P: Recientemente comenzamos a realizar algunos trabajos que requieren que algunos componentes estén hechos principalmente de acero inoxidable de grado 304, que se suelda a sí mismo y al acero dulce. Hemos experimentado algunos problemas de agrietamiento en soldaduras de acero inoxidable a acero inoxidable de hasta 1,25″ de espesor. Se mencionó que tenemos recuentos bajos de ferrita. ¿Puede explicar qué es esto y cómo solucionarlo?
R: Esta es una buena pregunta. Sí, podemos ayudarlo a comprender qué significan los recuentos bajos de ferrita y cómo prevenirlos.
Primero, revisemos 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 y otros grupos definidos. 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 al menos 90% de hierro y SS con 70 a 80% de hierro. Para ser clasificado como SS, debe tener al menos 11,5% de cromo agregado. Los niveles de cromo por encima de este umbral mínimo promueven la formación de películas de óxido de cromo en las superficies de acero y previenen la formación de oxidación como óxido (óxido de hierro) o corrosión causada por ataque químico.
El SS se divide principalmente en tres grupos: austenita, ferrita y martensita. Su nombre proviene de la estructura cristalina a temperatura ambiente que los compone. Otro grupo común es el SS dúplex, que es un equilibrio entre ferrita y austenita en la estructura cristalina.
Los grados austeníticos, 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. Para promover la formación de la relación austenita-ferrita, se agregan estabilizadores como níquel, carbono, manganeso y nitrógeno durante el proceso de fabricación del acero. Algunos grados comunes son 304, 316 y 347. Ofrece buena resistencia a la corrosión; se utiliza principalmente en aplicaciones alimentarias, de servicios químicos, farmacéuticas y criogénicas. El control de la formación de ferrita proporciona una excelente tenacidad a baja temperatura.
El acero inoxidable ferrítico es un grado de la serie 400 que es totalmente magnético, contiene entre un 11,5 % y un 30 % de cromo y tiene una estructura cristalina predominantemente ferrítica. Para promover la formación de ferrita, los estabilizadores incluyen cromo, silicio, molibdeno y niobio durante la producción de acero. Estos tipos de acero inoxidable se utilizan comúnmente en sistemas de escape de automóviles y plantas de energía y tienen aplicaciones limitadas de alta temperatura. Varios tipos comúnmente utilizados son 405, 409, 430 y 446.
Los grados martensíticos, también identificados con la serie 400 como 403, 410 y 440, son magnéticos, contienen entre 11,5% y 18% de cromo y tienen martensita como estructura cristalina. Esta combinación tiene el menor contenido de oro, lo que los hace menos costosos de producir. Proporcionan cierta resistencia a la corrosión, excelente resistencia y se utilizan comúnmente en vajillas, equipos dentales y quirúrgicos, utensilios de cocina y ciertos tipos de herramientas.
Al soldar acero inoxidable, el tipo de sustrato y su aplicación en servicio determinarán el metal de relleno adecuado a utilizar. Si utiliza un proceso de protección con gas, es posible que deba prestar especial atención a las mezclas de gases de protección para evitar ciertos problemas relacionados con la soldadura.
Para soldar el 304 a sí mismo, necesitará un electrodo E308/308L. La "L" significa bajo contenido de carbono, lo que ayuda a prevenir la corrosión intergranular. Estos electrodos tienen un contenido de carbono inferior al 0,03 %; cualquier valor por encima de este aumenta el riesgo de que el carbono se precipite en los límites de grano y se combine con el cromo para formar carburos de cromo, lo que reduce efectivamente la resistencia a la corrosión del acero. Esto se hace evidente si la corrosión se produce en la zona afectada por el calor (ZAT) de las uniones soldadas de acero inoxidable. Otra consideración para el acero inoxidable de grado L es que tienen una menor resistencia a la tracción a temperaturas de servicio elevadas que los grados de acero inoxidable directo.
Dado que 304 es un tipo austenítico de acero inoxidable, el metal de soldadura correspondiente contendrá la mayor parte de la austenita. Sin embargo, el electrodo en sí contendrá un estabilizador de ferrita, como molibdeno, para promover la formación de ferrita en el metal de soldadura. Los fabricantes generalmente enumeran un rango típico de cantidades de ferrita para el metal de soldadura. Como se mencionó anteriormente, el carbono es un fuerte estabilizador austenítico y, por estas razones, es fundamental evitar que se agregue al metal de soldadura.
Los números de ferrita se derivan del diagrama de Schaeffler y del diagrama WRC-1992, que utilizan fórmulas equivalentes de níquel y cromo para calcular el valor, que cuando se traza en el diagrama produce un número normalizado. El número de ferrita entre 0 y 7 corresponde al porcentaje de volumen de la estructura cristalina de ferrita presente en el metal de soldadura; sin embargo, a porcentajes más altos, el número de ferrita aumenta a un ritmo más rápido. Recuerde que la ferrita en SS no es lo mismo que la ferrita de acero al carbono, sino una fase llamada ferrita delta. El SS austenítico no tiene transformaciones de fase asociadas con procesos de alta temperatura como el tratamiento térmico.
La formación de ferrita es deseable porque es más dúctil que la austenita, pero debe controlarse. Los recuentos bajos de ferrita pueden producir soldaduras con excelente resistencia a la corrosión en algunas aplicaciones, pero son extremadamente propensos al agrietamiento en caliente durante la soldadura. Para condiciones de uso generales, el recuento de ferrita debe estar entre 5 y 10, pero para algunas aplicaciones pueden requerirse valores más bajos o más altos. Las ferritas se pueden verificar fácilmente en el trabajo utilizando un indicador de ferrita.
Dado que mencionó que tiene problemas de agrietamiento y un bajo conteo de ferrita, debe examinar de cerca su metal de relleno y asegurarse de que produzca suficiente conteo de ferrita: alrededor de 8 debería ayudar. Además, si está utilizando soldadura por arco con núcleo de fundente (FCAW), estos metales de relleno generalmente usan un gas de protección de dióxido de carbono al 100% o una mezcla de 75% de argón/25% de CO2, lo que puede causar absorción de carbono en el metal de soldadura. Es posible que desee cambiar a un proceso de soldadura por arco metálico con gas (GMAW) y usar una mezcla de 98% de argón/2% de oxígeno para reducir la posibilidad de absorción de carbono.
Para soldar SS al acero al carbono, se debe utilizar material de relleno E309L. Este metal de relleno se utiliza especialmente para soldar metales diferentes y forma una cierta cantidad de ferrita después de que el acero al carbono se diluye en la soldadura. Dado que algo de carbono se absorbe en el acero al carbono, se agregan estabilizadores de ferrita al metal de relleno para contrarrestar la tendencia del carbono a formar austenita. Esto ayudará a prevenir el agrietamiento térmico en aplicaciones de soldadura.
En resumen, si desea eliminar grietas calientes en las uniones soldadas de acero inoxidable austenítico, verifique que el metal de relleno de ferrita sea adecuado y siga las buenas 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 uniones de soldadura estén libres de cualquier contaminación antes de soldar. Utilice un calibre apropiado para verificar la cantidad de ferrita en la unión soldada, apuntando a entre 5 y 10.
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