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La pasivación sigue siendo un paso importante para maximizar la resistencia a la corrosión de las piezas y conjuntos mecanizados en acero inoxidable. Esto puede marcar la diferencia entre un rendimiento satisfactorio y una falla prematura. Una pasivación incorrecta puede provocar corrosión.
La pasivación es una técnica posterior a la fabricación que maximiza la resistencia inherente a la corrosión de las aleaciones de acero inoxidable con las que se fabrica la pieza. No se trata de desincrustación ni de pintura.
No existe consenso sobre el mecanismo exacto por el cual funciona la pasivación. Sin embargo, se sabe con certeza que existe una película protectora de óxido en la superficie del acero inoxidable pasivado. Se dice que esta película invisible es extremadamente delgada, con un espesor inferior a 0,0000001 pulgadas, ¡lo que equivale aproximadamente a 1/100 000 del grosor de un cabello humano!
Una pieza de acero inoxidable limpia, recién mecanizada, pulida o decapada, adquirirá automáticamente esta capa de óxido debido a la exposición al oxígeno atmosférico. En condiciones ideales, esta capa protectora de óxido cubre por completo todas las superficies de la pieza.
En la práctica, sin embargo, contaminantes como la suciedad de la fábrica o las partículas de hierro de las herramientas de corte pueden depositarse en la superficie de las piezas de acero inoxidable durante el procesamiento. Si no se eliminan, estos cuerpos extraños pueden reducir la eficacia de la película protectora original.
Durante el mecanizado, pueden desprenderse restos de hierro libre de la herramienta y transferirse a la superficie de la pieza de acero inoxidable. En algunos casos, puede aparecer una fina capa de óxido en la pieza. En realidad, se trata de la corrosión del acero de la herramienta, no del metal base. A veces, las grietas causadas por partículas de acero incrustadas de las herramientas de corte o sus productos de corrosión pueden erosionar la propia pieza.
De igual modo, pequeñas partículas de suciedad metalúrgica ferrosa pueden adherirse a la superficie de la pieza. Aunque el metal pueda parecer brillante en su estado final, tras la exposición al aire, partículas invisibles de hierro libre pueden provocar oxidación superficial.
Los sulfuros expuestos también pueden ser un problema. Se producen al añadir azufre al acero inoxidable para mejorar su maquinabilidad. Los sulfuros aumentan la capacidad de la aleación para generar virutas durante el mecanizado, las cuales pueden desprenderse completamente de la herramienta de corte. Si las piezas no se pasivan adecuadamente, los sulfuros pueden convertirse en el punto de partida de la corrosión superficial de los productos industriales.
En ambos casos, se requiere pasivación para maximizar la resistencia natural a la corrosión del acero inoxidable. Esta elimina contaminantes superficiales como partículas de hierro presentes en las herramientas de corte, las cuales pueden oxidarse o convertirse en el punto de inicio de la corrosión. La pasivación también elimina los sulfuros que se encuentran en la superficie de las aleaciones de acero inoxidable mecanizadas.
Un procedimiento de dos pasos proporciona la mejor resistencia a la corrosión: 1. Limpieza, el procedimiento principal, pero a veces descuidado. 2. Baño ácido o pasivación.
La limpieza siempre debe ser una prioridad. Las superficies deben limpiarse a fondo de grasa, refrigerante u otros residuos para garantizar una óptima resistencia a la corrosión. Los residuos de mecanizado u otra suciedad de fábrica pueden eliminarse suavemente de la pieza. Se pueden utilizar desengrasantes o limpiadores comerciales para eliminar aceites de proceso o refrigerantes. Las impurezas, como los óxidos térmicos, pueden requerir métodos como el esmerilado o el decapado.
En ocasiones, el operario puede omitir la limpieza básica, creyendo erróneamente que la limpieza y la pasivación se producirán simultáneamente con solo sumergir la pieza lubricada en un baño ácido. Esto no sucede. Por el contrario, la grasa contaminada reacciona con el ácido formando burbujas de aire. Estas burbujas se acumulan en la superficie de la pieza e interfieren con la pasivación.
