limpieza, decapado y pasivado del acero inoxidable en

LIMPIEZA, DECAPADO Y PASIVADO DEL
ACERO INOXIDABLE
EN APLICACIONES INDUSTRIALES
1
Presentación
Para realizar correctamente los procesos de limpieza, decapado y pasivado del acero inoxidable es
necesario conocer y entender correctamente el tipo de metal base con el que vamos a trabajar.
Partimos de una nomenclatura errónea, pues el término inoxidable utilizado no es correcto en su
totalidad. Es un metal de mucha calidad, con características muy interesantes, entre las que destacan su
alta resistencia a la corrosión; pero no debemos olvidar que es una aleación de acero con un mínimo
contenido en cromo del 10-12% que le confiere el carácter “inoxidable”, pero, por lo tanto con una gran
presencia de hierro. En los procesos de elaboración del producto final, el metal sufrirá alteraciones que
pueden provocar la contaminación o la debilitación de la característica anticorrosiva del acero
inoxidable. Desde la propia formación de la aleación en la acería, el corformado, mecanizado, corte de
laser... e incluso el tratamiento superficial final, pueden dar lugar a la aparición de óxido de hierro, con
los consiguientes riesgos, problemas e inconvenientes que ello puede provocar.
Es por lo tanto imprescindible, asegurar al máximo que el metal que entregamos tenga al 100% las
características anticorrosivas del acero inoxidable que hemos decidido utilizar.
Deberemos pues tener cuidado en decidir correctamente la elección de la aleación idónea para el uso y
realizar un diseño pensando también en mantener la inoxidabilidad del elemento, evitando, en todo lo
posible, los riesgos de los diferentes tipos de corrosión a los que estará sometido (interacciones con
otros metales, lugares de difícil limpieza, …) y que al final del proceso es imprescindible que se realice
una PASIVACIÓN QUÍMICA, que garantizará la formación de la capa pasiva en la totalidad de la pieza.
El acero inoxidable
El acero inoxidable es una aleación de: Fe, C, P, Si, Mn, y en ocasiones: S, Ti, Al, Cu, Nb, V y sobre todo:
Cr, N, Ni, Mo.
Estos cuatro últimos elementos esenciales como elementos directamente implicados en la característica
anticorrosiva del acero inoxidable.
La definición de acero inoxidable dada en la norma europea EN 10088-1 dice que deben tener un
contenido mínimo de cromo del 10,5% (en peso) y un máximo del 1,2% de carbono.
§ COMPOSICIÓN DEL ACERO INOXIDABLE
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Uno de los elementos principales de la aleación, es el cromo, responsable de la formación de la capa
pasiva, formada por óxidos de cromo que protegen al metal base de que el oxígeno reaccione con el
hierro y se oxide. Esta capa pasiva se auto-regenera por lo que prácticamente le confieren el carácter de
inoxidable.
Un mayor contenido de cromo ofrece una mayor resistencia a la corrosión.
El cromo favorece la formación de ferrita y ofrece una mayor resistencia a la oxidación a altas
temperaturas, con una influencia directa en la formación de la cascarilla y la termo-coloración (en los
inoxidable dúplex el decapado será más difícil).
La presencia de molibdeno ayuda al cromo a mejorar la resistencia a la corrosión por picaduras. Éste, al
igual que el cromo, es formador de ferrita pero tiene tendencia a formar fases inter-metálicas
perjudiciales, por lo que su presencia se limita a menos del 7.5% en las distintas aleaciones.
Cr:
N:
FORMACIÓN DE LA CAPA PASIVA - OXIDO DE CROMO
Mayor contenido de cromo, mayor resistencia a la corrosión.
Favorece la formación de ferrita.
Resistencia a la oxidación a altas temperaturas: influencia en la
formación de la cascarilla y la termocoloración (en los inoxidable dúplex
el decapado será más difícil).
Aumenta la resistencia a la corrosión por picaduras y por los intersticios.
Aumenta la resistencia mecánica, mejor tenacidad.
Favorece la formación de austenita.
