Morfología y comportamiento electroquímico de

MORFOLOGÍA Y COMPORTAMIENTO ELECTROQUÍMICO DE
UNIONES SOLDADAS DE ALEACIONES FUNDIDAS DE
CUPROALUMINIO
ING. PEDRO P. SIMONCINI
Escuela de Oficiales de la Armada (ESOA).
Instituto Universitario Naval (INUN)
Resumen
Si bien el cobre puro tiene propiedades de un metal noble, es duro, inerte y pesado, extraordinariamente
dúctil y maleable y fundamentalmente un gran conductor de la electricidad y del calor, no puede servir
para todos los usos, sobre todo para los que requieren gran resistencia mecánica, buena maquinabilidad,
gran resistencia a las temperaturas elevadas, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, etc.
debiéndose recurrir a las aleaciones, es decir, a combinaciones del cobre con otros metales como zinc,
aluminio, estaño, níquel, hierro, etc.
En lo que respecta a las aleaciones se podrá comprobar cómo a través de estas, el cobre está presente en
infinitas formas en el mundo circundante, en variados artículos que se emplean diariamente, en variadas
actividades que facilitan la vida del hombre. Cuando se combina con el aluminio (con 5 a 11% ) se
forman los cuproaluminios o bronces al aluminio.
Poseen excelente resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación en caliente, buena resistencia
mecánica en caliente y muy buena a temperatura ambiente y a baja temperatura, buenas características de
fricción, amagnetismo, ausencia de chispas en el choque y excelente soldabilidad.
Este estudio se orientó a investigar la influencia del calor aportado en las transformaciones estructurales
que ocurren en la zona afectada por el calor (ZAC), y la relación existente con las propiedades mecánicas
y el comportamiento electroquímico o sea que una vez ajustadas las condiciones de soldadura se
programaron los estudios de soldabilidad con el fin de determinar el procedimiento optimo.
El material utilizado proviene de un bloque obtenido por moldeo convencional y colado en molde de
arena; su composición química indica que se trata de un cuproaluminio complejo.
La identificación de fases y/o micro constituyentes se llevó a cabo mediante diferentes técnicas de
microscopia óptica (MO) blanco y negro y color (campo claro, luz polarizada y contraste interferencial)
en un equipo UNION modelo NUM con sistema de análisis de imagen incorporado mientras que los
ensayos de corrosión con un potenciosto-galvanostato LYP en agua de mar natural.
Palabras Clave: Cuproaluminio – soldadura – zona afectada por el calor – precalentamiento.
Abstract
Although pure copper has the properties of a noble metal, that is, it is hard, inert and heavy,
extraordinarily malleable and ductile and, basically, a great conductor of electricity and heat, it cannot
serve all the uses, mainly those requiring a great mechanical resistance, good machining, a great
resistance to high temperatures, resistance to wear, resistance to corrosion, etc. Others alloys must be
recurred, that is to say, combinations of copper, such as, zinc, aluminum, tin, nickel, iron, etc.
As far as alloys are concerned, it can be proved how, by means of these, copper is present in infinite ways
in the surrounding world, in various articles used daily and in various activities that facilitate man’s life.
When it is combined with aluminum (with 5 to 11 %), the cuproaluminums or bronze aluminums are
formed.
Pedro Simoncini
They have: excellent resistance to corrosion, resistance to heat oxidization, good heat mechanical
resistance and a very good one at both high and low temperatures, good friction characteristics,
amagnetism, lack of sparks to shock and excellent soldering features.
This study aims to the investigation of the influence of the heat supplied in the structural transformation
occurred in the zone affected by heat (HAZ) and the existing relationship with the mechanical properties
and the electrochemical behavior; that it to say, once the soldering conditions has been adjusted, the
soldering studies were programmed in order to determine the optimum procedure.
The material used comes from a block obtained by means of conventional molding and mould straining in
sand; its chemical composition indicates that is a complex cuproaluminum.
The identification of phases and/or micro constituents was carried out by means of different techniques of
black and white and color optical microscopy (OM) (light field, polarized light and interferential
contrast) in a UNION equipment, NUM model, with an incorporated system of image analysis whereas
the corrosion tests were carried out with LYP power-galvanostat meter in natural sea water.
Keywords: Cuproaluminium – welding – zone affected by heat – preheating.
***
Introducción
Los bronces al aluminio o cuproaluminios son aleaciones con base cobre que
contienen de un 5% a un 12% de aluminio. Pueden incorporar otros elementos como
hierro, níquel, manganeso y silicio. Modificando la concentración de los elementos de
aleación se crea una familia de aleaciones con unas excelentes propiedades de
resistencia mecánica y a la corrosión. Entre sus aplicaciones principales se destacan la
construcción de hélices marinas de gran tonelaje, rodetes de turbinas hidráulicas [1],
cuerpos y válvulas para bombeo de fluidos corrosivos, componentes estructurales para
lanzamiento de misiles submarinos [2], así como cojinetes, engranajes, herramientas
antideflagrantes y equipos amagnéticos, etc.
