Mejora de la durabilidad del acero: Guía experta de recubrimientos metálicos

Los aceros con recubrimiento metálico se definen como sustratos de acero recubiertos con una capa de zinc, aleación Zn/Al (zinc/aluminio), aleación Zn/Si (zinc/silicio), o Al puro, etc. Los arreglos esquemáticos de la estructura de recubrimiento metálico con y sin pasivación se muestran en la Figura 1.

Figura 1: Estructura de recubrimiento metálico con y sin pasivación

Los recubrimientos metálicos de aceros mejoran la vida y el rendimiento de los aceros. Proporcionan la forma más efectiva y económica de proteger los aceros contra la corrosión. Los aceros con recubrimiento metálico ofrecen una combinación única de propiedades que incluyen alta resistencia, conformabilidad, ligereza, resistencia a la corrosión, estética, reciclabilidad y bajo costo.

Procesos de recubrimiento metálico

Existen varios procesos para el recubrimiento metálico de aceros como se indica a continuación:

• El proceso de recubrimiento por inmersión en caliente, donde la tira de acero se sumerge en un baño de metal fundido. La composición del metal fundido (Zn, Zn/Al, Al/Si, o Al puro, etc.) determina la naturaleza del recubrimiento metálico.
• El proceso de galvanizado electrolítico, en el que el metal se deposita electrolíticamente sobre la tira de acero en frío.
• Recubrimiento bajo vacío, como PVD (deposición física de vapor), CVD (deposición química de vapor), etc.

Los procesos de recubrimiento por inmersión en caliente son los más populares para el recubrimiento metálico de tiras de acero. Normalmente se emplean líneas de recubrimiento continuas para la producción de productos de acero con recubrimiento metálico.

Los aceros con recubrimiento metálico producidos en líneas de recubrimiento continuas han experimentado un crecimiento notable y continúan usándose en campos nuevos y cada vez más variados. Esto se debe a sus destacadas ventajas económicas, tecnológicas y ambientales.

La amplia gama de productos de acero con recubrimiento metálico disponibles hoy satisface los requisitos de todos los sectores. Los siguientes son los parámetros que gobiernan la elección del material de acero con recubrimiento metálico:

• Calidad o grado del sustrato de acero
• Tipo de recubrimiento metálico
• Masa o espesor del recubrimiento metálico
• Aspecto superficial
• Calidad superficial
• Tratamiento superficial
• Tolerancias en dimensiones y forma

El recubrimiento metálico mejora la resistencia a la corrosión del acero y prolonga la vida útil del producto. Un recubrimiento metálico adecuado permite mejorar las propiedades de conformado y soldadura por resistencia del acero, así como su pintabilidad.

Tipos de productos recubiertos

Los siguientes son los principales tipos de productos con recubrimiento metálico:

