Aceros austeníticos

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Para estabilizar la micro estructura austenítica en la temperatura ambiente siempre es necesario una gran cantidad de elementos de aleación, conocidos como gamagenos, lo que hace con que necesariamente los aceros austeníticos sean de alta aleación, utilizados en aplicaciones especiales de resistencia ala corrosión, resistencia a temperaturas extremas (al calor o al frío) o resistencia al desgaste, cuyas propiedades específicas pueden deteriorarse por la soldadura caso no sea utilizado un procedimiento adecuado.
Este documento intenta explicar los cuidados generales en la soldadura de aceros austeníticos, considerando la aplicación a los cuales se destinan.

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Aceros austeníticos

  1. 1. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁFACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICAPOSGRADO Y MAESTRÍA EN MANTENIMIENTO DE PLANTAS INDUSTRIALESDiseño y Metalurgia de la SoldaduraPor: Ing. Alexis Tejedor De León, PhDwwwalexistejedor.org Soldadura de aceros austeníticos Para estabilizar la micro estructura austenítica en la temperatura ambiente siempre esnecesario una gran cantidad de elementos de aleación, conocidos como gamagenos, lo que hace conque necesariamente los aceros austeníticos sean de alta aleación, utilizados en aplicacionesespeciales de resistencia ala corrosión, resistencia a temperaturas extremas (al calor o al frío) oresistencia al desgaste, cuyas propiedades específicas pueden deteriorarse por la soldadura caso nosea utilizado un procedimiento adecuado. Este documento intenta explicar los cuidados generales en la soldadura de acerosausteníticos, considerando la aplicación a los cuales se destinan.¿Qué son aceros austeníticos? Son aleaciones ferrosas que presentan microestructura predominantemente austenítica,estabilizadas por la gran cantidad de elementos de aleación gamagenos, que son principalmenteníquel, manganeso, nitrógeno y el carbono, siendo que en aleaciones resistentes a la corrosión y enligas resistentes a temperaturas extremas el principal papel del carbono no es el de estabilizar laaustenita, y sí la de garantizar la resistencia mecánica.¿Cuál es la composición típica de un acero austenítico? Depende del tipo de aplicación a la que se destina. Los principales aceros austeníticospueden encuadrarse como: 1.- Aceros resistentes a la corrosión (o inoxidables austeníticos), son básicamentealeaciones de Fe-Cr-Ni de la serie 300, donde el cromo se utiliza en cantidades mínimas de 16%para garantizar la resistencia a la corrosión (por medio de la formación de una película de óxidopasiva); el níquel se utiliza en cantidades mínimas de 6% para estabilizar la estructura austenítica, yel carbono varía para los grados estándares (usualmente con carbono hasta 0.08 %) y L (bajocarbono, usualmente hasta 0.03%). El grado H (alto carbono) nunca es utilizado en medios acuosos,donde la resistencia a la corrosión debe ser superior, pues la presencia de carbono reduce laresistencia a la corrosión 2.- Aceros resistentes al calor: normalmente también son aceros inoxidable, noobstante con mayores cantidades de carbono, para garantizar mayor resistencia a la cedencia ymayores cantidades de cromo, níquel y silicio, para garantizar la resistencia a la oxidación. Existenlos de la serie 300 (como el 310, por ejemplo que es bien específico para trabajo en caliente), los dela serie 300 en grado H (alto carbono, normalmente hasta 0.1 %) y existen los fundidos deestructura austenítica en carburos, tipo HK y HP 3.- Aceros criogénicos, que también son inoxidables de la serie 300, normalmente debajo carbono y con mayores contenidos de elementos austenitizantes para garantizar la estabilidadde la estructura austenítica incluso en temperaturas muy bajas.4.- Aceros resistentes al desgaste metal * metal: básicamente aleaciones de Fe-Mn, con Cr eC, estabilizados por el manganeso (cuyos contenidos se sitúan en el orden del 13 %) y con altocontenido de carbono (del orden del 1 %). Este tipo de material también se le conoce como acero
