tesis (memoria)

UNIVERSIDAD DE TARAPACÁESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA MECÁNICA

ESTUDIO DE COMPONENTE DE ACERO INOXIDABLE

CORROÍDO DE BOMBA ACCIONADA POR ENERGÍA

SOLAR

Memoria para optar al título de: Ingeniero civil mecánico

Alumno:César Antonio Figueroa Bolaños

Profesor guía:Jaime Villanueva Águila

ARICA – CHILE2014

Dedicado a mis padres Graciela Bolaños y José Figueroa.A mis hermanos Roberto, Cecilia y José Luis.

A mis sobrinos Maximiliano, Valentina y JavieraA mis amigos y mis seres queridos

A los profesores de la escuela de ingeniería mecánicaA todos quienes creyeron en mí y me apoyaron.

Agradecimientos

A Dios y a San Francisco de Asís, por cuidarme, bendecirme, protegerme y darme todo lo necesario para vivir con buena salud.

A mis padres Graciela Bolaños y José Figueroa por su constante apoyo y amor incondicional. Por criarme, educarme y darme todas las herramientas necesarias para poder realizar este proyecto. Ustedes son los pilares fundamentales en mi vida, gracias por todo, los amo.

A mis hermanos Roberto, Cecilia y José Luis, por cuidarme, ayudarme y apoyarme en las cosas que se me presentaban en mi vida.

A mis sobrinos por hacerme reír y alegrarme cuando los tengo a mi lado.

A mis amigos que siempre estuvieron ahí para mí, que me apoyaron en momentos difíciles tanto económicos como malos momentos. Gracias por su ayuda y apoyo.

A todos los profesores de la escuela de ingeniería mecánica, en especial a mi profesor guía Jaime Villanueva, quien me guió, me apoyó e hizo las gestiones posibles para poder desarrollar con éxito este proyecto. Gracias por tener tiempo para mí, cuando lo pedía y ayudarme en el desarrollo de esta memoria. ¡Muchas Gracias!

A la profesora Lenka Vallejos, quien siempre estuvo ahí para mí, siempre me apoyó, me educó, me instruyó en esta investigación. Ud fue un gran pilar para el desarrollo de este proyecto. ¡Muchas Gracias!

Y a quienes que de alguna o de otra manera me ayudaron para realizar esta memoria. Muchas gracias queridos profesores de la escuela de ingeniería mecánica.

César

Índice de contenidos

Introducción................................................................................................................1

1 Planteamiento del problema……………………………………………………...2

1.1Planteamiento del problema……………………………………………………..3

1.2 Condiciones de trabajo de la Motobomba……………………………………...3

1.3 Antecedentes Ambientales……………………………………………………..4

1.3.1 Características del agua…………………………………………………….4

1.4 Obtención de la energía………………………………………………………...4

1.5 Tiempo de permanencia…………………………………………………………5

1.6 Detalles del problema…………………………………………………………...5

2 Aceros Inoxidables…………………………………………………………………9

2.1 Aceros Inoxidables…………………………………………………………….10

2.2 Diagrama Hierro – Cromo……………………………………………………..11

2.2.1 Diagrama Fe – Cr con diferentes contenidos de carbono………………….12

2.2.2 Diagrama Fe – C con diferentes contenidos de cromo…………………….13

2.2.3 Diagrama Fe – Cr – Ni……………………………………………………..14

2.2.3.1 Influencia del Níquel…………………………………………………..14

2.3 Fase Sigma……………………………………………………………………..15

2.4 Precipitación de Carburos……………………………………………………...16

2.5 Tipos de corrosión……………………………………………………………..17

2.5.1 Clasificación……………………………………………………………….18

2.5.2 Formas de corrosión……………………………………………………….18

2.5.2.1 Ataque Uniforme…………………………………………………........18

2.5.2.2 Corrosión por Grietas………………………………………………….19

2.5.2.3 Corrosión por Picadura……………………………………………….. 20

2.5.2.4 Corrosión Intergranular………………………………………………..20

2.5.2.5 Corrosión debido a la Erosión…………………………………………20

2.5.2.6 Corrosión debido a esfuerzos (Tensocorrosión)……………………….20

2.5.2.7 Corrosión en forma de láminas de cuchillo……………………………21

2.5.2.8 Corrosión Galvánica…………………………………………………...21

2.5.2.8.1 Factores que influencian la corrosión galvánica…………………...23

2.5.2.8.2 Prevención de la corrosión galvánica…………………………….. 24

2.6 Aceros inoxidables resistentes a altas temperaturas………………………….. 25

2.7 Pasividad……………………………………………………………………… 25

2.8 Elementos Clorados……………………………………………………………26

3 Caracterización de los aceros inoxidables............................................................28

3.1 Clasificación de los aceros inoxidables………………………………………..29

3.1.1 Aceros inoxidables Austeníticos…………………………………………..29

3.1.1.1 Características básicas…………………………………………………30

3.1.1.2 Aplicaciones típicas……………………………………………………30

3.1.1.3 Acero AISI 301………………………………………………………..30

3.1.2 Aceros inoxidables Martensíticos………………………………………….31

3.1.3 Aceros inoxidables Ferríticos……………………………………………...32

3.1.4 Aceros inoxidables Endurecidos por Precipitación………………………..33

3.1.5 Aceros inoxidables Dúplex………………………………………………..33

4 Procedimiento experimental……………………………………………………..35

4.1 Procedimiento experimental…………………………………………………...36

4.1.1 Descripción del trabajo realizado………………………………………….36

5 Hipótesis…………………………………………………………………………...40

5.1 Caracterización del acero en estudio…………………………………………..41

5.1.1 Microscopía………………………………………………………………..41

5.1.2 Comparación de reacción al ácido clorhídrico…………………………….42

5.1.3 Análisis químico. Composición del acero en estudio……………………..45

5.2 Hipótesis……………………………………………………………………….46

5.2.1 Hipótesis N°1………………………………………………………………47

5.2.2 Hipótesis N°2………………………………………………………………47

5.2.3 Hipótesis N°3………………………………………………………………48

6 Análisis y discusión de resultados……………………………………………….49

6.1 Discusión de los resultados que arrojó la investigación……………………….50

7 Conclusión………………………………………………………………………...54

7.1 Conclusiones…………………………………………………………………...55

Bibliografía………………………………………………………………………….56

Anexos……………………………………………………………………………….57

Índice de Figuras

Figura 1.1: Esquema simple de abastecimiento de energía eléctrica a la bomba en

estudio y el funcionamiento del sistema………………………………………………5

Figura 1.2: Vista superior del elemento corroído…………………………………….6

Figura 1.3: Vista inferior del elemento corroído……………………………………..6

Figura 1.4: Oxidación en el exterior del rodete………………………………………7

Figura 1.5 (a): Oxidación en elementos del rodete…………………………………..7

Figura 1.5 (b): Oxidación en elementos del rodete…………………………………..7

Figura 2.1: Diagrama Fe – Cr……………………………………………………….11

Figura 2.2: Diagrama Fe – Cr con diferentes porcentajes de Carbono……………..12

Figura 2.3 (a): Diagrama Fe – C (Cr = 13%)……………………………………….13

Figura 2.3 (b): Diagrama Fe – C (Cr = 17%)……………………………………….13

Figura 2.3 (c): Diagrama Fe – C (Cr = 25%)……………………………………….14

Figura 2.4: Diagrama Hierro – Cromo – Níquel……………………………………15

Figura 2.5: Fase Sigma de un acero………………………………………………...16

Figura 2.6: Precipitación de carburos………………………………………………17

Figura 3.1: Microscopía de la Austenita…………………………………………...29

Figura 3.2: Microscopía de la martensita…………………………………………..31

Figura 3.3: Microscopía de la ferrita……………………………………………….32

Figura 3.4: Microscopía de un acero endurecido por precipitación mostrando una

matriz austenítica con martensita y ferrita…………………………………………..33

Figura 3.5: Microscopía de un acero dúplex……………………………………….34

Figura 4.1: Ataque con ácido clorhídrico hacía la parte exterior del equipo……….38

Figura 4.2: Ataque con ácido clorhídrico a la parte exterior del rodete……………38

Figura 4.3: Ataque con ácido clorhídrico hacia el elemento corroído……………...38

Figura 5.1 (a): Microestructura de la motobomba en estudio, específicamente del

elemento corroído……………………………………………………………………41

Figura 5.1 (b): Microestructura de la motobomba en estudio, específicamente del


Figura 5.1 (c): Microestructura de la motobomba en estudio, específicamente del


Figura 5.2: Ataque con ácido clorhídrico al acero magnético………………………43

Figura 5.3: Ataque con ácido clorhídrico al acero no magnético (Austenítico)…….43

Figura 5.4: Respuesta al ataque con ácido clorhídrico al acero magnético…………44

Figura 5.5: Respuesta al ataque con ácido clorhídrico al acero no

magnético(Austenítico)………………………………………………………………44

Figura 5.6: Elementos químicos de un acero austenítico 301………………………46

Figura 5.7: Elementos químicos de un acero austenítico 304………………………46

Índice de Tablas

Tabla N°1: Factores analizados con sus respectivos valores………………………...4

Tabla N°2: Clasificación de los aceros inoxidables………………………………...10

Tabla N°3: “Composición química del acero inoxidable de la motobomba. Del


Introducción

El uso de la energía solar ha permitido la extracción de agua en áreas

desérticas, en localidades donde el espejo de agua no supera los 10 metros.

Para la extracción de agua en la localidad de Chaca, en la provincia de

Camarones la Universidad de Tarapacá instaló una bomba de pozo profundo que es

accionada con corriente continua (40 volt).

La bomba está construida completamente de acero inoxidable, pero una de sus

partes, presentó una corrosión temprana, lo que llevó a realizar un estudio para

determinar las causas de ese fenómeno en solo un componente de la bomba.

Este estudio plantea tres hipótesis orientadas a encontrar las causas de este

problema, con el fin de considerar esta información para futuras adquisiciones.

Lo primero que se hizo fue caracterizar el material mediante la dureza,

microscopía y ataque químico con diferentes agentes, para dilucidar el tipo de acero

inoxidable y asimilarlo a alguna norma.

Una vez dilucidado el tipo de acero inoxidable usado se procedió a comprar

los resultados con lo que indica la literatura y la teoría. Al respecto, cabe señalar que

no se contó con el análisis de precipitados (lo que sólo se puede lograr con un

microscopio de barrido electrónico).

Los resultados indican que el problema pudo generarse por la cantidad de

elementos clorados contenida en el agua del pozo; por corrosión galvánica, porque se

tiende a deducir que el material de acero inoxidable es distinto para el componente

corroído en comparación con los otros elementos, pudiendo actuar como par

galvánico y produciendo finalmente la corrosión en el elemento más pequeño. La otra

posibilidad por la cual pudo haberse generado el problema, es debido a una corrosión

por tensión, también llamada Tensocorrosión. Esto debido a que posiblemente en los

procesos de fabricación hayan quedado tensiones residuales internas en algunos

elementos de la bomba, más el medio que contiene un nivel de elementos clorados

alto, pudo haber originado el problema por estos factores que existen.

Ya mencionadas las hipótesis con las cuales se realiza esta investigación, cabe

mencionar también que juega un papel muy importante el medio y el lugar en donde

trabajaba dicha bomba.

Esta memoria se realiza para investigar y estimar o deducir el origen del

problema y dar a conocer sus posibles causas y todo lo que ayudó a que este

problema se originara, para finalmente tomar resguardos en otros equipos, no

solamente en la Universidad de Tarapacá, sino que también para todo equipo hecho

de acero inoxidable que trabaja en un medio corrosivo, ya sea, ácido o básico. Y

además para adquisición de conocimiento y mantención de equipos en medios de

trabajo similares a los que trabajaba la bomba en estudio.

~ 1 ~

Estudio de componente de acero inoxidable corroído de bomba accionada por energía solar

CAPÍTULO I“Planteamiento del problema”

~ 2 ~


1.1 Planteamiento del problema

La universidad de Tarapacá posee una bomba sumergible hecha

completamente de acero inoxidable, la cual estuvo trabajando en la provincia de

Camarones en la localidad de Chaca. Este equipo dejó de trabajar y se sacó de su

lugar de trabajo debido a que presentó un problema, el cual es:

La bomba sufrió un ataque tanto de oxidación y de corrosión. La corrosión

actuó en un elemento pequeño que se encuentra ubicado en la parte superior de la

bomba; mientras que el rodete y el cuerpo del equipo fue atacado por una oxidación

superficial. En palabras simples, la bomba falló debido a oxidación y corrosión.

