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 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.

¿Qué son aceros austeníticos?

Son aleaciones ferrosas que presentan microestructura predominantemente austenítica, estabilizadas por la gran cantidad de elementos de aleación gamagenos, que son principalmente níquel, manganeso, nitrógeno y el carbono, siendo que en aleaciones resistentes a la corrosión y en ligas resistentes a temperaturas extremas el principal papel del carbono no es el de estabilizar la austenita, 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 austeníticos pueden encuadrarse como:

1.- Aceros resistentes a la corrosión (o inoxidables austeníticos), son básicamente aleaciones 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 óxido pasiva); el níquel se utiliza en cantidades mínimas de 6% para estabilizar la estructura austenítica, y el carbono varía para los grados estándares (usualmente con carbono hasta 0.08 %) y L (bajo carbono, 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 la resistencia a la corrosión

2.- Aceros resistentes al calor: normalmente también son aceros inoxidable, no obstante con mayores cantidades de carbono, para garantizar mayor resistencia a la cedencia y mayores cantidades de cromo, níquel y silicio, para garantizar la resistencia a la oxidación. Existen los de la serie 300 (como el 310, por ejemplo que es bien específico para trabajo en caliente), los de la serie 300 en grado H (alto carbono, normalmente hasta 0.1 %) y existen los fundidos de estructura austenítica en carburos, tipo HK y HP

3.- Aceros criogénicos, que también son inoxidables de la serie 300, normalmente de bajo carbono y con mayores contenidos de elementos austenitizantes para garantizar la estabilidad de la estructura austenítica incluso en temperaturas muy bajas.4.- Aceros resistentes al desgaste metal * metal: básicamente aleaciones de Fe-Mn, con Cr e C, estabilizados por el manganeso (cuyos contenidos se sitúan en el orden del 13 %) y con alto contenido de carbono (del orden del 1 %). Este tipo de material también se le conoce como acero

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, pero dentro de cada aplicación existen diversos otros tipos de acero que no son austeníticos, por ejemplo, los aceros austeníticos de la serie 300 con alto contenido de carbono son utilizados para resistir al calor, pero también existen diversos tipos de aceros ferríticos y martensíticos (aleados al Cr-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 pueden presentar las más variadas composiciones químicas y algunas aleaciones no son totalmente austeniticas, de forma que sus propiedades varían mucho, pero alguna características inherentes a la estructura 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 temperatura de trabajo o la tasa de carga o el estado de tensiones, el acero austenítico siempre presenta un comportamiento dúctil, y

.- que la estructura austenítica presenta una elevada tasa de endurecimiento, o sea, que el material comienza a fluir con baja tensión (normalmente la tensión límite de deformación es baja y la razón LE/LR puede ser inferior a 0.4 y a medida que el material se va deformando plásticamente, el material se va endureciendo rápidamente hasta llegar a la tensión límite de resistencia.

¿Cómo las características mecánicas afectan la soldabilidad?

Como este material no se fragiliza y presenta baja tensión límite de endurecimiento, el nivel de tensiones residuales de soldadura acostumbra ser bajo y el riesgo de agrietamiento es menor que en materiales que se endurecen y fragilizan. Adicionalmente, durante trabajo posterior (con tensiones externa actuantes) el material como soldado se va deformando y aliviando la tensión interna, de forma que en la mayoría de las aplicaciones los aceros austeníticos no necesitan de un tratamiento térmico de alivio de tensiones. Existen, sin embargo, excepciones, y esta afirmación no debe considerarse como una recomendación, ya que cada caso es un caso diferente y debe ser evaluado. Solamente se debe recordar que como estos aceros son de “alta aleación”, su alivio solamente ocurre en temperaturas muy elevadas y normalmente, cuando es necesario realizar el alivio, se utiliza la temperatura de solubilización del material.

¿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 (consumible austenítico) son muy susceptibles al agrietamiento a caliente, que ocurre debido a la baja solubilidad de las impureza en la estructura austenítica. Estas impurezas permanecen en los contornos de los granos y presentan puntos de fusión más bajos, creando una película líquida que se abre fácilmente.

Existen dos tipos de grietas a caliente de ocurrencia frecuente en los aceros austeníticos, las grietas 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 sea totalmente austenítico, y sí austero-ferrítico, donde la estructura bifásica disminuye la concentración de impurezas y disminuye el riesgo de agrietamiento.

