El Floreado sobre las Planchas de Acero Galvanizada por

2. Procesos de Recubrimiento y Tratamiento de Superficies
GalvInfoNote
2.6
El Floreado sobre las Planchas de Acero
Galvanizada por Inmersión en Caliente
Rev. 1 Jun-08
Introducción
Durante muchos años, los artículos galvanizados hechos con técnicas de recubrimiento por inmersión en
caliente fueron identificados por una apariencia característicamente floreada o en forma de lentejuelas. En
algunos casos, hoy en día esto es todavía cierto. Sin embargo, por los cambios en los procesos de
refinamiento de zinc, en el proceso de galvanizado, y en las demandas del mercado, no todas las planchas de
acero galvanizadas por inmersión en caliente producidas en la actualidad tienen un floreado visible. En este
artículo se trata de explicar esta característica.
¿Qué es un floreado?
El diccionario define una “lentejuela” como un resplandor reluciente característico de los metales. Cuando la
palabra lentejuela o floreado brillante es usada para describir la apariencia de la superficie de la plancha de
acero galvanizado, ésta implica el típico patrón estrella parecida a un copo de nieve o un patrón de estrella de
seis dobleces que es visible para el ojo desnudo. La Figura 1 muestra los detalles de un patrón de floreado
típico de un recubrimiento galvanizado a una escala de aproximadamente 10X.
Note la simetría de
seis dobleces en
este floreado
La flecha roja define
la dirección de
crecimiento del
brazo de la dentrita
“primaria” dentro del
grano de zinc en
solidificación.
Los brazos de
dendrita “secundario”
crecen lateralmente
lejos del brazo
Figura 1: La estructura floreada de un recubrimiento galvanizado por inmersión en caliente.
Las características mostradas aquí abarcan un número bastante complejo de fenómenos metalúrgicos. Este
artículo explica por qué estas características están presentes.
CENTRO GALVINFO
EMAIL: [email protected]
1
LLAMADA GRATUITA: 1-888-880-8802
GalvInfoNote 2.6
Rev 1 Jun-08
El Proceso de Solidificación
Los floreados brillantes se desarrollan cuando el zinc
fundido que se adhiere a la plancha de acero se enfría
Granos
hasta su punto de solidificación, el cual es
Los metales, como muchos otros sólidos en la naaproximadamente 419°C (787°F). A esta temperatura, los
turaleza, tienen una estructura de cristal o “grano”.
átomos acomodados al azar en el zinc líquido comienzan a
Por ejemplo, la plancha de acero por debajo de los
posicionarse de una manera muy ordenada. Esto ocurre en
recubrimientos galvanizados consiste en muchos
muchas posiciones al azar dentro de la capa de zinc
pequeños granos de aleación de hierro y carbono
fundido. La transformación de un arreglo desordenado de
(acero). Los granos individuales de acero son muy
átomos (estado líquido) a un arreglo ordenado es el
pequeños comparados con los granos de zinc en
proceso de solidificación o cristalización. Las pequeñas
el baño de recubrimiento, y son “aglutinados”
regiones que se solidifican dentro del zinc fundido son
mutuamente por fuerzas enlace atómicos. Piense
definidas como “granos” (ver la columna lateral). A medida
en esto como "granos de arena" en una roca areque los átomos individuales en el zinc fundido se anexan a
nosa. El tamaño de los granos individuales de areun grano en solidificación (causando el crecimiento del
na puede ser mayor que los granos de la plancha
grano), lo hacen de una manera ordenada y se forman en
de acero, pero esta analogía muestra el concepto
un arreglo distinto, o cristal. En el caso del zinc, los cristales
de la estructural granular a ser visualizada.
se forman con simetría hexagonal (de seis dobleces). Por
este proceso, los átomos individuales de zinc se ordenan
mientras los granos sólidos de zinc aumentan su tamaño dentro de la normalmente visible simetría hexagonal
del floreado final. Cuando el recubrimiento está completamente solidificado, los floreados individuales definen
granos individuales específicos de zinc.