Las propiedades mecánicas de los bronces al aluminio dependen en gran medida del
contenido de aluminio [3]. Para concentraciones de aluminio inferiores al 8% las
aleaciones presentan una estructura metalográfica compuesta por solución sólida fase α
(solución sólida de aluminio en cobre). Para concentraciones de 8-12% la aleación
aumenta su resistencia por la presencia de una segunda fase llamada  . El hierro es el
elemento de aleación más importante después del aluminio. La solubilidad del hierro en
Cu es de 0.5-1%. El hierro y el níquel se combinan con el aluminio formando fases ínter
metálicas complejas denominadas  [4]. El exceso de hierro aumenta la resistencia de
[1] WEILL P., COULY P., 1975.
[2] CALLCUT, V., 2002.
[3] FRIEND, C., 1989.
[4] GOLZAN, L., 1988.
2
Morfología y comportamiento electroquímico…
la aleación, mediante la precipitación de finas partículas de segunda fase [5]. La adición
de níquel ocasiona también la aparición de precipitados cuya composición y morfología
depende de la concentración relativa de níquel y de hierro.
Estas aleaciones muestran índices bajos de corrosión en condiciones atmosféricas,
proporciones bajas de oxidación a altas temperaturas y
baja reactividad en los
compuestos de azufre y otros productos de combustión. Son soldables entre si y su
resistencia en agua de mar y en aguas ácidas se basa en una reacción de oxidación entre
el aluminio y el oxigeno del aire para formar una fina capa superficial y muy resistente
de alúmina (óxido de aluminio). Esta tendencia a la oxidación es aumentada por la
absorción de gases que favorecen la presencia, en la aleación, de escoria y de alúmina
que son muy difíciles de reducir, utilizándose actualmente técnicas de última generación
con la presencia de desoxidantes muy potentes. Los gases hidrógeno y trióxido de
azufre son los mas propensos a ser absorbidos, reduciendo este último la fluidez del
aluminio. Un dato a tener en cuenta lo constituye el hecho que un cuproaluminio con un
8 % de este elemento puede absorber hasta 3.50 cc de hidrógeno a 1200 ºC [6].
Son prácticamente insensibles a los fenómenos de corrosión intergranular; siendo
también notable su efecto bioestático o sea que el cobre presente en la aleación previene
la colonización del fouling marino.
En consecuencia, el trabajo de investigación se basó en el estudio de la relación
existente entre la microestructura, sus propiedades, las variables operativas y el
comportamiento electroquímico de las uniones soldadas en agua de mar natural, a
escalas laboratorio y campo, siendo sus objetivos:
1.- El desarrollo de métodos para el estudio del comportamiento de la aleación
(cuproaluminio) y de las uniones soldadas frente al agua de mar natural.
2.- La determinación de la influencia del metal de aporte en las propiedades de la
unión soldada y fundamentalmente el proceso de soldadura más adecuado.
Consideraciones Técnicas
Los cuproaluminios binarios (ver Figura N° 1) presentan un campo de solubilidad
parcial de solución sólida  cúbica de cara centrada, que se caracteriza por su
ductibilidad en frío.
[5] GONZÁLEZ, J., 2004.
[6] CENOZ, I., 2006.
3
Pedro Simoncini
Esta fase se extiende en teoría y en equilibrio hasta un 9.4 % de aluminio. En la
práctica y en condiciones normales de enfriamiento este límite se presenta con
contenidos más bajos de aluminio y ya a tenores inferiores al 8.5 % se presenta una
estructura doble (    ).
Con contenidos de aluminio superiores a 9.4 % se forma la fase  , cúbica de cuerpo
centrado, sólo estable a temperaturas superiores (565 °C) y con la característica del
aumento de sus propiedades mecánicas en detrimento de una disminución en
la
ductibilidad.
A un porcentaje de aluminio de 11.8 % y a un temperatura de 565 °C, la fase  se
descompone (esta descomposición varía con la calidad y con la cantidad de los
elementos aleantes) en un agregado perlítico      2 que es un punto eutectoide.
Debido a estas transformaciones eutectóideas los cuproaluminios pueden ser sometidos
a tratamientos térmicos.
El hierro y el níquel se combinan con el aluminio formando fases ínter metálicas
complejas denominadas  . El exceso de hierro aumenta la resistencia de la aleación
mediante la precipitación de finas partículas de segunda fase. La adición de níquel
ocasiona también la aparición de precipitados cuya composición y morfología depende
de la concentración relativa de níquel y de hierro, o sea que en la aleación compleja
aparece una fase adicional (  ) que absorbe aluminio de la matriz  [7].
Durante la soldadura, los cuproaluminios complejos están expuestos a riesgos de
fisuración entre 250 °C y 500 °C debido fundamentalmente a una pérdida de
ductibilidad en ese rango de temperaturas atribuibles a cambios en la estructura
cristalina de estas aleaciones.
