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Estudio Comparativo del Revestimiento de Aceros Estructurales con Monel

Alfredo Carlos González", Juan Carlos González t y Julio César Cuyas"

'"Laboratorio de Investigaciones de Metalurgia Física, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de La Plata,Argentina

t Laboratorio de Entrenamiento Multidisciplinario para la Investigación Tecnológica (LEMIT) - Comisión de Investi-gaciones Científicas de la Provincia de Buenos Aires (CIC), Argentina

La construcción de equipos para variados usos. que incluyen la petroquímica y la industria nuclear, son importantes aplicaciones paralos materiales plaqueados. Los revestimientos se efectuan sobre aceros estructurales con los fines de prevenir la corrosión o el desgaste,mediante la utilización de técnicas que abarcan una amplia gama de procesos. Se estudia en el presente trabajo el par Monel-acero, par-ticularmenteinteresante porsu aplicación en la construcción de placas tubo, en la industria petrolera, sometidas a condiciones muy exi-gidas de corrosión, Las técnicas seleccionadas son la soldadura manual con electrodo revestido y la soldadura por explosivos,realizándose diversas experiencias en distintas condiciones operativas. Se verifican las propiedades mecánicas de la unión mediante losensayos de tracción y plegado, así como el perfil de microdureza a través de la interfaz. Se estudia la interfaz mediante teénicas demicroscopía óptica y electrónica de barrido. Se efectuó el análisis químico semicuantitativo de la zona de unión a fin de determinar elgrado de dilución con Fe, en el caso de soldadura perfusión, y de interdifusión. en el caso de soldadura por explosivos. Se verifica a tra-vés de los ensayos mecánicos que en ambos procedimientos se obtienen uniones que satisfacen los requerimientos fijados por la normaASME A-263.

Comparative Study of Monel Clad Plain Steels

Clad materials are used in a wide range of industries, including petrochemical and nuclear plants. To prevent corrosion damage 01'

wear. coatings are applied on plain carbon steels by means of techniques that involve several processes.The pair Monel-steel studied in this work is of great interest owingto its application in the manufacture of tube-plates subjected to veryrigorous corrosion conditions in the petroleum industry. Severa! tests were carried out with the techniques chosen (namely. the manualmetal are and the explosive welding) in different working conditions. The mechanical properties of thejoint were verified by means oftensile and bend test. as well as a microhardness profile through the interface. The interface was studied by means of optícal and sean-ningelectron microscopy. A semi-quantitative chemical analysis ofthejoint zone was made to determine the degree of Fe dilution in thecase of MMA. and of inter-diffusion in the case of explosive welding.In both processes joints were obtained which meet the requirements established by ASME A-263.

INTRODUCCION

En la construcción de equipos para variadas aplica-ciones y, especialmente, en la industria química, ocupanun lugar importante los materiales plaqueados. Estosplaqueados son usados principalmente en recipientes apresión, placa-tubo para intercambiadores de' calor y enretortas para la industria química. El recubrimiento deaceros estructurales es una técnica bien establecida parala protección frente a la corrosión o el desgaste. Los recu-brimientos están constituidos por una fina capa de metalo aleación, resistente al ataque corrosivo del medie agre-sivo en contacto, unida al metal base por distinto.s proce-sos [1,2]. Existen numerosas combinaciones de empleohabitual. El par acero-Monel es especialmente atractivopor la excelente resistencia a la corrosión en una extensagama de medios y por su, practicamente, no susceptibili-dad a la corrosión bajo tensión [3]. Un número impor-tante de equipos de intercambio de calor, actualmente enservicio en las destilerías de petróleo, posee placas-tuboy tubos de aleación Mone!. Luego de un análisis econó-mico, surge como conveniente la utilización de acerosestructurales plaqueados en lugar de placas macizas deMonel, Las técnicas comúnmente usadas para el recubri-

* Marca Registrada FANAZUL

miento por fusión de componentes pequeños y medianosson los procesos de soldadura manual con electrodorevestido, MIG y, en algunos casos, TIG [. 4],

