Table 1. Chemical composition of the martensitic stainless steel
SINERGISMO EROSIÓN-CORROSIÓN EN UN ACERO INOXIDABLE MARTENSÍTICO AISI 410
EROSION-CORROSION SYNERGISM OF AN AISI 410 MARTENSITIC STAINLESS STEEL
DIANA LÓPEZ
Escuela de Ingeniería Mecatrónica,
Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, dmlopez3@unal.edu.co
ANDRÉ
PAULO TSCHIPTSCHIN
Departamento
de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Escola Politécnica da Universidade de
São Paulo, Brasil antschip@usp.br
NEUSA ALONSO FALLEIROS
Departamento
de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Escola Politécnica da Universidade de
São Paulo, Brasil neusa.alonso@poli.usp.br
Recibido para revisar mayo 30 de 2008, aceptado diciembre 15 de 2008, versión final enero 21 de 2009
RESUMEN: En este trabajo se evalúa el comportamiento de un acero inoxidable martensítico AISI 410 sometido a condiciones de desgaste de erosión-corrosión. Los ensayos de desgaste se realizaron en muestras templadas y revenidas, en un equipo de chorro de baja velocidad, en el que se acopló un potenciostato para obtener curvas de polarización potenciodinámica con el electrolito en reposo, en condiciones de flujo y en erosión-corrosión adicionando partículas de cuarzo al electrolito. Adicionalmente se realizaron mediciones de pérdida de masa en condiciones de erosión y erosión-corrosión. La topografía de las superficies se evaluó usando microscopía óptica y electrónica de barrido. Esta información, conjuntamente con los resultados de pérdida de masa y de los ensayos electroquímicos, se usó para establecer los mecanismos de degradación del material en las diferentes condiciones de ensayo. De los resultados obtenidos en este trabajo se observó que el sinergismo es una parte muy significativa de la degradación de este acero (66.5%) y que el proceso fundamental de remoción de material puede clasificarse como corrosión acelerada por erosión.
PALABRAS CLAVE: Aceros inoxidables, erosión-corrosión, sinergismo.
ABSTRACT: In this work, the behavior of an AISI 410 martensitic stainless steel under corrosion-erosion conditions is evaluated. Quenched and tempered samples were used for the wear test, using a low velocity jet-like device connected to a potentiostat. Potentiodynamic polarization curves were obtained with the electrolyte in static state, with flow conditions and under corrosion-erosion, adding quartz particles to the electrolyte. In addition, mass loss measurements under erosion and corrosion-erosion conditions were carried out. The topography of the surfaces was examined after the wear tests, using optical and scanning electron microscopy. This information, together with the results of mass losses and the electrochemical tests were used to establish the degradation mechanisms of the stainless steels under different testing conditions. The results showed that synergism is a significant part of the degradation process of this steel (66.5%) and that the mass removal process of steel was controlled by corrosion assisted by erosion.
KEYWORDS: Stainless steels, erosion-corrosion, synergism.
1. INTRODUCCIÓN
El fenómeno de erosión-corrosión se encuentra comúnmente en tuberías, válvulas y otros componentes usados en la industria química, petroquímica y de procesamiento de minerales. Cuando la corrosión y la erosión actúan conjuntamente, los mecanismos de daño son complejos y en general las pérdidas de masa asociadas a esta combinación de procesos son mayores que la suma de las pérdidas generadas por la corrosión y la erosión actuando separadamente, este fenómeno se denomina sinergismo erosión-corrosión [1, 2]. Los aceros inoxidables son materiales ampliamente usados en las industrias mencionadas, particularmente la serie martensítica se usa cuando se necesita alta resistencia mecánica, dureza y resistencia a la corrosión moderada. Sin embargo, se ha observado que bajos niveles de corrosión combinados con una componente mecánica pueden ser muy dañinos para la integridad de este acero. Por esta razón, durante los últimos años se han desarrollado varias investigaciones para intentar entender el sinergismo erosión-corrosión en los aceros inoxidables martensíticos [3, 4], muchos de estos trabajos utilizan técnicas electroquímicas para determinar la participación de la componente corrosiva y el efecto de la erosión sobre la corrosión [5-7].