“Nucleación” es el término utilizado para definir el proceso de transformación de átomos ordenados
aleatoriamente en el metal fundido, en pequeños y organizados arreglos de átomos en los “granos” de los
cristales de la etapa inicial de la solidificación. Una alta velocidad de nucleación durante el proceso de
enfriamiento causa la formación de numerosos granos pequeños en la estructura solidificada final, mientas que
una baja velocidad tiende a favorecer el crecimiento de granos grandes.
Crecimiento de las Dendritas
Hay otro aspecto del proceso de solidificación que lleva al patrón de copo de nieve en los recubrimientos
galvanizados, como se puede ver, el crecimiento “dendrítico” (que significa, con forma de árbol). El crecimiento
dendrítico causa el crecimiento individual de los granos i(solidificación) en la masa fundida (el recubrimiento de
zinc fundido) con un borde redondeado guía distinto. Un brazo "primario" de dendrita puede identificarse en la
Figura 1. Existen brazos dendríticos secundarios que crecen lateralmente fuera de los brazos "primarios" de
dendritas.
El crecimiento dendrítico de los granos durante la solidificación de los metales es muy común. La razón por la
que las dendritas son fácilmente visibles en un recubrimiento galvanizado es que estamos viendo,
básicamente, una versión en dos dimensiones de una estructura como de una fundición, dendrítica, solidificada
de grano. Recuerde, el recubrimiento tiene menos de 25 µm (0.001 pulgadas) de espesor, considerablemente
menor que el diámetro de un floreado o lentejuela. En otros metales (por ejemplo, el sustrato de acero), la
estructura original sin acabados, tridimensional, los granos eventualmente partidos en muchos granos más
pequeños y de igual eje. Esto se debe a los efectos del laminado en caliente (por ejemplo, laminar un punzón
de acero de 9 pulgadas de espesor a una plancha de acero de 0.050 pulgadas de espesor), el laminado en frío
y la recristallización durante el proceso de recocido de la plancha.
La velocidad de crecimiento de los brazos de las dendritas durante la solidificación de un recubrimiento
galvanizado compite con la velocidad de nucleación de granos nuevos dentro del zinc fundido. Este proceso
determina el tamaño final de la estructura completamente solidificada. En el caso de la Figura 1, el cual es un
CENTRO GALVINFO
EMAIL: [email protected]
2
LLAMADA GRATUITA: 1-888-880-8802
GalvInfoNote 2.6
Rev 1 Jun-08
recubrimiento galvanizado con un patrón bien definido de floreado largo, la velocidad de crecimiento de
dendritas dominó el proceso de solidificación llevando a un número pequeño de floreados grandes. Una
característica de tales floreados es que ellos son más gruesos en sus centros y más delgados en sus bordes, o
los límites del grano. Podría decirse que los límites del grano se “rebajan” y son difíciles de alisar en eventuales
etapas de templado. Los recubrimientos de galvanizado con floreados pequeños generalmente tienen menos
límites de grano rebajados.
El Efecto de la Química del Baño de Zinc
El crecimiento dendrítico no es la única manera por la cual los granos pueden crecer durante el proceso de
solidificación. Se requiere la presencia de una o más condiciones especiales. Una de estas condiciones es la
presencia de otros elementos en el metal fundido. Éstos pueden ser o bien elementos de aleación
intencionalmente agregados o impurezas. En el caso de los recubrimientos galvanizados en planchas de
acero, la razón más común para un crecimiento dendrítico bien definido es la presencia de plomo en el
recubrimiento. Se ha pensado que la razón por la que el plomo lleva a resultados en grandes floreados es que
1
éste reduce el número de sitios de nucleación. En un trabajo reciente , se propone que la presencia de plomo
reduce la energía de interfase sólido/líquido en el recubrimiento que se solidifica. Esto lleva a un incremento de
la velocidad de crecimiento de las dendritas, el que resulta en floreados grandes. El plomo se precipita en la
superficie del recubrimiento y la distribución variable de las partículas de plomo a lo ancho de la superficie
define la apariencia óptica (floreados opacos o mates vs. floreados brillantes).
El plomo es una impureza común en el zinc. En los años pasados, el método más común para la producción
metálica de zinc involucraba fundición, destilación y condensación. El plomo es un metal común hallado en los
minerales que contienen zinc, y este proceso de refinamiento es llevado a cabo como una impureza en el zinc.
