudicial, dado
que implican la fragilizacin del material as como una disminucin en la resistencia a
la corrosin. En consecuencia, los diagramas Temperatura -Tiempo -Transformacin
(diagramas TTT) se convierten en una herramienta muy til a la hora de juzgar la
mayor o menor tendencia de un dplex a la aparicin de compuestos ntermetlicos.
En la figura 4.1 [16] se puede observar el aspecto caracterstico de los diagramas
TTT para AID clsicos. Para cualquiera de las aleaciones dplex encontramos que el
diagrama puede dividirse en dos zonas: una zona a temperaturas relativamente
bajas (entre 300 y 600 C) y otra zona para temperatura ms elevadas (entre 600 y
1050 C). Por encima de 1050 C encontramos un campo de temperaturas en el que
coexisten, nicamente, austenita y ferrita. En general estos diagramas son
conservativos, dado que muestran el tiempo necesario para que aparezcan los
precipitados, lo que implica que las propiedades mecnicas y de resistencia a la
corrosin comiencen a verse afectadas.
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Figura 4.1 Diagrama TTT para AID clsicos.
La composicin qumica de las aleaciones dplex es un factor determinante en la
susceptibilidad a la precipitacin de compuestos nter metlicos [5]. La composicin
determina el tiempo necesario para que una transformacin se produzca, as como la
magnitud de la misma. Las morfologas que presentan los diferentes precipitados son
equivalentes para todos los AID, aunque s presentan pequeas diferencias
composicionales de una aleacin a otra. Las transformaciones que ocurren por
debajo y por encima de 600 C son muy diferentes, como se ver ms adelante, sin
embargo la naturaleza de las mismas es independiente de la composicin qumica.
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4.1 Transformaciones entre 600 y 1050 C
En este rango de temperaturas las transformaciones ocurren de forma relativamente
rpida, por lo que se pueden producir incluso durante la etapa de enfriamiento en
una soldadura o en el enfriamiento posterior a un tratamiento de recocido. Es por ello
de vital importancia conocer la susceptibilidad de estas aleaciones a la
transformacin.
Dado que al aumentar el nivel de aleacin, especialmente en Cr y Mo, la tendencia a
la precipitacin se ve favorecida, los AISD son los que van a presentar una mayor
susceptibilidad a la aparicin de ntermetlicos. Para estos dplex es preciso tomar
especiales precauciones durante los tratamientos trmicos, as como realizar el
recocido a temperaturas superiores a 1050 C [16].
En segundo lugar en cuanto a transformabilidad a este rango de temperaturas
encontramos al UNS S31803 (2205), aleaciones en las cuales el intervalo de
temperaturas en el que pueden aparecer compuestos ntermetlicos se extiende
hasta 1000 C, por lo que su recocido deber realizarse a temperaturas superiores a
sta.
El tipo UNS S32304 (2304) es el ms estable ya que precisa tiempos entre 10 y 20
horas a temperatura para que se produzca la precipitacin. Este hecho es
consecuencia de la ausencia de Mo en su composicin. El rango de temperaturas en
el que experimenta transformaciones desciende adems hasta los 900 C.
En cualquiera de los casos, y con independencia del tipo de precipitados formados,
un tratamiento de recocido de corta duracin (varios minutos) es suficiente para
disolverlos y recuperar la microestructura dual austenita ferrita. Este tipo de
tratamientos es necesario para aquellas soldaduras en las que, por la composicin
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qumica del material base y/o por la velocidad de enfriamiento, se sospeche la
presencia de nter metlicos [6].
4.2 Transformaciones entre 300 y 600 C
Para este rango de temperaturas las transformaciones ocurren ms lentamente, y
son necesarios tiempos de varias horas, en la mayora de los casos, para que los
precipitados provoquen una modificacin clara en el comportamiento de los
materiales. De nuevo las aleaciones del tipo UNS S32304 (2304) van a ser las
menos susceptibles a la transformacin, mientras que los UNS S32750 (2507)
presentaran los menores tiempos de incubacin as como los intervalos de
temperatura ms amplios [16]
4.3 Caractersticas de los Precipitados
En la tabla 4.1 se muestran algunas caractersticas de los precipitados que pueden
encontrarse en los AID. En la figura 4.2 un diagrama TTT esquemtico de
precipitacin de fases secundarias de los AID.
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Tabla 4.1 Caractersticas generales de los precipitados de los AID [17].
