Corrosión

INTRODUCCIÓN A LA CORROSIÓN 

La corrosión en los aceros es un campo complejo, ya que no depende de una sola variable. En el caso de los aceros que estarán sometidos a esfuerzos, con la consiguiente generación de sus correspondientes tensiones internas, como es el caso de las arandelas belleville, esto es aun más complejo. Los efectos corrosivos debido a su situación en el medio ambiente se verán acelerados por estar el material bajo la influencia de tensiones internas. Cuanto más altas estas tensiones, mayor velocidad tendrá el proceso.

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“La corrosión es el ataque destructivo de un  metal por reacción química o electroquímica con su medio ambiente”

CAUSAS DE LA CORROSIÓN 

Aunque las causas que afectan a la corrosión son muy variadas, podemos centrarnos en tres tipos:

  • Los agentes corrosivos: es decir el medio en el que debe trabajar el muelle. Puede ser agua de mar, ácido, gas o simplemente estar expuesto al exterior, con el ataque del aire y el agua de lluvia. Aunque no será lo mismo un medio ambiente cercano al mar, que uno que no lo es. Serán importantes los componentes o la mezcla de los mismos, así como su concentración.
  • La temperatura: Para un mismo agente corrosivo, los efectos de la corrosión variarán en función de la temperatura y afectarán de forma diferente a las distintas soluciones anticorrosivas. Normalmente, a mayor temperatura el proceso se acelera.
  • Tensión y fatiga: El comportamiento de los diferentes materiales o recubrimientos frente a la corrosión varía sustancialmente cuando estos están sometidos a tensión. Las tensiones y el rozamiento entre los materiales, facilitan el desgaste de los recubrimientos en las zonas de contacto, facilitando la penetración del agente corrosivo con el acero. Así mismo, las tensiones y la fatiga provocan la formación de grietas en los materiales, dando origen a la rotura de las piezas.

El efecto de cada uno de estos factores, se ve además influenciado por los otros dos. Aquí radica, por tanto la complejidad para predecir la corrosión en una situación concreta, ya que es difícil encontrar dos situaciones idénticas. En base a la experiencia, podemos analizar que la protección anticorrosiva puede ser más eficaz, pero tan solo el ensayo real, determinará el alcance de la protección.

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En esta parte, no debemos olvidar la corrosión galvánica, la cual siempre debe ser tenida en cuenta a la hora de seleccionar los materiales y recubrimientos de nuestra aplicación para evitar su incidencia.

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Corrosión galvánica: se produce cuando dos metales de distinta actividad electroquímica están en contacto entre sí. En este caso, existe una diferencia en potencial eléctrico entre los metales de tal forma que el flujo de corriente corroe uno de los metales del par formado.

Los metales distintos entre sí, actúan uno de ellos como ánodo y el otro como cátodo.  Mientras más grande es la diferencia de potencial entre los metales, mayor es la probabilidad de que se presente la corrosión galvánica debiéndose notar que este tipo de corrosión sólo causa deterioro en uno de los metales.

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El ataque galvánico puede ser uniforme o localizado en la unión entre aleaciones, dependiendo de las condiciones. La corrosión galvánica puede ser particularmente severa cuando las películas protectoras de corrosión no se forman o son eliminadas por erosión. Para reducir este tipo de corrosión se puede utilizar películas protectoras de óxidos o  también aislando un metal de otro.

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Este tipo de corrosión debe ser tenida en cuenta a la hora de seleccionar una solución basada en recubrimientos en arandelas belleville, dependiendo de la aplicación y la duración esperada. Como las fuerzas entre los muelles de platillos se aplican sobre zonas muy estrechas, las presiones y la fricción que se generan en éstas zonas pueden ser muy altas. Dependiendo del tipo de recubrimiento, puede afectar a su duración.

En el caso de los recubrimientos con base de Níquel, si se producen daños sobre el recubrimiento, estos resultan en una corrosión mayor debido a la alta diferencia de potencial en la serie electroquímica.

