Duplex 2205 es un acero inoxidable dúplex 22 % Cr, suministrado en el estado de recocido en solución. Como acero inoxidable dúplex, combina lo bueno de las propiedades de grados austeníticos y ferríticos. El alto contenido de cromo, molibdeno y nitrógeno da como resultado un número equivalente de resistencia a las picaduras (PREN) de 33-34, proporcionando una resistencia a la corrosión por picaduras y grietas superior a los aceros inoxidables austeníticos Alloy 316L o Alloy 317L en casi todos los medios corrosivos. Debido a sus excelentes propiedades anticorrosivas, es adecuado para entornos que contienen cloruros y sulfuro de hidrógeno, para su uso en la extracción de petróleo y gas de pozos ácidos, en refinerías y en soluciones de procesamiento contaminadas con cloruros.
También tiene buenas propiedades de fatiga por erosión, así como una menor expansión térmica y una conductividad térmica más alta que los aceros austeníticos. El límite de elasticidad es aproximadamente el doble que el de los aceros inoxidables austeníticos, lo que permite a los diseñadores ahorrar peso y hacer que la aleación sea más competitiva en términos de costes en comparación con la aleación Alloy 316L o la aleación Alloy 317L.
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Dentrode la familia de los aceros inoxidables existen muchos tipos distintos según sucomposición. Así encontramos acero inoxidable austenita, ferrita, martensita odúplex. Es en esta última categoría en la que vamos a centrar hoy nuestraatención.
1 CAPITULO II Metalurgia de la soldadura en los aceros inoxidables austeníticos Este capítulo abarca el estudio de los principales problemas que presentan los aceros austeníticos durante la soldadura. Previamente se realiza un estudio de la solidificación y relaciones entre fases en el sistema Fe-Cr-Ni. La finalidad es de comprender mejor cómo influye la temperatura y la composición química de las distintas aleaciones en los cambios microestructurales que puedan presentarse durante la soldadura. Además, permitirá entender los posibles modos de solidificación y microestructura de los aceros austeníticos soldados. Los aceros austeníticos presentan tres problemas asociados al proceso de soldadura: 1) Sensitización. 2) Formación de la fase sigma. 3) Fisuración en caliente, conocido como hot cracking En la parte final del capítulo, se tratará acerca de los diagramas de composición utilizados generalmente para predecir la microestructura en la unión soldada, y el contenido de ferrita deseable en el metal de aporte. También, se determinarán las consideraciones para la soldabilidad de los aceros austeníticos entre ellos: 304, 316, 316L.
2 34 CAPÍTULO 2: Metalurgia de la soldadura en los aceros inoxidables austeníticos Solidificación-relaciones entre fases presentes en el sistema Fe-Cr-Ni. Para comprender el mecanismo de solidificación, en la soldadura de aceros inoxidables, es necesario un estudio del diagrama de fases Fe-Cr-Ni. Las proyecciones líquido y sólido del diagrama ternario Fe-Cr-Ni, junto con sus constituyentes binarios (Fe-Cr, Cr-Ni, Fe-Ni) se muestran en la figura 2.1 (Shankar, pp. 360) 17. Eutectica (l δ+γ) Solidus Liquidus L+f L L+a Peritéctica (l+δ γ) a f+a 4.3% 0 9 % Figura 2.1. Proyecciones del liquidus y solidus en el sistema Fe-Cr-Ni, junto con sus constituyentes binarios. Fuente: Folkhard 18. El sistema Fe-Cr es isomorfo (presenta una sola fase α) a temperaturas por debajo del rango de solidificación hasta temperatura ambiente. El diagrama Cr-Ni presenta una reacción eutéctica a 1345 C y al 49% de níquel. En el sistema Fe-Ni, la fase ferrita delta forma un corto loop peritéctico en el lado del Fe (fig. 2.1), después el sistema es completamente soluble hasta el 100% de níquel. Debido a esta reacción, la proyección líquido en el diagrama ternario empieza en la reacción peritéctica en el diagrama Fe-Ni (l (líquido)+δ (ferrita) γ (austenita) y se dirige hacia la reacción
