¿Por qué se agrietan los accesorios dúplex 2205 tras el tratamiento térmico? Comprensión de la fase sigma y cómo verificar el recocido de solución

Introducción

Usted encargó conexiones dúplex 2205. Llegaron con un certificado de fábrica que indicaba una composición química correcta, superaron la inspección dimensional y se instalaron. Luego, durante la prueba hidráulica o poco después de la puesta en servicio, apareció una grieta: no en una soldadura, ni en una unión mecánica, sino en el cuerpo mismo de la conexión. O peor aún: la conexión resistió durante la instalación, pero falló en servicio dentro de los meses siguientes, con una fractura frágil que no muestra signo alguno de deformación previa.

La causa raíz casi nunca es la composición de la aleación. Casi siempre es el tratamiento térmico.

el acero inoxidable dúplex 2205 es excepcionalmente sensible a su historia térmica, de una manera en que el 304, el 316 o incluso el dúplex súper 2507 no lo son. La microestructura bifásica de esta calificación —con partes aproximadamente iguales de ferrita y austenita— le confiere su resistencia y su resistencia a la corrosión, pero dicha microestructura es termodinámicamente inestable a temperaturas intermedias. Cuando una pieza de acoplamiento de 2205 atraviesa lentamente el rango de 600–900 °C durante el enfriamiento tras el recocido en solución, se precipita una fase intermetálica frágil denominada sigma (σ) incluso un 1 % en volumen de sigma es suficiente para destruir la tenacidad al impacto que hace que el acero inoxidable dúplex sea adecuado para servicio a presión.

Este artículo explica qué es la fase sigma, por qué se forma durante el tratamiento térmico, cómo se manifiesta la fisuración cuando ocurre y, lo más importante, cómo verificar que sus piezas de acoplamiento fueron sometidas correctamente al recocido en solución antes de salir de las instalaciones del proveedor.

¿Qué es la fase sigma y por qué es tan dañina?

La fase sigma es un compuesto intermetálico rico en cromo y molibdeno que se forma en la fase ferrítica de los aceros inoxidables dúplex cuando el material se mantiene o se enfría dentro del intervalo de temperaturas aproximado de 600 °C a 1000 °C (1112 °F a 1832 °F). La precipitación comienza alrededor de los 920 °C, alcanzando su velocidad máxima de formación aproximadamente a 850°C .

El mecanismo de formación está bien comprendido. La fase sigma nuclea preferentemente en los límites de grano ferrita-ferrita y ferrita-austenita, y luego crece hacia los granos ferríticos adyacentes . Al crecer, consume cromo y molibdeno de la ferrita circundante, provocando la transformación de esta última en austenita secundaria . El molibdeno es el elemento principal que controla la cinética de precipitación, aunque la difusión del cromo también contribuye .

Los daños son triples:

Pérdida de tenacidad. La fase sigma es dura y frágil. Las pruebas de impacto Charpy en probetas de 2205 con entalla en forma de V muestran que el material ha perdido gran parte de su tenacidad al impacto ya a aproximadamente un 1 % de sigma contenido . Esto significa que una pieza que normalmente absorbería una cantidad significativa de energía de impacto durante la instalación o la prueba hidrostática puede astillarse bajo las mismas condiciones.

Pérdida de resistencia a la corrosión. La fase sigma es rica en cromo y molibdeno: precisamente los elementos que otorgan a la aleación 2205 su resistencia a la corrosión . Cuando estos elementos quedan atrapados en la fase sigma, la matriz circundante se empobrece en ellos, reduciendo así la capacidad de la aleación para formar y mantener su película pasiva protectora. La resistencia a la corrosión por picaduras y por grietas disminuye drásticamente.

Sitios de iniciación de grietas. Las interfaces entre la fase sigma y la ferrita o austenita circundantes son límites de alta energía. Las grietas tienden a propagarse a lo largo o a través de estas interfaces, y las propias partículas de fase sigma pueden desprenderse, deteriorando gravemente las propiedades mecánicas.