1.2 Condiciones de trabajo de la bomba

De acuerdo a la información obtenida por el personal que instaló y llevó a

cabo dicho proyecto de la implementación de una bomba sumergible en la localidad

de Chaca accionada por energía solar para sustento rural y agrícola de la zona, la

bomba posee algunos datos de condiciones de trabajo, los cuales son:

La altura de elevación máxima de la bomba es de aproximadamente de 25

metros

El pozo en el que trabajaba la motobomba es de aproximadamente 18 metros.

El volumen diario típico que bombeaba el equipo es de 15 (m3/dia)

La aplicación de la motobomba es para riego tecnificado.

A continuación se darán a conocer las características técnicas del equipo en

estudio. Para mayor detalle de las características técnicas de la motobomba, véase

anexo N°1

Marca: Grundfos

Hecho en: Dinamarca

Modelo: MS 402

Motor trifásico

Tipo de corriente: Alterna

Potencia: 195 (W)

Frecuencia: 55 (Hz)

Cos φ: 0,78

Volt Ac: 86

Corriente máxima: 3,70 (A)

3200 RPM

Solar nominal array voltaje 90 VOC

Peso: 5 (Kg)

~ 3 ~


1.3 Antecedentes ambientales

El equipo trabajó a la intemperie, con lo cual estaba expuesto al viento, polvo,

etc. No se considera la exposición al sol en este caso, ya que la bomba es sumergible

y además trabajaba en profundidad, no al mismo nivel del suelo.

La motobomba cumplía su trabajo en un pozo de aproximadamente 18 metros

de profundidad, ésta estaba sumergida completamente por el agua que bombeaba.

1.3.1 Características del agua

Para poder conocer las características del agua con la que trabajaba la

motobomba fue necesario realizar un análisis químico. Dichas características y

resultados se muestran en la tabla N°1:

Tabla N°1: Factores analizados con sus respectivos valores.

Factores de análisis Valores obtenidos

PH 7,5

Conductividad (mS/cm) 2,25

Dureza total CaCO3 (ppm) 633,85

Cloruro (ppm) 455,53

La temperatura del agua por lo general fluctuaba entre los 10°C y 12°C para

todo el año y tiempo de trabajo que la bomba ejercía.

1.4 Obtención de la energía

Como todo equipo y/o máquina que realiza un trabajo, necesita de energía

eléctrica para alimentarse y así lograr lo que se desea. La forma de abastecimiento de

energía eléctrica para la motobomba es a través de energía solar fotovoltaica.

En el proceso de instalación del proyecto, debido a la zona en donde estaba

ubicado, una zona rural en donde no hay un acceso facilitado para obtener energía

eléctrica de la manera convencional; se utilizó la energía solar fotovoltaica.

Se colocaron una cierta cantidad de paneles solares para la alimentación del

equipo. Estos paneles proporcionaban energía eléctrica en forma de corriente

continua, la cual ésta, a su vez, se transformaba a corriente alterna gracias a la ayuda

de un inversor. Y de esta manera se abastecía la bomba.

Cabe mencionar que, el equipo no trabajaba las 24 horas del día, solo de día,

ya que en estas circunstancias es cuando hay sol y por lo tanto, energía. Además, si

había mucha nubosidad (bajo índice de claridad) la bomba recibía menos energía, por

~ 4 ~


lo tanto trabajaba a menor velocidad y quizás hasta menos horas de las esperadas o

calculadas.

En la figura 1.1 se muestra un esquema simple de la forma en que se abastece

de energía la bomba en estudio. En este esquema es posible observar básicamente un

sistema de bombeo solar fotovoltaico, su funcionamiento y la forma en que ocurre y

funciona este trabajo. Es muy similar a la forma en que trabajaba la moto bomba en

estudio. De acuerdo a la figura, se encuentra un pozo y en éste una motobomba

sumergible, el cual es el equipo en investigación.

Figura 1.1: “Esquema simple de abastecimiento de energía eléctrica a la bomba en

estudio y el funcionamiento del sistema”.

1.5 Tiempo de permanencia

El equipo en estudio trabajó solo un período de tiempo, esto debido a que

sufrió oxidación y corrosión. La bomba trabajó por 11 años. La instalación y el inicio

de trabajo de la motobomba y del proyecto fue realizado el año 1997 y el equipo

trabajó hasta el año 2008. Sacándolo completamente de trabajo y sin reemplazo de

éste. Se retiraron todos los elementos y accesorios de la motobomba que se

encontraban en el pozo.

1.6 Detalles del problema

La motobomba fue retirada del lugar de trabajo y se procedió a dejarla en la

escuela de ingeniería mecánica de la Universidad de Tarapacá, para su posterior

análisis y estudio.

~ 5 ~


De manera detallada, al observar el equipo, se ve que éste tiene un área de

oxidación superficial bastante alta, y no sólo se observa oxidación sino que también

corrosión. Este ataque fue bastante grave, debido a que hubo una pérdida de material

sumamente notoria. Esta corrosión sólo atacó a un elemento de la motobomba.

En la figura 1.2 se observa el elemento que fue atacado por la corrosión.

También, se puede notar el color y forma que adquirió una vez sufrido el daño. Este

elemento claramente sufrió una corrosión con pérdida de material y de peso.

En la figura 1.3 es una vista inferior del elemento y se puede observar

notoriamente la oxidación y la corrosión sufrida, la pérdida de masa, de peso y por lo

tanto de espesor. Además sufrió un daño a la calidad superficial, es decir, su

superficie pasó a ser rugosa debido al ataque corrosivo.

Figura 1.2: “Vista superior del elemento corroído”.

Figura 1.3: “Vista inferior del elemento corroído”.

~ 6 ~


Como se mencionó anteriormente, no sólo el elemento corroído sufrió daño,

sino que también el rodete. Éste fue atacado por oxidación superficial.

En la figura 1.4 se observa el exterior del rodete de la moto bomba, se puede

notar que sufrió una oxidación y una coloración “amarillenta”. En la figura 1.5 (a) y

1.5 (b) se puede notar la oxidación en el rodete. Uno posee más oxidación que el otro,

pero el daño es muy similar.

Figura 1.4: “Oxidación en el exterior del rodete”

Figura 1.5 (a): “Oxidación en elementos del rodete”

Figura 1.5 (b): “Oxidación en elementos del rodete”

~ 7 ~


La oxidación superficial abarcaba más área en el rodete y sus cercanidades,

también había oxidación en la parte exterior del equipo. Era una oxidación leve. A

medida que fue pasando el tiempo, la oxidación se hacía más notoria y cubría aún

más área, con lo cual se notaba claramente que a medida que pasaba el tiempo el

acero iba perdiendo pasividad y por ende, el ataque oxidante se hacía cada vez mayor.

Cabe mencionar además que, el equipo se encontraba sin deformaciones

macroscópicas, es decir, a simple vista no se observaban deformaciones de material o

golpes que podrían causar otros problemas o agravarlo.

El problema, a simple vista, se observaba que era únicamente químico o

electroquímico, es decir, que el problema era sólo afectado por la corrosión y

oxidación del acero.

~ 8 ~


CAPÍTULO II“Aceros Inoxidables”

~ 9 ~


2.1 Aceros Inoxidables

El acero inoxidable es una aleación compuesta de hierro (Fe) y Cromo (Cr). El

hierro es el principal elemento de los aceros inoxidables.

Para hacer el hierro y/o acero “inoxidable” es necesario que el cromo esté

presente al menos en un 12% de la aleación. Otros elementos son agregados para

proporcionarle ciertas propiedades ya sea de resistencia mecánica, de resistencia a la

abrasión entre otras.

Cuando se le agrega un 12% o más de cromo al hierro, se forma una delgada,

plateada y cerrada película adherente de óxido de cromo espontáneamente sobre las

superficies expuestas al aire. Esta fina película actúa como una barrera protectora

para retardar la oxidación o corrosión, evitando que la corrosión penetre en el acero a

lugares más profundos. En resumen, el acero no puede ser fácilmente oxidado de allí

el nombre de inoxidable.

La resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables se obtiene por la

pasivación. Esta pasivación se consigue por la formación de una película fina

oxidante en la superficie de los aceros inoxidables. La fina película de óxido, es de

óxido de cromo. Por consiguiente, se pierde la resistencia a la corrosión cuando esta

película oxidante se rompe y se convierte en estado activo, es decir, cuando el acero

se “despasiva”. Para conservar esta resistencia a la corrosión se debe suministrar

oxigeno continuamente a fin de producir esta película oxidante o pasivación. En otras

palabras, los aceros inoxidables viven por la absorción del oxígeno. Esto significa que

los aceros inoxidables son resistentes a la corrosión en atmósferas oxidantes, y en

cambio, sufren corrosión al estar sometidos a ambientes reductores.

Existen variadas formas de combinación para hacer aceros inoxidables. En

orden a organizarlos se han desarrollado varios sistemas. La AISI (American Iron and

Steel institute) ha desarrollado un sistema de clasificación que es reconocido a nivel

mundial. Se basa en tres números dígitos, denominándose habitualmente series, las

que se muestran en la tabla N°2

Tabla N°2: Clasificación de los aceros inoxidables

Serie AISI Elementos Características

200 Cr – Ni – Mo No templable (Austenítico)

300 Cr – Ni No templable (Austenítico)

400 Cr (1) Templable (Martensítico)

(2) No templable (Ferrítico)

500 Cr (4-6%) Templable aire (Martensítico)

~ 10 ~


2.2 Diagrama Hierro – Cromo

En la figura 2.1 se muestra el diagrama hierro cromo. En el cual se puede notar las fases que están presentes en las aleaciones de hierro cromo, a diferentes temperaturas. Y se detallan algunos puntos de interés, los cuales son importantes y se explican más adelante.

Figura 2.1: “Diagrama Fe – Cr”

A partir de este diagrama es importante destacar algunas deducciones que

servirán como base para una mejor comprensión de los aceros inoxidables.

De la tabla se deduce lo siguiente:

1. Que para hierro puro el punto Ac3, es la temperatura de austenización que

está a 910°C.

2. Que según se aumenta el contenido de cromo el punto Ac3disminuye hasta

llegar hasta los 850°C para un contenido de cromo de 8%. Si se sigue

aumentando de 8% a 12% de Cr, el punto Ac3 sube de 850°C a 1000°C.

3. Que al ir aumentando el contenido de cromo disminuye el punto Ac4

(Transformación de ferrita a austenita) para cromo de 0% a 12%. El punto

Ac4 pasa de 1400°C a 1000°C.

4. Que la ferrita de las aleaciones en que el cromo oscila entre 0% y 12%, se

transforma por calentamiento en austenita o fase gamma. Por enfriamiento

rápido hasta temperatura ambiente, se transforma la austenita en martensita.

5. Que como el límite del bucle gamma corresponde a 13% de Cr

aproximadamente, todas las aleaciones Fe – Cr con contenidos mayores a

~ 11 ~


13% de Cr serán aleaciones ferríticas al no existir transformación de la fase

alfa en fase gamma.

6. Que en la aleaciones Fe – Cr con contenidos entre 12% y 13% de Cr forman a

elevada temperatura estructuras bifásicas (alfa + gamma) que enfriadas

rápidamente a temperatura ambiente presentarán una estructura formada por

ferrita y martensita (aceros martensíticos – ferríticos).

7. Que en las aleaciones Fe – Cr con contenidos de 25% a 42% de Cr y de 48% a

65% de Cr a temperaturas comprendidas entre 600°C y 820°C aparece una

fase intermetálica llamada fase sigma que coexiste con la ferrita.

8. Que con contenidos de cromo de 42% a 48% aproximadamente, toda la ferrita

puede transformarse en fase sigma. Esta fase es muy dura y frágil. Se puede

disolver en la ferrita calentando por encima de los 820°C.

