1.2.- Inclusiones no metálicas Una característica muy relevante en la soldadura por arco eléctrico de aceros es la presencia de inclusiones no metálicas en el metal de soldadura. Estas inclus inclusion iones es tienen tienen un marcad marcado o efecto efecto en el desarr desarroll ollo o microe microestr struct uctura urall y consecuentemente consecuentemente en las l as propiedades mecánicas del material. El metal líquido antes y durante la solidificación interactúa con el medio que lo rodea disolviendo gases (oxígeno, nitrógeno, idrógeno!. "as reacciones que se prod produc ucen en entr entre e esto estos s elem elemen ento tos s disu disuel elto tos s y los los que que se enco encont ntra ra#a #an n disueltos previamente ($n, %i, &, 'e, l, )i, etc.! dan origen a las inclusiones no metálicas, siendo estas los productos de dicas reacciones. "a mayoría de las inclusiones no metálicas son óxidos formados durante el enfriamiento entre *+- y /0-. 1a2o ciertas condiciones tam#ién pueden formarse nitruros y sulfuros durante la solidificación o en el posterior enfriamiento en estado sólido. 3or esto es que en la literatura se utili4a el término 5inclusiones no metálicas6 más general para descri#ir el amplio rango de inclusiones que se forman en la soldadura de aceros (+0!. quellas inclusiones formadas en forma externa a la pileta de soldadura, por e2emplo en el proceso de transferencia metálica desde el arco eléctrico, se denominan primarias denominan primarias o exógenas. exógenas. Estas Estas inclus inclusion iones es relati relativam vament ente e grande grandes s no se remue remueven ven por flotac flotación ión o procesos de a#sorción, generando atrapes de escoria. 3or otra parte, a partir del proceso de solidificación, ya sea como resultado de las reacciones de desoxidación en la pileta o por inesta#ilidad del frente de solidificación, pueden formarse nuevas fases (óxidos, nitruros y sulfuros! en l as 4onas interdendríticas si se dan dan las las cond condic icio ione nes s term termod odin inám ámic icas as y ciné cinéti tica cas s adec adecua uada das. s. Esta Estas s inclus inclusion iones es formad formadas as durant durante e la solid solidific ificaci ación ón en la pileta pileta de soldad soldadura ura se denominan endógenas o secundarias (78,+9!. Este último grupo en general es eterogéneo respecto de la composición, de la forma y de su estructura cristalina, como resultado del comple2o sistema de aleación involucrado (++!. En los los meta metale les s fund fundid idos os la prim primer era a fase fase sólid sólida a que que se form forma a dura durant nte e el enfriamiento, no corresponde a la fase metálica de la matri4, sino que por su mayo mayorr punt punto o de fusi fusión ón corre corresp spon onde de a prod produc ucto tos s de las las reac reacci cion ones es de desoxidación. Esta fase puede ser vítrea o cristalina. En los aceros se utili4a muy comúnmente la desoxidación con %i donde el producto de dicas reacciones es %i:*. %i la desoxidación se produce con l el producto que se o#tendrá será l*:7. )am#ién )am#ién son comunes los productos que son com#inación de varios elementos presentes en el acero como $n%i:7 y $n(:,%! (+9!, generalmente vítreos y esféricos (7;!. Un e2emplo de estas reacciones es la desoxidación con %i<$n, muy utili4ada en la soldadu soldadura ra de aceros aceros.. En la figura 42 se 42 se puede ver el efecto de distintos elementos como desoxidantes en equili#rio en ierro líquido a /8-&.
Figura 42.- Efecto del $n, %i, )i y l como desoxidantes en equili#rio en aleaciones de ierro líquido a /8-& (7;!. En soldaduras de aceros se a asumido que la secuencia de formación de óxidos o inclusiones tiene un orden fi2o l*:7, )i*:7, %i:* y $n: independientemente de la composición del metal de soldadura (80,8=!. Esta secuencia deriva de una escala de óxidos de acuerdo con la esta#ilidad relativa decreciente o la disminución del valor a#soluto de la energía li#re estándar de formación del óxido, proveyendo una #uena idea cualitativa del potencial de oxidación. %in em#argo es poco pro#a#le que esto represente las reacciones reales dado que la esta#ilidad de los óxidos puede cam#iar con la concentración de los reactantes en el metal de soldadura (cantidad de l, )i, %i y $n!. demás pueden formarse óxidos comple2os (;!. 3or otro lado, la velocidad de precipitación de inclusiones de óxidos desde una solución so#resaturada puede ser determinada a partir de la velocidad de difusión de los elementos a la interfase. "a velocidad de difusión acoplada con la velocidad de nucleación puede estimar la cinética de crecimiento de varios tipos de inclusiones. En la figura 43 se puede ver una comparativa de los tiempos de transformación de varios óxidos en función de la temperatura. En esta figura se puede ver que el primer óxido en formase es l*:7. medida que disminuye la temperatura de la soldadura se o#serva la secuencia de precipitación de óxidos. >iagramas de este tipo pueden ser empleados para predecir la secuencia de formación de óxidos en función de la composición y la temperatura (*7!.
