Corrosión por rendija en acero para moldes y matrices
La corrosión por rendija es el ataque que ocurre en un espacio demasiado estrecho para verlo y demasiado abierto para mantenerse seco. En un molde se manifiesta como un anillo de picaduras bajo una junta tórica, una línea de ataque a lo largo de un tapón roscado o una erupción de picaduras bajo una capa de óxido. El acero de la cavidad está bien. El acero de la rendija no. Esta página cubre por qué una geometría ocluida es más agresiva que una superficie abierta, por qué los grados inoxidables son los que más frecuentemente la sufren y qué elimina el riesgo.
Una superficie ocluida es un entorno diferente
La corrosión por rendija ocurre donde una superficie metálica humedecida se encuentra en proximidad cercana a otra superficie. En rendijas reales, la separación promedio, que la fuente llama la holgura, está típicamente entre 0,1 y 100 micrómetros, y la holgura no es uniforme a lo largo de su longitud. Está determinada por los puntos donde las asperezas de las dos superficies se encuentran, por lo que la separación local varía a lo largo de la rendija y puede incluir zonas de contacto íntimo. Por eso una rendija preparada en laboratorio es una idealización de la real, y por eso la holgura nominal de una probeta de ensayo es solo un promedio.
La consecuencia de la geometría estrecha es un problema de transporte. Dentro de la holgura la solución no puede intercambiarse libremente con el fluido masivo, por lo que las reacciones que constituyen la corrosión no pueden mantenerse en equilibrio con él. Las reacciones anódica y catódica se separan, las especies disueltas se concentran, el pH local cambia, y los cambios se mantienen en lugar de mezclarse. El resultado es la apariencia característica que la fuente describe en sus ejemplos. El ataque se acelera bajo el formador de rendija y la superficie totalmente expuesta inmediatamente fuera de ella casi no muestra nada, porque esa superficie expuesta funciona como cátodo en lugar de disolverse. El ataque dentro de la holgura suele aparecer como corrosión uniforme o como picaduras, y en algunos casos se cree que comienza como picaduras metaestables que se coalescen en un frente más amplio.
La velocidad no es constante. La corrosión por rendija típicamente comienza a alta velocidad y luego se desacelera a medida que el entorno ocluido alcanza un estado estacionario frente a las condiciones de la superficie exterior. Sin embargo, no se detiene. La fuente sitúa el rango de estado estacionario en 25 a 250 micrómetros por año, que es de una a diez milésimas de pulgada por año, y esa es una velocidad que perforará la pared de un canal de enfriamiento dado suficiente tiempo y suficientes paradas y arranques.
Las variables que deciden cuán severo se vuelve el ataque no son todas geométricas. La tabla siguiente recoge las que la fuente identifica, con la dirección de cada efecto, porque varias de ellas pueden cambiarse en un molde existente sin tocar el acero.
| Variable | Qué hace | Dirección |
|---|---|---|
| Holgura entre las dos superficies | Cuanto más estrecha la rendija, más severo el ataque. La fuente da una separación promedio típica en rendijas reales de entre 0,1 y 100 micrómetros | Una holgura menor lo empeora |
| Profundidad y longitud de la rendija | Junto con la holgura, estas dos dimensiones gobiernan la iniciación y la propagación, y determinan cuán difícil es para la solución masiva alcanzar la superficie interior | Más larga y profunda lo empeora |
| pH masivo | Una solución masiva más alcalina tiende a alargar el tiempo hasta la iniciación, porque los aniones agresivos tardan más en concentrarse lo suficiente para despasivar el metal | Más alcalina lo retrasa |
| Potencial de la pieza | Potenciales más anódicos exacerban la corrosión por rendija. El potencial puede provenir de un oxidante disuelto como oxígeno, cloro u ozono, o de un acoplamiento galvánico a un metal más noble | Un potencial mayor lo empeora |
| Temperatura | El aumento de temperatura es el acelerante único más claro, por lo que es la base de los ensayos acelerados. Las aleaciones de titanio no muestran corrosión por rendija por debajo de 70 C (158 F) | Más caliente lo empeora |
| Flujo a través de la rendija | El flujo inhibe la iniciación, porque dificulta que el entorno agresivo se acumule en la región ocluida en primer lugar | El flujo a través de ella ayuda |
| Níquel, cromo, molibdeno y nitrógeno en la aleación | Los cuatro aumentan la resistencia, y el cromo, el molibdeno y el nitrógeno son los potentes, con interacciones beneficiosas entre ellos | Más de ellos es mejor |
| Fracción de la superficie que es pasiva | La mayor parte de la superficie debe ser pasiva para que la corrosión por rendija importe en absoluto, porque el área expuesta debe funcionar como cátodo neto para impulsar el ataque en el interior | Una superficie pasiva es la precondición |
Las variables que la fuente identifica como controladoras de la corrosión por rendija, con la dirección de cada efecto. Recopilado de las secciones de factores críticos y entorno del artículo.
