P: Recientemente comenzamos a realizar trabajos que requieren que algunos componentes se fabriquen principalmente con acero inoxidable 304, que se suelda entre sí y a acero dulce. Hemos experimentado problemas de grietas en la soldadura entre acero inoxidable y acero inoxidable de hasta 1,25" de espesor. Se mencionó que tenemos niveles bajos de ferrita. ¿Podría explicarnos qué es y cómo solucionarlo?
R: Buena pregunta. Sí, podemos ayudarte a entender qué significa tener niveles bajos de ferrita y cómo prevenirlos.
Primero, veamos la definición de acero inoxidable (SS) y cómo se relaciona la ferrita con las uniones soldadas. El acero negro y sus aleaciones contienen más del 50 % de hierro. Esto incluye todos los aceros al carbono e inoxidables, así como algunos otros grupos. El aluminio, el cobre y el titanio no contienen hierro, por lo que son excelentes ejemplos de aleaciones no ferrosas.
Los componentes principales de esta aleación son acero al carbono con un contenido de hierro de al menos el 90 % y acero inoxidable con un contenido de hierro de entre el 70 % y el 80 %. Para clasificarse como acero inoxidable, debe tener al menos un 11,5 % de cromo añadido. Los niveles de cromo superiores a este umbral mínimo promueven la formación de una película de óxido de cromo en las superficies del acero y previenen la formación de oxidaciones como la herrumbre (óxido de hierro) o la corrosión por ataque químico.
El acero inoxidable se divide principalmente en tres grupos: austenítico, ferrítico y martensítico. Su nombre proviene de la estructura cristalina que lo compone a temperatura ambiente. Otro grupo común es el acero inoxidable dúplex, cuya estructura cristalina presenta un equilibrio entre la ferrita y la austenita.
Los grados austeníticos de la serie 300 contienen entre un 16 % y un 30 % de cromo y entre un 8 % y un 40 % de níquel, formando una estructura cristalina predominantemente austenítica. Durante el proceso de fabricación del acero, se añaden estabilizadores como níquel, carbono, manganeso y nitrógeno para contribuir a la formación de la relación austenita-ferrita. Algunos grados comunes son el 304, el 316 y el 347. Ofrecen buena resistencia a la corrosión; se utilizan principalmente en las industrias alimentaria, química, farmacéutica y criogénica. El control de la formación de ferrita proporciona una excelente tenacidad a bajas temperaturas.
El acero inoxidable ferrítico es un grado de la serie 400 totalmente magnético, con un contenido de cromo entre el 11,5 % y el 30 % y una estructura cristalina predominantemente ferrítica. Para promover la formación de ferrita, se utilizan estabilizadores como cromo, silicio, molibdeno y niobio durante la producción de acero. Estos tipos de acero inoxidable se utilizan comúnmente en sistemas de escape y sistemas de propulsión de automóviles, y tienen aplicaciones limitadas a altas temperaturas. Varios tipos comunes son: 405, 409, 430 y 446.
Los grados martensíticos, también conocidos como la serie 400, como el 403, el 410 y el 440, son magnéticos, contienen entre un 11,5 % y un 18 % de cromo y presentan una estructura cristalina martensítica. Esta combinación presenta el menor contenido de oro, lo que la hace más económica de producir. Ofrecen cierta resistencia a la corrosión, una resistencia superior y se utilizan comúnmente en vajillas, equipos dentales y quirúrgicos, utensilios de cocina y algunos tipos de herramientas.
Al soldar acero inoxidable, el tipo de sustrato y su aplicación determinarán el metal de aportación adecuado. Si utiliza un proceso con gas de protección, deberá prestar especial atención a las mezclas de gases de protección para evitar ciertos problemas de soldadura.
