comimsa · 2018. 7. 3. · de la unión entre el hierro nodular y diferentes tipos de aceros...
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CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO
®
COMIMSA
"ESTUDIO DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA APLICABLES AUNIONES DISÍMILES ENTRE HIERRO NODULAR Y ACEROS
INOXIDABLES"
POR
DIEGO ROMERO SOLÍS
MONOGRAFÍA
EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTAEN TECNOLOGÍA DE LA SOLDADURA INDUSTRIAL
SALTILLO, COAHUILA, MÉXICO A 13 DE NOVIEMBRE DE 2015
CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO
"ESTUDIO DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA APLICABLES AUNIONES DISÍMILES ENTRE HIERRO NODULAR Y ACEROS
INOXIDABLES"
POR
DIEGO ROMERO SOLÍS
MONOGRAFÍA
EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTAEN TECNOLOGÍA DE LA SOLDADURA INDUSTRIAL
SALTILLO, COAHUILA, MÉXICO A 13 DE NOVIEMBRE DE 2015
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales
Gerencia de Desarrollo Humano
División de Estudios de Posgrado
Los miembros del Comité Tutorial recomendamos que la Monografía
"ESTUDIO DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA APLICABLES A
UNIONES DISÍMILES ENTRE HIERRO NODULAR Y ACEROS
INOXIDABLES", realizada por el alumno (a) DIEGO ROMERO SOLÍS, con
número de matrícula 14ES-178 sea aceptada para su defensa como
Especialista en Tecnología de la Soldadura Industrial.
El Comité Tutorial
DRA.^LAÜYS YERANIA PÉRE;MEDINA
Tutor Académico
DR. EDUARDO HURTADO
DELGADO
Tutor en Planta
E ARTURO REYES VALDÉS
Coordinador de Posgrado
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales
Gerencia de Desarrollo Humano
División de Estudios de Posgrado
Los abajo firmantes, miembros del Jurado del Examen de
especialización del alumno DIEGO ROMERO SOLÍS, una vez leída y revisada
la Monografía titulada "ESTUDIO DE LOS PRECESOS DE SOLDADURA
APLICABLES A UNIONES DISÍMILES ENTRE HIERRO NODULAR Y
ACEROS INOXIDABLES", aceptamos que la referida monografía revisada ycorregida, sea presentada por el alumno para aspirar al grado de Especialista
en Tecnología de la Soldadura Industrial durante la defensa de la monografíacorrespondiente.
Y para que así conste firmamos la presente a los 13 días del mes de noviembre
de 2015.
DRA. GLADYS YERANIA PÉREZMEDINA
Vocal
MC. arhelYzaÍeFWódríguez( DÍAZ7^Secretario
KVO.
DEDICATORIA
Con especíaídedicatoria aíVíos de mí entendimientoGracias por darme a personas especiales
Ana Carmen Solís Flores
Adrián Romero García
MIS PADRES
Papa, Mama. Nohaypalabras sabias o correctas para agradecer el habermedado la vida, el ejemplo, la educación, el cariño y el inmenso amor.
Sé que no es fácil mencionar aquellos desvelos, preocupaciones, lágrimas, quecon el apoyo ilimitado, sin restricción y las herramientas que me brindan
puedo guiarme por el mejor camino
A mis hermanos
Adrián, Caridad, Sonia y Maricela
AGRADECIMIENTOS
La presente monografía realizada de la Corporación Mexicana de investigación
en Materiales es un esfuerzo y dedicación en la cual personas directas e
indirectas contribuyeron en su opinión, corrigiendo, dándome ánimos,
acompañándome en momentos de crisis y en momentos de felicidad. El
presente trabajo quiero darle mi más grande agradecimiento a la Corporación
Mexicana en Investigación en Materiales, por darme la oportunidad de
demostrar mi capacidad académica.
Quiero empezar por agradecer a mis compañeros y amigos de la especialidad
por su inmensurable a Sergio Montejano, Ricardo González, Antonio De La
Cruz, Jorge Rodríguez, Rafael Hernández, Martha Pérez, Nancy Esquive! y
Nayeli Becerra. Por su gran paciencia y generosidad para compartirme su
conocimiento.
De igual forma también quiero agradecer con mucho cariño a todos aquellos
profesores que contribuyeron en mi formación académica para obtener el grado
de especialista, a la Dra. Gladys Pérez, M.C. María Eugenia Herrera, Dr.
Eduardo Hurtado, Dr. Héctor Hernández, Dr. Víctor López, Dra. Rocío Saldaña,
Dra. Argelia Miranda, Dr. Felipe de Jesús García.
gracias a toaos iosqueformanjiarte dé mi víaa y a tbs ¿kan esto
tamérién, gracias, mucñasgracias
SÍNTESIS
1 CAPÍTULO
1.1 Antecedentes.
1.1 Objetivo general
1.2 Objetivos específicos
1.3 Justificación
1.4 Planteamiento del problema
1.5 Aportación
1.6 Alcance
2 CAPÍTULO
ÍNDICE
2.1 Generalidades sobre el hierro nodular
2.2 tipos de hierro nodular
2.2.1 Hierro nodular ferrítico
2.2.2 Hierro nodular perlítico
2.2.3 Hierro nodular perlítico-ferrítico
2.2.4 Hierro nodular martensitico
2.2.5 Hierro nodular austenitico
2.2.6 Hierro nodular austemperizado
2
3
4
4
4
5
5
7
9
9
10
11
12
13
2.3 Generalidadesdelos aceros inoxidables 17
2.3.1 Procesode fabricación ig
2.4 Clasificación delos aceros inoxidables 18
2.4.1 Aceros inoxidables martensíticos ±g
2.4.2 Aceros inoxidables ferríticos jg
2.4.3 Aceros inoxidables austeníticos 20
2.4.4 Aceros inoxidables dúplex 21
2.4.5 Aceros inoxidables endurecibles porprecipitación 22
2.5 TÉCNICAS DE SOLDADURA PARA METALES DISÍMILES. 23
2.5.1 Soldadurapor difusión. 24
2.5.2 Soldaduraporfricción 25
2.5.3 Soldadura por arcode metal protegido. 26
2.5.4 Soldadura oxiacetilénica 27
2.6 EFECTO DE LA TEMPERATURA DE SOLDABILIDAD DEL PROCESO DE SOLDADURA POR DIFUSIÓN DE UN ACERO
INOXIDABLE MARTENSÍTICO CON UN HIERRO NODULAR. 28
2.7 SOLDADURA POR FRICCIÓN DE HIERRO DÚCTIL CON ACERO INOXIDABLE 33
2.8 SOLDADURA POR FRICCIÓN DE HIERRO NODULAR YACERO inoxidable 35
2.9 Unióndehierro nodular yacero inoxidable por corriente de impactodedescarga eléctrica 41
2.10 Soldadura disímil ysimilardehierro nodular 48
3 CAPÍTULO 58
4 CAPÍTULO 63
5 REFERENCIAS 69
SÍNTESIS
El presente trabajo reúne información bibliográfica acerca del estado del arte
de la unión entre el hierro nodular y diferentes tipos de aceros inoxidable como
una unión innovadora para la industria, ya que por las características distintivas
del grafito en forma de nodulos en el hierro dúctil, este posee una soldabilidad
ilimitada. Sin embargo se han realizado estudios recientes sobre esta unión
disímil mediante procesos de soldadura sofisticados y nuevos en la industria, tal
es el caso de los procesos de unión que no llegan al estado sólido como por
ejemplo la soldadura por difusión y la soldadura por fricción mediante el control
adecuado de parámetros es posible obtener propiedades mecánicas
aceptables, que permitan recomendar pruebas mecánicas esto con el fin de
recomendar el proceso de unión y los parámetros obtenidos durante el estudio,
además de la creación de equipos sofisticados como máquinas de resistencia
eléctrica y en otros casos haciendo la combinación de materiales de aporte
según las características de ambos materiales a unir.
1 CAPITULO
INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes
Las uniones soldadas disímiles empezaron a ser empleadas desde la década
de los 40's, encontrando su aplicación principalmente en calderas donde se
requerían uniones entre aceros al carbono y aceros inoxidables austeníticos.
Posteriormente, en los años 70's y 80's, su uso se incrementó en los diferentes
sectores industriales como la química y petroquímica. (1)
Unir dos o más metales mediante soldadura es un proceso que se ha
mantenido vigente durante años y, desde sus inicios, ha evolucionado hasta
convertirse en una herramienta de utilidad en la industria metalmecánica,
empleada en la construcción de partes y reparaciones de piezas. Es un método
de trabajo cuyo objeto es unir metales, a través de técnicas razonablemente
económicas, otorgando a la unión propiedades adecuadas y compatibles con el
metal base (MB). Se puede efectuar con el uso de calor, presión o mediante la
combinación de ambos. Por la forma de realizar la unión, se subdivide en: por
fusión, por resistencia eléctrica, enlace en fase sólida o enlace en fase sólida -
líquida (1).
Se denomina soldadura de metales disímiles cuando existe la unión de dos o
más metales diferentes. Una unión de metales diferentes está basada en una
estructura química que beneficie la junta de los dos metales con los que sequiere trabajar.
En el contexto industrial, en la mayoría las partes de soldadura de metales
son realizadas con metales iguales o de materiales de composición química y
propiedades afines. No obstante, existen aplicaciones, en que las soldaduras
son realizadas de metales de diferente configuración. El desgaste mecánico,
temperatura elevada, o algunas circunstancias deben ser satisfechos en una
unión a soldar. A veces se origina en algunos procesos la urgencia de unir
metales diferentes, una soldadura exitosa entre metales disímiles debe ser tan
provechosa aunque el resultado de la unión sea de propiedades originalesdistintas.
La unión de materiales disímiles es habitualmente más difícil de lograr que la
de materiales semejantes debido a las diferencias en las características físicas,
químicas y las propiedades mecánicas de los metales base soldadas. Estos
contrastes también pueden hacer más difícil la selección de los metales de
aporte compatibles para ambos metales básicos. Por lo tanto, la selección de
metal de aporte se compromete a menudo entre los dos metales disímiles.
1.1 Objetivo general
Analizar el estado del arte de los procesos de soldadura entre hierro nodular
y aceros inoxidables como una técnica alternativa para la aplicación en la
industria automotriz cumpliendo con las propiedades mecánicas de dicha unión.
información necesaria para poder reducir los costos de trabajo y así lograr unamayor productividad y eficiencia.
La unión de materiales disímiles entre hierro nodular y aceros inoxidables
conlleva a un reto importante de la industria automotriz al unir dichos materiales
pormedio de un proceso de soldadura porarco, ya que el utilizar un proceso de
esa naturaleza ocasiona agrietamiento en la unión de las partes soldadas por la
diferencia de temperaturas de fusión y las propiedadesque tiene cada material.
1.5 Aportación
El Hierro Nodular que es un metal muy utilizado en el sector automotriz, ya
que presenta excelentes propiedades comparándolo con el hierro gris o el
acero, como son: mayor resistencia a la fatiga y mayor resistencia al desgaste,
sin embargo el hierro nodular es más costoso que el hierro gris. Por tener una
elevada tenacidad, el hierro nodular está siendo empleado para la fabricación
de piezas que soportan ciclos de fatiga o desgaste prolongado, como son:
monoblocks, engranes, cigüeñales etc. Esto es debido, al tipo de arreglo
cristalográfico que tiene, la cual impide la expansión y dispersión de grietas.
