Transformaciones de Fase Causadas por un Tratamiento Térmico

Transformaciones de Fase Causadas por un Tratamiento Térmico Posterior
a la Soldadura en Acero Inoxidable Martensítico ASTM Grado CA6NM
Autor: HERNANDO PACHECO GÓMEZ
Orientador: PhD Alejandro Toro
Maestría en Ingeniería Materiales y Procesos.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA-SEDE MEDELLÍN
RESUMEN
El acero inoxidable martensítico ASTM A743 Grado CA6NM ofrece buena
combinación de propiedades mecánicas y soldabilidad, una aceptable resistencia a la
corrosión y bajo costo en relación con otros aceros inoxidables, por lo que ha tenido
gran aceptación para aplicaciones como rotores de bombas, impulsores, difusores,
carcasas, entre otras, en rangos de operación que oscilan entre -110 °C y 315 °C. Sin
embargo, estas propiedades dependen fuertemente de la microestructura, que está sujeta
al tratamiento térmico utilizado.
En este trabajo se observaron las variaciones microestructurales producto de
tratamientos térmicos de homogenización, de revenido a temperaturas por dentro y por
fuera del rango establecido por la norma ASTM A743, variaciones causadas por la
aplicación de un cordón de soldadura, y tratamientos térmicos posteriores a la
soldadura. Las observaciones de la microestructura se hicieron utilizando microscopía
óptica, microscopía electrónica de barrido, microscopía electrónica de transmisión,
difracción de rayos X, dilatometría y medidas de dureza y microdureza.
Complementario a esta evaluación se realizó una simulación de la transferencia de calor
durante un revenido posterior a la soldadura sobre la geometría del cangilón de una
turbina tipo Pelton, utilizando elementos finitos, con el fin de contribuir a la
implementación de un procedimiento in situ para el sector energético colombiano. La
simulación fue validada con mediciones de temperatura utilizando un sistema de
termopares acoplados a una turbina real, durante un calentamiento con resistencias.
La mejor condición microestructural se obtuvo a partir de tratamientos térmicos
posteriores a la soldadura realizados a 600 oC, en los que se logró una martensita más
refinada y homogénea que en el resto de los tratamientos, además de una fracción
volumétrica de austenita retenida alrededor del 10%. Fue posible hacer una
caracterización detallada de la ZAT y se identificaron carburos hexagonales de tipo
M7C3 en las muestras revenidas a 650oC, así como ferrita delta de tamaño submicrométrico en el material sin tratamiento térmico posterior a la soldadura. Además, el
análisis de la cinética de la formación de austenita mediante el modelo JMAK indicó
que el proceso es controlado por difusión y no por avance de intercaras. Según la
simulación de transferencia de calor efectuada, el tratamiento térmico puede realizarse
in situ con los recursos actuales, al menos en la arista media del intrado de un cangilón
Pelton.
Palabras clave: Acero inoxidable martensítico grado CA6NM, tratamientos térmicos
posteriores a la soldadura in situ, transformaciones de fase, turbina Pelton.
Phase Transformations Caused by a Post Weld Heat Treatment on ASTM
Martensitic Stainless Steel Grade CA6NM
Author: HERNANDO PACHECO GÓMEZ
Director: PhD Alejandro Toro
Maestría en Ingeniería Materiales y Procesos.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA-SEDE MEDELLÍN
ABSTRACT
ASTM A743 grade CA6NM martensitic stainless steel offers a good combination of
mechanical properties and weldability, as well as an acceptable corrosion resistance
and low cost in comparison with other stainless steels. These features make it suitable
for manufacturing impellers, diffusers, pumps housings, among others, operating at
temperatures between 110 °C and 315 °C. Nevertheless, these properties strongly
depend on the microstucture, which is associated with the heat treatment applied to the
material.
In this work, the microstructural changes caused by different heat treatments such as
solution treating, tempering at various temperatures (some of them recommended by
ASTM A743 standard), thermal cycles caused by a bead on plate welding procedure and
post-weld heat treatments were analyzed with the aid of optical, scanning electron and
transmission electron microscopy, X-ray diffraction, dilatometry and hardness and
microhardness measurements. In addition, it was developed a heat transfer simulation
of a post-weld tempering of a Pelton turbine bucket by using a Finite Elements method,
which focus is to contribute to develop an in situ procedure applicable to Colombia’s
energetic industry. The simulation was validated with the aid of temperature
measurements made with an array of thermocouples coupled to a real turbine heated
locally by means of electrical resistances.
The best microstructural condition was obtained with post weld heat treatments
performed at 600 oC, in which a refined and more homogeneous martensite was
obtained, together with a volume fraction of retained austenite around 10%. A detailed
characterization of the ZAT led, among other results, to the identification of hexagonal
M7C3-type carbides in samples tempered al 650oC and sub-micron delta ferrite grains in
untempered samples. The analysis of kinetics of austenite formation revealed that
diffusion rather than interface movement controlled the reaction. Finally, the heat
transfer simulation pointed out the feasibility of performing in situ post-weld heat
treatments in actual Pelton turbines operating in hydro electrical power plants in
Colombia.
Key words: ASTM A743 grade CA6NM martensitic stainless steel, in situ postweld
heat treatment, phase transformations, Pelton turbine.