Número de ferrita en soldaduras de acero inoxidable dúplex y austenítico: medición y control

El número de ferrita, o FN, cuantifica la cantidad de ferrita que contiene una soldadura de acero inoxidable, y los soldadores lo controlan porque determina el rendimiento de la soldadura. En las soldaduras dúplex y súper dúplex, el contenido objetivo de ferrita suele ser de aproximadamente 30 a 70 FN, lo que corresponde a una estructura bifásica equilibrada; mientras que en las soldaduras austeníticas generalmente se busca un contenido pequeño pero distinto de cero de ferrita, de unos 3 a 10 FN, para prevenir la fisuración en caliente. El FN se mide habitualmente con un ferritoscopio calibrado y se predice mediante el diagrama WRC-1992; es un parámetro de control práctico que vincula el procedimiento de soldadura con la resistencia a la corrosión y la tenacidad.

Qué representa el número de ferrita
El número de ferrita es un índice magnético normalizado, no un porcentaje volumétrico directo. Surgió porque las primeras mediciones del «porcentaje de ferrita» variaban ampliamente entre laboratorios; por ello, la industria adoptó una escala reproducible definida por la respuesta magnética y rastreable a patrones secundarios. A bajos niveles, el número de ferrita (FN) y el porcentaje volumétrico de ferrita son similares, pero divergen a medida que aumenta la ferrita; por eso, las especificaciones para aceros dúplex indican la aceptación en FN o en un porcentaje convertido mediante un método definido. El número es importante porque la ferrita y la austenita se comportan de forma distinta: la ferrita aporta resistencia y protección frente a la corrosión por tensión en presencia de cloruros, mientras que la austenita aporta tenacidad y ductilidad. Una soldadura que solidifica con un equilibrio inadecuado sacrifica una propiedad para obtener la otra.

Por qué difieren las soldaduras austeníticas y dúplex
En los aceros inoxidables austeníticos, como los grados 304L y 316L, el metal base es esencialmente totalmente austenítico, pero el metal de soldadura se formula deliberadamente para solidificarse con un pequeño porcentaje (alrededor de unos pocos por ciento) de ferrita delta. Esa pequeña fracción de ferrita interrumpe los límites de grano austeníticos continuos y disuelve impurezas como azufre y fósforo, evitando así las grietas calientes de solidificación. Una cantidad insuficiente de ferrita, por debajo de aproximadamente 3 FN, aumenta el riesgo de grietas; una cantidad excesiva, por encima de unos 10 a 12 FN, puede reducir la tenacidad y, tras exposición en servicio, favorecer la embrittlement. En los aceros inoxidables dúplex ocurre lo contrario: el metal base ya presenta una mezcla equilibrada, y el objetivo consiste en reproducir ese equilibrio en la soldadura. Un exceso de ferrita en una soldadura dúplex —que se produce cuando la soldadura se enfría demasiado rápido como para que se reforme la austenita— degrada la tenacidad y la resistencia a la corrosión, mientras que un exceso de austenita reduce la resistencia mecánica y puede disminuir localmente la resistencia a la corrosión por picaduras.

Predicción del FN mediante el diagrama WRC-1992
El diagrama WRC-1992 es la herramienta moderna para predecir la ferrita de soldadura a partir de la composición. Representa gráficamente un equivalente de cromo, que suma los elementos formadores de ferrita, frente a un equivalente de níquel, que suma los elementos formadores de austenita, y permite leer directamente el valor esperado de FN. El equivalente de cromo se calcula como Cr + Mo + 0,7 × Nb, y el equivalente de níquel como Ni + 35 × C + 20 × N + 0,25 × Cu. El elevado coeficiente asignado al nitrógeno explica por qué las adiciones de nitrógeno desplazan la soldadura hacia la austenita y por qué se emplean intencionalmente en consumibles duplex y en gases de protección. Al comparar el FN previsto del metal base, del material de aporte y su dilución, un ingeniero en soldadura puede seleccionar los consumibles y el nivel de dilución adecuados para alcanzar el intervalo objetivo antes de fabricar incluso una sola probeta de ensayo.

