ANÁLISIS METALOGRÁFICO DE LOS CABEZALES DE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/5357/1/SeguraOrtizXio... · Propiedades físicas del acero 316 y 316 L a temperatura ambiente

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ANÁLISIS METALOGRÁFICO DE LOS CABEZALES DE ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO 316 PRESENTES EN UN INTERCAMBIADOR DE CALOR ST

8035 TIPO A EN FLUJO DE AGUA

PAULA DANIELA RINCÓN GARCÍA XIOMARA ANDREA SEGURA ORTIZ

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ, D.C.

2016

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ANÁLISIS METALOGRÁFICO DE LOS CABEZALES DE ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO 316 PRESENTES EN UN INTERCAMBIADOR DE CALOR ST

8035 TIPO A EN FLUJO DE AGUA

PAULA DANIELA RINCÓN GARCÍA XIOMARA ANDREA SEGURA ORTIZ

MODALIDAD DE TRABAJO DE GRADO: Monografía

TUTOR: Luis Hernando Correa Murillo

Docente Proyecto Curricular Tecnología e Ingeniería Mecánica

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ, D.C.

2016

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Nota de aceptación:

_____________________________________

_____________________________________

_____________________________________ _____________________________________ _____________________________________

_____________________________________ _____________________________________ _____________________________________ _____________________________________

_______________________________ Firma del tutor

_______________________________ Firma jurado 1

______________________________ Firma jurado 2

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CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 18

1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ............................................................... 19

1.1 ANTECEDENTES ............................................................................................ 19

1.2 FORMULACIÓN .............................................................................................. 19

1.3 DESCRIPCIÓN ................................................................................................ 19

2. JUSTIFICACIÓN ..................................................................................... 20

3. OBJETIVOS ............................................................................................ 21

3.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................. 21

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................... 21

4. MARCO REFERENCIAL ......................................................................... 22

4.1 ESTADO DEL ARTE ............................................................................... 22

4.2 MARCO TEORICO Y CONCEPTUAL ..................................................... 24

4.2.1 Aceros inoxidables austenítico ............................................................. 24

4.2.1.1 Clasificación ............................................................................. 24

4.2.1.2 Composición química ............................................................... 25

4.2.1.3 Características fundamentales ................................................. 25

v

4.2.1.4 Propiedades Mecánicas ........................................................... 26

4.2.1.5 Propiedades físicas .................................................................. 26

4.2.1.6 Tratamientos térmicos.............................................................. 27

4.2.1.7 Características químicas .......................................................... 28

4.2.1.8 Procedimientos de limpieza ..................................................... 28

4.2.2 Corrosión. ........................................................................................... 29

4.2.2.1 Definición general. ................................................................... 29

4.2.2.2 Tipos de corrosión según los mecanismos de ataque. ............ 29

5. DISEÑO METODOLOGICO .................................................................... 49

5.1 MICROSCOPIO ELECTRONICO DE BARRIDO (MEB) .......................... 49

5.2 PREPARACIÓN DE PROBETA METALOGRAFICA ............................... 50

6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................ 55

6.1 IDENTIFICACIÓN DEL MATERIAL DE ESTUDIO .................................. 55

6.1.2 DIAGRAMA DE FASES SEGÚN EL TIPO DE MATERIAL IDENTIFICADO. 65

6.2 IDENTIFICACIÓN DE TIPOS DE CORROSIÓN ..................................... 68

7. CONCLUSIONES .............................................................................................. 74

RECOMENDACIONES .......................................................................................... 76

BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................... 78

ANEXOS ……………………………………………………………………………..82

vi

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Clasificación de aceros austenítico 316 y 316L según normas AISI, W. Nr y DIN ............................................................................................................... 24

Tabla 2. Composición química acero inoxidable austenítico AISI 316 según norma NMX B-83 (% peso) ........................................................................................ 25

Tabla 3. Propiedades mecánicas del acero 316 a temperatura ambiente ............. 26

Tabla 4. Propiedades mecánicas del acero 316 a temperatura ambiente ............. 26

Tabla 5. Propiedades físicas del acero 316 y 316 L a temperatura ambiente (20°C) ........................................................................................................................ 26

Tabla 6. Módulo de elasticidad [kN/mm2] del acero 316 y 316L a diferentes temperaturas ................................................................................................... 27

Tabla 7.Coeficiente de expansión térmica del acero 316 y 316L a diferentes temperaturas ................................................................................................... 27

Tabla 8. Tratamientos térmicos aplicables en los aceros 316 y 316L .................... 27

Tabla 9. Resultados del analisis elemental de las pruebas 1 y 2 realizado a la Probeta 1 ........................................................................................................ 59

Tabla 10. Resultados del análisis elemental de las pruebas 1 y 2 realizado a la Probeta 2 ........................................................................................................ 60

Tabla 11. Resultados del análisis elemental de las pruebas 1 y 2 realizado a la Probeta 3 ........................................................................................................ 62

Tabla 12. Método de empleo del diversos reactivos para verificar la Macroestructura del aluminio y aleaciones de aluminio. ................................. 63

Tabla 13. Principales propiedades físicas del Aluminio altamente puro ................ 83

Tabla 14. Rangos de resistencia de la serie de aleaciones de forjado .................. 85

Tabla 15. Propiedades mecánicas típicas de aleaciones de aluminio por forjado térmicamente no tratables .............................................................................. 86

vii

Tabla 16. Propiedades mecánicas típicas de aleaciones de aluminio por forjado térmicamente tratables ................................................................................... 86

Tabla 17. Propiedades fiscas típicas aleaciones de forjado por recocido .............. 87

Tabla 18. Propiedades mecánicas de aleaciones representativas de aluminio por fundición ......................................................................................................... 88

Tabla 19. Propiedades físicas de aleaciones representativas de aluminio por fundición ......................................................................................................... 88

viii

LISTA DE GRÀFICAS

Pág.

Gráfica 1. Resultados de análisis elemental de la Probeta 1 (a) Prueba 1 y (b) Prueba 2 ......................................................................................................... 58



ix

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Regiones corroídas de un puente pintado .............................................. 30

Figura 2. La corrosión galvánica de tubería de acero al accesorio de latón en la atmósfera marina húmeda. ............................................................................. 30

Figura 3. La corrosión galvánica del aluminio en el empalme de cables de alimentación enterrada (cobre y aluminio) ...................................................... 31

Figura 4. Flujo de corriente en el electrolito que no se origina desde el sistema CP diseñada para proteger el oleoducto. ............................................................. 32

Figura 5. Barnaclas fijado a la periferia de un timón de acero de alta resistencia con presencia de percebes fijados a la superficie .......................................... 33

Figura 6. Efecto de la corrosión de sal fundida en base de níquel y aleaciones de acero inoxidable. ............................................................................................. 34

Figura 7. Escamas protectoras de protección y no conformados en la aleación 800. (a) Cr2O3-base de cascarilla de óxido protectora formada en el gas oxidante libre de azufre. (B) la escala-óxido de sulfuro de formarse en condiciones reductoras que contienen sulfuro de hidrógeno. ............................................. 34

Figura 8. Topografía (a) y la sección transversal (b) de cascarilla de óxido formada en la aleación Fe-18Cr a 1100 ° C (2012 ° F). Las áreas brillantes en la superficie de la aleación (a) son aquéllas en las que la escala ha astilladas. La escala de hebilla y zonas engrosadas localmente (b) son el óxido rico en hierro. La capa fina escala adyacente a la aleación es Cr2O3, que controla la velocidad de oxidación. .................................................................................. 35

Figura 9. Ejemplo de ataque sulfuración de alta temperatura en un tubo de 310 intercambiador de calor de tipo después de 100 horas a 705 ° C (1300 ° F) en el gas de carbón productor gasificador. .......................................................... 36

Figura 10. . Ejemplo de ataque de la carburación de alta temperatura por picadura de tipo 310. Las paredes del reactor después de 4000 h de exposición a gas de carbón producto de la gasificación. Se formaron los pozos durante el funcionamiento en condiciones de alta actividad de carbono en el gas. (A) Visión global de las picaduras. (B) Sección a través de un pozo. ................... 37

x

Figura 11. Un acero lacado que presenta corrosión filiforme que muestra filamentos grandes y pequeños parcialmente orientados en la dirección de laminación de la chapa de acero. ................................................................... 38

Figura 12. Sección transversal del laminado de papel de aluminio en el cartón que muestra la expansión de la capa de PVC por los productos de corrosión de la corrosión filiforme. Los espacios vacíos entre las fibras de cartón que pueden atrapar agua. SEM. 650 × ............................................................................... 39

Figura 13. La corrosión por grietas en un sitio de la grieta de metal a metal formada entre los componentes de tipo 304 de sujeción de acero inoxidable en el agua de mar ........................................................................................... 40

Figura 14. Ejemplos de pozos profundos (a) y pozos poco profundos (b) ............. 41

Figura 15. Proceso auto catalítico que ocurre en una picadura de corrosión. El metal, M, se enfrentó con una solución de NaCl aireado. La disolución rápida se produce dentro de la fosa, mientras que la reducción de oxígeno tiene lugar en las superficies adyacentes. ............................................................... 42

Figura 16. Tubo de curva cerrada de acero utilizado en el economizador de una caldera de recuperación de ácido sulfúrico. El tuberculación exposiciones tubo asociada con el ataque de oxígeno. La fotografía inferior muestra los tubérculos en mayor detalle. ........................................................................... 43

Figura 17. Agrietamiento por corrosión intergranular ............................................. 44

Figura 18. Pérdida de zinc en un cobre amarillo (70Cu-30Zn) expuestos durante 79 días en 1 N de NaCl a temperatura ambiente. Se presenta una estructura porosa dentro del tapón. La línea oscura que rodea el tapón es un artefacto de grabado. 160 ×. .......................................................................................... 45

Figura 19. Pulido de tubos de transferencia de calor de la erosión por arena en una cámara de combustión de lecho fluidizado .............................................. 46

Figura 20. Rozamiento de cobalto-cobre chapado en oro dividido en pisos en contacto con el oro sólido en un contacto eléctrico. (A) Después de 1000 ciclos. (B) Después de 104 ciclos. (C) Después de 105 ciclos. (D) Después de 106 ciclos. ....................................................................................................... 47

Figura 21. Daños por cavitación a un impulsor de la bomba elenco ÁCIDO CN-7M utilizada para bombear la solución de nitrato de amonio a 140 ° C (280 ° F). 48

Figura 22. La fatiga por corrosión de una aleación de Ti-6Al-4V probado en el aire ambiente. Intergranular bajo y fatiga estrías son evidentes en la superficie de la fractura; el grano parece haber separado del resto de la microestructura. . 48

xi

Figura 23. Microscopio Electrónico de Barrido SEM .............................................. 50

Figura 24. Cortadora metalográfica ....................................................................... 51

Figura 25. Piezas cortadas del material de estudio después de cortarlas en la cortadora metalográfica. ................................................................................. 51

Figura 26. Resina Epoxica utilizada en el procedimiento de preparación de la probeta de estudio .......................................................................................... 52

Figura 27. Encapsuladora metalográfica ............................................................... 52

Figura 28. Probeta de estudio encapsulada. ......................................................... 53

Figura 29. Pulidora metalográfica .......................................................................... 54

Figura 30. Intercambiador de calor Flovex serie ST 80 ......................................... 55

Figura 31. Dimensiones Intercambiador de calor serie ST80 ................................ 56

Figura 32. Morfología del material de las tapas o corazas de estudio ................... 56

Figura 33. Probeta 1, 2, y 3 estudiadas en el SEM. ............................................... 57

Figura 34. Morfología probeta 1. ............................................................................ 58

Figura 35. Morfología Probeta 2 ............................................................................ 59

Figura 36. Morfología Probeta 3 ............................................................................ 61

Figura 37. Reactivo empleado en la probeta de estudio. ....................................... 63

Figura 38. Estado final de Probeta de estudio después de finalizar el proceso de preparación de la probeta. .............................................................................. 64

Figura 39. Diagrama de fases Aluminio-Silicio ...................................................... 65

Figura 40. Diagrama de fases Al-Si ....................................................................... 66

Figura 41. Identificación de fase en toma metalográfico tomada en el SEM. (a) Silicio y (b) Aluminio ....................................................................................... 67

Figura 42. Identificación de las fases de toma metalográfica obtenida en Microscopio Metalográfico. (a) Silicio y (b) Aluminio ....................................... 67

Figura 43. Corrosión galvánica encontrada en las regiones que estaban en contacto con otros metales e inmersos en el medio húmedo. ........................ 69

xii

Figura 44. Corrosión por altas temperaturas vista en la probeta 1. ....................... 70

Figura 45. Corrosión por picadura en piezas luego de la fase de corte. ................ 71

Figura 46. Corrosión por picadura vista desde MEB. ............................................. 71

Figura 47. Tuberculación en las tapas del intercambiador de calor. ...................... 72

Figura 48.Corrosión intergranular vista en probeta 2. ............................................ 72

Figura 49.Erosión por cavitación en regiones de contacto directo con el medio acuoso en movimiento. ................................................................................... 73

xiii

LISTA DE ANEXOS

Pág.