Dónde están las rendijas en un molde
Casi cualquier ensamblaje diseñado contiene lugares donde dos materiales están, por diseño, mantenidos en proximidad cercana, y un molde tiene más que la mayoría. Un circuito de enfriamiento es una serie de perforaciones que deben taponarse, unirse y sellarse, y cada una de esas uniones es candidata. La tabla siguiente expone las configuraciones que importan en el hardware de moldes, por qué cada una retiene electrolito y la contramedida. La última fila es la que se pasa por alto, porque un depósito es en sí mismo un formador de rendija y una capa de óxido bajo una pieza moldeada puede mantener la solución agresiva contra el acero durante meses.
| Dónde se forma | Por qué el electrolito permanece en ella | Qué se hace al respecto |
|---|---|---|
| Pared del canal de refrigeración junto a un tapón roscado o racor | La rosca es un largo espacio helicoidal. El agua permanece en la raíz de la rosca y deja de moverse, mientras que el taladro del canal transporta el flujo a su alrededor | Selle el tapón con una cara de junta tórica en lugar de sobre la rosca, y renueve el circuito entre turnos |
| Ranura de junta tórica y la cara detrás de ella | La ranura está abierta al agua por un lado y cerrada por el otro. La junta solo sella en su línea de contacto, no en toda la ranura | Mantenga la ranura limpia y sin picaduras, y use una junta especificada para la temperatura de servicio |
| Línea de partición y caras de cierre | Dos caras se encuentran bajo fuerza de cierre y dejan una holgura en el rango donde una grieta puede retener líquido después del lavado | Seque las caras después del lavado, y evite agentes desmoldantes a base de agua que se acumulen sobre ellas |
| Asiento de inserto y caras de unión atornillada | Un inserto atornillado o encogido y su asiento forman una junta solapada con acceso capilar a la humedad | Selle la junta o hágalo continuo, y revise las caras del asiento en lugar de solo la cavidad |
| Bajo una capa de óxido, incrustación o depósito de polímero | Un depósito es su propio formador de grieta. Protege el metal debajo del oxígeno mientras el fluido general aún lo alcanza en los bordes | Elimine los depósitos con un método que retire la capa, no uno que solo la afloje |
| Entre dos metales diferentes en el mismo circuito | La holgura retiene electrolito y el par galvánico suministra un potencial elevado al mismo tiempo | Aísle la junta, o reduzca el potencial evitando metales nobles |
Geometrías de grieta que ocurren en moldes y troqueles, por qué cada una retiene electrolito, y la contramedida. Las geometrías son los casos de planta descritos en la fuente, aplicados al herramental de moldes.
Por qué los grados inoxidables son los afectados
Existe una precondición que explica el patrón de fallas. Para que la corrosión por grieta importe, la gran mayoría de la superficie debe ser pasiva, porque el área expuesta fuera de la holgura debe servir como cátodo neto para impulsar la alta tasa de disolución que ocurre dentro de ella. Un acero que se corroe activamente en toda su superficie no desarrolla un problema de grieta, porque no genera la diferencia de potencial en primer lugar. Los aceros inoxidables son ampliamente reconocidos como susceptibles precisamente porque se pasivan bien, y lo mismo ocurre con las aleaciones base de níquel, titanio y aluminio que dependen de la pasivación para su protección. Un acero para moldes elegido por su resistencia a la corrosión es, por lo tanto, candidato al ataque por grieta de una manera en que un acero al carbono simple no lo es.