Mo:
Ayuda al cromo a mejorar la resistencia a la corrosión por
picaduras.
Al igual que el cromo es formador de ferrita pero tiene tendencia
a formar fases intermetálicas perjudiciales, por lo que su
presencia se limita a menos de 7.5%
Ni:
Estabilizador de la austenita, promueve el cambio de la estructura
cristalina ferrita a austenita, por lo que favorece la tenacidad en los
inoxidables austeníticos y dúplex.
El nitrógeno aumenta la resistencia a la corrosión por picaduras y por los intersticios. Aumenta también
la resistencia mecánica con una mejor tenacidad pues favorece la formación de austenita.
El níquel es un estabilizador de la austenita, promueve el cambio de la estructura cristalina ferrita a
austenita, por lo que favorece la tenacidad en los inoxidables austeníticos y dúplex.
La aleación de hierro-carbono dependiendo de las diferentes fases de formación, presenta diferentes
geometrías cristalinas: cementita, perlita, vainita, ledeburita y las tres aplicables al acero inoxidable:
ferrita, austeníta y martensita.
SEGÚN LA GEOMETRIA CRISTALINA
FERRITA
MÁS DÚCTIL – MENOR RESISTENCIA A LA CORROSIÓN POR PICADURA
AUSTENITA
MÁS TENAZ – MAYOR RESISTENCIA A LA PICADURA
MARTENSITA
MAYOR DUREZA – BAJO CONTENIDO EN Cr
3
La ferrita es una solución sólida de carbono en hierro alfa. Es el más blando y dúctil constituyente de los
aceros. Cristaliza en una estructura BCC red cúbica centrada en el cuerpo. Tiene una dureza de 95
2
Vickers, y una resistencia a la rotura de 28 Kg/mm , llegando a un alargamiento del 35 al 40%.
Magnético.
La austenita el constituyente más denso de los aceros, formado por la solución sólida, por inserción, de
carbono en hierro gamma. La austenita está formada por cristales cúbicos de hierro gamma con los
átomos de carbono intercalados en las aristas y en el centro FCC. La austenita tiene una dureza de 305
2
Vickers, una resistencia de 100 Kg/mm y un alargamiento de un 30 %. No presenta propiedades
magnéticas.
La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal. La proporción de carbono
en la martensita no es constante, sino que varía hasta un máximo de 0.89% aumentando su dureza,
resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su dureza está en torno a 540 Vickers, y
2
su resistencia mecánica varía de 175 a 250 Kg/mm y su alargamiento es del orden del 2.5 al 0.5%.
Además es magnética.
La austenita debido a su configuración y los elementos de la aleación que aseguran su
mantenimiento, sumado a la máxima presencia de cromo, favorece la efectividad de la capa
pasiva, por lo que la protección anticorrosiva en general será mayor.
4
Tabla comparativa de aceros inoxidables
Tabla comparativa de aceros inoxidables
Distinguimos diferentes tipos o grados comerciales:
Austeníticos: cuya estructura principal es la austenita, utilizados por su alta resistencia a la corrosión
pero de difícil mecanización. Son amagnéticos.
Ferríticos: la estructuta principal es la ferrita, de más fácil conformación y mecanización pero menor
resistencia a la corrosión. Magnéticos.
Martensíticos: de estructura martensita, dan una mayor dureza, pero con resistencia a la corrosión baja.
Magnéticos.
Dúplex: combinación de estructura ferrita y austenita, reducción del peso, gran resistencia a la corrosión
por picadura (cloruros).
PH (Precipitation Hardening): se forman partiendo de los aceros anteriores con adición de Al, Ti, Mo y
Cu y sufriendo un proceso de precipitación. Se utilizan en aplicaciones muy específicas, sobre todo
aeronáuticas, cuando se precisan altas prestaciones, como alternativa a las aleaciones de titanio a
temperaturas de trabajo de hasta 550ºC.
