PDF Link - Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales

54
Revista
Latinoameriruna
de Metalurgia
y. Materiales.
Vol.14
INFLUENCIA DEL PROCEDIMIENTO
DE APORTACION
MICROESTRUCTURA
DE UN ACERO WCB y CA-15
N° l. 1994
DEL STELLITE-6
EN LA
*Ligia Ruiz, **Martha Díaz, ***Sonia Camero, ***Joslinda Arraiz, ***Samuel García
*
IUPF AN/Núcleo Puerto Cabello
**
USB/Núcleo Litoral - Dpto. Tecnología Industrial
* * * UCVlEscuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencias de los Materiales. Centro de Microscopía Electrónica
Abstraer
This study establísnes the intluence 01' GMAW welding procedure in steel designed as'WCBand <L:A-I5.
Usually thesematerials
are employed to rnake back val ves shims utilized in the oil and oil-chemistry íridustries.
The microstructural characteristics 01' these marerials was determinated with the aid of S.E.M. and E.D.S.
methods, after welded with Stellite 6. 111e following parameters were considered in this research: electrical
current, pre-heating and ulterior thermal treatrnent.
Theresults obtained show that WCB has better mechanical properties associated with microstructure after
weld.
Resumen
Con el presente estudio se pretende establecer la intluencia del procedimiento de soldadura con gas y
arco de metal (GMAW) sobre muestras de acero designadas como WCB y CA-IS. Estos materiales son
usualmente empleados en la fabricación de las cuñas de las válvulas tipo compuertas, utilizadas en la industria
petrolera y perroquímica. Se determina. a través de las técnicas de microscopía electrónica de barrido (M.E.B.) y
especrrnmerría de energía dispersa de rayos X (E.D.S.), las características microestructurales obtenidas a partir de
la técnica 'de aportación de Stellite-6 considerando parámetros eléctricos, condiciones de precalentamiento y
tratamiento térmico posterior. Los resultados muestran que el aporte sobre el material base WCB presenta las
microestructuras
más favorables relacionadas
con las mejores propiedades mecánicas asociadas con el
procedimiento aplicado.
I .. INTRODUCCION
Actualmente,
las ern presas petroleras y
petroquímicas exigen que los materiales utilizados
en los asientos de las válvulas tipo compuerta, en
contacto directo con t1uídos severos, cumplan con
los. requisitos
establecidos
por las normas y
procedimientos internacionales [1-4].
Con el avance de la tecnología,
se han
desarrollado nuevas técnicas para el aporte de una
aleación de base cobalto (Stellite 6) sobre aceros
de uso común, en la fabricación de elementos de
válvulas, con la finalidad de incrementar su vida
útil, mejorando
notablemente
su resistencia
al
desgaste, erosión, corrosión y dureza [5,6].
Es sabido que las cuñas realizadas con los
materiales
WCB y CA-15 y posteriormente
aportadas
con Stellite 6 empleando
métodos
tradicionales de soldadura con gas y arco de metal
(OMA W), presentan fallas tipo agrietamiento en
frío, de carácter progresivo
al poco tiempo de
haher realizado dicho aporte, considerando
las
normas y procedimientos
internacionales,
así
Lutinñmericun
Iourna!
(){ Meuillurgy
como las recomendaciones
de los fahricantes del
material de aporte.
El ohjeto del presente trahajo, consiste en
determinar
los cambios microestructurales
que
ocurren por efecto del procedimiento
utilizado,
considerando
la caracterización
metalúrgica del
material de aporte y de los materiales base; así
C01110 las variables
inherentes en el proceso, a
través de las técnicas
de M.E.B. y E.D.S y
evaluación de las propiedades mecánicas tracción
y dureza.
11. DESARROLLO
EXPERIMENTAL
Para el estudio se seleccionaron
acero de
grados comerciales ASTM A-216 (WCB), ASTM
A-217 (CA-15) y un material de aporte A WS A
5.13 (R-Co-Cr-A),
cuya composición
química
realizada
en un equipo de espectroscopíade
difracción de rayos X y marca JOVIN YRON,
modelo J4-32, se presenta en la Tabla 1.
and' Materials,
Vo1.14. N" l. 1994.
Revista Latinoamericana de Metlii~~gia y Materiales. Vol.14 N" 1. 1994
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I
diámetro provenientes de válvulas tipo compuerta,
como se detalla en la Figura l.
Las formas geométricas de las muestras
empleadas corresponden a cuñas de 8 pulgadas de
Tabla 1. Resultados de los ensayos de análisis químico de los materiales de estudio.
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MAlERIALES
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GR. WCB
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ASlM A - 2
GR. CA 15
AWS A 5.13
R - Co-Cr-A
0.150
1.010
C
0.245
Mn
1.090
0.895
-
Si
0.574
0.841
-
O
M
P
0,C)24
0.034
-
P
S
0.019
0.003
-
O
S
Cr
0.304
11.3000
28.3000
Ni
0.198
0.162
1.720
Mo
(l.(176
0.127
-
Al
'0.040
0.011
-
Cu
0.088
0.087
1.180
Y
0.088
0.462
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2.970
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FIigura 1. Corte transversal de una válvula tipo compuerta
El aporte de Stellite 6, se realizó siguiendo
el proceso de soldadura con gas y arco de metal
(GMAW), a través de una transparencia tipo
"Spray", empleando un alambre de 1.6 mm .de
diámetro, una corriente continua polaridad (+) de
200 a 260 A Y un voltaje de 22 a 28.