Fase
Frmula
%Cr
%Ni
%Mo
Rango de T (C)
Fe-Cr-Mo 30 4 7 650 1000
2 - - - - 600 900
Carburos M23 C6 y M7 C3 58 2.5 12 650 1050
Nitruros Cr2 N y Cr N 72 6 15 700 950
Nitruro Fe7 Mo13 N4 35 3 34 550 600
Fe36 Cr12 Mo10 25 3 14 700 900
R Fe2 Mo 25 6 35 550 700
Rico en Cu - - - 500
- 65 2.5 13 300 550
G - 25 25 4 300 - 400
Figura4.2 Diagrama TTT esquemtico de precipitacin de fases secundarias en los
AID.
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4.3.1 Fase
La fase es uno de los compuestos nter metlicos ms tpicos de los AID y destaca
por su efecto particularmente perjudicial sobre las propiedades mecnicas de estas
aleaciones, especialmente tenacidad, as como sobre la resistencia a la corrosin [7].
La composicin qumica tpica de este compuesto se encuentra en torno a Fe-30Cr-
4Ni-(4-7) Mo.
Esta fase se forma en el rango de temperaturas comprendido entre 650 y 1000 C,
presentando alrededor de 900 C la mayor velocidad de precipitacin. Su nucleacin
se inicia preferentemente en las interfases austenita ferrita y a continuacin en los
lmites de subgranos ferrita ferrita. La presencia de carburos o de 2 hace que la
fase tienda a originarse en los lmites de estos compuestos, creciendo hacia el
interior de la ferrita, pudindose originar una especie de eutectoide - 2 o un
agregado sigma ferrita [8].
La formacin de la fase se ve favorecida al aumentar el contenido de Cromo,
Molibdeno, Silicio y Manganeso [18]. Adems, el Nquel acelera tambin la
precipitacin de la fase , si bien reduce la cantidad de fase formada. El efecto del
Nquel se debe a que este elemento induce la formacin de austenita, por lo que
hace que el resto de los elementos promotores de fase tiendan a concentrarse en
la ferrita [19].
Otros factores que influyen en la velocidad de precipitacin de la fase son la
deformacin plstica y la temperatura de recocido. Un 10% de deformacin plstica
disminuye el tiempo requerido para la aparicin de fase en un orden de magnitud.
Por otro lado, al aumentar la temperatura de recocido, aumenta el porcentaje de
ferrita, por lo que se reduce la concentracin de los elementos formadores de fase
sigma, y retarda su aparicin [20].
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51
La morfologa de la fase depende de la temperatura a la que ocurra su
precipitacin. Cuando la temperatura es baja, suele presentarse en forma de lminas
finas que forman junto a 2 un constituyente eutectoide. Para temperaturas ms
elevadas la proporcin de crece con respecto a 2, debido a la mayor velocidad de
difusin de los elementos de aleacin, que compensan rpidamente las variaciones
en composicin producidas por la formacin de fase . A temperaturas an ms
altas, la transformacin de ferrita en sigma sucede sin que se produzca la
precipitacin simultnea de 2.
4.3.2 Fase 2
Cuando se realiza un recocido a altas temperaturas, prximas o incluso incluidas en
el dominio monofsico de ferrita, tras el enfriamiento la ferrita se encuentra
enriquecida en elementos gammgenos. Un posterior calentamiento a temperaturas
comprendidas entre 600 y 900 C produce la transformacin de la ferrita en austenita.
Esta nueva austenita formada se denomina austenita secundaria o 2
La austenita secundaria puede precipitar de forma relativamente rpida por
diferentes mecanismos, dependiendo de la temperatura:
Por debajo de 650 C, 2 tiene una composicin similar a la de la ferrita de la
cual procede. Se trata de una transformacin sin difusin, con caractersticas
similares a las de la formacin de martensita.
Entre 650 y 800 C, temperaturas a las cuales la difusin es ms rpida,
ocurre la formacin de austenita Widmansttten, con difusin de Ni hacia 2
Entre 700 y 900 C se forma la eutectoide - 2 enriquecindose 2 en Ni y
en Cr y Mo [7].
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52
4.3.3 Carburos M23 C6 y M7 C3
Los primeros inoxidables se caracterizaban por presentar bajos contenidos de
Nitrgeno y, por el contrario, un porcentaje de Carbono superior al 0.03%. Este alto
contenido de Carbono implica que estos materiales sean susceptibles a la
precipitacin de carburos con el consiguiente riesgo de corrosin intergranular
En la actualidad, los bajos niveles de Carbono, incluso inferiores al 0.02%, hacen
difcil la formacin de carburos. En cualquier caso, los carburos pueden ser de dos
tipos, M7C3 y M23C6. Los primeros se forman a temperaturas entre 950 y 1050 C,
en las intercaras ferrita austenita.