Anexo A.Aluminio y sus aleaciones. .................................................................... 82

Anexo B. Análisis elemental Probeta 1-Prueba 1 .................................................. 90

Anexo C. Análisis elemental Probeta 1-Prueba 2 .................................................. 91

nexo D. Análisis elemental Probeta 2-Prueba 1..................................................... 92

Anexo E. Análisis elemental Probeta 2-Prueba 2 .................................................. 93

Anexo F. Análisis elemental Probeta 3-Prueba 1 ................................................... 94

Anexo G. Análisis elemental Probeta 3-Prueba 2 .................................................. 95

Anexo H. Serie de Fuerzas Electromotrices .......................................................... 96

xiv

GLOSARIO1

ACUOSO: Abundante en agua

ALEACIÓN: Producto homogéneo, obtenido por fusión, compuestode dos o más

elementos químicos, uno de los cuales, almenos, debe ser un metal.

ALÚMINA: Óxido de aluminio (Al2O3)

ALUMINIO: Elemento químico metálico, de núm. atóm. 13, de color similar al de la

plata, ligero, resistente y dúctil, muy abundante en la corteza terrestre, que tiene

diversas aplicaciones industriales. (Símb. Al).

ÁNODO: Electrodo positivo.

BAUXITA: roca compuesta por óxidos de aluminio hidratados.

CARBUROS: Combinación del carbono con un metal.

CÁTODO: Electrodo negativo.

CAVITACIÓN: Formación de burbujas de vapor o de gas en el seno de un líquido,

causada por las variaciones que este experimenta en su presión.

CORROSIÓN: Desgaste paulatino de los cuerpos metálicos por acción de agentes

externos, persista o no su forma.

DENSIDAD: Magnitud que expresa la relación entre la masa y el volumen de un

cuerpo, y cuya unidad en el sistema internacional es el kilogramo por metro cúbico

(kg/m3).

DISCONTINUIDAD: Cualidad de discontinuo. Interrumpido, intermitente o no

continuo.

ELECTRÓLISIS: Descomposición en iones de una sustancia en disolución

mediante la corriente eléctrica.

ENTORNO: Ambiente, lo que rodea.

1 Apartado realizado a partir de la referencia [35]

xv

EROSIÓN: Desgaste o destrucción producidos en la superficie de un cuerpo por la

fricción continúa o violenta de otro.

FALLA: Defecto superficial o interno de un material

FATIGA: Pérdida de la resistencia mecánica de un material, al ser sometido

largamente a esfuerzos repetidos.

FERROMÁGNETICO: Propiedad de los materiales que, como el hierro, tienen muy

alta permeabilidad magnética.

FILAMENTO: Cuerpo filiforme, flexible o rígido.

FILIFORME: Que tiene forma o apariencia de hilo.

FORJADO: Dar la primera forma con el martillo a cualquier pieza de metal.

FUNDICIÓN: Derretir y licuar los metales, los minerales u otros cuerpos sólidos

para dar forma en moldes al metal fundido.

HENDIDURA: Corte en una superficie o en un cuerpo sólido cuando no llega a

dividirlos del todo.

HETEROGENEIDAD: Mezcla de partes de diversa naturaleza en un todo.

IMPUREZA: Materia que, en una sustancia, deteriora alguna o algunas de sus

cualidades

INTERCAMBIADOR DE CALOR:

LIXIVIACIÓN: Tratar una sustancia compleja, como un mineral, con un disolvente

adecuado para separar sus partes solubles de las insolubles.

METALOGRAFÍA: Estudio de la estructura, composición y propiedades de los

metales y de sus aleaciones.

MICROSCOPIO: Instrumento que permite observar objetos demasiado pequeños

para ser percibidos a simple vista.

MICROSCOPIO ELECTRÓNICO: microscopio que utiliza radiación electrónica en

vez de luz, y con el que se consiguen aumentos muchos miles de veces

superiores a los del microscopio ordinario.

xvi

MORFOLOGÍA: Parte de la biología que trata de la forma de los seres orgánicos y

de las modificaciones o transformaciones que experimenta.

ÓXIDOS: Dicho del oxígeno o de otro agente oxidante: Producir óxido al

reaccionar con una sustancia.

PARTÍCULA: Parte pequeña de materia.

PERCEBE: Crustáceo cirrópodo, que tiene un caparazón compuesto de cinco

piezas y un pedúnculo carnoso con el cual se adhiere a los peñascos de las

costas. Se cría formando grupos y es comestible.

PICADURA: Agujero, grietas, etc., producidos por la herrumbre en una superficie

metálica.

PIROFÓRICO: Que se inflama espontáneamente en contacto con el aire.

PORO: Espacio que hay entre las moléculas de los cuerpos.

PROBETA: Muestra de cualquier sustancia o material para probar sus

propiedades

PROCESO BAYER: principal método industrial para producir alúmina a partir de

bauxita

SEM: Microscopio Electrónico de Barrido

SULFURO: Sal del ácido sulfhídrico.

ACERO AUSTENITICO: familia de aceros que se obtiene adicionando elementos

formadores de austenita, tales como níquel, manganeso y nitrógeno.

xvii

RESUMEN

Este proyecto de grado es una monografía realizada con el fin de conocer y

estudiar a fondo los tipos de corrosión que se presentan en las tapas un

intercambiador de calor por el que fluye agua industrial que por referencias en el

catálogo de los fabricantes se cree que es Acero austenítico 316.

Inicialmente se encuentra un marco conceptual sobre el acero austenítico 316

como material, características generales, la corrosión, tipos de corrosión y como

identificarlos. Esta parte es fundamental para la identificación de los tipos de

corrosión que presentan en las piezas a estudiar.

Es importante destacar que el estado del arte es vital para el estudio que

realizamos, ya que gracias a este encontramos los avances y otras

investigaciones similares que nos ayudarán a la solución de nuestro problema. En

esta ocasión se encontrarán artículos importantes sobre el acero austenítico, su

alta resistencia a la corrosión, los tipos de corrosión presentes en este y cómo

afecta cada sustancia a la intensificación de la corrosión en el acero austenítico

316 específicamente.

Es claro que para analizar el material se requiere de un estudio metalográfico y se

debe seguir un procedimiento para detectar la composición química del material y

los tipos de corrosión en instrumentos microscópicos, para esto se debe diseñar

un proceso metodológico ideal para seguir y dar una solución al problema.

Se da una descripción detallada de todo lo que se hizo en las piezas, y de cómo

se maneja normalmente este tipo de casos en el mundo metalográfico, para esto

es importante detallar los equipos que se usaron, en este caso microscopios

electrónicos de barrido, equipos para preparación de probetas metalográficas, y

otros elementos que son precisos de señalar como los materiales correctos para la

preparación de las probetas, los paños de pulido, los abrasivos, el tiempo y el

paso a paso que debe seguirse.

En última instancia se encuentran los resultados del estudio y las conclusiones a

las que se puede llegar después de seguir procedimiento metodológico diseñado

para la resolución del problema, se verá la descripción de lo que se encontró con

las fotografías y los análisis hechos en los equipos. Y lo más importante se ve con

precisión el material del que están hechas las piezas y los tipos de corrosión

presentes.

18

INTRODUCCIÓN

La metalografía es la ciencia que estudia las características micro estructurales constitutivas de un metal o de una aleación relacionándolas con las propiedades físicas, químicas y mecánicas. La información que puede suministrar un examen metalográfico o un estudio microscópico de las características estructurales de los materiales es determinar el tamaño y estructura de grano, determinar de espesor de recubrimiento, la calidad de tratamiento térmico, calidad de la soldadura y revestimiento, conteo de fases, corrosión etc. La preparación de la muestra es una de las fases más importante del estudio metalográfico, esta depende de las características que queremos determinar, el material y los equipos que se utilizarán. Específicamente en este proyecto de grado se debe conocer ampliamente de detectar la presencia de corrosión en los procesos, ya que esto aumenta la productividad y la eficiencia de cualquier planta ya que las fallas por problemas de corrosión de materiales metálicos causan pérdidas económicas por miles de millones de dólares a nivel mundial cada año. La importancia del conocimiento en el material es fundamental, en este caso se indica en el catálogo del fabricante que se trata de acero austenítico 316, este posee una variedad de propiedades que lo hacen uno de los metales más utilizados en la industria por su alta resistencia a la corrosión es un material ideal para este tipo de aplicaciones, pero aun así debe hacerse un estudio de composición química para tener certeza del material que se estudia. Obviamente las condiciones y las características del entorno donde se encontraba la pieza a estudiar son vitales para el estudio y deben tenerse en cuenta para lograr un pronóstico adecuado y llegar a conclusiones acertadas, de lo contrario es probable que se den afirmaciones generales y superficiales del estudio. En este caso específico, se realizará un estudio metalográfico a dos cabezales de un intercambiador de calor que se presume están hechos de acero austenítico 316 por el que fluye agua, con el fin de determinar la composición química del material, su estructura y morfología y de esta forma encontrar corrosión, detectar los tipos, causas, velocidad con la que ataca y otras características.

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1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA 1.1 ANTECEDENTES

En la empresa Gilpa impresores S.A encargada de la producción de empaques para diversos productos, utilizan impresoras industriales de gran magnitud que se calientan rápidamente por la productividad, para controlar la temperatura a estas impresoras se instalan intercambiadores de calor que son dispositivos diseñados para transferir calor entre dos fluidos, o entre la superficie de un sólido y un fluido en movimiento; el intercambiador de calor que tenía una de esas impresoras era un Flovex ST 8035 tipo A.2 Las tapas de este intercambiador de calor después de 20 años están demasiado corroídas, aproximadamente el 75% del total de la constitución original de las tapas desapareció por la corrosión y el 50% de lo que está actualmente muestra signos de corrosión por lo tanto es indispensable cambiar la piezas 1.2 FORMULACIÓN ¿Cuáles son los tipos de corrosión que se presentan en las tapas de un intercambiador de calor ST 8035 tipo A en flujo de agua, y que diagnostico se debe dar para la construcción de los repuestos de las tapas para el intercambiador de calor? 1.3 DESCRIPCIÓN La empresa Gilpa impresores S.A necesita cambiar las tapas del intercambiador de calor Flovex ST, ya que se encuentran demasiado corroídas. Es importante verificar tipo de material del que están hechas las tapas, partiendo que es Acero Austenítico 316, y el tipo de corrosión por el que están afectadas, para que los repuestos tengan una mayor vida útil. Teniendo en cuenta el contexto en el que se encuentra el intercambiador de calor y gracias a las nuevas investigaciones y avances sobre los materiales, la metalografía y la corrosión, es necesario hacer un estudio detallado del análisis elemental del material en el cual están construidas las tapas y que clases de corrosión se presentaron en él, para poder definir la mejor opción para construir los repuestos.

2 Referencia [17]

20

2. JUSTIFICACIÓN Las fallas por problemas de corrosión de materiales metálicos causan pérdidas económicas por miles de millones de dólares a nivel mundial cada año. Detectar la presencia de corrosión en sus procesos aumenta la productividad y la eficiencia de cualquier planta. Se hará un estudio a las tapas de un intercambiador de calor que usa agua; para así detectar las causas, el tipo de corrosión, la velocidad con la que ataca y predecir cuál es la vida útil de este elemento. Se detectará el problema y se darán soluciones para disminuir el costo en la empresa para los cambios de estos elementos usados en el mismo equipo con el mismo material. Los intercambiadores usan fluidos que reaccionan química o electroquímicamente más rápido, se usaran los resultados del análisis metalográfico de los elementos, para aconsejar a la planta donde es utilizado y si es de provecho para otros; sobre qué medidas se pueden tomar para que la corrosión no afecte de manera rápida al elemento, que fluido podría usarse, y como debe ser el mantenimiento preventivo, predictivo y correctivo de estos elementos. Con este proyecto no solo se podrá aplicar lo aprendido en este equipo en específico, además otras empresas o plantas que utilicen el material de estudio en condiciones similares a esta, los cuales aprovecharán estos conocimientos y se beneficiarán tanto teórica como financieramente.

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3. OBJETIVOS 3.1 OBJETIVO GENERAL Realizar un análisis metalográfico a una pieza de acero inoxidable austenítico AISI 316, perteneciente a los cabezales de un intercambiador de calor de referencia ST 8035, la cual fue reemplazada por el desgaste corrosivo por el flujo medio- bajo de agua industrial. 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Realizar la toma de imágenes metalográficas a diferentes zonas afectadas a nivel microestructural debido a la corrosión debido a flujo de agua común.