De tal manera es necesario conocer hasta donde se puede desarrollar la
investigación de soldaduras disímiles entre el hierro nodular y acero inoxidable
y qué está pasando en las uniones soldadas, así como predecir su tiempo de
vida con mayor confiabilidad y poder prolongarlo con algún anexo al proceso
común de soldadura. Para la industria este estudio significará una base para
poder llevar a cabo el proceso, conociendo y comparando lo aquí presentado
con lo aplicado o bien con algún proceso innovador.
1.6 Alcance
El alcance de la presente investigación bibliográfica se fundamenta en
analizar y hacer una recopilación científica sobre los procesos de soldadura que
se utilizan en las uniones disímiles entre el hierro nodular y el acero inoxidable
específicamente en la industria automotriz haciendo un enfoque en las
propiedades mecánicas de la unión de estos dos metales.
2 CAPÍTULO
ESTADO DEL ARTE
2.1 Generalidades sobre el hierro nodular
Para disminuir el problema de la fragilidad de las fundiciones con grafito
laminar, y en consecuencia su baja resistencia al impacto y para aumentar su
ductilidad, se desarrolló la fundición nodular, en la cual el grafito se presenta
bajo la forma de esferas o nodulos, siendo la matriz de tipo periítico. Por
tratamiento térmico apropiado puede descomponerse totalmente la perlita,
obteniéndose las fundiciones nodulares ferríticas. La fundición nodular es el
miembro más joven de la familia de las aleaciones férreas, formando con las
maleables un puente entre las propiedades de las fundiciones grises y los
aceros moldeados (ver FIGURA 2.1).
El material base, mezcla de carbono, carbonato de calcio y chatarra o arrabio
puede fundirse en diversos tipos de horno, tratándose con cerio, magnesio o
combinación de estos elementos inmediatamente antes de la colada.
El campo clásico de nodulares comprende un contenido en carbono total de
3.0-4.0%; silicio 1.8-2.8%; variando el manganeso entre 0.15-0.90%. Las
concentraciones de fósforo y azufre deben limitarse como máximo a 0.10 y
0.3% respectivamente, y el magnesio, elemento favorecedor de la
nodularización, varía entre 0.01-0.10%
La forma nodular del grafito redujo el efecto de agrietamiento cuando el
material es sometido a cargas cíclicas, y por lo tanto, aumentó la resistencia a
la fatiga, debido a que las esferas actúan como reductores de grietas. Además
esta microestructura produce propiedades deseables como alta ductilidad,
resistencia, buena maquinabilidad, buena fluidez para la colada, buen
endurecimiento y tenacidad. No puede ser tan dura como la fundición blanca,
salvo que la sometan a un tratamiento térmico superficial especial (2).
Estas propiedades se atribuyen a que el grafito en forma de esfera permite
una mucho menor interrupción en la continuidad de la matriz que cuando se
encuentra en forma laminar, por lo tanto las propiedades antes mencionadas
son superiores en la fundición nodular que en la fundición gris (2)
FIGURA 2.1 Microestructura del hierro nodular. (3).
2.2 Tipos de hierro nodular
En lo que respecta a la composición química, los hierros nodulares son
similares al hierro gris, aunque con adiciones especíales de magnesio y cerio
para provocar la sedimentación del carbono en forma nodular y dependiendo de
la estructura cristalina existen los siguientes tipos (4):
Hierro nodular ferrítico
Hierro nodular perlifico
Hierro nodular perlítico-ferrítico
Hierro nodular martensítico
Hierro nodular austenítico
Hierro nodular austemperizado
2.2.1 Hierro nodular ferrítico
Es una aleación en donde las esferas de grafito se encuentran incrustadas
en una matriz de ferrita; se le llama ferrita a una estructura básicamente
compuesta por hierro puro (ver FIGURA 2.2), las propiedades más importantes
de esta aleación son (4):
• Alta resistencia al impacto
• Moderada conductividad térmica
• Alta permeabilidad magnética
• En algunas ocasiones, buena resistencia a la corrosión
• Buena maquinabilidad
11
FIGURA 2.3 Microestructura delhierro nodular periítico (6).
2.2.3 Hierro nodular perlítico-ferrítico
En esta aleación, las esferas de grafito están mezcladas en una matriz de
ferrita y periita (ver FIGURA 2.4). Esta es la más común de las aleaciones de
hierro nodular y sus propiedades se encuentran entre las propiedades de una
estructura de hierro nodular ferrítico y hierro nodular perlifico, tienen además
(4):
• Buena maquinabilidad
Menor costo de fabricación de las aleaciones de hierro nodular.
12
FIGURA 2.4 Microestructura delhierro nodular perlítico-ferrítico (7).
2.2.4 Hierro nodular martensítico
Como producto de fundición, el Hierro Nodular Martensítico es una aleación
dura y frágil, por lo tanto, raramente utilizada (ver FIGURA 2.5). Sin embargo,
después de un tratamiento térmico de templado (martensíta templada), la
aleación tiene una alta resistencia tanto mecánica como a la corrosión, además
de una alta dureza la cual puede tener un rango de 250 HB (Dureza Brinell) a300 HB (4).
FIGURA 2.5Microestructura del hierro nodular martensítico (8).
13
2.2.5 Hierro nodular austenítico
Estos tipos de aleaciones son ampliamente utilizados por su buena
resistencia mecánica, así como por su resistencia tanto a la corrosión como a la
oxidación, poseen además, propiedades magnéticasy una alta estabilidad de la
resistencia mecánica y dimensionales a elevadas temperaturas (ver FIGURA2.6) (4).
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v 9
«
♦ í
FIGURA 2.6 Microestructura de un hierro nodular austenítico (9).
En la Tabla 2-1 se presentan los grados o tipos comerciales de hierro nodular
de acuerdo a la Norma Americana de Pruebas de Materiales (ASTM, por sus
siglas en inglés) y las propiedades mecánicas de los diversos tipos de HierrosNodulares (10).
14
Tabla 2-1 Características de los hierros nodulares (10).
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¿*•ii,V
LL
8_S
i l
0u
u
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Martensítico (conausteníta retenida)
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« a
S E2 2
•N
c8
I si3
<
•N
0
ti3
4
00
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13
<
Grado ASTM
60 80 100
DQ&T-
1050 1600
-
40 55 70 700 1300
18 6 3 7
Dureza (HB) 143 -- - -
302 444-
363 555
Esfuerzo de
cedencia
(MPa)
276 379 483- - 700 1300
-
Deformación
(%)18 6 3
-- 7
--
Resistencia a
la tensión
(MPa)
414 552 690 600 793 1050 1600 310
2.2.6 Hierro nodular austemperizado
Esta aleación es la más reciente dentro de la familia de los hierros nodulares
y representa a un grupo de aleaciones de hierro que ofrecen una buena
combinación de resistencia mecánica, dureza y resistencia al desgaste (ver
FIGURA 2.7). Este tipo de aleaciones además, tiene una excelente capacidad
de deformación y alta tenacidad, así como buena resistencia al desgaste y
resistencia a la fractura, es por ello que estas aleaciones son utilizadas para
reducir el peso y el costo en la fabricación de diversos componentes.
15
FIGURA 2.7 Microestructura delhierro nodular austemperizado (3).
Las propiedades relevantes del hierro nodular austemperizado son obtenidas
por medio de un tratamiento térmico (con un control riguroso de la temperatura
y el tiempo del tratamiento) y tiene como objetivo desarrollar una matriz con una
estructura de bainita con ferrita (60%) y austenita retenida (estructura con alto
contenido de carbono).
La austenita retenida es térmicamente estable a bajas temperaturas, pero esdifícil de maquinar. Sin embargo, bajo condiciones adecuadas de esfuerzos,puede transformarse localmente en martensíta (estructura dura y frágil). Laventaja de esta característica hace que los hierros nodulares austemperizadossean utilizados en piezas en las que se desea que la dureza del materialaumente conforme se van experimentando tensiones de carga locales, porejemplo en flechas o en cojinetes como se muestra en la
16
Tabla 2-2. Además, los esfuerzos superficiales pueden ser puestos
deliberadamente en una pieza antes de entrar en servicio, por ejemplo se
pueden inducir esfuerzos térmicos superficiales en una pieza, con los que se
logra obtener una excelente resistencia al desgaste y a los esfuerzos porfatiga,
esto se aplica por ejemplo en la fabricación de dientes de engranes o las
superficies de rodamiento de los cigüeñales (10).
Tabla 2-2 Aplicaciones del hierro nodular austemperizado (10).
NOMBRE DE LA
PIEZA
MATERIAL
REEMPLAZADOVENTAJAS
Engranes axiales,
(transmisión)
Acero forjado
• Mayor producción.
• Menores costos.
• Mejor maquinabilidad.
• Operación silenciosa.
• Reducción de peso.
Engranes de tiempode motor diesel.
Acero 1022 forjado • Reducción del 30% en costos.
Cigüeñal. Acero forjado
• Menor costo.
• Mayor resistencia a la fatiga.
• Mayor durabilidad.
• Reducción de peso.
Disco de embrague.
Acero • Menor costo.
Aluminio • Menor peso.
• Mejor resistencia al desgaste.
Engranes de caja de
transmisión.Acero forjado
• Menor costo de producción.
• Operación silenciosa.
• Reducción de peso.Calibrador del disco
de frenado.Acero • Menor peso.
Caja de transmisión
para acoplar al árbolde leva.
Acero
• Mayor resistencia al desgaste.
• Mejor maquinabilidad.
• Menor peso.
2.3 Generalidades de los aceros inoxidables
17
La mayoría de los metales se oxidan, por ejemplo la plata se pone negra, el
aluminio cambia a blanco, el cobre cambia a verde y ordinariamente el acero
cambia a rojo. En el caso de acero, el hierro presente se combina con el
oxígeno del aire para formar óxidos de hierro o "herrumbre" (11).
A principios del siglo XX algunos metalurgistas descubrieron que adicionando
poco más de 10% de cromo al acero, éste no presentaba herrumbre bajo
18
condiciones normales; la razón de ello es que el cromo suele unirse
primeramente con el oxígeno del aire para formar una delgada película
transparente de óxido de cromo sobre la superficie del acero y excluye la
oxidación adicional del acero inoxidable. Esta película se llama capa pasiva. En
el caso de que ocurra daño mecánico o químico, esta película es auto reparable
en presencia de oxígeno (12).
2.3.1 Proceso de fabricación
Inicia con la fusión de hierro, chatarra y ferro-aleaciones de acuerdo al grado
de acero inoxidable a preparar; continúa con la refinación del acero para
eliminar impurezas y reducir el contenido de carbono; posteriormente el acero
líquido se cuela en continuo, se corta en planchones y se forman los rollos
rolados en caliente. El proceso termina con el molino de laminación en frío,
recocido y limpieza (12).
2.4 Clasificación de los aceros inoxidables
El acero inoxidable puede ser clasificado en cinco familias diferentes; cuatro
de ellas corresponden a las particulares estructuras cristalinas formadas en la
aleación: austenita, ferrita, martensíta y dúplex (austenita mas ferrita); mientras
que la quinta son las aleaciones endurecidas por precipitación, que están
basadas más en el tipo de tratamiento térmico usado que en la estructura
cristalina (13).
2.4.1 Aceros inoxidables martensíticos
Son la primera rama de los aceros inoxidables simplemente al cromo.