  2. 2. Hadfield y es muy utilizado en componentes fundidos para aplicaciones severas de desgaste metal –metal, como por ejemplo en la industria ferroviaria. Cabe indicar que los aceros austeníticos fueron encuadrados según su aplicación, perodentro de cada aplicación existen diversos otros tipos de acero que no son austeníticos, porejemplo, los aceros austeníticos de la serie 300 con alto contenido de carbono son utilizados pararesistir al calor, pero también existen diversos tipos de aceros ferríticos y martensíticos (aleados alCr-Mo) que también son resistentes al calor.¿Cuáles son las características de propiedades mecánicas de esos aceros? Dependiendo del tipo de aplicación a que se destinan, los aceros austeníticos puedenpresentar las más variadas composiciones químicas y algunas aleaciones no son totalmenteausteniticas, de forma que sus propiedades varían mucho, pero alguna características inherentes a laestructura austenítica (CFC), y muy importante cuando se pretende soldar un material son: .- que la estructura austenítica no se fragiliza, o sea, cualquier que sea la temperaturade trabajo o la tasa de carga o el estado de tensiones, el acero austenítico siempre presenta uncomportamiento dúctil, y .- que la estructura austenítica presenta una elevada tasa de endurecimiento, o sea, queel material comienza a fluir con baja tensión (normalmente la tensión límite de deformación es bajay la razón LE/LR puede ser inferior a 0.4 y a medida que el material se va deformandoplásticamente, el material se va endureciendo rápidamente hasta llegar a la tensión límite deresistencia.¿Cómo las características mecánicas afectan la soldabilidad? Como este material no se fragiliza y presenta baja tensión límite de endurecimiento, el nivelde tensiones residuales de soldadura acostumbra ser bajo y el riesgo de agrietamiento es menor queen materiales que se endurecen y fragilizan. Adicionalmente, durante trabajo posterior (contensiones externa actuantes) el material como soldado se va deformando y aliviando la tensióninterna, de forma que en la mayoría de las aplicaciones los aceros austeníticos no necesitan de untratamiento térmico de alivio de tensiones. Existen, sin embargo, excepciones, y esta afirmación nodebe considerarse como una recomendación, ya que cada caso es un caso diferente y debe serevaluado. Solamente se debe recordar que como estos aceros son de “alta aleación”, su aliviosolamente ocurre en temperaturas muy elevadas y normalmente, cuando es necesario realizar elalivio, se utiliza la temperatura de solubilización del material.
  3. 3. ¿Lo anterior significa que este tipo de acero no se agrieta durante la soldadura? Si, en verdad los aceros austeníticos, cuando soldados con material similar (consumibleaustenítico) son muy susceptibles al agrietamiento a caliente, que ocurre debido a la bajasolubilidad de las impureza en la estructura austenítica. Estas impurezas permanecen en loscontornos de los granos y presentan puntos de fusión más bajos, creando una película líquida que seabre fácilmente. Existen dos tipos de grietas a caliente de ocurrencia frecuente en los aceros austeníticos, lasgrietas de solidificación (en el metal de la solda) y las grietas de liquefacción (en la zona de unión),con morfología intergranular (o interdendrítica). Para minimizar las grietas a caliente se acostumbra soldar con un consumible que no seatotalmente austenítico, y sí austero-ferrítico, donde la estructura bifásica disminuye laconcentración de impurezas y disminuye el riesgo de agrietamiento. De forma general, los aceros austeníticos no son susceptibles al agrietamiento a frío, puesdisuelven el hidrógeno y no endurecen durante el enfriamiento.Adicional a las grietas en caliente, ¿qué tipo de problemas pueden sufrir los acerosausteníticos durante la soldadura? Como son aceros utilizados en aplicaciones especiales, uno de los principales problemas,normalmente, no detectable durante la soldadura, está relacionado a la pérdida de la propiedadespecífica de resistencia a la corrosión, al calor o al desgaste.¿Cómo ocurre la pérdida de resistencia a la corrosión? Como la resistencia a la corrosión del acero inoxidable está relacionada a la formación deuna película de óxido protector, garantizada por un contenido mínimo de cromo, en el caso de queocurra cualquier transformación que reduzca el contenido de cromo en solución sólida para unadada región del material, esta región pasa a no formar óxido protector y será susceptible a lacorrosión. Eso puede ocurrir siempre que algún elemento se combine con el cromo, normalmente elcarbono, formando carburos, y algunas veces el nitrógeno, formando nitruros. La baja temperatura de formación de los carburo de cromo, conocida como sensitización, esentre 400º y 800 ºC, y durante la soldadura la región que pasa