CARACTERISTICAS Y PROPIEDADES DE RECUBRIMIENTOS CON ALEACIÓN INCONEL 600 Y STELLITE

Martín Castillo Sánchez*, Francisco Palacios Palacios**, Agustín Márquez M., Luis H. Hernández G.*, Pablo Villegas R.* Gabriel Villa y Rabasa*.

 

* Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, ESIME, IPN. Av. IPN s/n , Edificio 5, 2º piso, departamento de mecánica. Tel. 57296000 Ext. 54691, 54748. avinfer@ hotmail.com

** Instituto Nacional de Investigación Nuclear, Salazar Edo. de México. Gerencia de Ciencia de Materiales. Tel. 53297200 Ext. 2896.avinfer@ starmedia.com

Resumen:

El trabajo presenta el estudio sobre las propiedades metalúrgicas y mecánicas de dos aleaciones, Inconel 600 y stellite, clasificadas dentro del grupo de aleaciones de alta dureza o superaleaciones; las cuales fueron depositadas mediante el proceso de soldadura eléctrica con arco metálico y electrodo revestido (SMAW) y; fueron analizadas mediante microscopía electrónica (SEM), difractometría, pruebas de abrasión y dureza. Se observó la relación entre la microestructura y las propiedades del recubrimiento (dureza, resistencia a la abrasión, entre otras).

Palabras claves: Stellite, Inconel 600, Austeníta, Abrasión, Carburos, Recubrimiento duro.

Abstract:

The present work studies the metallurgical and mechanical properties of two alloys, Inconel 600 and stellite, which are within the group of high hardness alloys or superalloys, which are deposited through the electrical weld process to the metallic arc with coated electrode (SMAW) and thereinafter analyzed through electron microscopy, diffractometry and of abrasion and hardness tests. The relationship between the microstructure and the final properties of the coating (hardness and abrasion wear resistance) was observed.

Key words: Stellite, Inconel 600, austenitic, abrasion, carbide, hard coating.

1. Introducción

Los recubrimientos duros sobre metales blandos tienen una gran importancia en los componentes de equipos sometidos a diferentes tipos de servicio. Estos recubrimientos tienen una amplia aplicación en la industria petroquímica, generación de energía eléctrica, movimiento de tierras e industria nuclear.
La aplicación de recubrimientos duros sobre las superficies consiste en depositar alguna clase de aleación especial sobre una parte metálica, mediante alguno de los diversos métodos de aplicación de soldadura, para formar una superficie que resista a la abrasión, el calor, el impacto y la corrosión, o sus combinaciones [1].
Un grupo importante de aleaciones para el servicio de corrosión y alta temperatura está basado en el elemento níquel. Uno de los atributos más importantes del níquel, con respecto a la formación de aleaciones resistentes a la corrosión, es su compatibilidad metalúrgica con otros metales tales como cobre, cromo, molibdeno, y hierro. Las aleaciones de níquel son, en general, austeníticas; sin embargo, pueden estar sujetas a la precipitación intermetálica y a la formación de fases de carburo al someterse al envejecimiento.
Las aleaciones de cobalto son químicamente menos complejas que las aleaciones de níquel, siendo más parecidas a los aceros inoxidables. La constitución de fases de la mayoría de las superaleaciones de cobalto consiste en una matriz continua cúbica de cara centrada (fcc), llamada austeníta o gama (γ); una o más fases de carburo; la precipitación infrecuente de estructura hexagonal compacto (hcp), llamada martensita o ε. Sin embargo, es común encontrar únicamente la fase γ y carburos en superaleaciones de cobalto bien diseñadas, la resistencia en aleaciones de cobalto siendo obtenida principalmente a través de una combinación de efectos entre la solución sólida y la precipitación de carburos [2].
El objetivo de este trabajo fue estudiar las fases que provocan los diferentes niveles de endurecimiento en los recubrimientos con aleación de INCONEL y Stellite

4. Procedimiento Experimental

4.1 Preparación del muestra:

El metal base utilizado es un acero de bajo carbono ASTM-A36 (tabla1); la placa utilizada para el depósito fue cortada con las siguientes dimensiones, 200 x 200 x 25.4 mm. Se utilizó electrodo revestido con diámetro 4.8 mm, ERNiCR (tabla2) y ERCoCr,(tabla 3).

La aplicación de los cordones que forman el depósito se realizó usando el método de soldadura eléctrica al arco con electrodo revestido, la técnica de aplicación de la soldadura consistió en movimiento del electrodo con oscilación en posición plana (Fig.1). Durante la deposición de los cordones se controlaron los parámetros de soldadura con la finalidad de mantenerlos constantes; se aplicaron tres capas de depósito, y los datos correspondientes son mostrados en la tabla 4.

Tabla 1. Análisis químico del metal base¹

Tabla 2. Análisis químico del metal de aporte, Inconel 600

Tabla 3. Análisis químico del metal de aporte, stellite

Tabla 4. Parámetros del proceso de soldadura.

 

Figura 1. Aplicación del recubrimiento.

 

5. Resultados

5.1 Dureza

La medición de dureza se llevó a cabo en un Durómetro Rockwell Marca Karl Frank, Modelo K506, a temperatura de laboratorio. La microdureza se midió con un microdurómetro Marca Shimadzu Modelo 3077. Los valores de dureza obtenidos se muestran en la tabla 5.

Tabla 5. Dureza y microdureza de Inconel 600 y stellite sobre acero ASTM-A36

5.2 Estudio de la microestructura

a) Microscopía óptica.

