Las fundiciones nodulares reúnen una serie de propiedades que las convierten en un material muy solicitado en la industria. Por ejemplo, el carbono libre, en forma de grafito, le otorga una propiedad de alta conductividad térmica, capacidad de autolubricación, buen amortiguamiento de vibraciones mecánicas, además de tener la posibilidad de mejorar sus propiedades mediante la modificación de su matriz por tratamiento térmico, lo cual permite que satisfaga cada vez más diversos y exigentes requerimientos de la industria [1]. La fundición nodular (FN) Conocida como dúctil o esferoidal, es una aleación metálica Fe-C-Si cuya microestructura está constituida por una matriz ferrítico-perlítica con nódulos de grafito embebidos en ella [2]. Sus propiedades están definidas conforme al grado de la fundición [3], y está asociado a la morfología y la topología de las fases. El contenido total de carbono de la fundición nodular es semejante al de la fundición gris; sin embargo, las partículas esferoidales de grafito se forman durante la solidificación, debido a la presencia de pequeñas cantidades de magnesio o cerio, las cuales se adicionan al crisol antes de colar el metal a los moldes. La cantidad de ferrita presente en la matriz depende de la composición y de la velocidad de enf riamiento [4]. No obstante, estos materiales tienen una condición de baja resistencia a la corrosión; por ello, es preciso mejorar sus propiedades a nivel superficial [5].

Una de las tecnologías utilizadas para aplicar recubrimientos sobre materiales metálicos es la proyección térmica, dada su facilidad de aplicación, versatilidad y costo; además, en función del tipo de recubrimiento propiedades, provee resistencia al desgaste, mejora la resistencia a la corrosión y aumenta sus propiedades mecánicas a nivel superficial [6].

Dentro de las técnicas más usadas está la de la flama con alambre, en la cual el material de aporte alimenta continuamente una llama de gas combustible de acetileno-oxígeno. El aire comprimido rodea la llama y atomiza el material en la punta del alambre fundido, acelerando las partículas hacia la superficie del sustrato [7]. En la figura 1 se muestra un esquema general del proceso y la formación del recubrimiento.

Figura 1

En este proceso se emplea una velocidad de flama baja, en el cual las temperaturas alcanzadas pueden estar del orden de los 2200-2500 °C con velocidades de partícula menores a los 150 m/s. Los fines de los recubrimientos generados por esta tecnología son: mejorar la resistencia a la corrosión, dar propiedades de blindaje electromagnético, mejorar la resistencia al desgaste, dar propiedades de fricción, hasta que se usen en operaciones de reconstrucción y salvamento [7].

En este artículo se realiza la deposición de una aleación de Zn-Al en proporciones porcentuales 85-15, debido a que estos recubrimientos se usan para mejorar la resistencia a la corrosión de aplicaciones para operaciones de reconstrucción y salvamento, y existe una gran variedad de técnicas para la caracterización de la resistencia a la corrosión, por su versatilidad y tiempos de obtención de resultados. Algunas de las más aplicadas son la espectroscopia de impedancia electroquímica y ruido electroquímico [8], [9].

La composición elemental de los materiales recubiertos se lleva a cabo mediante espectroscopia de emisión atómica; mientras que la composición del recubrimiento se obtuvo mediante la técnica de espectroscopia de rayos X de energía dispersa. La preparación de los sustratos se realizó por medio de granallado, usando partículas de SiC con tamaños del orden de los 2 mm, con la finalidad de obtener una rugosidad promedio mayor a los 7 μm. Esta rugosidad se mide con un rugosímetro mitutoyo SJ 310, bajo la norma ISO 4287 y valorando el parámetro Ra [10]. Para la proyección se usa una pistola de alambre Sulzer Metco Wire Jet-96, mostrada en la figura 2. La distancia de proyección es de 40 cm aproximadamente con un ángulo normal a la superficie. Se usó un flujo de acetileno de 30 SCFH a 15 psi y un flujo de oxígeno de 55 SCFH a 30 psi. La velocidad de consumo del alambre fue de 34,2 mm/s. Estas condiciones se tomaron de los trabajos de investigación previos y de los realizados en [11] y adaptadas a las condiciones óptimas de trabajo en el laboratorio.