 SOLUCIONES A LA CORROSIÓN

Las soluciones para prevenir la corrosión son diversas, aunque básicamente tendríamos dos opciones:

  • El uso de aceros inoxidables.
    • Más eficaz y duradera (en general)
    • Normalmente es más caro
  • La aplicación de recubrimientos protectores sobre el acero estándar.
    • Menor duración (en general)
    • Más económica (depende de cantidad y tipo de piezas)

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Aunque inicialmente podríamos decir, que la mejor opción sería el uso de aceros inoxidables, esto no siempre es así. En determinadas circunstancias, una protección puede ser más efectiva, que un material inoxidable. Esto es debido a que, como hemos dicho antes, la corrosión depende de un cúmulo de variables, que imposibilita que un único agente protector (material o recubrimiento) sea siempre eficaz. Además en una aplicación práctica, deberemos considerar también el costo de la solución, que en función del tipo de pieza o de la cantidad necesaria, nos puede hacer variar la mejor opción.

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MATERIALES INOXIDABLES

Hay diversos aceros inoxidables, que por sus propiedades, son adecuados para fabricar arandelas belleville DIN 2093 y arandelas de presión DIN 6796. Las propiedades elásticas de estos aceros difieren de las de los aceros estándar de muelles de platillo (51CrV4 y CK67). Este aspecto se debe tener en cuenta en los cálculos, variando el módulo de elasticidad, si seleccionamos un acero inoxidable para nuestros muelles.

Los materiales más comunes son el 1.4310 (AISI 301), para arandelas cuyo grosor no supere los 2 mm y el 1.4568 (AISI 631) para todos los espesores de la serie DIN 2093. Este segundo, el 1.4568 presenta además una mejor tolerancia a la temperatura. Sin embargo si la exigencia en cuanto a corrosión y temperatura son extremas la opción más común es el Inconel 718, el cual además es una aleación no magnética. Esta última opción es la de mayor costo, por lo que solo se emplea cuando las características de los dos primeros aceros no son suficientes para nuestra aplicación y el costo está justificado.

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Detallamos a continuación sus principales características:

1.4310 (AISI 301) X10CrNi18-8

Acero inoxidable para arandelas belleville. Din 17.224. Utilizado en piezas con espesor hasta 2,0 mm.

Rango térmico:

  • -200ºC a +100ºC

Módulo de elasticidad:

  • 190 KN/mm a 20ºC
  • 185 KN/mm a 100ºC


1.4568 (AISI 631) X7CrNiAl17-7

También conocido como 17-7PH. Acero inoxidable para arandelas belleville. Din 17.224. Adecuado para la fabricación de muelles en cualquier espesor. No recomendable en aplicaciones con presencia de cloruro o fluoruro. En situaciones cercanas a entornos marinos, puede ser recomendable la aplicación de un recubrimiento de níquel plata. Muy adecuado para aplicaciones criogénicas.

Rango térmico:

  • -200ºC a +350ºC

Modulo de elasticidad:

  • 200 KN/mm a 20ºC
  • 195 KN/mm a 100ºC
  • 185 KN/mm a 200ºC
  • 175 KN/mm a 300ºC
  • 165 KN/mm a 400ºC

2.4668 (Inconel 718) NiCr19NbMo

Aleación de Níquel para arandelas belleville (no magnética). Din 65021. Es una de las opciones en materiales disponibles, con mejores propiedades anticorrosivas sin necesidad de ninguna protección adicional.

Rango térmico:

  • -260ºC a +700ºC

Módulo de elasticidad:

  • 200 KN/mm a 20ºC
  • 195 KN/mm a 100ºC
  • 190 KN/mm a 200ºC
  • 184 KN/mm a 300ºC
  • 178 KN/mm a 400ºC
  • 172 KN/mm a 500ºC
  • 167 KN/mm a 600ºC
  • 160 KN/mm a 700ºC

Además de estas tres opciones, hay otros materiales, que también son adecuados para la fabricación de arandelas bellevilles, como por ejemplo:

  • X4CrNiMo17-12-2 ( 1.4401)
  • NiCr20Co18T (Nimonic 90)
  • X35CrMo17 (1.4122)
  • NiCr15Fe7TiAl (Inconel X750)
  • Co40, Ni26, Cr12, Mo, W, Ti, Al, Bal, Fe (Duratherm 600)
  • CuBe2 (cobre de berilio 2.1247)
  • TiAl6V4 (3.7165)

 

Sin embargo, el hecho de no ser tan comunes, desaconseja su uso ya que normalmente suponen una solución más cara y con plazos de entrega más largo. Los muelles fabricados en estos últimos materiales, no son estándar y requieren siempre una producción especial. 

