TiN en cadena en acero 022Cr19Ni10N: riesgo y control

Por qué el titanio y el nitrógeno coexisten en el 022Cr19Ni10N

El grado 022Cr19Ni10N es un austenítico de ultra bajo carbono (C ≤ 0,03 %) que incorpora nitrógeno (N = 0,10–0,16 %) como elemento funcional. El nitrógeno actúa como estabilizador de la austenita y como endurecedor por solución sólida sustitutivo del carbono: aporta incrementos de resistencia sin comprometer la soldabilidad ni la resistencia a la corrosión intergranular que sí compromete el carbono.

El titanio no se añade deliberadamente a este grado. Entra como impureza a través de las materias primas —chatarra contaminada, ferroaleaciones—. A diferencia del C o del Mn, la norma GB/T 14976—2012 no establece un límite máximo para el Ti en este acero. Esa ausencia de límite normativo no implica que el Ti sea neutro: implica que su gestión recae enteramente sobre el criterio del fabricante.

Cuando el acero contiene tanto N como Ti, la reacción de precipitación es termodinámicamente favorable a temperaturas superiores a 1400 °C. Es decir, el TiN puede precipitar dentro del rango de solidificación del acero líquido, antes de que el tocho esté completamente sólido. Ese momento de precipitación temprana es lo que hace especialmente difícil de controlar la distribución final de los precipitados.

Inclusiones dispersas frente a cadenas: por qué la distribución importa más que la cantidad

Ambos lotes de tubo analizados presentaban TiN. Ese dato solo no distingue al fallido del de referencia. Lo que los diferencia es la distribución y el nivel de esas inclusiones.

Un precipitado de TiN aislado, disperso de forma homogénea en la matriz austenítica, tiene un impacto limitado sobre las propiedades mecánicas. Su interfase con la matriz no supone una discontinuidad mecánica extensa. En la práctica, pequeñas cantidades de TiN finamente disperso son inevitables en aceros austeníticos con nitrógeno cuando hay Ti residual, y la norma no las prohíbe porque su efecto es tolerable.

La situación cambia radicalmente cuando los precipitados se agrupan en cadenas longitudinales. Una cadena de TiN es una línea de discontinuidades mecánicas alineadas. Bajo carga transversal —que es la que aplica el ensayo de explosión y el ensayo de abocardado—, esa línea actúa como un plano de menor resistencia. La longitud de la cadena, el tamaño de los precipitados individuales y su separación entre sí determinan la severidad del daño potencial.

En el lote fallido, el mayor contenido de Ti (0,10 %) implicó mayor concentración inicial de TiN en el tocho, mayor probabilidad de segregación en clústeres y, tras la laminación, cadenas de mayor longitud y sistema más grueso.

Evaluación cuantitativa según GB/T 10561—2023: la nomenclatura que importa

El estándar GB/T 10561—2023 clasifica las inclusiones en cuatro tipos (A silicatos, B aluminatos, C silicatos globulares, D óxidos globulares). Las inclusiones de TiN en cadena se evalúan con referencia al tipo B, por su morfología alineada, con indicación explícita del tipo de inclusión. La nomenclatura de clasificación utiliza dos parámetros:

T (Thin) / H (Heavy)

Indica el sistema de tamaño de los precipitados individuales. T (fino) corresponde a precipitados de menor dimensión; H (grueso) a precipitados de mayor tamaño o longitud de cadena más extensa.

Nivel numérico (0,5 a 3,0)

Expresa la longitud acumulada de las cadenas de inclusiones observadas en el campo de 100×. A mayor número, mayor longitud de cadena y mayor concentración de discontinuidades.

Los resultados del análisis comparativo de los dos lotes fueron:

La diferencia entre BT1,0 y BH2,5 no es de grado dentro de una misma categoría: es un salto cualitativo en la longitud acumulada de discontinuidades mecánicas y en el tamaño de cada precipitado. Los 107 MPa de diferencia en resistencia circunferencial entre los dos tubos reflejan directamente ese salto.

Del precipitado a la fisura capilar: el mecanismo en tres etapas

La secuencia de daño que conecta las inclusiones de TiN en cadena con las fisuras capilares observadas en la pared interior del tubo puede describirse en tres etapas diferenciadas.

Primera etapa — Solidificación: durante la solidificación del tocho, el TiN precipita en las regiones interdendríticas, donde la concentración local de Ti y N es máxima por efecto de la segregación de solidificación. A mayor contenido total de Ti en el acero, mayor densidad de precipitados y mayor probabilidad de acumulación heterogénea en clústeres de dimensión apreciable.