2.2.1 Diagrama Fe – Cr con diferentes contenidos de carbono

En la figura 2.2 se puede observar el diagrama hierro cromo con diferentes

porcentajes de carbono y a diferentes temperaturas. Esto es para notar la diferencia

que hace el aumentar o disminuir en pequeñas cantidades el contenido de carbono en

las aleaciones hierro cromo. Se explican algunos datos de interés, más adelante.

Figura 2.2: “Diagrama Hierro – Cromo con diferentes porcentajes de Carbono”.

Al analizar los gráficos Fe – Cr con diferentes porcentajes de carbono se

pueden extraer deducciones como son:

1. Que el límite del bucle gamma se amplía al aumentar el carbono. Con esto se

desprende que el carbono es un elemento gammágeno, favorecedor de la fase

gamma. Con carbono de 0,6%, el límite del bucle queda limitado para un

cromo aproximado del 18%. Con carbono superior al 0,6% ya no se amplía el

bucle y el exceso de carbono queda en el acero formando distintos tipos de

~ 12 ~


carburo de fierro y de cromo que dependerá de la temperatura, del contenido

de carbono y del porcentaje de cromo.

2. Que la fase alfa pura desaparece en las aleaciones Fe – Cr con porcentajes de

carbono mayores o iguales a 0,1%.

3. Que a partir del límite del bucle gamma y hasta contenidos de cromo de 26%

a 27% las estructuras son bifásicas a elevadas temperaturas (alfa + gamma).

4. Que se pueden conseguir aleaciones Fe – Cr – C de hasta 17% de Cr que sean

martensíticas a temperatura ambiente.

2.2.2 Diagrama Hierro – Carbono con diferentes porcentajes de cromo

En la figura 2.3 (a), (b) y (c) se muestra el diagrama hierro carbono con

diferentes porcentajes de cromo y comportamiento de éstos a diferentes temperaturas.

Y además las aleaciones en función de la temperatura.

Figura 2.3 (a) “Diagrama Fe – C” (Cr = 13%)

Figura 2.3 (b): “Diagrama Fe – C” (Cr = 17%)

~ 13 ~


Figura 2.3 (c): “Diagrama Fe – C” (Cr = 25%)

A partir de estos diagramas se puede apreciar el efecto que tiene el porcentaje

de cromo en las aleaciones Fe – C, de éstos se deduce:

1. Que a medida que se aumenta el cromo, la superficie ocupada por la fase

gamma va disminuyendo hasta desaparecer para 25% de Cr por lo tanto, al

acción del cromo es inversa a la del carbono.

2. Que todas las aleaciones pasan de la zona bifásica.

3. Que las superficies ocupadas por la estructura bifásica pura, van

disminuyendo al aumentar el contenido de cromo.

4. Que la disolución total de los carburos en las aleaciones Fe – Cr – C, con 25%

de Cr es sólo posible con contenidos de carbono bajos.

2.2.3 Diagrama Hierro – Cromo – Níquel

2.2.3.1 Influencia del Níquel:

El níquel amplía el campo de estabilidad de la austenita y rebaja la

temperatura a la que ocurre la transformación α-ɣ. La Figura 1.4 muestra el diagrama

Fe-Cr-Ni, en la que se indica la formación a temperatura ambiente de las distintas

estructuras según el contenido de hierro, cromo y níquel.

~ 14 ~


Figura 2.4 “Diagrama Hierro – Cromo – Níquel”.

2.3 Fase Sigma

La fase sigma es un compuesto intermetálico de hierro y cromo. Su formación

en los aceros inoxidables puede deberse a la presencia de la ferrita. Esto es, si es que

están expuestos por largo tiempo a temperaturas entre los 600°C y los 820°C la ferrita

se transforma en este compuesto de Fe y Cr.

Esta fase se caracteriza por su pérdida de ductilidad y resiliencia, y sus

características fundamentales son:

a) Dureza superior a 900 Vickers

b) Gran fragilidad, posible presencia de finas grietas

c) Existencia de paramagnetismo.

La fase sigma no solo se forma en los aceros altos en contenido de cromo

yaque pueden darse en los aceros ferríticos con contenidos de cromo desde 14%.

También hay posibilidad que se forme en los aceros austeníticos y austeno –

ferríticos, sobre todo si está favorecida por la presencia de una fase alfa rica en

cromo, como es el caso del 25% de Cr y 20% de Ni.

Los elementos silicio, molibdeno, niobio y titanio, al favorecer la formación

de fase alfa, favorecen la formación de la fase sigma.

La precipitación de la fase sigma también aumenta cuando el acero ha sido

sometido previamente a una transformación en frío.

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En la figura 2.5 se muestra una imagen en la cual se observa la aparición de la

fase sigma. Es una micrografía obtenida por microscopía óptica de un acero SAF

2507 tratada a 875 °C por 2 horas donde se ha promovido significativamente la

precipitación de la fase sigma.

Figura 2.5: “Fase Sigma de un acero”

2.4 Precipitación de Carburos

Cuando los aceros inoxidables se hallan a temperaturas comprendidas entre

los 450°C y 900°C durante cierto tiempo, o se les enfría lentamente en dicho

intervalo de temperaturas o se origina en ellos una precipitación de carburos de hierro

y de cromo. Esta precipitación es más intensa en el intervalo de 600°C a los 850°C.

Por lo general, estos carburos se precipitan en las uniones de los granos

disminuyendo la cohesión de los mismos y haciendo que las zonas contiguas queden

empobrecidas en cromo con lo que pierden su carácter de inoxidable (pasividad) en

esas zonas y por consiguiente, su resistencia a la corrosión. De esta manera en ciertos

medios corrosivos se puede producir un ataque intergranular, cuya intensidad

dependerá de la temperatura a la que haya estado expuesta y el tiempo transcurrido,

así como de la composición química y del tratamiento previo realizado en el acero.

Esta precipitación se produce preferentemente en los aceros inoxidables

austeníticos y es típico en las zonas cercanas a los cordones de soldadura. Los

carburos precipitados son del tipo C6(Cr,Fe)23.

Límite de temperatura sensible a la corrosión intergranular: Se refiere al

límite de temperatura de precipitación de carburos de 450°C a 875°C. En el caso de

los aceros 18 – 8 la temperatura más severa es la de 650°C.

Zona de sensibilización: En el caso de soldadura existe una parte en que la

temperatura alcanza el límite de temperatura de precipitación de carburos, y esta zona

~ 16 ~


es muy débil a la corrosión y a la formación de grietas. Esta parte se llama zona de

sensibilización a la corrosión intergranular.

Como medida preventiva del efecto que produce la precipitación de carburos,

se emplea el añadir otros elementos especiales a fin de formar otros compuestos de tal

manera que no se produzcan los compuestos de cromo y carbono. Para esto se utiliza

el Niobio o el Titanio. Estos tipos de aceros se les denomina aceros estabilizadores.

Otra forma de evitar esta precipitación de carburos en las juntas de grano es

fabricando los aceros con un contenido máximo de carbono de 0,03%.

También se puede utilizar, si es posible un tratamiento térmico de

solubilización.

En la figura 2.6 se observa la “decoración” del grano debido a la precipitación

de carburos.

Figura 2.6: “Precipitación de carburos”

2.5 Tipos de corrosión

La corrosión es un ataque destructivo de los metales, que puede ser de

naturaleza química o electroquímica. La corrosión química directa sólo se verifica en

condiciones extraordinarias que comprenden un ambiente altamente corrosivo o una

elevada temperatura o ambas cosas. No obstante, la corrosión que experimentan la

mayoría de los metales que contienen agua o están sumergidas en ella, o están

expuestos a películas humedad debido a la atmósfera, son de naturaleza

electroquímica, es decir, en donde se produce un flujo electrones debido a su

diferencia de potencial (del ánodo al cátodo) por medio de una solución.

En la actualidad se acepta que la resistencia a la corrosión de los aceros

inoxidables (que contienen siempre un elevado porcentaje de cromo) es debida a la

~ 17 ~


formación de una capa superficial de óxido de cromo muy fina que impide que el

ataque y que la corrosión de los aceros penetre del exterior hacia el interior.

La adición de níquel mejora la resistencia a la corrosión de los aceros al cromo

porque aumenta la estabilidad de la capa de óxido superficial y favorece su

formación.

2.5.1 Clasificación

La corrosión ha sido clasificada de muchas maneras. Un método es dividir la

corrosión, en corrosión de baja temperatura. Otra forma es, separar la corrosión

oxidación y corrosión electroquímica. La clasificación seleccionada por su

simplicidad es (1) corrosión húmeda y (2) corrosión seca.

La corrosión húmeda ocurre cuando se está en presencia de un líquido, en

cambio la corrosión seca ocurre en ausencia de líquidos. La corrosión seca está

asociada a menudo con la corrosión a altas temperaturas.

2.5.2 Formas de corrosión

Es conveniente clasificar a la corrosión por las formas en que se presenta, es

así, que cada forma puede ser identificada por mera observación visual. En la mayoría

de los casos a simple vista, aunque algunas veces, se hace necesario el uso de

sistemas de aumento óptico.

A continuación se describen distintas formas de corrosión que son únicas pero

todas ellas en menor o mayor grado se encuentran interrelacionadas. Estas formas

son:

Ataque uniforme

Corrosión por grietas

Corrosión por picaduras

Corrosión intergranular

Corrosión debido a la erosión

Corrosión debido a esfuerzos

Corrosión Galvánica

2.5.2.1 Ataque Uniforme

El ataque uniforme es el más común de las formas de corrosión. Está

normalmente caracterizada por una reacción química o electroquímica que avanza

uniformemente sobre toda la superficie expuesta o sobre una gran área. El metal

comienza a adelgazarse y eventualmente se rompe.

~ 18 ~


El ataque uniforme no presenta gran problema debido a que con la realización

de ensayos previos, se puede prever la vida útil de la pieza.

2.5.2.2 Corrosión por Grietas

La corrosión por grietas es intensiva y localizada, frecuentemente ocurre

dentro de grietas y otras áreas cubiertas sobre la superficie del metal expuesto a algún

medio corrosivo. Este ataque está usualmente asociado con pequeños volúmenes de

solución estancada causadas por hoyos, uniones, empaquetaduras, etc. Como

resultado, esta forma de corrosión es llamada corrosión por grietas o algunas veces

corrosión de depósitos o empaquetadura.

Este tipo de ataque ocurre en muchos medios, a pesar de esto, usualmente el

ataque es más intenso en aquellos que contienen cloruros. Para que el ataque por

grietas ocurra es necesario un período largo de incubación, seis meses a un año o

algunas veces se requiere más tiempo para que comience el ataque. Como sea, una

vez iniciado el proceso, va en sucesivo aumento la velocidad de ataque.

Los metales o aleaciones que dependen de películas de óxido o capas

pasivadas, para su resistencia a la corrosión, son particularmente susceptibles a la

corrosión por grietas. Estas películas son destruidas por una alta concentración de

cloruros, por iones de hidrógeno. Con lo cual la velocidad de disolución aumenta

marcadamente.

2.5.2.3 Corrosión por Picadura

Esta forma de corrosión es un ataque extremadamente localizado que resulta en

agujeros en el metal. Estos agujeros pueden ser de diámetro pequeño o grande, pero

en la mayoría de los casos ellos son relativamente pequeños. Las picaduras están

algunas veces aisladas o muy juntas, lo cual le da una apariencia de una superficie

rugosa. Generalmente una picadura puede ser descrita como una cavidad, con un

diámetro en la superficie igual o menos que en el interior.

La picadura es una de las formas de corrosión más destructivas. Su detección

es difícil por su reducido tamaño y porque la picadura a menudo se cubre con los

productos de la corrosión.

Una característica importante es que estas picaduras crecen en dirección a la

fuerza de gravedad.

La corrosión por picadura puede ser considerada como un estado intermedio

hacia la corrosión general.

~ 19 ~


2.5.2.4 Corrosión Intergranular

La corrosión intergranular puede ser causada por impurezas en el borde del

grano, por ejemplo, un enriquecimiento de uno de los elementos de aleación o un

agotamiento de uno de estos elementos en las áreas del borde de grano

(sensibilización). Una de las impurezas que se pueden depositar en el borde de grano

son los carburos de cromo (C6Cr23) en donde queda una zona adyacente escasa en

cromo.

