Efecto de las variables del procedimiento de soldadura sobre las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión en depósitos de soldadura de aceros inoxidables supermartensíticos

Abstract

La soldadura de los aceros inoxidables martensíticos ha presentado ciertas dificultades y el uso de tratamientos térmicos es normalmente obligatorio. Las razones son diferentes para cada grado de acero, pero en general, es común obtener alta dureza y baja tenacidad en la zona afectada por el calor. Este hecho está asociado con la estructura martensítica en sí misma y el contenido de carbono. Una posible solución a este problema y para alcanzar determinadas propiedades en condición como soldado o después de determinados tratamientos térmicos, el contenido de C se reduce a muy bajos niveles mejorando la soldabilidad y disminuyendo la dureza y se agregan elementos como Mo y Cu para mejorar la resistencia a la corrosión y Ni para encontrar el equilibrio químico entre elementos alfágenos y gammágenos, tratando de obtener una estructura completamente martensítica. Estas aleaciones solidifican como ferrita delta. La transformación de ferrita delta en austenita comienza alrededor de los 1300 ºC y termina, en el caso de condiciones de equilibrio, alrededor de los 1200 ºC. Con velocidades de enfriamiento reales, durante el proceso de soldadura, pequeñas cantidades de ferrita delta son retenidas en la microestructura, como así también cantidades variables de austenita. Estos aceros ofrecen buena resistencia a la corrosión en ambientes dulces o ligeramente ácidos y han sido desarrollados para aplicaciones OCTG (oil country tubular goods). Desde mediados de la década de los 90 es posible soldarlos y su utilización se ha incrementado casi exclusivamente en la industria del gas y del petróleo. El objetivo de este trabajo fue establecer las relaciones existentes entre las variables del proceso de soldadura, la microestructura resultante y las propiedades del metal de aporte puro a partir de un estudio sistemático y contribuir al entendimiento de los fenómenos microestructurales y mecánicos que controlan estas relaciones. A su vez, se buscó establecer los parámetros de soldadura óptimos para la obtención de microestructuras que maximicen dichas propiedades, aportando información adicional sobre las características metalúrgicas de estos depósitos.Se estudiaron las características microestructurales, las propiedades mecánicas, la resistencia a la corrosión y al daño por hidrógeno del metal de aporte puro tipo acero inoxidable supermartensítico. Las variables estudiadas fueron el calor aportado, el gas de protección y el tratamiento térmico post soldadura. Este estudio se realizó sobre doce cupones o probetas de metal de aporte puro soldadas de acuerdo con la norma ANSI/AWS A5.22-95 con un alambre tubular del tipo metal cored de 1,2 mm de diámetro, bajo el proceso de soldadura semiautomática MCAW con protección gaseosa. Los diferentes gases protectores utilizados fueron: Ar+5%He, Ar+2%CO2 y Ar+18%CO2.Se realizó una caracterización química, metalúrgica y mecánica. La composición química se determinó por espectrometría de emisión óptica y los contenidos de C, O, N y S de midieron por Leco. La caracterización microestructural se llevó a cabo por medio de microscopías óptica y electrónica de barrido y difracción de rayos X determinándose, en forma aproximada, los contenidos de ferrita delta y austenita retenida por medio de metalografía cuantitativa y el método comparativo de picos, respectivamente. La caracterización mecánica se realizó a través de ensayos de dureza, tracción e impacto tipo Charpy-V, obteniéndose las curvas de transición dúctil-frágil para cada configuración de proceso.Por otro lado, sobre algunas muestras se desarrollaron líneas complementarias: tratamientos térmicos de corta duración, maximización de la tenacidad, estabilidad de la austenita, corrosión por picado, corrosión bajo tensiones y daño por hidrógeno. En forma general, los contenidos de Cr, Ni, Mo, Si, Cu y Mn disminuyeron levemente a medida que aumentó el contenido de CO2 en el gas de protección y los contenidos de C, O y N aumentaron a medida que se incrementó el potencial de oxidación en el gas de protección. Esto se observó en los cupones soldados con alto y bajo calor aportado. En todos los casos, la microestructura estuvo constituida por una matriz martensítica con pequeñas fracciones de ferrita delta, de austenita retenida y algunos precipitados para la condición como soldado.El cupón soldado con alto contenido de CO2 en la atmósfera gaseosa presentó, para una misma velocidad de calentamiento (1 °C/min), más altas temperaturas AC1 y AC3.Por otro lado, se obtuvo un leve incremento en la dureza y la resistencia a la tracción y disminución de la tenacidad a medida que se aumentaron los contenidos de CO2 en la atmósfera gaseosa. El tratamiento térmico de 650 °C – 15 minutos, disminuyó levemente los valores de dureza y resistencia a la tracción y mejoró la tenacidad de los cupones soldados, alcanzando los mejores valores, las probetas soldadas bajo Ar+He.Los tratamientos térmicos de solubilizado + doble revenido (1000 °C – 60 minutos + 650 °C – 15 minutos + 600 °C – 15 minutos), brindaron los más altos valores de austenita retenida a temperatura ambiente. Estas condiciones microestructurales generaron los más altos valores de la tenacidad al impacto, incrementando un 250 y 310 % de energía, comparándolas en condiciones como soldado para los cupones soldados con Ar+5% He y Ar+18% CO2, respectivamente.En cuanto a los ensayos de corrosión por picado, se observó que la probeta en condición como soldado proveyó una microestructura menos susceptible a este mecanismo de corrosión, que la probeta tratada térmicamente. A mayor concentración de iones agresivos, menor fue la resistencia a la corrosión por picado.Fenómenos de precipitación, asociados a los tratamientos térmicos, controlarían la resistencia a la corrosión, ya que, se obtuvo corrosión bajo tensiones intergranular en los ensayos realizados a 100 °C, 10 bares de CO2 en una solución con altos contenidos de Cl-.La resistencia a la tracción disminuyó bajo condiciones de carga de hidrógeno y las probetas con más altos valores de dureza fueron las más susceptibles a este tipo de daño.