Figura 2

La caracterización metalográfica del sustrato y del recubrimiento se hizo mediante microscopia óptica y microscopia electrónica de barrido (MEB), llevada a cabo en un microscopio electrónico Philips XL20. Con un ataque químico con nital al 3 % se reveló la microestructura del material. Entre tanto, las propiedades mecánicas del sustrato y del recubrimiento se evaluaron midiendo la dureza, con un microdurómetro digital Vickers modelo HVS-1000. En ambos casos se realiza este ensayo basado en la norma ASTM E384 con una carga de 100 g/10 s. [12]. La adherencia de los recubrimientos se evaluó mediante el ensayo de tipo pull-off, en el cual se mide el esfuerzo de adherencia y se determina la fuerza de adherencia del recubrimiento. Este ensayo se aplica basado en la norma ISO 4624 de 2003 [13]. En la figura 3 se puede observar un esquema de la prueba. La ecuación 1 relaciona las variables antes mencionadas:

F=σA ecu (1) [13]

Donde:

F: Fuerza de adherencia

σ: Esfuerzo de adherencia

A: Área desprendida

Figura 3

Para evaluar el estado de corrosión y conocer la respuesta electroquímica del sistema, se aplican las técnicas de espectroscopia de impedancia electroquímica y ruido electroquímico [14]-[16], en una solución 0,1 moles de NaCl, con un tiempo de análisis de 300 h tanto para el sustrato como para el recubrimiento. Este ensayo se llevó a cabo en un potenciostato Gill AC, controlado por el software Sequencer. Estas pruebas se realizaron en una celda electroquímica de tres electrodos, compuesta por un electrodo SCE como referencia, una lámina de grafito como contraelectrodo y la probeta como electrodo de trabajo, que hicieron un barrido de f recuencia desde 104 hasta 10-1 Hz. Con ello se adquirieron 10 puntos por década y se usó una perturbación de onda sinusoidal con amplitud de 10 mV. Para el ruido electroquímico se obtuvieron series de tiempo de 1024 puntos cada 0,5 s.

Mediante los resultados del ensayo de dureza se determinó la clase a la que pertenece la fundición estudiada, siendo esta la 65-45-12 (2), a la cual se le asocia un valor de resistencia de 448 MPa [2]. Esta condición se puede verificar con la composición elemental del material [4], al cual, por medio del ensayo de dureza, se le asocia un valor de 312 HV en promedio [28]. Por otra parte, los resultados de la técnica de espectroscopia de rayos X de energía dispersa para el recubrimiento muestran la aparición de picos característicos de los elementos Zn y Al que constituyen el recubrimiento, y reportan un valor de dureza de 38,1 HV, característico de este tipo de aleaciones. Ello indica que la composición se mantuvo después de la proyección térmica [29].

Se obtuvo un valor de rugosidad promedio Ra = 7,66 μm para un tiempo de granallado de 5 min. Esta condición de rugosidad es la esperada para la óptima deposición de los recubrimientos y es similar a los valores obtenidos en [30].

La microestructura del material en estado de entrega evidenció la distribución de las fases presentes, constituida por una fase blanda (ferrita) y una fase más dura (perlita), con nódulos de grafito. Tal distribución le permite al material tener una buena condición de resistencia y ductilidad [4].

También se obtuvo un espesor promedio del recubrimiento de 216 μm, que mostró una buena característica de homogeneidad, con bajas porosidades [18], [19] y buena condición de adherencia, al reportar un valor promedio de 0,815 kN con una f ractura de tipo cohesiva. Estos resultados son semejantes a los de [17], pues existe una alta condición de unión entre el recubrimiento y el sustrato (interfaz).