Las temperatúras de precalentamiento para
los aceros WCB y CA-15, fueron de 536 y 716 F,
respectivamente? obtenidas a partir de la fórmula
de carbono equivalente total deducidas por el
Instituto Internacional de la Soldadura (ITS) y
adoptado' por la Asociation Steels Mechanical
Engineers (SME).
Una vez determinado
el proceso de
aportación, el enfriamiento de la pieza se llevó a
cabo sumergiendo la cuña a una cierta profundidad
en un cajón de arena de sílice iluminado y cenado
durante 12 horas. Luego, se sometieron a un
tratamiento térmico a una temperatura de 593~648
C durante una hora/pulgada
y alcanzando
velocidades de enfriamiento de L20-100 C/hr.
Las muestras del material aporte, de los
metales bases y las correspondientes al perfil de
soldadura para ser analizadas por M.E.B. y
E.D.S., se prepararon siguiendo la técnica de
metalografía convencional. Los reactivos de
ataque utilizados fueron: para el material WCB,
una solución de Nital al 5%, constituída por 2 ml
Latin/vmerican
Journal
of Merallurgy
de HN03 y 98 rnl de alcohol metílico; para el
acero eA-15, una solución de Vilella, constituída
por
5 ml de HCl, 1 gr de ácido pícrico y 100
ml de etanol; y para el Stellite 6, una solución de
agua regia, constituída por lOml de HN03, 20ml
de HCl y 20 ml de glicerina.
Se utilizó un microscopio electrónico de
barrido marca HITACHI modelo S-2400. En
todos los casos se operó con un potencial de 20
kV Ylas imágenes fueron obtenidas en el modo de
electrones secundarios -.
Los materiales de estudio se sometieron a
ensayos de tracción y dureza Brinell, con la
finalidad
de determinar
sus propiedades
mecánicas, fabricándose probetas de calificación
del material
III. RESULTADOS
Y DISCUSION
Los resultados obtenidos en los ensayos
mecánicos se muestran en la Tabla 2.
Mediante las técnicas de M.E.B. y E.D.S.,
se determinó que el material base CA-15 presenta
una estructura constituída por límites de ferrita en
una matriz martensítica con presencia de gran
cantidad de carburos de cromo, tanto en elseno de
la matriz como en los límites de grano, figura 2.
and
Materials,
Vo l.l 4,. N°
1, 1994.
Revista
Latinoamericana
de Metalurg.ia
y Materiales,
Vol.14
57
N° 1, 1994
roce metal-metal, desgaste, impacto y abrasión,
así como el cromo disuelto en toda la matriz
metálica de cobalto, ofrece excelente protección
contra la corrosión.
La Figura 5, muestra la línea de fusión de
la aportación de Stellite-6 (a la derecha) sobre el
material base CA-15 (a la izquierda). En este caso
se define una zona de fusión uniforme, donde la
penetración del material de aporte alcanza
aproximadamente 10 micras. Se observa además,
una transformación completa de la estructura
original, producto de la elevada temperatura
alcanzada en esta zona. Después de realizada la
aportación y el tratamiento térmico posterior, se
determina una estructura de martensita revenida,
comenzando a observarse islas de ferrita a
distancias de la zona alrededor de unas 75 micras.
La Figura 6 muestra la evolución
microestructural del CA-15 en zonas distantes de
la linea de fusión y observándose la presencia de
carburos de cromo, tanto en la matriz como en los
límites.
La última transformación sufrida por el
metal base se caracteriza por presentar una matriz
de martensita revenida con islas de ferrita
uniformes y carburos de cromo globulizados.
La presencia de una gran cantidad de
carburos de cromo en la matriz del acero, hace que
este material se caracterice por su alta dureza como
se muestra en la tabla 11,presentando además una
elevada resistencia al desgaste y a la abrasión.
En la Figura
3 se observan
las
características microestructurales presentes en el
material base WCB. A partir de las técnicas de
M.E.B. y E.D.S., se determina una estructura
constituída por una matriz ferrítica con granos de
perlita
fina. También
se observa
gran
heterogeneidad en la distribución y tamaño de
grano, consecuencia
de los procesos
de
enfriamiento sufridos por la pieza fundida. La
estructura
ofrece buenas propiedades
de
ductilidad, maquinabilidad y resistencia a impactos
de cargas medias.
La Figura 4 revela la microestructura del
material utilizado como recubrimiento en los
procesos de soldadura.
La microestructura
consiste de una matriz de cobalto con límites de
carburo de cromo tal y como lo señalan los
análisis químicos puntuales realizados por E.D.S.
sobre los mismos. para el Stellite-6,
por
presentarse en forma de alambre. mecánicos se
muestran en la Tabla 2.
