Informe Parcial CIN 2015: Beca Estímulo a las Vocaciones Científicas 2014

BRUERA, F.A.; ALICIA E. ARES

2014-09-01/2015-09-01

Materiales

Productos metalicos

Título del Plan de Beca:ESTUDIO DE LA RESISTENCIA A LA CORROSIÓN DE ACEROS INOXIDABLES SOLIDIFICADOS DIRECCIONALMENTE. Resumen: La estructura formada inmediatamente después de la solidificación determina las propiedades del producto final. Por lo tanto, las características mecánicas y de resistencia a la corrosión de este producto final dependerán de las macroestructuras (tamaño y tipo de los granos formados) y de las microestructuras (fundamentalmente espaciamientos dendríticos, formación de inclusiones, de fases secundarias) resultantes. Teniendo en cuenta la importancia, desde el punto de vista metalúrgico, del estudio de las estructuras solidificadas direccionalmente, y que además, presentan el fenómeno de la transición de estructura columnar a equiaxial (TCE); en la caracterización de la macroestructura y en las propiedades mecánicas de los productos metalúrgicos, este trabajo tiene como objetivo estudiar la influencia de la variación del tipo de estructura solidificada en la resistencia a la corrosión de los Aceros Inoxidables 316 y 316 L. Sobre esto último existen pocos datos en la literatura. En función a lo desarrollado en el primer año de la beca CIN se plantea continuar determinando las estructuras de solidificación de los aceros, caracterizando tanto la macroestructura como la microestructura, y se determinar los parámetros principales de los ensayos electroquímicos. En el presente trabajo se pretende establecer, en forma sistemática, la correlación entre los parámetros obtenidos de los ensayos electroquímicos y los parámetros estructurales, fundamentalmente variando la concentración del electrolito, trabajando en un medio que contiene iones Cl- y PO43-.Objetivos e hipótesis del Plan de Trabajo a realizar: Teniendo en cuenta la importancia tecnológica del estudio de la transición de estructura columnar a equiaxial (TCE) en la caracterización de la macroestructura y en las propiedades mecánicas de los productos metalúrgicos, este trabajo tiene como objetivo general estudiar la influencia de la variación de la estructura en la resistencia a la corrosión del Acero Inoxidable 316 L. Para ello, se realizarán ensayos electroquímicos, específicamente curvas de polarización potenciodinámicas cíclicas, que nos proporcionarán distintos parámetros con los cuales podremos relacionar la resistencia a la corrosión con los perfiles de los tamaños de granos y los espaciamientos dendríticos en las probetas.Metodología a aplicar y adecuación con el objeto de estudio, la temática y los objetivos:Las pérdidas en el campo de la industria debido a los procesos de corrosión, nos lleva a establecer las mejores condiciones para utilizar un determinado material en un medio dado. Si bien podemos elegir el mejor material, en el caso de no ser posible, podemos recurrir al uso de inhibidores de la corrosión. Entonces, se plantea la necesidad de obtener conclusiones acertadas para poder utilizar los aceros inoxidables 316 y 316L bajo condiciones beneficiosas y de protección desde el punto de vista de su aplicación.Se plantea realizar las siguientes actividades:a) Solidificar direccionalmente los aceros 316 y 316L, para ello se requiere realizar:a.1.) La preparación de los moldes:Para la solidificación vertical de las aleaciones de bajo punto de fusión se utilizarán tubos de alúmina cilíndricos de aprox. 2 cm de diámetro. a.2.) Preparación de las aleaciones:Se trozarán y pesarán las cantidades necesarias de materiales para preparar aceros 316 y 316L mediante una balanza Mettler P1210 (Máx. 1500g, d = 10 mg) disponible en el Laboratorio, a fin de cuantificar la cantidad de aleantes requerida para la preparación de las probetas cilíndricas, de al menos 120 mm de altura y de 22 mm de diámetro. a.3.) Ensayos de solidificación unidireccional vertical y monitoreo del campo térmico:Durante la solidificación vertical ascendente el metal se funde en el dispositivo utilizando moldes cilíndricos. Cuando la temperatura del metal fundido alcanza un determinado valor, la solidificación se inicia activando el agua de refrigeración en la parte inferior del molde. En consecuencia, la solidificación tiene lugar en forma vertical ascendente. Una serie de termocuplas (cinco precisamente) situadas dentro del metal en diferentes posiciones, esto es, cada 2 cm a partir de la base permiten el registro de la evolución térmica durante todo el proceso de solidificación. Estos datos son utilizados para determinar los parámetros térmicos de solidificación, tales como el coeficiente de transferencia de calor metal-agua de refrigeración, las velocidades de las isotermas características (temperatura de fusión para el metal puro, o las temperaturas de liquidus y solidus para una aleación), los gradientes térmicos y las velocidades de enfriamiento.Después del fin de la solidificación, los lingotes se cortarán longitudinalmente por la mitad, una de las mitades se utilizará en el análisis de la macroestructura y en el levantamiento de los perfiles de la microestructura, y también, para la obtención de los electrodos de