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Podemos apreciar en la tabla la diferencia de contenido en cromo, nitrógeno, níquel y molibdeno entre
las distintas aleaciones máss comunes de uso
6
La fabricación
Durante todos los procesos de fabricación, los materiales de acero inoxidable sufrirán
alteraciones que pueden cambiar las características iniciales. Amagneticos que se
volverán magnéticos, aparecerán coloraciones, marcas, cambios que en la mayoría de
ocasiones alteran las características del metal y disminuyen considerablemente su
resistencia a la corrosión.
Conformado
Corte
Soldadura
Fresado
Mecanizado
Punzonado
Pulido…
Los factores que provocarán la disminución de la protección anticorrosiva tanto a
nivel estructural como superficial son diversos:
La temperatura (soladuras, cortes, plegados…):
Cambios en la geometría (aumento de la ferrita en austeníticos), alteración y
disminución de la presencia de cromo y a la postre la capa pasiva
Modificación de la superficie:
Formación de cavidades, aristas que pueden generar cavitaciones y a la postre
corrosión por par galvánico, o simplemente zonas de acumulación de
contaminantes.
Contaminación superficial:
Aunque se intente trabajar en condiciones de no contaminantes (hierro, vapores
ácidos, pastas de pulir, …) es imposible garantizar la deposición de estos en la
superficie de las piezas fabricadas.
Diseño deficiente
7
factores que desencadenan la
APARICIÓN DE ÓXIDO
TIPOS DE CORROSIÓN
GALVÁNICA: debido a una diferencia de potencial entre dos metales en contacto, una
catódico inalterable y otro anódico
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POR CONTACTO: la deposición de hierro o productos corrosivos sobre la superficie
del acero inoxidable provocará la oxidación de éste, con la consiguiente
contaminación del inoxidable.
Rozaduras con herramientas o piezas de hierro o acero
Proyecciones de procesos de fabricación adyacentes
Productos o vapores altamente corrosivos (en el ambiente en zonas ácidas,
productos de limpieza desengrasantes o decapantes no eliminados, …)
POR PICADURA (PITTING): corrosión iniciada en pequeñas cavidades o poros del
metal o inclusiones no-metálicas que se propaga por reacción electroquímica (el
inoxidable ejercerá de ánodo), reacción incrementada por la temperatura y la
presencia de iones de cloro.
El número PREN (Pitting Resistance
Equivalent Number) es un valor de
referencia que compara la resistencia al
pitting entre los diferentes grados de
inoxidable obtenido por la fórmula que
Relaciona el contenido en Cr, Mo y N:
PREN= Cr + 3.3 Mo + 16 N
9
INTERGRANULAR: el tratamiento térmico inadecuado puede producir retículas
de carburos. Un recocido o la presencia de Ti , lo evitan.
POR GRIETAS: la combinación de grietas intergranulares + la picadura por
cloruros.
POR STRESS o FATIGA: similar a lo anterior la combinación de factores
ambientales (cloruros, temperatura elevada) y el stress del material, de la
picadura inicial se propaga a nivel intergranular formando grietas en el material.
Para intentar minimizar todos estos procesos corrosivos y asegurar que el producto que suministramos
tenga las máximas garantías anticorrosivas es necesario e imprescindible un procedimiento adecuado de
limpieza y mantenimiento de la pieza fabricada.
LIMPIEZA:
OPERACIONES NECESARIAS PARA ASEGURAR LA ELIMINACIÓN DE
CONTAMINANTESY GARANTIZAR LA CORRECTA FORMACIÓN DE LA CAPA
PASIVA DEL ACERO INOXIDABLE
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LIMPIEZA, DECAPADO Y PASIVADO – NORMATIVA APLICABLE
•ASTM (American Society for Testing Materials)
A380, A967, B912-02
•AMS (SAE INTERNATIONAL: Society of Automotive Engineers)
AMS 2700C (sustituye a la AMS QQ-P-35)
• EN ISO
EN ISO 2516, ISO 15730
I
LIMPIEZA, DECAPADO Y PASIVADO – PROCEDIMIENTO TIPO
1. DISEÑO
2. PRELIMPIEZA
Disolventes , restos sólidos
3. DESINCRUSTACIÓN - ESMERILADO (CALAMINA…)
Proceso mecánico
4. DESENGRASE
Desengrasantes alcalinos o ácidos, mecánicos, vapor, ultrasonidos
5. DECAPADO
Decapantes ácidos, electrolíticos
6. CONTROLES DE LIMPIEZA – DESCONTAMINACIÓN
Visual, test ferroxyl, sulfato de cobre
7. PASIVADO
Pasivantes
I
11
12
2. LIMPIEZA PREVIA
Eliminar materiales sólidos, polvo, pinturas, adhesivos.