Un análisis de fallo de una brida de 2205 que se agrietó prematuramente en servicio marítimo encontró 17,0 % vol de fase sigma en la zona afectada por el calor y 4,7 % vol en el metal base . La dureza en la zona afectada alcanzó 394 HV0,3, y las fracturas por tracción e impacto fueron fracturas frágiles por escisión . La causa raíz fue un envejecimiento inadecuado durante el tratamiento térmico, agravado por una entrada excesiva de calor durante la soldadura.

¿Por qué se forma la fase sigma durante el tratamiento térmico?

La respuesta es sencilla: enfriamiento lento a través del rango crítico de temperaturas .

El tratamiento térmico correcto para el acero dúplex 2205 consiste en una recocido de solución completa seguido de un enfriamiento rápido. El recocido de solución disuelve cualquier fase sigma preexistente y restablece la microestructura equilibrada de ferrita-austenita. Sin embargo, si la velocidad de enfriamiento tras el recocido es demasiado lenta, el material permanece demasiado tiempo en el rango de temperaturas propicio para la formación de la fase sigma, lo que provoca su precipitación.

La especificación estándar de tratamiento térmico para el 2205 exige:

• Temperatura de recocido de solución: 1020 °C a 1100 °C

• Temperatura mínima para la mayoría de las especificaciones de productos laminados: 1040 °C (1900 °F)

• Enfriamiento: templado rápido, normalmente mediante inmersión en agua u otro medio de enfriamiento rápido

Dejar que una pieza se enfríe al aire desde la temperatura de recocido, o enfriarla en el horno, o incluso enfriarla lentamente en un paquete aislado, es suficiente para precipitar la fase sigma. La ventana crítica es la gama de 700 °C a 980 °C , donde la cinética de formación de la fase sigma es más rápida.

Un certificado de composición química no es un certificado de tratamiento térmico. ASTM A923 advierte expresamente que «el cumplimiento de los requisitos químicos y mecánicos de la especificación del producto aplicable no implica necesariamente la ausencia de fases perjudiciales en el producto» . La composición química de un colado de acero 2205 puede ser perfecta y, aun así, producir piezas llenas de fase sigma si el proveedor de tratamientos térmicos las enfrió incorrectamente.

Errores comunes en el tratamiento térmico

Error n.º 1: Enfriamiento al aire en lugar de templado en agua

El enfriamiento con agua es el estándar para accesorios, bridas y tuberías de acero 2205. Elimina el calor de la pieza con suficiente rapidez como para que el material atraviese el rango de formación de sigma en segundos, en lugar de minutos u horas. El enfriamiento al aire, o incluso el enfriamiento forzado al aire, generalmente resulta insuficiente para cualquier espesor mayor que el de una lámina delgada.

Error n.º 2: Apilar piezas durante el enfriamiento

Cuando se someten a enfriamiento rápido (temple) varios accesorios en una cesta, las piezas situadas en el centro pueden no recibir la misma velocidad de enfriamiento que las de los extremos. Si el baño de temple no se agita o si las piezas se apilan densamente, las piezas interiores pueden enfriarse lo suficientemente despacio como para precipitar sigma. Los especialistas en tratamiento térmico acostumbrados al acero al carbono o al acero inoxidable austenítico tal vez no aprecien hasta qué punto la uniformidad del temple resulta crítica para los aceros dúplex.

Error n.º 3: Tiempo insuficiente a la temperatura de recocido en solución

La pieza debe alcanzar la temperatura de recocido en toda su sección transversal, no solo en su superficie. Una brida gruesa o un codo pesado requiere un tiempo de permanencia suficiente para lograr la homogeneización. Si el tiempo de permanencia es demasiado corto, el núcleo de la pieza podría no disolver completamente la fase sigma previa, y el enfriamiento subsiguiente generará más de dicha fase.

