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Jan 08, 2024

Rincón de los consumibles: la relación entre los números de ferrita y el craqueo

P: Recientemente comenzamos a realizar trabajos que requieren que algunos componentes se fabriquen principalmente con acero inoxidable de grado 304, que está soldado a sí mismo y a acero dulce. Hemos experimentado algunas grietas

P: Recientemente comenzamos a realizar trabajos que requieren que algunos componentes se fabriquen principalmente con acero inoxidable de grado 304, que está soldado a sí mismo y a acero dulce. Hemos experimentado algunos problemas de grietas en las secciones soldadas de acero inoxidable a acero que tienen hasta 1,25 pulgadas de espesor. Se mencionó que nuestros números de ferrita son bajos. ¿Puede explicar qué es esto y cómo corregir el problema?

R: Esa es una gran pregunta. Y sí, podemos ayudarle a comprender lo que significa tener números de ferrita bajos y cómo prevenirlo.

Primero, repasemos qué define a un acero inoxidable (SS) y luego cómo se relaciona la ferrita con las uniones soldadas. Los aceros y aleaciones ferrosos contienen más del 50 por ciento de hierro. Esto incluye todos los aceros al carbono e inoxidables, así como otros grupos definidos. El aluminio, el cobre y el titanio no contienen hierro, por lo que son excelentes ejemplos de aleaciones no ferrosas.

El constituyente principal de la aleación es un contenido de hierro de al menos el 90 por ciento para el acero al carbono y del 70 al 80 por ciento para el acero inoxidable. Para ser clasificado como SS, se le debe agregar un mínimo de 11,5 por ciento de cromo. Un contenido de cromo superior a este umbral mínimo promueve la formación de una película de óxido de cromo en la superficie del acero y previene la formación de oxidación, como el óxido (óxido de hierro) o la corrosión debido al ataque químico.

Hay tres grupos principales de SS: austeníticos, ferríticos y martensíticos. Sus nombres se derivan de las estructuras cristalinas a temperatura ambiente que los forman. Otro grupo común es el SS dúplex, que es un equilibrio entre ferrita y austenita en la estructura cristalina.

Los grados austeníticos, que son la serie 300, contienen entre un 16 y un 30 por ciento de cromo y entre un 8 y un 40 por ciento de níquel, formando una estructura cristalina de austenita dominante. Para promover la formación de una relación austenita-ferrita, durante el proceso de fabricación del acero se añaden estabilizadores como níquel, carbono, manganeso y nitrógeno. Algunos grados comunes son 304, 316 y 347. Este grupo no es magnético; proporciona buena resistencia a la corrosión; y se utiliza principalmente en aplicaciones alimentarias, de servicios químicos, farmacéuticas y criogénicas. El control de la formación de ferrita proporciona una tenacidad superior a bajas temperaturas.

Los SS ferríticos, los grados de la serie 400, son completamente magnéticos y contienen entre 11,5 y 30 por ciento de cromo con la estructura cristalina primaria como ferrita. Para promover la formación de ferrita, los estabilizadores incluyen cromo, silicio, molibdeno y niobio durante la producción de acero. Estos tipos de SS se usan comúnmente para sistemas de escape de automóviles y plantas de energía y tienen una aplicación limitada a temperaturas elevadas. Algunos tipos comúnmente utilizados son 405, 409, 430 y 446.

Los grados martensíticos, también identificados por la serie 400, como 403, 410 y 440, son magnéticos, contienen entre 11,5 y 18 por ciento de cromo y tienen martensita como estructura cristalina. Este grupo contiene la menor cantidad de aleación, lo que los convierte en los más baratos de producir. Proporcionan cierta resistencia a la corrosión; excelente fuerza; y normalmente se utilizan para cubiertos, equipos dentales y quirúrgicos, utensilios de cocina y algunos tipos de herramientas.

Cuando suelde acero inoxidable, el tipo de material base y su aplicación en servicio determinarán el metal de aportación adecuado a utilizar. Si está utilizando un proceso con protección de gas, es posible que deba prestar especial atención a la mezcla de gas de protección para evitar ciertos problemas relacionados con la soldadura.

