54 Revista Latinoameriruna de Metalurgia y. Materiales. Vol.14 N° l. 1994

INFLUENCIA DEL PROCEDIMIENTO DE APORTACION DEL STELLITE-6 EN LAMICROESTRUCTURA DE UN ACERO WCB y CA-15

*Ligia Ruiz, **Martha Díaz, ***Sonia Camero, ***Joslinda Arraiz, ***Samuel García* IUPF AN/Núcleo Puerto Cabello* * USB/Núcleo Litoral - Dpto. Tecnología Industrial* * * UCVlEscuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencias de los Materiales. Centro de Microscopía Electrónica

AbstraerThis study establísnes the intluence 01' GMAW welding procedure in steel designed as'WCBand <L:A-I5.

Usually thesematerials are employed to rnake back val ves shims utilized in the oil and oil-chemistry íridustries.The microstructural characteristics 01' these marerials was determinated with the aid of S.E.M. and E.D.S.methods, after welded with Stellite 6. 111e following parameters were considered in this research: electricalcurrent, pre-heating and ulterior thermal treatrnent.

Theresults obtained show that WCB has better mechanical properties associated with microstructure afterweld.

ResumenCon el presente estudio se pretende establecer la intluencia del procedimiento de soldadura con gas y

arco de metal (GMAW) sobre muestras de acero designadas como WCB y CA-IS. Estos materiales sonusualmente empleados en la fabricación de las cuñas de las válvulas tipo compuertas, utilizadas en la industriapetrolera y perroquímica. Se determina. a través de las técnicas de microscopía electrónica de barrido (M.E.B.) yespecrrnmerría de energía dispersa de rayos X (E.D.S.), las características microestructurales obtenidas a partir dela técnica 'de aportación de Stellite-6 considerando parámetros eléctricos, condiciones de precalentamiento ytratamiento térmico posterior. Los resultados muestran que el aporte sobre el material base WCB presenta lasmicroestructuras más favorables relacionadas con las mejores propiedades mecánicas asociadas con elprocedimiento aplicado.

I .. INTRODUCCION

Actualmente, las ern presas petroleras ypetroquímicas exigen que los materiales utilizadosen los asientos de las válvulas tipo compuerta, encontacto directo con t1uídos severos, cumplan conlos. requisitos establecidos por las normas yprocedimientos internacionales [1-4].

Con el avance de la tecnología, se handesarrollado nuevas técnicas para el aporte de unaaleación de base cobalto (Stellite 6) sobre acerosde uso común, en la fabricación de elementos deválvulas, con la finalidad de incrementar su vidaútil, mejorando notablemente su resistencia aldesgaste, erosión, corrosión y dureza [5,6].

Es sabido que las cuñas realizadas con losmateriales WCB y CA-15 y posteriormenteaportadas con Stellite 6 empleando métodostradicionales de soldadura con gas y arco de metal(OMA W), presentan fallas tipo agrietamiento enfrío, de carácter progresivo al poco tiempo dehaher realizado dicho aporte, considerando lasnormas y procedimientos internacionales, así

como las recomendaciones de los fahricantes delmaterial de aporte.

El ohjeto del presente trahajo, consiste endeterminar los cambios microestructurales queocurren por efecto del procedimiento utilizado,considerando la caracterización metalúrgica delmaterial de aporte y de los materiales base; asíC01110 las variables inherentes en el proceso, através de las técnicas de M.E.B. y E.D.S yevaluación de las propiedades mecánicas traccióny dureza.

11. DESARROLLO EXPERIMENTAL

Para el estudio se seleccionaron acero degrados comerciales ASTM A-216 (WCB), ASTMA-217 (CA-15) y un material de aporte AWS A5.13 (R-Co-Cr-A), cuya composición químicarealizada en un equipo de espectroscopíadedifracción de rayos X y marca JOVIN YRON,modelo J4-32, se presenta en la Tabla 1.

Lutinñmericun Iourna! (){ Meuillurgy and' Materials, Vo1.14. N" l. 1994.

Revista Latinoamericana de Metlii~~gia y Materiales. Vol.14 N" 1. 1994I

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Las formas geométricas de las muestrasempleadas corresponden a cuñas de 8 pulgadas de

diámetro provenientes de válvulas tipo compuerta,como se detalla en la Figura l.

Tabla 1. Resultados de los ensayos de análisis químico de los materiales de estudio.

, :;~.