La aleación ayuda, y ayuda en una combinación específica. Las adiciones de níquel y cromo elevan la resistencia, y el molibdeno y el nitrógeno la elevan aún más, siendo el cromo, el molibdeno y el nitrógeno los potentes y con interacciones beneficiosas entre los tres. Las aleaciones de titanio son las más resistentes de las familias que discute la fuente, y aun así no son inmunes. No muestran corrosión por grieta por debajo de 70 C (158 F), y se reporta que alear titanio con pequeñas cantidades de molibdeno, níquel o paladio mantiene esa resistencia hasta casi 200 C (392 F) en una solución de cloruro férrico al 10%. La lectura práctica para un molde es que donde la temperatura de operación está muy por debajo del umbral para el grado en cuestión, la grieta puede permanecer inactiva, y donde el circuito funciona caliente, la misma geometría que era inofensiva en un molde frío se convierte en un sitio activo.
Temperatura, y el número con el que diseñar
El aumento de temperatura es el acelerante individual más claro para la corrosión por grieta, por lo que constituye la base de las pruebas aceleradas. Someter una probeta con grieta a un potencial aplicado constante mientras la temperatura se programa en ascenso da una transición muy marcada y reproducible, y la temperatura en esa transición es la temperatura crítica de grieta. Se mide de la misma manera que la temperatura crítica de picadura, y queda por debajo de ella para la misma aleación, porque una grieta necesita una temperatura más baja para activarse que una superficie abierta. Ese orden es la razón por la que un molde con una junta con empaque puede picarse a una temperatura donde la superficie de la cavidad está inactiva.
El otro número que vale la pena tener es el potencial de repasivación. Se determina iniciando deliberadamente la corrosión por grieta a un potencial aplicado alto y luego encontrando el potencial más alto al cual el material puede recuperarse, y la fuente reporta que cuando se usa un potencial de repasivación medido adecuadamente, mantener el potencial de circuito abierto de la pieza por debajo de él previno cualquier iniciación hasta al menos tres años en la prueba que cita. Esa es una afirmación más fuerte que una clasificación, porque convierte una medición de laboratorio en un límite operativo. Donde un circuito de refrigeración puede mantenerse por debajo de ese potencial, la geometría deja de ser el factor decisivo.
Cómo se prueba y clasifica la corrosión por grieta
La ruta estándar es una exposición a cloruro férrico, que concentra el cloruro a un pH bajo y usa el par de iones férrico y ferroso para suministrar el potencial elevado que el mecanismo necesita. Se convierte en una prueba de grieta en lugar de una prueba de picadura cuando se presiona un formador de grieta sobre la probeta. Para hacer el resultado comparable entre coladas y entre proveedores, la prueba a menudo se realiza con un ensamble de grietas múltiples, en el cual una arandela dentada proporciona hasta 20 sitios posibles de corrosión en cada lado de la probeta y se aplica un torque consistente a varias muestras réplica. Eso da una base estadística para una comparación en lugar de una sola observación.
| Método | Qué produce | Cómo funciona |
|---|---|---|
| Exposición a cloruro férrico con un formador de grieta | Una clasificación de aprobado o reprobado entre materiales | Una solución de alto cloruro y bajo pH en la que el par de iones férrico y ferroso suministra un potencial elevado, con una arandela presionada sobre la probeta |
| Ensamble de grietas múltiples | Una base estadística para comparar aleaciones | Una arandela dentada da hasta 20 sitios posibles en cada lado de la probeta, y un torque consistente aplicado a varias muestras réplica hace comparables los resultados |
| Prueba electroquímica de temperatura crítica de grieta | La temperatura crítica de grieta, CCT | Se aplica un potencial positivo constante mientras la temperatura se programa en ascenso, y se monitorea la corriente necesaria para mantener ese potencial hasta que sube bruscamente |
| Potencial de repasivación mediante un ASTM F 746 modificado | El potencial más alto al cual el material se repasiva | La corrosión por rendija se inicia bajo condiciones controladas a un potencial aplicado alto, luego el potencial se reduce por pasos para encontrar dónde se recupera el material |
El ensayo describe las rutas que la fuente indica para clasificar la resistencia a la corrosión por rendija y para fijar un límite operativo. El potencial de repasivación determinado de esta manera se presenta como un criterio de diseño de ingeniería en lugar de un número de cribado.
Existe una relación directa entre la corrosión por rendija y la picadura que es útil al interpretar una falla. Una combinación de material y ambiente que causa picadura también puede causar corrosión por rendija, y ambas comparten su electroquímica, su química ocluida y su morfología. Lo que difiere es el umbral. Si un grado es conocido por ser marginal en picadura a un nivel dado de cloruro, será peor en una rendija a la misma temperatura. El lado de picadura del mismo mecanismo se cubre en Corrosión por picadura en acero para herramientas y moldes.