Analizar metalográficamente las imágenes, identificando cambios significativos nivel granular sufridos por los procesos de corrosión.

Presentar y sustentar los resultados del análisis metalográfico explicando las causas y los efectos de los cambios microestructurales sufridos por el material debido a la exposición de los procesos de corrosión.

Identificar los tipos de corrosión que interfieren en los cabezales del intercambiador de calor debido al flujo continuo de agua común

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4. MARCO REFERENCIAL

4.1 ESTADO DEL ARTE En el mundo se hacen pruebas y normas que estandarizan los materiales para que, al momento de utilizarlos sus nombres, aplicaciones, fallos, y características sean iguales. En nuestro caso en específico hablaremos de los avances y estudios que se han realizado sobre la resistencia a la corrosión del acero AISI 316. Usualmente en estos estudios se analiza la corrosión del material en soluciones salinas o de cloruro de sodio. En algunos artículos encontramos propiedades descubiertas y analizadas después de experimentos antes mencionados, generalmente lo que se concluye es lo siguiente: Para soluciones de cloruro de sodio: Se propone dos enfoques para la estimación de la probabilidad de que la pared de un tubo es penetrado en el tiempo t, debido a la corrosión por picadura. La estimación de la probabilidad de fallo depende del diseño y las propiedades del material, el recubrimiento, y la condición ambiental en la superficie del tubo externo. Los modelos sólo representan la corrosión en la superficie del exterior del tubo, por lo que, si la corrosión desde el interior contribuye al daño, fallo puede ocurrir antes de lo que se determine en este estudio. El uso de recubrimiento disminuye la probabilidad de fallo para los cálculos del modelo. El revestimiento se supone que permanece intacto durante los primeros cinco años. En realidad, el revestimiento no es completamente denso y todos los orgánicos son permeables al oxígeno y agua. La mayoría de los recubrimientos tienen defectos que podría actuar como sitios de iniciación para la corrosión por picadura. Aun así, es una medida importante, para reducir el ataque de la corrosión por picaduras en las tuberías de AISI 316L3 Esto depende de la ubicación de la tubería y la acumulación de cloruro en el tubo. El desarrollo de un pozo es dependiente del material la alineación de los granos, que depende del método de producción del material. Es importante señalar que los hoyos no sólo crecen verticalmente a través del área de sección transversal del tubo. La velocidad de corrosión en estos modelos se determina como una tasa media, suponiendo crecimiento lineal4

3 Referencia [36] 4 Referencia [36]

23

En ácido fórmico y acético: El comportamiento de la corrosión de acero inoxidable AISI 316 en los ácidos fórmico y acético se investigó midiendo la pérdida de la corrosión de peso, la curva de polarización, la impedancia en la interfaz acero/solución, y la variación de potencial de electrodo naturales (NEP) con el tiempo5 Para obtener información para la película pasiva en AISI 316 después de la inmersión en ácido fórmico, la distribución de los principales elementos de la composición se analizó por espectroscopia de electrones Auger (AES). A partir de estos resultados, se encontró que la cantidad de Molibdeno distribuido en la superficie del acero era más grande, mientras que la cantidad de hierro era menor que antes de la inmersión. También se encontró que la cantidad de cobre (Cu) en un sistema acuoso y níquel en uno no acuoso fue mayor que antes de la inmersión6 En el caso del ácido fórmico, el análisis de superficies de acero después de la inmersión en ácido acético se llevó a cabo mediante análisis micro de iones (IMA). En 50 y 100 ácidos acéticos%, algún porcentaje de cromo estaba presente en la superficie de acero. En ácido acético 90%, se creía que la corrosión selectiva no se produjo debido a que la distribución de los principales elementos de la composición de la superficie de la muestra después de la inmersión no cambió7

5 Referencia [37] 6 Referencia [38] 7 Referencia [38]

24

4.2 MARCO TEORICO Y CONCEPTUAL

Los aceros inoxidables austenítico son aceros inoxidables, en los cuales

predomina la fase austenítico, y tienen altos contenidos de Cr (15-28%) y Ni (3-

40%). También contienen otros elementos como el Molibdeno (Mo), Titanio (Ti),

Manganeso (Mn), Silicio (Si), Azufre (S), Fósforo (P), Nitrógeno (N), Aluminio (Al),

entre otros.

4.2.1 Aceros inoxidables austenítico

Los aceros inoxidables austeníticos no son magnéticos y no pueden ser

endurecidos por tratamiento térmico. Son muy dúctiles y presentan excelente

soldabilidad. En los aceros inoxidables austenítico, predomina completamente la

fase austenítico en el material, esta fase presente inicialmente en los aceros

sometidos a altas temperaturas del orden de 910-1401oC. Son aceros con gran

utilización en las industrias químicas, de alcohol, petroquímica, de papel y

celulosa, en la industria petrolífera, industria textil y farmacéutica.8

4.2.1.1 Clasificación

Tabla 1. Clasificación de aceros austenítico 316 y 316L según normas AISI, W. Nr y DIN

Fuente: Referencia [1]

8 Referencia [39]

25

4.2.1.2 Composición química

Tabla 2. Composición química acero inoxidable austenítico AISI 316 según norma NMX B-83 (% peso)

C

máx. Si

máx. Mn

máx. P

máx. S

máx. Cr Ni

AISI 316

0,08 1,00 2,00 0,045 0,030 16.00-18.00

10.00-14.00


4.2.1.3 Características fundamentales9

El acero AISI 316 corresponde a un acero inoxidable aleado con molibdeno. Esta

adición le otorga mejores propiedades anticorrosivas que la familia de los aceros

304, debido a que disminuye en una manera significativa la susceptibilidad a la

corrosión por picado debido a que la capa pasivante que genera el material es

mucho más resistente

Presenta una buena resistencia a la oxidación en condiciones intermitentes a

temperaturas no superiores a los 870º C. No se recomienda el uso de estos

aceros en temperaturas en el rango de 420ºC a los 869ºC, pero en valores por

debajo o por encima de estos, tiene un buen comportamiento. Este fenómeno se

presenta debido a que existe la probabilidad de que los carburos de cromo en los

bordes del grano conllevan a su sensibilidad y en consecuencia la resistencia a la

corrosión se ve drásticamente comprometida

Estos aceros presentan buenas condiciones de soldabilidad y se recomienda que

en las secciones soldadas se realice un recocido posterior con el fin de obtener la

más alta resistencia a la corrosión

Los aceros austeníticos poseen una estructura centrada en las caras desde

temperaturas cercanas al cero absoluto hasta cerca del punto de fusión, como

resultado de la utilización de níquel y manganeso como elementos de aleación.

Para formar la estructura austenítica es necesario añadir cerca de un 8% de níquel

a la base de 18% de cromo para causar la transición desde ferrítico a austenítico.

Comparado con la estructura ferrítica, la estructura austenítica es más resistente y

moldeable. El añadido de níquel también ayuda a mejorar la resistencia a la

9 Este apartado se ha realizado a partir de las Referencias [40] y [41]

26

corrosión frente a algunos corrosivos como por ejemplo materiales orgánicos y

medioambientes naturales

4.2.1.4 Propiedades Mecánicas

Temperatura Ambiente

Tabla 3. Propiedades mecánicas del acero 316 a temperatura ambiente


Temperatura variable

Tabla 4. Propiedades mecánicas del acero 316 a temperatura ambiente


4.2.1.5 Propiedades físicas

Tabla 5. Propiedades físicas del acero 316 y 316 L a temperatura ambiente (20°C)


27

Módulo de elasticidad [kN/mm2]

Tabla 6. Módulo de elasticidad [kN/mm2] del acero 316 y 316L a diferentes temperaturas


Coeficiente de expansión térmica 10-6*K-1

Tabla 7.Coeficiente de expansión térmica del acero 316 y 316L a diferentes temperaturas


4.2.1.6 Tratamientos térmicos

Tabla 8. Tratamientos térmicos aplicables en los aceros 316 y 316L


28

4.2.1.7 Características químicas10

Las normas especifican que el contenido de titanio en el AISI 316 debe ser:

MÍNIMO: Diez veces el contenido real de carbono sumado al contenido real

de nitrógeno de dicha colada (este último a veces no viene en los

certificados, por lo cual no se tiene en cuenta) se expresa así: 10(%C+N)

MÁXIMO: 0,7 % es pequeña si se compara con la de croo 18% - 20% o la

de níquel 8 – 11%. Pero es grande si se compara con la de carbono: 0,04 –

0,08%

4.2.1.8 Procedimientos de limpieza11

Decapado Es un procedimiento químico para eliminar la cascarilla y las oxidaciones

producidas en caliente (Soldadura, tratamientos térmicos, etc.).Es un proceso para

limpiar el acero inoxidable. El acero inoxidable es de un color croo-níquel,

metálico-brillante, cuyo magnifico aspecto se pierde en las zonas soldadas y

cuando se realiza un tratamiento térmico en atmosfera normal. Para poder

recuperar su aspecto es necesario eliminar todos los óxidos oscuros que se han

producido en su superficie y para esto se inventó el decapado También se puede

eliminar estos óxidos mediante un cepillado o roseado (decapado mecánico). Pero

en piezas grandes o con partes internas inaccesibles; el mejor sistema es el

decapado químico.

Pasivado Es un procedimiento de limpieza que restaura la resistencia a la corrosión de los

aceros inoxidables el objetivo principal es restaurar y proteger. Aunque el acero

inoxidable se auto pasiva es decir que forma espontáneamente sus óxidos de

cromo protectores mediante el pasivado se acelera la formación de esta película

protectora y se asegura, mediante inmersión además los baños de pasivado

10 Apartado basado en la referencia [40] 11 Apartado basado en la referencia [40]

29

también son capaces de disolver pequeñas manchas de óxido de hierro y por eso

hay quienes lo utilizan como procedimiento de limpieza.

4.2.2 Corrosión. 12

4.2.2.1 Definición general.

La corrosión es una falla en un elemento resultado de un proceso químico o electroquímico en el cual el material reacciona con elementos de su entorno, reacción que altera sus propiedades como reducción en su dureza, reducción en su resistencia mecánica, entre otras.

4.2.2.2 Tipos de corrosión según los mecanismos de ataque.

Corrosión generalizada

Este mecanismo de ataque se refiere a la corrosión dominada por el

adelgazamiento uniforme del material o pieza, que sucede sin un ataque

localizado apreciable. Se pueden presentar diversos tipos diferentes de corrosión

generalizada:

Corrosión atmosférica

La corrosión atmosférica se define como la corrosión o degradación del material

expuesto al aire y sus contaminantes en lugar de sumergirse en un líquido. Esta

forma de corrosión, ha sido identificada como una de las formas más antiguas de

la corrosión. Muchos autores clasifican a su vez este tipo de corrosión como

mojada, húmeda y seca que destacan los diferentes mecanismos de ataque de

bajo el aumento de la humedad en el ambiente.

12 Este apartado se ha realizado a partir de las referencias [4], [5], [23], [22], [10]

30

Figura 1. Regiones corroídas de un puente pintado

Fuente: R. H. Heidersbach, Universidad Politécnica de California

Corrosión galvánica

La corrosión galvánica se produce cuando un metal o aleación está eléctricamente

acoplado a otro metal en un mismo electrolito. Los tres componentes esenciales

son:

• Los materiales con diferente potencial de superficie

• Un electrolito común

• Una trayectoria eléctrica común

Figura 2. La corrosión galvánica de tubería de acero al accesorio de latón en la atmósfera marina húmeda.

Fuente: R. Baboian, Texas Instruments, Inc.

31

Durante acoplamiento galvánico, la corrosión de los metales menos resistentes a

la corrosión su superficie se vuelve anódico, mientras que la corrosión de los más

resistentes a la corrosión se convierten en una superficie catódica. La extensión

de la corrosión acelerada que resulta de acoplamiento galvánico se ve afectada

por los siguientes factores:

• La diferencia de potencial entre los metales o aleaciones

• La naturaleza del entorno

• El comportamiento de polarización de los metales o aleaciones

• La relación geométrica de los metales o aleaciones de componentes

Las diferencias de potencial entre metales diferentes o aleaciones provocan el

flujo de electrones entre ellos cuando están acoplados eléctricamente en una

solución conductora. La dirección del flujo, y por lo tanto el comportamiento

galvánica, depende de que el metal o la aleación. Por lo tanto, el metal más activo

o aleación se vuelve anódico, y el metal más noble o aleación se vuelve catódica

en la pareja. La fuerza motriz de la corrosión galvánica es la diferencia de

potencial entre los metales o aleaciones de los componentes.

