El Rincón de los Consumibles: La relación entre los números de ferrita y el agrietamiento

P: Recientemente comenzamos a realizar trabajos que requieren que algunos componentes se fabriquen principalmente con acero inoxidable de grado 304, que se suelda a sí mismo y al acero dulce. Hemos experimentado algunos problemas de grietas en las secciones soldadas de acero inoxidable a acero inoxidable que tienen un grosor de hasta 1,25 pulgadas. 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 ayudarlo a comprender lo que significa tener números bajos de ferrita y cómo prevenirlo.

Primero, revisemos qué define un acero inoxidable (SS) y luego cómo se relaciona la ferrita con las uniones soldadas. Los aceros ferrosos y las aleaciones 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 componente principal de la aleación es un contenido de hierro de al menos 90 por ciento para acero al carbono y de 70 a 80 por ciento para SS. Para ser clasificado como SS, debe tener un mínimo de 11,5 por ciento de cromo agregado. 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 debida al ataque químico.

Hay tres grupos principales de SS: austenítico, ferrítico y martensítico. Sus nombres se derivan de las estructuras cristalinas a temperatura ambiente que los componen. 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 de 16 a 30 por ciento de cromo y de 8 a 40 por ciento de níquel, formando una estructura cristalina de austenita dominante. Para promover la formación de una 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. 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.

Ferritic SS, los grados de la serie 400, son completamente magnéticos y contienen de 11,5 a 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 centrales eléctricas y tienen una aplicación limitada a temperatura elevada. Algunos tipos de uso común son 405, 409, 430 y 446.

Los grados martensíticos, también identificados por la serie 400 como 403, 410 y 440, son magnéticos, contienen de 11,5 a 18 por ciento de cromo y tienen martensita como estructura cristalina. Este grupo contiene la cantidad más baja de aleación, lo que los convierte en los más baratos de producir. Proporcionan cierta resistencia a la corrosión; excelente fuerza; y se utilizan típicamente para cuchillería, 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 aporte 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, querrá 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 cosa mayor que eso aumentará el riesgo de que el carbono se precipite en los límites de grano y se una con el cromo para formar carburos de cromo, lo que reduce efectivamente la resistencia a la corrosión del acero. Esto puede hacerse evidente si hay corrosión en la zona afectada por el calor (HAZ) de una unión soldada de acero inoxidable. Otra consideración con el acero inoxidable de grado L es que tienen una menor resistencia a la tracción en temperaturas de servicio elevadas en comparación con el acero inoxidable de grado recto.

Dado que el 304 es un tipo austenítico de SS, el metal de soldadura correspondiente contendrá una mayoría de austenita. Sin embargo, el electrodo de soldadura en sí tendrá estabilizadores de ferrita, como molibdeno, para promover la formación de ferrita en el metal de soldadura. El fabricante generalmente enumerará un rango de número de ferrita típico 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 trazan en los diagramas producen un número estandarizado. Los números de ferrita entre 0 y 7 corresponden al porcentaje de volumen de 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. Tenga en cuenta que la ferrita dentro de SS no es lo mismo que la ferrita de acero al carbono, sino que es una fase conocida como ferrita delta. 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 muy susceptible al agrietamiento en caliente durante la soldadura. El número de ferrita debe estar entre 5 y 10 para condiciones generales de servicio, pero se pueden desear valores más bajos o más altos para algunas aplicaciones. La ferrita se puede verificar fácilmente en el trabajo utilizando un indicador de ferrita.

Ya que mencionó que tiene problemas de agrietamiento y bajos números de ferrita, querrá observar de cerca su metal de aporte y asegurarse de que produzca un número de ferrita adecuado; algo alrededor de 8 debería ayudar. Además, si está realizando una soldadura por arco con núcleo fundente (FCAW), esos metales de aporte suelen utilizar un 100 % de gas de protección de dióxido de carbono o una mezcla de 75 % de argón y 25 % de CO2, lo que 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 usar una mezcla de 98 por ciento de argón y 2 por ciento de oxígeno para reducir la posibilidad de que se acumule carbono.

Para soldar SS a acero al carbono, deberá usar un material de relleno E309L. Este metal de aporte está especialmente formulado para soldar metales diferentes y ofrece cierta cantidad de formación de ferrita después de la dilución del acero al carbono en la soldadura. Dado que habrá algo de absorción de carbono del acero al carbono, se agregan estabilizadores de ferrita al metal de aporte para contrarrestar la tendencia del carbono a formar austenita. Esto ayudará a prevenir el agrietamiento en caliente durante las aplicaciones de soldadura.

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