Los segundos lo hacen entre 650 y 950 C, adems de en las intercaras ferrita
austenita, en los limites ferrita ferrita y austenita austenita y, en menor medida, en
el interior de los granos de ferrita y de austenita [21].
4.3.4 Nitruros Cr2 N, Cr N y
Los altos niveles de Nitrgeno empleados en la actualidad en los AID hacen que la
tendencia a la formacin de nitruros haya aumentado considerablemente.
En la aparicin de nitruros juega un papel fundamental la temperatura a la que se
realice el tratamiento de recocido. Cuanto ms alta sea dicha temperatura, mayor
ser la solubilidad del Nitrgeno en la ferrita, por lo que la cantidad de Nitrgeno
presente en la ferrita a esa temperatura es ms elevada. Al enfriar, la solubilidad
disminuye, quedando la ferrita sobresaturada en Nitrgeno. En consecuencia,
durante el enfriamiento o en un tratamiento trmico posterior, la aleacin tendr una
determinada susceptibilidad a la precipitacin de nitruros.
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53
Los nitruros del tipo Cr2 N se forman a temperaturas entre 700 y 950 C.
Normalmente lo hacen en los lmites de ferrita ferrita. Su precipitacin suele
preceder a la aparicin de otras fases como , , R, etc. Los otros tipos de nitruros,
Cr N y , se ha encontrado en soldaduras de dplex en la zona afectada por
temperatura.
4.3.5 Fase
La fase chi se forma en el mismo rango de temperaturas que la fase sigma, entre
700 y 900 C aproximadamente, aunque en mucha menor proporcin que sta. En
general la fase chi se forma en las intercaras ferrita austenita, creciendo hacia el
interior de la ferrita [1]. Presenta un contenido elevado de Mo, entre el 14 y el 20%,
lo que indica que los dplex con elevado contenido en este elemento presentarn
una mayor tendencia a la precipitacin de esta fase [9].
Su efecto sobre las propiedades mecnicas y la resistencia a la corrosin es muy
similar a la fase sigma. De hecho, dado que a menudo coexisten ambas fases, es
difcil estudiar sus efectos por separado.
4.3.6 Fase R
La fase R o fase de Laves, precipita en pequeas cantidades y tras varias horas de
exposicin a temperaturas entre 550 y 700 C. Precipita tanto nter como
intragranularmente, y ejerce, como ocurre en el resto de precipitados, un efecto
negativo de cara a la tenacidad y a la resistencia a la corrosin. Es un intermetlico
rico en Mo con una composicin aproximada de 31Fe-25Cr-6Ni-34Mo-4Si.
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4.3.7 Fase
La fase rica en cobre puede encontrarse en aleaciones dplex con alto contenido
en Cu. Para tales niveles de Cu, la sobresaturacin de la ferrita en este elemento,
debido a la disminucin de la solubi lidad al descender la temperatura, implica la
precipitacin de partculas muy finas de la fase rica en Cu [10]. La precipitacin se
produce tras exposiciones prolongadas, de ms de 100 horas, a temperaturas en
torno a 500 C.
4.3.8 Fase
La fase se forma a temperaturas comprendidas entre 300 y 550 C, y es la
principal causa del endurecimiento y la fragilizacin que se produce por estancias
prolongadas en este intervalo de temperaturas. La formacin de es consecuencia
del bucle miscibilidad que presenta el sistema Fe Cr, que implica que la ferrita sufra
una descomposicin espinodal originando zonas alternadas empobrecidas y
enriquecidas en Cr, denominas fase rica en Fe y fase rica en Cr,
respectivamente.
4.3.9 Fase G
La fase G precipita entre 300 y 400 C tras varias horas de exposicin. Es un
compuesto rico en Molibdeno, Nquel y Silicio, que nuclea en las intercaras - , por
lo que se considera que est estrechamente asociado a la descomposicin espinodal
de la ferrita. Su efecto sobre las propiedades de los AID an no ha sido clarificado,
aunque se supone que contribuye a la fragilizacin en este intervalo de temperaturas.
