P: Recientemente hemos comenzado a realizar trabajos que requieren que algunos componentes se fabriquen principalmente con acero inoxidable 304, el cual se suelda a sí mismo y a acero dulce. Hemos experimentado problemas de agrietamiento en las soldaduras entre acero inoxidable de hasta 3,17 cm de espesor. Se mencionó que tenemos bajos niveles de ferrita. ¿Podría explicarnos qué es y cómo solucionarlo?
R: Esa es una buena pregunta. Sí, podemos ayudarle a comprender qué significa un nivel bajo de ferrita y cómo prevenirlo.
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 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 del 70 al 80 %. 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 una película de óxido de cromo en las superficies del acero y previenen la oxidación, como la corrosión por óxido de hierro, o la corrosión química.
El acero inoxidable se divide principalmente en tres grupos: austenítico, ferrítico y martensítico. Su nombre proviene de la estructura cristalina que presentan a temperatura ambiente. Otro grupo común es el acero inoxidable dúplex, que se caracteriza por un equilibrio entre ferrita y 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. Durante el proceso de fabricación del acero, se añaden estabilizadores como níquel, carbono, manganeso y nitrógeno para favorecer la formación de la relación austenita-ferrita. Algunos grados comunes son el 304, el 316 y el 347. Ofrecen una buena resistencia a la corrosión y 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 (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 su producción. Este tipo de acero inoxidable se emplea comúnmente en sistemas de escape y transmisiones de automóviles, y su uso a altas temperaturas es limitado. Algunos tipos de uso común 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 poseen una estructura cristalina martensítica. Esta combinación presenta el menor contenido de oro, lo que los convierte en los más económicos de producir. Ofrecen cierta resistencia a la corrosión, una resistencia superior y se utilizan comúnmente en vajillas, instrumental dental y quirúrgico, utensilios de cocina y algunos tipos de herramientas.
Al soldar acero inoxidable, el tipo de material base y su aplicación determinarán el material de aporte adecuado. Si se utiliza un proceso con gas de protección, es necesario prestar especial atención a la composición del gas para prevenir ciertos problemas asociados 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. El contenido de carbono de estos electrodos es inferior al 0,03 %; si se supera este valor, aumenta el riesgo de deposición de carbono en los límites de grano y de unión del 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 soldaduras de acero inoxidable. Otra consideración para el acero inoxidable de grado L es que tiene una menor resistencia a la tracción a temperaturas de funcionamiento elevadas que los grados de acero inoxidable estándar.
Dado que el acero inoxidable 304 es austenítico, el metal de soldadura correspondiente contendrá principalmente austenita. Sin embargo, el electrodo en sí contendrá un estabilizador de ferrita, como el molibdeno, para favorecer la formación de ferrita en el metal de soldadura. Los fabricantes suelen indicar un rango típico para la cantidad de ferrita en el metal de soldadura. Como se mencionó anteriormente, el carbono es un potente estabilizador austenítico y, por estas razones, es fundamental evitar su incorporación al metal de soldadura.
Los números de ferrita se derivan de la tabla de Scheffler y la tabla WRC-1992, que utilizan fórmulas equivalentes de níquel y cromo para calcular el valor que, al representarse en la tabla, da como resultado un número normalizado. Un número de ferrita entre 0 y 7 corresponde al porcentaje en volumen de estructura cristalina ferrítica presente en el metal de soldadura; sin embargo, a porcentajes más altos, el número de ferrita aumenta más rápidamente. Cabe recordar que la ferrita en el acero inoxidable no es la misma que la ferrita del acero al carbono, sino una fase denominada ferrita delta. El acero inoxidable austenítico no experimenta transformaciones de fase asociadas a procesos de alta temperatura, como el tratamiento térmico.
La formación de ferrita es deseable por su mayor ductilidad en comparación con la austenita, pero debe controlarse. Un bajo contenido de ferrita puede proporcionar soldaduras con excelente resistencia a la corrosión en algunas aplicaciones, pero son extremadamente propensas a agrietarse en caliente durante la soldadura. Para uso general, el número de ferritas debe estar entre 5 y 10, aunque algunas aplicaciones pueden requerir valores menores o mayores. La ferrita se puede comprobar fácilmente en el lugar de trabajo con un indicador de ferrita.
Dado que mencionaste problemas de agrietamiento y baja ferrita, deberías revisar cuidadosamente tu material 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 materiales 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 provocar que el metal de soldadura absorba carbono. Puedes cambiar al proceso de soldadura por arco metálico (GMAW) y usar una mezcla de argón al 98% y oxígeno al 2% para reducir la posibilidad de depósitos de carbono.
Al soldar acero inoxidable con acero al carbono, se debe utilizar el material de aporte E309L. Este metal de aporte se utiliza especialmente para la soldadura de metales disímiles, ya que forma cierta cantidad de ferrita tras la disolución del acero al carbono en la soldadura. Debido a 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 ayuda a prevenir el agrietamiento térmico durante la soldadura.
En conclusión, si desea reparar grietas en caliente en soldaduras de acero inoxidable austenítico, verifique que haya suficiente material de aporte de ferrita y siga buenas prácticas de soldadura. Mantenga el aporte térmico por debajo de 50 kJ/pulg², mantenga temperaturas entre pasadas moderadas a bajas y asegúrese de que las juntas de soldadura estén limpias antes de soldar. Utilice un calibre adecuado para verificar la cantidad de ferrita en la soldadura, buscando un valor entre 5 y 10.
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