Análisis comparativo de la corrosión del acero inoxidable y del acero al carbono chapado/recubierto y selección de materiales para sujetadores

El objetivo de este documento es abordar la corrosión en términos generales, no proporcionar una referencia exhaustiva sobre todas las formas de corrosión ni un análisis detallado de las ventajas y desventajas de aleaciones específicas. La corrosión del acero inoxidable y del acero al carbono es muy diferente, y este documento proporcionará información sobre el ataque general o la corrosión superficial, ya que a menudo es una consideración primordial a la hora de seleccionar el material de los sujetadores.

El acero al carbono y el acero inoxidable son los materiales más comunes con los que se fabrican los sujetadores, y cada uno de ellos está disponible en cientos de aleaciones o calidades con una amplia variedad de atributos. El costo inicial de un componente de acero inoxidable es generalmente más alto que el del acero al carbono, aunque no siempre es así. Por ejemplo, el material es un componente menor del costo en un Pasador en Espiral para trabajos ligeros que en un Pasador Sólido del mismo diámetro y longitud. Como resultado, el Pasador en Espiral de acero inoxidable puede estar disponible a un costo igual o menor que el Pasador Sólido de acero al carbono. Además, los procesos secundarios, como el tratamiento térmico o el recubrimiento, a menudo aumentan el costo de las piezas de acero al carbono, mientras que en el caso del acero inoxidable pueden no incurrir en ellos. El costo no tiene sentido si no se tiene en cuenta el valor. Por ejemplo, el fabricante de una parrilla de barbacoa de alta gama para exteriores puede seleccionar sujetadores de acero inoxidable capaces de resistir la corrosión durante mucho más tiempo que la vida útil prevista del producto. Esta selección demostraría el compromiso con la integridad del producto, la apariencia estética y la larga vida útil. El «valor» de un sujetador que ofrece la máxima calidad puede compensar cualquier aumento de costo asociado. El mismo fabricante puede optar por sujetadores de acero chapado de menor precio para un modelo vendido bajo una marca de descuento si el consumidor previsto es más consciente del costo que de la calidad. Ambas son razones válidas para seleccionar un material en lugar de otro, aunque la elección del acero inoxidable requiere que el cliente considere el valor tanto como el costo. Los diseñadores deben sopesar el costo, el beneficio y el riesgo al elegir el material adecuado para los sujetadores.

SPIROL fabrica pasadores en espiral, pasadores ranurados, pasadores sólidos, insertos, productos tubulares, tuercas mecanizadas, limitadores de compresión, cuñas y resortes de disco para dar servicio a una amplia variedad de industrias en todo el mundo. Aunque SPIROL fabrica piezas a partir de muchos materiales, tanto ferrosos como no ferrosos, el alcance e e de este documento se limita a los productos de metal ferroso y, más concretamente, al acero inoxidable y al acero al carbono. Los productos ferrosos de SPIROL se fabrican a partir de cuatro grupos de materiales estándar principales:

• Acero con bajo contenido en carbono
• Acero y aleaciones con alto contenido en carbono
• Acero inoxidable martensítico al cromo (AISI 410 y 420, EN/DIN 1.4516 y 1.4021)
• Acero inoxidable austenítico al níquel (AISI 302, 304, 305 o EN/DIN 1.4319, 1.4301, 1.4303)

Aunque tanto el acero al carbono como el acero inoxidable son metales ferrosos, lo que significa que contienen hierro, su respuesta al ataque corrosivo es muy diferente. Por definición, el acero inoxidable debe contener al menos un 10,5 % de cromo. Cuando se expone al oxígeno, este elemento de aleación crea una capa de óxido de cromo en la superficie que deja de crecer rápidamente, volviéndose así «pasiva». Esta capa pasiva es continua, de espesor uniforme, insoluble y no porosa. La capa pasiva impide el contacto entre el oxígeno del entorno y el metal base y se repara por sí sola si se raya o se desgasta, siempre que haya oxígeno disponible. La capa pasiva tiene un espesor de solo 10 a 100 átomos, por lo que no tiene ningún impacto dimensional en las piezas. Aunque el acero inoxidable puede corroerse cuando se expone a algunos agentes químicos en condiciones específicas, no se oxida por ataque uniforme o general como lo hace el acero al carbono. Como elemento de aleación, el cromo forma parte de una mezcla homogénea y se considera seguro, ya que no se libera fácilmente de la aleación. Una última observación sobre el acero inoxidable es la relativa facilidad con la que se recicla. El acero inoxidable es 100 % reciclable y los analistas del sector estiman que entre el 80 % y el 90 % del acero inoxidable desechado se recicla.