El uso de soldadura automática es muy importanteen el plaqueado de componentes medianos y grandes,siendo utilizados alambres y flejes de variadas dimensio-nes. Sin embargo, en el revestimiento de pequeñas pie-zas, algunos componentes medianos no seriados y enlugares de difícil acceso, la soldadura con electrodorevestido y la semiautomática son muy populares. Elprocedimiento de soldadura por fusión debe ser cuida-doso en el sentido de evitar una excesiva dilución con Fe.Si esto sucediera se verían afectadas las propiedades delrevestimiento y podría presentar una fisuración impor-tante la primera capa de plaqueado. Huntington [5]esta-blece para el electrodo AWS E NiCu 7 hasta un 30%dedilución con Fe sin presentar fisuración. Sin embargo,otras aleaciones toleran valores más reducidos del Fe, enel orden del 10-12% [4].

La soldadura mediante explosivos se utiliza príncí-palmente en componentes planos o cilíndricos, no exis-tiendo prácticamente restricciones en cuanto a las di-mensiones de los componentes a ser revestidos [6].

En el presente trabajo se analizan plaqueadosMonel-acero obtenidos por soldadura por fusión y me-

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales. Vol. 5. N° 2. 1985

te explosivos utilizando diferentes procedimientosoperaLlVOS.

OCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

estimiento mediante soldadura por fusión:

A los efectos de calificar un procedimiento de solda-por arco manual con electrodo revestido, se recu-

ieron tres probetas-placa de acuerdo a los procedí-- tos de Tabla 1. Se utilizó como material base acero

A-515 grado 60 con un espesor de 1-1/8". El elec-o seleccionado fue AWS E NiCu 7, diámetro 4mm.composiciones del material base y el electrodo semen en la Tabla Il, Las probetas-placa de 200 X 200fueron recubiertas con tres capas de Mone!.

TABLAI

PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA MANUALCON ELECTRODO REVESTIDO

Diámetro Calorelectrodo aportado. I(A) (mm) T('C) Solapado (KJ/mm)

P1 110 4 150 Si (20 - 30%) 1,5P2 110 4 150 No 1,5P3 135 4 150 No 1,8

Revestimiento mediante soldadura por explosivos:

El plaqueado se efectuó con acero SAE 1020y Monel400 cuyas composiciones se dan en la Tabla n. El estadoprevio a la soldadura de los materiales utilizados sedeterminó mediante dureza Vickers. Los valores fueron145 HV20 para el acero, 217 HV20 para el Monel en elestado de entrega y 162HV20 para el Monel recocido uti-lizando en los ensayos 4 y 5 de la Tabla Ill. Las dimensio-nes de las probetas fueron 100 X 250 mm, con espesor deacero de 25 mm y Monel 4 mm. Los parámetros del pro-ceso se consignan en la Tabla In. Las superficies se pre-pararon mediante amolado y desengrasado con acetona.Se utilizó la configuración paralela, Fig. 1, por lo que seemplearon separadores adecuados para mantener laposición relativa entre las placas. Se utilizó Magazul",explosivo pulverulento a base de nitrato de amonio y se

119

~DETONADOR

Fig. 1. Disposición paralela en la soldadura por explosivos.

detonócon detonador eléctrico. Se efectuó una serie detratamientos térmicos con distintas temperaturas ytiempos, Tabla VI. Una vez cumplidos los tiempos, elmaterial fue enfriado en aire calmo.'

Ensayos y observaciones realizadospara ambos procesos:

Se efectuó un estudio macrográfico (5-10X) de lainterfaz Monel-metal base prestando particular atencióna la ocurrencia de fisuras y poros en el plaquetado. Seobservó en el microscopio óptico la microestructura delmetal base, interfaz y metal del recubrimiento. Se reali-zaron ensayos de plegado lateral a 180°C, según normaASTM A-370, ensayándose tres probetas porcada proce-dimiento. El diámetro del mandril fue 30 mm. El ensayode tracción de la unión se efectuó con el dispositivo cuyoesquema se muestra en la Fig. 2. Mediante el sistemaEDAX se determinó la composición puntual y se levanta-ron los mapas de distribución de los elementos de interés,particularmente, Fe.