La cantidad de carbono presente en el acero es relativamente escasa, no

obstante, la merma de cromo puede llegar a ser muy importante, porque los carburos

que se precipitan tienen generalmente una composición del tipo C6Cr23, o sea que

forman precipitados cuyo contenido en peso de cromo es de un 94,3%.

2.5.2.5 Corrosión debido a la Erosión

La corrosión debido a la erosión es, la aceleración o el aumento en la tasa de

deteriorización o ataque sobre el metal debido al movimiento relativo entre el fluido

corrosivo y la superficie del metal.

El metal es removido desde la superficie en forma de iones disueltos. A veces, el

movimiento del ambiente disminuye la corrosión particularmente cuando ocurre el

ataque localizado bajo condiciones estacionarias.

2.5.2.6 Corrosión debido a Esfuerzos (Tenso Corrosión)

La corrosión debido a esfuerzos se refiere a las grietas causadas por la

presencia simultánea de tensiones, presencia de tensiones mecánicas de tracción y un

medio corrosivo específico, como por ejemplo, un medio con elementos clorados.

La susceptibilidad de la corrosión debido a esfuerzos está afectada por el

promedio de la composición química, la orientación preferencial de los granos, la

composición y distribución de los precipitados y el progreso de la fase de

transformación.

2.5.2.7 Corrosión en forma de Láminas de Cuchillo

Este tipo de corrosión se produce principalmente en los tipos estabilizadores

con titanio, tales como el AISI 321 y 318.

Debido a la alta temperatura durante la soldadura, el titanio se vaporiza en la

zona inmediata a la unión soldada y desaparece junto con la escoria. El carbono

queda liberado y en vez de combinarse con el titanio para formar el carburo de

titanio, se combina con el cromo, formando carburos de cromo, que se precipitan en

los límites de grano.

~ 20 ~


Estos carburos de cromo son muy ricos en cromo, elemento que es absorbido

hasta esta zona originándose una zona de bajo contenido de cromo. Esto produce una

diferencia de potencial en un medio conductor y, como consecuencia la corrosión en

un medio agresivo.

Dado que esto ocurre en la zona inmediata a la unión soldada y sigue la línea

de dicha unión, esta forma de corrosión intercristalina se denomina en forma de

láminas de cuchillo.

2.5.2.8 Corrosión Galvánica

Cuando dos metales diferentes están en contacto eléctrico y a su vez

conectados por medio de un electrolito (por ejemplo un líquido conductor como el

agua de mar o el agua dulce impura), fluye una corriente desde el metal anódico al

catódico o metal más noble a través del electrolito. Como resultado, el metal menos

noble se corroe.

Este tipo de corrosión es especialmente relevante cuando se plantean uniones

de acero inoxidable con acero al carbono o aceros de baja aleación. Es importante

seleccionar correctamente los materiales de modo que sean al menos tan nobles como

el material base. En ambientes corrosivos en los que pudiera estar presente el agua,

tales como ambientes industriales pesados, atmósferas marinas y donde pudiera

existir inmersión en agua salobre o marina, deben evitarse las uniones de aceros

inoxidables austeníticos mediante tornillos martensíticos y ferríticos.

La corrosión galvánica no debiera ser un problema en aceros inoxidables,

aunque a veces su prevención pueda requerir precauciones que a primera vista

resultan sorprendentes. Para evitar la corrosión galvánica, en principio, debe

impedirse el flujo de corriente:

Aislando los metales diferentes, por ejemplo rompiendo la conexión metálica.

Evitando la formación de puentes electrolíticos, por ejemplo rompiendo la

conexión electrolítica con pinturas u otros recubrimientos. Cuando se persigue

conseguir la protección de esta manera, y no es posible recubrir ambos

metales, es preferible recubrir el más noble (por ejemplo el acero inoxidable

en el caso de unión acero inoxidable/acero al carbono).

El riesgo de una ataque profundo de corrosión si el área del metal más noble

(por ejemplo el acero inoxidable) es mayor que el área del metal menos noble (como

el acero al carbono). Debe prestarse una especial atención al empleo de pinturas u

otros recubrimientos sobre acero al carbono. Si existen pequeños poros o agujeros en

el recubrimiento, la pequeña área de acero al carbono desnuda proporcionará

relaciones de área cátodo/ánodo muy grandes, dando lugar a un severo ataque por

~ 21 ~


picaduras del acero al carbono. Por supuesto, el ataque será probablemente mucho

más intenso en condiciones de inmersión. Por esta razón el preferible pintar el acero

inoxidable.

Relaciones desfavorables de área tienen lugar probablemente con tornillos y

en uniones. El empleo de tornillos de acero al carbono en elementos de acero

inoxidable debe evitarse ya que la relación de área del acero inoxidable en relación

con el acero al carbono es grande y los tornillos estarán sujetos a un ataque agresivo.

Por el contrario, la velocidad de ataque de un elemento de acero al carbono por un

tornillo de acero inoxidable es mucho más lenta. Es generalmente útil apoyarse en

experiencias previas en emplazamientos similares ya que metales diferentes pueden a

menudo trabajar unidos sin peligro bajo condiciones de condensación y humedad

ocasional sin efectos adversos, especialmente cuando la conductividad del electrolito

es baja.

La predicción de estos efectos es difícil ya que la velocidad se corrosión se

determina a partir de una serie de variables de cierta complejidad. El empleo de tablas

de potencial eléctrico ignora la presencia de películas superficiales de óxido y los

efectos de relaciones de área y de diferentes soluciones (electrolitos) químicas. Por

esta razón, un empleo desinformado de estas tablas puede conducir a resultados

erróneos. Dichas tablas deberían utilizarse de manera cuidadosa y solamente para

valoraciones iniciales.

Los aceros inoxidables generalmente forman el cátodo en un enlace

bimetálico y por ello no sufren corrosión. El contacto entre aceros inoxidables

austeníticos y zinc o aluminio puede dar lugar a una corrosión adicional de los

últimos dos metales. Es poco probable que el efecto de dicha corrosión sea

significativo desde un punto de vista estructural; no obstante, el polvo blanco/gris es

absolutamente antiestético.

El acoplamiento con cobre debe ser en general evitado excepto bajo

condiciones adecuadas no severas.

El comportamiento general de los metales en contacto bimetálico en

ambientes rurales, urbanos, industriales y costeros está completamente documentado

en BSI PD 6484 “Commentary on corrosión at bimetalic contacts and its alleviation”

[BSI; 1979].

La corrosión se atribuye frecuentemente a la acción galvánica cuando su

verdadera causa se debe efectivamente a unas condiciones anormales de operación.

Así por ejemplo, el uso de ácido clorhídrico para sustituir un material de limpieza

normal, puede destruir la película pasiva del acero inoxidable. En tal caso se puede

~ 22 ~


formar una celda galvánica. El volver a proyectar y a construir una pieza que sea

completamente de acero inoxidable puede resultar muy costoso y la nueva pieza

proyectada puede ser difícil de fabricar. Así pues, cuando aparentemente la acción

galvánica sea la única causa de un desperfecto en una unidad que, demostradamente

es de buen diseño convendrá realizar una verificación meticulosa para cerciorarse de

que todas las condiciones de operación son normales.

2.5.2.8.1 Factores que influencian la corrosión galvánica:

El empleo de distintos metales en una solución corrosiva no significa que la

corrosión galvánica sea inevitable. Los factores que influencian la corrosión

galvánica son:

a) Conductividad del circuito: Tiene que existir el contacto entre metales diferentes

en una solución de alta conductividad para que se produzca el ataque galvánico.

b) Potencial entre ánodo y cátodo: la posición que ocupa cada metal en la serie

galvánica determina el potencial y la dirección del flujo de corriente cuando se

compone una celda. El metal que ocupa la posición más alta en la serie constituye el

cátodo. El otro metal es el ánodo y, debido a ello, es el que resulta atacado por la

acción de la celda. El potencial se incrementa cuanto más apartadas unas de otras son

las posiciones ocupadas por cada metal en la serie. Los aceros inoxidables en estado

pasivo figuran en la serie justo a continuación de la plata, del grafito y del oro. Así

pues, en una solución oxidante, los aceros inoxidables pasivos suelen constituir el

cátodo, mientras que serán los otros metales los que serán atacados. Cuando la

solución es reductora, el acero inoxidable se vuelve activo y los metales tales como el

cobre y el bronce constituirán el cátodo y acelerarán la corrosión del acero

inoxidable. El acero y la fundición de hierro ocupan puestos inferiores en la serie

galvánica que el que ocupa el acero inoxidable activo por lo que éste será atacado si

se forma una célula entre ellos y el acero inoxidable, lo mismo si están sumergidos en

una solución oxidante que en una reductora.

c) Polarización: Este efecto es el que se produce sobre los electrodos de una celda

galvánica por el depósito sobre los mismos de los gases liberados por la corriente. La

evolución de los iones de hidrógeno puede cambiar de pasiva en activa la superficie

del acero inoxidable, acelerando así la corrosión del ánodo.

d) Áreas relativas del cátodo y ánodo: el área relativa de las superficies ejerce un

efecto pronunciado sobre el daño producido por la acción galvánica. Un pequeño

ánodo con un cátodo grande produce una corriente de elevada densidad y acelera la

corrosión en el ánodo. Deberán evitarse las pequeñas áreas del metal menos noble.

~ 23 ~


No se utilizarán piezas de sujeción de aluminio para el acero inoxidable. En cambio,

el empleo de piezas de sujeción de acero inoxidable para aluminio da resultados

satisfactorios.

e) Relación geométrica entre superficies de distintos metales: Un borde o una

esquina del metal menos noble no deberá estar en contacto con el centro de un área de

gran superficie del metal que ha de constituir el cátodo si llega a formarse una celda

galvánica.

2.5.2.8.2 Prevención de la corrosión galvánica:

Hay varias maneras de reducir y prevenir este tipo de corrosión:

Una manera es aislar eléctricamente los dos metales entre sí. A menos que

estén en contacto eléctrico, no puede haber una celda galvánica establecida.

Esto se puede hacer usando plástico u otro aislante para separar las tuberías de

acero para conducir agua de los accesorios metálicos a base de cobre, o

mediante el uso de una capa de grasa para separar los elementos de aluminio y

acero. El uso de juntas de material absorbente, que puedan retener líquidos, es

a menudo contraproducente. Las tuberías pueden aislarse con un

recubrimiento para tuberías fabricado con materiales plásticos, o hechas de

material metálico recubierto o revestido internamente. Es importante que el

recubrimiento tenga una longitud mínima de unos 500 mm para que sea

eficaz.

Otra forma es mantener a los metales secos y / o protegidos de los compuestos

iónicos (sales, ácidos, bases), por ejemplo, pintando o recubriendo al metal

protegido bajo plástico o resinas epoxi, y permitiendo que se sequen.

Revestir los dos materiales y, si no es posible cubrir ambos, el revestimiento

se aplicará al más noble, el material con mayor potencial de reducción. Esto es

necesario porque si el revestimiento se aplica sólo en el material más activo

(menos noble), en caso de deterioro de la cubierta, habrá un área de cátodo

grande y un área de ánodo muy pequeña, y el efecto en la zona será grande

pues la velocidad de corrosión será muy elevada.

También es posible elegir dos metales que tengan potenciales similares.

Cuanto más próximos entre sí estén los potenciales de los dos metales, menor

será la diferencia de potencial y por lo tanto menor será la corriente galvánica.

Utilizar el mismo metal para toda la construcción es la forma más precisa de

igualar los potenciales y prevenir la corrosión.

Las técnicas de galvanoplastia o recubrimiento electrolítico con otro metal

(chapado) también puede ser una solución. Se tiende a usar los metales más

~ 24 ~

http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3lisis

http://es.wikipedia.org/wiki/Galvanoplastia

http://es.wikipedia.org/wiki/Diferencia_de_potencial

http://es.wikipedia.org/wiki/Revestimiento

http://es.wikipedia.org/wiki/Resina_epoxi

http://es.wikipedia.org/wiki/Base_(qu%C3%ADmica)

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81cido

http://es.wikipedia.org/wiki/Sal

http://es.wikipedia.org/wiki/Tuber%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Aislante

http://es.wikipedia.org/wiki/Pl%C3%A1stico


nobles porque mejor resisten la corrosión: cromo, níquel, plata y oro son muy

usados.