Figura 3. La corrosión galvánica del aluminio en el empalme de cables de alimentación enterrada (cobre y aluminio)

Fuente: R. Baboian, Texas Instruments, Inc.

32

Corrosión por fuga de corriente

La corrosión por fugas de corriente, o electrólisis por perdida de corriente, es

diferente de la corrosión natural, ya que es causada por una corriente eléctrica

inducida desde el exterior y es básicamente independiente de los factores

ambientales tales como la concentración de oxígeno o el pH.

Las fugas de corriente se definen como aquellas corrientes que siguen caminos

distintos al circuito previsto. Dejan su trayectoria prevista, debido a malas

conexiones eléctricas dentro del circuito o mal aislamiento alrededor del material

conductor. La corriente escapada pasará a través del suelo, agua, o cualquier otro

electrolito adecuado para encontrar un camino de baja resistencia, tal como un

tubo de metal enterrado o alguna otra estructura de metal, y fluirá hacia y desde

esa estructura, causando corrosión acelerada.

Figura 4. Flujo de corriente en el electrolito que no se origina desde el sistema CP diseñada para proteger el oleoducto.


Corrosión biológica generalizada

Una cantidad considerable de metales, tales como acero estructural, aleaciones de cobre, aleaciones de magnesio, y zinc, tienden a corroerse en general sobre toda la superficie expuesta en ambientes acuosos. Esto es particularmente cierto en ausencia de efectos galvánicos y hendiduras. Las tasas de corrosión de estos

33

metales en ambientes acuosos aireados tienden a ser determinado por la velocidad a la que el oxígeno disuelto puede ser entregado a la superficie metálica. Por lo tanto, la velocidad de corrosión se verá afectada por cualquier cosa que cambie la velocidad de transporte de oxígeno. Los organismos biológicos presentes en el medio ambiente tienen el potencial para aumentar o disminuir el transporte de oxígeno a la superficie; en consecuencia, pueden aumentar o disminuir las tasas de corrosión. Por ejemplo en la figura 5, se identifica unos barnaclas fijados a la periferia de un timón de acero de alta resistencia, que originalmente se había recubierto con una pintura anti incrustante. Durante el uso, la pintura alrededor de los bordes había sido eliminada por acción mecánica, lo que permite la fijación de percebes. La cobertura parcial de tales macro organismos puede conducir a la corrosión localizada. La cobertura completa a veces puede proporcionar una película de barrera y limitar la corrosión.

Figura 5. Barnaclas fijado a la periferia de un timón de acero de alta resistencia con presencia de percebes fijados a la superficie

Fuente: B. Little, Naval investigación oceanográfica y la Actividad de Desarrollo del

Departamento de la Armada Estadounidense

Corrosión por sal fundida o fusionados

La corrosión de los envases de metal por sales fundidas, o fusionados, se ha

observado durante un período prolongado de tiempo, pero en las últimas décadas,

más esfuerzo se ha dirigido hacia la comprensión de los fenómenos de corrosión a

temperaturas más altas.

34

Figura 6. Efecto de la corrosión de sal fundida en base de níquel y aleaciones de acero inoxidable.

Fuente: J.W. Koger, Martin Marietta Energy Systems

Corrosión por altas temperaturas

Cuando el metal está expuesto a un gas oxidante a temperatura elevada, la

corrosión puede producirse por reacción directa con el gas, sin la necesidad de la

presencia de un electrolito líquido. Este tipo de corrosión se conoce como pérdida

de brillo, la oxidación de alta temperatura, o de escala. La tasa de ataque aumenta

considerablemente con la temperatura. La película superficial típicamente se

espesa como consecuencia de la reacción a escala / gas o de la interfaz de metal /

escala debido al catión o al transporte de aniones a través de la escala, que se

comporta como un electrolito sólido. Para escalas continuas y no porosas,

transporte iónico a través de la escala se realiza por el proceso ratecontrolling.

Figura 7. Escamas protectoras de protección y no conformados en la aleación 800. (a) Cr2O3-base de cascarilla de óxido protectora formada en el gas oxidante libre de azufre. (B) la escala-óxido de sulfuro de formarse en condiciones reductoras que contienen sulfuro de hidrógeno.

Fuente: I.G. Wright, División de Columbus Battelle

35

Oxidación por altas temperaturas

Las aleaciones destinadas a aplicaciones de alta temperatura están diseñados

para tener la capacidad de formar escamas de óxido protectora. Como alternativa,

cuando la aleación tiene las capacidades de fuerza de ultra alta temperatura, debe

ser protegida por un revestimiento especial.

Los requisitos de aleación para la producción de escamas de óxido específicos se

han traducido en niveles mínimos de los elementos scaleforming, o combinaciones

de elementos, dependiendo de la composición de la aleación de base y la

temperatura de servicio previsto. La Figura 8 representa esquemáticamente la

velocidad de oxidación de las aleaciones de hierro-cromo (1.000 ° C, o 1832 ° F,

en 0,13 de oxígeno atm) y representa los tipos de cascarilla de óxido asociados

con diversos tipos de aleación.

Figura 8. Topografía (a) y la sección transversal (b) de cascarilla de óxido formada en la aleación Fe-18Cr a 1100 ° C (2012 ° F). Las áreas brillantes en la superficie de la aleación (a) son aquéllas en las que la escala ha astilladas. La escala de hebilla y zonas engrosadas localmente (b) son el óxido rico en hierro. La capa fina escala adyacente a la aleación es Cr2O3, que controla la velocidad de oxidación.


Sulfuración

Cuando la actividad de azufre del medio gaseoso es suficientemente alta, fases de

sulfuro se pueden formar. En la mayoría de los entornos encontrados en la

práctica por las aleaciones resistentes a la oxidación, Al2O3 o Cr2O3 deben

36

formar con preferencia a cualquier sulfuros, y el ataque sulfuración destructiva se

produce principalmente en los sitios donde el óxido protectora ha roto. El papel de

azufre, una vez que ha entrado en la aleación, parece ser la de atar al cromo y

aluminio en forma de sulfuros, redistribuyendo efectivamente los elementos de

protección formadores de incrustaciones cerca de la superficie de la aleación y por

lo tanto interferir con el proceso de formación o re-formación de la escala de

protección.

Figura 9. Ejemplo de ataque sulfuración de alta temperatura en un tubo de 310 intercambiador de calor de tipo después de 100 horas a 705 ° C (1300 ° F) en el gas de carbón productor gasificador.


Carburación

Como en el caso de la penetración de sulfuro, la carburación de aleaciones de alta

temperatura es termodinámicamente improbable excepto a presiones parciales de

oxígeno muy bajos, ya que los óxidos protectores de cromo y de aluminio son

generalmente más propensos a formar de los carburos. Sin embargo, la

37

carburación puede ocurrir cinéticamente en muchos entornos que contienen

carbono. La protección se deriva de la capa más interna, que es generalmente

más rico en cromo o aluminio. La concentración de especies gaseosas tales como

monóxido de carbono en las capas de óxido porosas exteriores parece ser uno de

los medios por el cual las actividades suficientemente altas de carbono se pueden

generar en la superficie de la aleación para la carburación que se produzca en

entornos de otro modo oxidantes. La creación de microambientes también es

posible en virtud de los depósitos que crean condiciones de estancamiento no

permeables al gas ambiente.

Figura 10. . Ejemplo de ataque de la carburación de alta temperatura por picadura de tipo 310. Las paredes del reactor después de 4000 h de exposición a gas de carbón producto de la gasificación. Se formaron los pozos durante el funcionamiento en condiciones de alta actividad de carbono en el gas. (A) Visión global de las picaduras. (B) Sección a través de un pozo.


Corrosión localizada13

Estas formas de corrosión se caracterizan en que el daño producido a la corrosión

se localiza en lugar de difundir de manera uniforme sobre la superficie metálica

expuesta. Esto hace que estas formas de ataque más difícil de tratar que los que

producen un ataque generalizado. En lugar de hacer frente a una pérdida lenta,

relativamente uniforme de espesor de metal presentándose altas tasas de

penetración de metal en sitios específicos, mientras que el resto del metal (o

recubrimiento) va en gran parte no afectado. El ataque también puede ser más

difícil de detectar debido a que gran parte del daño puede haber debajo de la

superficie, con sólo una pequeña abertura visible al ojo en la superficie del metal.

Por otra parte, estas formas de ataque son económicamente importantes y

13 Este apartado esta basado en las referencias [21] y [23]

38

peligrosos, ya que pueden conducir a un fallo prematuro de una estructura por la

rápida penetración con poca pérdida de peso en general.

Corrosión filiforme

La corrosión filiforme se produce sobre superficies metálicas recubiertas de una

capa orgánica delgada que es típicamente de 0,1 mm (4 milésimas de pulgada) de

espesor. El patrón de ataque se caracteriza por la aparición de filamentos finos

que emanan de una o más fuentes en direcciones semialeatorias. La fuente de

iniciación es generalmente un defecto o fallas mecánica en el recubrimiento. Los

filamentos finos son túneles formados por productos de corrosión debajo del

recubrimiento abombada y agrietada.

Figura 11. Un acero lacado que presenta corrosión filiforme que muestra filamentos grandes y pequeños parcialmente orientados en la dirección de laminación de la chapa de acero.


El mecanismo de ataque de la corrosión filiforme en aluminio y magnesio, como en

el hierro y el acero, también es una célula de corrosión impulsado por aireación

diferencial. Las células filiformes se componen de una cabeza y una cola activa

que recibe oxígeno y vapor de agua condensada a través de grietas y se divide en

el revestimiento aplicado. En el aluminio, la cabeza está llena de folículos que

fluyen de gel de alúmina que se mueven hacia la cola. Las burbujas de gas

39

pueden estar presentes si la cabeza es muy ácida. En magnesio, la cabeza

aparece negruzca debido al ataque químico del magnesio, pero el fluido corrosivo

es evidente cuando la cabeza está rota. Las colas filamentosas del aluminio y

magnesio son de aspecto blanquecino. Los productos de corrosión son hidróxidos

y óxidos de aluminio y magnesio. Los productos de corrosión finales son

parcialmente hidratado y completamente expandido en la cola poroso. La cabeza y

secciones centrales de la cola son ubicaciones de los diversos iones reactantes

iniciales y los productos intermedios de la corrosión de aluminio en medios

acuosos correspondientes.

Figura 12. Sección transversal del laminado de papel de aluminio en el cartón que muestra la expansión de la capa de PVC por los productos de corrosión de la corrosión filiforme. Los espacios vacíos entre las fibras de cartón que pueden atrapar agua. SEM. 650 ×


Corrosión por hendiduras

La presencia de aberturas estrechas o espacios entre metal-metal o no metal-

componentes de metal puede dar lugar a la corrosión localizada en estos sitios.

Del mismo modo, las grietas no intencionales, tales como grietas, costuras y otros

defectos metalúrgicos podrían servir como sitios para la iniciación a la corrosión.

Resistencia a la corrosión de la grieta puede variar de un sistema de aleación-

entorno a otro. Las aleaciones pasivas, en particular los del grupo de acero

inoxidable, son más propensos a la corrosión por hendiduras grieta que los

materiales que exhiben un comportamiento más activo. La Figura 13, por ejemplo,

40

muestra corrosión de la grieta de un cierre de acero inoxidable tipo 304 retirado de

un embarcadero agua de mar después de 8 años. Aunque la arandela muestra

deterioro grave, la función del elemento de fijación no disminuyó.

Figura 13. La corrosión por grietas en un sitio de la grieta de metal a metal formada entre los componentes de tipo 304 de sujeción de acero inoxidable en el agua de mar


Corrosión por picadura

La corrosión por picaduras representa una limitación importante para el uso

seguro y fiable de muchas aleaciones en diversas industrias. Las picaduras es un

tipo muy grave de daño por corrosión debido a la rapidez con la que pueden ser

perforadas secciones metálicas. La aparición imprevista de las picaduras y su

velocidad de propagación impredecible hacen que sea difícil tomar en

consideración en el diseño de prácticas de ingeniería.

El deterioro por picaduras es uno de los tipos más peligrosos y más comunes de la

corrosión localizada encontrados en ambientes acuosos14. En las industrias de

elaboración de productos químicos, la corrosión localizada es una de las

principales causas de fallas en el servicio repetidos y se calcula que representa al

menos el 90% del daño por la corrosión del metal 15

La corrosión por picaduras se define como un ataque corrosivo muy localizada. En

pocas palabras, picaduras es el tipo de corrosión localizada que produce pozos,

es decir, sitios de ataque corrosivo que son relativamente pequeñas en

comparación con la superficie expuesta en general. Si el ataque apreciable se

14 Referencias [19] y [20] 15 Referencia [23]

41

limita a una relativamente pequeña área fija de la actuación de metal como ánodo,

los hoyos resultantes se describen como profundo (Fig 14ª). Si el área de ataque

es relativamente grande y no tan profundo, los pozos se llaman superficial (Fig.