./ .••ft.';"?> MAlERIALESASlM A 216 ASlM A - 2 AWS A 5.13

GR. WCB ,1'1; ~ •• '!:' .. GR. CA 15 R - Co-Cr-A

C 0.245•.~'. l

0.150 1.010

Mn 1.090 0.895 -

Si 0.574 0.841 -CO P 0,C)24 0.034 -MP S 0.019 0.003 -OS Cr 0.304 11.3000 28.30001C Ni 0.198 0.162 1.7201O Mo (l.(176 0.127 -N

Al '0.040 0.011 -

QU Cu 0.088 0.087 1.1801

M Y 0.088 0.462 -1C Fe Bal Bal 2.970A

W - - 4.600

Ti - - 0.010

Nb - - 0.029

Co - - Bal (aprox 59.66),

,'.

LalinAmn;nm Journal (!!' Mrtullurgv atu! Muteriuls, VO/.14. N" l. 1<)<)4.

56 Revista Latinoaniericnna de Mct al urg¡« v Materiales. V-fJI.14 N° 1, 1994

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ROi-caJo ~ la. h-p.ol...GU.i_utw cierre hermetico con 11 Ayud.a .. 1 PuQden SQr c ambiadas Qst&ndo la valvula. en oper.¡cionoIvul4 1 bi .. Ido o' - -~ ccmpletement e eb;'rt~ su c.j~ .,t~di<.iIada con \o

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Pueden ser brioas de c,u-arealzadas, d~ cara plana. o con n.Il'Il1-l I !$PBO~~ de p4ftd :pan. R.T,J agúl\ ANSI B 16.5,ademá..."se pueden suministrar .(: . Superiores a les e,pecific~doj en API 600.con extremos para soldar ~e~.m ANSI B 16.5 ~25 "r~ - - Lo que se tr.duce en una. mayor l'"e:JuiencLa. <Ut... vüvuL..y extremos rcscados st{Úl:l ANSJ B 2.1 _ _ //' I otn condiciones de trebejo.

Cuila •../Diseñada con un recorrido de desgaste mayo]' a. lasespecifíc.ecicres, ccnfiriéndole ww, ma~;or vida ú1il ~ producto.

FIigura 1. Corte transversal de una válvula tipo compuerta

El aporte de Stellite 6, se realizó siguiendoel proceso de soldadura con gas y arco de metal(GMAW), a través de una transparencia tipo"Spray", empleando un alambre de 1.6 mm .dediámetro, una corriente continua polaridad (+) de200 a 260 A Yun voltaje de 22 a 28.

Las temperatúras de precalentamiento paralos aceros WCB y CA-15, fueron de 536 y 716 F,respectivamente? obtenidas a partir de la fórmulade carbono equivalente total deducidas por elInstituto Internacional de la Soldadura (ITS) yadoptado' por la Asociation Steels MechanicalEngineers (SME).

Una vez determinado el proceso deaportación, el enfriamiento de la pieza se llevó acabo sumergiendo la cuña a una cierta profundidaden un cajón de arena de sílice iluminado y cenadodurante 12 horas. Luego, se sometieron a untratamiento térmico a una temperatura de 593~648C durante una hora/pulgada y alcanzandovelocidades de enfriamiento de L20-100 C/hr.

Las muestras del material aporte, de losmetales bases y las correspondientes al perfil desoldadura para ser analizadas por M.E.B. yE.D.S., se prepararon siguiendo la técnica demetalografía convencional. Los reactivos deataque utilizados fueron: para el material WCB,una solución de Nital al 5%, constituída por 2 ml

de HN03 y 98 rnl de alcohol metílico; para elacero eA-15, una solución de Vilella, constituídapor 5 ml de HCl, 1 gr de ácido pícrico y 100ml de etanol; y para el Stellite 6, una solución deagua regia, constituída por lOml de HN03, 20mlde HCl y 20 ml de glicerina.

Se utilizó un microscopio electrónico debarrido marca HITACHI modelo S-2400. Entodos los casos se operó con un potencial de 20kV Ylas imágenes fueron obtenidas en el modo deelectrones secundarios -.

Los materiales de estudio se sometieron aensayos de tracción y dureza Brinell, con lafinalidad de determinar sus propiedadesmecánicas, fabricándose probetas de calificacióndel material

III. RESULTADOS Y DISCUSION

Los resultados obtenidos en los ensayosmecánicos se muestran en la Tabla 2.

Mediante las técnicas de M.E.B. y E.D.S.,se determinó que el material base CA-15 presentauna estructura constituída por límites de ferrita enuna matriz martensítica con presencia de grancantidad de carburos de cromo, tanto en elseno dela matriz como en los límites de grano, figura 2.

Latin/vmerican Journal of Merallurgy and Materials, Vo l.l 4,. N° 1, 1994.

Revista Latinoamericana de Metalurg.ia y Materiales, Vol.14 N° 1, 1994

La presencia de una gran cantidad decarburos de cromo en la matriz del acero, hace queeste material se caracterice por su alta dureza comose muestra en la tabla 11,presentando además unaelevada resistencia al desgaste y a la abrasión.