mayor tiempo dentro de esta regiónestá situada un poco alejada de la región de soldadura. Cuando el enfriamiento de la unión soldada es lento, existe la posibilidad de formación decarburos, que precipitan en los contornos de los granos y le roban el cromo al acero, haciendo conque las regiones adyacentes queden empobrecidas y, cuando colocadas en medios acuosos, sufranun proceso corrosivo conocido como corrosión intergranular. Para evitar ese tipo de problema sedebe soldar los aceros austeníticos con procesos de bajo aporte de calor, sin pre calentamiento ycon técnicas de manutención a frío (baño maría) Otro tipo de problema asociado a la pérdida de resistencia a la corrosión, ocurre en equiposcuyo medio de operación es muy agresivo, y la soldadura se realiza con un consumible anódico enrelación al metal base. En este caso, la soldadura pasa a sufrir un proceso corrosivo preferencial¿Cómo ocurre la pérdida de resistencia al desgaste? Los aceros austeníticos tipo Hadfield presentan una buena resistencia al desgaste debido alfuerte endurecimiento de la austenita, cuando sometida al desgaste, lo que significa que el materiales colocado para trabajar en el estado “suave”, y cuando sufre trabajo (en desgaste), su superficie seendurece, tornándose cada vez más resistente.
  4. 4. El principal tipo de problemas en este tipo de material también es la formación deprecipitados, que pueden desestabilizar la austenita y favorecer la formación de martensita, conconsecuente fragilización localizada y arrancamientos durante el trabajo en desgaste. De la mismaforma se debe evitar enfriamientos lentos para este tipo de material¿Y en relación a los aceros resistentes al calor? Normalmente estos materiales trabajan en medios menos corrosivos (gaseosos y noacuosos) y el contenido de carbono en el acero acostumbra ser elevado para garantizar suresistencia a la cedencia. Sin dudas, si el contenido de carbono en el acero es elevado, y si todavíatrabaja a caliente, es prácticamente imposible evitar la formación de carburos, pero eso no significaque el material sufrirá corrosión intergranular, pues estos materiales tienen también alto cromo yque a pesar de que sufran la precipitación, todavía sobra mucho cromo en solución para garantizarsu pasividad. Pero, a pesar de eso, las técnicas de bajo aporte de calor también deben ser empleadaspara garantizar menores alteraciones. Uno de los principales problemas de la soldadura de estas aleaciones ocurre cuando sepretende soldar en mantenimiento un material que ya sufrió un trabajo en caliente, pues como elmaterial e muy aleado (principalmente con alto carbono y alto cromo) existe la posibilidad de lamicroestructura evolucionar cuando en trabajo, endureciéndose por precipitación secundaria decarburos o formando fases intermetálicas, del tipo sigma. En ese caso la ductilidad del material bajaasustadoramente y caso no haya un tratamiento de solubilización efectivo anterior a la soldadura(que es de difícil realización en el campo), el agrietamiento en la soldadura será casi inevitable.¿Existe algún procedimiento de soldadura estándar para aceros austeníticos? No, pues cada material es diferente uno del otro. Pero existen algunos cuidados que soncomunes a todos los aceros austeníticos, que son: .- seleccionar consumibles compatibles con la aplicación y que al mismo tiempotengan menor riesgo de agrietamiento en caliente; por ejemplo en la soldadura de una aceroinoxidable austenítico utilizar un consumible austero – ferrítico, que contenga el mínimo de ferritadelta posible, para no agrietar y el máximo permitido para no que no se corroa. .- evitar soldar con fuertes restricciones para minimizar el riesgo del agrietamiento acaliente. .- evitar la soldadura con procesos / procedimientos de aporte de calor muy elevado,pues las uniones soldadas pueden sufrir alteraciones (principalmente precipitaciones) quecomprometen su futuro rendimiento en trabajo. .- si el material es nuevo y su estructura es austenítica, se debe evitar el enfriamientolento para que no ocurra diferentes tipos de precipitación. .- evitar solda un material que ya sufrió trabajo a caliente (en mantenimiento) sin antesevaluar los tipos de fases presentes, pues caso el material se presente con fases intermetálicas éstepodrá tener baja ductilidad y agrietarse durante la soldadura. En este caso un tratamiento térmico desolubilización anterior puede que sea necesario.

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