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• Manuel Fabián Silva Guzmán

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1.2.4

Aceros Inoxidables Dúplex Los aceros inoxidables dúplex son los de más reciente desarrollo; son

aleaciones fierro-cromo-níquel-molibdeno que forman una mezcla de cantidades aproximadamente iguales de austenita y ferrita. Sus características son las siguientes: 

Son magnéticos.



No pueden ser endurecidos por tratamiento térmico.



Buena soldabilidad.



La estructura dúplex mejora la resistencia a la corrosión de fractura bajo tensión en ambientes con iones de cloruro.

1.2.4.1.

Metalurgia básica

Los aceros inoxidables dúplex (AID) presentan dos fases: dispersión de austenita ccc en una matriz de ferrita cc. La cantidad exacta de cada fase está en función de la composición y el tratamiento térmico. Los principales elementos de aleación son cromo y níquel, sin embargo la cantidad de níquel es insuficiente para desarrollar completamente la estructura cristalina austenítica. El contenido de cromo varía del 22 al 26%, y el contenido de níquel de 4 a 7%. La adición de elementos como nitrógeno (0.08 a 0.35%), molibdeno (hasta 4.5%), cobre, silicio, y tungsteno (0.7%) permite controlar el balance en la configuración metalográfica, así como impartir ciertas características de resistencia a la corrosión. La denominación DUPLEX se aplica a un tipo de acero inoxidable, cuya composición química ha sido cuidadosamente ajustada para lograr una estructura cristalina mixta, de aproximadamente mitad de fase ferrita y mitad de fase austenita. Esto se logra incorporando a un acero ferrítico, una cantidad pequeña y controlada de níquel (a veces Mn y N). La aleación resultante presenta características mecánicas muy superiores a la de un AIA, tienen un esfuerzo a la fluencia con tensión de 550 a 690 MPa en la condición de recocido, aproximadamente el doble del esfuerzo de fluencia de cualesquiera de estas fases por separado, permitiendo el uso de menores espesores, con el consiguiente ahorro de material y menor costo. A esto se suma una muy buena resistencia a la corrosión uniforme y localizada, como corrosión por picaduras (pitting), corrosión en grietas (crevice) y corrosión bajo tensión o cracking (SCC), en los casos más críticos de altas concentraciones de cloruro, presencia de

fuertes agentes reductores y presencia de súlfuro de hidrógeno. También poseen buena soldabilidad, si se utiliza la técnica adecuada. La familia de los AID se puede dividir en tres grandes categorías: 

Aceros dúplex sin molibdeno.



Aceros dúplex 22Cr (con 22% de cromo).



Aceros dúplex 25Cr (con 25% de cromo). Los dúplex 22Cr han sido utilizados desde 1970 en las plataformas marinas, en

la industria del petróleo y gas, petroquímica, pulpa y papel, del control de la contaminación. Desde fines de la década del 80 los dúplex 25Cr (llamados súper dúplex), de mayor resistencia mecánica, se han ido introduciendo gradualmente en ese campo. La principal razón para evolucionar hacia los aceros dúplex es el costo. Su menor porcentaje de níquel (un elemento caro) y una mayor resistencia mecánica, que permiten ahorrar hasta un 25% en peso, reducen el costo de una instalación. Otra razón es su superior resistencia a la corrosión localizada. Debido al riesgo de fragilización, los materiales no soldadados se limitan a aplicaciones por debajo de los 280ºC, en tanto que los materiales soldados no se utilizan por encima de los 250ºC.

1.2.4.2 Características de los Aceros Inoxidables Dúplex y comportamiento frente a la corrosión Las propiedades de los aceros dúplex son muy sensibles a variaciones en la composición química especialmente de cromo, molibdeno, níquel y nitrógeno. El molibdeno y el nitrógeno son importantes en determinar la resistencia a la corrosión por picaduras y grietas, mientras que el níquel es fundamental para mantener el equilibrio ferrita/austenita de la aleación. Tal es así que el AID 2205 (S31803), que inicialmente apareció con 22% Cr y 3% Mo y luego fue disminuyendo hasta los valores límite permitidos (perdiendo en propiedades), fue reemplazado por el AID 2205 (S32205) con un mínimo de 22% Cr y 3% Mo subiendo también el valor mínimo de nitrógeno de 0.08% N a 0.14% N, por necesidad de los usuarios.

a)

Dúplex 2304 Pertenece al grupo de aceros dúplex sin Mo, de alta resistencia mecánica (σ =

