proceso de decapado de metales - Tratamientos para superficies

PROCESO DE DECAPADO DE METALES
La denominación general de herrín se aplica a las capas de óxido que se
forman en la superficie de los metales cuando son sometidos a elevadas
temperaturas. El herrín (oxido) puede formarse durante distintas
operaciones, por ejemplo, en la fundición, forja, laminado en caliente y
recocido.
La composición y estructura física del herrín depende de las condiciones
en que se forma. Así, se relaciona con una serie de factores, tales como la
temperatura y duración del caldeo, los efectos mecánicas del laminado y
el forjado, etc., la composición de la atmósfera del horno y la duración del
enfriamiento, Debe quitarse el herrín antes de aplicar cualquier acabado a
la superficie de los metales Algunas veces se aplica la pintura sobre el
herrín, pero este proceder no es recomendable. La eliminación del herrín
conviene efectuarla entre las operaciones de estampado y laminado, para
evitar el desgaste que se produciría en las herramientas y matrices
cuando se intenta trabajar el metal oxidado.
DECAPADO DE LOS METALES FERROSOS
La mayor cantidad de material mordentado por decapado corresponde al
hierro y al acero, y este proceso constituye una de las más importantes
operaciones industriales, Así todas las chapas deben ser decapadas
antes de estañado, fosfatizado y galvanizado.
COMPOSICIÓN DEL HERRIN
El herrín formado sobre el acero por acción oxidante del aire a altas
temperaturas ha sido estudiado muy a fondo.
En el caso de ciertos metales, tales coma el hierro, cobre, plomo y
aluminio, el volumen de óxido producido es mayor que el del metal
originario; por ello, el herrín tiende a proteger el metal de una ulterior
oxidación a alta temperatura. Hablando en un sentido amplio, la velocidad
de formación del herrín sigue una ley parabólica P2 = Kt donde P es el
peso de óxido forrado y t es el tiempo siendo K una constante
No obstante, en la práctica, ocurren roturas de la capa de óxido que dan
lugar a que el espesor de la película aumente; con esto tiende a
descascarillarse y aumente la velocidad de oxidación.
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Las altas temperaturas y las elevadas velocidades de calentamiento
provocan el agrietamiento y la rotura en láminas de la película de óxido,
aunque ello puede ocurrir también a temperaturas relativamente bajas.
Las rápidas fluctuaciones de temperatura pueden provocar la rotura de
las capas protectoras de óxido.
Se considera, en general, que el óxido formado al calentar el hierro está
constituido por tres capas distintas:
a) La capa más externa, que es relativamente delgada; contiene la
mayor proporción de oxígeno y consiste en óxido férrico.(Fe203)
b) Una capa intermedia, que es más bien gruesa; está compuesta de
óxido ferroso férrico. (Fe304)
c) Una capa relativamente compacta en la proximidad del hierro
inalterado; contiene la mayor proporción de este elemento y su
composición corresponde aproximadamente a la formula FeO. Es
probable que esta capa no consista en el compuesto FeO, sino que
sea una solución sólida denominada "wustite" que se descompone
por debajo de 570ºC. en un eutectoide de hierro y óxido ferroso
férrico Fe304. En el caso del herrín formado por debajo de esta
temperatura de transición, la capa más interna del mismo contiene
Fe203 ó Fe304 o una mezcla de ambos.
Como ya ha sido indicado, la composición precisa y la estructura del
herrín pueden ser modificadas en la práctica según las condiciones en
que se efectúa el caldeo.
En caso del acero laminado, la temperatura del laminado influye
notablemente en la cantidad de herrín formado. Así, las temperaturas más
elevadas dan lugar a la formación de los herrínes más pesados, los
cuales, no obstante, contienen una mayor proporción de óxido ferroso. Se
ha comprobado que cuando se realiza el laminado a temperaturas
comprendidas entre los 650ºC y los 800ºC. tenía el herrín un 63,7% de FeO
y el 36,3% restante de Fe203. Por otra parte, con temperaturas de laminado
comprendidas entre los 500 y 600ºC, el contenido de FeO disminuyo a
49,9% con 49,1 de Fe203. Esto tiene un profundo efecto sobre el decapado,
como se verá más adelante.
ACIDOS USADOS
La eliminación del herrín de los metales ferrosos se efectúa decapando en
una solución de ácido sulfúrico o clorhídrico. Cuando se trata de
fundición, es frecuente encontrar silicatos y arena mezclados con el
herrín, y en tal caso se necesita ácido fluorhídrico para disolver el
material silico.
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El herrín originado en los procesos de soldadura es posible que contenga
sílice fundida o silicatos de hierro, debidos a los revestimientos de los
electrodos. En estos casos son útiles las mezclas de ácido fluorhídrico y
sulfúrico actuando a una temperatura de 71C. No suelen emplearse otros
ácidos que los indicados anteriormente. La eliminación del herrín se
produce como resultado de la disolución química de:
a. La disolución química de la capa de herrín.
b. El desprendimiento del gas originado al reaccionar el ácido con el
metal base.
Con el ácido sulfúrico, las reacciones que tienen lugar están en gran parte
limitadas a los óxidos, ferroso y férrico, y el hierro metálico:
Fe203 + 3H2S04 = Fe2(S04)3 + H2O
FeO + H2S04 = FeS04 + H20
Fe
+ H2SO4 = FeS04 + H2
La reducción del sulfato férrico a sulfato ferroso se realiza a causa de la
presencia del hidrógeno naciente:
Fe2(S04)3 + 2H = 2FeSO4 + H2S04
Las reacciones, que corresponden al ácido clorhídrico son las siguientes:
Fe203 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H20
Feo + 2HCl = FeCl2 + H20
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2
La reducción del cloruro férrico por el hidrógeno naciente está
representada por la ecuación:
FeCl3 + H = FeCl2 + HCl
La disolución del óxido ferroso férrico Fe304 en los ácidos indicados es
lenta; este óxido es difícilmente soluble en los ácidos.