Los sujetadores de acero al carbono suelen ser más económicos que los de acero inoxidable y existen acabados que proporcionan una excelente resistencia a la corrosión. Cabe señalar que estos acabados contribuyen al crecimiento dimensional, lo que debe tenerse en cuenta en el diseño. El acero al carbono puede protegerse de la corrosión mediante pintura, chapado o recubrimiento. La pintura no suele ser adecuada para los sujetadores, ya que tiende a ser un proceso de bastidor en lugar de a granel y, por lo tanto, no es rentable. El recubrimiento y el revestimiento son los métodos predominantes para preservar el acero al carbono, aunque algunos de estos procesos han caído en desuso debido a su impacto medioambiental. Ejemplos de acabados considerados peligrosos son el cadmio y los cromatos hexavalentes. La última década ha sido testigo de la madurez de los recubrimientos y revestimientos a granel capaces de proporcionar una excelente resistencia a la corrosión a bajo costo, al tiempo que satisfacen las normativas medioambientales actuales. A pesar de estos avances, la susceptibilidad del metal base al óxido sigue siendo su talón de Aquiles. La gran mayoría de los recubrimientos y chapados son sacrificiales, lo que significa que solo proporcionan protección hasta que se agotan. Una vez que el metal base queda expuesto, se oxida. Algunos ejemplos de acabados y recubrimientos disponibles son, entre otros:

• Recubrimiento de conversión de fosfato de zinc: normalmente seguido de la aplicación de aceite u otro agente preventivo contra el óxido. La aplicación secundaria de un preventivo contra el óxido determina la resistencia a la corrosión, que varía desde mínima hasta competitiva con los recubrimientos y otros revestimientos.
• Zinc aplicado mecánicamente: el riesgo mínimo de fragilización por hidrógeno es la principal ventaja de este acabado. El acabado puede ser más grueso que el galvanizado y no es tan liso. A menudo se proporciona con una aplicación secundaria de cromato y/o selladores para mejorar el rendimiento.
• Galvanizado: normalmente se proporciona con cromato trivalente suplementario y, a menudo, con un sellador final. Estos acabados introducen el riesgo de fragilización por hidrógeno para el acero de alta resistencia; sin embargo, las piezas se suelen hornear para eliminar este posible problema.
• Galvanizado de zinc-níquel: mayor resistencia a la corrosión que el galvanizado de zinc tradicional. Al igual que con el galvanizado de zinc estándar, este proceso también requiere el horneado del acero de alta resistencia para reducir el riesgo de fragilización por hidrógeno.
• Recubrimientos laminares de aluminio y zinc: proceso de inmersión y centrifugado capaz de proporcionar una resistencia a la corrosión muy alta sin riesgo de fragilización por hidrógeno.

Los requisitos de la prueba de niebla salina suelen consistir en dos criterios sencillos: las horas que tarda en formarse la corrosión blanca y, posteriormente, las horas que tarda en aparecer el óxido rojo (o metal base). La concentración de sal, la temperatura y el tiempo se controlan cuidadosamente. La mayoría de los recubrimientos y chapados se basan en una capa de metal no ferroso aplicada sobre el metal base, seguida de una inmersión en cromato y, dependiendo de los requisitos de rendimiento, un sellador orgánico o inorgánico. Cuando estos acabados fallan, lo hacen en orden inverso al que se aplicaron. Una vez que el entorno corrosivo rompe el sellador exterior y las capas de cromato, comienza a atacar el metal no ferroso que se encuentra debajo. En este punto comienza la corrosión blanca. Los metales no ferrosos como el zinc, el níquel, el aluminio y el magnesio no contienen hierro y no se oxidan en rojo. El óxido rojo solo se hace visible después de que el metal sacrificial se ha agotado (véase la figura 2).

De los dos aceros inoxidables que ofrece SPIROL, el acero inoxidable austenítico (o níquel) proporciona la mejor resistencia a la corrosión, mientras que el acero inoxidable martensítico (o cromo) es más susceptible de sufrir ataques. El acero inoxidable al níquel tiene dos ventajas: 1) el contenido de cromo aumenta del 12 % al 18 %, y 2) se añade un 8 % de níquel para aumentar la resistencia al ataque de los ácidos minerales. La combinación de cromo y níquel en la proporción adecuada permite crear una estructura austenítica. El acero inoxidable martensítico al cromo puede ser menos resistente a la corrosión; sin embargo, se puede tratar térmicamente para lograr una mayor resistencia, y la baja tasa de endurecimiento por deformación que se obtiene proporciona una excelente resistencia a la fatiga.

Para demostrar la diferencia entre el acero inoxidable y el acero al carbono recubierto, se fabricaron dos pasadores sólidos con geometría idéntica a partir de cada material. El pasador de acero inoxidable se pasivó, mientras que el pasador de acero con bajo contenido en carbono se recubrió con un producto laminar de zinc (véase la figura 5). A las 720 horas, la pieza recubierta ha funcionado bien, aunque la corrosión blanca es fácilmente apreciable. Una vez que el zinc se agote, comenzará la oxidación. Por el contrario, los pasadores de acero inoxidable austenítico parecen prácticamente inalterados (véase Figura 6). Un pasador de acero inoxidable de la serie 300 debidamente pasivado puede proporcionar hasta 2500 horas de protección en niebla salina.

Como se ha señalado anteriormente, el acero inoxidable martensítico es menos resistente a la corrosión que el austenítico y, por esta razón, no se suele someter a pruebas en niebla salina. Tanto el acero inoxidable 410 como el 420 ofrecen una buena resistencia a la corrosión en atmósfera normal, agua dulce, fluidos corporales y entornos culinarios, así como en ácidos oxidantes suaves como el crómico y el nítrico. Los siguientes pasadores de acero inoxidable martensítico se colocaron en niebla salina y se observaron durante un periodo de 300 horas. Las manchas eran evidentes después de 48 horas, con la formación de pequeños picaduras. Después de 300 horas, las picaduras eran graves y se podían apreciar fácilmente en las siguientes fotografías (véanse las figuras 7, 8, 9 y 10).