RESULTADOS

Revestimiento mediante soldadura por fusion:

Del estudio macrográfico surge que los procedi-mientos P1 y P2 no presentan fisuras ni poros en elestado como soldado (Fig. 3). El procedimiento P3 pre-senta gran número de fisuras intergranulares' en la pri-mera capa de material depositado (Fig. 4). El perfil deinterfaz Monel-acero correspondiente al procedimientoP1 es suave, sin presentar vértices originados entrepasadas sucesivas. Este perfil varía hacia el procedi-miento P3 haciéndose cada vez más irregular, presen-tando vértices muy agudos en el último caso.

TABLAnCOMPOSICION QUIMICA

DE LOS MATERIALES UTILIZADOS

Material C Si Mn Ni Fe Cr Mo Ti Cu S P Al

E Ni-Cu 7 ,02, ,44 2,97 63,6 2.15 .13 ..05 ,45 29.0 .005 .005 ,01A 515 .33 .26 .87 ,007 REM .032 ,006 ,007 ,008 ,019 .014 .02Monel400 ,25 ,22 1.36 63.86 2.46 REM 0,20SAE 1020 ,18 .36 .69 REM 0.18 ,019

PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA POR EXPLOSIVOS

TABLAIII

120 LatinAmerican Journai of Metallurgy and Materials, Vol. 5, N° 2, 1985

Espesorexplosivo VD Separación

N° R (mm) (m/seg) (mm) Observac.

1 0,60 30 3000 5 No soldó2 0,60 30 3000 10 Soldó3 0,80 35 3200 10 Soldó4 0,80 35 3200 10 Soldó5 0,70 33 3100 10 Soldó

~~I------PUNZÓN

~"l-----PROBETA

--SoPORTE

Fig. 2. Esquema del dispositivo utilizado en el ensayo de tracción dela unión.

La dilución con hierro aumenta con el aumento de lairregularidad indicada. La microestructura del materialbase es ferrítica-perlítica, equiaxiada, presentando ungrano 6-7 ASTM. El metal depositado presenta unaestructura dendrítica (Fig. 5). El resultado de los ensa-yos de plegado se presenta en la Tabla IV resultandoaprobado sólo el procedimiento P1 (Fig. 6a-A). El perfilde microdureza HV200, es el correspondiente a la Fig. 7,observándose un aumento de la misma desde las capassuperficiales del revestimiento hacia la interfaz. La

Fig. 3. Revestimiento con electrodo manual. procedimiento 1. Inter-faz libre de fisuras, no aparecen poros, 6X.

Fig. 4. Revestimiento con electrodo manual, procedimiento ;S. tirannúmero de fisuras y algunos poros, en la primera capa de pla-queado,6X.

dureza observada en la ZAT del material base es acepta-ble. Mediante el ensayo de tracción se obtuvo un valor dela resistencia de 640-650 MPa.

Del estudio efectuado en el microscopio de barrido,empleando la técnica EDAX, surge la variación del hie-rro en el Mane!. Se observa que la concentración de hierroen la primera capa de material depositado asciende a18%,en el procedimiento Pl, y a 36%en el procedimientoP3. En la Tabla V se resumen los resultados. En la Fig. 8se muestra el mapa de distribución de Fe en el procedi-

TABLAIV

SOLDADURA· CON ELECTRODO REVESTIDO

ENSAYOS DE PLEGADO

Procedimiento N° Resultado Observaciones--

No presentaPl Positivo fisuras

Presenta algunasP2 Negativo fisuras

Gran númeroP3 Negativo de fisuras

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales. Vol. 5. N° 2. 1985.

Fig. 6_ Revestimiento son electrodo manual. microestructura den-drítica típica del depósito. Ataque Hz<}.:- HCl - HzO.500X.

