FERRITA FRÁGIL EN SOLDADURA POR FUSIÓN DE ACERO EXTRABAJO CARBONO CON RECUBRIMIENTO

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1 FERRITA FRÁGIL EN SOLDADURA POR FUSIÓN DE ACERO EXTRABAJO CARBONO CON RECUBRIMIENTO Autor: Mario González Instituto de Ensayo de Materiales - Facultad de Ingeniería mariog@fing.edu.uy Resumen En este trabajo se analiza la soldadura de un acero de extra bajo carbono que contienen una película de recubrimiento de aleación de aluminio. Estos aceros luego de aplicar el proceso de soldadura, presentan una zona fundida constituida por granos columnares de fe rrita que crecen desde el metal de base hacia el centro del cordón. Estos cristales de ferrita presentan un comportamiento totalmente frágil y se fracturan a través de planos de clivaje bien definidos. Se estudian las causas de la fragilización a través d mecánicas, químicas y microestructurales. Las principales herramientas utilizadas en este estudio fueron SEM, EDS, microdureza, macro dureza y ensayos mecánicos. Se exponen además las limitaciones de las técnicas y os disponibles para el estudio de las propiedades de la zona fundida del cordón. soldar tubos de acero se encuentran el TIG y el Láser. En éstos, partiendo de una tira se conforma el tubo para llevarlo a la forma cilíndrica y luego son soldados con un cordón longitudinal. En el cordón de soldadura el material alcanza la temperatura de fusión para formar la pileta líquida y luego se enfría con una rapidez que depende del proceso aplicado. La velocidad de enfriamiento, debido a que en general la concentración del calor entorno al cordón es alta, tiene una componente muy importante por transmisión del calor al resto del material que permanece frío. En virtud de ello, cuanto mayor sea la concentración de calor del proceso mayor es la velocidad de enfriamiento. de los aceros extra bajo carbono con velocidades de enfriamiento muy altas, son adecuadas para prácticamente todas las aplicaciones, aún aquellas en que se requiere buena ductilidad. Esta ductilidad se mide a través de ensayos mecánicos que consisten en el plegado longitudinal y transversal tanto de raíz como de cara, así como ensayos de tracción transversal. En los aceros considerados en general no se presentan dificultades para pasar los ensayos. Los problemas aparecen cuando los aceros a soldar presentan recubrimientos que tienen como objetivo mejorar la resistencia a la corrosión. Tal es el caso de los aceros que tienen un recubrimiento de una aleación de aluminio como es el caso de los materiales usados en los sistemas de escape. En las soldaduras de estos aceros el cordón presenta una fase estable, la cual en condiciones normales es extremadamente dúctil pero que, como resultado de la aplicación del proceso de soldadura presenta un comportamiento completamente frágil. Este trabajo trata sobre la caracterización el cordón de soldadura, particularmente la zona fundida, en las condiciones de fragilidad.

2 Muestras PARTE EXPERIMENTAL Las muestras disponibles para análisis consistieron en cuerpos de prueba tomados tramos soldados que presentaron comportamiento frágil como resultado de los ensayos de plegado del cordón de soldadura tanto transversal como longitudinal. Procedimientos Las muestras tomadas para análisis micrográficos fueron preparadas de acuerdo a la Práctica estándar para la preparación de especim -95. Para la determinación del tamaño de grano se utilizó Método estándar de ensayo para la determinación del grano medio de grano ASTM E Para las determinaciones de microdureza se empleó el Método estándar de ensayo para dureza por microindentación de materiales E La carga utilizada fue de 100 g. Las determinaciones mediante EDS se realizaron empleando un microscopio JEOL, modelo Low vacuum 5900, equipado con microsonda NORAN, modelo Vantage y ventana Norvar para elementos livianos. Para los ensayos de tracción se empleó el Método estándar para ensayos de tensión en -00b. Análisis micrográfico RESULTADOS La microestructura del metal de base está constituida por granos regulares de ferrita con pequeños carbonitruros de titanio distribuidos al azar. El tamaño de grano ferrítico se sitúa entre los Nº 8 y 8 ½ de acuerdo a la norma ASTM. El recubrimiento está constituido por dos capas. La capa exterior está compuesta cristales de silicio en una matriz de aluminio, mientras que la capa en contacto con el metal base se trata de una aleación hierro-aluminio. En la foto 4 se aprecian las características de la película cuyo espesor total oscila entre 20 y 28 micras. Foto 1: Cordón de soldadura. Aumento 55X Foto 2: Interfase cordón de soldadura metal de base. Aumento 110X En la zona de fusión del cordón de soldadura se aprecian granos de ferrita de crecimiento columnar con precipitados muy pequeños distribuidos al azar.