91 ksi ≈ 62.74 kg/mm2) y dureza (230 Brinell), perfectamente equilibrado en su composición para lograr aproximadamente 50% de fase ferrita y 50% de fase

austenita. La austenita es estable y se restituye espontáneamente en la zona afectada por el calor en una soldadura. Combina las propiedades de los aceros ferríticos y austeníticos. El alto contenido de cromo le confiere una gran resistencia a la corrosión por picaduras, por grietas y corrosión uniforme. Su microestructura dúplex garantiza una gran resistencia a la corrosión bajo tensión. Se utiliza tanto recocido como templado (950-1050ºC). Puede ser trabajado (formado) en frío, al igual que los aceros austeníticos, pero con mayor esfuerzo debido a su mayor límite elástico (Y = 60 ksi ≈ 41.36 kg/mm 2). El trabajo en frío produce un endurecimiento de la aleación. También puede ser trabajado en caliente (1100-950ºC) seguido por un recocido y templado. Durante su uso, no debe ser expuesto a temperaturas sobre 300ºC por períodos largos de tiempo. Tiene buena soldabilidad sin requerir tratamiento térmico después de la soldadura. Como electrodo puede usarse tanto 2304 como 2205.

Aplicaciones 

Tubos intercambiadores de calor



Evaporadores



Digestores



Cañería para agua



Calentadores de agua



Estanques para agua caliente

b)

Dúplex 2205 Pertenece al grupo de los aceros dúplex 22Cr con un 3% de molibdeno y un

0.17% de nitrógeno. El contenido de cromo, níquel y molibdeno le confiere una gran resistencia a la corrosión uniforme y corrosión por picadura y grietas, en ambientes de cloruro, con un número PREN = 35,8. Muy superior a un 316 o 317. También presenta una gran resistencia a la corrosión bajo tensión en ambientes de súlfuro de hidrógeno. El contenido de nitrógeno mejora la resistencia a la corrosión de las soldaduras, no siendo necesario el tratamiento térmico después de soldar. Su resistencia mecánica(S = 90 ksi ≈ 62.05 kg/mm 2) es aproximadamente el doble de la de un acero inoxidable austenítico, lo que permite utilizar menores espesores y economizar en material. Posee una buena soldabilidad y mayor dureza (247 Brinell).

Se puede utilizar las mismas técnicas de soldadura de los aceros austeníticos (SMAW, TIG, MIG, plasma) pero con ciertas precauciones como: no precalentar la pieza, dejar enfriar por debajo de 150ºC entre cada pasada, ajustar la energía aplicada al rango 1.0-2.5 kJ/mm para mantener el equilibrio ferrita/austenita de la aleación. Puede ser formado en caliente (950- 1150ºC). Estando expuesto a 700-975ºC forma ase sigma, de 450-800ºC precipitan carburos y de 350-525ºC se vuelve quebradizo. Después de formado en caliente debe ser sometido a un recocido (10201100ºC) y templado. También puede ser trabajado en frío, pero con mayor dificultad que un acero austenítico por su mayor límite elástico. Si una deformación en frío excede el 10% se recomienda un recocido. Se puede aplicar un tratamiento térmico para liberar tensiones en el rango 550-600ºC. Como acero dúplex es relativamente más fácil de maquinar con herramientas de acero rápido que con herramientas de carburo cementado en relación a un acero inoxidable austenítico de similar contenido de aleación.

Aplicaciones 

Tubos en plantas desalinizadoras



Intercambiadores de calor



Cañerías en industria de petróleo y gas



Estanques presurizados y cañerías en industria química



Estanques para transporte de químicos

c)

Dúplex 2507 Pertenece al grupo de los aceros dúplex 25Cr o superdúplex con un 4% de

molibdeno y un 0.27% de nitrógeno. El mayor contenido de cromo, níquel y molibdeno le confiere una mayor resistencia a la corrosión uniforme y corrosión por picadura y grietas, en ambientes de cloruro, con un número PREN = 42.5 superior al dúplex 2205, al 316 y 317. Su resistencia mecánica también es superior (S = 108 ksi ≈ 74.46 kg/mm2). Si es recocido (1050-1125ºC) y templado la aleación contiene 30-50% de fase ferrita y el resto es austenita. Los aceros dúplex son más susceptibles a la precipitación de carburos, entre granos de la aleación, que los aceros austeníticos. Sometido a un calentamiento de 700-1000ºC puede haber formación de fase sigma y en el rango 325-520ºC se puede tornar quebradizo. Sin embargo en las operaciones

normales de soldadura y calentamiento la microestructura no forma ningún precipitado o fase que pueda producir fragilidad. Se puede formar en caliente (1025-1200 ºC) seguido de un recocido y templado. Para el formado en frío se requiere más esfuerzo que para los aceros austeníticos normales. Si una deformación en frío excede el 10% se recomienda un recocido. Un recocido para disolución de precipitados se debe aplicar como mínimo a 1050ºC. Tiene buena soldabilidad con las técnicas SMAW, TIG, PAW, SAW. Como material de relleno debe usarse un metal que preserve la estructura dúplex.

Aplicaciones 

Plantas petroquímicas.



Plantas desalinizadoras.