Se utilizo un microscopio Metalográfico marca Versamet, modelo Unión 647.

· El estudio de microscopia óptica muestra una estructura dendrítica gruesa (escritura china) de la aleación de Inconel 600 (Fig. 2), donde la matriz es níquel mientras que las dendritas son ricas en carburos de cromo y niobio.

Figura 2. Inconel 600. 3^acapa, Óptico. 150X.

· En la aleación stellite (Fig. 3), observamos una estructura dendrítica gruesa con matriz de cobalto y dendritas ricas en carburo de cromo (morfología de cubos).

Figura 3. Stellite, 3a capa, Óptico. 150X.

b) Microscopía electrónica de barrido (SEM).

Se llevo a cabo con microscopio electrónico Philips alto vacío, modelo XL30, acoplado a sistema de microanálisis por espectrometría de electrones dispersos.

· Observamos que las dendritas de la matriz de níquel están formadas por carburos de cromo primarios eutécticos, con morfología "escritura china" (Fig. 4), y la distribución homogénea del niobio dentro de la matriz de níquel ( Fig.5, tabla 6).
· En el Stellite (Fig. 6), las dendritas son ricas en carburo de cromo y los límites de grano forman una red de "esqueleto" (Fig. 7) con matriz austenítica (tabla 7).

Figura 4. Inconel 600, 3ª capa. SEM 400X.

Figura 5. Inconel 600, 3ª capa / partícula de niobio en la matriz de níquel. SEM 2000X.

 

Tabla 6. Análisis químico básico de la aleación inconel 600, 3^a capa.

Figura 6. Stellite, 3ª capa. SEM 400X.

Figura 7. Stellite, 3ª capa / carburos de cromo en los límites de grano. SEM 2500X.

Tabla 7. Análisis químico básico de aleación stellite, 3^a capa.

5.3. Análisis con el Difractómetro de rayos X

Se realizo utilizando un Difractómetro de rayos X Siemens, modelo D 500, con filamento de cobre y longitud ë - 1.545 A°.
Las fases constituyentes del depósito de Inconel 600 fueron determinadas mediante difracción de rayos X, mostrando una fase austenítica (Fig. 8), en un sistema cúbico de cara centrada, con carburos de cromo primarios y a = 2.8681A°.
Las fases constituyentes en el deposito de Stellite muestran una fase austenítica (Fig.9), en un sistema cúbico, con carburos de cromo primarios y a = 2.857A°.

Figura 8. Difractograma de inconel 600

Figura 9. Difractograma de Stellite

5.4 Abrasión

La prueba de abrasión se llevó a cabo de acuerdo a la norma G65-94 ASTM, utilizando una muestra de prueba con las siguientes dimensiones 25.4 x 76.0 x 12.7 mm. Se utilizó un material abrasivo a base de arena silica AFS 50/70 y un flujo de arena de 0.005 kg/s; la carga sobre la superficie de prueba fue 130 N, la rueda de neopreno gira a una velocidad de 20.94 rad/s. La prueba se realiza para 5000 revoluciones [3]. La tabla 8 muestra los valores de material perdido, los cuales se grafican en la figura 10.

Tabla 8. Masa perdida en la prueba de abrasión.

Figura 10. Número de revoluciones contra la resistencia al desgaste.

6. Discusión de resultados

· En el depósito de la tercera capa de recubrimiento observamos mediante el microscopio óptico que la morfología de la fase presente en la aleación de Stellite (Fig.3), es mas gruesa que inconel 600, lo cual según Silence citado por Cassina [4], sugiere que al aumentar el volumen de partículas duras se incrementa directamente la dureza superficial y la resistencia a la abrasión.
· La fase presente en ambas aleaciones es austenítica, pero el porcentaje de cromo es mayor para la aleación Stellite (Tabla 6 y 7) y, en consecuencia, una mayor formación de carburos de cromo para formar una red en los límites de grano, en forma de esqueleto (Fig. 7).
· El análisis de rayos X, muestra que inconel 600 forma una fase austenítica. Aún cuando el estudio de stellite muestra una fase austenítica, no concuerda totalmente con Cahn [5] u otros autores, quienes sugieren que la fase es martensítica, hcp.
· La figura 10, indica que la resistencia al desgaste es mayor en stellite que en inconel 600, lo cual concuerda con los análisis metalográficos.

7. Conclusiones

· Se comprueba en efecto que las fases presentes en el stellite son más duras que inconel 600, lo cual se verificó en la prueba de abrasión.
· Las dos aleaciones tienen comportamiento de dureza, de fases y de desgaste abrasivo diferentes, lo cual se observa en las fotografías y gráficas.
· Algunas de las características estudiadas en el trabajo muestran la viabilidad de sustituir stellite por Inconel 600.

9. Agradecimientos

Ing. Leticia Carapia, Leonardo Díaz. ININ, SEPI ESIME.

8. Referencias

[1] AWS. Metals Handbook, Volume 6. American Society For Metals. 1985.         [ Links ]

[2] Chester T. Sims. The Superalloys. John Wiley & Sons, Inc. 1972.         [ Links ]

[3] ASTM, G65-94 Standard. Measuring Abrasion using the Dry Sand/rubber wheel Apparatus.         [ Links ]

[4] J.C. Cassina and J. E. Redman, Welding Journal. 73, 9. 1994.         [ Links ]

[5] Cahn, R. W. Physical metallurgy. North - Holland publishing Company. 1977.         [ Links ]