Fjg. Ga. Revestimiento con electrodo manual. resultado de los ensa-yos de plegado; a) procedimiento 1; b) procedimiento 2 ylc)procedimiento 3.

miento P3. donde.se puede ver claramente una zona dealto contenido de Fe (mayor densidad de puntos) corres-pondiente al metal base. una zona intermedia a la pri-mera capa y una de menor densidad a la segundacapa.

Revestimiento mediante soldadura por explosivos:Los resultados de los ensayos de tracción y plegado

se consignan en las Tablas VII v VIII. Las probetas

150

140

130 L-_-+ __ --+-__ I---_-+-__ -+-_----:''''-_~6TI]l1l

Fig_ 7. Revestimiento con electrodo manual. perfil de dureza en elmaterial del revestimiento.

121

TABLA V

VARIACION EN EL CONTENIDO DE FeEN EL MONEL EN FUNCION DE LA DISTANCIAA LA INTERF AZ. PARA LOS PROCEDIMIENTOS

P1 Y P3 DE SOLDADURA POR FUSION

Distancia desde la interfaz

lmm 3mm 5mm

P1P3

1836

4,411

4.812

'Fig. 8. Revestimiento con electrodo manual, muestra el mapa de dis-tribución de Fe en procedimiento 3.

características de los ensayos de plegado se muestran enla Fig. 6b. Las Figs. 9a y 9b presentan las micrografías delas interfaces de material con los tratamientos Ay B de latabla VI. respectivamente.

Se efectuaron perfiles de microdureza a lo largo deuna línea perpendicular a la unión. Se empleó una cargade 17 gramos y los valores obtenidos se representan en laFig.10.

La Fig. 11 muestra el mapa de distribución de Ni yFe. en la zona de la interfaz, de una probeta con el trata-miento térmico C de la Tabla VI.

DISCUSION

El plaqueado de aceros estructurales con Monel,mediante soldadura manual con electrodo revestido, uti-

TABLA VI

SOLDADURA POR EXPLOSIVOSTRATAMIENTOS TERMICOS

Tratamiento

ABCD

550°C X 15 min550°C X 15 min + 500°C X 60 min550°C X 15 min + 600°C X 60 min550°C X 15 min + 400°C X 60 min

122 LatinAmencan Journal of Uetallur01l and Material», Vol. 5. N° 2. 1985

TABLAVIII

Fig. 6b. Revestimiento mediante soldadura por explosivos. resul-tado de los ensayos de plegado; a) material con tratamientotérmico y b) material sin tratamiento térmico.

TABLAVII

SOLDADURA POR EXPLOSIVOENSAYOS DE TRACCION y PLEGADO

Resís tencíaPrueba N° R (MPa) Ensayos de Plegado

1 0,80 3402 0,80 4153 0,60 Fisuras4 0,60 Fisuras5 0,80 Fisuras6 0,80 Fisuras7 0,70 5208 0,80 503

!izando el procedimiento P1, ha permitido obtener unperfil de interfaz Monel-acero suave, sin vértices agudosy con muy buena terminación superficial.

El procedimiento P1 fue diseñado de tal forma debrindar la menor'dilución posible con el metal base, a tra-vés de la fijación de la corriente de soldadura en la mitad

SOLDADURA POR EXPLOSIVOENSAYOS DE TRACCION Y PLEGADO

DE MATERIAL TRATADO TERMICAMENTE

Resis tenciaPrueba N: R (MPa) Ensayos de Plegado

1 0,60 60 Sin fisuras2 0,60 210 Sin fisuras3 0,60 290 Sin fisuras4 0,80 645 Sin fisuras5 0,80 650 Sin fisuras6 0,80 640 Sin fisuras

inferior del rango recomendado por el fabricante del con-sumible, por un lado, y mediante la utilización de sola-pado entre pasadas, por el otro.

Luego, la dilución con Fe fue mayor en los procedi-mientos P2 y P3, en los que no se utilizó solapado, y, par-ticularmente, en el P3 en que la corriente de soldadurafue elevada. En el procedimiento P3 se observó un desa-rrollo importante de fisuras intergranulares en el estadocomo soldado (Fig. 12).