La solubilidad del hierro, el FeO y el Fe203 en estos ácidos se da en la
siguiente tabla:
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SOLUBILIDAD DEL HIERRO Y SUS OXIDOS EN EL ACIDO SULFÚRICO Y
CLORHÍDRICO
TEMPERATURA CONCENTRACIÓN
ºC.
DE ACIDO %
DISUELTO DE UNA MUESTRA DE
100 GRAMOS EN UNA HORA.
Fe (gr)
Fe2O3 (gr)
FeO (gr)
20ºC.
20ºC.
20ºC.
30ºC.
H2SO4
1
5
10
10
6,0
15,0
35,0
97,7
3,9
4,8
6,4
9,0
0,14
0,56
0,98
1,40
20ºC.
20ºC.
20ºC.
20ºC.
HCl
1
3
5
10
20,8
31,6
40,7
72,0
0,112
0,36
0,71
10,6
0,48
0,76
0,83
7,5
Podrá observarse que en el caso de emplear bajas concentraciones de
ácido clorhídrico, una parte importante del ataque total tiene lugar sobre
el hierro; no obstante, con solución de ácido al 10% se produce una
importante disolución de los óxidos. Empleando ácido clorhídrico de
elevada concentración, la eliminación del herrín se debe más a un
proceso de disolución química del óxido que a una eliminación mecánica
del mismo.
Con ácido sulfúrico de baja concentración, el peso de óxido disuelto,
comparado con el del hierro metálico, es considerablemente mayor que
en el caso dé emplearse ácido clorhídrico de concentración equivalente.
La disolución del óxido en el ácido sulfúrico (de cualquier concentración)
tiene una marcada importancia en las operaciones de decapado, y en
cuanto a la relación entre la cantidad de hierro metálico disuelto y la de
sus óxidos, es mucho mayor a elevadas temperaturas que a temperatura
ambiente.
El óxido ferroso (FeO) en contacto con el acero es el más soluble de los
óxidos presentes en el herrín; de aquí que, cuando hay junto a la
superficie del acero una cantidad realmente importante de este óxido,
tiene lugar un decapado mucho más rápido que cuando existen en dicha
zona óxidos más elevados.
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Durante el decapado, el ácido penetra hasta la capa de FeO a través de
los poros y fisuras del herrín, y de esta manera la disolución del FeO en el
ácido da por resultado el desprendimiento de las capas superficiales de
herrín. Esto está de acuerdo con la dificultad que ofrece la eliminación de
herrines formados a temperaturas inferiores a 570ºC., como ya se había
indicado. Así se ha visto que cuando se recuecen durante una hora a
500ºC. hasta 550ºC, las partículas de hierro de la 'wustite" se aglomeran, y
hacen difícil el decapado, incluso empleando ácidos más concentrados.
Se ha puesto de manifiesto que en el decapado con ácido sulfúrico, la
cantidad de herrín eliminado por desprendimiento es, en comparación
con la cantidad eliminada por disolución química, mayor en el caso del
ácido sulfúrico que en el caso del ácido clorhídrico. Este es un factor que
tiende a provocar una mayor economía de ácido cuando se emplea el
primero de los citados.
El contacto entre el herrín y el metal desempeña, también un importante
papel en el proceso del decapado, a causa de la diferencia de potencial
existente entre el metal y el óxido, que facilita, a causa de las células
electroquímicas formadas en presencia del ácido, la acción disolvente del
mismo.
En el caso del ácido sulfúrico, una elevación de temperatura para
incrementar la velocidad de disolución del metal y del óxido es menos
eficaz que en el caso del ácido clorhídrico. El hierro metálico es mucho
más soluble en este último que el óxido, y esta diferencia se acentúa al
emplear ácido sulfúrico.
ACIDO SULFURICO
El mejor ácido sulfúrico comercial tiene una concentración del 95%; su
acción sobre el hierro y el acero es pequeña. Empezando con una baja
concentración de ácido, se observa que al aumentar la misma, disminuye
el tiempo de decapado, hasta que alcanza un máximo cuando la
concentración está próxima al 25%; después, la velocidad del decapado
disminuye rápidamente. Por otra parte el efecto de la temperatura es muy
marcado.
Así en algunas pruebas sobre el decapado del acero oxidado indicadas en
la siguiente tabla, se encontró que aumentando la temperatura del ácido
sulfúrico al 5% de 18 a 60ºC. disminuía el tiempo de decapado casi a la
décima parte. Por esta razón, el decapado con ácido sulfúrico deberá
llevarse a cabo con ácido caliente; así podrá lograrse un mayor
rendimiento.
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EFECTO DE LA TEMPERATURA EN EL TIEMPO DE DECAPADO
ACIDO SULFURICO
18ºC.
40ºC.
60ºC.
5%
10%
ÁCIDO CLORHÍDRICO
55 minutos
13 minutos
18ºC.
15 minutos
6 minutos
40ºC.
5 minutos
2 minutos
60ºC.
5%
10%
135 minutos
120 minutos
45 minutos
32 minutos
13 minutos
6 minutos
La velocidad del decapado disminuye a medida que aumenta en la
solución el contenido en sulfato ferroso. El efecto retardador de las sales
ferrosas es menor a elevadas temperaturas que a bajas temperaturas,
tanto en el caso del ácido sulfúrico como en del ácido clorhídrico y es
debido a la mayor solubilidad de las sales a alta temperatura. Con bajas
concentraciones de ácido sulfúrico el efecto es menos marcado que con
las elevadas. Las sales férricas aceleran la velocidad de decapado, pero
ello solo tiene interés científico, puesto que es despreciable el contenido
de hierro trivalente en las soluciones de decapado.