3 En las fotos 1 a 3 se aprecian los detalles microestructurales del cordón de soldadura con distintos aumentos. En la interfase de la zona fundida con el metal base se aprecia una pequeña franja con estructura compuesta por carburos dispersos en una matriz de ferrita la cual corresponde a una zona de enfriamiento rápido de la austenita (ZAC). Foto 3: Cordón de soldadura en la zona central. Aumento 220X Foto 4: Película de recubrimiento. Aumento 440X Las muestras fracturadas en los ensayos, presentaron una superficie de fractura frágil. En la observación microscópica del perfil de dicha superficie se aprecia una rotura por clivaje a través de planos perpendiculares a la dirección de crecimiento columnar tanto en la fisura principal como en fisuras secundarias. Estos detalles se observan en la fotos 5 y 6. Foto 5: Cordón de soldadura en la zona central. Aumento 110X Foto 6: Película de recubrimiento. Aumento 220X Ensayo de microdureza Las microdurezas se tomaron sobre el metal de base y el cordón de soldadura atravesando este último como se aprecia en las fotos 7 y 8. Los valores obtenidos se indican en la tabla 1.

4 Tabla 1: Microdurezas Vickers del cordón de soldadura Sitio de medición MHV 100 HRB (*) 1 interfase zona fundida zona fundida zona fundida zona fundida zona fundida zona fundida zona fundida zona fundida zona fundida zona fundida ZAC (**) ZAC ZAC Metal de base (*) Valores obtenidos por conversión del valor original en MHV (**) Zona afectada por el calor. Foto 7:. Medición de microdureza a lo ancho del cordón. Aumento 55X. Foto 8: Idem foto 5. Aumento 110X Determinaciones con EDS (Energy Dispersive Spectrometry) Se realizaron determinaciones elementales cualitativas sobre el cordón de soldadura detectándose además de Fe, indicaciones de Ti, Al, Si y otros elementos. Respecto al metal de base los espectros obtenidos indican diferencias cualitativas en el contenido de Al de relevancia menor. Sobre un área reducida del cordón como se realizó un mapeo de los elementos más relevantes encontrados, en particular Ti, Al, Si a los efectos de analizar su distribución en la matriz. El resultado del mapeo para el Fe, Ti, Al y Si se muestra en las fotos 9 a 12. La presencia de cada elemento está indicada por puntos de color claro. Los resultados indican además de Fe, la presencia en forma distribuida de Ti, Al y Si.

5 Foto 9:. Mapeo de Fe en la zona fundida Foto 10: Mapeo de Ti en la zona fundida. Foto 11:. Mapeo de Al en la zona fundida Foto 12: Mapeo de Si en la zona fundida. Ensayo de tensión longitudinal del cordón Para el ensayo se utilizaron probetas de 10 mm de ancho conteniendo el cordón de soldadura en el centro alineada con la dirección de la carga. En esta probeta el ancho del cordón representa aproximadamente el 10 % del ancho total. La carga se aplicó gradualmente hasta la observación macroscópica de la primera fisura, midie ndo entonces el porcentaje de deformación con un extensómetro. La aparición de fisuras ocurrió con porcentajes de deformación total menores al 11 %. Discusión de resultados Los resultados obtenidos en las determinaciones de microdureza indican un endurecimiento de la soldadura en la zona fundida. Este endurecimiento no explica por si solo el comportamiento frágil en la fractura de la unión soldada. La zona de la interfase y la ZAC presentan durezas similares o mayores y no muestran este comportamiento.