Peor aún, la contaminación de las soluciones de pasivación, que a veces contienen altas concentraciones de cloruros, puede provocar un "destello". En lugar de producir la película de óxido deseada con una superficie brillante, limpia y resistente a la corrosión, el grabado repentino puede provocar un grabado severo o un ennegrecimiento de la superficie, un deterioro que la pasivación está diseñada para optimizar.
Las piezas de acero inoxidable martensítico [magnético, moderadamente resistente a la corrosión, con un límite elástico de hasta aproximadamente 280 000 psi (1930 MPa)] se templan a altas temperaturas y luego se revenen para obtener la dureza y las propiedades mecánicas deseadas. Las aleaciones endurecidas por precipitación (que presentan mayor resistencia y resistencia a la corrosión que los aceros martensíticos) pueden someterse a un tratamiento térmico de solución, mecanizarse parcialmente, envejecerse a temperaturas más bajas y, finalmente, recibir el acabado.
En este caso, la pieza debe limpiarse a fondo con un desengrasante o limpiador antes del tratamiento térmico para eliminar cualquier resto de fluido de corte. De lo contrario, el refrigerante que quede en la pieza puede provocar una oxidación excesiva. Esta condición puede causar abolladuras en piezas pequeñas después del desincrustado con ácido o métodos abrasivos. Si queda refrigerante en piezas endurecidas y brillantes, como en un horno de vacío o en una atmósfera protectora, puede producirse carburización superficial, lo que conlleva una pérdida de resistencia a la corrosión.
Tras una limpieza exhaustiva, las piezas de acero inoxidable pueden sumergirse en un baño de ácido pasivante. Se puede utilizar cualquiera de los tres métodos: pasivación con ácido nítrico, pasivación con ácido nítrico y dicromato de sodio, y pasivación con ácido cítrico. El método a utilizar depende del tipo de acero inoxidable y de los criterios de aceptación especificados.
Los aceros al níquel-cromo más resistentes a la corrosión pueden pasivarse en un baño de ácido nítrico al 20 % (v/v) (Figura 1). Como se muestra en la tabla, los aceros inoxidables menos resistentes pueden pasivarse añadiendo dicromato de sodio a un baño de ácido nítrico para aumentar el poder oxidante de la solución y permitir la formación de una película pasivante en la superficie del metal. Otra opción para sustituir el ácido nítrico por cromato de sodio es aumentar la concentración de ácido nítrico al 50 % en volumen. Tanto la adición de dicromato de sodio como la mayor concentración de ácido nítrico reducen la probabilidad de un destello indeseado.
El procedimiento de pasivación para aceros inoxidables mecanizables (que también se muestra en la figura 1) difiere ligeramente del procedimiento para aceros inoxidables no mecanizables. Esto se debe a que, durante la pasivación en un baño de ácido nítrico, se eliminan total o parcialmente los sulfuros que contienen azufre y que son mecanizables, lo que genera inhomogeneidades microscópicas en la superficie de la pieza.
Incluso un lavado con agua normalmente eficaz puede dejar residuos ácidos en estas discontinuidades tras la pasivación. Este ácido atacará la superficie de la pieza si no se neutraliza o elimina.
Para una pasivación eficiente del acero inoxidable de fácil mecanizado, Carpenter ha desarrollado el proceso AAA (Alcalino-Ácido-Alcalino), que neutraliza el ácido residual. Este método de pasivación se puede completar en menos de 2 horas. A continuación, se describe el proceso paso a paso:
Después de desengrasar, sumerja las piezas en una solución de hidróxido de sodio al 5% a 71 °C a 82 °C durante 30 minutos. Luego, enjuague bien las piezas con agua. A continuación, sumerja la pieza durante 30 minutos en una solución de ácido nítrico al 20% (v/v) que contenga 22 g/l de dicromato de sodio a 49 °C a 60 °C. Después de retirar la pieza del baño, enjuáguela con agua y luego sumérjala en una solución de hidróxido de sodio durante 30 minutos. Enjuague la pieza nuevamente con agua y séquela, completando así el método AAA.