El nivel aceptable de dilución con Fe varía de alea-ción en aleación, y debe ser determinado ante cada casoparticular [3]. El máximo nivel recomendado por Hun-tington [5] para el Monel utilizado en el presente trabajoes 30%,habiendo sido superado en los procedimientos P2y P3.

La magnitud de la dilución y consiguiente concen-tración de hierro en la primera capa del material delrevestimiento es una función del procedimiento utilizadoy, en términos generales, cada proceso de soldadura porfusión tiene asociado un valor mínimo de dilución[4,5].

El desarrollo de fisuras en el material depositado,corresponiente al procedimiento P3, que fue puesto enevidencia a través de la observación macroscópica, asícomo la disminución de la ductilidad en los procedimien-tos P2 y P3, respecto del P1, que se observa en el ensayode plegado, son el producto de una elevada dilución con elmetal base.

Fig. 9a y b. Revestimiento mediante soldadura por explosivos. microestructura de la zona de la interfaz. AtaqueNital, 150X.

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales. Vol. 5. N° 2. 1985

• 550·CxlSmin SOO

• SSO°CxlSmin+SOO°Cll;60min• SSO°Co;lSmin+4DO°Cl6Omin•. SSO·CXlSmin+600'ÓlCx60min 400

56 48 40 32 24 16 12 xlO-Z mm

10. Revestimiento mediante soldadura por explosivos, perfil demicrodurezas en la zona de la interfaz.

La incidencia del contenido de hierro en el Monella resistencia a la corrosión ha sido probada como

• importante [3,5]. Del estudio con microscopía elec-- ica de barrido, utilizando el sistema EDAX, se

a una disminución marcada del contenido de Fe encapas superiores (Fig. 8), siendo necesario 'efectuar'sitos multicapa (tres o más) con el objeto de mante-elevada la resistencia a la agresión de ciertosíos, .

No se han observado formas de fisuración desarro-as en la zona afectada térmicamente del material, conocidas como fisuración bajo plaqueado. Estedefisuración es función del acero utilizado, siendo elM A-515 no susceptible a experimentarla [7].Las pruebas 1y 2 de la Tabla VII correspondientes aueado por explosivos, presentan un modo frágil detura de la unión y valores bajos de tensión de roturala misma. El tratamiento térmico recibido por este

rial fue efectuado con el único fin de relevar las posi-tensiones residuales presentes en el Monel, habién-

e adoptado para su realización los valores de tem-peratura y tiempo habitualmente recomendados para

one1400.En todas las probetas ensayadas en plegado, se

servaron fisuras transversales a la interfaz con ungrado de desarrollo mayor en el acero que en el Mane!' La

.odicidad de su distribución, Fig. 6b, revela estrechaación con el ondeado del límite Monel-acero ..

La Fig. 9a muestra la micrografía de este material;se aprecia claramente la zona "chocada" (ennegrecida)onde se ha producido un altísimo grado de deformaciónlástica con la correspondiente pérdidá de la ductilidad]. El espesor promedio de esta banda es de 40 micrones .

• o aparecen poros o intermetálicos frágiles a los cualesneda atribuirse el origen de las fisuras aparecidasnrante el.ensayo. Con el fin de superar los inconvenien-

apuntados anteriormente, se efectuó la serie de trata-mientos indicados con las letras B, Cy D en la tabla VI. Elmaterial sometido al tratamiento B y soldado con R == 0,80, arroja resultados satisfactorios aun cuando evi-dencia inhomogeneidad en la deformación plástica du-rante el plegado, en correspondencia con las ondas dela interfaz. Corresponde a las pruebas 4, 5 Y 6 de laTabla VIII.

123

Fig. 11. Revestimiento mediante soldadura por explosi-vos, muestra los mapas de distribución de Fe y Ni.

Las pruebas 1, 2 y 3 de la Tabla VIII con el trata-miento B dieron valores de tracción bajos y erráticos.