Es importante destacar que en la soldadura dicho metal base está sometido a ciclos
térmicos variables en la zona afectada por el calor, dando lugar a transformaciones
metalúrgicas por efecto del calor suministrado por el arco eléctrico, fusión y posterior
enfriamiento relativamente rápido, siendo este aspecto de fundamental importancia
para los estudios de soldabilidad, tanto desde el punto de vista metalúrgico como
operativo.
No caben dudas que la adición de aluminio al cobre mejoró excelentemente las
propiedades de la resistencia a la corrosión como ya se mencionó en la introducción.
[7] CALVO RODES, R., 1978.
4
Morfología y comportamiento electroquímico…
Algunas propiedades mecánicas como la tensión de rotura, resistencia a la fatiga y la
tenacidad a la fractura estática pueden ser mejoradas mediante el aporte de níquel,
siempre que su concentración sea igual o inferior a la concentración de hierro presente
en la aleación. Para concentraciones de níquel superiores a la concentración de hierro,
se produce un empeoramiento de dichas propiedades [8].
La relación hierro-níquel impide el fenómeno de autorecocido, evitando situaciones
contraproducentes durante el enfriamiento lento de la aleación luego de su fusión y
colada.
Figura Nº 1: Diagrama de estado binario cobre–aluminio.
[8] THOMSON, J., 1988.
5
Pedro Simoncini
Descripción del material
Los ensayos de soldabilidad y electroquímicos se llevaron a cabo con un
cuproaluminio complejo (bloques fundidos de 6 mm de espesor) representativos para
los estudios de las transformaciones de la estructura cristalina que ocurren en la zona
afectada por el calor (ZAC).
Mediante técnicas de espectrografía de emisión por plasma se realizaron una serie de
análisis determinándose la siguiente composición química:
Cu
82.50 %
Al
9.00 %
Fe
2,87 %
Ni
2.71 %
Mn
1.93 %
Otros (Pb-Zn-Si)
0.99 %
La composición química del material se ajusta a la de la aleación Copper Alloy UNS
C 6300 de acuerdo a la especificación ABS – Standard Tipo 4.
Los elementos que entran en su composición química producen efectos físicos muy
acentuados, como veremos a continuación, pero en general actúan reduciendo la fuerza
electromotriz existente entre las fases  y  [9]. El aluminio tiene una marcada
tendencia a aumentar la tracción y el límite elástico en sacrificio del alargamiento.
La influencia del hierro es de afinador de grano aumentado.
La adición de níquel, aunque no afina el grano por sí sola, aumenta la solubilidad del
hierro en la solución sólida mejorando las características mecánicas.
Sobre la influencia del manganeso en estas aleaciones las opiniones son muy
diversas. Mientras unos autores indican que mejora las características mecánicas, otros,
sin embargo, le asignan la misión de desoxidante del cobre antes de añadir el aluminio.
El plomo en proporciones menores de 2 % y finamente disperso mejora las
propiedades de fricción y maquinabilidad, aunque decrece el alargamiento y la
resistencia al impacto.
[9] PADILLA, E., 2008.
6
Morfología y comportamiento electroquímico…
El cinc no produce ningún efecto sobre las propiedades mecánicas de los
cuproaluminios pero si afecta a la resistencia a la corrosión.
El silicio puede disminuir el alargamiento y la tracción, aunque afecta en mayor
grado a la resiliencia y al límite elástico.
Parte experimental
Estudios de soldabilidad
Los procesos de soldadura de producción y de reparación más usados en aleaciones
de cuproaluminio son preferentemente “manual con electrodos revestidos” (SMAW),
MIG (GMAW) o TIG (GTAW) en espesores de hasta 8 mm aproximadamente.
En este trabajo de investigación aplicada se optó por utilizar el proceso manual con
electrodos revestidos, el proceso TIG o una combinación de ambos procesos (raíz con
TIG y relleno con electrodos revestidos). Para ello se dispuso de un grupo de soldadores
con un adecuado entrenamiento para desarrollar la habilidad y el manejo del tipo de
consumibles empleados en la experiencia [10].
El material de la aleación que se empleó proviene de un bloque de aproximadamente
60 mm de espesor obtenido por moldeo convencional y colado en molde de arena.
Para la selección del metal de aporte se tuvo en cuenta la composición química del
metal base, las especificaciones técnicas de las normas AWS y DIN 1733 entre otras y
las recomendaciones de los fabricantes de consumibles.
Se emplearon, según los casos, electrodos revestidos de acuerdo a la especificación
AWS – A 5.6 y varilla de electrodo desnuda para soldadura TIG de acuerdo a la
especificación AWS – A 5.7.
La experiencia se llevó a cabo sobre cupones de ensayo extraídos del bloque de
cuproaluminio fundido. El diseño de la junta empleado es una unión en “V” simple con
talón y luz de garganta tal como se muestra en la Figura Nº 2. La preparación del
chaflán se efectuó mediante maquinado. Todas las soldaduras fueron ejecutadas en
posición plana o sea “bajo mano”.
[10] GUIDANCE, s/d.
7
Pedro Simoncini
Figura Nº 2: Probetas para ensayos de soldabilidad.