En la Figura 3 se observan lascaracterísticas microestructurales presentes en elmaterial base WCB. A partir de las técnicas deM.E.B. y E.D.S., se determina una estructuraconstituída por una matriz ferrítica con granos deperlita fina. También se observa granheterogeneidad en la distribución y tamaño degrano, consecuencia de los procesos deenfriamiento sufridos por la pieza fundida. Laestructura ofrece buenas propiedades deductilidad, maquinabilidad y resistencia a impactosde cargas medias.

La Figura 4 revela la microestructura delmaterial utilizado como recubrimiento en losprocesos de soldadura. La microestructuraconsiste de una matriz de cobalto con límites decarburo de cromo tal y como lo señalan losanálisis químicos puntuales realizados por E.D.S.sobre los mismos. para el Stellite-6, porpresentarse en forma de alambre. mecánicos semuestran en la Tabla 2.

La formación de los carbures otorga almaterial propiedades extremas de resistencia al

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roce metal-metal, desgaste, impacto y abrasión,así como el cromo disuelto en toda la matrizmetálica de cobalto, ofrece excelente proteccióncontra la corrosión.

La Figura 5, muestra la línea de fusión dela aportación de Stellite-6 (a la derecha) sobre elmaterial base CA-15 (a la izquierda). En este casose define una zona de fusión uniforme, donde lapenetración del material de aporte alcanzaaproximadamente 10 micras. Se observa además,una transformación completa de la estructuraoriginal, producto de la elevada temperaturaalcanzada en esta zona. Después de realizada laaportación y el tratamiento térmico posterior, sedetermina una estructura de martensita revenida,comenzando a observarse islas de ferrita adistancias de la zona alrededor de unas 75 micras.

La Figura 6 muestra la evoluciónmicroestructural del CA-15 en zonas distantes dela linea de fusión y observándose la presencia decarburos de cromo, tanto en la matriz como en loslímites.

La última transformación sufrida por elmetal base se caracteriza por presentar una matrizde martensita revenida con islas de ferritauniformes y carburos de cromo globulizados.

Tabla 2. Resultados de los Ensayos Mecánicos de Tracción y Dureza de los Materiales de Estudio

Material Límite de t1uencia Esfuerzo últimoI)..gflmm2 (Psí) a la tensión % de alargamiento % Reducción de área Dureza RBN

Kgflnl1112(Psi) (RRC)WCB 37 (52.624) 59 (83.9l4) 27 52 167CA -15 46 (65.424) 66 (93.870) 20 32 528(53)Stellite-6 N/A N/A N/A N/A 528(53)

Latin/unerican Journal (Ir Metal/urgy and Mat erials, Vol.14, N° 1, 1994.

SR Revista Lcu inoanicricuna d« MI'fl//llrgil/ v Mutcriales. VO/./4 N" l. 1994

C, 1't Elemenl W.ight AIOrrUC Precisión K - Ration1'0 f)!; IterUo fI &Lne Percent Percent 2 Sigma

~~ Si Si KA 1.15 2.25 0.05 0.0072,- -'~'11 12 13 1~ IS 16 rz- . 1'=', 19 Cr KA 11.39 11.99 0.12 0.1419

1- 0.000 ~::.r'9':: 10.230K.V lo,.'.' '.1 MnKA 0.84 0.85 0.07 0.0086

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(Z.",1' GOJ:J:1:CTlJf8 '.'1.", },(."',GIC '.' ) Total 100.00

17·S~•• ·1993 11:10Ii~o;'.rti,=,ot;im'! :;]SccondV~rt 5000 c ount c I'i:::p1

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205 Q 0076014 010720.08 0.0097

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Mn KA 0.97 0.96

Fe KA ·82.33 82.42

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17·;50'1"·199311:14.Ej(::c,¡t;i-:on tirnc 2 S'::o:c'r,dV~rt 5000 ("Hlt::: Di~. 1

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Element W • .ght Atorruc Precisión K· Ration Iter&Line Percent Percent 2 SigmaSi KA 118 2.30 0.05 0.0074

el' KA 12.21 1204 0.12 01512

W.nKA 0.96 0.96 0.08 0.0097

F. KA 85.65 83.90 0.37 0.8317

Total 10000

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Figura 2. Micrografías por M.E.B. detallando la microestructura del metal base CA-15, con microanálisisquímico puntual por E.o.S. en las partículas de carburos (a y h) Y límite de grano (e).

Latinémcrican lournut (I! Met allurg» (//111 Miit erials, Vol.14, N° 1, 1994.

