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Jornadas SAM – CONAMET – AAS 2001, Septiembre de 2001
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EROSIÓN - CORROSIÓN DE LATÓN AL ALUMINIO.
INFLUENCIA DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS.
M. A. Barcia Vico, S. Simison
División Corrosión - INTEMA – Fac. Ing. – Univ. Nac. de Mar del Plata. Juan B. Justo
4302-(B7608FDQ) Mar del Plata - Argentina.
RESUMEN
Los tubos de aleaciones de cobre utilizados en intercambiadores de calor refrigerados
con agua de mar, pueden sufrir erosión corrosión cuando la velocidad de circulación es
superior a una dada velocidad crítica. Si bien hay tablas en la bibliografía con valores de estas
velocidades para distintas aleaciones de cobre, no hacen referencia al tratamiento térmico de
las mismas.
Estudios llevados a cabo en nuestro laboratorio utilizando diferentes electrodos
hidrodinámicos muestran que la resistencia a la erosión - corrosión del latón almirantazgo
(UNS 44300) depende de las propiedades mecánicas, siendo mayor en muestras deformadas
en frío que en muestras recocidas.
El objetivo del presente trabajo es estudiar la influencia de las propiedades mecánicas
sobre la resistencia a la erosión-corrosión de latón al aluminio (UNS 68700). Para ello se
prepararon muestras con tres grados de deformación plástica en frío (0, 22 y 38 %).
Los ensayos se realizan a potencial libre en condiciones de flujo turbulento utilizando
electrodo de chorro. La solución es 3.5 % NaCl pH 8 (buffer bórico - borato) y la resistencia
a la erosión corrosión se caracteriza mediante ensayos de resistencia de polarización (Rp) y
espectros de impedancia electroquímica (EIS).
Los resultados indican que en las condiciones experimentales ensayadas la velocidad de
corrosión aumenta al disminuir el grado de deformación plástica, lo que estaría relacionado
con las propiedades del film (resistencia, adherencia, velocidad de formación).
Palabras clave
Erosión - Corrosión, Latón al aluminio, Electrodos de Chorro, Propiedades Mecánicas.
INTRODUCCIÓN
Erosión -corrosión es el ataque localizado inducido por el movimiento del fluido
corrosivo. Desde el punto de vista práctico es de gran importancia ya que se presenta en
instalaciones que utilizan bombas, válvulas, impulsores, intercambiadores de calor, etc.. El
efecto puede ser provocado por una velocidad de flujo alta, por un cambio en la dirección del
fluido corrosivo o por la presencia de partículas en suspensión.
Las aleaciones de cobre son muy utilizadas en intercambiadores de calor refrigerados
con agua de mar debido a sus buenas propiedades de conducción de calor y resistencia a la
corrosión. La resistencia a la corrosión se debe a la formación de un film pasivante de
productos de corrosión, por lo que el comportamiento de estos materiales en servicio
dependerá fuertemente de la estabilidad de estas películas.
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Barcia Vico, Simison
En condiciones de alta velocidad de flujo las aleaciones de cobre pueden fallar por
erosión – corrosión. Para estas aleaciones se propone una relación cualitativa entre la
velocidad de flujo y el daño por erosión - corrosión[1-4]. A bajas velocidades de flujo las
condiciones hidrodinámicas sobre la superficie del metal afectan el ataque corrosivo a través
de la transferencia de masa en la interfase metal-electrolito y a través del film de óxido. A
mayores velocidades de flujo se presentan inestabilidades que dan como resultado el daño
mecánico de la película y un aumento considerable en la velocidad del ataque, definiéndose la
velocidad critica de flujo como un parámetro comparativo de la resistencia de las distintas
aleaciones frente a la erosión - corrosión. Así se sabe que las aleaciones cobre - níquel son
más resistentes que los latones (aleaciones cobre – cinc). En el caso de los latones el agregado
de pequeños porcentajes de elementos de aleación como estaño o aluminio mejoran la
resistencia a la erosión - corrosión, lo que implica valores mayores de velocidad crítica. A
velocidades de flujo mayores que la crítica, la velocidad de corrosión está controlada por la
transferencia de masa sobre el metal desnudo, ya que la película de productos de corrosión ha
sido completamente removida. La magnitud del daño por erosión - corrosión entonces es
función de la aleación, el medio corrosivo y de las condiciones del flujo.