Algunos autores no consideran necesario el precalentamiento pero se determinó que
la temperatura juega un papel preponderante en la soldabilidad y en la reducción de las
fatigas térmicas. Si en el procedimiento se aplicara la temperatura óptima para evitar la
fatiga se corre el riesgo de que los cuproaluminios complejos se fisuren, razón por la
cual el calentamiento debe llevarse a cabo en forma lenta y gradual a una temperatura
intermedia.
Se precalentó a 140 ºC, aplicándose cordones rectos, sin oscilaciones de forma tal de
minimizar el aporte térmico, utilizándose el martilleo de los cordones como medio para
aliviar tensiones [11].
Una vez ajustadas las condiciones de soldadura se programaron los estudios de
soldabilidad cambiando la clase de los consumibles, combinando procesos de soldadura
y variando la intensidad de corriente y la velocidad de avance con el fin de investigar la
influencia del calor aportado en las transformaciones estructurales que ocurren en la
zona afectada por el calor, y la relación existente con las propiedades mecánicas y el
comportamiento electroquímico.
Para evitar las deformaciones de las uniones soldadas, se utilizó el diseño mostrado
en la Figura Nº 3.
[11] BREZINA, P., 2003.
8
Morfología y comportamiento electroquímico…
Figura Nº 3: Dispositivo para evitar deformaciones.
Las probetas 1 y 2 fueron soldadas con electrodos revestidos, la 3 y la 5 la raíz con
TIG y el relleno con electrodos revestidos y la 4 totalmente con TIG.
Es importante destacar que los electrodos revestidos fueron secados durante 1 hora a
300 ºC y luego mantenidos en horno a 105 ºC hasta su utilización.
El relleno de la unión así como también el número de cordones y de pasadas se
señalan en el croquis de la Figura Nº 4.
Cupones 1 y 2
Proceso de Soldadura SMAW (Manual con Electrodo Revestido)
A




Pasada de raíz: Cordones 1 y 2 (Electrodo de 3 mm)
1° pasada de relleno: Cordones 3 y 4 (Electrodo de 3 mm)
2° pasada de relleno: Cordones 5, 6 y 7 (Electrodo de 3 mm)
Pasada de remate: Cordón 8 (Electrodo de 3 mm)
9
Pedro Simoncini
Cupones 3 y 5
Raíz con proceso GTAW (TIG) Relleno con proceso SMAW
B





Pasada de raíz: Cordón 1 (TIG)
Pasada de raíz: Cordón 2 (Electrodo)
1° pasada de relleno: Cordones 3 y 4 (Electrodo)
2° pasada de relleno: Cordones 5 y 6 (Electrodo)
Pasada de remate: Cordón 7 (TIG)
Cupón 4
Raíz y relleno con proceso GTAW (TIG)
C




Pasada de raíz: Cordones 1 y 2 (TIG)
1° pasada de relleno: Cordón 3 (TIG)
2° pasada de relleno: Cordones 4 y 5 (TIG)
Pasada de remate: Cordón 6 (TIG)
Figura N° 4: Secuencia de relleno de la unión.
10
Morfología y comportamiento electroquímico…
Proceso de soldadura manual con electrodos revestidos
Diseño de la junta
“V” simple
Cara de raíz: 1-1.5 mm
Luz de raíz: 2-3mm
Ángulo de bisel: 30-40 º
Metal de aporte
Electrodo de 3mm. de diámetro AWS – A5.6
Posición de soldadura
Bajo mano
Tipo y polaridad de corriente
CC (+)
PROBETA Nº 1
Temp. de
precalent.
Nº de
cordones
ºC
T. entre
pasadas
I
(promedio)
ºC
Amp
V
(promedio)
V. avance
v0
Volt
cm/min
140
Raíz 1c
---
90
23
14
---
Raíz 1c
150
90
23
21.7
---
Relleno 2
160-170
90
23
20-23
---
Relleno 3
150-75-194
90
23
27-28-29
11
Pedro Simoncini
PROBETA Nº 2
Temp. de
precalent.
Nº de
T. entre
pasadas
cordones
ºC
I
(promedio)
ºC
V
(promedio)
Amp
Volt
V. avance
v0
cm/min
148
Raíz 1c
---
96
26
16
---
Raíz 1c
171
96
26
22
---
Relleno 2
152-170
96
26
26-28
---
Relleno 3
186-96-199
96
26
32-32-33
Proceso combinado de soldaduras manual y TIG
Diseño de la junta
“V” simple
Ángulo de bisel: 30–40º
Cara de raíz: 0.8-1 mm Luz de raíz: 2-3 mm
Metal de aporte
Raíz: Varilla 1.6 mm AWS – A5.7
Relleno: Electrodo 3 mm AWS – A5.6
Posición de soldadura
Bajo mano
Electrodo no consumible Tungsteno thoriado (Ewth2) 2.4 mm
Buza de cerámica de alto impacto de 6 mm de diámetro
Tipo y polaridad de corriente
Raíz: CA
12
Relleno: CC(+)
Morfología y comportamiento electroquímico…
Caudal gas de protección
Argón puro 8.5 l/min
Caudal gas de respaldo
No
PROBETA Nº 3
Temp. de
precalent.