La pasivación con ácido cítrico está ganando popularidad entre los fabricantes que desean evitar el uso de ácidos minerales o soluciones que contengan dicromato de sodio, así como los problemas de eliminación y las crecientes preocupaciones de seguridad asociadas a su uso. El ácido cítrico se considera respetuoso con el medio ambiente en todos los aspectos.
Si bien la pasivación con ácido cítrico ofrece atractivos beneficios ambientales, las tiendas que han tenido éxito con la pasivación con ácido inorgánico y no tienen preocupaciones de seguridad podrían optar por mantener el método actual. Si estos usuarios cuentan con un taller limpio, el equipo está en buen estado y limpio, el refrigerante está libre de depósitos ferrosos de fábrica y el proceso está dando buenos resultados, es posible que no haya una necesidad real de cambiar.
Se ha comprobado que la pasivación con ácido cítrico es útil para una amplia gama de aceros inoxidables, incluyendo varios grados específicos, como se muestra en la Figura 2. Para mayor comodidad, la Figura 2.1 incluye el método tradicional de pasivación con ácido nítrico. Cabe destacar que las formulaciones antiguas de ácido nítrico se expresan como porcentajes en volumen, mientras que las nuevas concentraciones de ácido cítrico se expresan como porcentajes en masa. Es importante tener en cuenta que, al realizar estos procedimientos, es fundamental un equilibrio preciso entre el tiempo de inmersión, la temperatura del baño y la concentración para evitar el efecto de "desgaste" descrito anteriormente.
La pasivación varía según el contenido de cromo y las características de procesamiento de cada variedad. Observe las columnas correspondientes al Proceso 1 y al Proceso 2. Como se muestra en la Figura 3, el Proceso 1 tiene menos pasos que el Proceso 2.
Las pruebas de laboratorio han demostrado que el proceso de pasivación con ácido cítrico es más propenso a la ebullición que el proceso con ácido nítrico. Entre los factores que contribuyen a este ataque se incluyen una temperatura del baño demasiado alta, un tiempo de inmersión excesivo y la contaminación del baño. Existen en el mercado productos a base de ácido cítrico que contienen inhibidores de corrosión y otros aditivos, como agentes humectantes, y se ha informado que reducen la susceptibilidad a la corrosión instantánea.
La elección final del método de pasivación dependerá de los criterios de aceptación establecidos por el cliente. Consulte la norma ASTM A967 para obtener más detalles. Puede acceder a ella en www.astm.org.
Con frecuencia se realizan pruebas para evaluar la superficie de las piezas pasivadas. La pregunta que se plantea es: "¿La pasivación elimina el hierro libre y optimiza la resistencia a la corrosión de las aleaciones para el mecanizado automático?".
Es importante que el método de evaluación se ajuste a la clase que se está evaluando. Las pruebas demasiado estrictas no aprobarán materiales de excelente calidad, mientras que las demasiado laxas aprobarán partes insatisfactorias.
Los aceros inoxidables de la serie 400, que presentan pH elevado y son fácilmente mecanizables, se evalúan mejor en una cámara capaz de mantener una humedad del 100 % (muestra húmeda) durante 24 horas a 35 °C (95 °F). La sección transversal suele ser la superficie más crítica, especialmente para los aceros de fácil mecanizado. Esto se debe, en parte, a que el sulfuro se desplaza en la dirección de mecanizado a través de esta superficie.
Las superficies críticas deben colocarse hacia arriba, pero con una inclinación de 15 a 20 grados respecto a la vertical, para permitir la pérdida de humedad. Un material correctamente pasivado difícilmente se oxidará, aunque pueden aparecer pequeñas manchas.
Los aceros inoxidables austeníticos también pueden evaluarse mediante pruebas de humedad. En esta prueba, deben aparecer gotas de agua en la superficie de la muestra, lo que indica la presencia de hierro libre debido a la presencia de óxido.
Los procedimientos de pasivación para aceros inoxidables de uso común, tanto automáticos como manuales, en soluciones de ácido cítrico o nítrico requieren procesos diferentes. La figura 3, a continuación, proporciona detalles sobre la selección del proceso.