6 Las determinaciones realizadas con las técnicas EDS, aunque indicaron la presencia de aluminio titanio y silicio en la zona fundida tampoco fueron absolutamente determinantes debido a que no permitieron cuantificar la presencia de estos elementos. Las estimaciones cuantitativas arrojan contenidos de escasa relevancia. El titanio en estas aleaciones es agregado como elemento estabilizador el cual atrapa carbono y nitrógeno formando carbonitruros de titanio. De esta manera se favorecen las características de deformabilidad, manteniéndolas a lo largo del tiempo. La causa del endurecimiento está relacionada con la contaminación de la pileta líquida durante el proceso de soldadura con aportes del recubrimiento del acero, en particular con aluminio. En efecto, cuando se produce la fusión del acero en la zona del cordón, se incorporan los componentes del recubrimiento Al-Si, formando una solución líquida que tiene características diferentes al resto del acero. Cuando los contenidos de aluminio y/o silicio en canzan ciertos valores, el efecto es tal que puede desaparecer la fase austenita la cual está presente en los aceros por encima de 721 C. La influencia de estos elementos se puede observar en los respectivos diagramas de equilibrio Fe -Al, Fe-Si en las figuras 1 y 2. Figura 1: Diagrama hierro-aluminio (1) Figura 2: Diagrama hierro-silicio (1) Como se aprecia en ambos diagramas ambos tienden a eliminar la fase austenita aún con bajos contenidos. El efecto es mucho más importante en la aleación con aluminio. Esto es, se requiere un contenido muy pequeño de Al para eliminar el campo del hierro γ. Si bien no se pudo determinar con precisión el contenido de Al y Si en la zona fundida, la microestructura observada es una prueba de que el hierro γ no estuvo presente. En efecto, la presencia masiva de ferrita en dicha zona es una prueba tangible de que durante el enfriamiento no se pasó por el campo austenítico. Los productos de transformación de austenita para las velocidades de enfriamiento que ocurren en este tipo de soldadura, serían una dispersión de carburos en matriz de ferrita similar a lo observado en la ZAC. La estabilidad de la fase ferrita de la zona fundida está dada por la presencia de aluminio y silicio en solución sólida. El comportamiento frágil de ésta se explica en el endurecimiento que provoca particularmente el aluminio en solución. En condiciones normales la ferrita es un constituyente muy dúctil que es capaz de alcanzar altas deformaciones sin llegar a la rotura, sin embargo, con aluminio y silicio en solución se

7 anulan los mecanismos de deformación y ésta se transforma en un constituyente que puede presentar rotura por clivaje, por lo que rompe sin deformación plástica previa. El perfil de la superficie de fractura revela que efectivamente los planos coinciden con planos de clivaje de las estructura bcc (2)(3). Estos planos corresponden a las familias {100}, mientras que las direcciones de crecimiento de las estructuras columnares corresponden a <100> (4)(5), por lo tanto ambos son perpendiculares tal cual se aprecia en las fotos. Se presume que la cantidad de deformación plástica que puede absorber la ferrita en estas condiciones dependerá del contenido de elementos en solución. En virtud de las pequeñas cantidades de Al disponibles para ser absorbidas por la pileta líquida y menores aún cantidades de Si es de suponer que el contenido requerido es muy pequeño para producir un efecto relevante. CONCLUSIONES En base a los resultados obtenidos y a lo expresado en la discusión precedente se pueden extraer las siguientes conclusiones: 1. La determinación de la microestructura y las determinaciones con EDS no son técnicas totalmente eficientes para la determinación de las causas de fragilización de la ferrita. El conocimiento del proceso, de las características de las aleaciones involucradas y de los mecanismos de deformación, es indispensable para evaluar los procesos de soldadura en los que intervienen distintos componentes. 2. Los ensayos mecánicos que se aplican a las soldaduras si bien constituyen un complemento imprescindible para detectar el problema en campo, tampoco permiten evaluar la raiz del fenómeno. Además, debido a la influencia del azar en la absorción de componentes fragilizantes los ensayos mecánicos tienen un rango de detección que en algunos casos puede no ser suficiente para la aplicación. 3. Los ensayos no destructivos aplicables a la soldadura tampoco resultan efectivos para la detección del problema. Referencias (1) Alloy Phase Diagrams, ASM Handbook, Vol 3, (2) Applied Metallogr aphy, G.F.Vander Voort, (3) Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials, R.W.Hertzberg, Fourth Edition, (4) Introduction to the Physical Metallurgy of Welding, K.Easterling, (5) Welding, Brazing and Soldering, ASM Handbook, Vol 6, 1993.