La protección catódica mediante ánodos de sacrificio: Se conecta el metal que

queremos proteger con una barra de otro metal más activo, que se oxidará

preferentemente, protegiendo al primer metal.2 Se utilizan uno o más ánodos

de sacrificio de un metal que sea más fácilmente oxidable que el metal

protegido. Los metales que comúnmente se utilizan para ánodos de sacrificio

son el zinc, el magnesio y el aluminio.

La protección catódica mediante una corriente eléctrica es otro ejemplo de

protección contra la corrosión. Una fuente de alimentación eléctrica de

corriente continua se puede conectar para oponerse a la corriente galvánica

corrosiva. Se emplea en estructuras grandes donde los ánodos galvánicos no

pueden suministrar suficiente protección.

2.6 Aceros inoxidables resistentes a altas temperaturas

Los aceros inoxidables resistentes a altas temperaturas también llamados

aceros resistentes al calor o bien aceros refractarios son aleaciones que deben soportar

medios corrosivos a altas temperaturas. El contenido de cromo y níquel por lo general

es superior al de los aceros inoxidables comunes y frecuentemente van acompañados

de otros elementos (Molibdeno, Cobre, Aluminio, etc.) para favorecer dicha

resistencia.

Estos aceros refractarios tienen una mayor resistencia a la corrosión a

temperaturas inferiores a los 400°C en comparación con los aceros inoxidables

comunes, estos es, en los mismos medios corrosivos.

La resistencia a la corrosión de los aceros resistentes al calor se debe

precisamente a la formación de una película de óxido, que deberá ser impermeable si

se desea una buena resistencia a la corrosión.

Al igual que en los inoxidables comunes, el elemento que dota a los

refractarios de buena resistencia a la corrosión es el cromo. Adiciones de aluminio,

Silicio, hace que mantengan dicha resistencia a más altas temperaturas.

2.7 Pasividad

El fenómeno de la pasividad metálica ha fascinado a ingenieros y científicos

por más de ciento veinte años desde los días de Faraday. El fenómeno es bastante

difícil de definir por su naturaleza compleja y a las condiciones específicas en la cual

ocurren. Esencialmente, la pasividad se refiere a la pérdida de reactividad química

experimentada por ciertos metales y aleaciones bajo condiciones de ambientes

~ 25 ~

http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_continua

http://es.wikipedia.org/wiki/Fuente_de_alimentaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Protecci%C3%B3n_cat%C3%B3dica

http://es.wikipedia.org/wiki/Aluminio

http://es.wikipedia.org/wiki/Magnesio

http://es.wikipedia.org/wiki/Zinc

http://es.wikipedia.org/wiki/Corrosi%C3%B3n_galv%C3%A1nica#cite_note-Senner-2

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=%C3%81nodo_de_sacrificio&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Protecci%C3%B3n_cat%C3%B3dica


particulares. Esto es, que ciertos metales y aleaciones llegan a ser inertes y actúan

como si fueran metales nobles tales como: platino y oro. Afortunadamente, desde el

punto de vista ingenieril, el metal mayormente susceptible a este tipo de conducta son

los metales ingenieriles y estructurales, incluidos el fierro, níquel, silicona, cromo,

titanio y aleaciones que contienen estos metales. También bajo condiciones limitadas

otros metales como el zinc, cadmio y uranio, también han exhibido los efectos de

pasividad.

La pasividad, a pesar de la dificultad para ser definida, puede ser

cuantitativamente descrita por la caracterización de la conducta de metales en los

cuales muestra un efecto inusual. La primera consideración de la conducta de lo que

puede ser llamada un metal normal, es en un metal que no muestra efectos de

pasividad.

2.8 Elementos clorados (cloro)

a) Características:

1. El cloro en condiciones ordinarias de presión y temperatura, es un gas

amarillo verdoso de un olor irritante característico. Se le considera un gas

compresible no inflamable, ni aún en estado líquido; sin embargo el cloro

gaseoso puede soportar la combustión de ciertos materiales bajo determinadas

condiciones.

2. El cloro es muy activo químicamente, razón por la cual no se le encuentra en

estado libre, sino en combinación con otros elementos como el sodio con el

cual está ampliamente distribuido en la naturaleza como cloruro de sodio, y

constituye su fuente principal.

3. El cloro gaseoso es 2.5 veces más pesado que el aire, por lo que tiende a

acumularse en los lugares bajos y se difunde lentamente en él.

4. El cloro gaseoso puede ser licuado por aplicación de presión a baja

temperatura y en esta forma es un líquido claro color ámbar, 1.5 veces más

pesado que el agua.

5. A la presión atmosférica hierve a -34.05º C y se congela a -100.98oC

aproximadamente.

6. El cloro es sólo ligeramente soluble en agua.

7. A pesar de que el cloro seco (gas o líquido) normalmente no es reactivo ni

corrosivo con algunos metales tales como el cobre o el acero al carbón, si es

fuertemente reactivo (poderosamente corrosivo) cuando hay presencia de

humedad.

b) Reacciones químicas:

~ 26 ~


1. Reacciones con el agua: El cloro es sólo ligeramente soluble en agua.

Cuando éste reacciona con el agua pura, se forma una solución débil de ácidos

clorhídrico e hipocloroso. El cloro hidratado (Cl2.8H2O) puede cristalizarse a

temperaturas por debajo de los 49.3º F (9.6º C) a la presión atmosférica, y a

temperaturas y presiones más altas.

2. Reacciones con metales: Por debajo de los 121º C el hierro, el cobre, el

acero, el plomo, el níquel, el platino, la plata y el tantalio son resistentes al

cloro seco, líquido o gaseoso. A temperaturas ordinarias el cloro seco, líquido

o gaseoso, reacciona con el aluminio, el arsénico, el oro, el mercurio, el

selenio, el telurio y el estaño. A ciertas temperaturas el sodio y el potasio

arden con el cloro gaseoso. El cloro húmedo, a causa de los ácidos clorhídrico

e hipocloroso formados directamente por hidrólisis, es muy corrosivo para la

mayoría de los metales comunes.

3. Reacciones con otros elementos: Estas reacciones ocurren bajo

condiciones específicas con la mayoría de los elementos, y pueden ser

extremadamente rápidas. En su punto de ebullición el cloro reacciona con el

azufre. No reacciona directamente ni con el oxígeno ni con el nitrógeno,

puede hacerlo con los óxidos y compuestos del nitrógeno pero sólo de manera

indirecta. Las mezclas de hidrógeno y cloro pueden reaccionar violentamente.

4. Reacciones con compuestos inorgánicos: La preparación de sosa y cal

blanca (sodio e hipoclorito de calcio) son reacciones típicas del cloro con los

álcalis y los hidróxidos de los metales alcalinotérreos, los hipocloritos

formados son poderosos agentes oxidantes. Debido a su gran afinidad con el

hidrógeno, el cloro remueve el hidrógeno de algunos compuestos, como en la

reacción con el sulfuro de hidrógeno para formar ácido clorhídrico y azufre.

El cloro como ion hipocloroso, reacciona con los iones amonio para formar

varias mezclas de cloraminas.

5. Reacciones con compuestos orgánicos: El cloro reacciona con muchos

compuestos orgánicos para formar derivados clorinados. Algunas reacciones

pueden ser extremadamente violentas, especialmente aquellas con

hidrocarburos, alcoholes y éteres.

~ 27 ~


CAPÍTULO III

“Caracterización de los aceros inoxidables”

3.1 Clasificación de los Aceros Inoxidables

~ 28 ~


Los aceros inoxidables de acuerdo a su composición y características

metalográficas los podemos agrupar en:

1. Aceros Inoxidables Austeníticos

2. Aceros Inoxidables Martensíticos

3. Aceros Inoxidables Ferríticos

4. Aceros Inoxidables endurecidos por precipitación

5. Aceros Inoxidables Dúplex

3.1.1 Aceros Inoxidables Austeníticos

La clase austenítica contiene níquel como segundo elemento principal de

aleación, son resistentes a la corrosión atmosférica y a ciertos ácidos. Estos aceros no

pueden ser templados ni revenidos ni recocidos en forma ordinaria, debido a que en

cualquier estado y a cualquier temperatura están constituidos fundamentalmente por

austenita, que tiene gran estabilidad y no se transforma por el enfriamiento rápido en

otros constituyentes y por lo tanto, en estos aceros el temple no se puede producir.

En la figura 3.1 se muestra una micrografía de la austenita. Se puede notar que

posee una forma característica y clara, además, sus límites de grano son bien

“marcados” o “gruesos”, de esta forma, se puede diferenciar de las otras fases como

la martensita y la ferrita.

Figura 3.1: “Microscopía de la Austenita”

Estos aceros son normalmente no magnéticos, su estructura cristalina es

cúbica centrada en las caras (FCC) y se pueden endurecer por deformación en frio

haciéndose débilmente magnéticos. Su tenacidad y ductilidad son mucho mayores

que la de los aceros al carbono y tienen una excelente resistencia a temperaturas

extremas.

3.1.1.1 Características básicas:

~ 29 ~


Elevada resistencia a la corrosión en una amplia gama de ambientes

corrosivos, generalmente mejor que la de los aceros martensíticos o ferríticos,

pero son vulnerables al agrietamiento por corrosión bajo tensiones en

ambientes de cloruro.

Excelente soldabilidad, mejor que los grados ferríticos y martensíticos.

Sobresaliente maleabilidad y ductilidad, mejor que los grados ferríticos y

martensíticos.

Muy buenas propiedades criogénicas y buena resistencia a alta temperatura.

La plasticidad de la estructura de la austenita, transmite a estos aceros, su

tenacidad, reducción en área y excelente resistencia al impacto aun a

temperaturas criogénicas.

Endurecible solamente por trabajo en frío. Los aceros inoxidables austeníticos

no pueden ser templados para obtener martensita, ya que el níquel estabiliza la

austenita a temperatura ambiente e incluso por debajo de ella.

Comparado con el acero al carbono posee menor punto de fusión, menor

conductividad térmica, mayor resistencia eléctrica y coeficientes de expansión

térmica aproximadamente 50% mayores.

Las características magnéticas de los metales de aporte de acero inoxidable

austenítico varían desde no magnéticos como los tipos 310, 320, 330

completamente austeníticos a notablemente magnéticos como el tipo 312, que

contiene más de un 25% de ferrita. La mayoría de los aceros inoxidables

austeníticos comunes tales como 308L, 309L, 316L y 347 son levemente

magnéticos debido a la presencia de algo de ferrita.

3.1.1.2 Aplicaciones típicas:

Algunos aceros completamente austeníticos pueden ser usados a temperaturas

tan bajas como -270°C.

Plantas y equipos químicos.

Equipos para procesamiento de alimentos.

Usos arquitectónicos.

3.1.1.3 Acero AISI 301

Este grado tiene menor resistencia a la corrosión que otros aceros inoxidables

de la serie 300. Puede ser fácilmente formado, pero es más susceptible de

endurecimiento por trabajo en frío que otros tipos cromo – níquel.

El tipo 301 ofrece buenas propiedades de soldabilidad y tiene cinco grados

diferentes:

Recocido

~ 30 ~


Endurecimiento de un cuarto

Medio endurecido

Tres cuartos endurecido

Endurecido completo

La AISI los clasifica de acuerdo a la serie 200 y 300.

3.1.2 Aceros Inoxidables Martensíticos

Son aceros al cromo que reciben su nombre por quedar con esa estructura

después del tratamiento térmico de temple y aún también después del enfriamiento al

aire. Estos aceros suelen contener un de un 11% a un 18% de cromo y el carbono se

encuentra en cantidades tales que promueve la formación de martensita, alcanzando

un máximo de 1,2%.

En la figura 3.2 se observa la metalografía de la martensita, la cual es en

forma acicular, bastante diferente de la austenita y ferrita, lo que la hace fácil de

detectar y especificar.

Figura 3.2: “Microscopía de la martensita”

Tienen estructura ferrítica cuando han sido recocidos, pero al enfriarlos

rápidamente en aire o agua, después de haber sido calentados por encima de su

temperatura crítica, adquieren una estructura martensítica. La transformación

austenita – ferrita es muy lenta y por lo tanto al enfriarlos al aire adquieren dureza

considerable. Tienen excelente resistencia mecánica y buena tenacidad.