Nº de
Caudal gas
I
V
(promedio)
(promedio)
l/min
Amp
Volt
8,5
90
20
7,5
cordones de protecc.
ºC
V. avance
v0
cm/min
140
Raíz
---
Raíz 1c
95
25
17
---
Relleno 4
95
25
22-3-5-28
I
V
(promedio)
(promedio)
V. avance
v0
l/min
Amp
Volt
8,5
90
20
5
PROBETA Nº 5
Temp. de
precalent.
Nº de
Caudal gas
cordones de protecc.
ºC
cm/min
137
Raíz
150
Raíz 1c
97
26
18
150
Relleno 4
97
26
23-5-8-30
13
Pedro Simoncini
Proceso de soldadura TIG
Diseño de la junta
“V” simple
Ángulo de bisel: 30–40 º
Cara de raíz: 0.8-1 mm Luz de raíz: 2-3 mm
Metal de aporte
Raíz: Varilla 1.6mm AWS – A5.7
Posición de soldadura
Bajo mano
Electrodo no consumible
Tungsteno thoriado (Ewth2) 2.4 mm
Buza de cerámica de alto impacto de 6 mm de diámetro
Tipo y polaridad de corriente
Raíz: CA
Caudal gas de protección
Argón puro 8.5 l/min
Caudal gas de respaldo
No
PROBETA Nº 4
Temp. de
precalent.
Nº de
Caudal gas
I
V
(promedio)
(promedio)
l/min
Amp
Volt
cordones de protecc.
ºC
V. avance
v0
cm/min
140
Raíz
8.5
90
20
8
---
Raíz 1c
8.5
110
22
6
---
Relleno 4
8.5
110
22
7-13-13
14
Morfología y comportamiento electroquímico…
Ensayos mecánicos
Las propiedades mecánicas de la aleación utilizada, se ensayaron sobre probeta
normalizada con el siguiente resultado:
* Punto de fluencia
272.7 N/mm2 = 27.8 kg/mm2
* Resistencia a la rotura por tracción
569.0 N/mm2 = 58.0 kg/mm2
* Alargamiento
15.0 %
Dado las pequeñas dimensiones de las probetas soldadas se ensayaron, a fin de
determinar sus propiedades mecánicas, microprobetas.
Microscopía óptica
Para el estudio de metal base y el estudio y revelación de las microestructuras se
consulto bibliografía especializada y se utilizaron reactivos químicos de ataque para
metalografía blanco y negro y metalografía color. En cuanto a la preparación de las
probetas, se utilizó la técnica de pulido mecánico tanto para el desbaste como para el
pulido previo y final. Para el pulido previo se emplearon papeles abrasivos de alúmina
00 y 0000, mientras que el pulido final se efectuó con pasta de alúmina de una micra.
En cada caso se observó la estructura con magnificación entre 50 X y 800 X. Se
utilizó, previa calibración y puesta a punto del sistema óptico, un banco metalográfico
UNION, modelo NUM de hasta 2000 X equipado con sistema de análisis de imagen
incorporado.
Inclusiones
El metal base fue examinado con diferentes ampliaciones 50 X, 100 X, 200 X y 400
X.
En las microfotografía (Figura Nº 5) se presenta el material base sin ataque; en ella
es posible apreciar el tamaño y la distribución de las inclusiones de escoria con 100 X,
considerando que son representativas de la calidad del material, ya que éste se examinó
en distintos puntos. En cuanto a su naturaleza se conviene que son productos derivados
de la reducción química del film de óxido de aluminio (Al2O3) tratado con manganeso y
con magnesio.
15
Pedro Simoncini
Figura Nº 5: Inclusiones de escoria 100X.
Para revelar su estructura, como se ha mencionado, se usaron reactivos químicos de
ataque métalografico blanco y negro y color. Se seleccionó la metalografía color para
una mejor identificación de las fases que constituyen esta aleación a fin de buscar
resolver partículas finas y de comparar coincidencias o diferencias entre los reactivos
[12,13].
Metal base
En las fotomicrografías que se presentan en las Figuras Nº 6 y Nº 7 obtenidas en
distintas zonas del metal base, con 100 aumentos, previamente atacadas con cloruro
férrico acidulado con ácido clorhídrico, es posible apreciar una similitud entre ambas,
salvo diferencias en la morfología de los granos tipo  y en la tonalidad en función del
tiempo de permanencia del reactivo de ataque. Se trata de una microestructura polifásica
típica de granos  y  retenida; esta situación es propia de los cuproaluminios
fundidos en molde de arena.
Se observan granos tipo  en una matriz  y constituyentes tipo roseta, ricos en
hierro.
[12] PETZOW, G., 1975.
[13] BERAHA,E., SHPIGLER, B., 1977.
16
Morfología y comportamiento electroquímico…
Figura Nº 6: Granos  (claros) en una matriz  y precitados ricos en hierro 100X.