Para el material descubierto, la caracterización electroquímica muestra, de forma general, la respuesta resistiva capacitiva asociada con la presencia de diferentes constantes de tiempo. Los diagramas de impedancia muestran la aparición de estas constantes de tiempo, localizadas en el intervalo de media a baja f recuencia, que para el caso del material en estado de entrega van ligadas a la rápida aparición de óxidos de hierro sobre la superficie (una capa porosa y poco adherente, que no limita el proceso de corrosión). Por otra parte, para el material revestido a 0 h aparecen dos constantes de tiempo, condición que se mantiene a lo largo del tiempo de inmersión, que evoluciona a una sola constante de tiempo y que aumenta el ángulo de fase. Esos resultados pueden compararse y aproximarse a los obtenidos por [5], [11], [17], y van ligados a un aumento en la resistencia a la corrosión del material.

En la figura 16, de potencial en función del tiempo, se muestra un potencial anódico para el material desnudo; mientras que para el material recubierto se presenta un potencial menos anódico, caracterizado por ser constante a medida que transcurre el tiempo. La figura 17, de corriente, muestra una menor densidad de corriente para el material recubierto, lo cual, aunado a los resultados obtenidos por espectroscopia de impedancia electroquímica, evidencia una mejora en la resistencia a la corrosión para el material recubierto [16]-[18], [23], [25]-[27].

En esta investigación se obtuvo un valor de rugosidad promedio de 7,66 μm, lo que da como resultado un buen anclaje mecánico, que se ve traducido en la alta adherencia de los recubrimientos.

Los recubrimientos generados sobre la FN presentan una muy buena homogeneidad en su espesor, con un valor promedio de 216 μm y con un valor de fuerza de adherencia promedio de 0,815 kN. También presentan una f ractura de tipo cohesiva, que evidencia la calidad de los recubrimientos.

El revestimiento ostenta una dureza de 38,1 HV. Esta característica se mantiene tanto para el material en estado de entrega (alambre) como para el depositado, aun cuando existen ligeras modificaciones de sus propiedades mecánicas.

Los diagramas de Nyquist y Bode evidencian la respuesta del sistema con una constante de tiempo situada a bajas f recuencias en el material desnudo, con la aparición de óxidos de hierro sobre la superficie que se muestran como una capa no protectora, que no limita el proceso de corrosión.

En el material recubierto hay dos constantes de tiempo, situadas a media y baja f recuencia. Esto vislumbra la aparición de óxidos de Zn-Al y explica el efecto protector sobre la superficie. Transcurrido el tiempo, la respuesta del sistema presenta dos constantes de tiempo superpuestas, situadas a bajas f recuencias, con una resistencia a la corrosión mayor que la del material desnudo.

Según las figuras de ruido electroquímico, el material desnudo tiene un potencial anódico constante en función del tiempo; mientras que en el material recubierto hay un potencial menos anódico, con una característica a 0 h de aumento del potencial para luego disminuir hasta estabilizarse con un potencial constante. Se detalla una mayor densidad de corriente para el material desnudo y una disminución gradual para el material recubierto, con una característica constante para las 300 h de evaluación, donde se evidencia un aumento en la resistencia al ruido del material recubierto, lo cual se ve traducido en un aumento en la resistencia a la corrosión.

En general, la caracterización electroquímica de los recubrimientos, ejecutada mediante espectroscopia de impedancia electroquímica y ruido electroquímico, evidencia un aumento considerable de la resistencia a la corrosión de los sustratos recubiertos, lo cual hace viable la posible incorporación e implementación de estos recubrimientos mediante la tecnología de proyección térmica por flama en industrias que requieran materiales con alta resistencia a la corrosión y que deban conservar sus buenas propiedades mecánicas en el núcleo.

Se agradece al Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia (sede Bogotá). A su vez, a la Dra. Irma Angarita Moncaleano, por el apoyo brindado y el fomento a la investigación científica.

Los autores del Centro de Ingeniería de Superficies y Acabados (CENISA) agradecen a la Dirección General de Asuntos del Personal Académico, de la Universidad Nacional Autónoma de México, por el apoyo brindado a través de los proyectos PAPIIT IT101318, Desarrollo de Tecnologías de Superficie para la Optimización de Componentes y Sistemas, y PAPIME PE100218, Programa para la Actualización y Mejora de la Enseñanza y Aprendizaje de Temas de Materiales, Manufactura e Ingeniería de Superficies a estudiantes de ingeniería.