Resisten sin oxidarse, temperaturas de hasta 750°C. Los aceros martensíticos

tienen el menor nivel de cromo de la familia de los aceros inoxidables y su resistencia

a la oxidación es más baja. Son magnéticos y su estructura cristalina es tetragonal

centrada en el cuerpo. Se caracterizan porque pueden ser tratados térmicamente en

forma análoga a los aceros ordinarios.

~ 31 ~


El campo en donde se utilizan estos aceros es muy amplio, es el más simple y

barato de los aceros inoxidables. Debido a que estos aceros son autotemplables tienen

tendencia a la fisuración y para contrarrestar este efecto es preciso realizarles un

tratamiento térmico adecuado.

Según la AISI los clasifica por la serie AISI 400 y 500.

3.1.3 Aceros Inoxidables Ferríticos

Son aleaciones hierro – cromo en la que el contenido de cromo varía entre un

16% a un 30% y el carbono se encuentra con un máximo de 0,35% siendo éste el que

determina las características de la matriz. Son magnéticos y poseen una estructura

cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Su resistencia a la corrosión es

ligeramente superior a la de los aceros martensíticos.

En la figura 3.3 se muestra la metalografía de la ferrita, la cual se puede notar

que es similar a la de la austenita, pero en dimensiones mayores y con límites de

grano más delgados.

Figura 3.3: “Microscopía de la ferrita”

Se caracterizan por no poder ser tratados térmicamente como los aceros

ordinarios. Esto implica que no se endurecen al someterlos a temple y solo se logra

un leve endurecimiento por deformación en frío. Este comportamiento se debe a que

en cualquier estado y en cualquier temperatura tiene una estructura fundamentalmente

ferrítica.

La clasificación que tienen estos aceros es de la serie AISI 400.

3.1.4 Aceros inoxidables Endurecidos por Precipitación

~ 32 ~


Estos aceros contienen elementos de aleación (Al, Cu, Mo, W, Co, Ti, Ni, N,

B, etc.) que son solubles en el metal a alta temperatura, pero insolubles a

temperaturas bajas. Esto trae como consecuencia, que si se enfrían rápidamente desde

temperaturas altas, se consigue retener en soluciones sólidas los átomos de los

elementos de aleación. En esta condición no contribuyen a modificar o mejorar las

propiedades mecánicas. Calentando ahora a unos 420°C a 650°C se aporta suficiente

energía térmica como para hacer precipitar a los elementos disueltos, en forma de

cristales que se dispersan en la matriz metálica y mejoran las propiedades mecánicas.

A temperaturas bajas el tamaño de los precipitados es extremadamente fino y

su número muy alto. Aumentando la temperatura se obtienen precipitados cada vez

más gruesos.

Puesto que la cantidad de precipitados (número de partículas por unidad de

volumen) y no el tamaño de la partícula es el factor que determina el aumento de la

resistencia mecánica, estos aceros se tratan térmicamente entre 420°C y 500°C. Este

proceso descrito se conoce como envejecimiento.

En la figura 3.4 se puede observar la microestructura (o matriz) de un acero

inoxidable endurecido por precipitación. Es de una forma muy diferente de los aceros

más conocidos, por lo que puede identificarse más fácilmente.

Figura 3.4: “Microscopía de un acero endurecido por precipitación mostrando una

matriz austenítica con martensita y ferrita”.

3.1.5 Aceros Inoxidables Dúplex

Son aceros aleados a base de hierro con cromo, molibdeno y una cantidad de

estabilizadores de la Austenita como Níquel y Nitrógeno para lograr el balance

deseado entre las fases ferríticas y austeníticas de donde deriva su denominación

Duplex. El Nitrógeno aumenta el límite de fluencia y reduce la velocidad de la

formación de compuestos intermetálicos frágiles. El Molibdeno mejora la resistencia

a la corrosión por picadura y rendija.

En contenido típico de ferrita de estos aceros va entre un 40% y 60%.

Contienen cromo relativamente alto (entre 18% y 28%) para mantener la resistencia a

~ 33 ~


la corrosión de los aceros austeníticos y cantidades moderadas de níquel (entre 4,5%

y 8%) para aumentar el contenido de ferrita y así aumentar la resistencia al

agrietamiento por corrosión de tensiones en medios con cloruros a alta temperatura.

Sin embargo, es habitual considerar que los aceros inoxidables Dúplex tienen

cantidades aproximadamente iguales de ferrita y austenita, favoreciéndose

ligeramente en la actualidad la austenita para mejorar la tenacidad y las características

de procesado. Las interacciones de los elementos de aleación más importantes,

especialmente el cromo, molibdeno, nitrógeno y níquel, son bastante complejas. Para

conseguir una estructura Dúplex estable que responda bien al procesado y a la

fabricación, se debe cuidar la obtención del nivel correcto de cada uno de estos

elementos.

En la figura 3.5 se observa la metalografía de un acero inoxidable tipo dúplex.

La cual es una mezcla de ferrita y austenita, las regiones o lugares más claros

corresponden a la austenita, mientras que las zonas más oscuras corresponden a la

ferrita.

Figura 3.5: “Microscopía de un acero dúplex”

~ 34 ~


CAPÍTULO IV

“Procedimiento experimental”

4.1 Procedimiento Experimental

~ 35 ~


El presente proyecto que se desarrolla en esta memoria consta de un trabajo de

investigación, el cual es: Encontrar la o las causas de la falla del equipo, es decir,

averiguar porque el sistema motor – bomba resultó corroído.

Las características de la moto bomba nombradas anteriormente en el capítulo

1, son los datos técnicos que se pueden observar en la parte superficial exterior (en el

cilindro) del equipo. Cabe destacar que el equipo es de acero inoxidable, sin embargo,

no se sabe qué tipo de acero inoxidable es. Esto se logra determinar mediante análisis

metalográfico y químico.

Ya mencionados los datos del equipo, se hace importante ahora describir la

experiencia y el trabajo que se tuvo que hacer para lograr desarrollar esta

investigación, y que tenga resultados favorecedores.

4.1.1 Descripción del trabajo realizado

1. Inspeccionar el equipo visualmente, introducirse en el tema y obtener algún

tipo de información mediante la observación macroscópica.

2. Plantear hipótesis con la información obtenida mediante lo que se observa y

de acuerdo a lo observado, indagar y deducir el fundamento de la falla, lo que

podría haber sucedido, cómo y porqué.

3. Con la información obtenida de que el equipo trabajaba en la localidad de

Chaca, se procedió a ir al lugar para obtener muestras de agua, del mismo

pozo en donde el equipo desempeñaba su trabajo. Esto para poder averiguar,

el PH de dicha agua, su dureza y la cantidad de elementos clorados que posee

el agua con el que trabajaba la motobomba.

4. Se planteaba una hipótesis de que la falla podría haber ocurrido mediante

corrosión galvánica, debido a que solo un elemento en la parte superior del

equipo estaba corroído, los demás elementos de la moto bomba, solo tenían

oxidación, lo cual no es menor, pero era muy notorio, por lo que se procedió a

atacar con ácido clorhídrico una parte del equipo y también al elemento que se

había corroído.

5. Luego se procedió a realizar las tareas previas para lograr observar la

microscopía del acero, es decir, mirarlo a través de un microscopio y observar

su metalografía. Se cortó una sección rectangular, se encapsuló, se lijó, se

pulió, se atacó y finalmente se logró observar su microestructura.

6. Para saber que microestructura tiene el acero que se está trabajando, fue

necesario obtener viruta del elemento corroído y realizar un análisis químico,

en el cual se determinó la composición química del acero en cuestión, o sea,

se pudo conocer la cantidad de elementos de aleación que poseía nuestro

equipo en investigación.

~ 36 ~


7. Luego, se determina si el acero que se está analizando, es de tipo,

martensítico, ferrítico, austenítico, Duplex o endurecido por precipitación.

Dentro de este punto cabe mencionar que además se realizó un proceso muy

simple el cual era acercar un imán al acero corroído. Esto se realizó con la

intención de descartar tipos de aceros inoxidables y dar finalmente con la

respuesta.

De acuerdo a la teoría, los aceros inoxidables Austeníticos son no magnéticos,

es decir, no los atrae el imán. Sin embargo, al poseer algunos otros elementos

químicos en su composición, puede que sea levemente magnético. En cambio,

los demás tipos de aceros que existen son magnéticos.

Al colocar un imán cerca del elemento corroído, se pudo notar que, el imán

atrajo al acero, pero levemente.

8. El siguiente paso que se realizó fue obtener dos tipos de aceros inoxidables;

uno que sea austenítico y el otro de cualquier tipo, ya sea, ferrítico,

martensítico, etc. Desde el punto de vista para descartar aceros, se tomó uno

que no sea magnético y el otro que si sea magnético. Esto se realizó para

atacarlos con ácido clorhídrico y ver su reacción hacia este compuesto. La

finalidad para realizar el ataque es comparar esta reacción al ácido clorhídrico

con la reacción que sufrió el elemento corroído hacía el mismo ácido. Cabe

mencionar que el ataque se realizó a ambos aceros diluido en agua destilada

en concentraciones de 5%, 3% y 1% de ácido clorhídrico, respectivamente.

9. Al obtener los resultados del ataque con ácido clorhídrico a los aceros

utilizados como comparación y los resultados químicos de la composición del

elemento corroído, se procede a discutir y verificar de acuerdo al

comportamiento de la corrosión, de acuerdo a la teoría y de acuerdo al

ambiente de trabajo de la motobomba; se opta por una de las hipótesis. Siendo

con esto, el paso final.

En el procedimiento de ataque con ácido clorhídrico, se muestra en las

siguientes figuras, para obtener una noción y observación más clara de lo sucedido

luego que el ácido actuara sobre los elementos del equipo.

En las figuras 4.1, 4.2 y 4.3 se muestra el ataque con ácido clorhídrico hacía el

cuerpo del equipo (la parte exterior), hacia el exterior del rodete y hacia el elemento

corroído, respectivamente.

~ 37 ~


Figura 4.1: “Ataque con ácido clorhídrico hacía la parte exterior del equipo”.

Figura 4.2: “Ataque con ácido clorhídrico a la parte exterior del rodete”.

Figura 4.3: “Ataque con ácido clorhídrico hacia el elemento corroído”.

~ 38 ~


Lo que se quería conseguir con este ataque era observar la reacción del acero

hacía el ácido; si las reacciones eran distintas entonces nos enfrentamos a diferentes

tipos de aceros dentro del mismo equipo. Tal y como se observa, la reacción hacia el

ácido clorhídrico es distinta, por lo cual se tiene una hipótesis del porqué falló el

equipo.

~ 39 ~


CAPÍTULO V

“Hipótesis”

~ 40 ~


5.1 Caracterización del acero en estudio

5.1.1 Microscopía

La motobomba en estudio se sabe que es de acero inoxidable, sin embargo, no

se tiene la certeza de que tipo de acero es. La prueba del imán resultó que la moto

bomba en estudio es levemente magnética, por lo cual se puede inferir que,

prácticamente no es magnética. Y de acuerdo a esa sencilla experiencia se puede

deducir que el acero en estudio es de tipo Austenítico.

En la descripción del procedimiento experimental, se mencionó que se

realizaron pasos para observar la microestructura de la motobomba en estudio.

En las figuras 5.1 (a), (b) y (c) se muestran la microestructura del acero

inoxidable de la motobomba. Estas fotografías se obtuvieron a través del computador

que está conectado a un microscopio en el laboratorio de materiales de la escuela de

ingeniería mecánica. En las fotografías se puede observar que coexisten la austenita y

la ferrita. Puede pensarse que es un acero de tipo dúplex, aunque si fuera un acero

Duplex éste sería magnético, pero no lo es. La austenita se encuentra en mayor

cantidad que la ferrita, es decir, predomina la Austenita. De acuerdo a estas imágenes,

se puede inferir que el acero de la motobomba en estudio, es de tipo Austenítico

Figura 5.1 (a): “Microestructura de la motobomba en estudio, específicamente del

elemento corroído”.

~ 41 ~


Figura 5.1 (b): “Microestructura de la motobomba en estudio, específicamente del


Figura 5.1 (c): “Microestructura de la motobomba en estudio, específicamente del


Cuando se realizó la prueba de si el imán atraía al elemento corroído, se notó

que si lo atraía pero con una fuerza muy débil. Al observar que existe ferrita dentro de

la matriz de su microestructura, se infiere que es por esta razón que el imán atrae

débilmente al acero.