Representan una porción de la serie 400, sus características son: Moderada
resistencia a la corrosión, endurecióles por tratamiento térmico y por lo tanto se
pueden desarrollar altos niveles de resistencia mecánica y dureza, son
magnéticos debido al alto contenido de carbono y a la naturaleza de su dureza,
es de pobre soldabilidad (ver FIGURA 2.8).
19
Los martensíticos son esencialmente aleaciones de cromo y carbono. El
contenido de cromo es generalmente de 10.5 a 18% y el de carbono es alto,
alcanzando valores de hasta 1.2%.
FIGURA 2.8 Micrografía por microscopía electrónica de barrido de un aceroInoxidable martensítico (14).
2.4.2 Aceros inoxidables ferríticos
Este tipo de aceros inoxidables son los más económicos debido a su bajo
contenido de Ni. Sin embargo, las ventajas económicas que se derivan de ello
no se pueden aprovechar del todo en estas aleaciones debido principalmente a
los problemas tecnológicos asociados a la elevada tendencia a precipitación de
fases secundaria (dificultad de elaborar productos de gran espesor y problemas
de soldabilidad) (ver FIGURA 2.9). Sin embargo, debido a su buena resistencia
a la corrosión bajo tensión (CBT), a la corrosión por picaduras y por esquicios,
en medios conteniendo cloruros, pueden ser seleccionados en determinadas
aplicaciones, como alternativa a losaceros inoxidables austeníticos (15).
Los ferríticos son esencialmente aleaciones con cromo. El contenido de
cromo es usualmente de 10.5 a 30%, pero contenidos limitados de carbono del
20
orden de 0.08%. Algunos grados pueden contener molibdeno, silicio, aluminio,
titanio y niobio que promueven diferentes características (15).
FIGURA 2.9 Microestructura de un acero inoxidable ferrítico (5).
2.4.3 Aceros inoxidables austeníticos
Los aceros inoxidables austeníticos constituyen la familia con el mayor
número de aleaciones disponibles, integra las seríes 200 y 300 AISI (ver
FIGURA 2.10). Su popularidad se debe a su excelente formabilidad y superior
resistencia a la corrosión. Sus característicasson las siguientes (7):
• Excelente resistencia a la corrosión.
• Endurecidos por trabajo en frío y no por tratamiento térmico.
• Excelente soldabilidad.
• Excelente factor de higiene y limpieza.
• Formado sencillo y de fácil transformación.
• Tienen la habilidad de ser funcionales en temperaturas extremas.
• Son no magnéticos.
21
100JimL^—
FIGURA 2.10 Micrografía de un acero inoxidable austenítico (5).
Los austeníticos se obtienen adicionando elementos formadores de
austenita, tales como níquel, manganeso y nitrógeno. El contenido de cromo
generalmente varía del 16 al 26% y su contenido de carbono es del rango de
0.03 al 0.08%. El cromo proporciona una resistencia a la oxidación en
temperaturas aproximadas de 650° C en una variedad de ambientes. Esta
familia se divide en dos categorías (7):
• SERIE 300 AISI.- Aleaciones cromo-níquel.
• SERIE 200 AISI.- Aleaciones cromo-manganeso-nitrógeno.
• SERIE 300 AISI.- Es la más extensa, mantiene alto contenido de níquel yhasta 2% de manganeso.
También puede contener molibdeno, cobre, silicio, aluminio, titanio y niobio,
elementos que son adicionados para conferir ciertas características. En ciertos
tipos se usa azufre o selenio para mejorar su habilidad de ser maquinados.
2.4.4 Aceros inoxidables dúplex
Son aleaciones cromo-níquel-molibdeno, sus características son las
siguientes (15):
22
• Son parcialmente magnéticos
• No pueden ser endurecidos por tratamientos térmicos
• Buena soldabilidad
La estructura dúplex mejora la resistencia a la corrosión de fractura bajo
tensión en ambientes con iones de cloruro (ver FIGURA 2.11). Los dúplex
tienen un contenido de cromo de entre 18 y 26% y de níquel de 4.5 a 6.5%. La
adición de elementos de nitrógeno, molibdeno, cobre, silicio y tungsteno
imparten ciertas característicasde resistencia a la corrosión (15).
FIGURA 2.11 Micrografía de un acero inoxidable dúplex. (5).
2.4.5 Aceros inoxidables endurecibles por precipitación
Son aceros inoxidables del Cr-Ni que contienen adicionalmente otros
elementos de aleación como el Cu y Al que favorecen la precipitación de fases
secundarias y elevan significativamente la dureza y resistencia mecánica del
material cuando es sometido a un tratamiento térmico de envejecimiento. Estos
materiales ofrecen una alternativa para obtener una buena resistencia mecánica
por medio de un tratamiento térmico a menor temperatura que puede ser
aplicado incluso después de la fabricación de la pieza o elemento mecánico.
Las propiedades mecánicas (resistencia y dureza) que se pueden alcanzar con
estas aleaciones son superiores inclusive a las obtenidas por los aceros
23
inoxidables martensíticos (aprox. 1480 MPa). Asimismo, debido a que el
contenido de Cr es mayor que en estos últimos la resistencia a la corrosión
resulta también ser superior (ver FIGURA 2.12). Los aceros inoxidables
endurecíbles por precipitación pueden ser del tipo martensítico, semí-
austeníticos y austeníticos (15).
FIGURA 2.12 Microestructura de un acero inoxidable endurecido porprecipitación (15).
2.5 Técnicas de soldadura para metales disímiles.
Son múltiples las posibilidades de aplicación de estos procesos de
soldadura. Su campo de aplicación depende, entre otras cosas, del material a
soldar, de su espesor, de los requisitos que debe satisfacer la unión, y de la
construcción. La multiplicidad de la ejecución de la costura, tanto en la forma
como en el método y las aplicaciones, ha conducido al desarrollo de muchos
procesos en esta técnica (ver FIGURA 2.13). La selección del proceso más
favorable, adecuado y económico de soldadura presupone el conocimiento de
la manera de ejecutarla y sus peculiaridades (16).
ARCO ELÉCTRICO
LÁSER
HAZ ELECTRÓNICO
ALUMINOTÍRMICA
*— OXIACETliiNlCA
CLASIFICACIÓN GENERAL DEIOS PROCESOS DESOLDADURA
• ELECTRO REVESTIDO
-ARCO SUMERGIDO
-ARCO ABIERTO
•Mi
-MAG
f—TKl
HIDRÓGENO ATÓMICO
1—PLASMA
2
£te
2
s5.
z
[" CONTMtUA
PROYECCIÓN
PUNTO
A TOPE
ELECTRO ESCORIA
r—ULTRASONIDO
INDENTACIÓN
EXPLOSIÓN
24
FIGURA 2.13 Clasificación de los procesos de soldadura (16).
2.5.1 Soldadura por difusión.
La soldadura por difusión es un proceso de unión en estado sólido, capaz de
unir espesores anchos de metal y combinaciones de cerámicos para la
producción de componentes de ingeniería avanzada requirentes. La
coalescencia del estado sólido al contacto con la superficie ocurre cuando la
temperatura está por debajo de la temperatura de fusión de los materiales
unidos con las cargas y el tiempo, golpeándolos causaría una
macrodeformación y esto significaría que puede haber un cambio aparente en
las propiedades del material. Este proceso depende de un gran número de
parámetros, en particular la temperatura de la unión, atmosfera, tiempo, presión
y la rugosidad de la superficie (17).
Otro método de utilizar la soldadura, es recurrir energía térmica para fundir
localmente los metales que se deseen unir y, de esta manera, lograr la
eliminación de las capas mencionadas y el íntimo contacto de las piezas por la
fusión y solidificación de los materiales en contacto. Generalmente, éste se
conoce como Soldadura por Difusión (18).
25
2.5.2 Soldadura por fricción
La soldadura por fricción (FSW) es un proceso de soldadura la pieza de
trabajo impulsada por el motor gira a una velocidad constante previamente
determinada (ver FIGURA 2.14). Las piezas que se van a soldar se juntan y
mueven una respecto a la otra produciendo calor y desplazando plásticamente
material de las superficies de empalme. Aunque se considera un procedimiento
de soldadura de estado sólido, en algunas circunstancias puede producirse una
película fundida en la cara interna. Pese a ello, la soldadura final nunca
presenta indicios de un estado fundido a causa del extenso trabajo en caliente
que tiene lugar durante la etapa final del proceso. Con este método no se
requiere metal de aporte, fundente ni gas protector (18).
(A)
íA
\t
(B)
•> ^*
(O) ry^s
FIGURA 2.14 Pasos básicos de la soldadura por fricción (18).
26
2.5.3 Soldadura por arco de metal protegido.
La soldadura por arco de metal protegido (SMAW, por sus siglas en inglés)
es un proceso de soldadura por arco en el que se produce coalescencia de
metales por medio del calor de un arco eléctrico que se mantiene entre la punta
de un electrodo cubierto y la superficie del metal base en la unión que se está
soldando. El núcleo del electrodo cubierto consiste en una varilla de metal
sólida de material estirado o colado, o bien una varilla fabricada encerrando
metal en polvo en una funda metálica. La varilla del núcleo conduce la corriente
eléctrica al arco y suministra metal de aporte a la unión.
Las funciones principales de la cobertura del electrodo son estabilizar el arco
y proteger el metal derretido de la atmósfera por medio de los gases que se
crean cuando el recubrimiento se descompone por el calor del arco. La
protección empleada, junto con otros ingredientes de la cobertura y del alambre
del núcleo, controlan en gran medida las propiedades mecánicas, la
composición química y la estructura metalúrgica del metal de soldadura, así
como las características de arco del electrodo. La composición del
recubrimiento del electrodo varía dependiendo del tipo de electrodo (ver
FIGURA 2.152.15).
PUENTE DE POTENCIA DECAO CC Y CONTROLES
CABLE DELA PIEZA DE TRABAJO /
CABLE DEL ELECTRODO
PORTAELECTRODOS
TRABAJO
FIGURA 2.15 Elementos de un circuito de soldadura típico para soldadura porarco de metal protegido (18).
27
Los diferentes procedimientos utilizados vienen determinados por:
• Tipo de corriente (continua o alterna) y aparato que la produce
(generador o convertidor).
• Tipo de electrodo (de grafito o metálico).
• Revestimiento del electrodo (con o sin revestimiento).
• Atmosfera que rodea al electrodo (C02, argón, helio, o mezclas de
gases).
La soldadura por arco tiene ciertas ventajas con respecto a otros métodos.
Es más rápida debido a la alta concentración de calor que se genera y por lo
tanto produce menos distorsión en la unión. Los tipos de soldadura son los
siguientes (18):
• Soldadura por arco de metal protegido (SMAW).
• Soldadura por arco sumergido (SAW).
• Soldadura por arco de tungsteno y gas (GTAW).
• Soldadura por arco de metal y gas (GMAW).
Soldadura por arco con núcleo de fundente (FCAW).
2.5.4 Soldadura oxiacetilénica
En este proceso de soldadura, el calor necesario para calentar la pieza y el
metal aportado y luego fundirlos procede de una llama de alta temperatura,
obtenida por la mezcla o combinación de acetileno con el oxígeno, alcanzando
temperaturas de 3100°C. Ambos gases se mezclan en proporciones apropiadas
en un soplete proyectado y construido en forma tal, que el soldador tiene la
posibilidad de regular por completo la llama, ajusfándola a las necesidades del
trabajo (18).
