Determinación de la relación entre el número de ferrita medido por magnetismo y el calculado gráficamente en depósitos de soldadura de aceros inoxidables austeníticos .. ............................................................. ~ 1 1NTRODUCCIÓN El contenido de ferrita tiene influencia Luis Eduardo Garavito Ramírez manganeso y expresa el contenido de ferrita en porcenta je, lo cual es impreciso [Refs. 3 y 4] . sobre las propiedades del metal de soldadura de depósitos de aceros inoxidables austeníticos. Es conocido que la ferrita reduce la tendencia a la fisuración del metal de soldadura; su presencia aumenta la resistencia del metal de soldadura y puede presentar un detrimento sobre el comportamiento del material en ciertos medios corrosivos. Generalmente disminuye la tenacidad en servicio criogénico, como también en servicio a alta tempe ratura en donde puede transformar a fase sigma [Refs. 1 y 2]. Se han desarrollado diagramas de constitución, a través de los cuales se puede predecir el contenido de ferrita en el metal de soldadura util iza ndo su composición química Ingeniero Me talúrgico de lo Universidad Libre de Colombia, Ingeniero Químico de lo Universidad Nocional de Colombia. Jefe de Control de Calidad de lo Empresa Electromonufocturos S.A. Miembro activo de AWS, del Comité Técnico de ACOSEND, del Comité de Normalización de Soldadura del ICONTEC y del Comité Técnico poro lo Certificación de Competencias Laborales SENA. Catedrático de lo Especialización en Soldadura de lo Universidad Libre. [Ref. 3]. En 1949 se pub licó e l Diagrama de Schaeffler, el cual se ha utilizado ampliamente para estimar el contenido de ferrita en metales de soldadura de aceros inoxidables y predecir la microestr uctura en uniones de metales d isímiles. Se han identificado los siguientes problemas cuando se utiliza este diagrama: no tiene en cuenta el nitrógeno como elemento austenizado r, hace un tratamiento inadecuado del El Diagrama de Delong se publicó en 197 4 e introdujo algunas mejoras: involucró el nitrógeno en el cálculo del níquel equivalente y la escala de NF. Como limitaciones presenta el manejo inadecuado del manganeso, el área limitada respecto al Diagrama de Schaeffler y la sobreestimación del contenido de ferrita en materiales con bastante a leación, como en el caso del E309. En 1988 se publicó el Di a grama WRC- 1988, el cual presenta una excelente predicción del contenido de ferrita superando a los anteriores d iagramas. Se aplica para rangos de NF de O a 100, para contenidos de Mn hasta 10%, Mo hasta 3%, N hasta 0.2% y Si hasta 1%. La me jora en la predicción ha hecho que este diagrama se haya considerado para reemplazar el Diagrama de Delong en el código ASME [Ref. 5]. En 1992, Kotecki and Si ewe rt propusieron una mod ificación del Diagrama WRC- 1988, en la cual se incluye el Cu en el cálculo del níquel equiva lente, y una extensión para mejorar la predicción de l NF en uniones disímiles [Ref. 4]. INVITADO ESPECIAL / ----~ l . Base experimental y procedimiento Tabla 1. Distribución del Número Total de Muestras por Clasificación y Diámetro (Total de muestras: 96) ¡ Diámetro Para el desarrollo del presente traba jo se utilizaron electrodos revestidos del tipo E308L, E308H, E309L, E309Mol, E3l O, E316L, E3l 7 y E34 7, clasificaciones de acuerdo con la especificación AWS A5.4-92 [Ref. 1]. Estas clasificaciones de electrodos corresponden a los de mayor utilización en el mercado. Los valores de Número de Ferrita esperados para este tipo de electrodos, son inferiores a 20 [Ref. 6]. Clasificación 1 Número de Muestras En total se obtuvieron 96 muestras de las anteriores clasificaciones, de diferentes lotes y diámetros. Con cada muestra se realizó una probeta para la