Segunda etapa — Laminación: el proceso de fabricación del tubo (perforación + laminación en frío) deforma plásticamente la matriz austenítica, que fluye alrededor de los precipitados rígidos de TiN. Los clústeres del tocho se redistribuyen en cadenas longitudinales. En cada interfase entre un precipitado y la austenita circundante —especialmente en los vértices angulosos del TiN poliédrico— se acumulan tensiones residuales de tracción por la incompatibilidad de deformación. Cuando la tensión local en esa interfase supera la cohesión de la unión TiN–austenita, se inicia una microfisura.

Tercera etapa — Coalescencia: las microfisuras de inclusiones adyacentes dentro de una misma cadena coalescen bajo la deformación acumulada de las pasadas de laminación. En la pared interior del tubo —donde la deformación es máxima en configuraciones de pared delgada— ese proceso genera las fisuras capilares longitudinales visibles tras decapado ácido. La profundidad medida (0,03 mm sobre una pared de 1 mm) parece pequeña, pero la concentración de tensión en la punta de cada fisura amplifica el efecto sobre la resistencia local de forma no lineal.

Impacto cuantificable: de la inclusión a la resistencia circunferencial

La reducción de 107 MPa en resistencia circunferencial entre los dos lotes (455 frente a 562 MPa) no puede explicarse por diferencias en composición química principal —los valores de Cr, Ni, N, C, Mn son prácticamente idénticos entre ambos tubos—. Tampoco puede atribuirse únicamente al tamaño de grano, que explica parte de la diferencia en resistencia longitudinal pero no la pronunciada caída circunferencial. La variable que distingue los dos lotes en dirección transversal es, de forma dominante, el nivel de inclusiones TiN en cadena y los defectos capilares que esas cadenas generan.

Los ensayos de abocardado correlacionan con esa conclusión: el tubo con BH2,5 falló el abocardado —que aplica deformación circunferencial— antes de alcanzar el valor mínimo exigido. El ensayo de abocardado es, en este sentido, un indicador de diagnóstico sensible para defectos de origen metalúrgico que afectan a la plasticidad transversal, mucho más rápido y económico que el ensayo de explosión.

Control preventivo de inclusiones TiN en cadena: palancas en fundición y proceso

El control efectivo requiere intervenir en al menos tres puntos del proceso productivo.

Composición del acero líquido: la reducción del Ti residual es la palanca más directa. En el 022Cr19Ni10N, el Ti no es un elemento de aleación deseado —entra como impureza—. Un control estricto de la pureza de las materias primas y del proceso de desoxidación permite mantener Ti < 0,05 %, nivel al que la precipitación de TiN no alcanza densidades problemáticas para este tipo de tubo. A 0,10 %, como en el lote fallido, la precipitación es significativamente mayor.

Control del proceso de solidificación: los precipitados de TiN se forman en el líquido a temperaturas de 1400–1500 °C. Una velocidad de solidificación más uniforme y una agitación electromagnética adecuada en colada continua reducen la heterogeneidad de distribución de los precipitados en la sección del tocho. La refusión bajo escoria (ESR) ofrece el mayor grado de homogeneidad microestructural, aunque a mayor coste. Para tubos de precisión de pared delgada destinados a aplicaciones de presión límite, la selección del proceso de fabricación del tocho es una decisión de calidad con consecuencias directas en el producto final.

Ciclo de laminación: aunque la laminación no puede eliminar los precipitados de TiN ya formados, una gestión del ciclo de reducción que evite acumulaciones extremas de deformación en una sola pasada puede limitar la longitud de las cadenas que se forman. En tubo de pequeño diámetro y pared delgada, donde la reducción acumulada es grande, este control es más difícil de implementar, pero una distribución del ciclo de laminación en más pasadas de menor reducción individual produce cadenas estadísticamente más cortas.

El tratamiento de solubilización final no dissolverá el TiN —su temperatura de disolución supera los 1300 °C, por encima del rango operativo de la solubilización de este grado—. Actúa, en cambio, sobre el tamaño de grano, que tiene su propio impacto sobre las propiedades mecánicas, pero no corrige el nivel de inclusiones en cadena ya establecido por la historia metalúrgica del tocho.

La práctica en producción de tubo inoxidable austenítico para industria petrolera confirma lo que este caso ilustra: dos lotes del mismo grado, producidos en la misma planta con el mismo proceso nominal, pueden mostrar variaciones de 80–100 MPa en resistencia circunferencial sin que la resistencia longitudinal refleje ninguna diferencia significativa. La gestión del Ti residual y la evaluación del nivel de inclusiones TiN en cadena en el tocho son los criterios de control que evitan que esa variación se convierta en un fallo en el ensayo de aceptación final. En SHUNFU Metal, el control de Ti residual y la evaluación de inclusiones en el tocho forman parte del protocolo de calificación de coladas para aceros inoxidables austeníticos con nitrógeno certificados bajo API Q1 e ISO 9001.