Se presenta una llama normal o neutra (ver FIGURA 2.162.16), cuando se
alimenta con iguales volúmenes de oxígeno y acetileno; si se aumenta la
proporción de acetileno, se logra una llama denominada carburante o reductora.
Y a la inversa, siempre con referencia a una llama neutra, si se aumenta la
28
proporción de oxígeno, se obtiene una llama oxidante. Ambas tiene
características y aplicaciones precisasque es necesario tener presente (18).
ZONA DE TEMPERATURAMAXJMA 3 200T
O1 ÁTOMO DEHIDRÓGENOa ÁTOMOOí CARBONOI ÁTOMODEOXÍGENO
LLAMAENVOLVENTE
.
• O0»+o5=o>+0.+»í+2C • 2H ♦ O, • 2CO
ACETILENO OXIGENO MONOXJOODESINTEGRADO DE CARBONO
ÍH + QHIDROGENO CALOR
FIGURA 2.16 Química de la llama oxiacetilénica (19).
2.6 Efecto de la temperatura de soldabilidad del proceso de
soldadura por difusión de un acero inoxidable martensítico
con un hierro nodular.
Sedat Kolukisa (2006) realizó un estudio sobre la soldabilidad del hierro
nodular y el acero inoxidable martensítico AISI 420 que puede unirse por
soldadura de difusión bajo un proceso de atmosfera de argón a 800, 900 y 1000
°C de temperatura a un tiempo de 20 minutos y una presión de 12 MPa
constante, respectivamente (20).
Los resultados de las observaciones, pruebas y mediciones indicadas
mostraron que la calidad de la coalescencia en la interfaz aumento a
temperaturas elevadas en condiciones confinadas.
1.) Los resultados de la prueba de resistencia al corte y la tasa de eficiencia
de la soldadura se dan en la Tabla 2-3. Se muestra el promedio de
resistencia a la cizalladura de los especímenes que presentan a
temperaturas de soldadura elevadas. La eficiencia de soldadura en
29
función de la línea de coalescencia son 80, 83, 91 y 92% a 800, 900,
1000 y 1100 °C respectivamente. Estos valores indican que el efecto de
la temperatura de soldadura es significante sobre la integridad de la
unión en los límites de la temperatura dada.
AISI 420
O
<O
E§<
•» -100 o u
Distancia (um)
2"
2.) FIGURA 2.17. Con respecto a los valores de microdurezas de ambos
lados de la unión de la interface observadas. Estas pueden ser explicada
por una migración mutua de carbono, cromo y aleaciones de elementos
hacia la interface, causando endurecimiento. Fueron encontradas zonas
de decarburización y decromatización por parte del hierro nodular y el
acero inoxidable martensítico.
3.) La difusión común de átomos de C y Cr en ambos lados de la interface
fueron analizados por medio de espectroscopia de rayos X de energía
dispersiva (EDS, por sus siglas en inglés). La evaluación y
caracterización del análisis EDS es el siguiente:
Tabla 2-3 Resistencia a la rotura y eficiencia de soldadura de las piezas detrabajo. [20]
Temperaturadel proceso
800 DC 900 °C1000
°c
1100
°c
Resistencia
a la rotura
(MPa)410 420 450 470
Eficiencia de
soldadura
(%)
80 83 91 92
\m 430
o
•o
o£
2
•3»
Distancia (um)
30
FIGURA 2.17 Muestras de concentración de C en el perfil de la interface desoldadura a 800 y 1100°C
En ANSÍ 420 de lado 150, 100, 50 um distancia desde la interfaz, las
concentraciones de C 0.3-0.7-1.5% a 800 °C y 0.36-0.7-1.15% C fueron
observadas en las muestras soldadas a 1100°C respectivamente. Por el lado
del hierro nodular 150, 100, 50 um de distancia desde la interfaz con una
concentración de Cr de 7.2-8.3-9.2% a 800 °C y 8-8.5-9.5% de Cr fueron
observados en las muestras soldadas a 1100 °C respectivamente.
31
La concentración de cromo y carbono en el perfil de la zona de soldadura
están indicadas en la FIGURA 2.18 y FIGURA 2.19, además se observa una
mutua migración y difusión de átomos de Cr y C fueron acelerados con
elevadas temperaturas de soldadura.
í
I3
Distancia (mm)
800°C
1CX50*C
—O— 11QQ*C
FIGURA 2.18 Microdureza Vickers distribuida por ambos lados de la interfacede la soldadura a 800, 900, 1000 y 1100 °C
14 -
^•n©—-a13 •
Ó —O— »0»C fn *m 10 •
Q^ AISI 4») 7 .
^v.
-200 -100 0 100 200i
Distancia (um)
FIGURA 2.19 Concentraciones de Cr en el perfil de la interface de la soldaduraa 800 y 1100°C
32
4.) Las micrografías de las muestras están dadas por medio de microscopía
electrónica de barrido (SEM, por sus siglas en inglés) están soldadas a 800 y
1100 °C respectivamente, y las evaluaciones metalúrgicas están expresadasbajo esta sección siguiente:
4.1) Muestras soldadas a 800 °C: aunque todos los otros factores de
soldadura (tiempo, presión, atmosfera y condiciones de enfriamiento) para
muestras que se mantuvieron sin cambios, la poca cantidad de coalescencia a
lo largo de la línea de soldadura de la interface es bastante alta que puede
afectar fácilmente la integridad de la soldadura. El promedio de la longitud de la
poca proporción de soldadura como por la longitud de la soldadura de la
interface fueron presentadas en la Tabla 2-3. Desde la micrografía de SEM se
puede ver claramente que la distancia en la línea de soldadura es visible a lo
largo de la interface. La morfología causante de los materiales no ha cambiado
a lo largo de la interface.
4.2) Muestras soldadas a 1100 °C: Desde las micrografías del SEM puede
verse que las líneas de soldadura se desaparecieron y la interface apenas era
distinguible de la de los materiales en contacto. La cantidad de grafito en
nodulos disuelto del lado del hierro nodular fueron incrementando, los diámetros
de grafito fueron disminuyendo en las muestras soldadas a 1100 °C en
procesos de temperaturas comparadas en muestras unidas a 800 °C. A lo largo
de la interface, dentro de 50 um de distancia desde la interface, el grafito en
forma de nodulos no fue localizado en la formación del hierro nodular.
En general, la morfología de los materiales base fue cambiando
significativamente a lo largo de la interface. La cantidad de carburo de cromo
fue incrementando y trazado a lo largo de la interface en ambos lados de
soldadura.
33
Se observaron carburos en el límite de grano junto a la microestructura
martensítíca a lo largo de la interfaz del AISI 420 del lado de las muestras
enfriadas por el equipo de soldadura.
Todos los cambios pueden ser explicados con efectividad y difusión mutua
de elementos aleantes en la interface.
Como conclusión formuló que el hierro nodular dúctil y el acero inoxidable
martensítico AISI 420 puede ser unido por soldadura por difusión en un proceso
bajo una atmosfera de argón a 800, 900, 1000 y 1100 °C de temperatura a un
tiempo constante de 20 min, y una presión constante de 12 MPa,
respectivamente. Los resultados de las observaciones, pruebas y mediciones
indican que la calidad de la coalescencia en una interface incrementa a
elevadas temperaturas y condiciones experimentales reducidas. En promedio
las mejores propiedades fueron observadas en la muestra unida a 1100 °C.
2.7 Soldadura por fricción de hierro dúctil con acero inoxidable
Nakamura et al. (2010) llevaron a cabo trabajos de investigación acerca de la
influencia de la velocidad de la temperatura de precalentamiento de la
microestructura de la soldadura en la zona de unión obtenida por la soldadura
de fricción (FSW, por sus siglas en inglés) de hierro dúctil y aceros inoxidables.
La soldadura por fricción de hierro dúctil y acero de bajo carbono se llevó acabo también por Cheng et al.
Como puede verse en esta literatura, el principal problema que ocurre en la
soldadura por fricción de hierro dúctil la presencia del grafito con propiedades
lubricantes que reducen la eficiencia del proceso de soldadura. Durante el
proceso de fricción, el grafito en forma de esferas se deforma o fragmenta,
creando así una microestructura desfavorable. El alto contenido de carbono en
hierro dúctil (más de 3.5%) constituye un obstáculo para la obtención de
uniones de buena calidad. Esto conduce a la formación de una microestructura
martensítica dura y frágil en la zona afectada por el calor (ZAC). Para resolver
esta problemática algunos investigadores (Nakamura y Cheng) han optado por
34
la optimización de parámetros de soldadura o la incorporación de una capa
intermedia de acero de bajo carbono, y el cambio de la forma geométrica de las
piezas unidas; que también son tratados con calor antes y / o después del
proceso de soldadura por fricción (21).
Winíczenko y Kaczorowski (2012) lograron que una unión resistiera 700 MPa
usando capas intermedias. La evidencia de los estudios actuales ilustra que la
microestructura de hierro dúctil afecta a la calidad de las uniones soldadas,
debido a los cambios que tienen lugar cuando está bajo la influencia de los
efectos térmicos, dando forma a las propiedades mecánicas de la unión del
material (21)
En los trabajos realizados de uniones disímiles la soldadura por fricción de
las muestras de hierro dúctil se efectuaron utilizando acero inoxidable AISI 321
como capa intermedia. El proceso de unión se llevó a cabo en la máquina de
fricción continua de accionamiento tipo ZT-14. La fricción y presión usadas en el
experimento estuvieron en el rango de 20-45 KN. La velocidad de rotación del
cabezal se mantuvo a una velocidad constante de 2360 rpm. Debido a la
presencia de grafito, se aplicó un tiempo de fricción relativamente grande de
120-270 s.
El ensayo de tensión se aplicó después de haber soldado las piezas por
fricción. La microestructura ferrítica-bainítica del hierro nodular fue fracturado
por el lado del hierro nodular ferrítico-bainítíco. En el caso de las uniones de
materiales disímiles de soldadura por fricción, la formación de una pequeña
rebaba depende de las propiedades mecánicas de los dos materiales iguales.
Se observó que las fracturas se formaron alrededor de la interface de la
soldadura tanto del lado del hierro dúctil y del acero inoxidable. Las muestras se
sueldan mediante parámetros constantes: la fuerza de fricción y la fuerza axial
sobre ajustada. El tiempo de fricción se cambió de 150 a 300 s. En general, los
resultados de la resistencia a la tracción obtenidos para las muestras de acero
inoxidable y hierro dúctil no son satisfactorios. El valor más pequeño para la
resistencia a la tracción, fue de 195 MPa y 285 MPa el más alto, que se
35
obtuvieron para el hierro nodular ferrítico, mientras que para el hierro dúctil
bainítíco los valores son mucho más altos. El promedio de la resistencia a la
tracción del hierro dúctil bainítico llegó a 265 MPa (21).
La soldadura por fricción se acompaña de un transporte de átomos en ambas
direcciones a través de la interfaz de acero ínoxidable-hierro dúctil. Esto da
como resultado el enriquecimiento de acero inoxidable con carbono y el hierro
dúctil con átomos de cromo y níquel. El acero inoxidable enriquecido de
carbono dio como resultado la formación de carburos de cromo que se
distribuyen principalmente en los límites de grano. Lo anterior dio como
resultado la creación de una aleación de ferrita. Cr se encontró también en un
eutéctico de carburo. El enriquecimiento del Cr y Ni en el hierro nodular dio
como resultado la creación de una aleación de ferrita. También se encontró Cr
en el carburo del eutéctico (21).
