Artículo Científico / Scientific Paper |
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pISSN: 1390-650X / eISSN: 1390-860X |
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Yraima Rico O.1,*, Edwuin Carrasquero 2 |
Resumen |
Abstract |
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En los últimos años se ha generado un amplio interés en la investigación de los recubrimientos galvanizados, modificándolos con el fin de mejorar el desempeño en condiciones de servicio. Estas modificaciones buscan una mejora significativa en las propiedades del recubrimiento galvanizado, bien sea en la resistencia a la corrosión, en la soldabilidad o en las propiedades mecánicas. Las exigencias generadas por las múltiples aplicaciones de estos recubrimientos, donde el sustrato recubierto es sometido a deformaciones plásticas (estampado, doblado y laminado), requieren de mayor ductilidad de los recubrimientos. Por esto se han desarrollado composiciones químicas de los baños de inmersión, logrando modificar considerablemente la microestructura de los recubrimientos y por ende sus propiedades mecánicas. Este trabajo tiene como objetivo realizar una revisión bibliográfica sobre la composición química de los baños de inmersión, su influencia en la microestructura y técnicas utilizadas para determinar la ductilidad y adherencia en recubrimientos galvanizados por inmersión en caliente. |
In recent years, a great interest has been generated in the investigation of galvanized coatings, modifying them in order to improve the performance in the conditions of service. These modifications seek a significant improvement in the properties of the galvanized coating, whether in corrosion resistance, weldability or mechanical properties. The demands generated by the multiple applications of these coatings, where the coated substrate is subjected to plastic deformations (stamping, bending and laminating), requires the greater ductility of the coatings. For this reason, chemical compositions of the immersion baths have been developed, making it possible to considerably modify the microstructure of the coatings and thus their mechanical properties. This work aims to perform a bibliographic review on the chemical composition of the immersion baths, their influence on the microstructure and techniques used to determine the ductility and adhesion in galvanized coatings by hot dip. |
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1,*Departamento de Ingeniería Metalúrgica, Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” Vicerrectorado Barquisimeto - Venezuela. Autor para correspondencia : iraricovi@unexpo.edu.ve. http://orcid.org/0000-0002-6670-7741 2Grupo de Investigación en Caracterización, Procesamiento y Protección de Materiales, Facultad de Ciencias de la Ingeniería, Universidad Estatal de Milagro - Ecuador. http://orcid.org/0000-0001-6551-7316 |
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El ASM Handbook: Surface Engineering [5] indica que el zinc fundido utilizado en las plantas industriales para la galvanización siempre contiene impurezas metálicas. En algunos casos, las adiciones también son expresas e intencionales, para influir en la morfología y la cinética del crecimiento de la capa de zinc durante el proceso de galvanización. Aluminio, plomo, estaño, cobre y níquel son los elementos comunes, que están presentes ya sea de manera deliberada como elementos de aleación o como impurezas procedentes de las materias primas utilizadas en el proceso [5]. Si bien estos elementos de aleación en la galvanización afectan las características fisicoquímicas del baño: punto de fusión, viscosidad, tensión superficial, etc., los elementos de aleación, como el cobre, aluminio, estaño y cadmio en concentraciones relativamente elevadas (del 2 % en peso) alteran significativamente la apariencia y estructura del recubrimiento [5]. En los procesos de galvanizados por inmersión en caliente tradicionales, donde se utiliza zinc puro con bajos contenidos de otros elementos aleantes, las fases formadas en los recubrimientos pueden ser identificadas bajo el sistema Zn-Fe. En la Figura 1 se observa la zona rica en Zn, del diagrama de fases en equilibrio Zn-Fe y en la Tabla 1 se muestran las fases formadas en el sistema Zn-Fe y sus características principales [2]. En
la Figura 2 se presenta una microestructura típica de recubrimientos
tradicionales, en esta se observan las fases gamma (Γ), apreciables para
tiempos de inmersión grande, debido a que requiere un tiempo de incubación;
las fases delta ( El cadmio y el hierro suelen estar presentes en los baños de zinc como contaminantes, pero no se añaden intencionadamente como elementos de aleación. Elementos como el cobre son perjudiciales para la ductilidad del recubrimiento. La adición de níquel en el baño reduce la reacción de evolución de hidrógeno, y aumenta la resistencia a la corrosión contra el cloruro [5]. Una concentración de aluminio de hasta 0,01 % en peso aumentará el brillo del recubrimiento galvanizado. Pequeñas cantidades de plomo pueden ser añadidas para promover la adecuada apariencia del recubrimiento y eliminación de escorias en el baño. Otros elementos de aleación que se han ensayado con éxito, |
metales de tierras raras [8], estos son conocidos por producir resultados positivos en algunas circunstancias en la microestructura y por ende en sus propiedades mecánicas.