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CAPTULO V
Ensayos y Normas aplicables a la soldadura de los AID
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5.0 Ensayos y Normas aplicables a la soldadura de los AID
Por lo general el concepto de soldabilidad es asociado simplemente con la
medida de que tan fcil es hacer una soldadura en un material en particular sin la
presencia de grietas. Si es fcil evitar el agrietamiento, el material es estimado
soldable. Pero, para que una soldadura sea realmente exitosa, es tambin
necesario para sta tener adecuadas propiedades mecnicas, y poder soportar la
degradacin en su servicio (ejemplo, deterioro por corrosin). As, la soldabilidad
es una medida de que tan fcil es:
Obtener soldaduras libres de grietas.
Conseguir adecuadas propiedades mecnicas.
Producir soldaduras resistentes a la degradacin en servicio.
La soldabilidad no es un parmetro fijo para un material dado, sino que depender
del detalle de la unin, requerimientos del servicio, y los procesos de soldadura.
Las condiciones de servicio pueden ser caracterizadas a travs de las siguientes
variables:
Modo de aplicacin de las cargas (estticas, dinmicas, cclicas, impulsivas,
etc.).
Temperatura.
Naturaleza del medio ambiente (cido, alcalino, oxidante, inerte, etc.).
En la mayora de los proyectos en los cuales se hace uso de los AID, se
especifican requisitos para un rango similar de propiedades, los cuales buscan
asegurar que las caractersticas de la unin soldada (mecnicas, metalrgicas y
fsicas) sean del mismo o mejor nivel que las del metal base, entre ellas las ms
comunes son:
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Esfuerzo de tensin.
Tenacidad.
Dureza.
Contenido de ferrita.
Corrosin.
Otros requerimientos (ejemplo, END y prueba de doblado).
5.1 Calificacin del procedimiento de soldadura
Los reportes y certificaciones de calificacin de soldaduras son declaraciones de
las empresas, de que los procedimientos de soldadura y el personal han sido
aprobados de acuerdo con el cdigo o especificacin apropiada y que han sido
encontrados aceptables.
En una prctica normal para los fabricantes de equipos de procesos desarrollar o
mantener especificaciones para procedimientos de soldadura, para los distintos
tipos, debido a que se han dado cuenta de las ventajas generadas por la
calificacin de procedimientos y soldadores, ya que cuando el personal y los
mtodos de fabricacin han sido probados, es menos probable que hayan
rechazos de soldadura y por ende demoras en los trabajos que arrojen costos
excesivos.
Internacionalmente, cada pas tiene normas o cdigos individuales.
Afortunadamente, hay una tendencia hacia la aceptacin o intercambio de
especificaciones, con el inters de eliminar recalificaciones no deseadas. Dentro
de los cdigos aceptados internacionalmente, los ms usados son:
Cdigo ASME (American Society of Mechanical Engineers), Boiler and
Pressure Vessel Code Seccin IX, Welding And Brazing Qualifications.
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58
Norma AWS (American Welding Society) AWS B2.1 Standard for Welding
Procedure and Performance Qualification.
En general, para calificar un procedimiento de soldadura para un AID, se realizan
ensayos para asegurar su excelente combinacin de propiedades mecnicas
(tensin, dureza y tenacidad) y de resistencia a la corrosin (contenido de ferrita y
precipitacin de fases intermetlicas).
5.2 Caractersticas de Tensin
Siempre que se emplee el metal base de aporte dplex apropiado, no habr
dificultad en cubrir los valores de fuerza de traccin especificados para el acero
base sobre el rango de temperaturas normalmente utilizadas para los AID.
Adems, hay un pequeo cambio en las propiedades de tensin sobre un amplio
rango de los niveles de ferrita en el metal de soldadura. Si se utiliza metal de
aporte con base de Nquel, el metal fundido puede ser completamente austentico
dando como resultado una reducida fuerza de traccin. Por otra parte, con una
alta dilucin del acero base existe el riesgo de precipitacin de fases
intermetlicas, que puede comprometer la ductilidad entre otras propiedades.
El cdigo ASME, Seccin IX se refiere a las Pruebas de Tensin (QW 150) para
la calificacin de soldaduras, en l se entregan valores de tensin mnima para
metales base (QW/QB 422) y se establece en el criterio de aceptacin de la
resistencia de tensin mnima (QW 153) que, para pasar la prueba de tensin, la
probeta tendr un resistencia de tensin que no sea menor a:
A. La mnima resistencia de tensin especificada del metal base, o
B. La mnima resistencia de tensin especificada del ms dbil de los dos, si
se usan metales base de resistencias de tensin mnima diferentes, o
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C. La mnima resistencia de tensin especificada del metal de soldadura
cuando la Seccin aplicable da disposiciones para el uso de metal de
soldadura que tiene resistencia a temperatura ambiente inferior que el metal
base.