El rango de difusión de Cr y Ni en el hierro no excedió más de 50 um. La
profundidad de difusión del carbono en el caso de la unión fue sometida al
doble del efecto térmico (150 um y mayor que el de una muestra sometida a
una etapa de soldadura por fricción (21).
La intensidad del proceso de difusión durante la soldadura por fricción del
hierro dúctil bainítico es mayor que para el hierro dúctil ferrítico (21).
2.8 Soldadura por fricción de hierro nodular y acero inoxidable
T. Shínoda, S. Endo y Y. Kato determinaron en el 2010 que la soldadura por
fusión del hierro nodular es conocida debido a su dificultad de ser unida. Sin
embargo se ha descubierto que la unión entre materiales similares tales como
hierro gris y el hierro nodular es posible utilizando soldadura por fricción sin
llevar a cabio un precalentamiento. Esto es porque el proceso de soldadura por
fricción posee características significantes de refinamiento de grano y el inicio
de la tensión residual de compresión en la capa de superficie. Para este estudio
se llevó a cabo la unión de hierro nodular con acero inoxidable austenítico
36
mediante un proceso por fricción y la selección apropiada de parámetros para la
unión.
El proceso de soldadura por fricción es controlado por un extenso número de
parámetros y es difícil hacer una evaluación coherente del desempeño de la
unión por el proceso de fricción.
Es por ello que se realizó una investigación usando muestras de acero
inoxidable (SUS304) con hierro nodular (FCD450), para la unión entre
materiales disímiles mediante el proceso de fricción. Las muestras fueron
barras redondas con un diámetro de 20mm. Las muestras antes de ser
soldadas por fricción fueron maquinadas y se limpiaron con un poco de
acetona. La deformación del material fue requerida para el cálculo del calor de
entrada más el total de la longitud de cada muestra. El total de la longitud y el
largo de cada muestra fue medido conforme a las siguientes condiciones de
soldadura. En la 7ab/a 2-4 se muestran los parámetros utilizados.
Se utilizaron diferentes variables para el control de las muestras durante la
soldadura.
La velocidad rotacional del herramental (N) durante la fricción.
La presión durante el proceso de fricción (P1).
La presión inicial (P2).
El tiempo de fricción (t1).
El tiempo inicial (t2).
Longitud inicial (U1).
Tabla 2-4. Condiciones del uso de soldadura por fricción.
Presión de fricción (P1) MPa 30 50
Tiempo de fricción (ti) seg20 120
60 200
Presión inicial (P2) MPa 90 150
Tiempo inicial (t2) seg 5 5
Velocidad rotacional (N) rev/min 2300 2300
37
Para medir el contenido de calor se utilizó un calorímetro el cual consiste en un
recipiente al vacío de acero inoxidable con una capacidad de dos litros y una
vasija de cobre. La vasija de cobre fue sumergida con agua dentro del
recipiente de acero inoxidable para después introducir la muestra y así medir el
nivel de agua y la temperatura inicial. Inmediatamente cuando se terminó de
soldar, la unión se introdujo dentro de la vasija de cobre con agua. El calor de la
soldadura por fricción fue absorbido por el cobre y fue enfriado con agua. El
enfriamiento fue indirecto se realizó para medir el calor con exactitud. Esto
indica que cuando en la unión aumenta la temperatura antes del punto de fusión
el agua se debe poner directamente, generando una gran cantidad de vapor
con la pérdida de calor. Este método indirecto de enfriamiento con agua se
realizó con el propósito de impedir la perdida de calor. Además, el contenido de
calor residual fue medido por el enfriamiento directamente con agua; después
de abrir la cubierta del recipiente de cobre. Al mismo tiempo, el enfriamiento se
redujo con el paso del tiempo. La temperatura se midió cuando se tuvo el
registro de su equilibrio. La FIGURA 2.20 muestra el procedimiento
esquemático para la medición del contenido de calor.
Recipientede cobre
Muestra
•*.
frasco inoxidable
Termómetro
Palanca
FIGURA 2.20. Procedimiento esquemático para la medición del contenido decalor en la soldadura por fricción por medio de un calorímetro.
Se colocó la muestra dentro del recipiente de cobre alrededor de 5 segundos
después de haber terminado de unirse por fricción. Cuando la muestra se
introdujo en el agua la perdida de calor se detectó en el calorímetro con el
incremento del tiempo hasta llegar al equilibrio, se agregó más agua al
recipiente de cobre para poder abrir la cubierta después de 5 minutos. La
temperatura del agua alcanzó su estado de equilibrio aproximadamente
después de 10 minutos.
La figura 2 muestra el resultado obtenido de la relación entre el tiempo de
fricción y el esfuerzo a la unión, clasificado por la posición de la ruptura. En el
caso de la soldadura por fricción las uniones SUS304 y FCD450, tiene una
ruptura en el metal base cuando el tiempo de fricción excedió los 100 segundos.
En relación con la disminución de esfuerzo indicada en la FIGURA 2.21 la
ruptura del metal base fue evidente cuando la pérdida total excede los 15 mm
pero la correlación del enfriamiento no fue claramente obtenida.
09a
2
Éo
!a»•
ti |
500
400
300
200
100
0
SUS304-FCD450o .
§
10
Retraso en distancia, mm
20
• Ruptura en el metal base
o Ruptura en la interface
39
FIGURA 2.21. Efecto del tiempo de fricción y la distancia inicial sobre elesfuerzo a la tensión de las muestras soldadas por fricción.
La FIGURA 2.22 muestra los resultados evaluados del esfuerzo a la unión
usando el valor del calor de entrada. En conjunto con SUS304, cuando el valor
del cálculo del calor de entrada fue de 0.6-1.0 i^^-) en más muestras losseg y
resultados determinaron la ruptura en el metal base. Se registró un máximo
esfuerzo que fue de 455 MPa. Sin embargo, cuando el valor del calor de
entrada era más de 1.0 í™»-) el resultado daba una ruptura en la interfaz de lasseg
muestras. El resultado de este experimento con las muestras a través de un
área con sección idéntica implica que el cálculo del valor del calor de entrada se
redujo y la probabilidad de la ruptura del metal base incremento.
I
Calculo de l« tasa de calor de entrada K}¡mmlsng
• Ruptura en el metal baseo Ruotura en la interface
40
FIGURA 2.22.Efecto de la distancia inicial sobre el esfuerzo a la tensión de launión soldada por fricción
Todo lo anterior puede concluirse en lo siguiente:
El esfuerzo de la soldadura por fricción puede ser evaluada desde la
consideración del calor de entrada en el metal base.
La distribución del contenido de calor en la unión del proceso de soldadura por
fricción se entiende que es proporcional a la raíz cuadrada del producto del
calor específico, la densidad y la conductividad térmica. Esto determinó la
distribución del contenido de calor entre las muestras de acero inoxidable y el
hierro nodular.
Las propiedades mecánicas de la unión pueden ser estimadas con cierta
exactitud asumiendo que el calor de entrada puede obtenerse determinando
parámetros como el tiempo de fricción, la presión y la longitud a soldar de los
materiales.
41
2.9 Unión de hierro nodular y acero inoxidable por corriente de
impacto de descarga eléctrica
K. Matsugi, M. Konishí, O. Yanagisawa y M. Kirítani (2005) diseñaron y
fabricaron una máquina de unión por impacto de descarga eléctrica que puede
simultáneamente aplicar una carga de impacto y corriente eléctrica para obtener
momentáneamente un alto esfuerzo en la unión entre materiales sin ningún
cambio de dimensión. Es una especie de máquina de soldar con un capacitor
de descarga. La unión instantánea entre materiales metálicos es efectiva en
mejorar las propiedades mecánicas de los materiales a unir. La aplicación
simultanea de fuerza de impacto y corriente eléctrica entre las superficies se
considera efectiva en la unión por el flujo plástico dentro de las partes donde se
genera el calor. La energía de impacto es mucho mayor que la obtenida por
carga estática. El objetivo es unir un hierro nodular FCD450 con un acero
inoxidable SUS304 y observar la relación de las propiedades de la unión así
como la resistencia a la fractura y la fracción del área de la parte unida, también
las condiciones de unión tales como la cantidad de flujo de corriente eléctrica y
el lapso del tiempo entre la aplicación de la carga de impacto y la corriente
eléctrica simultáneamente.
Se utilizó una barra de acero inoxidable SUS304 y una barra de hierro
nodular FCD450 tratado térmicamente para la ferritización y enfriado en horno
bajo las siguientes condiciones:
1193 °K para 14.4 Ks.
993 °K para 21.6 Ks.
Las barras de ambos materiales tenían un diámetro de 10 mm y una longitud
de 50 mm, las superficies de cada muestra fueron pulidas con una lija de
numero 600.La Tabla 2-5 muestra la composición química de cada materia. El
hierro nodular y el acero inoxidable tienen un límite elástico de 280 y 275 MPa
respectivamente, el último esfuerzo a la tensión del hierro nodular fue de 480
MPa mientras que del acero inoxidable fue de 588 MPa.
42
Tabla 2-5. Composición química de las muestras FCD450 y SUS304
Material C Si Mn P S Mg Cr Ni
FCD450 3.7 1.9 0.35 0.03 0.004 0.04 - -
SUS304 0.08 1 2 0.045 0.03 - 18 8
La unión del hierro nodular con el acero inoxidable se realizó bajo
condiciones de corriente a 500 A y una fuerza de impacto de 52 KN. La fuerza
del impacto se determinó a partir de las curvas de tiempo de carga registrada
mediante un software de computadora con un dispositivo de la máquina de
unión por corriente de descarga eléctrica. La FIGURA 2.23 muestra la influencia
en el tiempo entre la aplicación de la carga y el inicio del flujo de corriente
eléctrica sobre el esfuerzo a la tensión de la fractura nominal obtenida, en esta
figura el retraso del tiempo al aplicar la carga eléctrica fue de 10, 0 y 10 ms
sobre el eje X principalmente el flujo de corriente eléctrica comienza a los 10 ms
antes de la aplicación de la carga de impacto y 10 ms después de ésta. El flujo
de corriente eléctrica del acero inoxidable al hierro nodular comenzó cuando
una fuerza de impacto fue aplicada al unirse ambas superficies. Por lo tanto el
inicio del tiempo del flujo de corriente eléctrica en relación a la aplicación de la
carga de impacto era igual en ambos valores del retraso del tiempo de -10 y 0
ms.
250
I 200-
150
so
p
o Corriente eléctrica sin pulso de superposición.A Corriente eléctrica con pulso de superposición.
X X X
ÚL JL JÍLTiempo entre cargade impactoy el inicio del flujo de corriente eléctrica, t/ms
43
FIGURA 2.23. Influencia del transcurso de tiempo entre la carga de impacto y elinicio del flujo de corriente eléctrica sobre el esfuerzo a la fractura nominal
La relación entre el esfuerzo a la tensión nominal con la cantidad, del flujo de
corriente eléctrica, y con carga de impacto, mientras que la figura 5 nos muestra
la relación referente con la cantidad o el periodo de flujo de corriente eléctrica y
fracción del área de unión que hay entre el hierro nodular y el acero inoxidable.
El área actualmente unida fue medida y analizada por un analizador de imagen.
