P: Recientemente hemos comenzado a realizar trabajos que requieren que algunos componentes estén fabricados principalmente de acero inoxidable de grado 304, el cual se suelda a sí mismo y a acero dulce. Hemos experimentado algunos problemas de agrietamiento en soldaduras de acero inoxidable con acero inoxidable de hasta 1,25 pulgadas de espesor. Se mencionó que tenemos bajos niveles de ferrita. ¿Podría explicar qué es esto y cómo solucionarlo?
R: Esta es una buena pregunta. Sí, podemos ayudarle a comprender qué significa un bajo nivel de ferrita y cómo prevenirlo.
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 un 90 % de hierro y acero inoxidable con entre un 70 y un 80 % de hierro. Para ser clasificado como acero inoxidable, debe contener al menos un 11,5 % de cromo. Los niveles de cromo superiores a este umbral mínimo favorecen la formación de películas de óxido de cromo en las superficies del acero y previenen la oxidación, como la corrosión (óxido de hierro), o la corrosión causada por ataques químicos.
El acero inoxidable 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 acero inoxidable dúplex, que es un equilibrio entre la ferrita y la austenita en su estructura cristalina.
Los aceros 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. Para promover la formación de la proporción austenita-ferrita, se añaden estabilizadores como níquel, carbono, manganeso y nitrógeno durante el proceso de fabricación del acero. Algunos grados comunes son el 304, el 316 y el 347. Ofrecen buena resistencia a la corrosión; se utilizan principalmente en aplicaciones alimentarias, químicas, farmacéuticas y criogénicas. El control de la formación de ferrita proporciona una excelente tenacidad a bajas temperaturas.
El acero inoxidable ferrítico (SS) pertenece a la serie 400, es totalmente magnético, contiene entre un 11,5 % y un 30 % de cromo y presenta una estructura cristalina predominantemente ferrítica. Para favorecer la formación de ferrita, se utilizan estabilizadores como cromo, silicio, molibdeno y niobio durante la producción del acero. Este tipo de acero inoxidable se utiliza comúnmente en sistemas de escape de automóviles y centrales eléctricas, y tiene aplicaciones limitadas a altas temperaturas. Algunos de los tipos más utilizados son el 405, el 409, el 430 y el 446.
Las aleaciones martensíticas, también identificadas por la serie 400, como la 403, la 410 y la 440, son magnéticas, contienen entre un 11,5 % y un 18 % de cromo y tienen la martensita como estructura cristalina. Esta combinación presenta el menor contenido de oro, lo que las convierte en las menos costosas de producir. Ofrecen cierta resistencia a la corrosión, una excelente resistencia mecánica 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 determinarán el metal de aporte adecuado. Si utiliza un proceso de protección con gas, es posible que deba prestar especial atención a las mezclas de gas de protección para prevenir ciertos problemas relacionados con la soldadura.
Para soldar el acero inoxidable 304 consigo 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 superior aumenta el riesgo de que el carbono precipite en los límites de grano y se combine con el cromo para formar 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 uniones soldadas de acero inoxidable. Otra consideración para el acero inoxidable de grado L es que tiene una menor resistencia a la tracción a temperaturas de servicio elevadas que los grados de acero inoxidable directos.
Dado que el acero inoxidable 304 es un tipo austenítico, el metal de soldadura correspondiente contendrá la mayor parte de la austenita. Sin embargo, el electrodo en sí 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 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 al representarse en el diagrama produce un número normalizado. El número de ferrita entre 0 y 7 corresponde al porcentaje en 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 el acero inoxidable no es la misma que la ferrita del acero al carbono, sino una fase llamada ferrita delta. El acero inoxidable 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. Un bajo contenido de ferrita puede producir soldaduras con excelente resistencia a la corrosión en algunas aplicaciones, pero son extremadamente propensas a agrietarse en caliente durante la soldadura. Para condiciones de uso generales, el contenido de ferrita debe estar entre 5 y 10, pero para algunas aplicaciones pueden ser necesarios valores más bajos o más altos. La ferrita se puede verificar fácilmente en el trabajo utilizando un indicador de ferrita.
Dado que mencionaste que tienes problemas de agrietamiento y un bajo contenido de ferrita, debes examinar detenidamente tu metal de aporte y asegurarte de que produzca suficiente ferrita; alrededor de 8 debería ser suficiente. Además, si estás utilizando soldadura por arco con núcleo fundente (FCAW), estos metales de aporte suelen usar un gas de protección de dióxido de carbono al 100% o una mezcla de argón al 75% y CO2 al 25%, lo que puede causar la absorción de carbono en el metal de soldadura. Quizás te convenga cambiar a un proceso de soldadura por arco metálico con gas (GMAW) y usar una mezcla de argón al 98% y oxígeno al 2% para reducir la posibilidad de absorción de carbono.
Para soldar acero inoxidable con acero al carbono, se debe utilizar material de aporte E309L. Este metal de aporte se utiliza especialmente para soldar metales diferentes y forma cierta cantidad de ferrita después de que el acero al carbono se disuelve en la soldadura. Dado que el acero al carbono absorbe parte del carbono, se añaden estabilizadores de ferrita al metal de aporte para contrarrestar la tendencia del carbono a formar austenita. Esto ayudará a prevenir el agrietamiento térmico en las aplicaciones de soldadura.
En resumen, si desea eliminar las grietas en caliente en las uniones soldadas de acero inoxidable austenítico, verifique que haya suficiente metal de aporte de ferrita y siga buenas prácticas de soldadura. Mantenga el aporte de calor por debajo de 50 kJ/pulgada, mantenga temperaturas entre pasadas moderadas a bajas y asegúrese de que las uniones soldadas estén libres de cualquier contaminación antes de soldar. Utilice un calibre apropiado para verificar la cantidad de ferrita en la unión soldada, apuntando a 5 a 10.
WELDER, anteriormente conocida como Practical Welding Today, presenta a las personas reales que fabrican los productos que usamos y con los que trabajamos a diario. Esta revista ha estado al servicio de la comunidad de soldadores en Norteamérica durante más de 20 años.
Ahora, con acceso completo a la edición digital de The FABRICATOR, tendrá fácil acceso a valiosos recursos de la industria.
La edición digital de The Tube & Pipe Journal ya está disponible en su totalidad, lo que facilita el acceso a valiosos recursos del sector.
Disfrute de acceso completo a la edición digital de STAMPING Journal, que ofrece los últimos avances tecnológicos, las mejores prácticas y las noticias del sector del estampado de metales.
Ahora, con acceso completo a la edición digital de The Fabricator en Español, tendrá fácil acceso a valiosos recursos de la industria.