D. Si la probeta se rompe en el metal base fuera de la soldadura o de la lnea
de fusin, la prueba ser aceptada como que satisface los requerimientos,
siempre y cuando la resistencia no est ms de 5% bajo de la mni ma
resistencia de tensin especificada del metal base.
5.3 Dureza
La dureza de las uniones soldadas dplex es a menudo ms alta que la del
material base, debido a la tensin inducida por el calentamiento y el ciclo de
enfriamiento. El aumento de la dureza se manifiesta en el metal fundido y en la
ZAT, particularmente en la regin de raz. El endurecimiento inducido por tensin
es causado por la compresin de la regin durante el enfriamiento y es una
funcin del nmero de pasos de soldadura, esto es, para el caso de soldaduras de
pasos mltiples en materiales de mayor espesor los valores de dureza obtenidos
son ms altos.
La dureza de los AID ha recibido atencin especialmente debido al estndar
NACE MR0175 [15], en el que se establece una variacin de durezas de 28 34
Rockwell C (HRC) dependiendo del tipo de aleacin. Para el caso de las uniones
soldadas, se indica que deben tener los mismos lmites de dureza que el material
base, dada en la escala Rockwell C (HRC). Sin embargo, el sistema de medida de
dureza en la escala HRC utiliza un indentador cnico relativamente grande, que es
algo grueso y no es adecuado para medir en forma exacta en regiones
discontinuas, tales como pasos pequeos de soldadura o bien la angosta ZAT.
Para este propsito, se prefiere un indentador Vickers ms pequeo. Pero surge el
problema de que no existe ninguna conversin estandarizada entre estas dos
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60
escalas, por lo que se sugiere la conversin ASTM E 140 para los aceros al
Carbono. En la figura 5.1 se indican valores de dureza en escalas Rockwell C y
en Vickers 10 (VH10) para los AID, incluyendo diferentes regiones de soldadura.
Se demuestra claramente que la conversin de ASTM no es apropiada para los
AID, por lo cual ha sido calculada una relacin que permita realizar un mejor ajuste
entre ellas para cubrir las soldaduras, la cual se indica a continuacin:
HRC = 0.091 HV 2.4 (5.1)
En el estndar MR0175 se indican varios lmites de HRC dependiendo del grado
del AID, de su condicin y lmites ambientales. Estos lmites se presentan en la
tabla 5.1, junto con los equivalentes estimados de dureza Vickers determinados
por medio de la ecuacin 5.1. Cuando las soldaduras dplex estn sujetas a
condiciones corrosivas y a SSCC, se recomienda poner nfasis en el material
base, realizando pruebas de dureza Vickers de la soldadura y comparndolas con
el estndar de la NACE utilizando la tabla 5.1. Si esta comparacin no induce la
confianza necesaria para aceptar la unin y ponerla en servicio se sugiere realizar
pruebas en ambientes simulados.
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Tabla 5.1 Valores para la dureza HRC proporcionados por MR0175 y su
equivalente en Vickers.
Dureza Rockwell C
(HRC)
Dureza Vickers
HV 10
17 213
20 246
24 290
28 334
32 378
34 400
36 422
Figura 5.1 Comparacin entre la dureza HRC y ASTM E 140
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62
5.4 Tenacidad
Normalmente, la energa absorbida por el rea de soldadura es ms baja y su
temperatura de transicin de dcti l a frgil (DBTT) es ms alta en comparacin
con el material base, particularmente por la condicin del metal fundido. Por esta
razn, la tenacidad alcanzable del metal fundido a menudo se acomoda para que
los AID se puedan utilizar en una aplicacin particular a baja temperatura. Segn
indica la figura 5.2, los procesos protegidos por fundente SMAW, SAW poseen
siempre una tenacidad ms baja en comparacin con los mtodos protegidos por
gas. Estas diferencias son principalmente una funcin del nivel del oxgeno
contenido en el metal y su inclusin en la soldadura . Esto explica porqu los
depsitos hechos con los sistemas de fundente dan a menudo lugar en una
tenacidad ms alta que los rutlicos.
El contenido de ferrita entre aproximadamente un 50 60%, influye de manera
insignificante en la absorcin de energa, mientras que para niveles ms altos de
ella se presenta de forma evidente un efecto negativo, lo mismo ocurre para
niveles inferiores al 35%, al parecer debido a un cambio en el modo de la
solidificacin que causa segregacin y precipitacin de las fases intermetlicas.
Sin embargo otras investigaciones han demostrado una disminucin progresiva en
la energa de impacto sobre un amplio rango