Figura 1. Zona rica en Zn, del diagrama de fases en equilibrio Zn-Fe [2]. Tabla 1: Características de las fases Fe-Zn [2].
Figura 2. Microestructura del recubrimiento de Zn, por un tiempo de inmersión de 3 minutos [6]. |
microestructural de los recubrimientos y la estabilidad de los productos de corrosión formados, implica un aumento en la resistencia a la corrosión, al ser comparados con aquellos recubrimientos sin adiciones de estos elementos [8]. Otros autores han realizado estudios comparativos de la microestructura de recubrimientos de zinc puro, con recubrimiento de baños comerciales encontrando diferencias significativas debido a la presencia de otros elementos químicos en los baños comerciales, estos han elaborado un esquema secuencial de la evolución microestructural de ambos recubrimientos galvanizados, mediante la utilización de diferentes tiempos de inmersión en los baños líquidos. Demostrando que en los recubrimientos fabricados con baños comerciales, se retarda la aparición de la fase Γ (Fe3Zn10) y se aprecian dos morfologías diferentes de fase ζ (FeZn13), las cuales se observan con menores tiempos de inmersión, y también el recubrimiento total es considerablemente más grueso debido a la formación de varios compuestos intermetálicos Zn-Fe que degradan su ductilidad y apariencia externa [9]. De igual manera, se ha estudiado la influencia del manganeso sobre la microestructura del recubrimiento galvanizado, encontrando que la resistencia a la corrosión y la durabilidad de los recubrimientos de zinc se podrían mejorar con la deposición de una capa de Zn-Mn ya que el manganeso es anódico con respecto al zinc. Por otra parte, se demostró que es probable la formación de una capa de óxido de Mn, la cual afecta la actividad catalítica para la reducción catódica del oxígeno [10]. Por otra parte, F. García et al., [11] han estudiado el efecto de la adición del silicio y del titanio en la intercara recubrimiento/sustrato para galvanizados Zn-Al; observando que el aumento del contenido de Si en la aleación líquida con valores cercanos a 1,45 % en peso provoca una reducción del espesor promedio de la capa de un compuesto intermetálico formado en la intercara recubrimiento/sustrato, a valores cercanos a 1 μm. Además, indican que este efecto es mejorado aún más, mediante la adición de pequeñas cantidades de Ti a la aleación líquida. Se reportan investigaciones sobre la influencia del silicio en la intercara recubrimiento/sustrato utilizando un sustrato de hierro puro, donde el contenido de silicio promueve la desaparición progresiva de la capa Γ [6]. Según A. R Marder [2], comercialmente la adición de aluminio a los baños de zinc ha generado tres tipos importantes de recubrimientos, recubrimientos con bajo contenido de aluminio menor a 1 % en peso, el Galfan® con 5 % en peso de aluminio y el Galvalume® con 55 % en peso de aluminio (composición nominal 55 % en peso de Al, 43,5 % en peso de Zn y 1,5 % en peso de Si). Estas adiciones deliberadas de aluminio al baño producen reacciones complejas en la intercara recubrimiento/sustrato, las cuales han sido |
analizadas en estudios recientes, de igual forma se han analizado la solubilidad y la formación de la llamada capa de inhibición y su ruptura. El aluminio es probablemente el elemento aleante más importante en los baños de zinc, utilizado en el proceso de galvanización; es agregado con diversas finalidades, entre ellas inhibir la formación de capas o fases Zn-Fe, que en muchos casos, son compuestos frágiles que desmejoran ampliamente la resistencia mecánica del recubrimiento y su ductilidad. La adición de aluminio al baño de zinc proporciona las siguientes características en el recubrimiento: (1) mejora el brillo o la reactividad de la capa, (2) reduce la oxidación del baño de zinc y (3) se obtiene un recubrimiento dúctil, al suprimir la formación de compuestos intermetálicos (fases frágiles) Fe-Zn. En la
Figura 3 se puede observar el diagrama de fases en equilibrio del sistema
Zn-Al, y en la Tabla 2, las transformaciones que ocurren en este sistema. Las
fasesβ’ y β representan porciones ricas en Al y Zn respectivamente, de una
solución sólida de aluminio con estructura cristalina FCC. La fase η
representa una solución sólida terminal rica en Zn. Es importante destacar
una zona crítica de inmiscibilidad (miscibility
gap) de las fases β’ y β, que origina la
transformación monotectoide a una temperatura de 277
Tabla 2: Transformaciones de fases en el sistema Zn-Al [12].
Figura 3. Diagrama de fases en equilibrio Zn-Al [12].