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STANDARDLESS EDS AN~YS1.~(Z ••••1CORRECTINS VIA M••••GIC V )

sr A.TfDAIIDI.E33EDS Aff M.Y3!.S(ZAr CORRECTINS VIA MAGlC V )

Element Weight Atormc PreC1Sl0n K - Ration Iter&Line Percent Percent 2 Sigma Element Weight Atomic Precision K - Ration IterSi KA 0.40 0.79 0,03 0.0025 &Line Percent Percent 2 Sigmaer KA 0.39 0.41 0.03 0.0054 e- KA 0.55 0.59 0.03 0.0070MnKA 1.57 1.59 006 0.0163 Mn KA 2,00 2.00 0,07 0.0207

Fe KA 97.65 97.21 0.40 0.9758 Fe KA 97.45 97.37 0.42 0,9715 2

Total 100.01 Total 100.00

Figura 3. Micrografías por M_E.B. del metal base WCB con su E.D.S. en: (a) Matriz (b) Perlita

Latin/unerican .10Ur1W! (I( Mell/!Iurgy and Muteriuls, Vol.14. N° l. 1994.

60 Revista Latinotnncricana de Metalurgia, y Materiales, Vol.14 N" 1, 1994

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(zAr COUIClll'f3 VIA MAGIC V)

Element Weight Atornic Precisión K - Ration Iter Element Weight Atornic Precision K - Ration Iter&Line Percent Percent 2 Sigma &Line Percent Percent 2 SigmaCrKA 6116 67.91 0.21 0.6421 Cr KA 25.26 28.63 0.14 02020Fe KA 2.04 2.93 0.07 0.0273 Fe KA 4.91 5.21 0.09 0.0493eo KA 26.02 26.27 0.19 0.2570 ce KA 64.46 64.45 0.29 0.6274V KA 9.19 2.88 020 0.0720 3 V KA 5.34 1.71 0.20 0.0413 2

Total 100.01 Total 100.00

FIigura 4. Micrografías por M.E.B. del material de aporte Stellite 6 con su microanálisis químico por E.D.S.en:(a) Matriz(b) Límites de grano

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Figura 5. Micrografía por M.E.B. del perfil de soldadura sobre el metal base CA-15 utilizando la técnicanueva.

Figura 6. Micrografías por M.E.B. mostrando la microestructura en el metal base CA-15:a) Zona cerca del Cordón. b) Zona media del Cordón.

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.(r.).

Figura 6. Micrografías por M.E.B. mostrando la microestructura en el metal base CA-15:e) Zona opuesta al Cordón

La figura 7 muestra la línea de fusión deaportación de Stellite-ó (a la izquierda), sobre elmaterial base WCB (a la derecha). Nótese lamenor difusión del material de aporte sobre elmetal base, alcanzado valores de 8 rnicrus.

Se observa, en el área correspondiente almaterial de aporte, la presencia de carhuros decromo, característicos del Stellite 6. La disolucióncompleta de estos carburos .se asocia a las altastemperaturas alcanzadas en esta zona, y sólo hasta

una profundidad de 65 micras es cuando estosaparecen disgregados hasta alcanzarhomogeneidad en la matriz cobalto.

Hacia la izquierda se observa como loscarburas de cromo, propios del Stellite-6, estáncompletamente disueltos debido a las altastemperaturas alcanzadas en esta zona, y sólo hastauna profundidad de 65 rnicras aproximadamentees que estos aparecen disgregadamente hastaunitormizarse en la matriz de cobalto.

Figura 7. Micrografía por M.E.B. del perfil del soldadura sobre el metal base WCB utilizando la técnicanueva. Fase clara martenxítica y la fase oscura hainitica.

Laün/vmcrican lournal IIr Me/ll//lirgy and Matcriats, VII/./4, N° 1, lCJCJ4.

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Figura 8 (e). Micrografía por M. E. B. mostrando la microestructura en el metal base WCB en la Zonaopuesta al perfil.

IV. CONCLUSIONES

- La evaluación microestructural a travésde las técnicas de M.E.B. y E.D.S., verifican lapresencia de los microconstituyentes típicos de losmateriales caracterizados.

- El procedimiento de soldadura aplicadobajo los parámetros especificados, determina queel aporte sobre el material base WCB presenta lasmicroestructuras más favorables relacionadas conlas propiedades mecánicas asociadas con la técnicaempleada.

- El material WCB presenta, a partir de lazona de fusión, un perfil microestructural máshomogéneo, llegando a alcanzar sumicroestructura original. una profundidad de 65

micras es cuando estos aparecen disgregados hastaalcanzar homogeneidad en la matriz cobalto.

Hacia la izquierda se observa como loscarburos de cromo propios del Stellite-ó estáncompletamente disueltos debido a las altastemperaturas alcanzadas en esta zona, y sólo hastauna profundidad de 65 micras aproximadamente,es que estos aparecen disgregadamente hastaunilormizarse en la matriz de cobalto.

Latin.Amcrican lo urnul o/ MC'IIIIII/rgy a/1.(1 Mntcrio!«. Vn1.14. N° l. 1994.

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