En los primeros años del galvanizado, el plomo estaba casi siempre presente en el zinc, y era común observar
un patrón de floreado. Los recubrimientos galvanizados en acero se volvieron identificables por ese floreado
brillante característico. Esencialmente, todo recubrimiento de galvanizado por inmersión en caliente ha tenido
una apariencia de floreado. Si el floreado no era visible, los usuarios "sabían" que el acero no había sido
galvanizado.
Los primeros recubrimientos galvanizados contenían tanto como 1% de plomo. Durante los últimos 35 años, la
presencia de tan altos niveles de plomo no ha sido común en los recubrimientos galvanizados en plancha de
acero, al menos no en Norte América, Europa, y Japón. Las concentraciones típicas de plomo (cuando es
intencionalmente utilizado) en la mayoría de planchas galvanizadas producidas durante estos tiempos han sido
menores a 0.15%, con frecuencia, tan bajas como 0.03 a 0.05%, incluso esta baja concentración de plomo es
suficiente para desarrollar comportamientos de crecimiento dendrítico durante el proceso de solidificación. Hoy,
un nivel típico de plomo en el baño de recubrimiento en las líneas en las que el producto requiere un patrón de
floreado bien desarrollado, lleva entre 0.05 y 0.10% de plomo.
Ya que en la actualidad existen preocupaciones ambientales acerca del uso del plomo, algunos fabricantes de
planchas galvanizadas han establecido prácticas en sus líneas antiguas o lentas para que usen zinc libre de
plomo, por el cual una pequeña cantidad de antimonio es añadido al zinc en el baño de recubrimiento. El
antimonio influye en la formación de floreados de una manera similar al plomo. El resultado final es un
recubrimiento liso, visiblemente floreado. Por lo general, la cantidad de antimonio usada en el baño puede
fluctuar entre 0.03 y 0.10%.
Para obtener recubrimientos más lisos con el zinc con contenidos de plomo, es posible suprimir el crecimiento
del floreado en la plancha enfriando rápidamente el recubrimiento. Esto se realiza usando dispositivos
"minimadores" de floreado sobre el baño de zinc, que además de incrementar la velocidad de enfriamiento,
dirigen vapor o polvo de zinc sobre la superficie para enfriar el zinc rápidamente. Dicha tecnología no se
requiere en el caso del zinc libre de plomo por las razones que se explican en la siguiente sección.
CENTRO GALVINFO
EMAIL: [email protected]
3
LLAMADA GRATUITA: 1-888-880-8802
GalvInfoNote 2.6
Rev 1 Jun-08
Recubrimientos No Floreados
Recientemente, la producción de zinc a partir de minerales que lo contienen ha sido cambiada a un método de
recuperación electrolítica. En este método de producción de zinc, el zinc refinado es muy puro, y el plomo es
excluido. Este cambio ocurre en el tiempo en que muchos usuarios de planchas galvanizadas, especialmente
aquéllos que deseaban un acabado de alta calidad después de la pintura, tales como las industrias de
automóviles y aplicaciones similares necesitaban un recubrimiento no floreado. Quitar el plomo les daba el
producto deseado. La cantidad de plomo en el recubrimiento para recubrimientos libres de plomo es de
menos de 0.01%, con frecuencia menor que 0.005%.
Los recubrimientos libres de plomo aún tienen un patrón de grano que es, en el mejor de los casos, apenas
visible para un ojo desnudo. Por lo general, los floreados son de alrededor de 0.5 mm de diámetro y están
claramente visibles cuando se ven a una ampliación de 5 a 10X. Sin embargo, los granos no crecen más en un
modo dendrítico sino uno celular. Esencialmente, los granos de zinc nuclean en la superficie del acero, y
crecen hacia fuera, de la superficie libre. La ausencia de plomo se lleva el fuerte impulso de crecimiento para el
plano de la plancha, evitando la formación de floreados grandes. El crecimiento rápido de los floreados no
puede ocurrir y la ausencia de plomo da como resultado un recubrimiento de apariencia uniformemente
floreado. Para toda intención y propósito, no existen depresiones de los límites del grano en los recubrimientos
libres de plomo.
