El Grado 91, designado como ASTM A182 F91 en la especificación de forja, es un acero con 9 % de cromo y molibdeno, más adiciones pequeñas y estrictamente controladas de vanadio, niobio y nitrógeno. Eso lo convierte en un acero 9Cr-1Mo-V modificado, UNS K90901, con las tensiones admisibles más altas de la familia cromo-molibdeno. Longrui Forging forja el F91 en cuerpos de válvula, tapas, bridas, piezas en anillo y preformas de accesorios desde 5 kg hasta 520 kg por pieza, en el condado de Yunhe, Zhejiang, China.
El Grado 91 es la razón por la que las centrales eléctricas supercríticas modernas pueden trabajar con el vapor más caliente: el vanadio, el niobio y el nitrógeno forman carbonitruros finos que fijan la microestructura en su sitio a temperatura, de modo que el acero conserva su resistencia allí donde el 2.25Cr-1Mo (F22) empieza a ceder. El precio de ese rendimiento es la disciplina, porque las propiedades residen en la estructura tratada térmicamente y no solo en la composición química.
Qué es el F91
El F91 es un acero martensítico cromo-molibdeno, no un acero inoxidable. El 9 % de cromo le aporta resistencia a la oxidación en caliente, y las microaleaciones le dan resistencia a la fluencia lenta (creep). Se normaliza y se reviene antes de usarse, y ese tratamiento forma parte de la especificación, no es un paso de acabado.
| Elemento | Rango (%) | Elemento | Rango (%) |
|---|---|---|---|
| Carbono | 0.08 – 0.12 | Cromo | 8.0 – 9.5 |
| Manganeso | 0.30 – 0.60 | Molibdeno | 0.85 – 1.05 |
| Silicio | 0.20 – 0.50 | Vanadio | 0.18 – 0.25 |
| Fósforo | 0.020 máx. | Niobio (Cb) | 0.06 – 0.10 |
| Azufre | 0.010 máx. | Nitrógeno | 0.030 – 0.070 |
| Níquel | 0.40 máx. | Aluminio | 0.02 máx. |
Grados y designaciones que apuntan todos al mismo material: UNS K90901, EN 1.4903 (X10CrMoVNb9-1), Grado 91 y F91 cuando se trata de una forja. La densidad se cita entre 7.6 y 7.8 g/cm³ en las hojas de datos de los proveedores, lo que basta para estimar el peso, pero no es un valor para poner en un plano.
F91, P91, WP91 y C12A: qué designación corresponde
Esto surge en casi todas las consultas sobre el Grado 91, y la respuesta decide qué tabla de propiedades utilizará el inspector:
| Designación | Norma | Forma del producto |
|---|---|---|
| F91 | ASTM A182 | Forjas: cuerpos de válvula, bridas, accesorios forjados, piezas en anillo |
| P91 | ASTM A335 | Tubería y tubo sin costura |
| WP91 | ASTM A234 | Accesorios forjados de soldadura a tope |
| C12A | ASTM A217 | Piezas fundidas |
Una misma composición química recorre las cuatro designaciones, de modo que una línea desde el colector hasta la válvula de parada de la turbina es del mismo material en todo su recorrido. Lo que cambia es la norma de producto y, con ella, las tablas de aceptación: A182 F91 exige un límite elástico mínimo de 415 MPa y una resistencia a la tracción mínima de 620 MPa en la forja, mientras que el grado de tubería A335 P91 mantiene el mismo límite elástico con una resistencia a la tracción mínima de 585 MPa. Si una consulta cita la cifra de 585 para una brida, se está aplicando la tabla de tubería a una forja, y conviene resolverlo antes del pedido y no a la recepción de la mercancía.