Para soldar el acero 304 a sí mismo, se necesita un electrodo E308/308L. "L" significa bajo contenido de carbono, lo que ayuda a prevenir la corrosión intergranular. El contenido de carbono de estos electrodos es inferior al 0,03 %; cuando se supera este valor, aumenta el riesgo de deposición de carbono en los límites de grano y la formación de carburos de cromo, lo que reduce la resistencia a la corrosión del acero. Esto se hace evidente si se produce corrosión en la zona afectada por el calor (ZAC) de las soldaduras de acero inoxidable. Otra consideración para el acero inoxidable de grado L es que presenta una menor resistencia a la tracción a temperaturas de funcionamiento elevadas que los grados de acero inoxidable rectos.
Dado que el 304 es un tipo de acero inoxidable austenítico, el metal de soldadura correspondiente contendrá la mayor parte de la austenita. Sin embargo, el propio electrodo contendrá un estabilizador de ferrita, como el molibdeno, para promover la formación de ferrita en el metal de soldadura. Los fabricantes suelen indicar un rango típico de cantidad de ferrita para un metal de soldadura. Como se mencionó anteriormente, el carbono es un potente estabilizador austenítico y, por estas razones, es esencial evitar su adición al metal de soldadura.
Los números de ferrita se derivan de las cartas de Scheffler y WRC-1992, que utilizan fórmulas equivalentes de níquel y cromo para calcular el valor que, al graficarse en la carta, proporciona un número normalizado. Un número de ferrita entre 0 y 7 corresponde al porcentaje en volumen de la estructura cristalina ferrítica presente en el metal de soldadura; sin embargo, a porcentajes mayores, el número de ferrita aumenta más rápidamente. Cabe recordar que la ferrita en el acero inoxidable no es lo mismo que la ferrita del acero al carbono, sino una fase denominada ferrita delta. El acero inoxidable austenítico no sufre transformaciones de fase asociadas con procesos de alta temperatura, como el tratamiento térmico.
La formación de ferrita es deseable debido a su mayor dúctilidad que la austenita, pero debe controlarse. El bajo contenido de ferrita puede proporcionar a las soldaduras una excelente resistencia a la corrosión en algunas aplicaciones, pero son extremadamente propensas a la fisuración en caliente durante la soldadura. En condiciones generales de uso, el número de ferritas debe estar entre 5 y 10, aunque algunas aplicaciones pueden requerir valores inferiores o superiores. Las ferritas se pueden comprobar fácilmente en el lugar de trabajo con un indicador de ferrita.
Dado que mencionaste que tienes problemas de agrietamiento y baja ferrita, deberías revisar detenidamente tu metal de aporte y asegurarte de que produzca suficiente ferrita; alrededor de 8 debería ser suficiente. Además, si utilizas soldadura por arco con núcleo fundente (FCAW), estos metales de aporte suelen usar un gas de protección compuesto por 100 % de dióxido de carbono o una mezcla de 75 % de argón y 25 % de CO2, lo que puede provocar que el metal de soldadura absorba carbono. Puedes cambiar al proceso de soldadura por arco metálico (GMAW) y usar una mezcla de 98 % de argón y 2 % de oxígeno para reducir la posibilidad de depósitos de carbono.
Al soldar acero inoxidable con acero al carbono, se debe utilizar material de aporte E309L. Este metal de aporte se utiliza especialmente para la soldadura de metales diferentes y forma cierta cantidad de ferrita tras la disolución del acero al carbono en la soldadura. Dado que el acero al carbono absorbe algo de carbono, se añaden estabilizadores de ferrita al metal de aporte para contrarrestar la tendencia del carbono a formar austenita. Esto ayuda a prevenir el agrietamiento térmico durante la soldadura.
Por lo tanto, si desea reparar grietas por calor en soldaduras de acero inoxidable austenítico, verifique la consistencia del metal de aporte de ferrita y siga las mejores prácticas de soldadura. Mantenga la entrada de calor por debajo de 50 kJ/pulgada, mantenga temperaturas entre pasadas moderadas a bajas y asegúrese de que las juntas de soldadura estén limpias antes de soldar. Utilice el calibre adecuado para verificar la cantidad de ferrita en la soldadura, concentrándose en un rango de 5 a 10.
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