Qué elimina el riesgo en un molde
La fuente sitúa la primera medida antes de cualquier selección de material, y vale la pena seguir ese orden. Si el electrolito puede excluirse rigurosamente de la holgura, la corrosión por rendija no es posible, porque se ha eliminado uno de los requisitos para la corrosión. Eso es una afirmación sobre la geometría y sobre el sellado, no sobre la aleación, y ningún cambio de grado lo logra. Cuando no puede mantenerse la exclusión completa, y en la práctica generalmente no puede, el ataque debe gestionarse en lugar de eliminarse, que es lo que hacen las medidas siguientes.
| Medida | Por qué funciona | Dónde se aplica |
|---|---|---|
| Eliminar la rendija en lugar de mejorar el material | Si el electrolito puede mantenerse rigurosamente fuera de la holgura, al mecanismo no le queda ningún requisito, y ningún cambio de aleación logra el mismo resultado | Primera opción en la etapa de diseño |
| Soldaduras continuas en lugar de soldaduras intermitentes o por puntos | Una soldadura continua elimina el canal de extremos abiertos entre las placas que deja una soldadura por puntos | Camisas fabricadas y colectores de agua |
| Drenar y secar el circuito durante el almacenamiento y la parada | Una superficie seca rompe la trayectoria del electrolito, y se reporta que el flujo a través de la rendija por sí mismo inhibe la iniciación | Almacenamiento de moldes y períodos largos de inactividad |
| Evitar el estancamiento en superficies externas y alrededor de las conexiones | La superficie externa debe permanecer catódica para que la rendija sea fuertemente impulsada, y una superficie externa mojada lo proporciona | Disposición externa y aislamiento |
| Seleccionar el sello por la temperatura, no por el estándar del taller | La temperatura es el acelerante más claro, por lo que un sello que se endurece y pierde contacto a la temperatura de servicio abre la rendija que debía cerrar | O rings, juntas y sellos frontales |
| Evitar que el acero inoxidable y el acero al carbono en un par sean la peor combinación | El acoplamiento galvánico a un material más noble es una de las dos formas en que se eleva el potencial | Conjuntos y conexiones de metales mixtos |
| Limpiar el depósito, no solo la cavidad | Un depósito es un formador de rendija por sí mismo, y las capas de polímero u óxido protegen el metal subyacente del oxígeno | Mantenimiento y cambio de molde |
Medidas de diseño y operación para la corrosión por rendija, siguiendo el orden que la fuente usa en su artículo de diseño para minimizar la corrosión. Eliminar la geometría va antes que cambiar la aleación.
Dos de esas medidas conllevan una advertencia de la propia fuente, y ambas apuntan en la misma dirección. La convección normalmente se ignora en la corrosión por rendija porque la geometría la restringe, por lo que un goteo lento a través de un canal no necesariamente renueva la holgura como renueva el taladro. Y se reporta que el flujo a través de una rendija inhibe la iniciación, pero solo donde el flujo realmente pasa a través de la holgura en lugar de pasar por su boca. Un canal de enfriamiento que se drena y se rellena entre turnos hace más por la rendija que uno que solo se mantiene lleno. La selección de grado que subyace a todo esto está en aceros para moldes de plástico y la tabla de clasificación de propiedades del acero para moldes, las opciones de acero inoxidable están en la tabla de propiedades del acero inoxidable martensítico y acero inoxidable 4Cr13, la referencia cruzada entre marcas de acero para moldes importados está en la referencia cruzada de acero para moldes importados, y el lado de mecanizado y acabado está en datos de procesamiento de acero para moldes.
Antes de actuar sobre un diagnóstico de corrosión por rendija
Una página de referencia, no es una especificación de Aobo Steel, y el rango de holgura, las velocidades y las temperaturas anteriores son los valores publicados para las aleaciones, ambientes y disposiciones de ensayo específicos nombrados. Una rendija preparada en laboratorio es una idealización, y la holgura en una junta real atornillada o roscada varía a lo largo de su longitud de una manera que ninguna cifra nominal captura. Las temperaturas críticas y los potenciales de repasivación son propiedades de la condición superficial y la solución específicas que se ensayaron, no del nombre del grado. Confirmar la geometría antes de reemplazar un acero, porque la medida más efectiva en todos los casos es eliminar la holgura en lugar de cambiar el material.
Fuente: ASM Handbook, Volume 13A, Corrosion: Fundamentals, Testing, and Protection, ASM International, 2003.