Las definiciones más recientes de interacción entre erosión y corrosión y sinergismo están basadas en el trabajo de Madsen [8]. El sinergismo puede ser cuantificado usando la ecuación 1:
T = Keo + Kco + DKe + DKc ( 1 )
Donde T es la pérdida de masa medida en un ensayo de erosión-corrosión, Keo es la pérdida de masa medida en un ensayo de erosión, sin la influencia de agentes corrosivos y medida gravimétricamente. Kco es la pérdida de masa obtenida a través de densidad de corriente, y utilizando la ecuación de Faraday, sin el efecto de las partículas erosivas, DKe es el aumento en la erosión debido a la influencia de la corrosión y DKc es el aumento en la corrosión debido a la influencia de la erosión, siendo el sinergismo S dado por:
S = DKe + DKc ( 2 )
Adicionalmente, existen otras relaciones basadas en las ecuaciones anteriores que pueden ser útiles en la evaluación de los regímenes de desgaste [9]:
T = Ke + Kc ( 3 )
Ke = Keo + DKe ( 4 )
Kc = Kco + DKc ( 5 )
En estas ecuaciones, T es la tasa de erosión-corrosión total medida por pérdida de masa en un ensayo de erosión-corrosión.
Con estas definiciones pueden establecerse regímenes de erosión-corrosión como:
En este trabajo se estudia el comportamiento de un acero inoxidable martensítico AISI 410 sometido a condiciones de desgaste de erosión-corrosión y se calcula la influencia del sinergismo en la degradación de este acero y el régimen de desgaste que se presenta.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1 Material y tratamiento térmico
Para el desarrollo de este trabajo se utilizó un acero
inoxidable martensítico AISI 410 cuya composición química se muestra en la
tabla 1.
Tabla 1. Composición química del acero
inoxidable martensítico [% en peso]
Table
1. Chemical composition of the martensitic
stainless steel
El material se recibió en formato de barra laminada en caliente con diámetro de 3/8”. Las muestras obtenidas de este material se calentaron hasta que alcanzaron una temperatura de 1273 K, donde se sostuvieron durante 1 hora en una atmósfera protectora de argón con presión de 0.15 MPa. Posteriormente, se templaron en aceite y se sometieron a un tratamiento de revenido a 473K durante 1 hora.
2.2 Microestructura y Dureza2.3 Ensayos de desgaste erosivo y corrosión
Las muestras fueron sometidas a cuatro tipos de
ensayo: erosión, corrosión estática, corrosión con flujo y erosión-corrosión.
Los ensayos de corrosión estática se realizaron en una celda electroquímica
convencional. Para la realización de los ensayos de erosión, corrosión con
flujo y erosión-corrosión se construyó el equipo mostrado en la figura 1 y
descrito en trabajos anteriores [10]. Este equipo es una celda electroquímica
modificada para permitir la obtención de datos de polarización en condiciones
de flujo del electrolito. En los ensayos de corrosión con flujo, la muestra se
somete al impacto de un chorro de electrolito, mientras que en los ensayos de erosión-corrosión,
la muestra sufre el impacto de una mezcla de electrolito y partículas. En este
equipo pueden realizarse dos tipos de ensayos: 1) obtención de parámetros
electroquímicos a través de curvas de polarización potenciodinámica o
potenciostática y 2) ensayos de pérdida de masa por efectos electroquímicos y/o
mecánicos sin aplicación de potencial externo, pesando las muestras antes y después
de cada ensayo.
Figura 1. a) Equipo usado en los ensayos corrosión y erosión-corrosión.b) esquema
del equipo usado como celda electroquímica
Figure 1. a) Device used in the corrosion and
corrosion-erosion tests. b) Squeme of
the device used as electrochemical cell
Para los ensayos de erosión se usaron partículas erosivas de cuarzo con tamaño medio entre 420 y 300 mm (50-40 AFS). Estas partículas se mezclaron con agua destilada en los ensayos de erosión o con una solución de 3.5% NaCl en los ensayos de erosión-corrosión. En todos los casos, la concentración de partículas en la mezcla fue del 10%. Este valor permitió obtener valores de pérdida por erosión significativos para el tamaño de partícula usado, sin tener interferencia significativa entre las partículas y manteniéndolas homogéneamente distribuidas.
Las partículas se proyectaron sobre la superficie de las muestras con un ángulo de impacto de 90º y con velocidad media de 4ms-1. Esta velocidad de calculó usando mediciones de caudal, tiempo y área de la boquilla de salida del flujo. Vale la pena mencionar que las partículas se cambiaron cada dos horas de ensayo.
2.4 Ensayos de polarización2.5 Ensayos de pérdida de masa
Algunas muestras se sometieron a ensayos de erosión y erosión-corrosión
con medición de pérdida de masa antes y después de cada ensayo. El tiempo total
de ensayo fue de 8 horas, con intervalos en los que las muestras se lavaron,
limpiaron por ultrasonido y secaron en aire caliente, siendo pesadas antes y
después de cada intervalo de ensayo en una balanza electrónica Shimadzu AUW220D con precisión de 0.01
mg. Cada ensayo fue repetido 3 veces.
2.6 Cálculo del sinergismo
El cálculo del sinergismo se realizó siguiendo la
norma ASTM G119, que utiliza los datos obtenidos en los ensayos de polarización
potenciodinámica y pérdida de masa.
