Aceros Dúplex, Dos en Uno

Transcripción

1 22 MATERIALES Foto: Aceros Dúplex, Dos en Uno Carlos Elías Sepúlveda Lozano Periodista Metal Actual Los aceros dúplex pueden ser usados en temperaturas de entre -45ºC y +250ºC. Pueden ser utilizados en puentes o estructuras que estén en zonas de marea y expuestas a la corrosión, dado que están compuestos por ferrita y austenita, que junto con elementos como nitrógeno, níquel, entre otros, le aportan propiedades superiores para resistir mejor la corrosión por cloruros y poseer mayor tenacidad. En toda la historia, el ser humano ha hecho descubrimientos que son relevantes para adaptarse a las nuevas situaciones que se presentan y mejorar las condiciones del entorno en el que vive. En el campo de la industria siderúrgica y metalúrgica este principio también se aplica, puesto que constantemente son llevados a cabo procesos para mejorar materiales que empleados en diversos entornos los mejoran de forma considerable. Los aceros dúplex son uno de esos productos, que son elaborados uniendo lo mejor de las propiedades de materiales ya establecidos, para obtener un producto con propiedades físicas y mecánicas superiores, es como plasmar las mejores características de dos estados del acero en un solo material.

2 MATERIALES 23 Ello lo demuestra la aplicación del acero inoxidable dúplex en obras del mundo tan representativas como la estatua de la libertad, que en 1986 fue renovada y reparada con este material, puesto que su exposición permanente a la atmósfera marina había ocasionado fuertes daños en su estructura. Al reconstruirla con acero dúplex, la estatua mejoró su resistencia mecánica y a la corrosión. Del mismo modo, un estudio realizado por la universidad Carlos III de Madrid (UC3M), ha evidenciado las propiedades de los aceros inoxidables dúplex en los procesos de corrosión que se dan en el hormigón armado. La investigación afirma que usar refuerzos con este material en las zonas más importantes de un edificio aumentaría la duración del mismo en ambientes marinos, donde las concentraciones de cloruros son significativas. Estos hechos demuestran la importancia que ha adquirido este tipo de acero en la industria metalmecánica mundial, por lo que es pertinente abordar los aspectos generales de este material con tan valiosas propiedades. Aplicaciones en la Industria y Costo Los aceros inoxidables dúplex, en general, tienen diversas aplicaciones en toda la industria debido a las propiedades de resistencia a corrosión y a temperaturas extremas que presentan. Por ejemplo, en la construcción son muy utilizados en los puntos críticos de las estructuras como esquinas y uniones, además en las zonas externas también son empleados. En estructuras como puentes o zonas de marea, expuestas a ambientes más agresivos que tienden a generar alta corrosión, también suelen ser aplicados los aceros dúplex, dado a que su estructura bifásica les permite resistir mayor tiempo a los cloruros de estos entornos. Las piezas que son utilizadas en aplicaciones exigentes también suelen Foto: ser elaboradas con este tipo de aceros, como ejemplo podrían nombrarse los intercambiadores de calor, las hélices, ejes, equipos de producción de pulpa y papel, tanques de carga en cargueros químicos, plantas de desalinización, sistemas de agua marina, entre otros. En cuanto al costo de los aceros dúplex, puede afirmarse que aumenta de 5 a 15 por ciento respecto a los aceros inoxidables comunes, dependiendo la composición del material y los procesos a los que es sometido. Sin embargo, vale decir que en lo que respecta a las estructuras en las que es utilizado el material, los costos de mantenimiento a largo plazo son menores, debido a que reporta ventajas frente a otros aceros. Del mismo modo, las piezas fabricadas con aceros dúplex presentan mayor vida útil en aplicaciones exigentes. Otra ventaja de los aceros dúplex en general es su soldabilidad, aunque si Foto: Tomado, Soldadura de los aceros inoxidables, parte II para el ingeniero de materiales. no son tenidos en cuenta ciertos procedimientos y precauciones al soldar este tipo de aceros, es probable que pierdan las características superiores que poseen y por ende, los productos no tengan la calidad deseada por el industrial. Por ello, a continuación se presentará cómo es elaborado el material y se darán algunas pautas generales para lograr una soldadura idónea del mismo. Elaboración del acero dúplex La microestructura de los aceros dúplex es bifásica, puesto que está compuesta por ferrita y austenita. La composición de la ferrita le confiere resistencia al acero y la austenita le brinda un grado de tenacidad mayor. Esta aleación, normalmente, está compuesta por Cr (18 a 25%), Ni (entre 4,5 y 6,5%) y C (menos de 0,03%); además de Mo, N, Cu, W, elementos agregados para elevar la resistencia a la corrosión. Microestructura típica de una aleación 2205, laminada en frío y templada. Fase oscura: ferrita. Fase clara: austenita.