Para soldar 304 a sí mismo, querrás usar un electrodo E308/308L. El designador "L" representa bajo contenido de carbono, lo que puede ayudar a prevenir la corrosión intergranular. Estos electrodos tienen un contenido de carbono inferior al 0,03 por ciento; cualquier cantidad mayor que eso aumentará el riesgo de que el carbono se precipite en los límites de los granos y se una al cromo para formar carburos de cromo, lo que reduce efectivamente la resistencia a la corrosión del acero. Esto puede resultar evidente si hay corrosión en la zona afectada por el calor (HAZ) de una junta soldada de acero inoxidable. Otra consideración con el grado L SS es que tienen una menor resistencia a la tracción en temperaturas de servicio elevadas en comparación con el grado SS puro.

Dado que el 304 es un tipo austenítico de SS, el metal de soldadura correspondiente contendrá una mayoría de austenita. Sin embargo, el propio electrodo de soldadura tendrá estabilizadores de ferrita, como molibdeno, para promover la formación de ferrita en el metal de soldadura. El fabricante normalmente indicará un rango típico de número de ferrita del metal de soldadura. Como se mencionó anteriormente, el carbono es un fuerte estabilizador de austenita y, por estas razones, es fundamental evitar la adición de carbono al metal de soldadura.

Los números de ferrita se derivan del diagrama de Schaeffler y del diagrama WRC -1992 que utilizan fórmulas de equivalencia de níquel y cromo para calcular valores, que cuando se representan en los diagramas producen un número estandarizado. Los números de ferrita entre 0 y 7 corresponden al porcentaje en volumen de la estructura cristalina de ferrita presente en el metal de soldadura; sin embargo, en porcentajes más altos, el número de ferrita aumenta a un ritmo más rápido. Tenga en cuenta que la ferrita dentro del SS no es la misma que la ferrita de acero al carbono, sino que es una fase conocida como delta-ferrita. El SS austenítico no tiene cambios de fase asociados con procesos de alta temperatura como el tratamiento térmico.

La formación de ferrita es deseable ya que es más dúctil que la austenita, pero debe controlarse. Los números bajos de ferrita pueden producir una soldadura que tiene una resistencia a la corrosión superior en ciertas aplicaciones pero que es altamente susceptible al agrietamiento en caliente durante la soldadura. El número de ferrita debe estar entre 5 y 10 para condiciones de servicio generales, pero es posible que se deseen valores más bajos o más altos para algunas aplicaciones. La ferrita se puede verificar fácilmente en el trabajo utilizando un indicador de ferrita.

Como mencionó que tiene problemas de agrietamiento y números de ferrita bajos, querrá observar de cerca su metal de aportación y asegurarse de que produzca un número de ferrita adecuado; algo alrededor de 8 debería ayudar. Además, si realiza soldadura por arco con núcleo fundente (FCAW), esos metales de aportación generalmente utilizan 100 por ciento de gas protector de dióxido de carbono o una mezcla de 75 por ciento de argón y 25 por ciento de CO2, y eso puede provocar la acumulación de carbono en el metal de soldadura. Es posible que desee cambiar a un proceso de soldadura por arco metálico con gas (GMAW) y utilizar una mezcla de 98 por ciento de argón y 2 por ciento de oxígeno para reducir la posibilidad de acumulación de carbono.

Para soldar SS a acero al carbono, deberá utilizar un material de relleno E309L. Este metal de aportación está especialmente formulado para soldar metales diferentes, ofreciendo cierta cantidad de formación de ferrita después de la dilución del acero al carbono en la soldadura. Dado que habrá cierta absorción de carbono del acero al carbono, se añaden estabilizadores de ferrita al metal de aportación para contrarrestar la tendencia del carbono a formar austenita. Esto ayudará a prevenir grietas en caliente durante las aplicaciones de soldadura.

En resumen, si está tratando de eliminar el agrietamiento en caliente en uniones soldadas de acero inoxidable austenítico, verifique que el metal de aportación tenga un número de ferrita adecuado y siga buenas prácticas de soldadura. Mantenga su entrada de calor por debajo de 50 kJ/pulgada, mantenga una temperatura entre pasadas de moderada a baja y asegúrese de que las uniones soldadas estén libres de contaminantes antes de soldar. Verifique el número de ferrita en las uniones soldadas utilizando calibres apropiados con un objetivo de 5 a 10.