Aunque en el caso del ácido clorhídrico la presencia del hierro puede
acelerar la velocidad de decapado dentro de ciertos límites de
temperatura y concentración del ácido, una concentración excesiva de
sales de hierro en toda clase de soluciones ácidas reduce muy
considerablemente la velocidad del decapado.
Se ha fijado en 80 gramos por litro la máxima cantidad de hierro que
puede tolerarse en los baños de decapado con ácido sulfúrico, mientras
que con los baños de ácido clorhídrico se da un máximo práctico de 120
gramos por litro.
ACIDO CLORHÍDRICO
El ácido clorhídrico comercial consiste en una solución acuosa al 30 a
35% de ácido clorhídrico gaseoso. La volatilidad del ácido hace
impracticable su empleo a elevadas temperaturas; a temperaturas
superiores a 40ºC. la velocidad de volatilización del ácido es realmente
rápida. En la práctica actual, la velocidad de decapado se incrementa más
con elevadas concentraciones de ácido que con una elevación de la
temperatura.
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En este aspecto el ácido clorhídrico se diferencia del ácido sulfúrico; con
este último, las concentraciones tienen poca influencia, y el principal
método para incrementar las velocidades de decapado consiste en una
elevación de la temperatura. La escasa volatilidad del ácido sulfúrico y su
bajo precio hacen de él sea el ácido más generalmente empleado, para el
decapado. A veces se practica la adición de ácido clorhídrico al ácido
sulfúrico. Con tales adiciones se acelera el decapado, y la mayor
solubilidad del cloruro ferroso hace posible usar la solución mucho más
tiempo, se pretende que todo el decapado se lleva a cabo por el ácido
sulfúrico; el ácido clorhídrico sirve solamente para regenerar el ácido
sulfúrico de acuerdo con la siguiente reacción:
SO4Fe + 2HC1  S04H2 + Cl2Fe
siendo desplazado el equilibrio hacia la derecha. Cuando se alcanza una
concentración de 350 gramos de sulfato ferroso por litro, se hace
cristalizar por enfriamiento y se separan los cristales por centrifugación,
recuperándose el óxido férrico y el ácido sulfúrico por tostación de la sal
seca.
FORMACIÓN DE LODOS
Después del decapado, queda sobre la superficie del metal una capa de
lodo adherente; mucho de este lodo se acumula también en la parte
superior del depósito. En el decapado con ácido sulfúrico, el depósito
contiene hasta un 0,6% del hierro disuelto en el ácido; con ácido
clorhídrico, la cantidad de lodo producida es menor. Este lodo contiene
también una alta proporción de los metales nobles contenidos como
trazas en el metal que se decapa, los cuales se precipitan sobre la
superficie del acero.
Un análisis del lodo depositado sobre una chapa de acero señaló la
presencia de hasta un 20% de cobre, 7% de níquel y 6% de arsénico; el
acero contenía sólo un 0,18% de cobre, 0,08% de níquel y 0,43% de
arsénico.
El uso del ácido clorhídrico tiende, de esta manera, a dar una superficie
más blanca y pulida que la producida por el ácido sulfúrico, y es por ello
preferido en algunas operaciones de estañado a pesar de su elevado
coste y de su acción más lenta.
Es importante el lavado cuidadoso del metal decapado para quitar estos
depósitos.
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INHIBIDORES
Muy a menudo, durante el decapado de los metales ferrosos, el herrín es
parcialmente eliminado en algunas partes antes de que haya sido
decapada la totalidad de la superficie. Esta ha sido la razón por la cual se
han estudiado y perfeccionado diversos materiales para adicionarlos al
baño de decapado, a fin de reducir el ataque sobre el metal de base sin
modificar apreciablemente la velocidad del decapado. Estos materiales
son también interesantes porque su presencia reduce el desprendimiento
de hidrógeno (y de aquí probablemente la fragilidad debida al hidrógeno)
y la formación de ampollas de decapado debidas a la existencia de
hidrógeno ocluido bajo la superficie del metal, también reducen la
rugosidades y picaduras causadas por una excesiva disolución del metal,
este exceso en el consumo de ácido y el la pérdida del peso del metal
puede ser considerable. Así, se encontró que decapando 100 m2 de chapa
de acero (ambos lados) durante 15 minutos, en un baño que contenía un
3,5% de ácido sulfúrico, a una temperatura de 93,5ºC. sin inhibidor, se
eliminaron 2,93 kilos de herrín, acompañados de una pérdida de 31,71
kilos de metal. El 90% del ácido se empleó en disolver un exceso de
hierro sobre el requerido por el proceso de decapado propiamente dicho.
Un inhibidor debe ser completamente estable en el ácido de decapado,
incluso a elevadas temperaturas, ser fácil y completamente soluble en el
ácido, y conservar su eficacia después de un prolongado
almacenamiento. En otras palabras lo más esencial de un inhibidor,
aparte en la eficacia en este sentido, es que sea un compuesto de elevada
estabilidad. Además no debe ser propenso a formar sobre la superficie
del metal películas difíciles de eliminar que, por lo mismo pueden
interferir en los procesos siguientes, tales como fosfatizado, galvanizado,
esmaltado o recubrimientos electrolíticos; y sobre todo, reducir de una
manera efectiva el ataque del ácido sobre el metal y llevar al mínimo el
desprendimiento de hidrógeno.