Se ha tratado de relacionar la resistencia a la erosión - corrosión de metales y
aleaciones con la fuerza de unión entre la capa de productos de corrosión y el sustrato o con
las propiedades de ductilidad/fragilidad , dureza, resistencia a la fatiga de los productos de
corrosión o del metal. Effird[5] relaciona la adhesión de los productos de corrosión en
aleaciones de cobre en agua de mar con la velocidad de flujo a través del esfuerzo de corte
crítico. Sin embargo otros autores[6-7] consideran que los esfuerzos de corte generados en
sistemas monofásicos son demasiado pequeños como para provocar el desprendimiento de las
capas protectoras.
Heitz[8] en su revisión bibliográfica discute los aspectos básicos de los efectos mecano
– químicos del flujo sobre la corrosión, sin embargo no se presentan resultados sobre el efecto
de las propiedades mecánicas del sustrato.
Gutman[9,10] propone que la deformación plástica en materiales policristalinos en
disolución activa produce heterogeneidades microelectroquímicas que llevan a cambios en la
carga superficial y el potencial local y por consiguiente, que la velocidad de disolución
aumenta con la deformación plástica.
La cinética de las reacciones electroquímicas sobre los films de óxido dependen
fuertemente de la presencia de estados interfaciales en la interfase metal/óxido, especialmente
de sus niveles de energía. Estos estados interfaciales pueden provenir del desarreglo entre el
sustrato y el óxido que crece, de su inhomogeneidad en concentración y de la estructura de
defectos en la interfase[11] la que está muy relacionada con el grado de deformación plástica.
Estudios previos indican que en el caso de las aleaciones de cobre pareciera haber
propiedades mecánicas óptimas para obtener mayor resistencia a la erosión-corrosión [12].
Estudios llevados a cabo en nuestro laboratorio utilizando diferentes electrodos
hidrodinámicos muestran que la resistencia a la erosión - corrosión del latón almirantazgo
(UNS 44300) depende de las propiedades mecánicas, siendo mayor en muestras deformadas
en frío que en muestras recocidas.
El objetivo del presente trabajo es estudiar la influencia de la composición química
sobre la resistencia a la erosión- corrosión. Para ello se prepararon muestras de latón al
aluminio (UNS 68700) en las mismas condiciones de deformación plástica utilizadas
previamente (0, 22 y 38 % de deformación plástica en frío) [13-14].
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METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
La composición química del material estudiado ( latón al aluminio UNS 68700) se
muestra en la Tabla 1.
Tabla 1. Composición química del latón al Al (% en peso)
Cu
Pb
Fe
Zn
Al
As
76-79
0,07
0,06
Rem
1,8-2,5
0,02-0,06
El material fue sometido a tres tratamientos termomecánicos diferentes, realizados en
planta. La dimensión original del tubo era de 23mm de diámetro exterior y 1 mm de espesor.
Se realizó un trefilado que llevó el diámetro exterior a 20 mm y a 0,9 mm el espesor. A
continuación a una parte del material ya deformado se le realizó una segunda pasada,
obteniendo un diámetro de 15,88 mm y un espesor de 0,7 mm.
El material original estaba en estado recocido, habiéndose tratado a 650°C durante dos
horas y posteriormente enfriado al aire.