El análisis microestructural del material correspon-diente al número 3de la Tabla III, mostró evidente recris-talización de la zona chocad a, para los tratamientos B yC de la Tabla VI.

Para el tratamiento D se aprecia una incipienterecristalización de la zona más fuertemente deformada yuna recuperación que facilita la visualización de los gra-nos alargados en la dirección del flujo del material dela onda.

Existe manifiesta correlación entre la microestruc-tura observada y los valores de microdureza obtenidos,Fig.10.

La muy alta deformación plástica de la zona pró-xima a la interfaz, ha impulsado,en el caso del trata-miento D, un grado de recristalización, en esa región,resultando. un ablandamiento similar al obtenido con untratamiento a una temperatura 100°C superior. Esteefecto desaparece totalmente más allá de los aproxima-damente 20 mícrones de la unión comportándose a partirde allí como el material del tratamiento A. Esto en lo quehace el acero. En los referente al Monel, el comporta-miento es similar.

El tratamiento C genera una banda, que en el acerose extiende deO,04 a 0,25 mm y en el Monel de 0,02 aOJOmm a partir de la interfaz, el). que el material presentauna microdureza inferior a la del resto de los respectivosmateriales creando una discontinuidad de las propieda-des mecánicas que puede resultar perjudicial en servicio .

Fig. 12. Revestimiento con electrodo manual, detalle deldesarrollo de fisuras en procedimiento 3,50X.

como para soldadura por explosivos, resultaron amplia-mente satisfactorios de acuerdo a los requerimientosfijados en la norma ASME A-263.

- Bn recubrimientos utilizando soldadura por ex-plosivos es necesario efectuar un tratamiento térmicoposterior para homogeneización de las propiedades,dada la alta deformación que experimenta el material enla región interfacial.

124 LatinAmerican Journal oi Metallurgy andMaterials, Vol. 5, N° 2, 1985

El tratamiento B se presenta como el más niveladordesde este punto de vista. Los ensayos mecánicos dematerial sometido a este tratamiento, dieron excelen-tes resultados. '

Las pruebas 7 y 8 de la Tabla VII, correspondientesa Monel recocido como material de partida y sometido arelevo de tensiones, muestran una notable mejora en losvalores de la resistencia de la unión para el plaqueado enesa condición.

El micra análisis de la zona de interfaz muestra unaprácticamente nula difusión de elementos de un materialhacia el otro; situación que no se altera cuando se tratantérmicamente estas uniones constituidas por elementosque no presentan gran solubilidad a las temperaturasempleadas [10].En la figura 11se observa el mapa de dis-tribución de Fe y Ni de una probeta con el tratamiento amás alta temperatura utilizado, pudiéndose apreciar elabrupto cambio en el contenido de estos elementos.

CONCLUSIONES. ~.

- En la soldadura con electodos revestidos sedeben emplear procedimientos adecuados que garanti-cen poca dilución con Fe proveniente del material base,lográndose ese propósito con baja penetración y sola-pado entre pasadas. De ser posible la utilización de pro-cesos automáticos, se disminuiría la dilución y, adíeio-nalmente, se aumentaría la productividad.

- En la soldadura por explosivos no ocurre diluciónapreciable con Fe en las zonas próximas a la interfazMonel-acero, siendo ésta una importante ventaja res-pecto de la soldadura por fusión.

- La soldadura por explosivos de Monel con acero,en el rango de condiciones abarcado en las experienciasrealizadas, requiere una energía específica (R) entre 0,7y 0,8.

- Los resultados obtenidos en los ensayos mecáni-cos, tanto para el procedimiento de soldadura por fusión

AGRADECIMIENTOS

Los autores desean agradecer a las siguientes insti-tuciones: SECYT, por la financiación parcial del pro-yecto; al LEMIT, por el apoyo brindado durante la eje-cución experimental y al INTI, por ei servicio prestado enmicroscopía electrónica de barrido.

Asimismo, se desea agradecer a la Dra. Celia Puglisisu colaboración en la obtención de los análisis químicossemi-cuantitativos.

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