El efecto de cuatro tipos de acero inoxidable y elementos de aleación.
Hay cuatro tipos de acero inoxidable: austenítico, martensítico, ferrítico y acero inoxidable dúplex (como se muestra en la Tabla 1).
Tabla 1 Tipos de acero inoxidable y su contenido en elementos Cr y Ni
| Tipos | CR/% | Ni/% | Nota |
|---|---|---|---|
| austenita | 16-30 | 8-40 | 200.300 |
| martensita | 11-18 | 0-5 | 403.410.416.420 |
| Ferrito | 11-30 | 0-4 | 405.409.430.422.446 |
| Dúplex | 18-28 | 4-8 | 2205 |
Esto se basa en la estructura metalográfica del acero inoxidable a temperatura ambiente. Cuando el acero al carbono se calienta a 1550 °F, su estructura se transforma de una fase de ferrita a una fase de austenita. Después del enfriamiento, la estructura de acero con bajo contenido de carbono vuelve a convertirse en ferrita.
La estructura de austenita a altas temperaturas no es magnética y tiene menor resistencia pero mejor tenacidad en comparación con la estructura de ferrita a temperatura ambiente.
Si el contenido de cromo (Cr) en el acero es superior al 16%, la estructura de ferrita a temperatura ambiente se estabiliza, lo que hace que el acero permanezca en estado de ferrita en todos los rangos de temperatura. Este tipo de acero se denomina acero inoxidable ferrítico.
Si el contenido de Cr es superior al 17% y el contenido de níquel (Ni) es superior al 7%, la fase austenita se estabiliza, permitiendo que el acero permanezca en estado austenita desde bajas temperaturas hasta cerca de su punto de fusión. Este tipo de acero se llama acero inoxidable austenítico y generalmente se le conoce como tipo “Cr-Ni”. Los aceros inoxidables martensíticos y ferríticos se denominan tipo “Cr”.
Los elementos de acero inoxidable y metales de aportación se pueden clasificar como formadores de austenita o formadores de ferrita. Los elementos formadores de austenita más importantes son el Ni, el carbono (C), el manganeso (Mn) y el nitrógeno (N), mientras que los principales elementos formadores de ferrita son el Cr, el silicio (Si), el molibdeno (Mo) y el niobio (Nb). El contenido del elemento se puede ajustar para controlar el contenido de ferrita en la soldadura.
El acero inoxidable austenítico es más fácil de soldar y tiene mejor calidad de soldadura en comparación con el acero inoxidable con menos del 5% de Ni. Las uniones soldadas de acero inoxidable austenítico exhiben buena resistencia y tenacidad y normalmente no requieren precalentamiento ni tratamiento térmico posterior a la soldadura.
En el campo de la soldadura de acero inoxidable, el acero inoxidable austenítico representa el 80% de la cantidad total de acero inoxidable utilizado, por lo que este artículo se centrará en la soldadura de acero inoxidable austenítico.
¿Cómo elegir los materiales adecuados para soldar acero inoxidable?
Al soldar el mismo material base, es importante hacer coincidir el material base con el material de soldadura. Por ejemplo, al soldar acero inoxidable 310 o 316, debe utilizar el material de soldadura correspondiente.
En el caso de materiales disímiles, se recomienda elegir un metal base con un alto contenido de elementos de aleación. Por ejemplo, al soldar acero inoxidable 304 y 316, debe elegir consumibles de soldadura tipo 316.
Sin embargo, existen excepciones al principio de coincidencia del material base. En estos casos es importante consultar una tabla de selección de materiales de soldadura. Por ejemplo, aunque el acero inoxidable tipo 304 es un material base común, no hay ningún electrodo 304 disponible.
Si desea hacer coincidir el material de soldadura con el material base, ¿cómo elegir el material de soldadura para soldar acero inoxidable 304?
Al soldar acero inoxidable 304, se recomienda utilizar material de soldadura tipo 308, ya que los elementos adicionales de acero inoxidable 308 pueden estabilizar eficazmente el área de soldadura. 308L también es una alternativa aceptable. La “L” en 308L significa bajo contenido de carbono, con un contenido de carbono del 0,03 % o menos. En comparación, el acero inoxidable 308 estándar puede contener hasta un 0,08% de carbono.
Los materiales de soldadura tipo L, como el 308L, pertenecen al mismo tipo que los materiales de soldadura que no son de tipo L, pero tienen la ventaja de un menor contenido de carbono, lo que reduce el riesgo de corrosión intergranular (Figura 1).
Se cree que el uso de consumibles de soldadura tipo L aumentará a medida que los fabricantes busquen mejorar la calidad de sus productos.
Figura 1 El uso de materiales de soldadura en forma de L puede reducir la tendencia a la corrosión intergranular
Los fabricantes que utilizan el método de soldadura GMAW pueden considerar el uso de materiales de soldadura tipo 3XXSi, ya que la adición de silicio (Si) puede mejorar la humectabilidad (Figura 2).