TEORIA DE LOS INHIBIDORES
Ha sido motivo de muchas controversias el mecanismo por el cual actúan
los inhibidores. Se sostiene por algunos que ocurre probablemente una
adsorción del compuesto en cuestión por la superficie metálica; de esta
manera se impediría el ataque sobre la superficie metálica. También se ha
dado otra explicación pretendiendo que la adsorción da lugar a una
sobretensión del hidrógeno. Se considera que el desprendimiento de
hidrógeno tiene lugar preferentemente en las inclusiones localizadas en la
superficie del metal y en el borde de los granos, que se comportan
catódicamente. La descarga de cationes en estas zonas inhibe el
desprendimiento del hidrógeno y reduce, por consiguiente, el ataque
sobre el metal.
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AGENTES HUMECTANTES EN EL DECAPADO
La aplicación de agentes humectantes y materiales para disminuir la
tensión superficial en la práctica del decapado es una innovación
relativamente moderna, y su empleo parece ser ventajoso. Hay una gran
cantidad de materiales capaces de provocar una considerable reducción
de la tensión superficial de las soluciones acuosas, aun cuando se
añaden a éstas en cantidades muy pequeñas.
Los agentes humectantes para decapado deben ser estables en medio
ácido y no deben resultar excesivamente espumantes. Disminuyendo la
tensión superficial del ácido de decapado se consigue una mejor
penetración de éste en la capa de herrín, y las burbujas de hidrógeno se
desprenden más fácilmente; con ello se consigue que el ácido alcance la
superficie del metal de un modo más rápido y uniforme y, por otra parte,
se reduce la tendencia de los lodos a adherirse. Finalmente se pierde
menos ácido por arrastre, con lo que se logra una reducción en el
consumo total de ácido.
Se ha demostrado en que el uso de un agente humectante en la solución
de decapado ha hecho posible decapar satisfactoriamente materiales
ligeramente engrasados, sin necesidad de una operación previa de
desengrase.
LAVADO DESPUES DEL DECAPADO
Es esencial un lavado cuidadoso después del decapado, pues cuando se
retira el metal de la solución se adhieren al mismo considerables
cantidades de sales de hierro conteniendo ácido interpuesto.
Si se efectúa un lavado imperfecto, estas sales provocan la corrosión y
contaminan los depósitos, son substancias perjudiciales para los
tratamientos siguientes (baños de galvanizado, fosfatizado, etc.). Las
sales residuales pueden acumularse también en los poros del metal y
exudar después, perjudicando a cualquier recubrimiento que se aplique
ulteriormente.
El metal decapado deberá lavarse primero en una corriente de agua fría,
preferentemente en chorros pulverizados a alta presión. Deberá lavarse
luego en otro depósito de agua corriente; este segundo depósito se
mantendrá prácticamente aislado de la llegada de residuos ácidos. El
metal será después sumergido en agua muy caliente para disolver las
sales residuales, permaneciendo en el depósito el tiempo suficiente para
que adquiera la temperatura del agua. Esto tiene por efecto quitar de los
poros del metal la mayor parte del ácido. El metal retendrá también
suficiente calor para secarse espontáneamente cuando se le saque del
baño, a menos que tenga una escasa sección.
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Al secarlo del agua el acero decapado esta expuesto a oxidarse muy
fácilmente; generalmente se reduce esa tendencia adicionando cal al
agua caliente del lavado final. Incluso se puede obtener una mayor
protección temporal adicionando cerca de 1% de ácido fosfórico al agua,
lo que da por resultado la formación de una delgada capa de fosfato
sobre la superficie del acero.
FRAGILIDAD POR EL HIDROGENO
Cuando se desprende hidrógeno de una solución y se deposita en la
superficie del acero, ya sea durante el decapado, en un proceso de
galvanostegia o recubrimiento electrolítico, o en el desengrase
electrolítico en medio alcalino, una parte de este hidrógeno es absorbida
por la superficie del metal y se difunde hacia el interior del acero.
Dicho hidrógeno se libera en estado Atómico, y es absorbido en esta
forma; el hidrógeno molecular no se difunde en el acero o en el hierro a
las temperaturas habituales en estas operaciones. Se cree que el
mecanismo por el cual se difunde el hidrógeno en el acero depende de la
absorción de los átomos de hidrógeno, relativamente pequeños, dentro
del retículo del hierro.
EL hidrógeno presente no se encuentra distribuido uniformemente por
todo el metal, sino que está concentrado principalmente cerca de la
superficie. La absorción del hidrógeno parece estar catalizada por
elementos tales como el fósforo, azufre y arsénico, que son capaces de
formar hídruros.
La cantidad de hidrógeno absorbido puede ser considerable, y guarda
una importante relación con el acabado del metal:
a) Su presencia provoca una fragilidad temporal del material (mientras
no sea eliminado).
b) Sometiendo el material a los procesos de acabado a alta
temperatura, especialmente a los de galvanizado o esmaltado, se
libera el gas y da lugar a la formación de burbujas en la superficie
del acero o dentro de la capa protectora.
Se ha investigado que la velocidad de difusión del hidrógeno a través de
chapas de acero dulce de distintos espesores, y se encontró que la
cantidad de hidrógeno difundido a la temperatura ambiente era, de un
modo aproximado, inversamente proporcional a su espesor.
A medida que la temperatura aumenta, disminuye apreciablemente la
cantidad de hidrógeno difundido, pero no debe perderse de vista que en
las condiciones prácticas de decapado se produce a medida que la
temperatura aumenta, un incremento de la cantidad total, de hidrógeno
liberado.
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Hablando en un sentido amplio, estos factores que conducen a un
incremento de la velocidad de ataque del ácido al metal (como son:
temperaturas más elevadas, mayores concentraciones del ácido, o el uso
de ácidos más activos), provocan una disminución en la relación:
hidrógeno difundido a través del metal: hidrógeno total liberado. Así, se
ha encontrado que aumentando la temperatura del ácido de decapado de
20 a 80ºC, se aumentó treinta veces la absorción del hidrógeno, pero la
relación entre el hidrógeno liberado y el absorbido había aumentado
cinco veces más. Por lo demás, es probable que la menor duración del
decapado como consecuencia del empleo de temperaturas más altas
provoque una notable reducción en la cantidad de hidrógeno absorbido
en un tiempo dado.