• Chapa de acero galvanizada por inmersión en caliente – Normas ASTM para estas chapas de acero son A653M y A1063M. El recubrimiento galvanizado es esencialmente un recubrimiento de Zn en chapa de acero. La palabra galvanizado proviene de la protección galvánica que el Zn proporciona al acero cuando se expone a un ambiente corrosivo. Es, con mucho, el producto de inmersión en caliente más común con una amplia gama de aplicaciones. El Zn proporciona protección galvánica y de barrera. La protección galvánica es mayor que para cualquier otro tipo de recubrimiento por inmersión en caliente en acero. El recubrimiento contiene Al que típicamente está en el rango de 0,20 % a 0,30 %. El Al se añade al baño de Zn fundido para controlar la tasa de crecimiento de la capa de aleación (zona de unión entre el acero y el recubrimiento de Zn). Mejora dramáticamente la adhesión del recubrimiento para permitir conformado severo de la chapa recubierta. El recubrimiento puede contener una pequeña cantidad de plomo (Pb) y/o antimonio (Sb) para desarrollo de flor. Casi todos los aceros con recubrimiento galvanizado no contienen Pb, y si lo hace, el Pb es menor al 0,03 %. El peso de recubrimiento (masa) suele estar en el rango de 90 a 1200 g/m² para A653M y 90 a 600 g/m² para A1063M total en ambos lados.
• Chapa de acero galvannealed por inmersión en caliente – Especificación ASTM para estas chapas de acero es A653M. En la producción de chapa de acero galvannealed, el recubrimiento galvanizado por inmersión en caliente se alea por difusión con el acero por calentamiento adicional en la torre sobre el baño de recubrimiento. El recubrimiento metálico típico contiene 8 % a 11 % de hierro. Estas chapas usualmente están destinadas a ser pintadas para la mayoría de aplicaciones. Estas chapas se caracterizan por su alta dureza y comportamiento frágil durante el conformado. Las chapas galvannealed son más fáciles de soldar por puntos y pintar que las chapas galvanizadas. El rendimiento con pintura mejora sinérgicamente debido al excelente enlace formado entre la pintura y la superficie del recubrimiento. Comparado con acero galvanizado, las chapas de acero galvannealed normalmente exhiben menos corrosión por socavación debajo de la pintura en bordes expuestos, rayones u otros defectos en la pintura. Estas chapas de acero se usan para paneles de carrocería de automóviles. El peso de recubrimiento (masa) suele estar en el rango de 90 a 180 g/m² total en ambos lados.
• Chapa de acero recubierta con aleación Al-Zn al 55 % por inmersión en caliente – Estas chapas recubiertas también se conocen como chapas Galvalume. Norma ASTM para estas chapas es A792M. El recubrimiento es un recubrimiento de aleación Al-Zn que contiene aproximadamente 55 % Al, 43,5 % Zn y 1,5 % Si. Este recubrimiento ofrece excelente protección de barrera combinada con algo de protección galvánica. La retención de protección galvánica es una característica importante para este recubrimiento. Esta combinación particular de Al y Zn efectúa la formación de una microestructura de recubrimiento que es muy importante para un buen rendimiento. Este recubrimiento proporciona un muy buen equilibrio entre protección galvánica y de barrera. El Si se añade para controlar la tasa de crecimiento de la capa de aleación. El recubrimiento mejora la adhesión durante el conformado. El recubrimiento tiene una resistencia a la corrosión mucho mayor que los recubrimientos galvanizados en la mayoría de ambientes. Su durabilidad a largo plazo ha sido demostrada. El peso de recubrimiento (masa) suele estar en el rango de 100-210 g/m² total en ambos lados.
• Chapa de acero recubierta con aleación Zn-5 % Al por inmersión en caliente – Estas chapas recubiertas también se conocen como chapas Galfan. Norma ASTM para estas chapas es A875M. El recubrimiento galvánico contiene alrededor de 95 % Zn y 5 % Al. Este recubrimiento proporciona aproximadamente la misma protección galvánica que el galvanizado y mejor resistencia a la corrosión en la mayoría de ambientes. Este recubrimiento se usa normalmente mayormente para aplicaciones que requieren buena ductilidad del recubrimiento (como piezas de embutido profundo y chapas prepintadas) y resistencia superior a la corrosión. El peso de recubrimiento (masa) suele estar en el rango de 90-700 g/m² total en ambos lados.
• Chapa de acero recubierta con aleación Zn-Al-Mg (magnesio) por inmersión en caliente – Norma ASTM para estas chapas es A1046M. El recubrimiento es un recubrimiento galvánico que contiene Zn, Al (5 % a 11 %), y Mg (2 % a 4 %). Este recubrimiento proporciona resistencia superior a la corrosión en muchos ambientes agresivos. El recubrimiento se usa en aplicaciones como transporte, infraestructura, construcción, agrícola, energía eléctrica y automotriz. El peso de recubrimiento (masa) suele estar en el rango de 60-600 g/m² total en ambos lados.
• Chapa de acero aluminizada por inmersión en caliente – Especificación ASTM para estas chapas es A463M. Hay dos tipos de recubrimientos aluminizados: (i) Tipo 1 – Al junto con 5 % a 11 % Si, y (ii) Tipo 2 – recubrimiento de Al puro. La forma más común es el recubrimiento Tipo 1; usado para aplicaciones que requieren resistencia a oxidación-calor como partes de hornos, pequeños electrodomésticos y sistemas de escape, etc. El recubrimiento aluminizado es el mejor recubrimiento en chapa de acero para resistencia a oxidación-calor. Puede aplicarse sobre acero inoxidable para ofrecer incluso mejor rendimiento a alta temperatura. El recubrimiento de Al puro Tipo 2 se usa para aplicaciones exteriores. El rendimiento de corrosión de este recubrimiento se basa en protección de barrera sin protección galvánica en la mayoría de ambientes. La protección de barrera contra corrosión es muy buena en este caso ya que el Al del recubrimiento forma una película estable de óxido de aluminio en la superficie del recubrimiento. El peso de recubrimiento (masa) suele estar en el rango de 75-300 g/m² total en ambos lados para Tipo 1 y para Tipo 2 en el rango de 200-300 g/m² total en ambos lados.
• Chapa de acero recubierta con Terne – Norma ASTM para estas chapas es A308M. Este recubrimiento es un recubrimiento de aleación de Pb que contiene 3 % a 15 % Sn (estaño). El Sn se añade para desarrollar un enlace entre el recubrimiento y el acero. El recubrimiento es muy conformable y mejora el comportamiento de embutido profundo. Además, la chapa recubierta se puede soldar fácilmente. La chapa recubierta tiene muy buena resistencia a la gasolina, aunque el uso para tanques de combustible está disminuyendo (relacionado con el problema ambiental asociado con Pb y no con el rendimiento de la chapa recubierta). El peso de recubrimiento (masa) suele estar en el rango de 75-335 g/m² total en ambos lados.