RECUBRIMIENTOS ANTICORROSIÓN

Las protecciones anticorrosivas son un método frecuente de prevenir la corrosión en las arandelas belleville. Este método, en general suele ser más económico que el uso de arandelas de acero inoxidable. No obstante su costo dependerá del tipo de recubrimiento y de la cantidad de piezas necesarias. Habitualmente esta solución suele ser menos efectiva que el uso de materiales inoxidables, aunque en muchos casos, se trata de una protección más que suficiente, por lo que su uso es muy habitual en la industria.

Debe tenerse en cuenta también que en las arandelas belleville se generan presiones muy altas en zonas muy estrechas de las piezas. Esto conlleva un riesgo, sobre todo en las aplicaciones dinámicas, ya que el recubrimiento de la pieza puede desgastarse o agrietarse con el tiempo en las zonas de máxima tensión. En el caso de recubrimientos con base de níquel, el riesgo es mayor, ya que en el caso de producirse estas grietas, la alta diferencia de potencial en la serie electroquímica, respecto al acero del muelle, puede provocar corrosión galvánica, acrecentando la degradación de la pieza.

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En casos de corrosión motivada por ataques fuertes de agentes químicos, puede tener más sentido el uso de un material inoxidable resistente a ese tipo de corrosión (Inoxidable ó Aleación de Níquel según lo extremo del caso). Sobre todo en aquellos casos en los que el fallo del muelle provoque altos costos de desmontaje y montaje ó fallos catastróficos en el sistema.


Tipos de recubrimientos

En la siguiente tabla, podemos ver las características de los recubrimientos más comunes:

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Recubrimientos anticorrosión para arandelas Belleville.

Al igual que con los materiales inoxidables, no existe un recubrimiento que sea el más adecuado para todo, aunque si hay algunos recubrimientos que son los de uso más común. El Galvanizado y el Geomet son los más recomendables y prácticos. Además la relación costo / calidad de la solución suele ser muy adecuada. Geomet dura más, pero puede ser más caro, mientras que el galvanizado es un proceso muy común y de costo más adecuado, aunque si las cantidades son grandes los costos de ambos recubrimientos se equiparan. Por otro lado, el Níquel Plating ofrece muy buenas prestaciones en determinados entornos de corrosión, aunque presenta algunos inconvenientes en su aplicación sobre arandelas belleville, especialmente en aplicaciones dinámicas. Es por este motivo, que el galvanizado y el geomet, son los recubrimientos más habituales para los mueles de platillo.

En la siguiente tabla, podemos ver el resultado de estos recubrimientos en un ensayo de niebla salina, realizado conforme a DIN 50.021. Es importante hacer notar, que en este ensayo las piezas no están sometidas a tensión alguna, y simplemente la corrosión es debido a su exposición al medio indicado en el ensayo.

Ensayo de niebla salina en recubrimientos anticorrosión de arandelas Belleville 

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El método más comúnmente utilizado para la protección de la corrosión en muelles de platillos fabricados en acero de baja aleación, es el denominado Zinc Phosphate cuyos poros son cerrados ó tapados con un aceite de protección anticorrosiva. Este método es muy útil para la conservación de las arandelas durante el transporte y el almacenaje. La cera y las grasas son otro tipo de protección que nos ofrece un resultado aceptable en exteriores, siempre que sea bajo techo. Sin embargo si queremos un recubrimiento para evitar la corrosión durante el uso de la pieza en entornos corrosivos, deberemos emplear otra protección:

Los recubrimientos en base de Zinc para piezas en acero son uno de los métodos más eficaces, por lo que es de los más usados desde hace años.
Pintura rica en zinc: Se utiliza para muelles grandes y/o para pequeñas cantidades, ya que es algo simple que puede hacer el mismo cliente. Un factor decisivo en su acción anticorrosiva es el agente de enlace utilizado así como el espesor del recubrimiento.