Este recubrimiento no floreado, cuando se combina con el enrollado templado aplicado por el productor de
planchas galvanizadas, puede ser muy liso. Las grandes depresiones de límites de grano y alivio de superficie
del recubrimiento floreado no están presentes. El recubrimiento puede ser pintado para obtener un acabado
muy suave.
Una ventaja adicional de producir un recubrimiento galvanizado libre de plomo es que éste no es susceptible a
un problema conocido como retraso en la falta de adhesión. Este es un mecanismo de falla de recubrimiento,
que ocurre principalmente en los ambientes húmedos, relacionado con el hecho de que el plomo se concentra
en los límites de los floreados y permite que se formen pequeñas celdas de corrosión.
Otra característica de los muy pequeños floreados de los recubrimientos libres de plomo es que la apariencia
metálica con floreado brillante del recubrimiento es muy uniforme, a diferencia de la apariencia de los
recubrimientos de zinc con plomo de floreados grandes, en los que el floreados difieren entre si, dando a la
plancha una apariencia no uniforme.
¿Por qué aún se utiliza el Plomo en algunas Líneas de Galvanizado?
La fabricación de recubrimientos no floreados, libres de plomo (o antimonio), no se hace con tanta facilidad. La
razón esta relaciona con la influencia de aun pequeñas cantidades de estas adiciones a la viscosidad del zinc
fundido. Debido a su menor viscosidad, es difícil evitar pequeños hundimientos y ondas en el recubrimiento de
zinc cuando no están presentes el plomo o el antimonio. A mayor espesor del recubrimiento, mayor la
tendencia a formar hundimientos y ondas durante el enfriamiento. Afortunadamente, las industrias automotriz y
de electrodomésticos sólo necesitan una capa de recubrimiento relativamente delgada (típicamente de 60 a 80
2
g/m por lado) de zinc para obtener el nivel de resistencia a la corrosión que sus clientes exigen. Asimismo, los
productos utilizados por estas industrias son hechos en líneas nuevas de alta velocidad, o en líneas antiguas
que han sido repotenciadas para permitir la producción a alta velocidad. La combinación de altas velocidades
de procesamiento y bajos pesos de recubrimiento permite a los productores usar baños de recubrimiento libres
de plomo, evitando el desarrollo de floreados, y así lograr un recubrimiento libre de ondulaciones Las mejoras
en la tecnología de cuchillos de aire y la experiencia práctica también han ayudado a hacer recubrimientos más
lisos.
2
Si el usuario final requiere una masa de recubrimiento más pesada (100 g/m por lado y más), hay una
tendencia para que el recubrimiento, cuando se aplica en un baño libre de plomo, desarrolle ondas y
ondulaciones muy visibles. Como resultado, la superficie no es lisa y el recubrimiento queda compuesto de
regiones localmente gruesas y delgadas. Esta tendencia a ondulaciones se agrava en las líneas a bajas
CENTRO GALVINFO
EMAIL: [email protected]
4
LLAMADA GRATUITA: 1-888-880-8802
GalvInfoNote 2.6
Rev 1 Jun-08
velocidades (<75 m/min.). Las líneas de recubrimiento más antiguas, de bajas velocidades diseñadas para
procesar planchas de calibre pesado, y aquéllas que se utilizan para hacer productos de recubrimiento pesado
2
(mayor a 275 g/m o G90), por lo general, aún conservan alguna cantidad de plomo en el baño de
recubrimiento para mejorar la uniformidad final del recubrimiento. La concentración de plomo en el baño de
zinc es típicamente entre 0.05 y 0.10%. Las adiciones de antimonio de entre 0.03 y 0.10% proveen el
mismo efecto.
El resultado neto es que el producto final de muchas líneas aún tiene un patrón de floreado visible. Esto logra
las necesidades del mercado puesto que un número de industrias, especialmente aquéllas que utilizan
planchas galvanizadas crudas (no pintadas), aún desean el patrón de floreado grande, relucientes, reflectivos.