En el área unida entre el hierro nodular y acero inoxidable el interface se
incrementa con la cantidad del flujo de corriente eléctrica y con la carga de
impacto. El área real de la zona unida varía dentro de un rango de 25 a 62%
dependiendo de las condiciones de unión. La unión del área muestra un valor
consistente máximo cerca del 60% bajo un flujo de corriente eléctrica de 500 A,
independientemente del tiempo corriente eléctrica y la cantidad de la carga deimpacto como se muestras en la FIGURA 2.24.
a.
•
"i18E3
lJj
uJ
300
250
200
150
100
50
0
V
o
♦
flujo de corriente pora 0 05$, c*rfa de impacto de S2KN«ujo de cenientt por» i$. a»*f» de impacto de S2ICNRujo de corriente pora 2s, corgo de importo de 52XNRw|o de corriente para 2s. corgo de importo de 7SJCNflujo de comente para 5$, c#<fo de importo de 52KN
100 200 •MMP 400 500
Corriente eléctrica //4
44
6CX)I
FIGURA 2.24. Relación entre la cantidad de corriente eléctrica y es esfuerzo ala fractura, calculado desde la sección transversal del área de las muestras
La FIGURA 2.25 muestra la relación entre la cantidad de la corriente eléctrica
y el verdadero esfuerzo a la fractura. El verdadero esfuerzo a la fractura se
obtuvo usando el área de unión que se muestra en la figura 5. El esfuerzo a la
fractura tiende a aumentar con el flujo de corriente eléctrica y la cantidad de
fuerza de impacto. El incremento en la tensión con respecto a un mismo flujo de
corriente eléctrica es menor en las muestras unidas bajo una corriente eléctrica
continua superior a 300 A. Las muestras sometidas a una descarga de corriente
eléctrica durante 5 segundos mostraban el esfuerzo a la fractura mayor a 450
MPa, independientemente de la cantidad de corriente eléctrica. Un flujo de
corriente eléctrica durante 5 segundos se muestra eficaz para alcanzar la
resistencia a la unión en la interface del hierro nodular y el acero inoxidable.
3
O.
500
400
300
-2 200
100
T
ár
T
•ár
t
0 Flujo da corrientepara 0.05s,carga da impactoda S2KNV Flujo de corrienteparals, carga de Impacto da 52KNo flujo da corríantepara 2s, carga da Impactoda 52KN• Flujo da corríante para2s, cargada Impacto da ?5KN&Flujo de corriantapara 5s,cargado impactoda 52KN
45
0 100 200 300
Corriente eléctrica, 1¡A400 500 600
FIGURA 2.25. Relación entre la cantidad de corriente eléctrica y el esfuerzo a latensión tomada desde la fractura de la unión.
La FIGURA 2.26(a) muestra algunos poros solidificados con una forma
irregular cerca de la unión. Esto considera que la unión se formó por
solidificación de la parte fundida sobre ambas superficies, mientras que la
FIGURA 2.26(b) es la fractografía tomada de un microscopio electrónico de
barrido del hierro nodular y el acero inoxidable después de haber pasado por
una prueba de doblez. Se observa una proyección en la fractografía del lado del
acero inoxidable.
La FIGURA 2.27 muestra imágenes tomadas con el microscopio electrónico
de barrido del hierro nodular después de haber aplicado una prueba de doblez
que se había preparado bajo condiciones de flujo de corriente eléctrica de 100
A y con un tiempo durante el flujo de corriente de 0.05 segundos, además de
una carga de impacto de 52 KN. Se considera que la unión se logró mediante la
solidificación de la porción fundida en el centro de la superficie en el hierro
nodular, como se muestra en la FIGURA 2.27(a). También se observa grafito
sobre la fractura en la superficie como se puede apreciar en la FIGURA 2.27(b).
46
FIGURA 2.26 Fractografías del MED (a) bajo y (b) y alta amplitud de las
imágenes para el FCD450 del ensayo de doblez de cuatro punto preparadas
bajo condiciones de una corriente eléctrica de 100 A, un periodo de flujo de
corriente de0.05 s y una carga de impacto de 52 KN.
47
FIGURA 2.27 Fractografías del MED (a) FCD450 y (b)SUS304 doblez de cuatro
puntos, muestras preparadas bajo las condiciones de una corriente eléctrica de
500 A, un periodo de flujo de corriente de 5 s y una carga de impacto de 52 KN.
El promedio de los valores de dureza de las unión formada por la
solidificación en la parte fundida es aproximadamente 3.6 GPa. El valor de
dureza en el hierro nodular y el acero inoxidable disminuyo desde el hierro
nodular al acero inoxidable hasta el interface, después se vuelve constante
aproximadamente entre 1.5 y 2 GPa respectivamente. Esto se asume que
desde el cambio del valor de la dureza en la zona afectada por el calor en el
hierro nodular y el acero inoxidable corresponden a los lados de la región
manteniendo la distancia de 120 um y menor a 50 um respectivamente desde
sus interfaces como se muestra en la FIGURA 2.28.
48
100 200
Distancia desde la unión de la interface, s/um
FIGURA 2.28. Dureza Vickers cerca de la reacción del producto y la interfaceFCD450 y SUS304
Se demostró que la resistencia de la unión es mejoren las uniones soldadas
al comienzo de la corriente eléctrica en relación a la aplicación de la carga deimpacto.
El esfuerzo a la tensión el área de unión aumento en la interface del hierro
nodular y el acero inoxidable con la cantidad del flujo de corriente eléctrica y
con la carga de impacto. El área unida muestra un valor de eficiencia del 60%,
debido a que el balance de calor se satura entre la generación de calor en la
parte unida y la liberación de calor. El periodo de flujo de corriente eléctrica
empleada de 5s es eficaz para el logro de una alta resistencia de la unión en la
interface del hierro nodular y el acero inoxidable.
2.10 Soldadura disímil y similar de hierro nodular
Un estudio realizado por M. El-Shennawy y A. A. Ornar se llevó a cabo para
investigar diversos procedimientos para la soldadura de hierro nodular por
soldaduras similares y disímiles. Se llevaron a cabo experimentos preliminares
que mostraron que las muestras soldadas en muchos casos fallidas en los que
T
49
se empleó proceso de soldadura por arco metálico protegido (SMAW) utilizando
electrodos de soldadura AWS 6013.
A la luz de estos resultados, los procesos de soldadura nuevos y modificados
se aplicaron utilizando tanto soldadura por arco metálico protegido (SMAW, por
sus siglas en inglés) y soldadura por arco de tungsteno y gas (GTAW, por sus
siglas en inglés), procesos de soldadura para juntas tanto similares y disímiles.
Las uniones disímiles incluidas las juntas con una combinación entre DCI y
ST37 y DCI con acero inoxidable 304 (ST. ST. 304), hubo diferencia no sólo en
el tipo de acero soldado, sino también en el espesor. Se unieron una variedad
de diferentes espesores; es decir, 6, 7 y 8 mm de espesor de placas. A las
muestras soldadas se les realizo una inspección visual al principio. Entonces, la
prueba de la microestructura y la microdureza de las uniones soldadas se
llevaron a cabo. Se seleccionaron muestras de tensión, macrodureza y de
impacto para evaluarse y comparar los resultados de la microestructura y la
microdureza. El éxito de las uniones soldadas similares y disímiles demostró la
aplicación del uso de las nuevas técnicas de soldadura para el hierro nodular
(24).
La industria automotriz, agrícola y de tuberías son las más comunes en usar
hierro nodular. En la industria automotriz es usado para partes críticas, tales
como los cigüeñales, soportes delanteros, eje de la rueda, pinzas de freno de
disco, formas complejas de rótulas de dirección, varillas de conexión del motor,
ejes de camiones y muchas otras partes de automotores. En algunas
aplicaciones de soldadura se lleva a cabo para conectar por ejemplo, acero al
carbono con hierro fundido; tubos de acero al carbono de dirección a las bridas
de hierro maleable, o pequeños tubos e intercambiadores de calor, conchas de
acero al carbono soldados a terminar tapas o cabezas de hierro dúctil, son dos
ejemplos prácticos.
Soldadura disímil de hierro dúctil con otros materiales ha recibido un interés
limitado, sobre todo en procesos de soldadura de fusión. Las uniones disímiles
50
por difusión reciben mejor atención cuando se trata de otro grado de hierro
nodular como fundición gris o acero inoxidable martensítico.
Con el paso del tiempo se ha ido desarrollando nuevas tecnologías para la
unión de hierro nodular acero inoxidable como por ejemplo la soldadura híbrida
que consiste en la combinación de dos materiales de aporte que sean ideales
para cada material y que tengan semejanza con el otro que se desea unir. Se
realizaron pruebas para la unión del hierro nodular como materiales disímiles
donde la diferencia en los espesores de las muestras a soldar fueron: el acero
inoxidable de 6 mm, el espesor de la placa de acero de bajo carbono de 7 mm y
el espesor de la placa de hierro nodular de 8mm (24).
Un hierro nodular perlifico ASTM A536 con una composición química
mostrada en la Tabla 2-6 se empleó para realizar uniones similares y disímiles.
En la Tabla 2-6 se muestra la composición química del acero de bajo carbono
(ST. 37) y un acero inoxidable (ST. ST. 304), además se usaron otros dos
materiales para uniones disímiles con hierro nodular.
Se utilizaron diferentes procesos de soldadura para evaluar cuál era el
comportamiento de cada material unido con el hierro nodular, estas se pueden
resumir en la Tabla 2-7. Se aplicó precalentamiento para algunas muestras,
mientras que otras fueron sin precalentamiento. Algunas muestras fueron
soldadas usando el proceso SMAW con un electrodo E6013 y otros con ENiFe-
Cl (Esab ok 92.58) y otros con el proceso GTAW usando un material de aporte
E309. Independientemente de las condiciones de soldadura, todas las muestras
soldadas con SMAW usando un electrodo E6013 fallaron y fracturaron en la
zona soldada ya sea durante o después de depositar el segundo pase. Todas
las demás muestras fueron soldadas con el proceso SMAW usando electrodos
Esab ok 92.58 y aquellas que fueron soldadas con el proceso GTAW usaron un
material de aporte E309, pero las muestras tenían el defecto de falta de
penetración en la raíz. La composición química del electrodo y el material de
aporte adoptados en este estudio se muestran en la Tabla 2-8. (24)
51
Nuevos experimentos con algunos procesos modificados fueron adoptados. Se
impidió precalentamiento extrínseco (utilizando horno, llama, etc.) y se hizo una
mayor concentración en el precalentamiento intrínseco. El método
precalentamiento intrínseco da como resultado una soldadura múltiple. Los
tipos de uniones y combinaciones se resumen en la Tabla 2-9.
Tabla 2-6 Composición química de los materiales usados en este estudio (24)
Material C Si Mn P S Cr Ni Al Co Cu Ti Mg Fe
DCI 3.83 2.68 0.232 0.05 0.005 0.022 0.02 0.02 0.01 0.01 0.01 0 Rest
M. St. 0.157 0.21 0.489 0.009 0.012 0.063 0.04 0.04 0.01 0.04 0 - Rest
RestSS304 0.08 1 2 0.045 0.03 18 8 - - - - -
Tabla 2-7 Tabla Composición química para electrodo/alambre de relleno usado
en este estudio (24).
