Nombre de ferrita en soldadures d’acer inoxidable duplex i austenític: mesura i control

El nombre de ferrita, o FN, quantifica la quantitat de ferrita que conté una soldadura d’acer inoxidable, i els soldadors el controlen perquè determina el rendiment de la soldadura. Per a les soldadures duplex i superduplex, el contingut objectiu de ferrita és generalment d’uns 30 a 70 FN, cosa que correspon a una estructura bifàsica equilibrada, mentre que les soldadures austenítiques solen apuntar a un contingut de ferrita petit però no nul, d’aproximadament 3 a 10 FN, per evitar la fissuració a l’alta temperatura. Es mesura habitualment amb un ferritoscopi calibrat i es prediu mitjançant el diagrama WRC-1992; el FN és un paràmetre de control pràctic que relaciona el procediment de soldadura amb la resistència a la corrosió i la tenacitat.

Què representa el nombre de ferrita
El nombre de ferrita és un índex magnètic normalitzat, no un percentatge directe en volum. Va sorgir perquè les primeres mesures del «percentatge de ferrita» variaven molt entre laboratoris, de manera que la indústria va adoptar una escala reproductible definida per la resposta magnètica i traçable fins a patrons secundaris. A nivells baixos, el nombre de ferrita (FN) i el percentatge en volum de ferrita són semblants, però divergeixen a mesura que augmenta la ferrita; per això les especificacions de materials duplex indiquen l’acceptació en FN o en un percentatge convertit mitjançant un mètode definit. El nombre és important perquè la ferrita i l’austenita es comporten de forma diferent: la ferrita aporta resistència i resistència a la corrosió per tensió en presència de clorurs, mentre que l’austenita aporta tenacitat i ductilitat. Una soldadura que solidifica amb un desequilibri entre aquests dos constituents sacrifica una propietat per obtenir-ne una altra.

Per què difereixen les soldadures austenítiques i duplex
En les qualitats austenítiques, com ara les 304L i 316L, el metall base és essencialment totalment austenític, però el metall de soldadura es formula deliberadament per solidificar amb un percentatge reduït de ferrita delta (uns pocs per cent). Aquesta petita fracció de ferrita interromp els límits de gra d’austenita contínua i dissol impureses com el sofre i el fòsfor, evitant així la fissuració calenta durant la solidificació. Una quantitat massa reduïda de ferrita, inferior a uns 3 FN, comporta risc de fissuració; en canvi, una quantitat massa elevada, superior a uns 10–12 FN, pot reduir la tenacitat i, després d’una exposició en servei, provocar fragilització. Les qualitats duplex funcionen a l’inrevés: el metall base ja és una mescla equilibrada, i l’objectiu és reproduir aquest equilibri en la soldadura. L’excés de ferrita en una soldadura duplex —que es produeix quan la soldadura es refreda massa de pressa perquè l’austenita torni a formar-se— redueix la tenacitat i la resistència a la corrosió, mentre que l’excés d’austenita disminueix la resistència mecànica i pot reduir localment la resistència a la picadura.

Predicció del FN mitjançant el diagrama WRC-1992
El diagrama WRC-1992 és l’eina moderna per predir la ferrita de soldadura a partir de la composició. Representa gràficament un equivalent de crom, que suma els elements formadors de ferrita, enfront d’un equivalent de níquel, que suma els elements formadors d’austenita, i permet llegir el FN esperat. L’equivalent de crom és Cr + Mo + 0,7 × Nb, i l’equivalent de níquel és Ni + 35 × C + 20 × N + 0,25 × Cu. El coeficient elevat aplicat al nitrogen mostra per què les aportacions de nitrogen desplacen la soldadura cap a l’austenita i per què s’utilitzen intencionadament en els materials d’emplenament i en els gasos de protecció de tipus duplex. Mitjançant la comparació del FN previst d’un metall base, d’un material d’emplenament i de la seva dilució, un enginyer de soldadura pot seleccionar consumibles i nivells de dilució que situin el resultat dins de la finestra objectiu abans de tallar ni tan sols una proveta d’assaig.