14b).

Figura 14. Ejemplos de pozos profundos (a) y pozos poco profundos (b)


Se afirma que los hoyos empiezan por la ruptura de la pasividad en núcleos

favorecidos en la superficie de metal16 . El desglose es seguido por la formación

de una celda electrolítica. El ánodo de esta célula es un área diminuto de metal

activo, y el cátodo es un área considerable de metal pasivo. El metal pasivo

resistente a la corrosión rodea el ánodo y tiene la propiedad de activar los

productos de corrosión dentro de la hendidura para la tendencia de la corrosión

para penetrar en el metal en lugar de propagación a lo largo de la superficie.

Una vez que se inician los hoyos, se pueden seguir creciendo por un proceso

auto-sostenible, o por un proceso auto catalítico; es decir, los procesos de

corrosión dentro de un pozo de condiciones de producir que resulta estimulante y

16 Referencia [23]

42

necesario para la actividad continua de la fosa17. Este proceso se ilustra

esquemáticamente en la Fig. 15. El crecimiento de la picadura es controlado por

velocidad de despolarización en las zonas catódicas.

Figura 15. Proceso auto catalítico que ocurre en una picadura de corrosión. El metal, M, se enfrentó con una solución de NaCl aireado. La disolución rápida se produce dentro de la fosa, mientras que la reducción de oxígeno tiene lugar en las superficies adyacentes.


Tuberculación

La formación de tubérculos por los organismos biológicos que actúan en conjunto

con la corrosión electroquímica se produce en muchos entornos y en muchas

aleaciones. Un ejemplo de tuberculación en un tubo economizador de acero en

servicio de ácido sulfúrico se muestra en la Fig. 18. Este ejemplo muestra que es

posible que los tubérculos para formar sin la presencia de cualquier

microorganismo; el fenómeno por lo general se lleva a cabo en sistemas acuosos

biológicamente activos.

17 Referencia [23]

43

Figura 16. Tubo de curva cerrada de acero utilizado en el economizador de una caldera de recuperación de ácido sulfúrico. El tuberculación exposiciones tubo asociada con el ataque de oxígeno. La fotografía inferior muestra los tubérculos en mayor detalle.


Corrosión metalúrgicamente influenciada

Las influencias metalúrgicas son consideradas como la estabilidad relativa de los

componentes de una aleación, fases metálicas, fases de metaloides tales como

carburos, y las variaciones locales en la composición en una sola fase. Un ejemplo

se da de las formas en que las inclusiones no metálicas, tales como óxidos y

sulfuros, pueden influir en la corrosión.

Mecanismos de corrosión intergranular

La corrosión intergranular se produce cuando la velocidad de corrosión de las

áreas de límite de grano de una aleación supera a la de los interiores de grano.

Esta diferencia en la velocidad de corrosión es generalmente el resultado de

diferencias en la composición entre el límite de grano y el interior.

44

Las diferencias en la velocidad de corrosión pueden ser causadas por una serie de

reacciones. Una fase puede precipitar en un límite de grano y agotar la matriz de

un elemento que afecta a su resistencia a la corrosión. Una fase de límite de grano

puede ser más reactivo que la matriz. Varios átomos de soluto pueden segregar a

los límites de grano y acelerar localmente la corrosión

A temperaturas superiores a aproximadamente 1035 ° C (1900 ° F), los carburos

de cromo se disuelven completamente en aceros inoxidables austeníticos. Sin

embargo, cuando estos aceros son enfriados lentamente a partir de estas altas

temperaturas o recalentados en el intervalo de 425 a 815 ° C (800 a 1500 ° F), los

carburos de cromo se precipitan en los límites del grano. Estos carburos contienen

más cromo que la matriz.

La precipitación de los carburos agota la matriz de cromo adyacente al límite del

grano. La velocidad de difusión del cromo en la austenita es lenta a las

temperaturas de precipitación; Por lo tanto, la zona agotada persiste, y la aleación

es sensibilizada a la corrosión intergranular. Esta sensibilización se produce

porque las zonas agotadas tienen mayores tasas de corrosión que la matriz en

muchos entornos. La Figura 4 ilustra cómo el contenido de cromo influye en la

velocidad de corrosión de las aleaciones de hierro cromo en sulfato ferroso (Fe2

(SO4) 3) en ebullición al 50% H2SO4). En todos los casos, las aleaciones están

en el estado pasivo. Las grandes diferencias en la tasa de corrosión son el

resultado de las diferencias en el contenido de cromo.18

Figura 17. Agrietamiento por corrosión intergranular


18 Referencia [5] y [42]

45

Corrosión por lixiviación selectiva

La lixiviación selectiva o Dealloying corrosión es un proceso de corrosión en el que

se elimina preferentemente un constituyente de una aleación, dejando detrás una

estructura residual alterada19.

Figura 18. Pérdida de zinc en un cobre amarillo (70Cu-30Zn) expuestos durante 79 días en 1 N de NaCl a temperatura ambiente. Se presenta una estructura porosa dentro del tapón. La línea oscura que rodea el tapón es un artefacto de grabado. 160 ×.


La degradación mecánica asistida

Con asistencia mecánica degradación de los metales se define como cualquier

tipo de degradación que implica tanto un mecanismo de corrosión y un mecanismo

de desgaste o fatiga.

Erosión

La erosión puede definirse como la eliminación de material de la superficie por la

acción de numerosos impactos individuales de partículas sólidas o líquidas. El

desgaste por erosión no se debe confundir con el desgaste abrasivo o por

rozamiento, debido a que los mecanismos de remoción de material, y por lo tanto

los criterios de selección de los materiales, son diferentes. En su forma más leve,

el desgaste erosivo se manifiesta a menudo como un pulido brillante en las

19 Referencia [26]

46

superficies expuestas a los componentes que penetran en la corriente de flujo, o

de codos u otras estructuras de la corriente de deflexión. Esto se ilustra en la fig.

21, que muestra los tubos de transferencia de calor de acero al carbono en una

cámara de combustión de lecho fluidizado. Los tubos han sido pulidos por la

acción de partículas de arena que impactan a una velocidad de aproximadamente

1,8 m / s (6 pies / s). El aspecto negro de estos tubos es debido a la costra de

óxido, que se ha pulido por la acción erosiva pero no completamente eliminado.

Figura 19. Pulido de tubos de transferencia de calor de la erosión por arena en una cámara de combustión de lecho fluidizado


Corrosión por fricción

La corrosión por fricción es un proceso de desgaste y la corrosión combinado en el

que se elimina el material de las superficies de contacto cuando el movimiento

entre las superficies se limita a muy pequeña oscilación de amplitud (tan bajo

como 3 o 4 nm). Por lo general, la condición existe en componentes de la máquina

que se consideran fijos y no se espera que el desgaste.

La oxidación es el elemento más común en el proceso de desgaste por

rozamiento. En los sistemas oxidantes, partículas metálicas finas eliminadas por

desgaste adhesivo se oxidan y quedan atrapados entre las superficies. Los óxidos

actúan como un abrasivo y aumentan la velocidad de eliminación de material.

47

Figura 20. Rozamiento de cobalto-cobre chapado en oro dividido en pisos en contacto con el oro sólido en un contacto eléctrico. (A) Después de 1000 ciclos. (B) Después de 104 ciclos. (C) Después de 105 ciclos. (D) Después de 106 ciclos.


Erosión por cavitación

La erosión por cavitación se produce sobre superficies metálicas en contacto con

un líquido. Las diferencias de presión en el fluido generan burbujas de gas o de

vapor en el fluido. Cuando estas burbujas se encuentran con una zona de alta

presión, se colapsan y causan choques explosivos a la superficie. Estas

perturbaciones superficiales causan deformación localizada y picaduras. Las

hendiduras de cavitación finalmente se vinculan y causan una rugosidad general

de la superficie y el material de extracción.

La cavitación es similar a la erosión por partículas en su daño. Sin embargo,

características de la superficie formadas por cavitación son diferentes de las

formadas por la erosión de las partículas. La cavitación produce microcráteres

redondeadas en la superficie, mientras que la erosión de partículas produce

huellas de las partículas que impactan. La formación de cráteres mueve material

de la superficie a los bordes de los cráteres, y estas extrusiones finalmente se

rompen, causando la pérdida de material de la superficie20.

20Referencia [28]

48

Figura 21. Daños por cavitación a un impulsor de la bomba elenco ÁCIDO CN-7M utilizada para bombear la solución de nitrato de amonio a 140 ° C (280 ° F).

Fuente: A. R. Wilfley and Sons, Inc., División de bombas

La fatiga por corrosión

La fatiga por corrosión se produce en los metales, como resultado de la acción

combinada de una tensión cíclica y un ambiente corrosivo. La fatiga por corrosión

depende de las interacciones entre la carga, ambientales y factores metalúrgicos.

Para un material dado, la resistencia a la fatiga (o resistencia a la fatiga en un

valor de tensión máximo dado) disminuye generalmente en presencia de un

ambiente agresivo. El efecto varía ampliamente, dependiendo principalmente de la

combinación de metal-entorno particular. El medio ambiente puede afectar a la

probabilidad de iniciación de grietas por fatiga, la tasa de crecimiento de grietas

por fatiga, o ambos.

Figura 22. La fatiga por corrosión de una aleación de Ti-6Al-4V probado en el aire

ambiente. Intergranular bajo y fatiga estrías son evidentes en la superficie de la

fractura; el grano parece haber separado del resto de la microestructura.


49

5. DISEÑO METODOLOGICO

5.1 MICROSCOPIO ELECTRONICO DE BARRIDO (MEB)

La Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) se utiliza para la observación

tridimensional de imágenes de alta resolución, análisis de superficie a altas

magnificaciones de materiales orgánicos e inorgánicos suministrando una amplia

información de relieve, textura, tamaño y forma de grano, y composición química

(EDS); es una herramienta para caracterización microestructural de materiales

metalúrgicos, materiales cerámicos, materiales compuestos, semiconductores,

polímeros y minerales, y en ciencias biomédicas y análisis forenses. Tiene

múltiples aplicaciones en campos como:

Ciencia de materiales

Ciencias biomédicas

Biología

Odontología

Electrónica

Química

Farmacia

Restauración de obras de arte

Biotecnología

Textiles

Ciencias forenses

Peritación grafológica

Ciencias agropecuarias

Geología

Industria

Para hallar la composición química del material de estudio, se va hacer uso del

Microscopio Electrónico de Barrido SEM, ubicado en el laboratorio del

Departamento de Física de la Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá.

Esto se realiza con el objetivo de determinar los porcentajes reales de peso de

cada uno de los elementos que componen el material de estudio, y así, tener la

posibilidad de realizar un estudio más detallado y completo de los tipos de

corrosión en el material.

El instrumento con el cuál cuenta la universidad es un Microscopio Tescan Vega 3

SB, el cual opera con un filamento de tungsteno a voltajes de aceleración de los

50

electrones desde 200V hasta 30kV y vacios de 0,009 Pa a 2000 Pa. El

microscopio posee actualmente tres detectores: electrones secundarios (SE),

electrones retrodispersados (BSE) para observación de imágenes y de

espectroscopía de rayos X por energía dispersiva (EDX) para análisis elemental,

el cual logra una resolución en la imagen de 3 nm21.

Figura 23. Microscopio Electrónico de Barrido SEM

Fuente: Propia. 22

5.2 PREPARACIÓN DE PROBETA METALOGRAFICA23

El proceso de preparación de la probeta del material de estudio para la tomar imágenes metalográficas, consiste en:

Cortado: La pieza debe ser cortada de forma transversal, para poder observar los diferentes cambios microestructurales sufridos por toda la pieza debido a la corrosión. Este corte tiene que ser más recto para facilitar el lijado y pulido. Sus

21 Referencia [29] 22 Registro fotográfico tomado del Laboratorio de Microscopio Electrónico de Barrido de la Dependencia de Física de la Universidad Nacional de Colombia- Sede Bogotá 23 Este apartado fue realizado haciendo uso de las referencias [33], [30], [34]

51

dimensiones son de máximo una pulgada de diámetro por un centímetro de ancho. Para realizar el corte se hizo uso de la cortadora metalográfica presente en el Laboratorio de Preparación de probetas metalográficas de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

Figura 24. Cortadora metalográfica

Fuente: Propia. 24 Figura 25. Piezas cortadas del material de estudio después de cortarlas en la cortadora metalográfica.

Fuente: Propia.