Propiedades mecánicas y la ventana de dureza
| Propiedad | ASTM A182 F91 mínimo |
|---|---|
| Límite elástico (0,2 %) | 415 MPa (60 ksi) |
| Resistencia a la tracción | 620 MPa (90 ksi) |
| Alargamiento en 50 mm | 20 % |
| Reducción de área | 40 % |
| Dureza Brinell | 190 – 248 HBW |
La dureza se controla por ambos lados en este grado, y ambos lados significan algo. Una dureza excesiva apunta a martensita sin revenir que queda en la pieza, lo que es un riesgo de agrietamiento en servicio; una dureza demasiado baja apunta a un sobre-revenido que ya ha consumido parte de la resistencia a la fluencia lenta (creep) por la que se compró el grado. Por eso el F91 normalmente se pide con un estudio de dureza en cada pieza o cada lote, y por eso el registro de tratamiento térmico viaja con el certificado.
Cuándo el F91 no es la respuesta
- Por debajo de aproximadamente 550 °C. El grado 91 se compra por su resistencia a la fluencia lenta (creep). En una línea que nunca se calienta, el F22 o el F11 hacen el trabajo por menos dinero y con un campo de soldabilidad mucho más amplio.
- Servicio con humedad o con cloruros. El cromo por sí solo no convierte un acero en inoxidable. Cuando el servicio es corrosión y no temperatura, la respuesta es un grado inoxidable o dúplex, no un acero 9Cr.
- Donde nadie va a controlar el tratamiento térmico. Un F91 soldado con el procedimiento incorrecto, o revenido a la temperatura incorrecta, pierde las propiedades que lo justificaban. Los proyectos que especifican F91 esperan de cada proveedor de la cadena un tratamiento térmico documentado, estudios de dureza y disciplina de PWHT.
- Secciones delgadas que no lo necesitan. La ventaja de resistencia se manifiesta en el espesor de pared y el peso. En una pieza pequeña y poco cargada no hay nada que comprar.
Qué forjamos en F91
- Cuerpos y tapas de válvula para servicio de vapor a alta temperatura y centrales eléctricas
- Bridas y piezas anulares según ASME B16.5 y dimensiones de proyecto
- Preformas para accesorios y componentes mecanizados según plano
- De 5 kg a 520 kg por pieza, en prensas de 2.000 T hasta la prensa multidireccional de 6.000 T
- Suministrado en estado forjado, con mecanizado previo o con mecanizado final según plano, con informes dimensionales en las piezas mecanizadas
- Ensayos UT, MT, PT y VT, con el alcance de los ensayos acordado en el pedido
Control de forja y tratamiento térmico
El grado 91 tiene una ventana de forja estrecha. Resiste la deformación en caliente, por lo que necesita capacidad de prensa y un equipo que trabaje la pieza en un solo calentamiento en lugar de recalentarla repetidamente. Después de la forja, la pieza se normaliza y se reviene para construir la estructura para la que se especifica el grado, con la temperatura del horno y el enfriamiento monitorizados y registrados para cada lote.
Lo que controlamos en un pedido de F91:
- Rango de temperatura de forja mantenido y registrado, sin trabajar por debajo del mínimo
- Normalizado y revenido según el ciclo de la Tabla 1 de ASTM A182 para F91: normalizar 1900–1975 °F [1040–1080 °C], enfriar al aire, revenir 1350–1470 °F [730–800 °C], en un ciclo registrado; cuando el pedido de compra indica su propia temperatura de revenido, trabajamos según esa
- Dureza verificada después del tratamiento térmico, no en lugar de él
- Composición química verificada en nuestro propio espectrómetro para cada colada, incluidas las adiciones de vanadio, niobio y nitrógeno que separan el Grado 91 del simple 9Cr-1Mo
- UT y examen superficial antes del despacho, con el alcance acordado de antemano
Normas, documentos y ensayos
Las forjas F91 se fabrican conforme a ASTM A182, la especificación para bridas, accesorios, válvulas y piezas de tubería de acero aleado e inoxidable, forjadas o laminadas, para servicio a alta temperatura. La tubería se pide conforme a A335, los accesorios conforme a A234 y las piezas fundidas conforme a A217; el mismo material llega bajo cada una, y el certificado indica la norma con la que se fabricó.