Figura Nº 7: Granos  (claros) en una matriz

y precitados ricos en hierro 200X.
El examen microscópico de las uniones soldadas se enfocó particularmente en la
interfase, metal de soldadura y zona afectada por el calor a fin de observar y relacionar
los cambios que allí se producen y su comparación con el comportamiento
electroquímico, propiedades y variables operativas.
Los estudios se llevaron a cabo sobre la totalidad de las probetas pero sólo se
seleccionaron las que responden a las condiciones de soldadura empleadas en 3 y 4
debido a que el comportamiento electroquímico, en agua de mar natural, de estas
probetas dieron como resultado la máxima (cupón 3) y la mínima (cupón 4) velocidad
de corrosión.
17
Pedro Simoncini
Zona afectada por el calor
En las siguientes micrografías se muestran las estructuras obtenidas con 100 X conjunto metal de soldadura, interfase, comienzo de la zona afectada por el calor – de
las probetas 3 y 4 (Figuras Nº 8 y Nº 9). De la observación se deduce que en la
estructura del metal soldado se presentan granos similares en lo referente a su tamaño,
que en la interfase se presentan dendritas y que en el principio de la zona afectada por el
calor granos tipo  alargados.
Figura Nº 8: Unión soldada. Probeta 3 100X.
Figura Nº 9: Unión soldada. Probeta 4 100X.
Asimismo por comparación de las Figura N º 8 – probeta 3 (mayor velocidad de
corrosión) y la Figura Nº 9 – probeta 4 (menor velocidad de corrosión), se observa en la
Figura Nº 8 una discrepancia importante en el metal de soldadura en cuanto a tamaño,
morfología y distribución de la estructura con respeto a la Figura Nº 9.
18
Morfología y comportamiento electroquímico…
Se presentan a continuación la Figura Nº 10 correspondiente a la probeta 1, la Figura
Nº 11 correspondiente a la probeta 2, la Figura Nº 12 correspondiente a la probeta 3 y la
Figura Nº 13 correspondiente a la probeta 4.
En las tres primeras se observa una cierta similitud mientras que la cuarta presenta
una estructura significativamente diferente, con orientación dendrítica.
Figura Nº 10: Probeta 1.
Figura Nº 11: Probeta 2.
Figura Nº 12: Probeta 3.
Figura Nº 13: Probeta 4.
19
Pedro Simoncini
Estudios electroquímicos
Como la aleación base es el cuproaluminio, es importante considerar primero el
comportamiento y características de cada uno de estos metales en forma aislada.
Electroquimicamente, el cobre podría considerarse, dada su posición en la serie de
potenciales, como un metal noble y resistente, si no fuese por la despolarización
ocasionada por el oxígeno disuelto u otros agentes oxidantes o por la formación de
complejos, lo que se traduce en una disminución importante de su potencial, situación
ésta, a veces tan marcada, que hace que el cobre se comporte como un elemento
extremadamente activo. Por otra parte, la velocidad de disolución, que responde a una
ley de primer orden, se ve notablemente acelerada en presencia de ácidos inorgánicos,
orgánicos, soluciones industriales de cloruros y sulfatos, etc.
El aluminio, debido a su bajo potencial con relación al potencial normal de
hidrógeno, constituye un metal muy innoble. La acción protectora de la fina película
ennoblecedora, donde la velocidad de crecimiento es función directa del tiempo,
compuesta de óxidos de aluminio parcialmente amorfos y de óxidos de aluminio
cristalizados e hidratados, es relativamente importante ya que los metales pesados, que
generalmente llevan al aluminio como impureza, no se disuelven en la matriz del metal
base y forman pilas locales.
Los ácidos inorgánicos y la gran mayoría de las bases, o bien son solubles en la capa
protectora, o bien la eliminan y disuelven al metal con desprendimiento de hidrógeno.
Los aniones de las sales en general y los iones cloruro en particular, debido a su
pequeño tamaño, penetran fácilmente en la capa de óxido atacando fuertemente al
metal. Los gases y un elevado porcentaje de combinaciones orgánicas no atacan al
aluminio.
El mecanismo de reacción final catódica y anódica respectivamente es:
Cátodo
Ánodo
O2 + 2 H2O + 4 e–
 4 (OH)–
Alº  Al+++ + 3 e–
El estudio electroquímico fue realizado en una celda de vidrio borosilicatado que
contenía 400 ml de agua de mar natural aireada de la dársena de Puerto Belgrano, a
temperatura ambiente (25 ºC) siendo su pH de 7.6 y el contenido de Oxígeno de 6.19
ppm medido usando el método de Winkler.
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Morfología y comportamiento electroquímico…
Las variables como temperatura, concentración, velocidad de flujo, etc. que pueden
afectar la velocidad de corrosión se mantuvieron constantes, a fin de controlar, en
primer lugar, todos aquellos parámetros que tienen algún efecto sobre el proceso de
corrosión y, en segundo lugar, asemejar el conjunto celda – electrodo de trabajo a las
condiciones reales de servicio.