Error 4: Recalentamiento para alivio de tensiones

El acero inoxidable dúplex no debe someterse a recocido para alivio de tensiones del mismo modo que el acero al carbono o el acero inoxidable austenítico. Cualquier recalentamiento dentro del rango de 600–1000 °C con fines de alivio de tensiones provocará la precipitación de la fase sigma. Si se requiere alivio de tensiones tras la soldadura o conformado, este debe consistir en un recocido completo en solución a una temperatura mínima de 1040 °C seguido de temple en agua, no en un alivio de tensiones a temperatura inferior.

Cómo verificar el recocido en solución: los métodos de ensayo ASTM A923

El método normalizado para detectar fases intermetálicas perjudiciales en acero inoxidable dúplex es ASTM A923 el estándar ASTM A923, que proporciona tres métodos de ensayo complementarios :

Método A: Ensayo de ataque con hidróxido sódico

Esta es una prueba metalográfica. Una sección transversal pulida de la pieza se graba con una solución de hidróxido de sodio y se examina la microestructura bajo un microscopio. La fase sigma se graba de forma distinta a la ferrita y a la austenita, apareciendo como una tercera fase diferenciada, normalmente en forma de islas o redes en los límites entre ferrita y austenita.

El método A constituye la confirmación visual más directa de la presencia de la fase sigma. Requiere un metalógrafo experimentado y una muestra adecuadamente preparada, pero es relativamente rápido y económico. La prueba es cualitativa hasta semicuantitativa: indica si está presente la fase sigma y, en casos graves, permite estimar aproximadamente la fracción volumétrica.

Método B: ensayo de impacto Charpy

Este es el indicador más sensible de la embrittlement provocada por la fase sigma. Las probetas se mecanizan a partir de la pieza y se ensayan a una temperatura especificada (normalmente −46 °C para acero 2205 según la norma ASTM A923). Se mide la energía absorbida y se compara con el criterio de aceptación.

El método B es la prueba que correlaciona de forma más directa con la propiedad que importa en servicio: la capacidad del material para resistir la fractura frágil. Una pieza que pase la prueba de impacto Charpy a la temperatura especificada es poco probable que falle por fractura frágil en servicio, incluso si están presentes pequeñas cantidades de fase sigma.

Método C: Prueba de corrosión con cloruro férrico

Esta prueba mide la resistencia a la corrosión del material en una solución estándar de cloruro férrico. La fase sigma reduce la resistencia a la corrosión al agotar el cromo y el molibdeno de la matriz; por tanto, una pieza que contenga fase sigma mostrará tasas de corrosión más elevadas que una pieza correctamente recocida. .

El método C resulta especialmente útil para verificar que el tratamiento térmico no ha degradado el rendimiento frente a la corrosión de la pieza en el entorno de servicio previsto. Asimismo, es el método que con mayor frecuencia especifican los usuarios finales preocupados por la corrosión por picaduras y por grietas en agua de mar o corrientes de proceso que contienen cloruros.

Lista de verificación práctica para compradores

Si está adquiriendo accesorios dúplex 2205 para una aplicación crítica, esto es lo que debe exigir a su proveedor:

1. Especificar la norma de producto correcta

los accesorios 2205 están cubiertos por distintas normas ASTM según su forma de fabricación:

• ASTM A182 F51 cubre bridas y accesorios forjados

• ASTM A815 cubre accesorios soldables de extremo a extremo laminados

• ASTM A995 cubre accesorios fundidos (grados 4A/CD3MN)

La norma de producto especifica la temperatura requerida para el recocido en solución y las pruebas obligatorias. Asegúrese de que su orden de compra haga referencia a la norma correcta.

2. Exigir ensayos ASTM A923 en las conexiones reales

No aceptar un certificado de fábrica que simplemente indique «recocido en solución». Exigir Los resultados del ensayo ASTM A923 para las conexiones reales producidas , no solo para el lote de material bruto. El tratamiento térmico se aplica tras la conformación de la conexión, y la velocidad de enfriamiento depende de la geometría y la masa de dicha conexión. Un tubo delgado que se enfríe rápidamente podría aprobar el ensayo, mientras que una brida gruesa del mismo lote podría reprobarlo.