Un reciente trabajo efectuado sobre la fragilidad por el hidrógeno
provocada por el cobrizado del acero, indica que el rendimiento catódico
del proceso de recubrimiento tiene escasa relación con la cantidad de
hidrógeno absorbida o con el grado de fragilidad producido. Así, algunos
procesos que no provocan un visible desprendimiento de gases producen
el mayor grado de fragilidad que excede considerablemente al efecto del
propio "recubrimiento de hidrógeno", como de hecho puede llamarse el
decapado catódico. En este aspecto, el cobrizado electrolítico es similar a
los procesos de recubrimientos electrolítico con cadmio, cinc y cromo. Es
interesante destacar qué los procesos que no producen recubrimientos
adherentes tampoco producen fragilidad, y que los reactivos que se
añaden a los baños para cambiar las características de los depósitos
cambian también las características de la fragilidad; esto indica que cada
factor requiere una ponderación relacionada con las distintas cualidades
del producto acabado.
EFECTOS DE LA FRAGILIDAD
Los efectos de la absorción del hidrógeno se manifiestan en la fragilidad
del acero, pero es interesante distinguir la pérdida de resistencia
mecánica debida al hecho de adquirir el metal una superficie irregular a
causa del decapado, y la debida a la absorción del hidrógeno. Se ha
determinado que los ángulos de flexión a que puede someterse el acero
como medida del grado de fragilidad por el hidrógeno. También se ha
investigado la resistencia a la compresión de muestras en forma de tubo
que habían sido tratados por el proceso de decapado electrolítico
Bullard-Dunn.
Las
piezas
fueron
ensayadas
cargándolas
transversalmente entre paralelas en una máquina de ensayos a tracción, y
se observó que la carga de rotura de las muestras limpiadas por
decapado era sólo el 35% de la obtenida con las muestras limpiadas por
chorro de arena. Dado que el procedimiento Bullard-Dunn no vuelve
apreciablemente áspera la superficie del metal, la causa puede ser debida
a la absorción de hidrógeno. Se ha encontrado que la susceptibilidad para
la fragilidad por el hidrógeno aumenta con la dureza.
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La máxima susceptibilidad se produce a temperaturas de 260 a 290ºC. en
que aparece la llamada fragilidad de revenido, excepto en los aceros que
no tienen una zona de fragilidad de revenido, como los aceros al
molibdeno; en este caso, la temperatura de máxima susceptibilidad es
mucho más baja. La presencia de un constituyente endurecedor (por
ejemplo, carbón) aumenta la susceptibilidad a la fragilidad como pueda
hacerlo una disminución de la sección.
Otro método de ensayos para la fragilidad es el siguiente: dos alambres
de 1/6 de pulgada (1, 586 milímetros) de diámetro y de una longitud de
unas 4 pulgadas (101,6 milímetros) se limpian cuidadosamente,
puliéndolos a mano con papel de esmeril, se fijan entre ánodos y se
sumergen 2 pulgadas (50,8 milímetros) en el electrólito a ensayar;
después de galvanizar durante el tiempo requerido, se retiran los
alambres, se lavan y se sumergen en agua a OºC. para demorar los
cambios en el comportamiento del alambre con respecto al hidrógeno;
treinta segundos después de terminado el recubrimiento, el primer
alambre se somete a un ensayo de flexión, y a los noventa segundos se
prueba el otro. Esta técnica suprime cualquier error que pueda tener su
origen en el envejecimiento antes de la prueba.
El ensayo de flexión consiste en doblar la muestra de alambre a una
velocidad constante de 5 grados por segundo alrededor de un cilindro
con un radio de 1/16" (1,586 milímetros) colocado en el centro de la
longitud recubierta de 2 pulgadas (50,8 mm). Como medida del grado de
fragilidad producida se toma el ángulo que corresponda a la rotura.
El acero que ha sufrido un tratamiento térmico con un temple de 40
Rockwell C., está muy poco expuesto a sufrir el fenómeno de fragilidad,
aunque el acero trabajado en frío con poco temple es tan susceptible
como el acero que ha sufrido un tratamiento térmico del mismo temple,
siempre que se trate del mismo material. A la temperatura ambiente, la
fragilidad por el hidrógeno tiende a desaparecer, y el fenómeno puede
acelerarse por calentamiento; no obstante, las condiciones para su total
eliminación dependen de la naturaleza del medio en que se ha producido
la fragilidad y del espesor del material.
En la eliminación de la fragilidad es menos importante la temperatura a
que se calienta el material que el tiempo de calentamiento.
De los recubrimientos electrolítico, es interesante señalar que el cromo
presenta la mayor fragilidad y el plomo la mínima, mientras que, para
recubrimientos del mismo espesor, la del estaño fue la más fácil de
suprimir y la de la plata la más difícil. Puede quitarse la fragilidad
calentando (por orden de eficacia) en agua, aire o aceite, dejando las
piezas a la temperatura ambiente. Otras autoridades en la materia
encuentran que la eliminación tiene lugar más rápidamente en el agua o
en el aceite que en el aire a igual temperatura.
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Se obtuvo una completa recuperación de la resistencia a la compresión
de las muestras de ensayo calentándolas durante media hora a 205ºC., en
el aire.
La siguiente tabla indica los resultados dados por varios tratamientos
ensayados para el hidrógeno causado por el decapado (Bullard-Dunn).
ELIMINACION DE LA FRAGILIDAD POR EL HIDROGENO
(Procedimiento Bullard-Dunn)
AIRE
AGUA
ACEITE
Temperatura 18 99 143 143 177 177 204 80 80 80 80 100 100 99 177 232
media ºC.