Los electrodos de trabajo formados por las fases solución – metal base, metal base –
metal de aporte y metal de aporte – solución, fueron colocados en forma perpendicular
al electrolito de manera tal que la unión soldada estaba en contacto directo con el agua
de mar.
En la preparación de probetas se utilizó la técnica de desbaste y pulido mecánico;
para éste ultimo papeles abrasivos de carburo de silicio 00 y 0000 mientras que el
pulido final se realizó con pasta de alúmina de una micra. Los contactos eléctricos en
cada electrodo de trabajo fueron soldados con estaño y la superficie no expuesta se
cubrió con una mezcla aislante de barniz alquídico y de una solución adhesiva
enmascarante a base de metacrilato de metilo y de cloroformo, para no dar lugar a
reacciones secundarias que puedan afectar el proceso corrosivo.
Un electrodo de platino y uno de calomel saturado (ECS) fueron usados como
contraelectrodo y electrodo de referencia respectivamente. Este último se encuentra
saturado en una solución 4 M de cloruro de potasio y fue colocado a aproximadamente
1.5 mm de la superficie del electrodo de trabajo, no utilizándose tubos capilares; ya que
la caída óhmica del potencial debido a la resistencia del electrolito no era importante,
puesto que se trabajó con bajas densidades de corriente, no produciéndose interferencias
en la distribución de la misma sobre el electrodo de trabajo en cuestión.
En la obtención de las curvas de polarización se fue variando el potencial en
escalones de igual valor y se espero siempre el mismo tiempo antes de leer la corriente
(90 segundos); potenciostáticamente dentro de los 15 minutos de inmersión, usando un
potenciostato LYP, modelo M 10 (+/– 30 V – 1 A). Primeramente se midió el potencial
a circuito abierto y luego se polarizo catódica y anódicamente a intervalos de 70
segundos entre cada polarización [14].
Una vez obtenidos los valores del potencial electroquímico en mV y los valores de
densidad de corriente en A /cm2 se graficó en un diagrama semilogarítmico el
potencial electroquímico en función del logaritmo de la densidad de corriente.
[14] EG&C, 1980.
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Pedro Simoncini
Extrapolando la porción lineal de las ramas anódica y catódica al potencial de
corrosión, se obtiene la velocidad de corrosión y las constantes  y  de Tafel.
   log( I / I corr )
donde
 : sobrepotencial,  : constante, I : corriente al  , I corr : corriente de corrosión.
La probeta 1 posee una velocidad de corrosión de 3.1 A /cm2, lo que equivale a
16.42 mdd (miligramos por decímetro cuadrado y por día) o a 0.077 mpy (milímetros de
penetración por año).
La probeta 2 posee una velocidad de corrosión de 4.82 A /cm2, lo que equivale a
25.47 mdd o 0.10 mpy. La probeta 3 tiene una velocidad de corrosión de 6.09 A /cm2,
que es igual a 32.05 mdd o 0.14 mpy (Figura Nº 14).
La probeta 4: 1.25 A /cm2, o su 6.61 mdd o 0.03 mpy (Figura Nº 15) y la probeta 5
posee una velocidad de corrosión de 2.30 A /cm2, lo que equivale a 12.15 mdd o 0.06
mpy.
Probeta Nº 3 - agua de mar natural
uA.cm-2
1000
100
Serie1
10
1
150
250
350
450
mV
Figura Nº 14: Velocidad de corrosión de la probeta Nº 3.
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Morfología y comportamiento electroquímico…
Probeta Nº 4 - agua de mar natural
uA.cm-2
1000
100
Serie1
10
1
100
200
300
400
500
mV
Figura Nº 15: Velocidad de corrosión de la probeta Nº 4.
Resultados y Discusión
La reacción catódica esta gobernada por el oxígeno disuelto presente en el agua de
mar no siendo viable la reacción de desprendimiento de hidrógeno.
En la reacción anódica los iones Al3+ forman una película protectora de alúmina. Los
potenciales de corrosión se comportan noblemente en relación a la evolución de
hidrógeno.
La probeta 4 fue la de menor velocidad de corrosión en agua de mar natural;
aventajando a la de mayor velocidad de corrosión, probeta 3, en un 387 %, es decir que
la probeta 4 posee una durabilidad en el tiempo 4 veces superior.
Probeta
1
2
3
4
5
Muestra patrón
Veloc. corrosión
Pérd. de peso
Penetración
A /cm
mdd
mpy
2
3.1
16.42
4.82
25.47
6.09
32.05
1.25
6.61
2.30
12.5
35.3
Tabla Nº 1: Velocidad de corrosión de las diferentes probetas.
0.077
0.10
0.14
0.03
0.06
El hecho que la muestra patrón posea una vida útil inferior al de las probetas
soldadas era previsible, ya que el material de aporte generalmente contiene ínfimos
porcentajes de un elemento muy noble en la serie electromotriz con el fin de elevar el
potencial electroquímico y comportarse en forma catódica (“efecto de área”).