La composición nominal de Zn-5%Al, corresponde a la aleación eutéctica y en condiciones de equilibrio se |
espera una microestructura
completamente eutéctica laminar de Y. Rico y J. Hernández [13] estudiaron la influencia de la velocidad de enfriamiento en la morfología y distribución de las fases que conforman la microestructura y en el comportamiento a la corrosión en recubrimientos galvanizados por inmersión en caliente de Zn-7%Al, encontrando significativas diferencias microestructurales al variar la velocidad de enfriamiento luego de la extracción del acero del baño líquido Zn-Al, tal como se observa en la Figura 5, destacándose la importancia de la disolución del hierro en la intercara recubrimiento/acero. La difusión del hierro en el recubrimiento contribuye a la formación de compuestos Al-Zn-Fe, ya que el aluminio presenta una gran afinidad química con el hierro.
Figura 4. Micrografía óptica de un recubrimiento de Zn-5%Al. [2]
Una vez que el acero es sometido al proceso de galvanización por inmersión en caliente, ocurren una serie de transformaciones de fases que tienen lugar en la intercara zinc líquido/acero, las cuales se complican por el uso de los baños de zinc con adición de aluminio. La complejidad de las reacciones en la intercara Zn-Al líquido/acero, se deben básicamente a tres factores [2]: 1. Varias reacciones pueden ocurrir al mismo tiempo: a) La mojabilidad del zinc líquido en el sustrato. b) La disolución del acero en el zinc c) La solidificación isotérmica de intermetálicos Zn-Fe-Al. 2. Las velocidades de las reacciones son muy rápidas y en algunos casos tienen lugar en menos de un segundo. |
Figura 5. Micrografías por MEB de recubrimientos Zn-7%Al, con diferentes condiciones de enfriamiento. A) Enfriado en agua. B) Enfriado en el horno [13]. |
Figura 6. Sección isotérmica del diagrama de fases ternario en equilibrio Zn-Al-Fe a 450 oC [2]. |
Tabla 3: Características generales de microestructuras en recubrimientos galvanizados.
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De manera general se ha demostrado que los recubrimientos galvanizados sometidos a esfuerzos de flexión son susceptibles a la formación, propagación de grietas y posterior delaminación en la intercara recubrimiento/sustrato. La resistencia a la formación de grietas está básicamente influenciada por la textura y las características del límite de grano de la fase formada en la intercara recubrimiento/sustrato. I. Roa [18] ha estudiado el efecto de la deformación y de ciclos aplicados mediante el ensayo de flexión de tres puntos en el rango elástico y elastoplástico de esfuerzos a un recubrimiento galvanizado por inmersión en caliente a 450 °C en los sistemas de composición cuaternario Fe-Zn-Ti-Al y quinario Fe-Zn-Ti-Ni-Al sobre un acero A3724 ES, cuantificando la densidad de grietas en la fase mediante microscopio electrónico de barrido y microscopio óptico, ver la Figura 7. Como conclusión se obtuvo que el mejor comportamiento mecánico lo presentaron aquellos recubrimientos con espesores de capas frágiles delgadas, que en este caso son Fe-Zn-Ti-0,012%Al y Fe-Zn-Ti-0,01%Al-0,037%Ni, soportando un mayor rango de esfuerzos.
Figura 7. Micrografía óptica de recubrimientos galvanizados con diferentes composiciones químicas, se muestran las grietas producto del ensayo de flexión [20].
E. Tzimas, G. Papadimitriou [24] han utilizado un ensayo de doblez de tres puntos, (ver la Figura 8) para estudiar el comportamiento mecánico de galvanizados por inmersión en caliente a altas temperaturas |
Figura 8. Esquema del ensayo de flexión de 3 puntos. Se muestra el ángulo de doblado ϕ y el punto A de máxima deflexión [24]. |
Tabla 4: Comportamiento mecánico en recubrimientos galvanizados. |
vol. 262, pp. 210-215, 2015. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.12.054 [2] Marder, “The metallurgy of zinc-coated steel,” Progress in Materials Science, vol. 45, no. 3, pp. 191-271, 2000. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/S0079-6425(98)00006-1 [3] S. Natali, V. Volpe, L. Zortea, C. Burattini, V. D. Cocco, and F. Iacoviello, “Mechanical and structural characterization of Zn-Ti colored coatings,” Procedia Engineering, vol. 109, pp. 105-112, 2015, xXIII Italian Group of Fracture Meeting, IGFXXIII. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1016/j.proeng.2015.06.217 [4] V. D. Cocco, F. Iacoviello, and S. Natali, “Damaging micromechanisms in hotdip galvanizing Zn based coatings,” Theoretical and Applied Fracture Mechanics, vol. 70, pp. 91-98, 2014. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2014.05.003 [5] ASM Metal Handbook, Surface Engineering. ASM International. U.S.A., pp. 1068-1075, 2002. [6] L. Jintang, C. Chunshan, K. Gang, X.
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