Tiempo
0 60 30
60
10
30
30 10 30 60 120 60 120 120 120 120
(minutos)
Perdida de
65 30 30
0
45
10
0 60 55 50 35 15
0
15
0
resistencia a
compresión %
DESENGRASANTE
Los ácidos de decapado no eliminan fácilmente la grasa, y la presencia de
una película de aceite delgada y uniforme, en cualquier parte de la
superficie del metal reducirá la velocidad de decapado sobre el área en
cuestión de una manera notable. Para las chapas laminadas, cuando el
tratamiento de decapado se efectúa inmediatamente después del
tratamiento térmico, no es necesaria, en general, un desengrase
preliminar, pero en trabajos de ingeniería, en que es muy probable que
haya grasa en la superficie metálica, es esencial desengrasar el metal
antes del decapado. Esto puede efectuarse satisfactoriamente con el
auxilio de desengrasantes alcalinos calientes, con o sin aplicación de
corriente eléctrica.
PREPARACIÓN DEL BAÑO
Los baños de ácido sulfúrico se preparan con ácido concentrado con una
densidad de 1,84 (66ºBé.) y un contenido de ácido sulfúrico de 95 a 97%.
Es preferible emplear un ácido de buena calidad, puesto que la presencia
de impurezas, tales como el arsénico, en cualquier cantidad, reducirá
notoriamente la velocidad del decapado.
El ácido clorhídrico se consigue en forma de una solución del 30 al 35%; a
partir de la misma, puede obtenerse una solución aproximada del 10%
añadiendo una parte de ácido a dos partes, en volumen de agua. El
contenido de las soluciones de decapado varía corrientemente entre un 5
y un 10'% de ácido, y una vez decidido sobre la concentración
conveniente, deben efectuarse diariamente adiciones de ácido al baño
para mantener la fuerza del mismo.
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CONTROL ANALITICO
La concentración del ácido puede determinarse directamente mediante
valoración con soda cáustica normal, usando fenolftaleína como
indicador.
Debería determinarse también periódicamente el contenido en hierro de la
solución, ya que la acumulación de las sales de hierro reduce la velocidad
de decapado. Transcurrido un cierto tiempo en su empleo, no es posible
efectuar nuevas adiciones de ácido a la solución y hay que desecharla y
preparar otra. La sola determinación de la densidad de la solución no da
una verdadera indicación del contenido de hierro en el ácido, puesto que
ambos constituyentes influyen simultáneamente en la densidad.
Se han construido útiles y adecuados nomogramas para los fines de
control; dichos monogramas relacionan el contenido en hierro y ácido y
la densidad en grados Twaddle para los ácidos clorhídrico y sulfúrico de
decapado. Para el ácido sulfúrico el monograma está basado en la
relación:
[Fe] = 2,0 (T-0, 132[H2SO4]) ,
y para el ácido clorhídrico, en
[Fe] = 2, 56 (T-0, 098 [HCl])
Pero generalmente se aplican métodos analíticos que son fáciles de llevar
a cabo. Como casi todo el hierro se encuentra en la solución en estado
ferroso, puede determinarse directamente el contenido de hierro
valorándolo con una solución de permanganato potásico. En el caso de
soluciones clorhídricas, es necesario añadir antes de la valoración sulfato
de manganeso y ácido fosfórico para evitar la oxidación del ácido
clorhídrico a cloro y eliminar la coloración debida al ion férrico.
Como ya se ha indicado, cuando el contenido del baño en hierro alcanza
el 8% en el caso del ácido sulfúrico y el 12% en el del ácido clorhídrico, la
velocidad de decapado se reduce tan considerablemente, que el ácido
tiene que ser desechado. En la práctica actual, suele resultar
antieconómico tirar los baños de decapado con ácido sulfúrico con un
contenido de hierro superior al 6% o los baños de ácido clorhídrico
conteniendo más de un 9% del mismo.
La temperatura de trabajo en el decapado con ácido sulfúrico es mejor
mantenerla alrededor de 60ºC. en el caso de soluciones nuevas, elevando
gradualmente la temperatura hasta los 70 a 74ºC. a medida que aumenta
el contenido de hierro. La operación de decapado puede durar, en sí
misma, de tres a veinte minutos, y depende del espesor y condiciones del
herrín.
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Debe evitarse un tiempo excesivo de decapado para obviar las
dificultades de las operaciones siguientes, y si no se consigue
eliminación del herrín en un tiempo relativamente corto, deben efectuarse
cambios en el procedimiento de decapado (cambiando el ácido, la
temperatura, etc.) más bien que intentar la obtención de los resultados
deseados prolongando la duración del decapado.
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ELIMINACION DE LOS LIQUIDOS RESIDUALES DEL DECAPADO
El ácido residual se neutraliza con álcalis, en instalaciones apropiadas,
antes de pasar a los desagües: El método consagrado por el tiempo
consiste en hacer pasar la solución residual del ácido a través de una
cámara, construida con ladrillos resistentes, que contiene cal, a menudo
mezclada con virutas de acero (para evitar conglomeración del
neutralizante) (ver figura más adelante).
El mejor método de construcción para el equipo de neutralización
consiste en levantar una pared exterior de cemento armado, asfaltado o
caucho, protegida interiormente por un revestimiento de azulejos de
Staffodshire colocados con cemento silicoso o resinoso, Las paredes del
vertedero deben ser perfectamente impermeables al liquido y estar
recubiertas íntegramente por las paredes exteriores.