Figura 43.- &omparativa del tiempo de formación de distintos óxidos para /? de cantidad final en función de la temperatura. "os cálculos fueron reali4ados para un metal de soldadura con ,88?&, /,88?$n, ,0*?%i, ,*+?)i, ,*8?l, y ,08? : (*7! %i #ien la desoxidación al %i es más eficiente que la desoxidación al $n, la acción com#inada del %i y $n produce un menor contenido de oxígeno en solución en el metal de soldadura. En este sentido, los productos de desoxidación o#tenidos son una me4cla líquida de $n: y %i:*, con una peque@a cantidad de 'e:. "a morfología de las inclusiones primarias varía según la cinética en interfases, la energía superficial relativa, las colisiones, la viscosidad de las inclusiones, etc. "as inclusiones primarias de silicatos son generalmente esféricas (+9!. Es importante considerar que las inclusiones primarias pueden aparecer en la estructura final no sólo distri#uidas aleatoriamente sino tam#ién asociadas con el espaciado interdendrítico. En general se acepta que las inclusiones pueden ser empu2adas durante la solidificación, de manera de ser transportadas por los canales de líquido interdendrítico, quedando finalmente con una distri#ución alineada en la dirección de avance del frente (+9!. &uando los elementos segregados al líquido interdendrítico alcan4an una concentración mayor que la de equili#rio se puede producir la formación de nuevas fases. En este sentido los óxidos y los sulfuros son productos típicos de estas reacciones dado que el oxígeno y el a4ufre en solución son dos elementos que pueden reaccionar con otros de los elementos disueltos en el metal líquido. Es importante acer notar que el oxígeno en los aceros puede estar disuelto asta alrededor de ,*? en peso, mientras que suele medirse más de ,7?. Este exceso está presente como inclusiones no metálicas del tipo óxidos (+9!. lgunos de los parámetros más utili4ados para caracteri4ar las inclusiones se refieren a la cantidad y al tamaño de las mismas. "a cantidad suele medirse a través de la fracción en volumen (Fv) o de la densidad de inclusiones, que se define como el número de partículas por unidad de área (Na) o por unidad de
volumen (Nv). su ve4, en cuanto al tama@o los índices utili4ados son el diámetro promedio (dp) y el diámetro modal (dm), siendo un parámetro más representativo la distri#ución de tama@os (+=!. "a fracción en volumen así como el número total de inclusiones en los depósitos de soldadura de aceros son considera#lemente mayores que los valores o#tenidos en los productos fundidos de acero de#ido al tiempo limitado que tienen las partículas para crecer y separarse del líquido. 3or la misma ra4ón las inclusiones en el metal de soldadura son de dimensiones significativamente menores, normalmente menos de / micrón y más finamente dispersas. "a distribución de tamaños dependerá de la #asicidad del fundente (8!. modo de e2emplo las soldaduras reali4adas con fundentes ácidos, que tienen un #a2o índice de #asicidad 1A, tienden a tener mayor contenido de grandes inclusiones de sulfuro de manganeso que las producidas con fundentes #ásicos. Esta o#servación no es sorprendente teniendo en cuanta el alto potencial de oxidación y la #a2a capacidad de desulfuración de las escorias ácidas. %in em#argo, el número total de inclusiones es del mismo orden en am#os casos, indicando que el excesivo contenido de a4ufre y oxígeno de los depósitos ácidos influirán en el diámetro promedio de las inclusiones, siendo en este caso mayor que para los depósitos #ásicos (78!. simismo se a reportado en la literatura que las inclusiones ricas en óxidos de aluminio están típicamente relacionadas con las soldaduras reali4adas con fundentes #ásicos, mientras que para fundentes ácidos las inclusiones alladas son de óxido de aluminio asociado con sulfuro de manganeso. %e sugiere que este comportamiento estaría relacionado con la desoxidación de la pileta líquida (8/!. %o#re la superficie de algunas inclusiones se detectó la presencia de $n% y se o#servó una disminución del contenido de )i en las partículas recu#iertas con sulfuro (8*!. Es interesante destacar que en general el tama@o promedio de las inclusiones será mayor para el proceso %B que para el C$B. Esta o#servación puede ser asociada parcialmente al eco de que en %B el calor aportado es significativamente mayor que para C$B, lo que promueve el crecimiento de las partículas de#ido a que ay un mayor tiempo de retención de la pileta líquida (87,8!. En este sentido el calor aportado influirá fuertemente en la distri#ución tama@os de las inclusiones, aún cuando la composición química del metal de soldadura no sea cam#iada significativamente. $ucos autores coinciden en que cuando aumenta el contenido de oxígeno en el metal de soldadura aumenta la Fv , aunque no siempre se encuentre experimentalmente. En cam#io lo que sí es compro#ado unívocamente es que al aumentar el oxígeno aumenta el Nv (89,8+!. Despecto del diámetro medio de las inclusiones, cuando aumenta el nivel de oxígeno no siempre aumenta el diámetro medio, de#ido a que el aumento de oxígeno trae asociado un aumento en la cantidad de inclusiones por lo que el tama@o de las mismas no puede crecer y el resultado es una gran cantidad de peque@o tama@o (8+!. &uando el oxígeno es muy alto no se o#serva una relación con el diámetro
promedio y si con el diámetro modal dm que aumenta con el nivel de oxígeno (+=!.