determinación del Número de Ferrita, los cuales se prepararon de acuerdo con lo establecido en la especificación AWS A5.4-92 apéndice A6. Uno vez preparados, se procedió o determinar el Número de Ferrita con un instrumento calibrado de acuerdo con lo establecido en la especificación AWS A4.2 - 97 [Ref. 7]. El equipo utilizado fue un "Inspector Goge" ca librado con patrones de referencia primarios SRM l364b y l364b del NIST (National lnstitute of Standards and Technology, Boulder, Co.). Tabla 2. Distribución de los valores de número de ferrita obtenidos por En la superficie de cado probeta sobre lo cua l se determinó el Número de Ferrita, se realizó el respectivo análisis químico mediante un espectrómetro emisión por chispo, del tipo "SpectroLAB" el cual previamente se calibró y verificó con patrones de referencia NIST SRM 1155 y SRM 1172 . Con el análisis químico obtenido se determinó el 1 Diámetro 1 Diámetro 1 Diámetro 2.4 3.2 4.0 4.8 308H 8 1 3 4 o 308L 41 6 20 12 3 309L 19 1 9 7 2 309Mol 3 3 o 310 7 o o 3 4 o o 316L 11 2 5 2 2 317 2 1 1 o 3 2 aO 47 32 7 347 5 o o Total 96 10 medición directa sobre la probeta (Total 96) Clasificación J Rango de Número de Ferrita. Obte_nido E308L 5 - lo E308H 3- 12 E309L 1 E309Mol 7 - 17 o - 0.7 E310 E316L 1 E31 7 3 - lO E347 4 - 10 Total de Rango o - 17 Tabla 3. Rango de valores de la composición química obtenida por elemento Elemento ' ; Rango Obtenido (% en peso) e 0.01 - 0.11 Mn 1.1 - 2.0 Si 0.2 - 0.8 Ni 9.5 - 21 Cr 18.5 Mo 0.04 - 3.1 Nb 0.01 - 0.90 N 0.03 - 0.06 26 :: .. Figura 7. Histograma de frecuencias de los errores los resultados y los errores esperados (N F Medido - NF WRC 1992) (todos los datos) para límites de confianza del 95%. La correlación se establece utilizando como variable independiente el Número 40 de Ferrita calculado gráficamente a través de la composición qu ímica (X), Mean y como var iable dependiente el r- 30 -2sp 20 1 P"""' .....- 1 1 1 1 10 r+- ...- ··. 1 1 1 o 1 1 -3 -2 Número de Fe rrita obtenido por +2sp 1 1 1 1 1 1 -1 o li 1 medición directa sobre la probeta (Y). 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2. Resultados y Discusión 2 .1 D iagramas de Frecuencia n- 2 Con los valores de error encontrados 4 3 (NF Medido - NF WRC1992), se rea lizan diagramas de frecue ncia de Número de Ferrita a través del través de la medición directa sobre diagrama d e const itución para la pro beta, se restó el respectivo valor de Número de Ferrita obtenido depósitos de soldadura WRC 1992 [Ref. 4]. La distribución del número de muestras por clasificación de los electrodos y por los diámetros se muestra en la Tabla 1 . De las referencias y diámetros de mayor utilización en el mercado, se obtuvieron mayor cantidad de muestras. El número de muestras todos los datos y estratificados por clasificaciones; con el promedio se determina el centramiento y con la desviación estándar se determina la a través de la composición quím ica utilizando el Diagrama WRC 1992. dispersión. Se toma como referencia el valor de + / - 28 (límite de confianza Con las diferencias obtenidas (errores), del 95%). Los d iagramas se muestran en las Figuras 1, 2, 3, 4 y 5 . se realizaron d iag ramas de frecuencia, tanto de todos los valores como por clasificaciones . Posteriormente se El 99% de los datos se encuentran en rea lizaron regresiones lineales simples el rango de+/- 2 .2 unidades; el valor para establecer la correlación ent re promedio de los datos está ligeramente propuestas para el presente traba jo equivalen al14% de las muestras que se trabajaron pa ra obtener el Diagrama WRC 1988 [Ref. 5] con NF < 18, y al 50% de las muestras del trabajo de verificación del Diagrama WRC 1988 real izado por Kotecki [Ref. 8]. Los va lores de Número