En situaciones donde la pieza soldada tiene un gran abultamiento o el baño de soldadura está mal conectado en la punta de la soldadura de filete o de superposición, el uso de alambre de soldadura protegido con gas que contiene Si puede mejorar la humectabilidad y aumentar la tasa de deposición.
En la soldadura GMAW, para mejorar la humectabilidad del material de soldadura, se puede utilizar un alambre de soldadura que contenga Si, como 308L Si o 316L Si (Figura 2).
Al considerar la precipitación de carburo, se puede elegir como solución un material de soldadura tipo 347 con una pequeña cantidad de niobio (Nb).
¿Cómo soldar acero inoxidable y acero al carbono?
Para reducir costos, a algunas piezas estructurales se les puede agregar una capa resistente a la corrosión a su superficie soldando acero al carbono.
Al soldar aleaciones base sin elementos de aleación y aleaciones base con elementos de aleación, se utiliza una aleación de soldadura con un mayor contenido de aleación para equilibrar la tasa de dilución en la soldadura.
Al soldar acero al carbono con acero inoxidable 304 o 316, así como con otros aceros inoxidables diferentes (Tabla 2), se utilizan comúnmente consumibles de soldadura 309L. Si se desea un mayor contenido de cromo (Cr), se utiliza el tipo 312.
Tabla 2 Los aceros inoxidables de alta aleación 309L y 312 son adecuados para soldar acero inoxidable y acero al carbono.
| No | Sí | W. | Minnesota | cr | FN CMR-92 | norte | Mes | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 309L | 13.4 | 0,4 | 0,02 | 1.8 | 23.2 | 10 | 0,05 | 0.1 |
| 312 | 8.8 | 0,4 | 0.1 | 1.6 | 30,7 |
Es importante señalar que la tasa de expansión térmica del acero inoxidable austenítico es un 50% mayor que la del acero al carbono.
Durante la soldadura, la diferencia en la tasa de expansión térmica puede provocar tensiones internas y grietas.
Para mitigar este problema, es necesario seleccionar el material de soldadura adecuado o especificar el proceso de soldadura adecuado (Figura 3).
La Figura 3 resalta la necesidad de una mayor compensación al soldar acero al carbono y acero inoxidable debido a la deformación por alabeo causada por sus diferentes tasas de expansión térmica.
¿Qué es una operación adecuada de limpieza previa a la soldadura?
Al soldar otros materiales, es fundamental limpiar primero la zona con un disolvente sin cloruros para eliminar aceite, marcas y polvo. Una de las principales consideraciones al soldar acero inoxidable es evitar la contaminación por acero al carbono, que puede comprometer la resistencia a la corrosión. Para evitar la contaminación cruzada, algunas empresas almacenan el acero inoxidable y el acero al carbono por separado.
Al limpiar el área alrededor de la ranura, utilice papel de lija especial y un cepillo diseñado específicamente para acero inoxidable. En algunos casos, puede ser necesaria una limpieza secundaria de la junta. Debido a que la compensación de electrodos es más desafiante cuando se suelda acero inoxidable en comparación con acero al carbono, la limpieza adecuada de las juntas es crucial.
¿Cuál es la operación correcta de limpieza post-soldadura? ¿Por qué se oxidan las piezas soldadas de acero inoxidable?
Para empezar, es importante destacar que el acero inoxidable no se oxida debido a la capa protectora de óxido que se forma por la reacción entre el cromo (Cr) y el oxígeno (O).
Sin embargo, el acero inoxidable puede oxidarse como resultado de la precipitación de carburo y el calentamiento durante el proceso de soldadura, lo que lleva a la formación de óxidos de hierro en la superficie de soldadura. Además, una soldadura aparentemente perfecta puede provocar cortes en zonas oxidadas en los bordes de la zona afectada por el calor de la soldadura en un plazo de 24 horas.
Para regenerar nuevos óxidos de cromo y prevenir la oxidación, es necesario pulir, decapar, lijar o frotar el acero inoxidable después de soldarlo. Es importante destacar que la lija y el cepillo utilizados deben ser específicos para acero inoxidable.
¿Por qué el alambre de soldadura de acero inoxidable es magnético?
El acero inoxidable austenítico es de naturaleza no magnética. Sin embargo, las altas temperaturas durante la soldadura pueden provocar el crecimiento de granos en la estructura, lo que provoca un aumento de la sensibilidad al agrietamiento después de la soldadura.
Para mitigar la susceptibilidad al agrietamiento en caliente, los fabricantes de materiales de soldadura agregan elementos formadores de ferrita al material de soldadura (Figura 4). La presencia de la fase ferrita ayuda a refinar los granos de austenita, aumentando así la resistencia al agrietamiento.
La Figura 4 ilustra el uso de ferrita para prevenir el agrietamiento en caliente en materiales de soldadura austeníticos. La mayoría de los materiales de soldadura austeníticos contienen una pequeña cantidad de ferrita, como se puede observar en la imagen del consumible de soldadura 309L, donde la fase de ferrita (parte gris) se encuentra distribuida por toda la matriz de austenita.