De forma general, los aceros austeníticos no son susceptibles al agrietamiento a frío, pues disuelven el hidrógeno y no endurecen durante el enfriamiento.

Adicional a las grietas en caliente, ¿qué tipo de problemas pueden sufrir los aceros austeníticos 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 propiedad específica 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 de una película de óxido protector, garantizada por un contenido mínimo de cromo, en el caso de que ocurra cualquier transformación que reduzca el contenido de cromo en solución sólida para una dada región del material, esta región pasa a no formar óxido protector y será susceptible a la corrosión. Eso puede ocurrir siempre que algún elemento se combine con el cromo, normalmente el carbono, formando carburos, y algunas veces el nitrógeno, formando nitruros.

La baja temperatura de formación de los carburo de cromo, conocida como sensitización, es entre 400º y 800 ºC, y durante la soldadura la región que pasa mayor tiempo dentro de esta región está situada un poco alejada de la región de soldadura.

Cuando el enfriamiento de la unión soldada es lento, existe la posibilidad de formación de carburos, que precipitan en los contornos de los granos y le roban el cromo al acero, haciendo con que las regiones adyacentes queden empobrecidas y, cuando colocadas en medios acuosos, sufran un proceso corrosivo conocido como corrosión intergranular. Para evitar ese tipo de problema se debe soldar los aceros austeníticos con procesos de bajo aporte de calor, sin pre calentamiento y con técnicas de manutención a frío (baño maría)

Otro tipo de problema asociado a la pérdida de resistencia a la corrosión, ocurre en equipos cuyo medio de operación es muy agresivo, y la soldadura se realiza con un consumible anódico en relación 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 al fuerte endurecimiento de la austenita, cuando sometida al desgaste, lo que significa que el material es colocado para trabajar en el estado “suave”, y cuando sufre trabajo (en desgaste), su superficie se endurece, tornándose cada vez más resistente.

El principal tipo de problemas en este tipo de material también es la formación de precipitados, que pueden desestabilizar la austenita y favorecer la formación de martensita, con consecuente fragilización localizada y arrancamientos durante el trabajo en desgaste. De la misma forma 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 no acuosos) y el contenido de carbono en el acero acostumbra ser elevado para garantizar su resistencia a la cedencia. Sin dudas, si el contenido de carbono en el acero es elevado, y si todavía trabaja a caliente, es prácticamente imposible evitar la formación de carburos, pero eso no significa que el material sufrirá corrosión intergranular, pues estos materiales tienen también alto cromo y que a pesar de que sufran la precipitación, todavía sobra mucho cromo en solución para garantizar su pasividad. Pero, a pesar de eso, las técnicas de bajo aporte de calor también deben ser empleadas para garantizar menores alteraciones.

Uno de los principales problemas de la soldadura de estas aleaciones ocurre cuando se pretende soldar en mantenimiento un material que ya sufrió un trabajo en caliente, pues como el material e muy aleado (principalmente con alto carbono y alto cromo) existe la posibilidad de la microestructura evolucionar cuando en trabajo, endureciéndose por precipitación secundaria de carburos o formando fases intermetálicas, del tipo sigma. En ese caso la ductilidad del material baja asustadoramente 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 son comunes a todos los aceros austeníticos, que son:

.- seleccionar consumibles compatibles con la aplicación y que al mismo tiempo tengan menor riesgo de agrietamiento en caliente; por ejemplo en la soldadura de una acero inoxidable austenítico utilizar un consumible austero – ferrítico, que contenga el mínimo de ferrita delta 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 a caliente.

.- evitar la soldadura con procesos / procedimientos de aporte de calor muy elevado, pues las uniones soldadas pueden sufrir alteraciones (principalmente precipitaciones) que comprometen su futuro rendimiento en trabajo.

.- si el material es nuevo y su estructura es austenítica, se debe evitar el enfriamiento lento para que no ocurra diferentes tipos de precipitación.

.- evitar solda un material que ya sufrió trabajo a caliente (en mantenimiento) sin antes evaluar los tipos de fases presentes, pues caso el material se presente con fases intermetálicas éste podrá tener baja ductilidad y agrietarse durante la soldadura. En este caso un tratamiento térmico de solubilización anterior puede que sea necesario.