Línea de recubrimiento metálico

La línea de recubrimiento metálico es donde el sustrato de acero se recubre con una combinación protectora y probada de metales que proporcionan resistencia efectiva a la corrosión. La línea tiene dos acumuladores de tira, uno cada uno en la entrada y salida de la línea, permitiendo que la tira de acero se acumule por un corto período. Esta capacidad permite a la línea cambiar a nueva bobina o remover una bobina terminada mientras el resto de la línea continúa funcionando a velocidad constante. La precisión puede mantenerse en cada parte del proceso, resultando en una superficie consistente y recubrimiento uniforme. Los siguientes son los componentes básicos de una línea de recubrimiento metálico:

• La bobina viene del molino de laminación en frío (MLF) a la línea de recubrimiento a través de uno de dos carretes desenrolladores. El extremo final de la bobina anterior y el extremo inicial de la nueva bobina se cizallan. Los nuevos extremos se sueldan juntos por un soldador de costura eléctrica o se unen mecánicamente para crear una tira continua de acero en la sección de proceso de la línea.
• El acero entra al primer acumulador de tira usualmente en forma de torre.
• Después de la reducción en frío en el MLF, la película residual de aceite lubricante debe ser removida del acero antes del recocido para asegurar que el recubrimiento metálico se adhiera perfectamente al sustrato de acero. La película de aceite se elimina en un tanque de desengrase alcalino. Después de la limpieza, la tira de acero se enjuaga y seca.
• La banda de acero en frío entra al horno. El propósito del horno es hacer una limpieza final de la superficie quemando la película de aceite residual en la superficie del acero por quemadores de llama abierta en la zona de precalentamiento de la sección de recocido. El segundo propósito del horno es calentar el acero para desarrollar las propiedades mecánicas adecuadas.
• Debido a la laminación en frío del acero, el sustrato de acero muestra endurecimiento extremo por trabajo y usualmente se le llama acero "duro completo". La sección de recocido proporciona tratamiento térmico del acero para recuperar sus propiedades mecánicas y hacer el acero adecuado para el uso previsto. Durante el tratamiento térmico, la microestructura severamente reducida en frío se recristaliza.
• La sección de recocido se divide en tres zonas: (i) precalentamiento, (ii) mantenimiento, y (iii) enfriamiento controlado. Dentro de la zona de recocido, el acero se previene de oxidar usando una mezcla de gas hidrógeno-nitrógeno. Todos los quemadores son usualmente de tipo radiante, para evitar contacto directo entre la llama y la superficie del acero. Los ciclos de recocido se gestionan de acuerdo con las propiedades mecánicas finales requeridas.
• Al final de la zona de enfriamiento, la temperatura de la tira se enfría a un nivel apropiado con respecto a la temperatura del metal fundido a recubrir.
• Una vez que la tira de acero ha alcanzado la temperatura requerida, se sumerge en un baño de metal fundido. Cuando la tira sale del baño, está recubierta con una capa gruesa de metal fundido. Un conjunto de cuchillas de aire (o nitrógeno), ubicadas sobre el baño, ajusta el peso de recubrimiento a los niveles requeridos. El peso de recubrimiento normalmente se controla y monitoriza permanentemente por equipos de medición automática.
• La tira de acero recubierta pasa por una torre de enfriamiento, llevando la tira recubierta casi de vuelta a temperatura ambiente.
• En caso de requerimiento, el acero puede pasar por un molino de acondicionamiento superficial para crear una superficie lisa para recubrimiento de color.
• El nivelador de tensión tira la tira de acero recubierta metálicamente mientras pasa sobre una serie de rodillos para proporcionar planitud superior.
• La tira de acero recubierta metálicamente que no está destinada para la línea de recubrimiento de color recibe un tratamiento químico que proporciona protección interina contra deterioro del recubrimiento. Este tratamiento superficial se hace por pulverización o inmersión convencional y posterior exprimido o por aplicación directa con un rodillo aplicador. Los post-tratamientos son pasivación superficial o recubrimientos orgánicos finos. Pueden aplicarse en la sección de salida en algunos casos.
• La tira de acero recubierta entra al acumulador de salida, esperando ser enrollada nuevamente.
• La tira de acero recubierta se re-enrolla en el carrete de tensión y se envía para recubrimiento de color o empaquetado.

Un diagrama esquemático típico de línea de recubrimiento metálico mostrando equipamiento principal está en la Figura 2.

Figura 2: Diagrama esquemático típico de línea de recubrimiento metálico mostrando equipamiento principal

Aplicaciones

El uso de una variedad de aceros con recubrimiento metálico se ha convertido en parte integral de la vida diaria de las personas. Estos aceros se usan para proteger, refugiar, empaquetar y transportar, así como al mismo tiempo satisfacer la demanda de materiales sólidos, duraderos y estéticamente agradables.

En construcción y edificación, los aceros con recubrimiento metálico se han usado para perfiles, revestimientos y techados por muchos años, pero también se usan para aplicaciones como puertas, escaleras y techos, etc.

Los productos de acero con recubrimiento metálico tienen una gama muy amplia de aplicaciones en la industria general. Ejemplos son muebles, aire acondicionado, conductos, tanques y protectores térmicos, etc.

El sector de electrodomésticos domésticos también es un gran usuario de aceros con recubrimiento metálico. Incluso hay una tendencia hoy hacia la construcción de electrodomésticos enteramente de aceros con recubrimiento metálico, tanto línea blanca (refrigeradores, lavadoras y hornos, etc.) como línea marrón (telelectrónica, video y hi-fi, etc.).