Debemos tener muy presente que para realizar una correcta pasivación en
toda la pieza por igual, es imprescindible que la capa de metal esté libre
de cualquier tipo de producto o partícula que impediría la oxidación del
cromo y la no generación de la capa pasiva en ese punto determinado y
por lo tanto susceptible de la aparición de óxido.
Productos utilizados: cepillos, abrasivos sin fibras metálicas de hierro,
disolventes o productos en general no clorados.
3. DESINCRUSTACIÓN MECANICA
Es importante, como indicábamos en el punto anterior, la limpieza, por lo
que puede haber zonas, especialmente cordones de soldadura que por la
aportación y el proceso de fabricación, se haya generado calaminas o
incrustaciones que UN PROCESO QUÍMICO NO VA A ELIMINAR. Será
necesario la acción mecánica, como por ejemplo un esmerilado, para
arrancar las incrustaciones y asegurar la limpieza y pasivación posterior.
ESMERILADO
ARENADO
PULIDO…
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4. DESENGRASE
Desengrasantes alcalinos o ácidos, mecánicos, vapor, ultrasonidos
Un paso esencial es el eliminar grasas y pastas de pulir, pues la oxidación
química forzada por los pasivantes solo es posible sobre el metal (o sea el
Cr contenido) limpio.
La utilización de los productos estará en función de la suciedad,
geometria y características del material tratado:
Procesos con ultrasonidos
Productos base alcohol
Desengrasantes alcalinos
Desengrasantes ácidos (con fosfórico añadido facilita también la
desoxidación)
5. DECAPADO
El decapado es la eliminación de una fina capa de metal de la superficie del
acero inoxidable , con lo cual aseguramos la eliminación de posibles
contaminantes presentes en la superficie y dejamos expuesta una capa de
metal original, preparado para su pasivación.
En este proceso se eliminan las marcas de termosoldadura y en función de la
exposición de los productos utilizados queda una superficie gris satinada
consecuencia de la eliminación de metal.
Es importante enfatizar, que el decapado no garantiza un acabado
homogéneo, y marcas, rozaduras, golpes de amoladora, no se eliminaran.
El producto habitual es una mezcla de ácido nítrico y fluorhídrico, aunque
hoy en día existen productos sin fluorhidrico o se pueden utilizar procesos y
máq1uinas electrolíticas, principalmente para los cordones de soldadura.
14
15
•
Modo de aplicación:
En función de la geometría, tipo de pieza o características generales (lugar,
contaminación u oxidación del elemento que queremos decapar) existen varias
opciones, pero en general los productos decapantes se comercializan en 3 tipos de
presentacion:
•Pasta
Uso con brocha pincel. Más denso, no gotea, pero marca en exceso.
•Gel
Uso por aspersión (ideal aplicación con bomba neumática o pulverizador) superficie
de aplicación homogénea, no gotea.
•Líquido
Ideal para recirculaciones o sumergir piezas en tanques de ácido .
Los tiempos de exposición dependerán del estado de las superficies, el producto, la
temperatura…
IMPORTANTE PARA EVITAR MARCAS FINALES LA NO SOBREEXPOSICIÓN Y
SECADO DEL PRODUCTO Y ELIMINAR TOTALMENTE EL ÁCIDO DE LA SUPERFICIE
TRATADA
PASTA, producto muy denso, aplicación con pincel, cepillo…ideal para cordón de
soldadura o áreas pequeñas.