2.7 Análisis
de las superficies
El estado de las superficies sometidas a ensayos de
erosión, corrosión y erosión-corrosión se evaluó con un microscopio óptico Olympus PME y un microscopio electrónico
de barrido Phillips XL30TMP. Se
evaluaron características como picaduras, marcas de erosión y evidencias de
corrosión uniforme.
3. RESULTADOS
3.1 Microestructura y Dureza
La figura 2 muestra el aspecto de la microestructura
obtenida en las muestras después del proceso de temple y revenido, la cual está
compuesta por placas de martensita revenida y austerita retenida. La dureza
obtenida después del revenido fue de 500 HV0.1.
Figura 2. Martensita revenida. Acero
inoxidable AISI 410 templado a partir de
1000ºC y revenido a 200ºC durante una hora
(MO, 200 X, Ataque: Villela)
Figure 2. Tempered martensite.
1000ºC quenched
stainless steel, tempered at 200°C during 1 hour
3.2 Pérdida de masa
La figura 3 muestra una de las curvas de pérdida de
masa acumulada en ensayos de erosión pura y erosión-corrosión para el acero
AISI 410. En esta figura se observa la
gran influencia de la corrosión en la resistencia al desgaste del acero
inoxidable martensítico. Todas las curvas obtenidas mostraron dos regiones, una
correspondiente al periodo de running-in entre el comienzo y las primeras dos horas del ensayo, y una región posterior
donde la pérdida de masa fue directamente proporcional al tiempo de ensayo,
mostrando un comportamiento ya conocido para el acero AISI 410 [11].
Figura 3. Pérdida de masa acumulada para el acero
inoxidable martensítico AISI 410
Figure 3. Accumulated mass losses for AISI
410 martensitic stainless steel
3.3 Efecto de la velocidad del electrólito y la
introducción de partículas
La figura 4 muestra las
curvas de polarización potenciodinámicas obtenidas para el acero inoxidable
AISI 410 templado y revenido. Se presentan dos tipos de curvas, obtenidas en
condición de corrosión convencional (estática), corrosión con flujo y erosión-corrosión.
El número de Reynolds, calculado a partir del diámetro de la boquilla (0.003
m), la velocidad del chorro (4 ms-1) y la viscosidad cinemática de
la solución (1.03x10-6 m2s-1), es 11650. Dado
que el valor de transición entre el régimen laminar y turbulento es de 2000, el
flujo entre la solución y el electrodo es turbulento. El flujo turbulento en la
superficie del electrodo reduce el espesor de la capa límite y de difusión; de
esta forma, el impacto del chorro puede, por un lado, aumentar la reacción
catódica por el aumento en la transferencia de oxígeno [12] y por otro, desplaza la
curva anódica del material hacia densidades de corriente mayores, por la
dificultad de concentrar iones de cromo en la superficie, necesarios para
formar la capa pasiva. Como resultado de estos procesos, el flujo de
electrólito a 4 ms-1 promueve el aumento de la densidad de
corriente.
Figura 4. Curvas
de polarización para el acero AISI 410 en 3.5%NaCl, con diferentes condiciones
de ensayo de corrosión: estática, corrosión con flujo y erosión-corrosión con
partículas de cuarzo
Figure 4. Polarization curves obtained with AISI 410
martensitic stainless steel in 3.5%NaCl under different test conditions
La adición de partículas genera un aumento aún más significativo en la densidad de corriente de las curvas de polarización, desplazándolas aproximadamente dos órdenes de magnitud. Aún para densidad de corriente alta, las curvas muestran una forma que corresponde al comportamiento pasivo. Con respecto a los valores de potencial, se nota que tanto el potencial de corrosión como el de picadura son más negativos al aumentar la agresividad del ensayo.
3.4 Cálculo del sinergismo erosión-corrosiónTabla
2 . Tasas de pérdida de masa obtenidas
para el acero inoxidable martensítico en ensayos de erosión-corrosión, erosión,
corrosión y sinergismo
Table
2 . Mass loss rates for the martensitic
stainless steel in the erosion-corrosion, erosion and corrosion tests and
synergism
La figura 5 muestra el gráfico de distribución de componentes de erosión, corrosión y sinergismo para el acero inoxidable martensítico templado y revenido. Se observa que el sinergismo entre la erosión y la corrosión es muy alto en este tipo de acero.
Figura 5. Distribución
de la componente de erosión, corrosión y sinergismo para el acero martensítico
templado y revenido
Figure 5. Erosion, corrosion and synergism
distribution for the quenched and tempered martensitic stainless steel
La tabla 3 muestra además del (DKe) aumento en la erosión debido a la influencia de la corrosión y el aumento en la corrosión debido a la influencia de la erosión (DKc), la contribución total de la erosión (Ke) y de la corrosión (Kc) a la degradación del material. La distribución porcentual de estas contribuciones se muestra en la figura 6.