3 CAPÍTULO 2: Metalurgia de la soldadura en los aceros inoxidables austeníticos 35 eutéctica (l δ+γ) en el sistema Cr-Ni. En la zona del cromo y níquel enriquecido la reacción eutéctica ternaria ocurre a aproximadamente a los 1300 C para el 49% Ni y 51% Cr. La primera fase en solidificar (austenita o ferrita), se determina por la posición de la aleación con respecto a la línea del liquidus (temperatura de inicio de la solidificación), ya sea en el campo de la austenita (γ) o ferrita (δ) y de acuerdo a la composición puede experimentar una reacción peritéctica o eutéctica. La transición desde la reacción peritéctica hacia la eutéctica en las aleaciones Fe-Cr-Ni ocurren para el 17,2% de cromo y 11.9% de níquel 19. Bajo condiciones de equilibrio la reacción peritéctica ocurre para composiciones mayores al 75% de Fe. Sin embargo, experimentos han revelado que esta reacción puede ocurrir para composiciones muy aleadas probablemente debido a la microsegregación. Como regla general podemos decir que, composiciones poco aleadas, como el tipo AISI 304, tienden a experimentar la reacción peritéctica (l+δ γ); mientras que los grados más aleados, AISI 316 y 310, tienden a la reacción del tipo eutéctica (Shankar, pp.362) 17. Se cree que la ocurrencia de la reacción peritéctica es importante desde el punto de vista del agrietamiento en caliente, en la soldadura. Una reacción peritéctica provoca una interfaz de dos fases líquido+ferrita = austenita, por lo que se contará con dos fases en contacto con líquido. Esto disminuye la "adherencia" de líquido en los límites de granos heterogéneos, lo cual retardaría la formación de microfisuras (Shankar, pp.362) 17 La mayoría de aceros inoxidables comerciales tienen en su composición entre el 50 y 70 % de hierro (Fe). Como se trató en el punto 1.2, los aceros austeníticos son aleaciones con diversos elementos de aleación (sistema multicomponente), por lo que la región del 60-70% del hierro (figura 2.2, pág. siguiente), provee una visión bastante cercana del comportamiento metalúrgico de estos aceros. Este diagrama permite describir los distintos modos de solidificación que pueden ocurrir en los aceros austeníticos, teniendo en cuenta los principales elementos de aleación sobre el eje horizontal (cromo y níquel) y verticalmente la temperatura. Por ejemplo, para una aleación de 30% Cr, 10% de Ni, 60% de hierro, el diagrama predice que la aleación solidifica primero como ferrita. Conforme disminuye la temperatura, pasa del campo monofásico ferrita a la región bifásica austenita-ferrita (δ+γ). Así, la microestructura resultante en la zona de fusión será un mix entre austenita y ferrita. Es importante señalar que, al disminuir la temperatura, disminuye la estabilidad térmica de la ferrita transformándose en austenita. Además, debido a las condiciones de no equilibrio (enfriamiento rápido), propias de la soldadura, se presenta un determinado porcentaje de ferrita retenida a temperatura ambiente. Este porcentaje generalmente está determinado por la composición de la aleación. Existen cuatro modos de solidificación: Austenítico (A), austenítico primario (AF), ferrítico primario (FA) y ferrítico (F). Los rangos aproximados de la composición en los cuales ocurren estos modos se tratarán en el punto