16
GEL, producto denso, aplicación con pincel, cepillo o principalmente por pulverización, que permite
gran uniformidad en el acabado final, ideal para tratar grandes áreas de metal.
17
Recomendación de aplicación:
•de la zona inferior a la superior
•protección EPIs
•aplicación mediante bomba neumática en lugar de pulverizador manual
Existen condiciones de trabajo que precisarán de soluciones
de lavado particularizadas, por lo que deberemos valorar
como aplicamos el proceso de lavado y retirada del ácido así
como la recogida del residuo generado
18
INMERSIÓN - RECIRCULACIÓN, producto líquido, aplicación con pincel, cepillo o por
pulverización, principalmente por inmersión en tanques llenos de ácido, recirculando el producto en
circuitos. Garantiza el contacto del producto en todas las áreas que se quiere tratar.
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6. CONTROLES DE LIMPIEZA – DESCONTAMINACIÓN
Es aconsejable realizar el control de la superficie tratada para garantizar la
efectividad del pasivado final.
Realizar un chequeo visual: uniformidad, residuos ácidos, eliminación de marcas
de termosoldadura u óxido. La comprobación del Ph de la superficie nos dará un
valor real de la eliminación del ácido. Verificar la descontaminación mediante los
test propuestos en las normativas internacionales, nos ofrece la seguridad del
éxito del proceso.
Tipos de inspección:
•Macro:
oVisual
oFrotar con un paño…
oObservación de residuos
•Comprobación superficie libre de hierro:
oTest de alta humedad
oTest del sulfato de cobre
oInspección con luz negra
Test del Ferroxyl:
Agua destilada :
HNO3 80-87%:
Ferrocianuro potásico:
1000 cm3
20 cm3
30 gr
oTest del Ferroxyl
20
7. PASIVADO:
Generación de la capa pasiva en la superficie del acero inoxidable, formada
principalmente por óxido de cromo que no reacciona (se mantiene pasiva) frente
al oxigeno del ambiente.
Obtención de la capa pasiva mediante:
1.
2.
3.
4.
5.
HNO3
CÍTRICO
H2O2
H2SO4
O2-ambiente
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
21
DIFERENCIAS COMPOSICIÓN QUÍMICA (%)*
TIPOS
DECAPADO S/NORMA
A380
PROPIEDADES
NOMBRE
C
Cr
<0,15
17-19
202 (AISI)
Ni
4-6
<0,10
17-19
8-10
Mo
Altres
0
0
RESISTÈNCIA A LA
SOLDABILIDA
DUREZA HV
MAGNÉTICO
CORROSIÓN
D
Buena
Cu / S:0,15-0,30
241
Buena
MUY BUENA
NO
<0,07
17-19,5 8-10,5
0
Muy Buena
149
minimo 30'
21-32
HNO320-25%
+Na2Cr2O7 ,
2H 2O 3%
minimo 20 a
30'
21-54
HNO325-45%
minimo 30'
21-32
HNO325-45%
minimo 30'
21-32
HNO325-45%
minimo 30'
21-32
HNO325-45%
minimo 30'
21-32
HNO325-45%
minimo 30'
21-32
HNO325-45%
minimo 30'
21-32
HNO325-45%
minimo 30'
21-32
HNO325-45%
minimo 30'
21-32
HNO345-55%
minimo 30'
49-54
HNO320-25%
minimo 20'
49-60
21-60
HNO320-25%
+Na2Cr2O7 ,
2H 2O 3%
minimo 10 a
30'
21-68
21-60
HNO320-25%
+Na2Cr2O7 ,
2H 2O 3%
minimo 10 a
30'
21-54
NO
HNO315-25% mínimo
+ HF 1-8%
30'
21-60
21-60
21-60
<0,07
10-13