5.1.2 Comparación de reacción al ácido clorhídrico

Para verificar si el acero inoxidable del que está hecho la motobomba en

estudio es de tipo Austenítico, se realizó una pequeña experiencia, la cual consiste en:

Se tienen dos aceros inoxidables sin saber su tipo. Sin embargo, se realizó el

~ 42 ~


procedimiento más sencillo para verificar el tipo de acero del que están hechos. Se

tomó un imán y a uno de ellos lo atrajo con una fuerza muy contundente como para

decir que ese acero si es magnético; mientras que al otro acero no lo atrajo para nada.

Es decir, estábamos en presencia de un acero Austenítico y otro de tipo o ferrítico o

martensítico o dúplex.

Cada uno de ellos se atacó con distintas concentraciones de ácido clorhídrico

para observar la reacción a este compuesto. Esto, con el fin de comparar la reacción al

ácido que manifestaron los elementos de la motobomba atacados, especialmente la

del “elemento corroído”.

En la figura 5.2 se observa el ataque que se realizó con ácido clorhídrico al

acero magnético con sus respectivas concentraciones de ácido. Diluidas en agua

destilada.

En la figura 5.3 se observa el ataque con ácido clorhídrico al acero no

magnético (Austenítico), con sus respectivas concentraciones de ácido. Diluidas en

agua destilada.

Figura 5.2: “Ataque con ácido clorhídrico al acero magnético”

Figura 5.3: “Ataque con ácido clorhídrico al acero no magnético (Austenítico)”

~ 43 ~


En la figura 5.4 se observa claramente el ataque que sufrió el acero magnético

a las diferentes concentraciones de ácido clorhídrico. Esta reacción al ácido

clorhídrico difiere a la reacción que sufrió el elemento corroído.

En la figura 5.5 Se puede observar la reacción del acero Austenítico al ácido

clorhídrico, el cual fue similar a la reacción que sufrió el elemento corroído. Si bien,

el elemento corroído de la motobomba, notoriamente sufrió menos daño, se puede

inferir con más certeza que el acero de la motobomba, específicamente del “elemento

corroído” es un acero inoxidable Austenítico.

Figura 5.4: “Respuesta al ataque con ácido clorhídrico al acero magnético”

Figura 5.5: “Respuesta al ataque con ácido clorhídrico al acero no magnético

(Austenítico)”

~ 44 ~


5.1.3 Análisis químico (composición del acero en estudio)

Para determinar de manera más confiable si el acero de la motobomba en

estudio es un acero austenítico, se realizó un análisis químico para determinar la

composición que tiene el acero con el que se trabaja en esta investigación. Este

análisis lo realizó el departamento de química de la Universidad de Tarapacá en

conjunto con una empresa ubicada en Santiago de Chile llamada Andes Analytical

Assay. Los resultados se muestran en la tabla N°3.

Tabla N°3: “Composición química del acero inoxidable de la

motobomba. Del elemento corroído

Elemento Cantidad (%)

Al 0,03

Cr 17

Fe 70

Mn 1,53

Ni 8,42

Si 1,29

Mo 0,102

P 0,03

S <0,05

La teoría claramente afirma que los aceros inoxidables Austeniticos poseen en

su composición, cantidades de Níquel. De la familia de los aceros inoxidables, los

únicos que poseen Níquel son los aceros Austeníticos y los Dúplex, debido a que

estos también contienen austenita en su microestructura. Sin embargo, los aceros

Dúplex poseen, además de níquel, otros elementos que son fundamentales para ellos,

los cuales son el Mo y el N. Como se observa en la tabla, el acero inoxidable en

estudio posee Mo, pero es una cantidad muy pequeña. Además, se debe mencionar

otro punto de importancia, el cual es que el acero en estudio no tiene cantidades de

Nitrógeno, por lo tanto, de acuerdo al análisis químico, el acero de la motobomba en

estudio no es de tipo Dúplex, sino que es de tipo Austenítico.

De acuerdo a la composición química de algunos aceros Austeníticos, como

por ejemplo el AISI 301 o el AISI 304, se puede inferir a qué tipo de acero

austenítico es el de la motobomba en estudio. Se realizó una comparación de sus

elementos de aleación con los elementos que dice la teoría.

En la figura 5.6 se muestra una tabla en donde se puede observar algunos

elementos químicos que posee un acero austenítico AISI 301. Al compararla con la

tabla N°3 se puede notar que cumple con la mayoría de los elementos, es decir,

~ 45 ~


poseen una gran similitud. Lo cual, de acuerdo a esto, se puede inferir que el acero en

estudio es un acero Austenítico AISI 301.

Mientras que en la figura 5.7 se puede observar lo mismo que en la figura 5.6.

Pero para un acero Austenítico AISI 304. Se observa que al comprar la figura 5.7 con

la tabla N°3 existen mayores diferencias que con la figura 5.6. Por lo tanto, de

acuerdo a esto, se puede deducir que el acero en estudio no es un 304 sino que es un

Austenítico AISI 301.

Figura 5.6: “Elementos químicos de un acero austenítico 301”.

Figura 5.7: “Elementos químicos de un acero austenítico 304”.

5.2 Hipótesis

El sistema motor – bomba a analizar se encontraba en el laboratorio de

termofluidos de la escuela de ingeniería mecánica. El estado de dicho equipo era

notorio a simple vista, es decir, se observaba que el equipo había sido atacado por una

oxidación y corrosión ya bastante avanzada, debido a que, en su parte superior, un

elemento se encontraba bastante deteriorado; existía pérdida de material debido al

ataque corrosivo. El cuerpo superficial se encontraba con pequeñas cantidades de

óxido. No sólo la parte exterior tenía oxidación, sino que también el rodete de dicha

bomba.

En el capítulo anterior de esta memoria, se describió el procedimiento

experimental que se realizó para esta investigación. De acuerdo a lo descrito

anteriormente, y de acuerdo a la tabla mostrada con los resultados del análisis de agua

en el capítulo 1 se darán a conocer las hipótesis de la falla.

Ácido Clorhídrico

En los procedimientos que se realizaron para la investigación, se nombra un

ataque con ácido clorhídrico.

~ 46 ~


Se realizó el ataque para conocer si el acero inoxidable del equipo, es del

mismo tipo en todos sus componentes y elementos. Esto se sabía mediante la forma

de reacción del acero, es decir, si la reacción al ácido es distinta, se determina que el

acero no es del mismo tipo en cada uno de sus componentes. Finalmente la reacción

al ácido clorhídrico fue diferida en los tres elementos.

Resultados análisis de agua

Se realizaron análisis químico de la misma agua con la que trabajaba el

sistema motor – bomba. El objetivo del análisis de agua, es determinar el PH, la

conductividad eléctrica, la dureza y la cantidad de elementos clorados (cloruro). Y

con esto hacer inferencias si la falla que le ocurrió a la motobomba fue causada por la

exposición prolongada de los elementos clorados.

Corrosión por tensión (Tensocorrosión)

De acuerdo a la literatura el acero se puede corroer debido a esfuerzos o

tensiones. La acción de esos esfuerzos puede ser por una carga cíclica externa o por

tensiones internas en el acero, las cuales podrían permanecer en el acero post

tratamientos térmicos, soldaduras, conformados, etc. Al combinar las tensiones y el

medio en el cual trabaja el acero se puede generar una corrosión por tensión. Para que

la corrosión por tensión se lleve a cabo deben existir las tensiones y un medio

corrosivo, especialmente en medios con elementos clorados (que contengan cloro).

Teóricamente, la motobomba en estudio podría cumplir con los antecedentes

mencionados para sufrir una corrosión por tensión debido a que este equipo se

encontraba trabajando en un medio con un alto índice de elementos clorados y puede

ser que en el proceso de fabricación hayan quedado tensiones internas, favoreciendo

la corrosión por tensión.

5.2.1 Hipótesis N°1

“Es posible que el equipo haya sufrido una corrosión galvánica, ya que, al

ser diferentes tipos de acero, éstos poseen diferentes potenciales, los cuales nos hace

pensar que se formó un par Galvánico, actuando un elemento como cátodo y el otro

actuando como ánodo. Todo esto, siempre y cuando, además hayan participado otros

factores, como por ejemplo, el paso de corriente, ya sea, a través del agua o del aire,

etc.”


“Se observa que los elementos clorados están en un nivel bastante elevado.

Estos son perjudiciales para la gran mayoría de los aceros, y para este caso, lo es.

~ 47 ~


Los cloruros pudieron haber actuado como oxidación y corrosión al acero. En el

caso de la oxidación, quizás llegó a ser solo oxidación debido a que en esos

elementos de la máquina, poseían mayor espesor, en cambio, en el elemento

corroído, el espesor era mucho menor, con lo cual ocasionaría la corrosión y la

pérdida de material debido a los elementos clorados”


“La bomba se encontraba trabajando en un pozo con agua dura y con valores

de elementos clorados algo elevados (medio corrosivo para los aceros inoxidables).

Además, puede que en el proceso de fabricación o en algún tratamiento térmico la

motobomba haya quedado con tensiones internas residuales y de esta manera,

favorecería la corrosión que sufrió el equipo en investigación, sería una corrosión de

tipo bajo tensión. Resultando corroído el elemento más pequeño y de menor espesor,

mientras que el resto del equipo haya sufrido oxidación a lo largo del tiempo.

Quizás, si el equipo hubiera permanecido más tiempo en funcionamiento, la

oxidación y/o corrosión seria aún más grave”

~ 48 ~


CAPÍTULO VI

“Análisis y discusión de resultados”

~ 49 ~


6.1 Discusión de los resultados que arrojó la investigación

Durante el proceso de investigación, se realizaron diversos pasos para dar con

la respuesta y obtener resultados satisfactorios, como por ejemplo realizar ensayos y

análisis químico, los cuales fueron de suma importancia para ir aclarando la

investigación.

En los capítulos anteriores se describieron, desde el medio de trabajo y sus

alrededores de la motobomba, hasta inferir el tipo de falla que sufrió dicho equipo,

para ser más claro, para poder deducir que tipo de corrosión sufrió la motobomba.

Durante el proceso de investigación se plantearon tres hipótesis, las cuales

fueron dadas a conocer en el capítulo anterior. En base a todo lo obtenido y

recopilado se realiza un análisis y/o discusión de las hipótesis.

Hipótesis N°1:

“Es posible que el equipo haya sufrido una corrosión galvánica, ya que, al

ser diferentes tipos de acero, éstos poseen diferentes potenciales, los cuales nos hace

pensar que se formó un par Galvánico, actuando un elemento como cátodo y el otro

actuando como ánodo. Todo esto, siempre y cuando, además hayan participado otros

factores, como por ejemplo, el paso de corriente, ya sea, a través del agua o del aire..

Al observar el equipo, se puede ver que éste sufrió corrosión únicamente en

un elemento, el cual es el mismo que se ha descrito como “elemento corroído”,

mientras que en el resto de la motobomba solo hubo oxidación. No hubo pérdida de

material como en el elemento corroído. La forma de corrosión no fue uniforme, por lo

tanto existe un punto a favor para esta hipótesis.

En la corrosión galvánica puede darse una corrosión de tipo uniforme o

localizada. Que además depende del medio o del fluido en el que está inmerso el

metal. En este caso, la motobomba estaba inmersa en agua dulce pero, de una dureza

elevada (iones metálicos en gran cantidad) y de iones cloruro. Es sabido que el

contenido de cloruros para los aceros inoxidables es peligroso.

Hay que destacar además, la densidad de corriente que circulaba a través de la

motobomba. La corriente es un factor de suma importancia para que se forme un par

galvánico y ocurra corrosión por esta forma. Es probable que en el funcionamiento de

la motobomba, se haya “escapado” una cantidad de corriente, es decir, que haya

aumentado la densidad de corriente, originando corrientes parásitas y favoreciendo la

corrosión galvánica inducida por el aumento de la densidad de la corriente.

~ 50 ~


Es importante mencionar además que, la reacción hacia el ácido clorhídrico

resultó ser distinta para diferentes elementos de la motobomba, es decir, los aceros en

juego son de distinto tipo y por lo tanto se puede decir que, al ser de diferente

naturaleza, su potencial también lo es, favoreciendo la formación de un par galvánico.