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Pedro Simoncini
Los ensayos mecánicos arrojaron valores conforme a las especificaciones que
establecen las normas internacionales para materiales en estado “así como fundidos”.
La rotura de todas las probetas se produjo en los extremos cercanos a los cabezales
fuera de la zona del metal de soldadura. Se desprende de lo apuntado que los
consumibles son de buena calidad metalúrgica y, como era de esperar, de mayor
resistencia a la rotura por tracción que la aleación base.
En cuanto a la soldabilidad se indica que en el caso del proceso TIG, se probó con
corriente continua, con corriente alterna y con electrodos zirconiados y thoriados,
obteniéndose los mejores resultados soldando con corriente alterna de alta frecuenciaonda balanceada y con electrodo de tungsteno thoriado Ewth2.
En la óptima penetración de raíz se utilizaron bajas velocidades de avance (5 a 7
cm/min) y bajas intensidades de corriente. Se usaron varillas de 1.6 mm de diámetro.
En microscopía los mejores resultados se obtuvieron con cloruro férrico ácido para la
metalografía blanco y negro y con tiosulfato de sodio con preataque de persulfato de
amonio (Beraha 12ª) para la metalografía color. Las microestructuras de la zona
afectada por el calor son similares entre si para las distintas condiciones de soldadura
excepto la de la probeta 4 que es muy diferente (Figuras Nº 5 a Nº 13).
Conclusiones
Se recomienda emplear, para espesores inferiores a 8 mm, el proceso de soldadura
TIG con corriente alterna de alta frecuencia, onda balanceada y electrodo Ewth2; prueba
de ello es que la probeta 4 (menor velocidad de corrosión) fue soldada así.
La resistencia a la tracción y la dureza no son afectadas por el agua de mar natural o
sea que la velocidad de corrosión y por ende el período de vida útil se mantuvieron
constantes.
Si bien el calor aportado en las diferentes condiciones de soldeo y a todas las
probetas no produjo cambios en las microestructuras de la zona afectada por el calor, sí
lo hizo en el metal de soldadura. Se desprende de esto:
Las microestructuras de la zona afectada por el calor indican que las cantidades de
calor aportado no condicionan la velocidad de corrosión.
Esta está relacionada con la composición química del metal de soldadura y con el
proceso de soldadura utilizado.
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Morfología y comportamiento electroquímico…
El reactivo color influye notablemente en la identificación de los constituyentes de la
aleación.
Referencias bibliográficas
-
BERAHA, E., SHPIGLER, B. “Color Metallographic” , ASM, 1977.
-
BREZINA, P. “Complex aluminum bronzes”, Materials Performance
2003.
-
CALLCUT, V. “Metallurgy ofc copper alloys”, C.D.A EE. UU., 2002.
-
CALVO, RODES R. “Prontuario Métalo técnico”, España INTA, 1978.
-
CENOZ I. “Caracterización de cuproaluminios complejos”, Anales de mecánica de
fractura Mexico, 2006.
-
EG&G. “Princeton Applied Research”. Application Note Corrosion, EE.UU., 1980.
-
FRIEND C. “The effect of the aluminum content on the martensite phase in CuAlNi
alloys”, Scripta Metallurgic EE. UU., 1989.
-
GOLZAN, L. “Phase transformations in cast aluminum bronze”, Journal Materials
Science Inglaterra, 1988.
-
GONZÁLEZ, J. “Mecánica de Fractur”a, Limusa México, 2004.
-
GUIDANCE. “Manual for Bronzes Propeller Casting”, A.B. of Shipping EE. UU.
-
PADILLA, E. “Influencia de los microaleantes en los bronnces”, Revista. de
Ingeniería Metalúrgica, España, 2008.
-
PETZOW, G. “Metallographic Etching”, ASM, 1975.
-
THOMSON, J. “The kappa phase in aluminum bronze”, AFS Transactions EE.
UU., 1988.
-
WEILL P., COULY P. “Le bronze aluminium et ses applications”, Revista
Metallurgie XV, Francia, 1975.
EE. UU.,
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Pedro P. Simoncini. Es Ingeniero Químico y Magíster en Ciencias de los Materiales. Realizó
varios cursos de posgrado sobre temas de corrosión. Participó como expositor en congresos y
jornadas de nivel nacional e internacional y ha realizado numerosas publicaciones en temas
específicos de corrosión. Es miembro permanente del Subcomité de normas IRAM y miembro
permanente de la Comisión Argentina-Alemana para la investigación de causas de corrosión.
Dictó varios cursos en la Armada Argentina. Es Jefe del Laboratorio Químico de la Sección
Laboratorios del Arsenal Puerto Belgrano (ARPB), Jefe del Laboratorio de Corrosión, Subjefe
de la División Control de la Calidad del ARPB y Jefe de la Sección Corrosión y Protección del
ARPB. Es maestro de adultos, docente secundario y terciario. Está becado por el Instituto de
Electroquímica y Corrosión de la Universidad Nacional del Sur (UNS). Es investigador de la
UNS y de la Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Bahía Blanca.
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