La formación de los carbures otorga al
material propiedades extremas de resistencia al
Tabla 2. Resultados de los Ensayos Mecánicos de Tracción y Dureza de los Materiales de Estudio
Material
WCB
CA -15
Stellite-6
Límite de t1uencia
I)..gflmm2 (Psí)
37 (52.624)
46 (65.424)
N/A
Latin/unerican
Esfuerzo último
a la tensión
Kgflnl1112(Psi)
59 (83.9l4)
66 (93.870)
N/A
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% de alargamiento
Metal/urgy
% Reducción de área
Dureza RBN
(RRC)
52
32
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167
528(53)
528(53)
27
20
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Total
Iter
0.1419
100.00
Figura 2. Micrografías por M.E.B. detallando la microestructura
del metal base CA-15, con microanálisis
químico puntual por E.o.S. en las partículas de carburos (a y h) Y límite de grano (e).
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KA
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Figura 3. Micrografías por M_E.B. del metal base WCB con su E.D.S. en: (a) Matriz (b) Perlita
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0.19
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0.0720
3
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Weight
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Cr KA
Fe KA
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25.26
4.91
64.46
Percent
28.63
5.21
64.45
1.71
Total
100.01
5.34
Precision K - Ration Iter
2 Sigma
02020
0.14
0.0493
0.09
0.6274
0.29
2
0.20
0.0413
100.00
FIigura 4. Micrografías por M.E.B. del material de aporte Stellite 6 con su microanálisis químico por E.D.S.
en:
(a) Matriz
(b) Límites de grano
Latinémerican
Journal
or
Mctullurgy
and Muterials, Vol.14,
N" 1, 1994.
Revista
Latinoamericana
de M etttlurgia
y M ateriales.
Vol.14
N° 1, 1994
61
Figura 5. Micrografía por M.E.B. del perfil de soldadura sobre el metal base CA-15 utilizando la técnica
nueva.
Figura 6. Micrografías por M.E.B. mostrando la microestructura en el metal base CA-15:
a) Zona cerca del Cordón. b) Zona media del Cordón.
Latinñmerican
Journal
of Metallurgy
and
Materials,
Vol. 14, N° 1, 1994.
62
Revista
Latinoamericana
de Metalurgia
y Materiales,
Vol.14
N° 1, 1994
.(r.).
Figura 6. Micrografías por M.E.B. mostrando
e) Zona opuesta al Cordón
La figura 7 muestra la línea de fusión de
aportación de Stellite-ó (a la izquierda), sobre el
material base WCB (a la derecha).
Nótese la
menor difusión del material de aporte sobre el
metal base, alcanzado valores de 8 rnicrus.
Se observa, en el área correspondiente
al
material de aporte, la presencia de carhuros de
cromo, característicos del Stellite 6. La disolución
completa de estos carburos .se asocia a las altas
temperaturas alcanzadas en esta zona, y sólo hasta
la microestructura
en el metal base CA-15:
una profundidad
de 65 micras es cuando estos
aparecen
disgregados
hasta
alcanzar
homogeneidad en la matriz cobalto.
Hacia la izquierda se observa como los
carburas de cromo, propios del Stellite-6, están
completamente
disueltos
debido
a las altas
temperaturas alcanzadas en esta zona, y sólo hasta
una profundidad de 65 rnicras aproximadamente
es que estos aparecen disgregadamente
hasta
unitormizarse en la matriz de cobalto.
Figura 7. Micrografía por M.E.B. del perfil del soldadura sobre el metal base WCB utilizando la técnica
nueva. Fase clara martenxítica y la fase oscura hainitica.
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N
1, 1994
63
Figura 8 (e). Micrografía por M. E. B. mostrando la microestructura en el metal base WCB en la Zona
opuesta al perfil.
IV. CONCLUSIONES
- La evaluación microestructural a través
de las técnicas de M.E.B. y E.D.S., verifican la
presencia de los microconstituyentes típicos de los
materiales caracterizados.
- El procedimiento de soldadura aplicado
bajo los parámetros especificados, determina que
el aporte sobre el material base WCB presenta las
microestructuras más favorables relacionadas con
las propiedades mecánicas asociadas con la técnica
empleada.
- El material WCB presenta, a partir de la
zona de fusión, un perfil microestructural más
homogéneo,
llegando
a alcanzar
su
microestructura original. una profundidad de 65
Latin.Amcrican
lo urnul
o/ MC'IIIIII/rgy
micras es cuando estos aparecen disgregados hasta
alcanzar homogeneidad en la matriz cobalto.
Hacia la izquierda se observa como los
carburos de cromo propios del Stellite-ó están
completamente
disueltos debido a las altas
temperaturas alcanzadas en esta zona, y sólo hasta
una profundidad de 65 micras aproximadamente,
es que estos aparecen disgregadamente hasta
unilormizarse en la matriz de cobalto.
a/1.(1 Mntcrio!«.
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