TIPO DE UNIONPfiOCESO PBOCESOSMAW PROCESO GTAW
MAMAl DE APORTE aECTROOOAWS6013 ESAB C* 32.53,3 sp 309
CORDÓN SOBRE lAPLACA
CON PRECALENTAMIENTOCON
PCSTCAifNTAMtfNTOX X X X X X X
— X X X X X X X
PflECAifNTAJVIlEMTOA
40tTC
CON
PCSTCAiíNTAMIENTQ
PRECAliNTAMIENTO
A«rcCONPOSTCAIfNTAMIENTO
52
Tabla 2-8 Composición química para el electrodo/ alambre de relleno usados eneste estudio (24).
Material c Si Mn P s Cr Ni Cu Fe
E6013 0.03 0.24 0.4 0.2 0.015 - - . Rest
E309 0.06 0.5 1.8 - - 24 13.5 0.1 Rest
ENfe-CI 1 0.8 0.8 - - - Rest- 43
Tabla 2-9 Combinación y procesos de soldadura para soldaduras similares y
disímiles (24).
TIPO Df. UNIONPROCESO PROCESO SMAW PR0CES06TAW ENMANTEQU11LAD0 MIX
MATERIAL DE APORTE AWS6C13 ESABOKSlSSENiFe-d E309 309 GTAW 60DSMAW 6013 SMAW +JOS
CORDÓN SOBRE LA PLACA V V V X i
HIERRO NO0UWR/HIÍRR0NODUUS i V V y i
HIERRO NODULAR/ACERO BAJO CARBONO X y V V X
rlfRSO NODULAR/ACERO INOXIDABLE X V i X X
El examen visual de las muestras soldadas similares y disímiles mostró
uniones exitosas como se representa en las FIGURA 2.29 y FIGURA 2.30. La
examinación para las muestras de metalurgia y prueba de microdureza fueron
extraídas desde las muestras de soldadura. Los resultados para la examinación
microestructural y de microdureza para la selección de las muestras se
observan en la FIGURA 2.31 con los valores máximos de dureza.
Utilizando un electrodo de acero E6013 subió la dureza en zonas con
estructura de martensíta y ledeburita. Estas microdurezas con valores más altos
alcanzando 798 HV en el límite de la fusión que es más de 4 veces la dureza
original del material de hierro dúctil (184 HV). Esto también beneficia cuando es
usado otro tipo de material de aporte cuando se requiere endurecer el hierro
nodular. Tal estructura dura también se encontró en algunas otras muestras
soldadas, tales como muestras de uniones similares soldadas por SMAW
utilizando la técnica de enmantequillado (664 HV en el límite de fusión) y
uniones soldadas por GTAW utilizando acero inoxidable 309 con material de
aporte (591 HV en el límite de fusión). El uso de material de aporte austenítico
53
E309 promovió la formación de carburos en las regiones de fusión y la zona
afectada por el calor (ZAC) (24).
Utilizando electrodos ENiFe-CI (llamado Esab en el texto y los gráficos) con
el proceso SMAW muestra valores de microdureza bajo (353 HV) en el punto de
fusión que es casi el doble de la dureza de la material original. Los valores de
microdureza más bajos entre las uniones soldadas similares; de 311 HV, se
registró para la unión soldada utilizando la nueva técnica de mezcla de los
materiales de aporte 6013 y 309 durante la soldadura. Este valor de
microdureza es cerca de 1.5 veces más que el material original. Vale la pena
mencionar que el valor más alto de esta unión se encuentra en la región de
soldadura y no las regiones de fusión o la zona afectada por el calor. La
microdureza en otras regiones de esta unión es más baja, por lo tanto la zona
de fusión y la zona afectada por el calor son regiones menos duras. La
estructura revela que hay menos martensíta y ledeburita y hay formación de
algunas estructuras austeníticas.
Las uniones disímiles muestran valores altos de dureza en todas las
muestras independientemente del proceso de soldadura adoptado. El valor de
microdureza más bajo registrado para la unión disímil de hierro nodular soldado
con acero inoxidable 304 usando un electrodo ENiFe-CI. La dureza fue de 404
HV en ambos límites de fusión de hierro nodular y acero inoxidable. Se
realizaron ensayos de tensión y de impacto para muestras seleccionadas. Se
registró un valor de 18 joules de impacto de soldadura similar y de soldadura
disímil usando un electrodo ENiFe-CI. Los valores de microdureza en la zona
de soldadura para las uniones soldadas con electrodos ENiFe-CI fueron de 200
HV para uniones similares y disímiles. Un valor mucho más bajo de 1.9 joules
fue encontrado para uniones disímiles nodular- acero inoxidable 304 usando
E309 y valores aún más bajos de 0.68 joules en uniones disímiles nodular-
acero de bajo carbono con el enmantequillado. Las uniones disímiles de hierro
nodular-acero inoxidable 304 usando un electrodo E309 tuvieron una
microdureza 400-500 HV en la zona de soldadura. En el caso del
1
54
enmantequillado el electrodo E6013 es usado como material de aporte para
crear la zona de soldadura en el cual se realizó la ranura para la prueba de
ensayo. Esta unión mostró un alto valor de dureza de aproximadamente 500-
600 HV en la zona de soldadura. Una muy baja tenacidad se registró, como seesperaba (24).
Se midieron algunas muestras de resistencia a la tracción. Una unión
soldada similar utilizando soldadura GTAW con E309 mostrando una resistencia
a la tracción de 296 MPa; la fractura ocurrió en la zona afectada por el calor. La
unión realizada por el proceso SMAW con un electrodo ENiFe-CI mostró 286
MPa y la fractura ocurrió en zona de soldadura. La unión de soldadura disímil
con acero de bajo carbono (ST. 37) realizado mediante el proceso SMAW
usando un electrodo ENiFe-CI, dio como resultado un esfuerzo a la tensión de
357 MPa y la fractura ocurrido en la zona afectada porel calor (24).
FIGURA 2.29 Ejemplos fallidos de uniones similares de hierro nodular/ hierro
nodular, (a) Con precalentamiento o (b) sin precalentamiento (24).
DDTIG309
DD SMAW 6013
DD SMAW Esab
DDbattenng TIG 309:sides SMAW 6013
DD SMAW 6013-309
FIGURA 2.30 Ejemplos para muestras de soldadura similar de hierro dúctilrealizado por varios procesos de soldadura (24).
>X
DUREZAS PARA LAS DIFERENTES UNIONES
/////////•TIPO DE UNION
55
FIGURA 2.31 valores máximos de microdureza para uniones soldadas similaresy disímiles (24).
56
D MS Battenng D M& SMAW ESAB
DMSTIG309 D SS SMAW ESAB
Mr
3Id
S ,1
DSSTIG309
FIGURA 2.32 Ejemplos para las muestras de soldadura disímil de hierro nodular
con acero inoxidable 304 y con acero suave 37 realizado por varios procesos desoldadura (24)
A partir de los resultados actuales, se puede concluir lo siguiente:
1.- El hierro nodular se puede soldar sin precalentamiento.
2.- Las uniones disímiles del hierro nodular con acero de bajo carbono y acero304 revelaron combinaciones satisfactorias.
3.- Usando electrodos de acero cuando se suelda hierro nodular por el proceso
SMAW aumenta la Microdureza a muy altos valores (800HV). Esto puede
beneficiar cuando el hierro nodular es endurecido para aplicaciones especiales.
4.- Los aceros inoxidables con electrodos de alto níquel (E309) promueven la
formación de carburos que elevan los valores de microdureza para cualquierunión similar o disímil soldada por el proceso GTAW.
57
5.-La técnica del enmantequillado no mostró mejores resultados que aquellos
obtenidos con electrodos de acero E6013 o material de aporte de acero
inoxidable E309.
6.- Usando un electrodo ENiFe-CI es recomendado para soldadura similar de
hierro nodular y soldadura disímil de hierro nodular y acero inoxidable 304.
7.- Una nueva técnica que se ha estado desarrollando en este estudio y
aplicado para soldaduras similares de hierro nodular es una mezcla donde
ambos electrodos de acero E6013 y electrodos de acero inoxidable E309 dan el
mejor resultado registrándose bajas microdurezas. Se espera que la tenacidad
sea mejor que otras uniones soldadas por otras técnicas.
58
3 CAPITULO
DISCUSIÓN Y ANÁLISIS DE
BIBLIOGRAFÍA
Los procesos de unión se fundamentan en varios pasos críticos y de mayor
importancia en la industria debido a las inconsistencias en el caso de uniones
disímiles como las propiedades mecánicas, la metalurgia dependiendo de su
proceso y el costo que representa. Sin embargo en la industria cada vez se
vuelve más necesario la unión de materiales disímiles.
Como se ha ido observando a lo largo de este trabajo en relación a la
soldadura de uniones disímiles entre el hierro nodular y el acero inoxidable,
cada vez juegan un papel muy importante en la industria es por eso que se
realiza esta búsqueda bibliográfica de la cual se puede obtener lo siguiente:
• Conocer principalmente la microestructura de ambos materiales a usar
antes y después de unirse.
• Analizar el proceso de unión y observar su comportamiento
microestructural de ambos materiales, ya que algunos no llegan al punto
de fusión.
• Observar la difusión de elementos de un material a otro y como es su
reacción ante este fenómeno.
59
• Comprender los efectos que ocurren en cada proceso para poder señalar
en cual hay mejor unión entre ambos materiales.
• Conocer el fenómeno térmico que afecta al material elegido y cómo
impacta en cada proceso de unión.
Durante la presente recopilación de bibliografía se ocuparon diferentes
procesos por los cuales se unió el hierro nodular con acero inoxidable dando
como resultado distintas propiedades mecánicas en cada unión debido la
difusión de elementos de un material a otro, el tiempo de fricción del
herramental, la corriente eléctrica aplicada, entre otras.
En la soldadura por difusión la concentración de cromo y carbono en el perfil
de la zona de soldadura dieron como resultados que existe una mutua
migración y difusión de átomos de Cr y C y además que fueron acelerados con
elevadas temperaturas de soldadura. En general, la morfología de los
materiales base fue cambiando significativamente a lo largo de la interface, por
otro lado la cantidad de carburo de cromo fue incrementando y trazado a lo
largo de la interface en ambos lados de la soldadura.
De igual manera se realizaron investigaciones sobre la unión entre el hierro
nodular y el acero inoxidable utilizando el proceso de soldadura por fricción, en
el cual hace un enfoque en variables como la velocidad de la temperatura de
precalentamiento y el tiempo de fricción, ya que como se ha observado que el
principal problema que ocurre en la soldadura por fricción de hierro dúctil es la
presencia del grafito con propiedades lubricantes que reducen la eficiencia del
proceso de soldadura, pero debido a la experimentación que se realizó, se
obtuvo que la soldadura por fricción se acompaña de un transporte de átomos
en ambas direcciones a través de la interfaz de acero inoxidable-hierro dúctil.
Esto da como resultado el enriquecimiento de acero inoxidable con carbono y el
hierro dúctil con átomos de cromo y níquel. El acero inoxidable enriquecido de
carbono dio como resultado la formación de carburos de cromo que se
distribuyen principalmente en los límites de grano, también dio como resultado
la creación de una aleación de ferrita.
60
Durante la búsqueda bibliografía se encontró otra investigación enfocada enel proceso de soldadura por fricción que hace referencia en parámetros como laconductividad térmica, la presión y el tiempo de fricción y así como también lavelocidad rotacional; en este trabajo el postcalentamiento ni el precalentamientofueron utilizados.