3 24 MATERIALES Foto: v17.lscache6.c.bigcache.googleapis.com Con estos parámetros de porcentajes se inicia el proceso de elaboración de la aleación, en el cual es empleada una temperatura de 1040ºC o más, para realizar de forma correcta el templado por disolución. El acero inicialmente se solidifica con una estructura ferrítica, luego de esto, es sometido a una transformación de fase en la que la austenita primaria y secundaria crece en los bordes del grano de ferrita. La cantidad de austenita depende de la velocidad de enfriamiento y la composición. Este tratamiento térmico y el contenido o cantidad de los elementos que componen la aleación como cromo, níquel, carbono, molibdeno y nitrógeno, determinan la proporción de ferrita y austenita en la aleación, es decir, el porcentaje presente de cada una en el material. Para que sea denominado dúplex, la composición química debe haber sido ajustada para obtener una estructura cristalina mixta, en la cual haya, aproximadamente, mitad fase ferrita y mitad fase austenita. Para asegurar el equilibrio de fases ferrita-austenita es recomendable usar manganeso, lo que también permite reducir el contenido de níquel en la aleación. Además de esto, el nitrógeno, otro elemento de los aceros dúplex, mejora sustancialmente la resistencia a corrosión por picadura y por rendijas. Al momento de realizar este procedimiento, el industrial corre riesgos de que se forme una fase intermetálica en el acero inoxidable llamada sigma, debido a que la aleación es mantenida en un rango de temperatura entre 650ºC y 950ºC. Esta fase causa fragilidad a una temperatura ambiente, y si está muy presente en el material puede ocasionar disminución en la resistencia a la corrosión. De igual manera, el industrial debe tener cuidado con el fenómeno conocido como fragilización a 475ºC, que sucede en el momento en que una aleación dúplex es mantenida o se enfría lentamente entre un rango de temperatura de 315ºC y 540ºC. Las aleaciones de aceros inoxidables dúplex, por su elevada resistencia Foto: mecánica, tienen un límite elástico entre MPa (Megapascal). Además, la resistencia a la fluencia es dos o tres veces mayor que los aceros inoxidables comunes, su resistencia a la tracción es 25 por ciento mayor y conservan una buena ductibilidad a temperaturas normales de trabajo. A parte de lo anterior, los aceros dúplex admiten, ya en uso, temperaturas de 40ºC hasta +250ºC; hecho que los hace aptos para ser utilizados en diversos entornos y aplicaciones. Por ello, aunque el acero inoxidable dúplex más utilizado es el 2205 (22 por ciento cromo y 5 por ciento níquel), pueden elaborarse diversas composiciones dependiendo lo que el industrial requiera. Por dichas características, los aceros dúplex mejoran las falencias de los aceros inoxidables austeníticos y los ferríticos; en el caso de los primeros su fragilidad frente a la corrosión por fatiga causada por cloruros, y en los segundos sus complicaciones para fabricarlos y soldarlos. Por los procesos a los que son sometidos, los aceros dúplex tienen una resistencia intermedia a la corrosión por cloruros. Así mismo, presentan una resistencia a la corrosión intergranular, debido al bajo contenido de carbono que poseen. Es adecuado resaltar que los aceros dúplex pueden clasificarse en tres grupos: aquellos en cuya composición no hay molibdeno; los denominados

4 MATERIALES 25 dúplex 22 Cr (22% de cromo en su composición química) y los aceros dúplex 25% Cr (25% cromo). Un ejemplo de la utilización de un tipo de acero dúplex, el 22 Cr, se presenta desde los años setentas en las plataformas marinas empleadas por empresas petroleras. Ya en la década de los ochentas, con la evolución química de este material, comenzaron a ser implementados en la industria los dúplex 25%, que poseen mayor resistencia mecánica que su antecesor. La soldadura de estos aceros es fundamental si se quieren conservar sus propiedades físico-mecánicas. Por ello, el industrial debe tener en cuenta ciertas pautas cuando realice este procedimiento. Recomendaciones para Soldar Aceros Dúplex En primer lugar el operario debe tener en cuenta que variables como temperatura, el material utilizado y la posición en que es llevado a cabo el procedimiento, influyen para que el acero dúplex pierda o no sus propiedades físicas y mecánicas. Es importante saber que cuando existe un alto contenido de ferrita en la soldadura, es posible que se reduzca notoriamente la resistencia del acero dúplex a la corrosión en ambientes hostiles. En caso de que ocurra este problema es necesario realizar un templado entre 1040ºC y 1150ºC, para que la estructura del material vuelva a un porcentaje ferrita/austenita equilibrado, aunque, vale decir, que este proceso además de ser poco práctico es costoso. También es posible incrementar el contenido de níquel en el metal de aporte con el fin de formar más niveles de austenita, para que, una vez realizada la soldadura, posea entre 30 y 60 por ciento de ferrita. Otro aspecto a tener en cuenta en la soldadura es la generación de calor, puesto que, si es considerable, puede dar lugar a que se formen en la ferrita entes fragilizantes como las fases sigma y la 475ºC. Por ejemplo, cuando el industrial trabaja con materiales que tienen un espesor de 6 mm no es necesario precalentarlo, aún menos si el material de aporte posee gran contenido de Níquel. Cuando el material tiene mayor grosor es recomendable realizar un precalentamiento para evitar fisuras en la soldadura. Si la soldadura genera poco calor (0.6kJ/mm) lo ideal es precalentar a 95ºC 205ºC, con el objetivo de minimizar el enfriamiento acelerado y disminuir la cantidad de ferrita en la soldadura. Así mismo, cuando el industrial produce chapas, tuberías o bobinas de este material, es posible que implemente un tratamiento térmico que logre un equilibrio de austenita y ferrita. Aunque, al soldar dichas piezas las circunstancias de enfriamiento puede que no sean idóneas,