4 36 CAPÍTULO 2: Metalurgia de la soldadura en los aceros inoxidables austeníticos Las aleaciones que solidifican en el modo A presentan una sola fase a temperatura ambiente, mientras que aquellas que se encuentran cerca del ring peritéctico (l+δ+γ) solidificarán en el modo austenítico primario AF, formando ferrita eutéctica. Las composiciones que solidifican en los modos FA, F, pasan a través de la región bifásica (δ+γ) aproximadamente a 1300 C, ingresando nuevamente al campo de la austenita, por ejemplo: 25 %Cr, 10% Ni, 60% Fe. Esto se debe a la asimetría del campo bifásico, donde están presentes las dos fases (austenita, ferrita), hacia el lado enriquecido en cromo, tal como se aprecia en la figura 2.2. F FA AF A Figura 2.2 Diagrama de constitución Fe-Cr-Ni para el hierro al 70% y 60% Fuente: Nassau 20 Aleaciones como los tipos AISI 304 (18 %Cr, 8 %Ni) y 316 (16-18%Cr, %Ni), presentan los modos de solidificación FA, AF respectivamente (ver figura 2.2 al 70% Fe). Sin embargo una ligera diferencia en la composición ocasionaría un cambio del modo de solidificación. También se observa que, después de pasar por el campo bifásico (γ+δ), podrían sufrir transformaciones en estado sólido a una estructura completamente austenítica. Para altos porcentajes de cromo sobre níquel, la microestructura a temperatura ambiente podría retener considerable cantidad de ferrita, como por ejemplo en los aceros austeno-ferríticos (Shankar, pp.362) Solidificación en aceros inoxidables soldados. La microsegregación es un fenómeno que no puede evitarse durante la soldadura. Este fenómeno provoca cambios en las fases resultantes de la solidificación, además de alterar sus composiciones.
5 CAPÍTULO 2: Metalurgia de la soldadura en los aceros inoxidables austeníticos 37 La microsegregación de los principales elementos (Cr, Ni) en los aceros inoxidables soldados, se ha investigado por Koseky 21. Teniendo en cuenta los diferentes modos de solidificación se puede comentar que, en los aceros con modo de solidificación austenítico, las regiones interdendríticas están ligeramente enriquecidas en cromo y níquel. Para el modo de solidificación austenítico-ferrítico (AF), la austenita solidifica primero y la ferrita delta se forma del líquido retenido entre las dendritas de austenita, presentando un significante enriquecimiento de cromo y carencia de níquel. Cuando los modos FA y F toman lugar, el núcleo dendrítico está significantemente enriquecido en cromo y carente de níquel. Los núcleos de ferrita en las zonas ricas en cromo y carentes de níquel se presentan como una fase en no-equilibrio. La segregación del cromo a ferrita y del níquel a austenita juega un rol principal en estabilizar la ferrita en la subsiguiente transformación en estado sólido (posterior a la solidificación). Tal como se comentó anteriormente, la austenita crece dentro de la fase ferrita delta, provocando una disminución de la fracción en volumen de ferrita. A temperatura ambiente la estructura será austenítica con un pequeño volumen de ferrita delta. A AF FA FA F Figura 2.3 Representación esquemática de los modos de solidificación en los aceros austeníticos. Fuente: Shankar 17 En los modos de solidificación AF y F, el % de ferrita delta podría formarse al final de la solidificación, donde la ferrita se transforma casi completamente a austenita en estado sólido durante el enfriamiento. En los aceros austeníticos la cantidad de ferrita retenida puede variar desde pequeños porcentaje a valores tan altos como 15-20%. Esto se debe por dos factores. Primero al modelo de segregación del cromo y níquel posterior a la solidificación. Segundo, a las rápidas tasas de enfriamiento durante la soldadura. En la figura 2.3 se observa una representación esquemática de los cinco modos de solidificación Equivalencia: cromo y níquel equivalente. Existen varios trabajos de investigación enfocados a predecir los modos de solidificación y la cantidad de ferrita delta de los aceros inoxidables. Es decir se enfocan en el efecto de la composición química en la ocurrencia de los distintos modos de solidificación a partir de los conceptos del cromo y níquel equivalente. Más adelante en el punto 2.5 se hace un repaso de los principales diagramas de composición. Los conceptos del cromo y níquel equivalente, representan una suma ponderada de los elementos estabilizadores de ferrita (Cr, Mo, Si, Nb) y de los 2ff7e9595c
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