Pero no solamente hablando de los elementos de la motobomba, sino que también, es

posible la heterogeneidad de material dentro del mismo elemento corroído. El

elemento corroído es un acero Austenítico, por lo tanto, posee diversos elementos de

aleación entre los cuales se pueden mencionar, el hierro, el cromo y el níquel. Estos

elementos están cercanos unos a otros en la tabla de potencial, pero es probable que,

debido al aumento de la densidad de corriente y a la generación de corrientes

parásitas uno o dos de los elementos haya cambiado su potencial, alejándose aún más

entre si y así es posible que el níquel con el cromo hayan formado un par galvánico o

el níquel con el hierro, etc. Sin olvidar que este elemento de la motobomba estaba

sumergido en el agua.

Otro punto importante a mencionar es que el agua, como todo compuesto

conduce corriente eléctrica. Como en este caso, es agua, la conductividad eléctrica es

más facilitada cuando el agua es más dura, porque al poseer elementos minerales,

estos conducen más fácilmente la corriente eléctrica. Y para este caso, favorece la

generación de corrientes parásitas y el aumento de la densidad de corriente.

Hipótesis N°2:

“Se observa que los elementos clorados están en un nivel bastante elevado.

Estos son perjudiciales para la gran mayoría de los aceros, y para este caso, lo es.

Los cloruros pudieron haber actuado como oxidación y corrosión al acero. En el

caso de la oxidación, quizás llegó a ser solo oxidación debido a que en esos

elementos de la motobomba, poseían mayor espesor, en cambio, en el elemento

corroído, el espesor era mucho menor, con lo cual ocasionaría la corrosión y la

pérdida de material debido a los elementos clorados”

La observación del equipo, muestra claramente que sufrió oxidación y

corrosión heterogénea, no homogénea o uniforme. Si la corrosión que sufrió la

motobomba haya sido provocada únicamente por la cantidad de elementos clorados

que posee el agua con el que trabajaba el equipo, la corrosión y oxidación tendría que

haber sido uniforme y no localizada como fue en este caso. La teoría dice que los

aceros inoxidables son susceptibles a los iones cloro sobre todo si su exposición es

prolongada, como lo es en este caso, pero como la motobomba estaba completamente

sumergida, probablemente tendría que haber sufrido una corrosión uniforme, lo que

no fue así.

~ 51 ~


Existe el agua con sus elementos clorados, con su dureza, con el paso de

corriente; el ambiente de trabajo de la motobomba claramente está más enfocado a la

formación de un electrolito que a una simple corrosión por la exposición de iones

cloro.

La naturaleza de los diferentes elementos dentro de la motobomba es

diferente, pero esto no quiere decir que por solo la exposición al agua, haya sufrido

oxidación y corrosión el equipo.

Hipótesis N°3:

“La bomba se encontraba trabajando en un pozo con agua dura y con valores

de elementos clorados algo elevados (medio corrosivo para los aceros inoxidables).

Además, puede que en el proceso de fabricación o en algún tratamiento térmico la

motobomba haya quedado con tensiones internas residuales y de esta manera,

favorecería la corrosión que sufrió el equipo en investigación, sería una corrosión de

tipo bajo tensión. Resultando corroído el elemento más pequeño y de menor espesor,

mientras que el resto del equipo haya sufrido oxidación a lo largo del tiempo.

Quizás, si el equipo hubiera permanecido más tiempo en funcionamiento, la

oxidación y/o corrosión seria aún más grave”

De acuerdo a la teoría, la corrosión por tensión es una corrosión localizada, lo

cual si cumple para este caso. Además, para que exista corrosión por tensión se

induce por la influencia combinada de un medio corrosivo, (lo cual si existe, ya que la

motobomba trabajaba en un medio corrosivo que contiene iones cloro) y esfuerzos de

tracción. La motobomba trabajaba sumergida en el agua, lo cual estaba sometida a

fuerzas de presión, incluso cuando no funcionaba o no trabajaba el equipo. La

motobomba estaba sometida a fuerzas de compresión, no de tracción, porque el

existir presión sobre todo el equipo, esta presión “presiona” a la motobomba. Por lo

tanto hay un punto desfavorable para la corrosión por tensión.

Existe otro punto importante a mencionar, el cual es que la corrosión por

tensión actúa por esfuerzos de tracción y además deja marcas en forma de fisuras o

cortes. Esto no se manifiesta en este caso, ya que no se observan fisuras en ningún

lugar del equipo. Lo que se observa es una pérdida de masa (de material), pero en

ningún caso, se observa un corte o una fisura que haya sido consecuencia de tensiones

de tracción o internas.

Puede ser que, el espesor del acero tenga alguna relación con la forma de

corrosión ya que solo existe corrosión en el “elemento corroído”, el cual posee menor

espesor que las otras partes de acero del equipo. Y en los demás elementos de la

motobomba solo existe oxidación, sin embargo, como ya se mencionó anteriormente,

~ 52 ~


no hay marcas o señales de cortes o fisuras, que son característicos de la

tensocorrosión.

Según la teoría, las tensiones internas residuales, por lo general se concentran

en las puntas de la estructura o del equipo, es decir, hay más probabilidades de que

existan tensiones internas en donde hay un cambio brusco de linealidad o de sección.

En el caso de la motobomba en estudio, este no presenta cambios bruscos de sección,

la mayoría de los cambios de sección en este equipo son bien pronunciados, es decir,

poseen cierto radio. En otras palabras, en vez de tener puntas concentradoras de

tensiones, posee cambios de linealidad con curvas. Esto reduce la posibilidad de que

existan tensiones internas.

En la tensocorrosión no entra en juego la densidad de corriente, es importante

mencionarlo, ya que es un factor de suma importancia para la investigación, pero no

favorece a la corrosión por tensión.

~ 53 ~


CAPÍTULO VII

“Conclusión”

~ 54 ~


7.1 Conclusiones

De acuerdo a los ensayos y experimentos realizados, la información obtenida,

los análisis químicos, la teoría, el lugar, el medio ambiente y las condiciones de

trabajo de la motobomba; se puede inferir la causa del fallo del equipo.

Se explicó en el capítulo anterior, la discusión y un análisis de cada hipótesis

planteada, explicando los puntos a favor y en contra de cada una de ellas.

En base a los resultados obtenidos de toda la investigación, se infiere que la

motobomba fue atacada por una Corrosión Galvánica. Las probabilidades de que

haya ocurrido este tipo de corrosión, es elevada debido a que las condiciones en las

que trabajó la motobomba así lo indican. Existe además un respaldo teórico, es decir,

según la teoría, las posibilidades de que el equipo haya sido atacado por una corrosión

galvánica, son elevadas.

Los factores que están involucrados para que la motobomba haya fallado,

apuntan hacía la corrosión galvánica. Esto es porque, existe circulación de corriente

eléctrica, la cual pudo haberse transformado en corrientes parásitas, debido a la

elevada dureza del agua, haciendo que aumente su conductividad eléctrica y

aumentando a la vez el potencial de un elemento del acero haciendo que se alejen de

los valores de potenciales entre sí. Cabe destacar que la existencia de un electrolito y

par galvánico, aumenta las probabilidades de apuntar hacia una corrosión galvánica.

Para que se produzca una corrosión solo por la exposición a los elementos

clorados, la corrosión (u oxidación) debió haber sido uniforme y homogénea, debido

a que la motobomba en su totalidad, se encontraba sumergida sobre el agua. Por lo

tanto de acuerdo a los resultados de la investigación y a la teoría, las probabilidades

para que haya existido una corrosión por esta forma, son muy bajas.

De la misma manera para la corrosión por tensión. Para que exista una

corrosión bajo tensión deben existir tensiones internas, las cuales puede ser que si

existan en la motobomba debido al conformado que tuvo el equipo. Sin embargo, la

corrosión por tensión necesita del medio corrosivo, el cual si existe, y también de

tensiones de tracción. De acuerdo a esto, lo último no existe. Además, es muy

importante mencionar que de acuerdo a la teoría, la corrosión bajo tensión se

manifiesta en forma de fisura y/o cortes. Lo cual, para este caso, no existe. Por lo

tanto, de acuerdo a lo investigado se infiere que la corrosión que sufrió la motobomba

no fue por tensiones.

En resumen, todo lo investigado indica que la falla pudo ser causada por una

corrosión galvánica.

~ 55 ~


Bibliografía

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ANEXOS

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Anexo N°1: Especificaciones técnicas con mayor detalle de la motobomba.

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~ 59 ~


Anexo N°2: Tabla de potenciales de algunos elementos.

Agente oxidante Agente reductor E°red (V)Li+ (ac) + e─ →Li (s) - 3.05K+ (ac) + e─ →K (s) - 2.93Ba2+ (ac) + 2e─ →Ba (s) - 2.90Ca2+ (ac) + 2e─ →Ca (s) - 2.87Na+ (ac) + e─ →Na(s) - 2.71Mg2+ (ac) + 2e─ →Mg (s) - 2.37Al3+ (ac) + 3e─ →Al (s) - 1.66Mn2+ (ac) + 2e─ →Mn (s) - 1.18Zn2+ (ac) + 2e─ →Zn (s) - 0.76Cr3+ (ac) + 3e─ →Cr (s) - 0.74Fe2+ (ac) + 2e─ →Fe (s) - 0.44Cr3+ (ac) + e─ →Cr 2+(ac) - 0.41Cd2+ (ac) + 2e- →Cd (s) - 0.40PbSO4 (s) + 2e─ →Pb(s) + SO4

2- (ac) - 0.36Tl+ (ac) + e─ →Tl(s) - 0.34Co2+ (ac) + 2e─ →Co (s) - 0.28Ni2+ (ac) + 2e─ →Ni (s) - 0.25AgI (s) + e─ →Ag(s) + I─ (ac) - 0.15Sn2+ (ac) + 2e─ →Sn (s) - 0.14Pb2+ (ac) + 2e─ →Pb (s) - 0.132 H+ (ac) + 2e─ →H2 (g) 0.00AgBr (s) + e─ →Ag(s) + Br ─ (ac) 0.07S(s) +2H+ (ac) + 2e─ →H2S (ac) 0.14Sn4+ (ac) + 2e─ →Sn2+ (ac) 0.15Cu2+ (ac) + e─ →Cu + (ac) 0.15SO4

2─ (ac) +4H+ (ac) +2e─ → SO2 (g) +2 H2O 0.20

Cu2+ (ac) + 2e─ →Cu (s) 0.34Cu+ (ac) + e─ →Cu (s) 0.52I2 (s) + 2 e─ →2 I ─ (ac) 0.53Fe3+ (ac) + e─ →Fe 2+(ac) 0.77Hg2

2+ (ac) + 2e─ →2 Hg (l) 0.79Ag+ (ac) + e─ → Ag (s) 0.802 Hg2+ (ac) + 2e─ → 2Hg2+ (ac) 0.92NO3

─ (ac) +4H+ (ac) + 3e─ →NO(g) + 2H2O 0.96AuCl4 (ac) + 3e─ →Au (s) + 4 Cl─ (ac) 1.00Br2 (l) + 2 e─ →2 Br ─ (ac) 1.07O2 (g) + 4H+ (ac) + 4e─ →2H2O 1.23MnO2 (s) + 4H+(ac)+ 2e─ →Mn2+ (ac) +2H2O 1.23Cr2O7

2─ (ac) + 14H+(ac)+ 6e─ →2 Cr3+ (ac) + 7H2O 1.33

Cl2 (g) + 2 e─ →2 Cl ─ (ac) 1.36ClO3

─ (ac) + 6H+(ac)+ 5e─ → ½ Cl2(g) + 3H2O 1.47Au3─ (ac) + 3e─ →Au (s) 1.50MnO4

─ (ac) + 8H+(ac) + 5e─ →Mn2+ (ac) +4H2O 1.52PbO2(s)+SO4

2─ (ac)+4H++2e─ →PbSO4 (s) +2H2O 1.68H2O2 (ac) + 2H+(ac)+ 2e─ →2H2O 1.77Co3+ (ac) + e─ →Co 2+ (ac) 1.82F2 (g) + 2 e─ →2 F ─ (ac) 2.87

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tesis (memoria)

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