Para aplicaciones críticas, especificar El método B de ASTM A923 (ensayo de impacto Charpy) como ensayo de aceptación. Es la medida más directa de la embrittlement y la más difícil de falsear únicamente con documentación.

3. Exigir probetas tomadas de la sección más gruesa

La precipitación de la fase sigma depende de la velocidad de enfriamiento. La sección del accesorio que se enfría más lentamente —normalmente la pared más gruesa o el centro de una brida pesada— es la ubicación más propensa a la formación de sigma. Exija que las probetas Charpy se tomen de la sección más gruesa, no de una sección delgada y conveniente que se enfríe más rápidamente.

4. Considere complementar con la norma ASTM A1084 para aceros dúplex lean

Si su proyecto incluye grados dúplex lean (como 2304 o LDX 2101), la norma ASTM A1084 proporciona los métodos de ensayo correspondientes para detectar fases perjudiciales en esas aleaciones. Los principios son los mismos: verifique que el tratamiento térmico no haya generado fases intermetálicas frágiles.

5. Exija la verificación del contenido de ferrita

El contenido objetivo de ferrita para el 2205 recocido en solución es 40 % a 60 % ferrita en una matriz austenítica un contenido de ferrita significativamente fuera de este rango indica bien un recocido en solución inadecuado, bien la precipitación de fase sigma (que consume ferrita). La medición de ferrita puede realizarse mediante métodos magnéticos o mediante recuento puntual metalográfico.

Métodos avanzados de detección para verificación en campo

Para accesorios ya en servicio o almacenados, donde no es posible realizar ensayos destructivos, existen varios métodos no destructivos:

Análisis magnético de baja intensidad (LFMA). La fase sigma es no magnética, mientras que la ferrita es ferromagnética. A medida que precipita la fase sigma, la respuesta magnética del material cambia. El LFMA emplea un sensor de efecto Hall para medir la densidad de flujo magnético y puede detectar la fase sigma sin necesidad de cortar la pieza.

Análisis de ruido magnético y de la primera armónica. Esta técnica aplica una excitación magnética sinusoidal al componente y analiza el ruido magnético y el contenido armónico de la respuesta. Se ha demostrado su capacidad para detectar la fase sigma en acero SAF 2205.

Metalografía por coloración térmica. Para la confirmación en laboratorio, la coloración térmica es una técnica de grabado térmico que revela las fases en el acero inoxidable dúplex mediante colores de interferencia, haciendo que la fase sigma sea claramente distinguible de la ferrita y la austenita .

Difracción de retrodispersión de electrones (EBSD). Este es el método más preciso para la identificación y cuantificación de fases. La EBSD cartografía la estructura cristalina de la muestra y puede distinguir la ferrita, la austenita y la fase sigma con alta resolución espacial. Por lo general, se utiliza para análisis de fallos, no para control de calidad rutinario.

Resumen de los criterios de aceptación

Las cosas que hay que aprender

La fase sigma se forma durante el enfriamiento lento, no durante el recocido propiamente dicho. La temperatura de recocido por solución es crítica, pero la velocidad de enfriamiento tras el recocido es igualmente crítica. La templadura en agua no es opcional para el 2205.

ASTM A923 es la herramienta de verificación. El método A (ataque químico), el método B (Charpy) y el método C (cloruro férrico) verifican cada uno un aspecto distinto de la calidad del tratamiento térmico. Para servicios críticos, especifique los tres métodos.

Un certificado de composición química acredita el lote fundido, no el tratamiento térmico. No acepte un certificado de fábrica como prueba de que la pieza fue correctamente recocida por solución. Exija los resultados de ASTM A923 obtenidos sobre el producto real.

Ensaye la sección de mayor espesor. La fase sigma se forma donde el enfriamiento es más lento. Una pieza que pase el ensayo Charpy en una sección delgada puede aún contener fase sigma en su núcleo.

el 1 % de fase sigma ya es excesivo. La tenacidad al impacto del 2205 disminuye drásticamente con un 1 % de fase sigma. No existe un umbral seguro de fase sigma en componentes sometidos a presión.