Especificando el Tamaño de los floreados
Los usuarios con frecuencia se preguntan si hay especificaciones que rigen el tamaño (diámetro) de los
floreados galvanizados. Desafortunadamente no hay especificaciones cuantitativas que regulen estas
características de las planchas galvanizadas. El tamaño del floreado puede verse afectado no sólo por la
química del zinc y la velocidad de enfriamiento, sino por otros factores tales como la suavidad del sustrato. El
control consistente de la formación de floreados a un tamaño específico, que luego verifiquen, sería una tarea
extremadamente difícil. Por esta razón, la terminología de tamaño de floreado es cualitativa. Se define en la
Especificación ASTM A 653/A 653M, Especificación para la Plancha de Acero Recubierta de Zinc
(Galvanizada) como sigue:
• Floreado regular.– plancha de acero recubierta de zinc con una estructura de cristales de zinc
multifacética visible. La velocidad de enfriamiento no es controlada, lo que produce un tamaño de grano
de tamaño variable.
• Floreado minimo.– plancha de recubrimiento de zinc en la que el patrón de granos es visible a los ojos, y
es por lo general, menor y menos distinguida que el patrón visible o floreado regular. El crecimiento de los
cristales de zinc es contrarrestado por técnicas especiales de producción, o es inhibida por una
combinación de química de baño de recubrimiento más el enfriamiento.
• Libre de floreado.– plancha de acero con recubrimiento de zinc y acabado uniforme en el cual la superficie
creada por la formación de floreados no son visibles a simple vista. El acabado es producido por una
combinación en la química de baño de recubrimiento, o el enfriamiento, o ambos.
CENTRO GALVINFO
EMAIL: [email protected]
5
LLAMADA GRATUITA: 1-888-880-8802
GalvInfoNote 2.6
Rev 1 Jun-08
En ausencia de especificaciones para los tamaños de los floreados de las planchas galvanizadas, las
Figuras 2, 3, 4 y 5 se tamaños clasificados de tamaños sugeridos por el Centro de GalvInfo. Mientras
que los productos libres de floreado son el resultado de requerimientos que no llevan plomo, y son
preferidos para muchos usos finales, algunos usuarios todavía desean planchas galvanizadas que
tengan un floreado visible. Teniendo en cuenta que generalmente no es posible ordenar por tamaño de
floreado, y que los productos floreados no se encuentran disponibles en todas las regiones del mundo,
las fotografías en las Figuras 2 a 5 ilustran qué pueden alcanzar aún los productores de algunas partes
del mundo.
Fig. 2 Floreados grandes ≥ 15 mm de ancho
Fig. 3 Floreados medianos de hasta 10 mm de
ancho
Fig. 4 Floreados pequeños de hasta 5 mm de
ancho
Fig. 5 Libre de floreados – Floreados de ≤ 0.5
mm de ancho
CENTRO GALVINFO
EMAIL: [email protected]
6
LLAMADA GRATUITA: 1-888-880-8802
GalvInfoNote 2.6
Rev 1 Jun-08
Resumen
El floreado en las planchas de acero galvanizadas por inmersión en caliente ha sido su característica de
identificación principal durante muchos años. La demanda tanto de recubrimientos libres de plomo como de
recubrimientos muy lisos ha generado que el tamaño del floreado sea reducido por muchos productores hasta
no ser visible a simple vista. Esto era, y hasta cierto punto todavía es, la preocupación de ciertos segmentos en
el mercado, pero los usuarios de planchas galvanizadas gradualmente se han acostumbrado a que el producto
no tenga floreados grandes, fácilmente visibles. Mientras que a futuro quizá ya no habrá demanda por un
floreado visible, algunos consumidores actualmente todavía desean utilizar galvanizado floreado para sus
productos.
Referenca:
1) J. Strutzenberger, J. Federl: Metall. Trans. A, 1998, vol. 29A’ pp. 631-646

Copyright 2008 – IZA
Renuncia de responsabilidad:
Los artículos, reportes de investigación y datos técnicos se proveen únicamente con fines informativos. Aunque quienes los
publican intentan proveer información precisa y actual, la Asociación Internacional de Investigación del Zinc y el Plomo no garantiza
los resultados de la investigación o información reportada en esta comunicación y renuncia a cualquier responsabilidad por daños
que surjan de confiar en los resultados de las investigaciones u otra información contenida en esta comunicación, incluyendo, sin
limitación, daños incidentales o consecuencias.
CENTRO GALVINFO
EMAIL: [email protected]
7
LLAMADA GRATUITA: 1-888-880-8802