Tabla: Objetivos típicos de ferrita

Medición de la ferrita en la práctica
El ferritoscopio es la herramienta principal en la planta de producción. Aplica un campo magnético a la soldadura y mide la respuesta, que varía según el contenido de ferrita, proporcionando una lectura directa de FN en segundos tras su calibración con estándares certificados. Es un método no destructivo, portátil y muy adecuado para controles de producción tanto en pasos de raíz como de recubrimiento. Para arbitraje o investigación, el recuento metalográfico por puntos sobre una sección transversal grabada ofrece un porcentaje en volumen; ambos métodos están contemplados en normas reconocidas. Realice múltiples lecturas a lo largo de la soldadura y de la zona afectada térmicamente, en lugar de una única medición puntual, ya que la dilución y la velocidad de enfriamiento varían a lo largo y a través de la junta. Tenga también en cuenta que el ferritoscopio solo mide la región superficial en contacto con él, por lo que el rectificado, el trabajo en frío y la contaminación superficial pueden sesgar el resultado, y las mediciones en tuberías de pequeño diámetro curvas pueden requerir una corrección geométrica. En un laboratorio equipado, la medición de ferrita se combina con ensayos de impacto y ensayos de corrosión para confirmar que un valor adecuado se traduce efectivamente en un comportamiento mecánico y anticorrosivo aceptable.

Control del ferrita mediante el procedimiento
Dos palancas de proceso dominan el control de la ferrita: la entrada de calor y el nitrógeno. La entrada de calor rige la velocidad de enfriamiento, y esta, a su vez, determina cuánta austenita puede re-formarse a partir de la ferrita que se solidifica primero. En la soldadura dúplex, una entrada de calor demasiado baja produce un enfriamiento rápido que congela una cantidad excesiva de ferrita y priva a la austenita de los elementos necesarios, reduciendo la tenacidad; una entrada de calor demasiado alta frena tanto el enfriamiento que pueden formarse fases intermetálicas. Un rango controlado —frecuentemente con un límite superior de temperatura entre pasadas cercano a 150 grados Celsius— mantiene la estructura equilibrada. El nitrógeno es la palanca química: añadir unos pocos por ciento de nitrógeno al gas protector de argón y seleccionar un material de aporte sobrealiado, rico en níquel y nitrógeno, favorece la re-formación de austenita y mejora la resistencia a la corrosión en la soldadura. El caso autógeno requiere precaución adicional, porque una soldadura realizada sin material de aporte ni nitrógeno en el gas depende exclusivamente de la composición química del metal base y tiende hacia un exceso de ferrita; por eso, los cordones raíz dúplex casi siempre se ejecutan con un gas de respaldo que contenga nitrógeno. Un error tiene consecuencias tangibles: una soldadura dúplex con exceso de ferrita presenta baja tenacidad Charpy y puede agrietarse bajo tensión clorurada; una soldadura con déficit de ferrita pierde resistencia mecánica y resistencia a la picadura; y una soldadura austenítica con muy poca ferrita puede agrietarse durante la solidificación. Especifique una ventana de FN, predígala mediante WRC-1992, controle la entrada de calor y el nitrógeno, y verifíquela con un ferritoscopio: así, la calidad de la soldadura pasa a ser un resultado controlado y documentado, no una mera esperanza.

Preguntas frecuentes
P: ¿Qué número de ferrita debe tener una soldadura dúplex 2205?
R: Una soldadura dúplex 2205 equilibrada suele apuntar aproximadamente a 30–60 FN; un exceso de ferrita reduce la tenacidad y la resistencia a la corrosión, mientras que una cantidad insuficiente disminuye la resistencia mecánica.
P: ¿Cómo se mide el número de ferrita en soldaduras terminadas?
R: Normalmente con un ferritoscopio calibrado, que mide el FN de forma no destructiva en cuestión de segundos; el recuento metalográfico por puntos se utiliza para resolución de discrepancias y proporciona un porcentaje en volumen.

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