24 Registro fotográfico tomado en el Laboratorio de Preparación de probetas metalográficas de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

52

Encapsulamiento: El montaje puede ser realizado con resinas termoendurecibles (montaje en caliente), resinas endurecibles en frío (montaje en frío) o en montajes mecánicos. Para en encapsulamiento de las probetas a estudiar, se hizo uso de una resina Epoxica (Figura 26). Estos son materiales de alta dureza y muy buena resistencia mecánica y a la corrosión. Se realiza con el objetivo de facilitar el manejo de la muestra y además que al pulir no se pierdan las fronteras de la pieza, ya que son las secciones a estudiar. Para realizar el proceso de encapsulamiento, se hace uso de la Encapsuladora Metalográfica presente en el Laboratorio de Preparación de probetas metalográficas de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

Figura 26. Resina Epoxica utilizada en el procedimiento de preparación de la probeta de estudio

Fuente: Propia Figura 27. Encapsuladora metalográfica

Fuente: Propia. 25

25 Registro fotográfico tomado en el Laboratorio de Preparación de probetas metalográficas de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

53

Figura 28. Probeta de estudio encapsulada.

Fuente: Propia

Lijado: Consiste en el lijado de la superficie cortada con diferentes tipos de lija

y variando la dirección para asegurar un lijado uniforme. Este proceso se

realiza lijando la pieza en una sola dirección hasta desbastar, luego se alterna

la dirección girándola 90 grados para eliminar los rayones dejados

anteriormente. Al tener la pieza lijada uniformemente, se cambia la lija, esta se

debe variar del calibre más grueso al más fino para eliminar progresivamente

los rayones e imperfecciones, el rango de calibre de papel lija usado debe ser

el mayor posible con el menor intervalo para asegurar un perfecto pulido de la

pieza. Para el caso de la aleación de aluminio y _ debe tenerse en cuenta que

es un material blando y no se debe ejercer tanta fuerza a la probeta para que

los rayones sean poco profundos.

Pulido: El pulido de la pieza debe realizarse frotando un abrasivo muy fino, como la alúmina y pasta de diamante sobre paños especiales que varían de aspereza según el material y abrasivo. La pieza también debe lubricarse para garantizar un mejor acabado. Todo esto con el fin de mejorar la calidad de la toma microscópica. Para la preparación de la probeta de estudio, se hizo uso de la pulidora metalográfica del Laboratorio de Preparación de probetas metalográficas de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Se realizó pulido con diversos tipos de paño como de billar, Fliz ovejero, y paños especiales. También se empleó abrasivos como alúmina, suspensiones monocristalinas de diamante de 6 micras y pasta diamantada 3 micras.

54

Figura 29. Pulidora metalográfica

Fuente: Propia. 26

Ataque: El ataque a la probeta se basa en la aplicación de un ácido a la superficie

de la pieza para rebelar y observar con mucha más claridad las estructuras

microscópicas del metal. El ataque debe ser acorde al material y a los

componentes elementales que contiene.

26 Registro fotográfico tomado en el Laboratorio de Preparación de probetas metalográficas de la

Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

55

6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

6.1 IDENTIFICACIÓN DEL MATERIAL DE ESTUDIO

Inicialmente, se necesitó identificar los porcentajes de peso reales de los

elementos presentes en el material. Al realizar una hipótesis a priori de realizar el

estudio en el Microscopio Electrónico de Barrido (SEM), se propuso que las piezas

de estudio eran de posiblemente fundiciones de Acero austenítico inoxidable 316

teniendo en cuenta las características y propiedades físicas y geométricas del

material. Está hipótesis se realizó basándose estrictamente en el catálogo

comercial del Intercambiador Flovex ofrecido en el mercado.

Dichas piezas consisten en las dos (2) corazas o tapas de un intercambiador de

calor presente en la empresa Gilpa impresores S.A de Bogotá, que tiene un

tiempo de uso aproximado de 20 años y las cuales presentaban claros signos de

deterioro en donde aproximadamente más del 50% del total de la constitución

original de las tapas desapareció por la corrosión.27 Debido a que la mayor parte

del material restante presentaba señales claras de corrosión y daño del material,

fue necesario realizar un mantenimiento correctivo al intercambiador y reemplazar

completamente estas piezas.

Figura 30. Intercambiador de calor Flovex serie ST 80

Fuente: Catálogo Flovex S.p.A

Debido a normatividad interna de la empresa Gilpa impresores S.A, no fue posible obtener registro fotográfico de las condiciones en el que se encontraba el intercambiador Flovex ST, pero por medio de mediciones al intercambiador, inspección visual y haciendo uso del catálogo del producto, se verificaron las

27 Observación basada en inspección visual de las tapas del Intercambiador de Calor

56

dimensiones (Figura 31) y se llegó a la conclusión que se trataba de un intercambiador ST 8035 tipo A con restricción de flujo de agua a medio / bajo (Figura 30). El medio acuoso al que estaba expuesto el intercambiador de calor en su interior era agua común, es decir, directamente del agua de la tubería que suministra la empresa proveedora de servicio de agua de Bogotá. Figura 31. Dimensiones Intercambiador de calor serie ST80

Fuente: Catálogo Flovex S.p.A Partiendo de esto, y haciendo énfasis en la geometría de las piezas, el acabado superficial y la morfología de las mismas, se llegó a la conclusión de que las piezas se produjeron por el proceso de fundición. También por medio del Microscopio Electrónico de Barrido, se obtuvo la morfología del material (Figura 32). Figura 32. Morfología del material de las tapas o corazas de estudio

Fuente: Propia.28

28 Datos obtenidos por medio del SEM de la Universidad Nacional de Colombia- Sede Bogotá

57

En la Figura 32 se aprecian algunas características a nivel superficial del material,

en las cuales se puede observar que no existe una uniformidad. Además el orden

de los granos es aleatorio, es decir se ven porosidades en el material que da la

sensación de inconsistencia y se visualiza una no compactación de los granos.

Estas características argumentan la hipótesis de que efectivamente el material de

estudio es una Fundición.

Continuando con el proceso de identificación del material, se hace uso del

Microscopio Electrónico de Barrido (SEM) para hallar la composición y análisis

elemental del material, haciendo uso de los detectores de espectroscopía de rayos

X por energía dispersiva (EDX) del microscopio.

El proceso de análisis elemental fue llevado a cabo en 3 piezas de material

diferentes. Dos de ellas, presentes en la probeta metalográfica de estudio

(encapsulada en la resina epóxica) y otra pieza sin encapsular (ver figura 33). Esto

se realizó con el fin de evitar desviaciones en los datos y tener un punto de

comparación en cuanto al análisis elemental de la probeta inmersa en resina y la

que no lo estaba. Adicionalmente, por cada pieza se realizaron 2 pruebas,

mostradas a continuación:

Figura 33. Probeta 1, 2, y 3 estudiadas en el SEM.

Fuente: Propia

58

Resultados análisis elemental PROBETA 1

Figura 34. Morfología probeta 1.

Fuente: Propia29

Gráfica 1. Resultados de análisis elemental de la Probeta 1 (a) Prueba 1 y (b) Prueba 2

Fuente: Propia.30

29 Datos obtenidos por medio del SEM de la Universidad Nacional de Colombia- Sede Bogotá 30 Datos obtenidos por medio del SEM de la Universidad Nacional de Colombia- Sede Bogotá. Para más información consultar anexos A y B.

59

Tabla 9. Resultados del análisis elemental de las pruebas 1 y 2 realizado a la Probeta 131

PROBETA 1

Prueba 1 Prueba 2

Elemento Uun. [wt. %] % aprox Uun. [wt. %] % aprox

Al 92,92 79,21 189,12 67,27

Si 15,75 13,42 25,50 9,07

O 5,52 4,71 12,50 4,45

Cu 1,56 1,33 2,30 0,82

Zn 0,80 0,68 - -

Fe 0.77 0,65 - -

Rh - - 51,73 18,40

TOTAL 117,34 100 281,15 100

Fuente: Propia32


Figura 35. Morfología Probeta 2

Fuente: Propia 33

31 Los datos en unidades arbitrarias han sido extraídos directamente de la altura de los picos (cps / eV) en los espectros EDX. Los porcentajes aproximados han sido calculados a partir de los datos anteriores. Cabe destacar, que la altura de los picos EDX sólo representa una aproximación a las cantidades reales. 32 Datos obtenidos por medio del SEM de la Universidad Nacional de Colombia- Sede Bogotá. Para más información consultar anexos A y B. 33 Datos obtenidos por medio del SEM de la Universidad Nacional de Colombia- Sede Bogotá

60


Fuente: Propia34


PROBETA 2

Prueba 1 Prueba 2


Al 90,01 82,73 94.33 80,03

Si 15,49 14.24 13,71 13,71

Cu 1,58 1,45 1,69 1,43

Fe 0,92 0,84 0,74 0,63

Zn 0,81 0,74 0,80 0,68

O - - 4,15 3,52

TOTAL 108,81 100 117,86 100

Fuente: Propia36

34 Datos obtenidos por medio del SEM de la Universidad Nacional de Colombia- Sede Bogotá. Para más información consultar anexos C y D. 35 Los datos en unidades arbitrarias han sido extraídos directamente de la altura de los picos (cps / eV) en los espectros EDX. Los porcentajes aproximados han sido calculados a partir de los datos anteriores. Cabe destacar, que la altura de los picos EDX sólo representa una aproximación a las cantidades reales 36 Datos obtenidos por medio del SEM de la Universidad Nacional de Colombia- Sede Bogotá. Para más información consultar anexos C y D.

61


Figura 36. Morfología Probeta 3

Fuente: Propia37


Fuente: Propia38

37 Datos obtenidos por medio del SEM de la Universidad Nacional de Colombia- Sede Bogotá 38 Datos obtenidos por medio del SEM de la Universidad Nacional de Colombia- Sede Bogotá. Para más información consultar anexos E y F.

62


PROBETA 3

Prueba 1 Prueba 2


Al 87,06 73,72 57,43 63,98

O 14,05 11,90 13,77 15,34

Si 12,96 10,98 15,19 16,92

Cu 1,76 1,49 1,21 1,35

Fe 1,28 1,08 1,24 1,38

Zn 0,99 0,84 0,92 0,39

TOTAL 118,09 100 89,77 100

Fuente: Propia40

A partir de los resultados anteriores, se evidencia que el material de estudio se

compone principalmente por Aluminio y Silicio con pequeños porcentajes de

Cobre, Hierro y Zinc. Esto lleva a la conclusión de que dicho material se trata de

una Fundición de una Aleación de Aluminio- Silicio (Al-Si), que se encuentra en la

serie 3xx.x las cuales son aleaciones donde el silicio es el principal elemento

aleante.41

Este tipo de aleaciones se caracterizan por sus excelentes propiedades de

moldeo. Buena solubilidad y buena resistencia a la corrosión. La adición de silicio

mejora notablemente la fluidez de la aleación durante el proceso de fundición.

Esto se debe a que el silicio tiene un retículo tipo diamante, no denso, donde cada

átomo de silicio en estado sólido ocupa un espacio mucho mayor que en el estado

líquido, por lo que al solidificar la contracción es inferior a la de otras aleaciones y

metales. En general las aleaciones Al-Si, son más dúctiles y resistentes al choque

que aleaciones Al-Cu pero son difíciles de mecanizar debido a su naturaleza

abrasiva de las partículas de silicio. 42

A partir de la información anterior, es notable que la hipótesis de que el material

era un Acero Inoxidable Austenítico no era correcta, pero el supuesto de que se

trataba de una pieza realizada por medio del proceso de fundición si fue acertada.

39 Los datos en unidades arbitrarias han sido extraídos directamente de la altura de los picos (cps / eV) en los espectros EDX. Los porcentajes aproximados han sido calculados a partir de los datos anteriores. Cabe destacar, que la altura de los picos EDX sólo representa una aproximación a las cantidades reales 40 Datos obtenidos por medio del SEM de la Universidad Nacional de Colombia- Sede Bogotá. Para más información consultar anexos E y F. 41 Para más información acerca del Aluminio y sus aleaciones, Ver Anexo A 42 Referencia [31].

63

Debido a la composición química hallada en el material por medio del SEM, el

ataque que resultó más conveniente para aplicar a la probeta fue haciendo uso del

reactivo 2M (ver figura 37), cuyo modo de empleo se encuentra descrito en la

Tabla 12

Figura 37. Reactivo empleado en la probeta de estudio.


Tabla 12. Método de empleo del diversos reactivos para verificar la Macroestructura del aluminio y aleaciones de aluminio.


64

El ataque 2M empleado, permite examinar bajo el microscopio la Macroestructura

de la probeta de aluminio y diversos tipos de aleaciones. También permite

identificar características de la superficie como:

o Diferentes tipos de inclusiones

o Porosidades

o Discontinuidades

o Defectos de la superficie

o Corrosión intergranular

o Heterogeneidad de la forma de los granos

o Zonas de solidificación

o Zonas oscuras y claras

o Entre otras

Figura 38. Estado final de Probeta de estudio después de finalizar a cabalidad el proceso de preparación de la probeta.