Industria de petróleo y gas.



Intercambiadores de calor.



Estructuras en ambientes marinos.



Equipos para purificación de gases de combustión.



Sistemas de agua contra incendio en plataformas de perforación.

ELECTRODOS PARA ACEROS DÚPLEX

C=0,016 Mn=1,6 LEXAL E 22.9.3 N AWS 5.4: E 2209-16

Electrodo para la soldadura de aceros DÚPLEX, asegurando excelente resistencia a la corrosión y buenas características mecánicas hasta -40º. Posiciones de soldadura: Todas.

Si=1 N=0,16 Cr=22,8 Ni=9,5 Mo=3,2

R=640 N/mm² E=360 N/mm² A>40% +20ºC=85 J -196ºC=75 J =(+)

Tabla 3.2 “Composición típica de los metales de aporte para aceros inoxidables dúplex” Nombre común del metal de aporte (UNS) 2209-16 (1) (W39209) tentativo 22.9.3.L-16 (2) 22.9.3.L-15 (2) 22.9.3.LR 7-Mo PLUS enriquecido en Ni (3) FERRALIUM 255 (4) (W39553) tentativo 22.8.3L (2)

Nombre común del metal de aporte (UNS) 7-Mo PLUS enriquecido con Ni (3) FERRALIUM 255 (4) (S39553) tentativo Zeron 100 (5) In-flux 2209-0 (1) (W31831) In-flux 259-0 (1)

Para soldar metal C Cr base Electrodos recubiertos 2205 (S31803) 0.03 23 3RE60 (S31500) 2205 (S31803) 2304 (S32304) 7-Mo PLUS (S32950)

FERRALIUM 255 (S32550) Zeron 100 (S32760)

Otros

9.7

3.0

0.10 N

22

9.5

3.0

0.15 N

0.03

26.5

9.5

1.5

0.20N

25

7.5

3.1

0.20 N 2.0 Cu

22.5

8.0

3.0

0.10 N

C

Cr

Ni

Mo

Otros

0.02

26.5

8.5

1.5

0.20 N

0.03

25

5.8

3.0

0.17 N

0.03

25

10*

3.5

0.25 N, 0.7 Cu, 0.7 W

8.5

3.3

0.14 N

10.0

3.2

0.14 N, 2.0 Cu

Alambre con alma rellena 2205 (S31803) 0.02 22.0 FERRALIUM 255 (S32550)

Mo

0.03

FERRALIUM 255 0.03 (S32550) Alambre desnudo 3RE60 (S31500) 2205 0.01 (S31803) 2304 (S32304) Para soldar metal base 7-Mo PLUS (S32950)

Ni

0.02

25.0

Nota: (1) 2209-16, In-flux 2205-0 e In-flux 259-0 son marcas de Teledyne McKay (1) 22.9.3.L-16, 22.9.3.L-15, 22.9.3.LR y 22.8.3.L son marcas de Sandvik AB (2) 7-Mo PLUS es una marca de Carpenter Technology Corporation (3) FERRALIUM es una marca de Langley Alloys, Ltd. (4) Zeron 100 es una marca de Weir Material Services, Ltd. * Cuando la junta es tratada térmicamente después de la soldadura, el Ni deberá ser 6.0-8.0%

Tabla 3.2: “Tabla para la selección de electrodo”

Uso de la Tabla: Elegir los metales de base que serán soldados, y encontrar la intersección entre la respectiva línea y columna de la tabla. Por ejemplo: para soldar acero al carbono (ASTM A36) con acero inoxidable AISI 316, la intersección de la línea "316" y de la columna "acero al carbono" indica la selección de material de electrodo en AISI 309 301Combinación 405302310321de metal de 304L 316 316L 317 410304314(a) 347 base 420 308

301-302304-308 304L 310-314(a) 316 316L

308 308

430

Aceros al Carbono Aceros al 446(b) baja Carbono aleación o Cr-Mo

308 308 308 308 308 309 309

310

309

309

308L 308 308 308 308 309 309 309

310

309

309

310 316 317 308 309 309 309

310

309

309

316 316 316 308 309 309

310

309

309

316L 316 316L 309 309

310

309

309

317 308 309 309

310

309

309

347 309 309

310

309

309

317 321-347 405-410-420 430 446

410 430

(c)

430

(c,d)

410(c)

430

430(c,d)

430(c)

446

430(c,d)

430(c)

410

(c)

410

Aclaración: (a) Susceptible a la fisura de solidificación (b) consumible a base de níquel es más adecuado para aplicaciones en temperaturas elevadas, excepto en la presencia de azufre (c) en el caso de ser aceptado un depósito completamente austenítico, se puede utilizar 309 o 310 (d) consumibles de acero al carbono pueden ser empleados, siempre que la pieza sea pre-calentada y que haya un control de hidrógeno