En la Tabla 2 aparecen los porcentajes de deformación en frío y la correspondiente
nomenclatura utilizada en la identificación de las muestras.
muestra
D0
D1
D2
Tabla 2. Descripción de las muestras
tratamiento
diámetro exterior Espesor (mm)
termomecánico
(mm)
recocido
23
1
trefilado
20
0,9
doble trefilado
15,88
0,7
deformación (%)
0,00
21,86
38,18
Los ensayos se realizaron en condiciones de flujo turbulento utilizando la configuración
de electrodo de chorro sumergido. El sistema de circulación constaba de dos celdas con sus
respectivos rotámetros, un tanque de 250 litros de capacidad, un amortiguador de flujo y una
bomba de circulación centrífuga con caudal de 2400lts/h. El esquema de la celda utilizada
aparece en la Figura 1. Se empleó electrodo de calomel saturado como referencia y
contraelectrodo de platino.
C.E. Tobera
E. de Referencia
Salida
Solución
Celda
E. Trabajo
Figura 1.Esquema de la celda de chorro sumergido.
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Barcia Vico, Simison
A partir de los tubos se cortaron discos de 5 mm de diámetro con los que se
construyeron los electrodos de trabajo . El contacto eléctrico se hizo a través de una varilla de
cobre de 0,5 mm de diámetro pegada con resina epoxi-plata (Figura 2). Luego se incluyeron
con resina epoxi dentro de soportes de nylon de 40 mm de diámetro.
Nylon 6
Resina Epoxi
Electrodo de
trabajo
varilla de
bronce
Epoxi
cargada
con plata
d/2
d
r
Figura 2. Electrodo de trabajo.
Previo al ensayo las muestras fueron desbastadas con papel de SiC hasta granulometría
600 y enjuagadas con agua destilada.
La solución utilizada en el sistema fue 3,5% p/p de NaCl de pH = 8 (buffer bórico
borato). El caudal a través de las celdas fue de 120lts/hora.
La duración de cada ensayo fue de cuarenta y ocho horas, realizando medidas
electroquímicas a las tres, seis, veinticuatro y cuarenta y ocho horas, a partir del momento del
comienzo de la circulación.
La medición y análisis de los parámetros electroquímicos se llevó a cabo con un
potenciostato portátil Gamry. El equipo cuenta con los softwares CMS 100 y EIS900, que
permitieron realizar mediciones de resistencia de polarización y de impedancia,
respectivamente. En los ensayos de resistencia de polarización lineal el potencial se varió
entre -0,02 V y +0,02V respecto al potencial de corrosión, a una velocidad de barrido de 10-3
V/s. En los espectros de impedancia se utilizó una amplitud de variación del potencial de
±0,01 V respecto del potencial de corrosión, en un de rango de frecuencias de 10-2 a 105 Hz.
Al finalizar cada ensayo se realizó la inspección visual de las muestras y a continuación
se las sometió a ensayos de adherencia del film (tape test).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En las Tablas 3 y 4 se muestran los valores de resistencia de polarización obtenidos
mediante polarización lineal e impedancia, respectivamente.
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Tabla 3. Rp (EIS)
Tiempo(hs D0
D1
)
Tabla 4. Rp (resistencia de polarización lineal)
tiempo(hs) D0
D1
D2
D2
3
117±21
132±25
153±27
6
133±25
147±26
192±37
24
280±53
224±43
843±126
48
519±114 620±130 2480±410
3
130±20
142±24
146±22
6
150±29
160±25
167±23
24
267±70
208±16
747±88
48
417±67
550±46
2120±390
Se puede observar que para las tres
muestras la resistencia de polarización aumenta con el tiempo de exposición
A modo de ejemplo, en la figura 3 se muestra un espectro de impedancia de la muestra
D0.
1500
1400
Muestra recocida
1300
3 horas
6 horas
24 horas
48 horas
1200
1100
- Imag (Ohm)
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
500
1000
1500
2000
Real (Ohm)
Figura 3. Espectro de impedancia de la muestra D0.