Fuente: Propia.

65

6.1.2 DIAGRAMA DE FASES SEGÚN EL TIPO DE MATERIAL IDENTIFICADO.43

Haciendo uso del Microscopio Electrónico de Barrido (SEM), se dedujo que el

material de estudio es una Aleación de Al-Si. El respectivo diagrama de fases se

presenta en la Figura 39.

Como se puede apreciar en la Figura 39, el sistema binario Al-Si forma un sistema

eutéctico a una temperatura de 577 ºC y con una composición del 11,6%, donde la

microestructura está formada por una fase y una dispersión de fase o silicio.

La solubilidad del silicio en la matriz de aluminio es máxima a la temperatura del

punto eutéctico. En condiciones de equilibrio la solución sólida de aluminio o fase

tiene un contenido de silicio del 1.3% a 550 ºC y baja hasta 0,05-0,008% a la

temperatura de 250 ºC.

Figura 39. Diagrama de fases Aluminio-Silicio


43 Apartado basado en la Referencia [15] , [16] y [31]

66

En este tipo de aleaciones, el silicio puede aparecer de dos formas:

1. A partir de la precipitación de la solución sólida

2. A partir de una forma directa durante el proceso de solidificación.

Desde el punto de vista cristalográfico ambas formas son equivalentes, pero

difieren en la forma y distribución. En procesos de Fundición o Colada, las

aleaciones de Al- Si no suelen alcanzar estructuras totalmente en equilibrio y suele

aparecer silicio libre en los lingotes.

Figura 40. Diagrama de fases Al-Si


Los resultados de investigaciones metalográficas, muestran que la aleaciones

vaciadas de aluminio son caracterizadas por una estructura dendrítica de solución

sólida α, como matriz de la aleación, así como caracterizada por la formación de

grandes placas irregulares de la fase Si-β presentes en la matriz de una manera

desordenada, granos eutécticos (α+β) con una morfología que depende de la

concentración de masa de silicio y cobre.

67

Figura 41. Identificación de fase en toma metalográfico tomada en el SEM. (a) Silicio y (b) Aluminio

Fuente: Propia 44

Figura 42. Identificación de las fases de toma metalográfica obtenida en Microscopio Metalográfico. (a) Silicio y (b) Aluminio

Fuente: Propia45

44 Datos obtenidos por medio del SEM de la Universidad Nacional de Colombia- Sede Bogotá 45 Datos obtenidos por medio del Microscopio Axio Observer D1m de la Universidad Distrital de Bogotá- Sede tecnológica.

68

A partir de lo anterior, se concluye que el material se encuentra en una fase

Eutéctica ya que el porcentaje de peso de Silicio presente en aleación se

encuentra en el rango del 8% al 12%, según lo hallado en el SEM. Al realizar la

revisión de las imágenes metalográficas, tomadas a través del Microscopio

Electrónico de Barrido y el Microscopio Óptico, se evidenciaron características

significativas en cada imagen. Para el caso del SEM se evidencia en la mayoría de

las tomas realizadas, que el aluminio se presenta con una estructura dendrítica en

la matriz de aluminio y se pueden identificar las inclusiones de Silicio presentes en

la muestra sin un patrón especifico, es decir, que los granos se encuentran de

manera aleatoria y desordenada en el material (figura 41). Por otro lado, las

tomas realizadas con el Microscopio Óptico, muestran al aluminio como granos,

donde los límites de estos, son claramente identificables y el Silicio aparece como

agujas incrustadas en el material de manera aleatoria (figura 42).

6.2 IDENTIFICACIÓN DE TIPOS DE CORROSIÓN

Posteriormente de la identificación del material, analizamos los tipos de corrosión

que se presentan en las piezas, la identificación de estos debe hacerse luego de

analizar y entender el marco teórico y conceptual específicamente la sección 4.2.2

donde se describen detalladamente los tipos de corrosión que pueden presentarse

en el material de estudio.

Gracias diferentes herramientas como los microscopios o la inspección visual

general se estudia la morfología del material y de esta manera se pueden observar

varios tipos de corrosión originados por diferentes motivos. Se tomaron varias

fotografías a las piezas donde se podrá detectar los tipos de corrosión que

afectaron al material y llegar a conclusiones metalográficas muy claras.

Se estudiará la corrosión analizando cada tipo que se pueda encontrar e

inspeccionando las piezas para detectar si lo hay o no.

CORROSIÓN GENERALIZADA:

Dentro de la clasificación de corrosión generalizada, podemos detectar corrosión

galvánica y por altas temperaturas.

Corrosión galvánica: Hay corrosión galvánica en las regiones donde estaba en

contacto con otros metales (secciones donde estaban los tornillos). En la figura 43

69

se puede observar claramente y analizando se determinó que es corrosión

galvánica ya que cuando dos o más diferentes tipos de metal entran en contacto

en presencia de un electrolito, se forma una celda galvánica porque metales

diferentes tienen diferentes potenciales de electrodo o de reducción. El electrolito

en este caso el agua suministra el medio que hace posible la migración de iones

por lo cual los iones metálicos en disolución pueden moverse desde el ánodo al

cátodo. Esto lleva a la corrosión del metal anódico (el que tienen menor potencial

de reducción) que en las piezas que se estudia es la fundición de aluminio-silicio;

(ver anexo H). A la vez, la corrosión del metal catódico (el que tiene mayor

potencial de reducción) se retrasa hasta el punto de detenerse en este caso el

material es acero endurecido, que es el material del que estaban hechos los

tornillos. La presencia de electrolitos y un camino conductor entre los dos metales

puede causar una corrosión en un metal que, de forma aislada, no se habría

oxidado.

Figura 43. Corrosión galvánica encontrada en las regiones que estaban en contacto con otros metales e inmersos en el medio húmedo.

Fuente: Propia

Corrosión por altas temperaturas: Analizando el contexto en el que estaban las

piezas, el intercambiador de calor recibía agua a unas temperaturas tan altas que

esta podría estar más allá de su punto de ebullición por lo tanto el vapor de agua

que es un gas muy oxidante hace que el material se corroa muy fácil. En la figura

44 se ve una fotografía a la probeta metalográfica 1 (ver figura 33) en la que se

muestra corrosión por altas temperaturas.

70

Figura 44. Corrosión por altas temperaturas vista en la probeta 1.

Fuente: Propia46

CORROSIÓN LOCALIZADA:

Dentro de la clasificación de corrosión localizada encontramos en las piezas

corrosión por picadura.

Corrosión por picadura: Este tipo de corrosión es fácil de detectar a simple vista,

ya que se caracteriza por poros localizados en la superficie o cerca de esta. En los

cabezales del intercambiador desde la etapa de corte en la preparación de

probetas se notaron gran cantidad de poros cerca de la superficie, se debe

mencionar que los defectos de la fundición (porosidades) incrementan la

posibilidad de que haya corrosión por picadura. En la figura 45 se puede observar

el material luego de la fase de corte con las picaduras. Y en la figura 46 pueden

verse dos de estas picaduras con mejor precisión.

46 Datos obtenidos por medio del Microscopio Axio Observer D1m de la Universidad Distrital de Bogotá- Sede tecnológica.

71

Figura 45. Corrosión por picadura en piezas luego de la fase de corte.

Fuente: Propia.

Figura 46. Corrosión por picadura vista desde MEB.47

Fuente: Propia

Tuberculación: Se detectó formación de tubérculos por organismos biológicos

que viajaban en el ambiente acuoso en el que se encontraban las piezas, en la

figura 47 se puede observar la morfología de estos en varias regiones de las tapas

luego de la fase de corte.

47 Datos obtenidos por medio del SEM de la Universidad Nacional de Colombia- Sede Bogotá

72

Figura 47. Tuberculación en las tapas del intercambiador de calor.

Fuente: Propia

CORROSIÓN METALÚRGICAMENTE INFLUENCIADA

Corrosión intergranular: Se observa claramente en la figura 48 que hay

agrietamientos en la estructura intergranular, puesto que en las imágenes de

microestructura no se detecta uniformidad para los limites del grano esto puede

ser causado por que átomos de agua segregaron a los límites de grano y

aceleraron localmente la corrosión o por el óxido de aluminio liberado por la capa

pasivante el cual se precipita y que resulta ser más noble que la matriz.

Figura 48.Corrosión intergranular vista en probeta 2.

Fuente: Propia48

48 Datos obtenidos por medio del Microscopio Axio Observer D1m de la Universidad Distrital de Bogotá- Sede tecnológica

73

DEGRADACIÓN POR EFECTOS MECÁNICOS

Erosión por cavitación: La principal causa del desgaste del material es la erosión

por la cavitación puesto que la presión y las secciones de las tuberías a las que

estaba sometida el agua que viajaba el intercambiador pueden variar es una

causa muy general en este tipo de equipos. En la figura 49 se observan regiones

en las que se evidencia la perdida de material de gran magnitud.

Figura 49.Erosión por cavitación en regiones de contacto directo con el medio acuoso en movimiento.

Fuente: Propia

74

7. CONCLUSIONES

Es una importante lección académica que se debe ser cuidadoso con la información precisa que se adopte de los catálogos, ya que esta puede reducir drásticamente la confiabilidad de los resultados obtenidos en el estudio, se debe proceder directamente al estudio completo de las piezas en todos los aspectos..

El material presente en los cabezales del intercambiador de calor de referencia ST 8035 es una Fundición de aleación de Aluminio- Silicio (Al-Si), que se encuentra en la familia de fundición 3xx.x.

El material se encuentra en una fase Eutéctica ya que el porcentaje de peso de Silicio presente en aleación se encuentra en el rango del 8% al 12%. Se presenta con una estructura dendrítica en la matriz de aluminio y se pueden identificar las inclusiones de Silicio presentes en la muestra sin un patrón especifico

Es posible que el catálogo con el que se adquirió el intercambiador es una versión anterior al que se utilizó para obtener más información para este estudio ya que el material Acero austenítico 316 es un material que tiene propiedades que son mejores que el de la aleación de aluminio para este tipo de aplicaciones.

Se comprobó corrosión generalizada; galvánica en donde el material de las corazas (Fundición de aluminio-silicio) es el material anódico y el material de los tornillos (Acero endurecido) es el material catódico. También por altas temperaturas, en donde el gas oxidante es el vapor de agua que hace que se corroa el material fácilmente.

Se determinó que el material tiene corrosión localizada por picadura ya que se observan poros cerca a las superficies y corrosión por tuberculación debido a los organismos biológicos que viajaban en el medio acuoso (agua).

En la corrosión metalúrgicamente influenciada se encontró corrosión intergranular ya que no se observa en las imágenes de microestructura uniformidad en el límite de grano.

75

Por efectos mecánicos se estableció que el material tiene erosión por cavitación ya que el material se encuentra muy desgastado y esto se le atribuye a las variaciones de presión y de área seccional de las tuberías.

Se detectaron muchos tipos de corrosión en un lapso de 20 años, que es una vida útil muy corta para piezas tan importantes en un intercambiador de calor.

Se determinó con este análisis que la fundición de aleación de aluminio-silicio no sirve para la aplicación de piezas funcionales de intercambiadores de calor.

76

RECOMENDACIONES

Al momento de comprar un producto, el catalogo es una parte vital, ya que en este está planteado lo que se adquiere en todos los aspectos y debe ser completamente verídico. Pero cuando se hacen estudios científicos como es el metalográfico no es aconsejable hacerse suposiciones de ningún tipo, ya que se pueden encontrar contradicciones como en este caso. Se debe hacer un estudio completo para que la veracidad de los resultados no dependan de fuentes que no son lo suficientemente confiables.

Para la realización de proyectos de grado, se sugiere que se tengan en cuenta variables inesperadas al momento de plantear el título, los objetivos y el desarrollo general del documento, ya que pueden se puede incurrir en errores e inconvenientes a los cuales no se les puede dar una solución viable. En este caso en específico, el hecho de introducir el tipo de material en el título, implica que debió realizarse un estudio previo del material para tener completa certeza de que se estaba encaminando bien el documento. No basta solo con la información encontrada en los catálogos, ya que estos se encuentran en constante cambio. Se aconseja proponer títulos que enmarquen el proyecto en general y evitar, preferiblemente, especificar características como tipo de material, propiedades, procesos, etc.