Galvanizado: Es el método más frecuentemente utilizado para proteger muelles de platillos, aplicado mediante el sistema denominado Ball Plating (Mechanical Plating). El primer paso de éste método es limpiar las piezas mediante inmersión (electrólisis) para luego aplicar una delgada capa de polvo de Cobre. Las piezas son luego removidas dentro de un recipiente con el polvo de Zinc y bolas de vidrios de diferentes tamaños. Después de un cierto periodo de tiempo, el tratamiento se interrumpe, confirmando que el 95-98% del Zinc agregado se ha depositado en las piezas. Las piezas son luego cromatizadas en una solución para éste fin. La efectividad del recubrimiento de cromado disminuye a temperaturas superiores a 60ºC.
Este tipo de recubrimiento, presenta un riesgo si el proceso no se realiza por expertos. Existe el riesgo, de que se introduzca hidrógeno en las piezas, lo cual las fragilizaría. Si el proceso se realiza correctamente, la cantidad de hidrógeno introducida es mínima, por lo que evitamos el problema. Sin embargo, es algo a tener presente, sobre todo en aplicaciones dinámicas.

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Dacromet 320: Es un método anticorrosivo desarrollado en USA y aplicado bajo licencia por varias firmas dedicada a la aplicación de terminaciones superficiales. Dacromet es una fina capa de recubrimiento con base de Zinc y Aluminio aplicada en la pieza a tratar a través de una solución cromatada. Después de un tratamiento a 300ºC (curado) resulta que se logra una capa firmemente adherida que contiene Cromo VI. Ofrece una buena protección anticorrosiva, como podemos ver en el ensayo de spray salino que aparece más abajo.
Este recubrimiento además tiene una resistencia térmica de 300ºC. Hay que considerar respecto a la resistencia térmica, que esta vendrá limitada por el acero del muelle, el cual solo soporta hasta 100ºC. Las temperaturas superiores a 100ºC solo serían admisibles en el caso que el muelle trabajara en estático y con poca exigencia (20%-30%). Por otro lado si usáramos un acero resistente al calor como el H13, si que podríamos trabajar a esta temperatura y obtendríamos un muelle resistente a corrosión y temperatura.

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Con este tipo de recubrimiento no se presenta la problemática de fragilidad inducida por el hidrógeno como puede ocurrir en un galvanizado.

(Este método ya no se suele utilizar habitualmente y ha sido reemplazado por el siguiente en nuestra lista).

Geomet 321: Es un desarrollo adicional basado en el antiguo Dacromet, el cual se encuentra libre de Cromo trivalente y hexavalente y por lo tanto cumple con la más reciente legislación medioambiental. En las pruebas de niebla salina, obtenemos resultados similares al Dacromet, y al igual que él, nos ofrece una alta resistencia térmica y ausencia de hidrógeno. Es uno de los recubrimientos más eficaces.

Recubrimientos de Poliamida: La aplicación más común de este recubrimiento en arandelas belleville es para trabajos con exposición al medio ambiente. Debido a la baja dureza superficial de la poliamida y a variación de espesores que se produce en su aplicación, éste tipo de recubrimientos solo se recomienda para aplicaciones estáticas.
Para piezas con peso inferior a 90 gramos, se suele usar un método alternativo llamado Minicoat, en el cual las piezas se calientan en un horno continuo y luego se arrojan dentro de un baño de polvo plástico. El calor almacenado en las piezas hace que el polvo plástico se adhiera a la misma. El espesor del recubrimiento que se consigue con este sistema varía en función del calor almacenado en la pieza. Las piezas más grandes se suelen recubrir mediante la aplicación electrostática de spray en polvo.

Láminas ó Capa de Níquel, (Níquel Plating): Este recubrimiento es adecuado tanto como protección anticorrosiva, como protección al desgaste. Así mismo se emplea también por razones estéticas. El proceso crea una aleación de Níquel-Fósforo como material de recubrimiento. El comportamiento de éste recubrimiento es influenciado por el porcentaje de fósforo. Con un contenido de entre el 10-13 % de fósforo, conseguimos la mejor resistencia a la corrosión y la mejor ductibilidad. Si disminuimos el porcentaje de fósforo conseguimos más resistencia a la abrasión pero menos resistencia a la corrosión.

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En este tipo de recubrimiento, como ya apuntábamos más arriba, se debe poner especial énfasis en el procedimiento, para evitar que se cree hidrógeno dentro de las piezas. El hidrógeno afecta a las piezas, volviéndolas frágiles e incrementando en gran medida la posibilidad de que se fracturen. Por esta razón no es un tratamiento adecuado para aplicaciones dinámicas con muelles DIN 2093, ni para aplicaciones estáticas pero muy exigidas (>30%). Sin embargo puede ser efectivo en aplicaciones estáticas con flange washer y arandelas de presión, en las que el riesgo de rotura es mucho menor.