Con el paso del tiempo se han descubierto diferentes tipos de procesos deunión para uniones disímiles, tal es el caso de una máquina de unión porimpacto de descarga eléctrica. Apesar de ser una maquina diseñada para unirdiferentes tipos de materiales también se comprueba que mejora algunaspropiedades mecánicas, usando esta máquina de unión por impacto eléctricoque puede aplicar una carga de impacto y una corriente eléctrica simultánea.
Las muestras unidas bajo la corriente eléctrica sin superposición de pulsomuestran mayor resistencia a la fractura y más estrecha a la dispersión de losdatos en comparación con las muestras que se unieron bajo la corrienteeléctrica con pulso. Además también el esfuerzo a la fractura nominal yverdadera en el área de unión aumento la interface del hierro nodular yel aceroinoxidable con la cantidad yflujo de corriente eléctrica ycon carga de impacto.El área real unida muestra un valor máximo de 60%, debido a que el balance decalor se satura entre la generación de calor en la parte unida y la liberación decalor en tres dimensiones de este valor.
El largo periodo de flujo de corriente eléctrica empleada de 5 segundos eseficaz para el logro de alta resistencia de la unión en la interface entre el hierronodular y el acero inoxidable.
En los últimos años las uniones disímiles han tomado auge en la mayoría dela industria debido a que se quiere implementar innovaciones para el desarrollohumano, por lo tanto se han iniciado extensas investigaciones como porejemplo al unirse el hierro nodular con el acero inoxidable pero se ha recibidoun interés limitado, sobre todo en procesos de soldadura de fusión. Esto hadesatado que la investigación sea más a fondo yevaluar el material de aporte
61
ya sea electrodos, microalambre o material de aporte como placas que se
colocan en medio de material como es el caso de la soldadura por fricción.
Se utilizaron diferentes materiales de aporte por ejemplo en el proceso
SMAW se utilizó un electrodo E6013 esto provoco un aumento de dureza en el
material unido ya que se encontró en su microestructura martensíta y
ledeburita. También hubo una mejor unión en el proceso SMAW al aplicar la
técnica de enmantequillado utilizando de material de aporte al acero inoxidable,
de la misma manera se utilizó el proceso GTAW con el uso de material de
aporte austenítico E309 el cual promovió la formación de carburos en las
regiones de fusión y la zona afectada por el calor. Las uniones disímiles
revelaron valores altos de dureza en todas las muestras independientemente
del proceso de soldadura adoptado ya sea por la técnica de enmantequillado,
SMAW o GTAW.
Sin embargo utilizando otro tipo de electrodo como el ENiFe-CI con el
proceso SMAW muestra valores de microdureza bajos en el punto de fusión
que es casi el doble de la dureza del material original.
Realizando una comparación con el proceso SMAW y con la técnica del
enmantequillado hubo una notable diferencia ya que este último mostraba
mayor dureza empleando un electro E6013 que con el proceso SMAW que se
utilizó un electrodo E309.
A partir de esto el hierro nodular se puede soldar sin precalentamiento
además de que las uniones disímiles del hierro nodular con acero de bajo
carbono y acero 304 revelaron combinaciones satisfactorias usando electrodos
de acero cuando se suelda hierro nodular por el proceso SMAW y este aumenta
la microdureza a muy altos valores. Esto puede beneficiar cuando el hierro
nodular es endurecido para aplicaciones especiales.
Los aceros inoxidables con electrodos de alto níquel (E309) promueven la
formación de carburos que elevan los valores de microdureza para cualquier
unión similar o disímil soldada por el proceso GTAW.
62
Por otro lado la técnica de enmantequillado no mostró mejores resultados
que aquellos obtenidos con electrodos de acero E6013 o material de aporte de
acero inoxidable E309.
Una nueva técnica que se ha estado desarrollando en este estudio y
aplicando para soldaduras similares de hierro nodular es una mezcla donde
ambos electrodos de acero E6013 y electrodos de acero inoxidable E309 son
fusionados y dan el mejor resultado.
63
4 CAPÍTULO
CONCLUSIONES
De acuerdo con toda la literatura revisada anteriormente podemos concluir losiguiente:
1. La unión entre el hierro nodular y acero inoxidable puede ser realizadamediante el proceso de soldadura por difusión controlando parámetrosimportantes como es la presión y el tiempo constante así como también
se indican que la calidad de la coalescencia en una interface incrementaa elevadas temperaturas.
2. Es posible la unión del hierro nodular con acero inoxidable mediante un
proceso de soldadura por fricción en el cual se acompaña de un
transporte de átomos en ambas direcciones a través de la interfaz, estoda como resultado el enriquecimiento de acero inoxidable con carbono yel hierro dúctil con átomos de cromo y níquel en una profundidadaproximadamente de 50um.
3. Mediante el proceso de soldadura por fricción las uniones entre el hierro
nodular y el acero inoxidable no presentan poros ni grietas. Con uncálculo de velocidad de fricción y el calor de entrada controlado se puedeobtener buenas propiedades mecánicas (esfuerzo a la tensión ymicrodureza).
64
4. La unión entre hierro nodular con acero inoxidable utilizando una
máquina de descarga eléctrica por impacto resulto confiable ya que seregistraron perfectas uniones haciendo una comparación con un procesode soldadura por resistencia. Además la resistencia a la fractura aumentó
en el área de la interface cuando la corriente eléctrica y la carga de
impacto aumentaban al igual que el tiempo de corriente eléctrica,
destacando que cuando el tiempo de descarga eléctrica era mayor setenía una unión aún más eficaz.
5. Se utilizaron diferentes procesos para evaluar la unión entre el hierro
nodular y el acero inoxidable por lo cual se muestra que los procesos porfusión son los que tienen menos capacidad a unirse, pero usando un
electrodo ENiFe-CI es recomendado para soldadura similar de hierro
nodular y soldadura disímil de hierro nodular y acero inoxidable.
6. Los aceros inoxidables soldados con electrodos de alto níquel (E309)con hierro nodular promueven la formación de carburos que elevan los
valores de microdureza para cualquier unión similar o disímil soldada porel proceso GTAW.
7. En base a estos estudios se obtuvo una nueva técnica para soldaduras
similares de hierro nodular es una mezcla donde ambos electrodos de
acero E6013 y electrodos de acero inoxidable E309 dan un buen
resultado registrando bajas microdurezas. Se espera que la tenacidad
sea mejor que otras uniones soldadas por otras técnicas.
8. Con la técnica de enmantequillado no se observaron mejores resultados
en comparación al proceso GTAW y SMAW con electrodos E6013 yE309 respectivamente.
65
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 2.1 Microestructura del hierro nodular. (3) 8
FIGURA 2.2Microestructura del hierro nodular ferrítico (5) 10
FIGURA 2.3Microestructura del hierro nodular periítico (6) -| -|
FIGURA 2.4 Microestructura del hierro nodular perlítico-ferrítico (7) 12FIGURA 2.5Microestructura del hierro nodular martensítico (8) 12
FIGURA 2.6 Microestructura de un hierro nodular austenítico (9) 13
FIGURA 2.7Microestructura del hierro nodular austemperizado (3) 15FIGURA 2.8 Micrografía por microscopía electrónica de barrido de un aceroInoxidable martensítico (14)
' 19
FIGURA 2.9 Microestructura de un acero inoxidable ferrítico (5) 20
FIGURA 2.10 Micrografía de un acero inoxidable austenítico (5) 21FIGURA 2.11 Micrografía de un acero inoxidable dúplex (5) 22
FIGURA 2.12 Microestructura de un acero inoxidable martensítico (15) 23FIGURA 2.13 Clasificación de los procesos de soldadura (16) 24
FIGURA 2.14 Pasos básicos de la soldadura por fricción (18) 25
FIGURA 2.15 Elementos de un circuito de soldadura típico para soldadura porarco de metal protegido (18)
FIGURA 2.16 Química de la llama oxiacetilénica (19) 28
FIGURA 2.17 Muestras de concentración de Cen el perfil de la interface desoldadura a 800 y 1100°C
OU
FIGURA 2.18 Microdureza Vickers distribuida por ambos lados de la interfacede la soldadura a 800, 900, 1000 y1100 °C...
O I
66
FIGURA 2.19 Concentraciones de Cren el perfil de la interface de la soldadura
a 800 y 1100 °C 31
FIGURA 2.20. Procedimiento esquemático para la medición del contenido de
calor en la soldadura porfricción pormedio de un calorímetro 38
FIGURA 2.21. Efecto del tiempo de fricción y la distancia inicial sobre el
esfuerzo a la tensión de las muestras soldadas por fricción 39
FIGURA 2.22.Efecto de la distancia inicial sobre el esfuerzo a la tensión de la
unión soldada por fricción 40
FIGURA 2.23. Influencia del transcurso de tiempo entre la carga de impacto yel
inicio del flujo de corriente eléctrica sobre el esfuerzo a la fractura nominal.... 43
FIGURA 2.24. Relación entre la cantidad de corriente eléctrica yes esfuerzo a
la fractura, calculado desde la sección transversal del área de las muestras... 44
FIGURA 2.25. Relación entre la cantidad de corriente eléctrica yel esfuerzo a la
tensión tomada desde la fractura de la unión 45
FIGURA 2.26 Fractografías del MED (a) bajo y (b) y alta amplitud de las
imágenes para el FCD450 del ensayo de doblez de cuatro punto preparadas
bajo condiciones de una corriente eléctrica de 100 A, un periodo de flujo de
corriente de0.05 s y una carga de impacto de 52 KN 46
FIGURA 2.27 Fractografías del MED (a) FCD450 y (b)SUS304 doblez de cuatro
puntos, muestras preparadas bajo las condiciones de una corriente eléctrica de
500 A, un periodo de flujo de corriente de 5 s y una carga de impacto de 52 KN
47
FIGURA 2.28. Dureza Vickers cerca de la reacción del producto y la interface
FCD450 y SUS304 48
67
FIGURA2.29 Ejemplos fallidos de uniones similares de hierro nodular/ hierro
nodular, (a) Con precalentamiento o (b) sin precalentamiento (24) 54
FIGURA 2.30 Ejemplos para muestras de soldadura similar de hierro dúctil
realizado por varios procesos de soldadura (24) 55
FIGURA 2.31 valores máximos de microdureza para uniones soldadas similares
y disímiles (24) 55
FIGURA 2.32 Ejemplos para las muestras de soldadura disímil de hierro nodular
con acero inoxidable 304 y con acero suave 37 realizado por varios procesos de
soldadura (24) 56
68
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2-1 Características de los hierros nodulares (10) 14
Tabla 2-2 Aplicaciones del hierro nodular austemperizado (10) 17
Tabla 2-3 Resistencia a la rotura yeficiencia de soldadura de las piezas de
trabajo. [20] 29
Tabla 2-4. Condiciones del uso de soldadura por fricción. Recuerda de MPa (va
con mayúsculas, cambíalo en la tabla) 36
Tabla 2-5. Composición química de las muestras FCD450 ySUS304 42
Tabla 2-6 Composición química de los materiales usados en este estudio (24)51
Tabla 2-7Tabla Composición química para electrodo/alambre de relleno usado
en este estudio (24) 51
Tabla 2-8 Composición química para el electrodo/alambre de relleno usados en
este estudio (24) 52
Tabla 2-9 Combinación yprocesos de soldadura para soldaduras similares y
disímiles (24) 52
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