Las aleaciones de aluminio por su fácil deformabilidad, presentan algunas peculiaridades en los procesos de corte, desbaste y pulido que necesitan atenderse para llegar a un resultado óptimo. Para el aluminio y sus aleaciones es necesario que el pulido final sea llevado hasta el abrasivo pasta diamantada de 3μm con su adecuado paño de lo contrario habrán aún rayas visibles en el material. Es recomendable para efectuar el ataque químico que, primero se ataque por el tiempo mínimo que se muestra en las tablas, y luego, si es necesario, ir incrementando el tiempo de ataque, para así evitar el sobreataque

Como diagnostico a la empresa Gilpa Impresores S.A. se sugiere que la mejor opción para alargar la vida útil del intercambiador es cambiar el material con el que se diseñaron los cabezales a algún tipo de acero austenítico que son aleaciones muy resistentes a la corrosión y a temperaturas extremas donde el papel del carbono es garantizar la resistencia mecánica, o que se haga un tratamiento térmico a la aleación de fundición aluminio-silicio ya que puede adquirir mejores propiedades anticorrosivas. Esta sugerencia se hace ya que se sabe que la empresa Gilpa impresores invertirá en un mejor diseño para las corazas y determinar

77

un material idóneo es una tarea que se asignó al momento de entregar las corazas para hacer el estudio de corrosión.

Para prevenir la corrosión galvánica en general se sugiere a la empresa Gilpa Impresores S.A tener una relación de áreas adecuada, aislar las uniones metálicas, utilizar recubrimientos o ánodos de sacrificio de zinc o cobre y preferiblemente evitar métodos de unión como las uniones roscadas. Es importante verificar la compatibilidad de los materiales para tener un control sobre la corrosión galvánica.

La corrosión por picadura fue el tipo de corrosión que más se presentó en las diversas probetas. Esto indica que la capa pasivante del material, que en este caso se compone principalmente por oxido de aluminio, se presenta principalmente por los defectos y el acabado superficial de la pieza debido a su proceso de fabricación, es decir, por medio del proceso de fundición. Además la sensibilización por las altas temperaturas también incrementan en un alto porcentaje que se presenten las picaduras en el material. Como solución se propone utilizar materiales aleantes apropiados, dar los acabados superficiales necesarios buscando preferiblemente superficies lisas y brillantes, utilizar inhibidores adecuados en el medio acuoso, hacer uso de recubrimientos catódicos, evitar factores de diseño como hendiduras, esquinas, perforaciones innecesarias, etc.

La corrosión intergranular que puede apreciarse en la probeta, puede ser causada por el óxido de aluminio liberado por la capa pasivante el cual se precipita y que resulta ser más noble que la matriz. Al parecer actúa como un cátodo y provoca una aceleración de la corrosión de una zona empobrecida adyacente al límite de grano.

Debido al medio acuoso en el que se encontraba el material, presenta una corrosión por cavitación acelerada aparente. Las mejores opciones para reducir el daño por cavitación es utilizar materiales más resistentes, cambiar el diseño de las tapas o corazas, reducir la entrada de aire en el intercambiador, evitar impurezas o partículas en el medio acuoso, optimizar las condiciones de operación del intercambiador, añadir inhibidores en el medio acuoso, realizar recubrimientos catódicos, minimizar cambios temperatura muy marcados y tener un acabado superficial adecuado.

78

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82

ANEXOS

Anexo A.Aluminio y sus aleaciones. 49

El aluminio es un material no ferromagnético, extraído de la bauxita por medio del proceso Bayer y electrólisis. El aluminio posee una variedad de propiedades que lo hacen uno de los metales más utilizados en la industria tales como su baja densidad, alta resistencia a la corrosión, alta conductividad de electricidad y calor, fácil mecanizado y su bajo costo. Con el fin de mejorar las propiedades e incrementar su utilidad, se adicionan elementos seleccionados como el cobre (Cu), Manganeso (Mn), Silicio (Si), Magnesio (Mg), Zinc (Zn), Estaño (Sn) y Litio (Li)

El aluminio ofrece un gran rango de propiedades que pueden ser aplicadas

precisamente a la demanda de aplicaciones específicas a través de la elección de

aleaciones, temperatura y procesos de fabricación. Las principales características

del aluminio y sus aleaciones, que los haces ser uno de los materiales más

utilizados, son:

El aluminio es ligero; su densidad es sólo una tercera parte que la del

acero.

Aluminio y sus aleaciones están disponibles en una amplia gama de valores

de resistencia desde materiales altamente dúctiles de baja resistencia hasta

aleaciones de alta resistencia a la tracción (690 MPa o 100 ksi). [6]

Las aleaciones de aluminio tienen una alta relación resistencia-peso.

Aluminio conserva su resistencia a bajas temperaturas y, a menudo se

utiliza para aplicaciones criogénicas.

El aluminio tiene una alta resistencia a la corrosión en la mayoría de las

condiciones de servicio, y no se forman sales de colores para manchar las

superficies adyacentes o decolorar los productos con los que entra en

contacto.

El aluminio es un excelente conductor de calor y electricidad.

El aluminio es altamente reflectante.

49 Este apartado ha sido realizado utilizando la referencia [6] y [31]

83

El aluminio es no ferromagnético, una propiedad de importancia en las

industrias eléctrica y electrónica.

El aluminio no es pirofórico, que es importante en aplicaciones que implican

el manejo de materiales inflamables o explosivos o exposición.

El aluminio es tóxico y se usa rutinariamente en recipientes para alimentos

y bebidas.

El aluminio tiene un aspecto atractivo en su acabado natural, que puede ser

suave, brillante y lustroso. Puede ser prácticamente de cualquier color o

textura.

El aluminio es reciclable. El aluminio tiene un valor sustancial de desecho y

reciclaje de un mercado bien establecido, proporcionando tanto beneficios

ambientales como económicos

Aluminio se fabrica fácilmente. El aluminio puede ser formado y fabricado

por todo trabajo de los metales comunes y métodos de unión.

Principales propiedades físicas del aluminio altamente puro (≥99,95% Al)

Tabla 13. Principales propiedades físicas del Aluminio altamente puro


84

Aleaciones de aluminio50

Las propiedades mecánicas, físicas y químicas de las aleaciones de aluminio

dependen de la composición y la microestructura. La adición de determinados

elementos al aluminio puro produce grandes mejoras en sus propiedades y

utilidad. Por esta razón, muchas de las aplicaciones de aluminio utilizan

aleaciones con uno o más adiciones de elementos como el cobre (Cu),

Manganeso (Mn), Silicio (Si), Magnesio (Mg), Zinc (Zn), Estaño (Sn), Litio (Li) y

otros elementos en muy pequeñas proporciones. La cantidad total de estos

elementos pueden constituir más del 10% de la composición de la aleación. Las

impurezas usualmente constituyen menos del 0.15% en las aleaciones de

aluminio.

Clasificación y designación51

Para facilitar la clasificación de las aleaciones, se divide en 2 categorías:

composición de forjado y composición de fundición. La principal diferencia entre

ambas, se basa en las características del mecanismo primario de producción.

Adicional a esto, para estas aleaciones se utilizan nomenclaturas que las dividen

en familias para su simplificación.

Familia de forjado

Para ese tipo de aleaciones, se hace uso de un sistema de cuatro dígitos, listados

a continuación:

1xxx: Control de composiciones puras. Usado principalmente en la industria

química y eléctrica

2xxx: Aleaciones donde el cobre es el principal elemento aleante. Son

extensamente usadas en aeronaves en las cuales se presentan altas

fuerzas (más de 455 Mpa o 66 ksi).

50 Este apartado ha sido realizado utilizando la referencia [6] 51 Este apartado ha sido realizado utilizando la referencia [6]

85

3xxx: Aleaciones donde el manganeso es el principal elemento aleante. Se

utiliza principalmente para aplicaciones estructurales.

4xxx: Aleaciones en donde el silicio es el principal elemento aleante. Se

utiliza en soldadura de barras y láminas.

5xxx: Aleaciones donde el magnesio es el principal elemento aleante. Es

utilizado comúnmente en elementos que están expuestos a ambientes

marinos.

6xxx: Aleaciones donde el magnesio y el silicio son los principales

elementos aleantes. Utilizados en extrusiones arquitectónicas.

7xxx: Aleaciones donde el zinc es el principal elemento aleante, pero puede

contener otros elementos como cobre, magnesio, cromo y circonio.

Utilizados en componentes estructurales de aereonaves y aplicaciones de

alta resistencia. Este tipo de aleaciones, son aleaciones de aluminio con un

alto límite de elasticidad (≥500 Mpa o ≥73ksi).

8xxx: Aleaciones caracterizadas por tener elementos aleantes variados. Es

común encontrar aleaciones con estaño, litio o hierro.

Rangos de resistencia de la serie de aleaciones de forjado

Tabla 14. Rangos de resistencia de la serie de aleaciones de forjado


86

Propiedades mecánicas típicas de aleaciones de aluminio por forjado

térmicamente no tratables

Tabla 15. Propiedades mecánicas típicas de aleaciones de aluminio por forjado

térmicamente no tratables


Propiedades mecánicas típicas de aleaciones de aluminio por forjado

térmicamente tratables

Tabla 16. Propiedades mecánicas típicas de aleaciones de aluminio por forjado

térmicamente tratables


87

Propiedades fiscas típicas aleaciones de forjado por recocido.

Tabla 17. Propiedades fiscas típicas aleaciones de forjado por recocido


Familia de fundiciones

Las composiciones de las fundiciones son descritas por medio de un sistema de 3

dígitos seguido por un valor decimal. El decimal .0 en todos los casos pertenece a

los límites de la fundición. Los decimales .1 y .2 se preocupan los la composición

de los lingotes, los cuales después de la fusión y el proceso, podría tener

resultados químicos según los requisitos de la fundición.

1xx.x: Control de composiciones puras especialmente para fabricación de

rotores

2xx.x: Aleaciones donde el cobre es el principal elemento aleante.

3xx.x Aleaciones donde el silicio es el principal elemento aleante. También

puede alearse cobre y magnesio. Esta serie comprende el 90% de todas las

piezas fundidas producidas.

4xx.x: Aleaciones donde el silicio es el principal elemento aleante.

5xx.x: Aleaciones donde el magnesio es el principal elemento aleante.

6xx.x: no se utiliza

88

7xx.x: Aleaciones donde el zinc es el principal elemento aleante. Pueden

encontrarse también elementos como cobre y magnesio.

8xx.x: Aleaciones donde el estaño es el principal es el principal elemento

aleante.

Propiedades mecánicas de aleaciones representativas de aluminio por fundición.

Tabla 18. Propiedades mecánicas de aleaciones representativas de aluminio por

fundición


Propiedades físicas de aleaciones representativas de aluminio por fundición.

Tabla 19. Propiedades físicas de aleaciones representativas de aluminio por

fundición


89

Efectos de los elementos aleantes52

A continuación se listan los efectos principales al hacer uso de los diferentes

elementos en una aleación de aluminio.

a) COBRE: Es uno de los más importantes adiciones aluminio. Tiene una

solubilidad apreciable y un efecto de reforzamiento considerable a través de

las características de endurecimiento del aluminio. Muchas aleaciones en

donde su principal elemento aleante es el cobre se pueden encontrar

concentraciones de 1 a 10%.

b) MANGANESIO: Tiene una solubilidad limitada en el aluminio pero en

concentraciones de 1% forma series importantes de aleaciones forjadas

c) SILICIO: Disminuye el punto de fusión e incremente la fluidez.

d) MAGNESIO: proporciona el fortalecimiento y la mejora de las

características de endurecimiento por deformación sustancial.

e) ZINC: Es empleado en fundiciones y en conjunto con el magnesio en

forjado. Produce aleaciones tratables térmicamente dando un alta

resistencia.

f) COBRE Y SILICIO: Es usualmente utilizado en serie de fundición 3xx.x.

Rangos deseables de características y propiedades se obtienen en ambas

aleaciones tratables térmicamente y no tratables térmicamente

g) ESTAÑO: Otorga características de antifricción.

h) LITIO: Es agregado a algunas aleaciones en concentraciones de 3 wt% lo

cual genera un decrecimiento de la densidad e incrementa el módulo de

elasticidad.

52 Este apartado ha sido realizado utilizando la referencia [6]

90

Anexo B. Análisis elemental Probeta 1-Prueba 1

91

Anexo C. Análisis elemental Probeta 1-Prueba 2

92

nexo D. Análisis elemental Probeta 2-Prueba 1

93

Anexo E. Análisis elemental Probeta 2-Prueba 2

94

Anexo F. Análisis elemental Probeta 3-Prueba 1

95

Anexo G. Análisis elemental Probeta 3-Prueba 2

96

Anexo H. Serie de Fuerzas Electromotrices

ANÁLISIS METALOGRÁFICO DE LOS CABEZALES DE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/5357/1/SeguraOrtizXio... · Propiedades físicas del acero 316 y 316 L a temperatura ambiente

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