Taula: Objectius típics de ferrita

Mesura de la ferrita en la pràctica
El ferritoscopi és l’eina fonamental a la planta de producció. Aplica un camp magnètic a la soldadura i en mesura la resposta, que varia segons el contingut de ferrita, donant una lectura directa de FN en segons un cop calibrat respecte als estàndards certificats. És un mètode no destructiu, portàtil i molt adequat per a controls de producció tant en passes de relleu com en passes de cobertura. Per a fins d’arbitratge o recerca, el recompte puntual metal·logràfic sobre una secció transversal gravada proporciona un percentatge en volum; ambdós mètodes estan recollits en normes reconegudes. Realitzeu diverses lectures al llarg de la soldadura i de la zona afectada tèrmicament, en comptes d’una única mesura en un sol punt, ja que la dilució i el refredament varien al llarg i a través de la junta. Tingueu també en compte que el ferritoscopi només mesura la regió superficial amb què entra en contacte, de manera que el poliment, el treball en fred i la contaminació superficial poden distorsionar el resultat, i les lectures realitzades en tubs de petit diàmetre corbats poden necessitar una correcció geomètrica. En un laboratori ben equipat, la mesura de ferrita s’acompanya d’assaigs d’impacte i d’assaigs de corrosió per confirmar que un bon valor numèric es tradueix efectivament en un comportament mecànic i anticorrosiu acceptable.

Control de la ferrita mitjançant el procediment
Dos palanques de procés dominen el control de la ferrita: la calor aportada i el nitrogen. La calor aportada regula la velocitat de refredament, i aquesta, al seu torn, determina quanta austenita pot tornar a formar-se a partir de la ferrita que es solidifica primer. En la soldadura duplex, una calor aportada massa baixa produeix un refredament ràpid que congela una quantitat excessiva de ferrita i priva l’austenita de material, afectant la tenacitat; per contra, una calor aportada massa alta redueix tant la velocitat de refredament que poden formar-se fases intermetàl·liques. Un rang controlat, sovint amb una temperatura entre passes propera als 150 graus Celsius, manté l’estructura equilibrada. El nitrogen és la palanca química: afegir uns quants percentatges de nitrogen al gas de protecció d’argon i triar un material d’afegit sobrealiat, ric en níquel i nitrogen, promou la re-formació d’austenita i augmenta la resistència a la corrosió de la soldadura. El cas autògen mereix una atenció especial, ja que una soldadura sense material d’afegit i sense nitrogen al gas depèn totalment de la composició química del metall base i tendeix cap a una ferrita excessiva; per això, les passes arrel duplex es realitzen gairebé sempre amb un gas de suport que contingui nitrogen. Si es cometeix un error, les conseqüències són tangibles. Una soldadura duplex rica en ferrita mostra una baixa tenacitat Charpy i pot fissurar-se sota esforç clorurat; una soldadura pobra en ferrita perd resistència mecànica i resistència a la picadura; i una soldadura austenítica amb massa poca ferrita pot fissurar-se durant la solidificació. Especifiqueu una finestra de FN, prediga-la mitjançant WRC-1992, controleu la calor aportada i el nitrogen, i verifiqueu-ne el resultat amb un ferritoscopi: així, la qualitat de la soldadura es converteix en un resultat controlat i documentat, i no en una mera esperança.

Preguntes freqüents
P: Quin nombre de ferrita ha de tenir una soldadura duplex 2205?
R: Una soldadura 2205 equilibrada normalment té com a objectiu un nombre de ferrita d’aproximadament 30 a 60 FN; massa ferrita redueix la tenacitat i la resistència a la corrosió, mentre que massa poca redueix la resistència mecànica.
P: Com es mesura el nombre de ferrita en les soldadures acabades?
R: Principalment amb un ferritoscopi calibrat, que llegeix el nombre de ferrita (FN) de manera no destructiva en segons; el recompte puntual metal·logràfic s’utilitza per a resoldre disputes i proporciona un percentatge en volum.

Per a canonades duplex i austenítiques soldades i provades segons objectius controlats de ferrita, poseu-vos en contacte amb Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. Tel. +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/