(a) Ajustar el pH con hidróxido de sodio. (b) Ver figura 3(c) Na2Cr2O7 es 3 oz/gal (22 g/L) de dicromato de sodio en ácido nítrico al 20%. Una alternativa a esta mezcla es ácido nítrico al 50% sin dicromato de sodio.
Un método más rápido consiste en utilizar la norma ASTM A380, Práctica estándar para la limpieza, desincrustación y pasivación de piezas, equipos y sistemas de acero inoxidable. La prueba consiste en limpiar la pieza con una solución de sulfato de cobre y ácido sulfúrico, mantenerla húmeda durante 6 minutos y observar el recubrimiento de cobre. Alternativamente, la pieza puede sumergirse en la solución durante 6 minutos. Si el hierro se disuelve, se produce el recubrimiento de cobre. Esta prueba no se aplica a las superficies de piezas para procesamiento de alimentos. Tampoco debe utilizarse en aceros martensíticos de la serie 400 ni en aceros ferríticos con bajo contenido de cromo, ya que pueden producirse falsos positivos.
Históricamente, la prueba de niebla salina al 5 % a 35 °C (95 °F) también se ha utilizado para evaluar muestras pasivadas. Esta prueba es demasiado rigurosa para algunos cultivares y, por lo general, no es necesaria para confirmar la eficacia de la pasivación.
Evite el uso excesivo de cloruros, ya que pueden provocar erupciones peligrosas. Siempre que sea posible, utilice únicamente agua de alta calidad con menos de 50 partes por millón (ppm) de cloruro. El agua del grifo suele ser suficiente y, en algunos casos, puede soportar hasta varios cientos de partes por millón de cloruros.
Es importante reemplazar el baño regularmente para no perder el potencial de pasivación, lo que podría provocar descargas eléctricas y daños en las piezas. El baño debe mantenerse a la temperatura adecuada, ya que las temperaturas descontroladas pueden causar corrosión localizada.
Es importante seguir un cronograma de cambio de solución muy específico durante las series de producción a gran escala para minimizar la posibilidad de contaminación. Se utilizó una muestra de control para comprobar la eficacia del baño. Si la muestra ha sido atacada, es necesario reemplazar el baño.
Tenga en cuenta que algunas máquinas solo producen acero inoxidable; utilice el mismo refrigerante preferido para cortar acero inoxidable, excluyendo cualquier otro metal.
Las piezas del bastidor de destilación se mecanizan por separado para evitar el contacto metal con metal. Esto es especialmente importante para el mecanizado libre de acero inoxidable, ya que se requieren soluciones de pasivación y lavado fluidas para eliminar los productos de corrosión por sulfuro y prevenir la formación de bolsas de ácido.
No se deben pasivar las piezas de acero inoxidable carburizado o nitrurado. La resistencia a la corrosión de las piezas tratadas de esta manera puede reducirse hasta tal punto que pueden dañarse en el baño de pasivación.
No utilice herramientas de metal ferroso en talleres que no estén especialmente limpios. Para evitar las virutas de acero, utilice herramientas de carburo o cerámica.
Tenga en cuenta que puede producirse corrosión en el baño de pasivación si la pieza no ha sido tratada térmicamente correctamente. Los aceros martensíticos con alto contenido de carbono y cromo deben endurecerse para garantizar su resistencia a la corrosión.
La pasivación se suele llevar a cabo tras un posterior revenido a temperaturas que mantienen la resistencia a la corrosión.
No descuide la concentración de ácido nítrico en el baño de pasivación. Realice comprobaciones periódicas mediante el sencillo procedimiento de titulación sugerido por Carpenter. No pasiva más de un acero inoxidable a la vez. Esto evita confusiones costosas y previene reacciones galvánicas.
Acerca de los autores: Terry A. DeBold es especialista en I+D de aleaciones de acero inoxidable y James W. Martin es especialista en metalurgia de barras en Carpenter Technology Corp.(Reading, Pensilvania).
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