2-2,5
Excelente
149
MUY BUENA
NO
HNO315-25% mínimo
+ HF 1-8%
30'
<0,03
16,518,5
10-13
2,25
Excelente
149
MUY BUENA
NO
HNO315-25% mínimo
+ HF 1-8%
30'
21-60
<0,02
19-21
24-26
4-5
Excelente
192
MUY BUENA
NO
HNO315-25% mínimo
+ HF 1-8%
30'
21-60
<0,03
21-23 4,5-6,5
2,5-3,5
Excelente(Cl / S)
293
EXCELENTE
NO
HNO315-25% mínimo
+ HF 1-8%
30'
21-60
<0,03
22-24 3,5-5,5
0,1-0,6
Excelente(Cl / S)
290
EXCELENTE
NO
HNO315-25% mínimo
+ HF 1-8%
30'
21-60
Cu: 1,2-2
Cu: 0,1-0,6
2304 (UNS)
<0,03
24-26 5,5-7,5
2,7-4
<0,03
24-26
6-8
3-4,5
<0,08
12-14
0
0
0,15-0,2 26-29
0
0
Cu: 1-2,5
Excelente(Cl / S)
302
EXCELENTE
NO
HNO315-25% mínimo
+ HF 1-8%
30'
21-60
Excelente(Cl / S)
310
EXCELENTE
NO
HNO315-25% mínimo
+ HF 1-8%
30'
21-60
Mala
150
LIMITADA
SI
mínimo
HNO310-15%
30'
+ HF 0,5-1% precaució
n
21-60
Mala
84
LIMITADA
SI
HNO315-25% mínimo
+ HF 1-8%
30'
21-60
2550 (UNS)
2750 (UNS)
Al: 0,1-0,3
405 (AISI)
446 (AISI)
0,160,25
12-14
0
0
<0,07
15-17
3-5
<0,06
Baja
225
420 (AISI) A
630 (AISI)
HNO325-45%
MUY BUENA
2205 (UNS)
PH
ºc
NO
904 (AISI)
MARTENSÍTICO
TIEMPO
16,518,5
316L (AISI)
FERRÍTICO
ºc
Cu: 3-5/ Nb<0,45
92
POBRE
SI
mínimo
HNO310-15%
30'
+ HF 0,5-1% precaució
n
mínimo
HNO310-15%
30'
+ HF 0,5-1% precaució
n
PASIVADO S/NORMA
ASTM
A967-AMS2700C-QQ-P-35
TIPO y %
21-60
MUY BUENA
304 (AISI)
316 (AISI)
DUPLEX SUPERDÚPLEX
TIEMPO
mínimo
HNO310-15%
30'
+ HF 0,5-1% precaució
n
303 (AISI)
AUSTENÍTICO
TIPO y %
HNO315-25% mínimo
+ HF 1-8%
30'
ASTM
22
•CONTROL DE LA CAPA PASIVA
No hay un método descrito para la comprobación de la capa pasiva , a nivel práctico en
las diferentes normativas, se mide la descontaminación pero no la capa pasiva. Solo es
posible a traves de la medición de la diferencia de potencial entre el acero inxoidable
base y la capa de óxidos de cromo. Hay medidores en el mercado que pueden verificar la
presencia de la capa pasiva.
23
•Métodos de aplicación: pincel, pulverización, inmersión, recirculación, …mismos métodos que con el
decapado, pero los productos comerciales del mercado son líquidos y no geles o pastas.
Existen productos en el mercado que reparan y pasivan los elementos de acero inoxidable respetando el
acabado superficial
antes
después
Pieza pulida aparecen
puntos de oxidación
Aplicación del producto
desoxidante - pasivante
Pieza reparada
24
Referencias:
•A corrosion management and applications engineering magazine from Outokumpu Stainless – 4-2004
•Manual del Decapado y pasivado del acero inoxidable AUJOR
•ASTM A380 - Standard Practice for Cleaning, Descaling, and Passivation of Stainless Steel Parts, Equipment, and Systems1
•Module 03 Corrosion_Resistance of Stainless Steels
•Practical Guidelines for the Fabrication of Duplex Stainless Steels Spanish version IMOA
•Avesta Chemicals: Pickling Handbook
•Pickling and Passivating of stainless steel EURO INOX
•Walter Surface Technologies boletín información
25