Análisis comparativo de la corrosión del acero inoxidable y del acero al carbono con recubrimiento/galvanizado y selección de materiales para sujetadores.

El propósito de este documento es tratar el tema de la corrosión en términos generales, sin pretender ser una referencia exhaustiva sobre todas las formas de corrosión ni un análisis detallado de las ventajas y limitaciones de aleaciones específicas. La corrosión del acero inoxidable y del acero al carbono es muy diferente, y este documento proporcionará información sobre la corrosión general o superficial, ya que suele ser un aspecto fundamental a tener en cuenta al seleccionar el material de los elementos de fijación.

El acero al carbono y el acero inoxidable son los materiales más comunes con los que se fabrican los elementos de fijación, y cada uno de ellos está disponible en cientos de aleaciones o grados con una amplia variedad de propiedades. El costo inicial de un componente de acero inoxidable suele ser mayor que el del acero al carbono, aunque no siempre es así. Por ejemplo, el material representa una parte menor del costo en un pasador en espiral de uso ligero que en un pasador sólido del mismo diámetro y longitud. Como resultado, el pasador en espiral de acero inoxidable puede tener un costo igual o incluso inferior al del pasador sólido de acero al carbono. Además, los procesos secundarios, como el tratamiento térmico o el recubrimiento, suelen aumentar el costo de las piezas de acero al carbono, costos que pueden no ser necesarios con el acero inoxidable. El costo no tiene sentido sin considerar el valor. Por ejemplo, el fabricante de una parrilla exterior de alta gama puede elegir elementos de fijación de acero inoxidable, capaces de resistir la corrosión mucho más allá de la vida útil prevista del producto. Esta elección demuestra un compromiso con la integridad del producto, su apariencia estética y su durabilidad. El “valor” de un elemento de fijación que ofrece la máxima calidad puede compensar cualquier aumento de costo asociado. Del mismo modo, el mismo fabricante puede optar por elementos de fijación de acero con recubrimiento más económicos para un modelo vendido bajo una marca de descuento, si espera que el consumidor potencial sea más sensible al precio que a la calidad. Ambas son razones válidas para seleccionar un material u otro, aunque la elección del acero inoxidable requiere que el cliente considere tanto el valor como el costo. Los diseñadores deben equilibrar costo, beneficio y riesgo al elegir el material de fijación adecuado.

SPIROL fabrica pasadores enrollados, pasadores ranurados, pasadores sólidos, insertos, productos tubulares, tuercas mecanizadas, limitadores de compresión, arandelas calibradas y muelles de disco para atender a una amplia variedad de industrias en todo el mundo. Aunque SPIROL fabrica piezas en numerosos materiales, tanto ferrosos como no ferrosos, el alcance de este documento se limita a los productos metálicos ferrosos, y más específicamente, al acero inoxidable y al acero al carbono. Los productos ferrosos de SPIROL se fabrican a partir de cuatro grupos principales de materiales estándar :

• Acero de bajo carbono

• Acero de alto carbono y aleaciones

• Acero inoxidable martensítico al cromo (AISI 410 y 420, EN/DIN 1.4516 y 1.4021)

• Acero inoxidable austenítico con níquel (AISI 302, 304, 305 o EN/DIN 1.4319, 1.4301, 1.4303)

Aunque tanto el acero al carbono como el acero inoxidable son metales ferrosos, es decir contienen hierro, su comportamiento frente a la corrosión es muy diferente. Por definición, el acero inoxidable debe contener al menos un 10,5 % de cromo. Cuando se expone al oxígeno, este elemento de aleación genera una capa de óxido de cromo en la superficie, que deja de crecer rápidamente y se vuelve “pasiva”. Esta capa pasiva es continua, uniforme en espesor, insoluble y no porosa. Dicha capa evita el contacto entre el oxígeno del entorno y el metal base, y tiene la capacidad de autorregenerarse si se raya o se desgasta, siempre que haya oxígeno disponible. A pesar de su eficacia, la capa pasiva tiene solo entre 10 y 100 átomos de espesor, por lo que no afecta las dimensiones de las piezas. Aunque el acero inoxidable puede corroerse cuando se expone a ciertos agentes químicos bajo condiciones específicas, no se oxida por ataque uniforme o general como ocurre con el acero al carbono. Como elemento de aleación, el cromo forma parte de una mezcla homogénea y se considera seguro, ya que no puede liberarse fácilmente de la aleación. Finalmente, cabe destacar la facilidad relativa con la que el acero inoxidable puede reciclarse. Es 100 % reciclable, y los analistas de la industria estiman que entre el 80 % y el 90 % del acero inoxidable desechado se recupera para su reciclaje.

Los sujetadores de acero al carbono suelen tener un costo inferior al de los de acero inoxidable, y existen acabados disponibles que ofrecen una excelente resistencia a la corrosión. Cabe señalar que estos acabados contribuyen al crecimiento dimensional, lo cual debe tenerse en cuenta en el diseño. El acero al carbono puede protegerse contra la corrosión mediante pintura, galvanizado o recubrimiento. En general, la pintura no es adecuada para los sujetadores, ya que normalmente se aplica mediante un proceso de bastidor y no de volumen, por lo que resulta poco rentable. El galvanizado y el recubrimiento son los métodos predominantes para preservar el acero al carbono, aunque algunos de estos procesos han caído en desuso debido a su impacto ambiental. Ejemplos de acabados considerados peligrosos son el cadmio y los cromatos hexavalentes. Durante la última década se ha observado la madurez de recubrimientos y galvanizados en masa capaces de ofrecer una excelente resistencia a la corrosión a bajo costo, cumpliendo al mismo tiempo con las regulaciones ambientales actuales. A pesar de estos avances, la susceptibilidad del metal base a la oxidación sigue siendo su talón de Aquiles. La gran mayoría de los galvanizados y recubrimientos son de tipo sacrificial, lo que significa que solo brindan protección hasta que se agotan. Una vez que el metal base queda expuesto, se oxidará. Algunos ejemplos de acabados y recubrimientos disponibles incluyen, entre otros :