Welding of martensitic stainless steels has presented some difficulties and the use of post weld heat treatments is usually required. The reasons are different for each grade of steel, but in general it is common to obtain high hardness and low toughness in the heat affected zone. This fact is associated with both martensitic structure and the carbon content. One possible solution to this problem and to achieve certain properties in as welded condition or after certain heat treatments, is both to reduce C content to very low levels which improves the weldability and decreases the hardness, and to add elements such as Mo and Cu to improve corrosion resistance and Ni to find the chemical balance between gamma and alpha phase stabilizer elements, trying to achieve a fully martensitic structure. These alloys solidify as ferrite delta. The transformation of delta ferrite to austenite begins at about 1300 ºC and ends, in the case of equilibrium conditions, at around 1200 ºC. With actual cooling rates during the welding process, small amounts of delta ferrite are retained in the microstructure, as well as varying amounts of austenite. These steels offer good resistance to corrosion in sweet or slightly acidic environments and applications have been developed for OCTG (oil country tubular goods). Since the mid 90's it is possible to weld this steels and their use has been increased almost exclusively in the gas and oil industry. The aim of this thesis was to study and understand the relationships among the variables of the welding process, the microstructure and the properties of all weld metal. In turn, it was looked for the optimum welding parameters to obtain microstructures that maximize these properties, providing additional information on the metallurgical characteristics of these deposits. The microstructural characteristics, mechanical properties, resistance to corrosion and hydrogen damage of a supermartensitic stainless steel deposit, were studied. The variables analyzed were the heat input, shielding gas and post weld heat treatment. This study was conducted on twelve all weld metal coupons welded in accordance with ANSI/AWS A5.22-95 with a metal cored wire of 1.2 mm diameter, deposited under semiautomatic metal cored arc welding process (MCAW). The different shielding gases used were: Ar+5%He, Ar+2%CO2 and Ar+18%CO2. The chemical composition was determined by optical emission spectrometry and the contents of C, O, N and S measured by Leco. The microstructural characterization was carried out using optical microscopy, SEM and X-ray diffraction determining, approximately, the content of delta ferrite and retained austenite in the deposits. The mechanical characterization was performed by hardness measurements, tensile test and Charpy-V impact test. With some samples complementary lines were developed: short-time heat treatments, maximizing the toughness, stability of austenite, pitting corrosion, stress corrosion cracking and hydrogen damage. In general, the contents of Cr, Ni, Mo, Si, Cu and Mn decreased slightly with increasing CO2 content in the shielding gas and contents of C, O and N increased. This was observed on the coupons welded with both high and low heat input. In all cases, the microstructure consisted of a martensitic matrix with small amounts of delta ferrite, retained austenite and some precipitates in as welded condition. The specimens welded with high CO2 content in the atmosphere presented, for the same heating rate (1 °C/min), higher temperatures AC1 and AC3. It was found a slight increase in hardness and tensile strength and decrease in toughness when increasing the content of CO2 in the shielding gas. The post weld heat treatment decreased slightly the hardness and tensile strength and improved toughness, reaching the best values, the specimens welded under Ar+He. The post weld heat treatment of solubilized + double tempering (1000 °C – 60 min + 650 °C – 15 minutes + 600 °C – 15 minutes) gave the highest values of retained austenite at room temperature. These microstructural conditions generated the highest values of impact toughness, increase 250 and 310 % toughness, compared with as weld conditions for samples welded with Ar+5%He and Ar+18%CO2, respectively. In the pitting corrosion tests, it was observed that the specimen in as welded condition provided a microstructure less susceptible to this corrosion mechanism regarding to heat treated specimen. A higher concentration of aggressive ions decreased the resistance to pitting corrosion. Precipitation phenomena associated with post weld heat treatments would control the corrosion resistance, as it was found intergranular stress corrosion cracking performed at 100 °C, 10 bars of CO2 in a solution with high Cl- content. The tensile strength decreased under hydrogen charging and the specimens with higher hardness values were the most susceptible to this type of damage.