El metal de soldadura austenítico no es atraído por un imán, pero se siente una ligera fuerza de succión cuando se acerca un imán. Sin embargo, esto ha llevado a algunos usuarios a creer erróneamente que el producto estaba etiquetado incorrectamente o que se utilizó el material de soldadura incorrecto, particularmente cuando falta la etiqueta en el embalaje.
La cantidad de ferrita en el consumible depende de la temperatura de servicio de la aplicación. Por ejemplo, una cantidad excesiva de ferrita puede reducir la tenacidad a bajas temperaturas. Esta es la razón por la que el número de ferrita de los materiales de soldadura tipo 308 utilizados para tuberías de GNL está entre 3 y 6, mientras que el número de ferrita de los materiales de soldadura estándar tipo 308 es 8.
En conclusión, aunque los consumibles puedan parecer similares, pequeñas diferencias en su composición pueden tener un impacto significativo.
¿Cómo soldar acero inoxidable dúplex más fácilmente?
Normalmente, la estructura de acero inoxidable dúplex se compone de aproximadamente un 50 % de fase de austenita y un 50 % de fase de ferrita. La fase de ferrita contribuye a mejorar la resistencia a la corrosión bajo tensión, mientras que la fase de austenita aumenta la tenacidad. La combinación de estas dos fases da como resultado un rendimiento aún mejor para el acero inoxidable dúplex (Figura 5).
La gama de acero inoxidable dúplex es bastante amplia, siendo el 2205 el tipo más común. 2205 contiene 22% de cromo, 5% de níquel, 3% de molibdeno y 0,15% de nitrógeno.
Figura 5 El acero inoxidable dúplex combina las ventajas de la ferrita y la austenita.
La imagen muestra la estructura de soldadura bifásica de la fase austenita (parte blanca) distribuida en la matriz de ferrita. Sin embargo, cantidades excesivas de ferrita pueden plantear desafíos al soldar aceros inoxidables dúplex, ya que el calor del arco puede hacer que los átomos de la matriz de ferrita se reorganicen.
Para resolver este problema, los consumibles de soldadura deben proporcionar más elementos formadores de austenita, que generalmente tienen un contenido de níquel entre un 2 y un 4% mayor que el metal base. Por ejemplo, el alambre con núcleo fundente utilizado para soldar acero inoxidable 2205 contiene 8,85% de níquel. Después de soldar, el contenido de ferrita en la soldadura suele estar entre el 25 y el 55 % (y puede ser incluso mayor).
Es importante señalar que la velocidad de enfriamiento después de la soldadura debe ser lo suficientemente lenta como para permitir que la austenita se reforme, pero no demasiado lenta ya que esto puede resultar en la precipitación de la fase intermetálica. Asimismo, un enfriamiento demasiado rápido puede provocar un exceso de ferrita en la zona afectada por el calor.
Para garantizar los mejores resultados, siga siempre el procedimiento de soldadura y el manual de selección del material de soldadura proporcionado por el fabricante.
¿Cómo controlar la precipitación de carburos en acero inoxidable austenítico?
A temperaturas entre 800 y 1600 °F, si el contenido de carbono excede el 0,02 %, el carbono (C) se difundirá y migrará a los límites de grano de la austenita y reaccionará con el cromo (Cr) para formar carburos de cromo.
Si el carbono fija demasiado cromo, la resistencia a la corrosión disminuirá, lo que provocará corrosión intergranular si se expone a un ambiente corrosivo. Esta corrosión resultará en erosión en los límites de los granos (Figura 6).
La Figura 6 ilustra la corrosión intergranular que se produjo en la zona afectada por el calor de soldadura de un tanque de agua lleno de medio corrosivo. Para reducir la probabilidad de precipitación de carburo y mejorar la resistencia a la corrosión, se pueden utilizar materiales de soldadura con bajo contenido de carbono o aleaciones especiales.
Para controlar la precipitación de carburo, se emplea un material de soldadura con bajo contenido de carbono para garantizar que el contenido de carbono en el metal de soldadura sea lo más bajo posible, hasta 0,04%. Además, la adición de elementos Nb y Ti también puede fijar carbono, ya que estos elementos tienen una mayor afinidad por el carbono que el cromo. Los consumibles tipo 347 están diseñados específicamente para este propósito.
¿Cómo prepararse para la selección de materiales de soldadura?
Para seleccionar el material de soldadura de acero inoxidable apropiado, es importante recopilar información sobre la aplicación de soldadura final. Esto incluye detalles sobre el entorno de servicio, como la temperatura de servicio, la presencia de un medio corrosivo y el nivel deseado de resistencia a la corrosión, así como la vida útil esperada.
También es importante la información sobre las propiedades mecánicas requeridas en las condiciones de servicio, como resistencia, tenacidad, plasticidad y propiedades de fatiga.
La mayoría de los principales fabricantes de materiales de soldadura proporcionan manuales de instrucciones para la selección de materiales. Se recomienda encarecidamente consultar estos manuales o consultar a los expertos técnicos del fabricante para obtener ayuda a la hora de elegir el material de soldadura correcto. Esto garantizará que se seleccione el material correcto para la aplicación y los requisitos específicos.