Un certificado de inspección EN 10204 3.1 es lo que emitimos como estándar con un pedido de F91; cuando el proyecto exige ensayos presenciados, se proporciona a solicitud un 3.2 refrendado por un inspector externo y se cotiza como partida separada. Los informes de composición química y ensayos mecánicos, las gráficas de tratamiento térmico y los estudios de dureza viajan con el envío, y el número de colada es trazable desde la palanquilla hasta el despacho. Los equipos de ensayo y el juego completo de certificados están en Capacidad y Certificaciones.
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Preguntas frecuentes
¿Qué es el material F91?
F91, UNS K90901, es la designación de forja ASTM A182 para el Grado 91: un acero con 9 % de cromo y 1 % de molibdeno, modificado con vanadio, niobio y nitrógeno. Es un acero cromo-molibdeno martensítico para servicio a alta temperatura, utilizado principalmente en componentes de tubería de vapor supercríticos y ultra-supercríticos. La designación europea es 1.4903, X10CrMoVNb9-1.
¿Cuál es la diferencia entre F91 y P91?
La forma del producto y la norma que la rige. F91 es la designación de forja según ASTM A182, utilizada para cuerpos de válvula, bridas y accesorios forjados. P91 es la designación de tubería y tubo sin costura según ASTM A335. La química es de la misma familia, por lo que los componentes de ambas designaciones se usan en una misma línea, pero las tablas de propiedades mecánicas difieren: A182 F91 exige 620 MPa de resistencia a la tracción mínima, A335 P91 exige 585 MPa.
¿F91 o F22, cuál debo especificar?
Todo se reduce a la temperatura de servicio y el espesor de pared. F22 (2.25Cr-1Mo) es un acero cromo-molibdeno convencional para el extremo inferior del rango de alta temperatura, con una ventana de soldadura y tratamiento térmico más sencilla. F91 soporta una tensión admisible mucho mayor a la misma temperatura, por lo que permite paredes más delgadas y componentes más ligeros, a costa de un control de tratamiento térmico y dureza mucho más estricto. Por debajo de unos 550 °C, normalmente no hay razón para pagar por F91.
¿Cuáles son las propiedades mecánicas de ASTM A182 F91?
Límite elástico mínimo de 415 MPa (60 ksi), resistencia a la tracción mínima de 620 MPa (90 ksi), alargamiento del 20 % en 50 mm, reducción de área del 40 %, y una ventana de dureza Brinell de 190 a 248 HBW. La dureza se especifica como un rango a propósito: ambos extremos aportan información sobre el tratamiento térmico.
¿Pueden forjar cuerpos de válvula y bridas de F91?
Sí. F91 es uno de los grados de alta temperatura que forjamos con regularidad, junto con F22 y F92. Forjamos cuerpos, tapas, bridas, piezas anulares y preformas de accesorios de 5 kg a 520 kg, les aplicamos tratamiento térmico según un ciclo registrado, verificamos la dureza después del tratamiento térmico y realizamos ensayos antes del despacho. Envíe el plano con el grado, la norma y el alcance de los ensayos y se lo cotizaremos.
¿Qué tratamiento térmico necesita el F91?
Normalizado y revenido según el ciclo de la Tabla 1 de ASTM A182: normalizar a 1900–1975 °F [1040–1080 °C], enfriar al aire, y después revenir a 1350–1470 °F [730–800 °C]. El propósito es producir la estructura martensítica revenida de la que depende la resistencia del grado y no dejar martensita sin revenir. La norma también permite temple y revenido para accesorios F91 con una sección superior a 3 in., a opción del fabricante, y un pedido de compra puede especificar su propio ciclo conforme a los requisitos suplementarios de la especificación. Una verificación de dureza después del tratamiento térmico confirma el resultado, y el registro se envía con el certificado.
¿El certificado muestra el vanadio, el niobio y el nitrógeno?
Sí. Esos tres elementos son lo que diferencia al Grado 91 del 9Cr-1Mo simple, por lo que forman parte del análisis químico reportado en el certificado, por colada, obtenido con nuestro propio espectrómetro y no del análisis en papel de un proveedor.