5 26 MATERIALES Método Tabla 1. Métodos de Soldadura para Diferentes Uniones Metal de aportación MMA 2205 Diám. (mm) 2,50 3,25 Posición EN/ASTM Cordón Corriente (A) Raíz PF (3G) (1) Recub Voltaje (V) Velocidad (cm/min) MMA 2507/P100 4,00 PA (1G) MIG ,20 PA (1G) TIG ,60 H-L 045 (6G) Raíz TIG FCAW ,40 Raíz PA (1G) 1,20 Recub UP ,20 PA (1G) UP 2507/P100 2,40 PA (1G) FCAW ,20 PA (1G) Raíz (1) Recub FCAW 2205-PW 1,20 PF (3G) Raíz Recub FCAW LDX2101 1,20 PA (1G) (1) una cara por lo que el enfriamiento es apresurado y no da lugar a que se forme la austenita; por ende, con el fin de obtener una estructura equilibrada, los metales de aporte pueden sobrealearse con níquel, elemento que cusa un efecto estabilizador en la austenita. Si los niveles de ferrita se encuentran entre 20 y 70 por ciento en el acero dúplex es una cantidad normal, debido a que aún conserva propiedades mecánicas elevadas y una buena resistencia a la corrosión. En el momento en que la soldadura ha sido realizada, la resistencia de la unión soldada es un poco inferior a la del metal base, debido al ciclo de temperatura al que se expone la soldadura, a la zona del metal afectada por el calor (HAZ, heat affected zone), la forma de la superficie soldada y a los defectos e impurezas generados al soldar. Por tal motivo, para obtener una resistencia óptima a la corrosión, en la zona soldada, es importante que las superficies de la chapa y la soldadura estén limpias y lisas. Es recomendable eliminar o decapar el metal de soldadura y la zona afectada por el calor (HAZ) de la misma. Del mismo modo como el operario debe tener presente los cuidados Raíz Recub necesarios para realizar la soldadura, debe elegir el método que mejor convenga para efectuarla, puesto que esto también influye de forma significativa en la calidad final del producto realizado con acero dúplex. Es necesario aclarar que para realizar esta acción, soldar, en aceros dúplex, es posible utilizar cualquier método de soldadura convencional como la MMA (electrodos recubiertos), MIG/MAG, TIG, SAW, FCAW, láser o plasma. Vale anotar que cuando el industrial tiene la posibilidad de realizar un tratamiento térmico posterior a la soldadura (tratamiento por disolución), puede realizar esta sin material de aporte, de lo contrario no es recomendable, puesto que, como se mencionó anteriormente, el contenido de ferrita puede ser muy elevado. La elección del método de soldadura está ligado a lo que requiera el industrial, la soldabilidad posicional y la productividad requerida. La soldadura MMA es idónea para soldar en posición, en lugares donde hay acceso limitado y por una sola cara. Es importante que el operario, con el fin de no captar nitrógeno, utilice un arco corto, puesto que, de no hacerlo, puede ocasionar la generación de poros y oxidación del material. Del mismo modo, el operario puede implementar el método de soldadura MIG, método indicado para soldar chapa metálica de hasta 6 mm de grosor. Debido a que el arco spray es inestable, es recomendable utilizar arco pulsado al momento de soldar aceros súper dúplex. Esta técnica es frecuente para soldadura robotizada o automática en toda posición. En caso de que la pieza tenga menor espesor, hasta 4mm aproximadamente, lo más adecuado es que el industrial aplique el método TIG de soldadura, el cual le permite soldar uniones de tuberías más fácilmente. Para un uso generalizado con aceros dúplex el operario puede apelar a utilizar la soldadura SAW o por arco sumergido, que tiene como ventajas su productividad, los acabados, el entorno de trabajo y la mínima generación de humo y radiación. Aunque una desventaja que presenta es que genera un aporte de calor considerable al material y sólo puede trabajarse en posición horizontal. Es posible afirmar que los aceros dúplex son el resultado de la creciente necesidad de la industria por elaborar materiales que posean propiedades que resistan aplicaciones cada vez más exigentes, para elevar la calidad de las estructuras y elementos que hacen parte del entorno; con la posibilidad de elaborarlas con características físicas y mecánicas según sean requeridos. Fuentes Artículo aceros inoxidables dúplex. Consuelo Saá Vida. Documento PDF: Cómo soldar aceros inoxidables Dúplex. Avesta Welding Págs. Documento PDF: Soldadura de los aceros inoxidables, sección II para el ingeniero de materiales. Acerind SC. 13 Págs es.scribd.com;