Los resultados de Rp de la Tabla 3 se obtuvieron del modelado de los espectros,
utilizando el circuito equivalente representado en la Figura 4. En este circuito Rs es la
resistencia de la solución, Rt es la resistencia a la transferencia de carga, A y ∝ son los
parámetros del componente de fase constante, Rf es la resistencia de la película protectora, Ci
es la capacidad de la película protectora y Zw es la impedancia de Wanburg que representa la
difusión de la película pasivante. Los cálculos se hicieron considerando que la resistencia de
polarización es igual a la impedancia cuando la frecuencia tiende a cero. Este valor coincide
con la suma Rf + Rt + Rs. Como los valores de Rs (20-22 Ohm) son despreciables respecto del
Rp no se consideró necesario hacer las correcciones por la resistencia de la solución.
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Barcia Vico, Simison
Ci
A, ∝
Rf
Rs
Rt
Zw
Figura 4. Circuito equivalente.
En la Figura 5 se muestra el ejemplo de un espectro modelado. Esta figura
corresponde a la muestra D0 luego de 48 horas de exposición.
Resultados:
Rs = 1.986E+01 ± 2.117E-01
Rt = 1.428E+03 ± 4.192E+01
Rf = 6.705E+02 ± 1.158E+02
Ci = 6.562E-03 ± 2.221E-03
A = 8.148E+03 ± 2.623E+02
alfa = 8.906E-01 ± 6.734E-03
Zw = 3.398E+03 ± 2.401E-03
M uestra D 0 a las 48 horas
1.30E + 03
1.10E + 03
-Imag (Ohm)
9.00E + 02
7.00E + 02
5.00E + 02
3.00E + 02
1.00E + 02
-1.00E + 02
0.00E + 00
5.00E + 02
1.00E + 03
1.50E + 03
2.00E + 03
2.50E + 03
Re a l (Oh m )
Figura 5. Espectro de impedancia ajustado con el circuito equivalente.
Los valores de Rp de las muestras D0 y D1 están prácticamente superpuestos en
tiempos cortos (Tablas 3 y 4). Sin embargo, el aumento de la resistencia de polarización en la
muestra recocida parece ser menor, y a tiempos largos (cuarenta y ocho horas) la Rp de la
muestra D1 supera al de la muestra D0.
Respecto a la muestra con mayor porcentaje de deformación (muestra D2), los datos de
las Tablas 3 y 4 muestran que los valores de Rp no sólo son más elevados, si no que a su vez
presentan una tasa de crecimiento mayor en función del tiempo de duración del ensayo.
Se está comenzando con una serie de experimentos a tiempos de exposición más
prolongados (72 y 144 horas), los cuales parecen confirmar las tendencias recién
mencionadas.
La observación visual de las muestras una vez terminado el ensayo mostró la formación
de una película sobre el metal. Los ensayos de adherencia realizados mostraron que al
aumentar el grado de deformación de la muestra era más difícil la remoción del film, o sea
que la adherencia era mayor.
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Dado que la Rp es inversamente proporcional a la velocidad de corrosión, los resultados
del presente estudio indican que el aumento en la deformación plástica disminuye la
velocidad de erosión - corrosión.
Estos resultados concuerdan con los obtenidos previamente para el latón almirantazgo
[13-14]. Sin embargo, la relación entre la resistencia de polarización para cada grado de
deformación plástica ( 21% y 38%) respecto al del material recocido (0 % deformación)
parecería depender de la composición química del material en estudio. Este aspecto será
analizado en un trabajo futuro.
CONCLUSIONES
• La velocidad de corrosión en condiciones de flujo turbulento disminuye al aumentar el
porcentaje de deformación plástica, comportamiento que se hace más notorio al extenderse el
tiempo de ensayo.
• La resistencia a la corrosión parece estar relacionada con las características del film
(resistencia, adherencia, velocidad de formación).
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