Vertedero de derrame
PLANTA
Entrada
Polvo y
trozos
pequeños
de cal
Pared deflectora
Lana de acero o virutas
Lecho
de
listones
perforados
Salida
ALZADO
ESQUEMA DE
RESIDUALES
UNA
CÁMARA
DE
NEUTRALIZACIÓN
DE
AGUAS
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INSTALACIONES DE DECAPADO Y SU FUNCIONAMIENTO
Hasta estos últimos años, se consideró el decapado ácido como un
proceso tosco no sujetable a un fácil control. Los humos y las pobres
condiciones de trabajo fueron considerados como inseparables de las
operaciones de decapado. Hoy, no obstante, es posible trabajar en la
instalación de decapado en tan buenas condiciones como las que puedan
existir en otra parte cualquiera de la fábrica.
Para alcanzar esto, han colaborado en no escasa medida los fabricantes
de instalaciones de decapado. Las primeras instalaciones consistían en
depósitos de madera de pino unida y ajustada mediante refuerzos de
metal. Los depósitos de decapado se han construido también de pizarra,
piedra, o incluso hormigón cubierto con betunes o productos asfálticos.
Estos tuvieron cierto éxito, pero había siempre el inconveniente de las
juntas rezumantes. Las composiciones para juntas resistentes a los
ácidos existentes en el mercado, raras veces son capaces de sufrir las
contracciones y dilataciones de los depósitos citados y de resistir la
penetración del ácido, especialmente cuando se usa ácido sulfúrico
caliente. Cuando se utiliza el ácido sulfúrico como medio de decapado,
los depósitos de madera se recubren con plomo para asegurar la
impermeabilidad respecto al ácido; los depósitos recubiertos de plomo no
son apropiados para el ácido clorhídrico aunque pueden ser usados con
los decapantes basándose en ácido fluorhídrico. El interior de los
depósitos se cubre generalmente con tablas de madera aplicadas sobre el
plomo para prevenir de deterioros mecánicos el recubrimiento metálico
blando. Los depósitos de acero se recubren, de una manera similar, de
plomo, pero así como la perforación del recubrimiento de plomo de un
depósito de madera produce escasos perjuicios al depósito propiamente
dicho y puede ser reparado con facilidad cuando filtración de ácido es
patente, un depósito de acero puede ser seriamente perjudicado por una
filtración de ácido a través del recubrimiento.
Frecuentemente se construyen los nuevos tipos de tanques de decapado
con ladrillos resistentes a los ácidos, impermeables al líquido y unidos
mediante un cemento especial. Tales ladrillos y composiciones se
emplean también para los suelos de las salas de decapado y para las
Instalaciones de drenaje.
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Un ulterior perfeccionamiento consiste en el empleo de tanques de
decapado de materiales no metálicos, construidos con varias clases de
materiales fibrosos laminados e impregnados de resinas sintéticas,
generalmente termoplásticas, del tipo fenolformaldehido. Estas son
inatacables por los ácidos de decapado (excepto por los ácidos
fuertemente oxidantes) y pueden soportar las temperaturas empleadas en
los procesos de decapado. Estos materiales se emplean también con
éxito en la construcción de los cestos de decapado y bastidores para
transportar los objetos que deben ser decapados.
La aplicación de material apropiado de este tipo a las instalaciones de
decapado, pueden resistir temperaturas hasta de 130ºC, sin ablandarse, y
no es afectado por los ácidos clorhídrico, fosfórico y sulfúrico (el último
en concentraciones de hasta un 50%). Es también resistente a casi todos
los ácidos orgánicos y disolventes. Los ácidos oxidantes tales como el
ácido nítrico atacarán el material, pero se pretende que en presencia de
ácido clorhídrico, a las concentraciones empleadas en las mezclas de
ácidos de decapado, este ataque resulta inhibido, Así, una mezcla de
ácido clorhídrico (40 partes) y ácido nítrico (10 partes) puedan usarse en
tal equipo sin peligro. Este es inapropiado para manejo de álcalis
cáusticos. Las substancias basándose en resinas sintéticas pueden ser,
maquinadas, soldadas e incluso moldeadas dentro de los tanques de
almacenaje, bombas para ácidos sin válvulas, palas o rotores para
ventilador a unidades completas, cubiertas de calentadores de inmersión
y muchos otros elementos, con ventajas manifiestas.
RECUBRIMIENTO DE PROTECCIÓN
Una importante mejora de las instalaciones de decapado ha sido la
introducción de los recubrimientos de caucho y de ebonita. Estos se
aplican generalmente al acero, depositándose homogéneamente sobre el
metal; dichos depósitos son de una gran resistencia y tenacidad.
Se emplean varios cementos, tales como derivados sulfonados del
caucho obtenidos amasando, con los molinos de rodillos propios de la
industria del caucho, ácido sulfúrico y goma. Puede también producirse
un cemento termoplástico para unir la goma al metal, calentándolo con
cloruro de sulfurilo durante varias horas desde 125 a 130ºC.
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En los mejores tipos de tanques de acero recubiertos de goma dicho
recubrimientos es capaz de soportar cualquier esfuerzo que pueda
desarrollarse durante la marcha, y luego tienen otro recubrimiento interior
de goma dura; el conjunto es luego vulcanizado. Lo más corriente, es la
aplicación al acero de una simple capa de goma dura. Algunas veces, la
parte exterior se recubre también para prevenir la corrosión externa, pero
esto constituye un refinamiento fin general, se obtiene esta protección de
la parte exterior mediante pinturas bituminosas.
Un recubrimiento de ladrillo resistente al ácido sobre la goma la preserva
de los desperfectos mecánicos. Tales tanques pueden alcanzar muchos
años de servicio exentos de todo desarreglo. Los recubrimientos resisten
el decapado con ácido clorhídrico y las soluciones que contienen ácido
fluorhídrico a temperaturas hasta de 52ºC.
En el recubrimiento de tanques, otro perfeccionamiento importante ha
sido el empleo, en vez de goma, de plásticos apropiados (como el Vinilite
co-polimero), en forma de hojas. Estos plásticos tienen sobre el caucho la
ventaja de no ser alterados por los ácidos oxidantes en la mayor parte de
las condiciones habituales a estas operaciones.