trabajo para los ensayos de corrosión.b) Realización de los ensayos de corrosión. b.1.) Descripción de la técnica electroquímica:Cuando un material se expone a ciertas condiciones del medio ambiente, ocurrirá una condición de equilibrio termodinámico en el cual habrá un intercambio de iones entre el material y el medio, pero no habrá un pasaje neto en ninguna dirección en particular. Sin embargo, cuando circula una corriente en el material, el potencial del mismo varía con respecto al del equilibrio. Este sobrepotencial, que puede mantenerse arbitrariamente en cualquier valor, define el comportamiento de éste. Cuando el sobrepotencial es positivo, circulará corriente positiva por el material y éste se corroerá. Si se mide la corriente que circula a cada sobrepotencial se obtendrá una curva de polarización anódica, y con ella se podrá caracterizar cómo se comporta un material frente a la corrosión bajo ciertas condiciones.Para realizar las medidas electroquímicas se utilizará una celda electroquímica convencional, un contraelectrodo de platino y un electrodo de referencia de calomel saturado (ECS) (EECS = EENH + 0,244 V). Para evitar la interferencia del oxígeno en las medidas, los ensayos se realizarán en medios desaireados, para ello se desplazará el oxígeno disuelto en la solución mediante el burbujeo de nitrógeno durante 30 minutos previo a la experiencia, y a lo largo de toda la misma. Se utilizará un potenciostato LYP M7 para realizar las medidas.Bajo una velocidad de barrido de potencial específica se obtendrán las curvas de polarización, en donde se observarán las zonas de actividad, pasividad y transpasividad, y a partir de las cuales se podrán obtener los parámetros electroquímicos (potencial de corrosión, velocidad de corrosión, corriente de pasividad, potencial de picado, etc.) que permitirán evaluar cuantitativamente el comportamiento del material frente a la corrosión.La realización de estas curvas consta de tres etapas. En la primera se mide el potencial de equilibrio o circuito abierto por un lapso de tiempo. Luego, se lleva el material a potenciales más catódicos para limpiar la superficie expuesta. Por último, se realiza el registro de la corriente que pasa por el material variando el potencial a una cierta velocidad, hasta llegar a un máximo especificado. Una variación de este ensayo electroquímico consta en agregar una cuarta etapa: una vez alcanzado valor de corriente máxima, se invierte la dirección del barrido hasta regresar a potenciales cercanos al de corrosión. De esta forma se obtendrán curvas de polarización potenciodinámicas cíclicas. A partir de estas curvas obtendremos el potencial de repasivación del material, el cual permitirá determinar su comportamiento frente a la corrosión localizada.Se utilizará un potenciostato modelo IM6d ZAHNER® electrik con analizador de frecuencia, celda electroquímica de vidrio de tres electrodos. Se obtendrán curvas de polarización a velocidades de barrido en el alcance 0,002 V/s  v  0,250 V/s desde el potencial de circuito abierto hasta un potencial igual a 0,5 V. Se registrarán los espectros de impedancia en el alcance de frecuencias 10-3Hz  f  105 Hz, al potencial de circuito abierto.b.2.) Preparación del electrodo de trabajo:Se obtendrán electrodos de trabajo de la aleación 316L con distintas macroestructuras (columnar, equiaxial y con TCE). Estas se desbastarán hasta granulometría de CSi # 1200, se lavarán en agua y se secarán por flujo natural de aire. b.3.) Preparación del medio:En esta etapa del trabajo se buscarán obtener los parámetros electroquímicos en dos concentraciones distintas de NaCl Y PO43-. Para ello se utilizará una solución 0,2 mol /L de NaCl + 0,2 mol /L de PO43- y una solución de 0,75 mol/L de NaCl. + 0,5 mol /L de PO43-. Con esta última concentración se busca obtener un medio lo suficientemente corrosivo para el material, pero que nos permita conservar la integridad de las probetas ensayadas.El volumen del electrolito para cada ensayo será el mismo (500 ml). El electrolito se cambiará al inicio de cada ensayo, con la intención de mantener los valores iniciales de pH de la solución y en el rango de temperaturas de 24°C a 26°C. c) Correlación de los parámetros electroquímicos con los parámetros estructurales:Mediante análisis de microscopía óptica y microscopía electrónica de barrido se analizará la superficie de los electrodos de trabajo ensayados.Se extrapolarán los principales parámetros de los ensayos de corrosión (potencial de corrosión, potencial de picado, velocidad de corrosión y de picado, resistencia de transferencia de carga, capacidad de la doble capa eléctrica, etc.) y se correlacionarán con los parámetros estructurales (tamaños de granos, espaciamientos dendríticos primarios y secundarios, presencia de segundas fases, defectos, etc.)d) Elaboración de las conclusiones finales, redacción del informe final y difusión de los resultados:Se analizarán los resultados obtenidos en ambos tipos de aceros solidificados direccionalmente (316 y 316L) y se elaborarán las conclusiones del trabajo. Los resultados serán difundidos en reuniones científicas y se aspira también a publicar el trabajo final completo en una revista de la disciplina.