• Recubrimiento por conversión de fosfato de zinc, normalmente seguido de la aplicación de aceite u otro agente anticorrosivo. La aplicación secundaria del agente anticorrosivo determina la resistencia a la corrosión, la cual puede variar desde un nivel mínimo hasta un rendimiento comparable al de los recubrimientos y galvanizados.

   

  Zinc aplicado mecánicamente : su principal ventaja es el riesgo mínimo de fragilización por hidrógeno. El recubrimiento puede ser más grueso que el electrodepositado y no es tan liso. A menudo se complementa con una aplicación secundaria de cromato y/o selladores para mejorar su rendimiento.

   

  Zincado electrolítico : normalmente se aplica con un cromato trivalente complementario y, a menudo, con un sellador final. Estos recubrimientos presentan el riesgo de fragilización por hidrógeno en aceros de alta resistencia ; sin embargo, las piezas suelen someterse a un tratamiento térmico de horneado para eliminar este posible problema. Electrochapado de zinc-níquel – ofrece una resistencia a la corrosión superior a la del electrochapado de zinc tradicional. Al igual que el electrochapado de zinc estándar, este proceso también requiere el horneado de los aceros de alta resistencia para reducir el riesgo de fragilización por hidrógeno.

   

  Revestimientos laminares de aluminio y zinc – Proceso de inmersión y centrifugado capaz de ofrecer una resistencia a la corrosión muy alta sin riesgo de fragilización por hidrógeno.

Los requisitos de la prueba de niebla salina generalmente consisten en dos criterios simples : las horas que tarda en formarse la corrosión blanca y, posteriormente, las horas que tarda en comenzar el ataque de óxido rojo (o del metal base). La concentración de sal, la temperatura y el tiempo se controlan cuidadosamente. La mayoría de los recubrimientos y galvanizados dependen de una capa de metal no ferroso aplicada sobre el metal base, seguida de una inmersión en cromato y, según los requisitos de rendimiento, de un sellador orgánico o inorgánico. Cuando estos acabados fallan, lo hacen en el orden inverso al de su aplicación. Una vez que el ambiente corrosivo penetra las capas exteriores de sellador y cromato, comienza a atacar el metal no ferroso subyacente, momento en el cual se inicia la corrosión blanca. Los metales no ferrosos, como el zinc, el níquel, el aluminio y el magnesio, no contienen hierro y, por lo tanto, no presentan “óxido rojo”. El óxido rojo solo se vuelve visible una vez que el metal sacrificial se ha agotado (véase la Figura 2).

De los dos aceros inoxidables ofrecidos por SPIROL, el acero inoxidable austenítico (o níquel) proporciona la mejor resistencia a la corrosión, mientras que el acero inoxidable martensítico (o cromo) es más susceptible al ataque. El acero inoxidable de níquel tiene dos ventajas : 1) el contenido de cromo aumenta del 12 % al 18 %, y 2) se añade un 8 % de níquel para incrementar la resistencia frente a los ataques de los ácidos minerales. La combinación de cromo y níquel en la proporción adecuada permite la formación de una estructura austenítica. Aunque el acero inoxidable martensítico al cromo puede ofrecer una menor resistencia a la corrosión, puede someterse a tratamiento térmico para alcanzar una mayor resistencia mecánica, y su bajo índice de endurecimiento por deformación proporciona una excelente resistencia a la fatiga.

Para demostrar la diferencia entre el acero inoxidable y el acero al carbono revestido, se fabricaron dos pasadores sólidos con geometría idéntica en cada material. El pasador de acero inoxidable fue pasivado, mientras que el pasador de acero al carbono bajo fue recubierto con un producto laminar de zinc (véase la Figura 5). A las 720 horas, la pieza recubierta ha tenido un buen rendimiento, aunque la corrosión blanca es claramente visible. Una vez que se agote el zinc, comenzará la formación de óxido. En contraste, los pasadores de acero inoxidable austenítico parecen prácticamente inalterados (véase la Figura 6). Un pasador de acero inoxidable serie 300 correctamente pasivado puede ofrecer hasta 2.500 horas de protección en niebla salina.

Como se mencionó anteriormente, el acero inoxidable martensítico es menos resistente a la corrosión que el austenítico y, por esta razón, generalmente no se somete a ensayos en niebla salina. Tanto el acero inoxidable 410 como el 420 ofrecen una buena resistencia a la corrosión en atmósferas normales, agua dulce, fluidos corporales y entornos culinarios, así como frente a ácidos oxidantes suaves como el ácido crómico y el ácido nítrico. Los siguientes pasadores de acero inoxidable martensítico se colocaron en una cámara de niebla salina y se observaron durante un período de 300 horas. Se evidenció la aparición de manchas después de 48 horas, con formación incipiente de picaduras. Después de 300 horas, la corrosión por picaduras era severa y fácilmente observable en las siguientes fotografías (véanse las Figuras 7, 8, 9 y 10).