de Ferrita obtenidos por medición directa sobre la probeta y su dist ribuc i ón se muestran en la Tabla 2 , y el rango de va lores d e la com posición química obtenido por elemento en la Tabla 3. Con los datos obtenidos se uti lizaron Figura 2. Histograma de f recuencias de los errores (NF Medido - NF WRC 1992). Clasificaciones 308L y 308H (49 datos) Mean 20 1 1 r-• -2sp 15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 5 representa ciones estadísticas paro establecer las correla ciones entre los datos y su dispers ión . Del valor de Número de Ferrita obtenido a o -3 ,..... +2sp ,..... ...1 1 1 r-- 1 1 -2 -1 o h 2 3 4 _,_,_.+__fN_v_tr._A_o_o_E_sP_E_c_tA_L_ _ _ ___.,/ desplazado hacia el valor negativo de Figura 3. Histograma de frecuencias de los errores (NF Medido cero (Fig. 1). Estos datos presentan uno menor desviación que los valores - NF WRC 1992). Clasificaciones 309L (19 datos) encontrados poro NF < 18 en lo Referencia 1 (el 85% de los datos se encontraron en el rango de + /- 2.5 unidades). Los análisis químicos realizados o través del espectrómetro de emisión presentan valores consistentes y lo predicción del NF o través del método gráfico presenta dispersiones y desviaciones relativamente bajas. El histograma de frecuencias presenta uno formo normal con uno muy boja desviación (buen centramiento). Mean -2sp contienen molibdeno (Fig. 4), el cual presenta el menor valor de dispersión pero con la mayor desviación con respecto al cero. A pesar de esto, los datos de los clasificaciones con molibdeno se encuentran en el rango de -0 a + 2. El histograma para las clasificaciones 31 O y 34 7, presenta también un bajo valor de dispersión; esto se puede deber a que los datos de 31 O presentan valores muy cercanos o cero y no negativos. Los valores de error poro los clasificaciones 308 (L y H), 309L y oleados con molibdeno presentan valores de error de NF menores y con un mayor número de muestras dentro de este rango, que los encontrados para estos clasificaciones en estudios anteriores [Ref. 5]. Este comportamiento se esperaba, de acuerdo con lo observado en el histograma de todos los datos (Fig. 1). Respecto al comportamiento de los valores obtenidos con re lación al diámetro, no se observo ningún comportamiento diferente o los obtenidos +2sp ...-- 1 ..--- 4 2 o Lo estratificación de los datos por clasificaciones muestra un valor bajo para los referencias del tipo 308 (L y H), no muy lejano de las otras clasificaciones, excepto para los que ,_ 6 -3 -2 o -1 2 3 4 en los histogramas mostrados, por lo que el diámetro del electrodo no sobre lo probeta y el NF determinado con el Diagrama WRC muestra influencia en la determinación del NF por el método gráfico poro 1992 [Ref. 9] . Al igual que con los histogramas, se real izaron una mismo o diferente clasificación. para todos los datos y pa ra cada una de los clasificaciones estratificadas. En la Tabla 5 se 2 .2 . Relación de los datos. Regresión lineal presentan los datos de los parámetros de correlació n Se realizaron regresiones simples entre el NF medido directamente encontrados para los diferen tes análisis realizados. Figura 4. Histograma de frecuencias de los errores (NF Medido - N F WRC 1992). Clasificaciones 309MoL, 316L y 31 7 ( 16 datos) Mean 12 10 -2sp +2sp 8 6 4 2 o -3 -2 -1 o 2 3 4 Figura 5 . Histograma de frecuencias de los errores (NF M edido Como se puede observar en la Tabla - N F WRC 1992). C lasificaciones 310 y 347 (12 datos) 5, al estratificar cada una de los clasificaciones 308 (L y H) y 309L y comparar los resultados de residuales y datos estadísticos contra los valores obtenidos de todos los dato s, se observa un aumento en e l error estimado y uno d is minución d el coeficiente de correlación (r), el cual posa de excelente a aceptable en estas dos clasificaciones [Ref. 10). Po ro las clasificaciones aleadas con molibdeno se observa uno considerable disminución en el error estimado y una correlación casi perfecta, efecto que se pierde cuando esta clasificación se involucra dentro de todos los datos. De acuerdo con lo anterior, se sugiere tener dos correl a ciones : u na para las c las ificac ion es con a leació n de molibdeno (309Mol , 316L, 3 17) y otra poro las clasificaciones 308 (L y H), 309L, 3 10 y 347, utilizando en esta última todos los datos. Mean 8 +2sp -2sp 6 4 2 o -2 -3 o -1 2 3 4 Tabla 4 . Valores Estadísticos de los Histogramas Estratificación 1 Figuro Promedio 1 Desviación Estándar +1- 2 S límite Todos 1 0.38 1.22 2 .44 308L - 308H 2 0. 10 1.34 2 .68 309L 3 0.52 1.30 2 .60 309Mol -3 16L -31 7 4 1.12 0 .61 1.22 310-347 5 0.33 0.77 1.54 Tabla 5. Valores de Reg resión Lineal Simple Y = A+ B .X (Y= NF medido y X= NF diagrama WRC 1992) Clasificaciones ! Coeficiente A ·¡ Coeficiente 1 Error B estándar estimado Coef. Correlación {r) Límite de confianza 95% {+ / -2 o) Todos los datos 0.671 0.963 1.17 0.95 2.3 Todos los dotas 0.671 0.962 1. 17 0.95 2.3 1.73 0.79 1.16 0.87 2.3 309L 1.78 0.88 1.26 0.81 2.5 309Mol -316L -31 7 0.85 1.04 0.60 0.99 1.2 0.124 1.06 0.86 0.96 1.7 sin Molibdeno 308L-308H 310-347 1 CoNCLUSIONES Se ha n encontrado dos relaciones para determ inar el NF medido por magnet ismo a través del NF calculado con el diagrama WRC 1992, utilizando la técnico de emisión por chispa para la determinación del análisis químico. Se aplican para depósitos de metal de soldadura en los cuales se espera un NF inferior o 20 con los rangos de composición química establecidos. Los valores de error estimado de los corre laciones y para un lím ite de confianza del 95%, están por debajo de los repo rtados en estudios anteriores y corresponden a: +/- 1.2 N F para las clasificaciones aleadas con molibdeno y o +/- 2.3 NF paro los otros clasificaciones. INVITADO ESPECIAL / --------Figuro 6. Regresión Lineal para todos los Datos y utilizable para las clasificaciones 308(L y H), 309L, 31 O y 34 7 Microestructure and Properties", Welding Journal, pp. 281 s-295s, october, 1985. [4] D.J. Kotecki and T.A.Siewert, "WRC- 1992 Const itution Diagrom for Stainless Steel Weld metals: A Modification of the WRC-1988 Diagram", Welding Journal, pp. 171s-178s, may 1992. 15 10 5 .• ..· ...... o .. o 4 2 Linear: 6 10 8 12 Y= .6712136 + .962698 • X 14 16 Linear 95%C.I. Figuro 7. Regresión Lineal para las clasificaciones aleadas con Molibdeno (309MoL, 3 16L y 3 17) 10 .•-····+ + 5 -!:············· ... 2 Linear: 4 6 Y = .8491673 [6] D.J. Kotecki, "Understanding Delta Ferrite", Welding Design and Fabrication, pp. 33-36, december, l 990. [7] ANSI/AWS A4.2-97, "Standard Procedures for Ca l ibrating Magnetic lnstruments to Measure th e Delta Ferrite Content of Austenitic and Duplex Ferritic Austenitic Stainless Steel Weld Metal", American Welding Society, pp. 1-23, november, 1997 . 15 ..· [5] T.A Siewert, C.N. McCowan and D.L Olson, "Ferrite Number Prediction to 100 FN in Stainless Steel Weld Metal", Welding Journal, pp. 289s-297s, december, 1988. 8 10 12 + 1.042886 • X BIBLIOGRAFÍA [1] ANSI/AWS A5.4-92, "Specification for Stainless Steel Electrodes for Shielded Meta l Are Welding", American Welding Society, pp. 131, april, 1992 . 14 16 Linear [8] D.J. Kotecki, "Verification of the NBS-CSM Ferrite Diagram", IIW, Document 11-C-834-88, 1988. 95%C.I. [2] T.C Gooch, "Solidification Cracking of Austen itic Stainless Steels", We lding lnstitute, The Weldability Symposium, 1990. [3] D. L, Olson, "Prediction of Austenitic Weld metal [9] D.J. 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