SISTEMAS DE ASPIRACIÓN
Es esencial poder disponer de un sistema efectivo para la eliminación de
los humos de los tanques, El primitivo sistema de eliminación por
campana superior es anticuado, obstructivo y deficiente. Las modernas
instalaciones usan una aspiración cruzada (es decir tangencial) a través
de un estrecho conducto situado a un lado a todo lo largo del tanque, o, si
éste es ancho, los hay en ambos lados.
El conducto puede construirse de madera recubierta con plomo, de acero
recubierto de caucho, etc. Los aspiradores deben tener una potencia
adecuada y aspas de plástico laminadas o de acero protegido; por un
recubrimiento resistente a los ácidos, que puede ser de resina o de
caucho. Los conductos de humos se construyen con preferencia de acero
recubierto de caucho; este tipo de construcción da gran flexibilidad al
conjunto y facilita la instalación de un sistema de extracción de humos
que asegure un trabajo libre de perturbaciones durante un muy largo
período de tiempo.
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CESTOS DE DECAPADO
Los cestos de decapado son necesarios para el manejo de grandes
cantidades de objetos y se construían antes de madera resinosa. Su vida
era corta, y por ello actualmente se usan, y con éxito, metales resistentes
a los ácidos. De estos metales, quizá el más usado es el metal Monel que
es esencialmente una aleación níquel-cobre de 70:30. Los aceros
inoxidables de elevado contenido de cromo son interesantes a causa de
su resistencia a los ácidos; las aleaciones níquel-cromo resisten mejor el
ácido clorhídrico, pero su coste es más elevado.
Un interesante material para instalaciones accesorias de decapado es el
hierro con un elevado contenida en silicio, fundición siliciosa, hasta de
14%. Este resiste satisfactoriamente los ácidos diluidos calientes, pero
tiene la desventaja de que no puede maquinarse. Las piezas deben ser
obtenidas por fundición o trabajadas a la muela.
CALEFACCIÓN
El caldeo de los tanques de decapado se efectúa corrientemente por
inyección de vapor directo dentro de los tanques. El choque del vapor
con el fondo de los tanques es perjudicial y debe, a ser posible, evitarse.
Con este fin, se han desarrollado distintos tipos de inyectores fijos y
rotatorios que hacen posible la introducción más uniforme del vapor
dentro de la solución. Como la introducción de considerables cantidades
de vapor diluye la solución, se hace necesario el uso de serpentines;
éstos pueden construirse de acero recubierto de plomo. Se han empleado
con éxito calentadores eléctricos construidos de un metal o aleación
apropiados o de sílice fundida.
A pesar de sus deficientes cualidades para la transmisión del calor, se
han instalado serpentines de vapor de acero recubierto de ebonita.
Existen, también, instalaciones calentadas por gas. El calentamiento
directo con llama desnuda debajo de los tanques no es satisfactorio, pero
los gases quemados pueden inyectarse desde el lado del tanque en tubos
que se extienden alrededor del mismo, cerca del fondo, y conectados
todos ellos a un tubo vertical de humos para su evacuación.
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Es particularmente interesante, entre los de calefacción por gas, el
sistema Kemp. En este sistema, mezclas correctamente dosificadas de
aire y gas, mediante un carburador especial, se queman dentro de un
sistema de conductos de humo tubular que consiste en un serpentín
rectangular plano. Colocada esta unidad al lado del tanque de decapado,
no sólo proporciona una calefacción eficiente y económica, sino que
también permite al líquido mantenerse en circulación a causa de las
corrientes de convección producidas. Los serpentines de calefacción
deben estar más altos que el nivel del fondo del tanque; así se evita que
sean cubiertos por el barro, lo cual reduciría considerablemente la
velocidad de calefacción. Deben aplicarse consideraciones similares a los
agitadores para las soluciones de decapado; no deben llegar hasta el
fondo del tanque, pues, de hacerlo, tienen tendencia a remover el poso
formado.
Son útiles las grúas para transportar las jaulas o canastas con materiales
que deben decaparse; los motores serán de construcción especial,
cerrada, para que puedan funcionar en presencia del vapor y de los
humos ácidos.
AGITACIÓN DE LA SOLUCIÓN
Es conveniente disponer de alguna forma de agitación del baño de
decapado, puesto que ella ayuda a eliminar el hidrógeno de la superficie
del metal y favorece que nuevas cantidades de ácido alcancen
constantemente dicha superficie. Puede obtenerse la agitación en las
soluciones calientes mediante el inyector a vapor; cuando se usan
serpentines, puede obtenerse cierto movimiento de la solución mediante
las corrientes de conversión.
Las soluciones frías de ácido clorhídrico son propensas a estratificarse, a
menos que se recurra a alguna forma de agitación ésta es recomendable,
incluso tratándose de soluciones calientes. Una de las razones del mejor
comportamiento práctico de las soluciones de ácido sulfúrico caliente,
comparadas con las del ácido clorhídrico a baja temperatura, se relaciona
probablemente con el mejor grado de circulación del ácido como
resultado del calentamiento.
El movimiento de la solución puede obtenerse por un método mecánico
apropiado, balanceando los cestos de decapado en una dirección vertical,
mediante el empleo de roscas o paletas movibles eléctricamente en la
solución, o por aire comprimido, el primer método es el más
corrientemente usado, pero muchas de las instalaciones pequeñas
trabajan sin estos mecanismos. En los últimos años, en algunas
instalaciones automáticas de decapado para objetos pequeños, se ha
producido el empleo de barriles animados de un movimiento de traslación
o de rotación, con lo que se consigue reducir considerablemente el
tiempo de decapado.