Tabla
3. Sinergismo,
contribución de la erosión en la corrosión, de la corrosión en la erosión para
el acero inoxidable martensítico AISI 410
Table
3. Synergism,
corrosion increased by erosion and erosion increased by corrosion for
martensitic stainless steel
Figura 6. Distribución de
los términos de sinergismo para el acero inoxidable martensítico templado y
revenido
Figure 6. Distribution of synergism terms for the
martensitic stainless steel
Finalmente, el valor de Ke/Kc es 0.6, mostrando así que el proceso de degradación fundamental de este acero en estas condiciones de ensayo es de corrosión aumentada por corrosión.
La figura 7 muestra una imagen de una superficie ensayada en erosión-corrosión. Se observa una picadura y marcas de desgaste en toda la superficie de la muestra. Las picaduras están distribuidas en toda la superficie de la muestra y no parecen nuclear preferencialmente a lo largo de las indentaciones y marcas de desgaste generadas en la superficie metálica por el impacto de las partículas.
Figura 7. Aspecto de la superficie de una muestra
desgastada de acero inoxidable martensítico después de un ensayo de
erosión-corrosión
Figure 7. Topography of the eroded surfaces of quenched
and tempered AISI 410 samples after corrosion–erosion test
4. DISCUSIÓN
La lectura de la tabla 2 permite identificar el peso de la erosión, la corrosión y del sinergismo en la degradación el acero estudiado. El término de erosión corresponde al 32.32%, el de corrosión al 1.12% y el sinergismo al 66.56%. Se observa que aunque el término corrosivo es muy pequeño, el aumento de la rugosidad con el impacto de las partículas aumenta también el área expuesta al medio corrosivo, a su vez, las marcas corroídas son más sensibles al impacto de las partículas generando un refuerzo mutuo entre los mecanismo para remover material de la superficie. De otro lado, la alteración de la topografía superficial cambia las líneas de corriente, promoviendo la formación de vórtices y alterando el espesor de la capa límite hidrodinámica y de difusión [15], con esto la remoción de iones de cromo, que promueven la pasivación puede aumentar y contribuir al aumento de la corrosión. Con estos mecanismos actuando conjuntamente, el sinergismo se convierte en un porcentaje muy significativo del daño total en la superficie de este acero.
La evaluación de las componentes de corrosión y erosión separadamente puede conducir a un análisis inadecuado. La suma de las componentes Kco y DKc, representada por Kc, y de Keo y DKe (Ke) es una medida de cuánto de la pérdida total está influenciada por la corrosión y por la erosión respectivamente, y puede ser un índice más representativo de los efectos de los mecanismos mecánicos y electroquímicos. Esta distribución de términos, muestra que la influencia de la corrosión en el proceso de degradación de la superficie es predominante (95%), lo cual no es extraño dado que el contenido de cromo en este acero es cercano al límite necesario para tener un acero inoxidable.
Finalmente, es necesario dejar claro que tanto los valores de densidad de corriente pasiva obtenida en condiciones de corrosión y de erosión-corrosión se transformaron en datos de tasa de pérdida de masa usando la ecuación de Faraday, con el objetivo de poder compararlos con los resultados obtenidos por pesaje directo y obtener valores numéricos de sinergismo. Sin embargo, la utilización de esta ley es bastante específica y considera aspectos como la disolución uniforme de una única especie metálica, o en el caso de una aleación, considera la disolución uniforme de todos los componentes, lo que se tiene en cuenta calculando el concepto de equivalente en peso [14]. De un lado, para el material y electrólito estudiado es difícil tener sólo corrosión uniforme, la corrosión localizada también tiene un papel muy importante, haciendo que el proceso de disolución de los elementos no sea homogéneo. Por otro lado, el cálculo del equivalente en peso requiere conocer la composición química del metal, el peso atómico de cada elemento y la valencia con que cada especie entra en la reacción de disolución. La asociación de valencias para los elementos disueltos en la solución de una aleación como el acero inoxidable no es simple. Para el desarrollo de este trabajo se seleccionó la valencia de cada elemento a partir de su correspondiente diagrama de Pourbaix [16], para valores de potencial y de pH medidos experimentalmente. Aunque el equivalente en peso sea calculado con cierta aproximación, los errores cometidos son sistemáticos y por lo tanto permiten establecer una comparación entre las condición de corrosión y erosión-corrosión.
5. CONCLUSIONES
6. AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen el apoyo económico del CNPQ, Brasil. Proyectos 475956/2003-6 y 490316/2004-2.
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