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COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LA CAPA DE ZINC
SOBRE ACERO AL VARIAR CALIDAD SUPERFICIAL Y
VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO
MECHANICAL BEHAVIOR OF THE ZINC LAYER ON
STEEL WHEN VARYING SUPERFICIAL QUALITY AND
COOLING SPEED
Juan Chico Chamorro
Ingeniero Mecánico por la Escuela Politécnica Nacional. Quito.(Ecuador).
E-mail: juan.chico@epn.edu.ec ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4287-8447
Carlos Díaz Campoverde
Ing. Mecánico, Máster en Ciencias por la Escuela Politécnica Nacional, Docente, Jefe de Laboratorio
de Metalografía, Desgaste y Falla del Departamento de Materiales de la Escuela Politécnica
Nacional. Quito. (Ecuador).
E-mail: carlos.diaz@epn.edu.ec ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6978-3638
Patricia Proaño Sánchez
Ingeniera Mecánica, Departamento de Materiales, Escuela Politécnica Nacional. Quito. (Ecuador).
E-mail: patricia.proanio@epn.edu.ec ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6217-9059
Recepción: 06/06/2018. Aceptación: 17/10/2018. Publicación: 14/12/2018
Citación sugerida:
Chico Chamorro, J., Díaz Campoverde, C. y Proaño Sánchez, P. (2018). Comportamiento mecánico de la
capa de zinc sobre acero al varial calidad supercial y velocidad de enfriamiento. 3C Tecnología. Investigación y
pensamiento crítico. doi:http://dx.doi.org/10.17993/3ctecno.2018.v7n4e28.48-69/
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RESUMEN
La corrosión del acero estructural es un problema recurrente en el Ecuador, llegando a afectar a
muchas edicaciones, y la forma en que se aplica el revestimiento protector de zinc es la principal
causa. El presente estudio analiza el comportamiento mecánico adhesivo de la capa protectora
depositada sobre acero estructural, variando la calidad supercial y la velocidad de enfriamiento
del recubrimiento. La metodología aplicada consiste en caracterizar la materia prima (perles
estructurales de tipo angular), aplicar pretratamientos superciales a los per les angulares mediante
pulido, lijado, esmerilado y como viene de fábrica, galvanizar los perles angulares en las empresas
A y B, medir la capa de galvanizado, identicar y medir el espesor de las fases, medir rugosidad
supercial, cuanticar durezas de la fase zeta, y nalmente, medir la adhesividad del recubrimiento
al sustrato. De los resultados obtenidos se desprende que la rugosidad permite un mejor anclaje
de la capa de zinc a la supercie metálica, las altas velocidades de enfriamiento permiten obtener
una capa de zinc con más brillo, mayor dureza y adherencia, aunque sacrica la ductilidad de la
capa de recubrimiento al tener un comportamiento más frágil. La presencia de defectos en las
fases formadas por el zinc inuye en el comportamiento mecánico durante el ensayo de pull-o,
ya que puede llegar a romper el sustrato al momento de desprenderse de la supercie del acero.
Los elevados espesores de la capa de zinc coneren al acero una mayor vida útil y resistencia a la
corrosión. Los datos obtenidos en este estudio sirven para corregir o mejorar la forma de aplicación
de este recubrimiento.
ABSTRACT
The corrosion of structural steel is a recurrent problem in Ecuador, aecting many buildings, and the way in which
the zinc protective coa ting is applied is the main cause . The present study analyzes the adhesiv e mechanical beha vior
of the protective la yer deposited on structural steel, varying the surface quality and cooling rate of the coating. The
applied methodology consists of characterizing the raw mat erial (structural profiles of angular type), applying surface
pre-treatments to the angular profiles b y polishing , sanding , grinding and as it comes fr om the factory, galv anizing the
angular proles in companies A and B, measuring the layer of galvanizing , iden tify and measure the thickness of the
phases, measure surface roughness, quantify har dness of the z eta phase , and finally, measure the adhesiveness of the
coating to the substra te . F rom the r esults obtained it can be seen that the r oughness allows a bett er anchorage of the zinc
layer t o the metallic surface, the high cooling speeds allow to obtain a zinc la yer with mor e brightness , gr eater har dness
and adherence, although it sacrices the ductility of the layer of coating when having a more fragile behavior. The
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presence of def ects in the phases formed by the zinc influenc es the mechanical behavior during the pull-off test, since it
can break the substrat e when it is released from the steel surface. The high thicknesses of the zinc layer giv e the st eel a
longer life and r esis tance t o c orr osion. The data obtained in this study serve to corr ect or impro v e the applica tion f orm
of this coating.
PALABRAS CLAVE
Adherencia, Difusión, Aleación Fe-Zn, Galvanizado por inmersión en caliente, Recubrimiento de
zinc.
KEY WORDS
Adhesion, Diusion, Fe-Zn alloy, Hot-dip galvanizing, Zinc coating.
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1. INTRODUCCIÓN
Los materiales metálicos en ambientes húmedos sufren un proceso de corrosión espontáneo no
deseado que es causado por las acciones químicas o físico-químicas del ambiente. Esta corrosión
destruye gradualmente los metales y los transforma irreversiblemente hasta que vuelvan a su estado
mineral (Kuklik y Kudlacek, 2016). Por esta razón, las super cies se protegen de los agentes corrosivos
a través de los denominados métodos activos y pasivos, siendo los más destacados los procedimientos
pasivos y dentro de estos, los recubrimientos metálicos (Maaß, 2011).
Por lo tanto, el zinc (Zn) se convierte en una buena opción para brindarle al acero una adecuada
protección anticorrosiva. Esta protección es de naturaleza catódica, de modo que el zinc adquiere
el papel de ánodo de sacricio, y además, le conere inmunidad al hierro. Igualmente, sobre
esta capa protectora se crea una barrera de alta resistencia y adherencia llamada pátina, la cual
desacelera el proceso corrosivo. Por esta razón, para promover la calidad del recubrimiento de zinc
se han desarrollado diversas tecnologías como chapado metálico, galvanoplastia, rociado térmico,
sherardizado y galvanizado por inmersión en caliente (Kuklik y Kudlacek, 2016).
En consecuencia, se considera que el galvanizado por inmersión en caliente es uno de los métodos
más convenientes y útiles como protección. Para ello, se requiere sumergir el sustrato de acero en
una tina de zinc fundido con el n de crear un recubrimiento aleado, donde intervienen procesos
de difusión, reacciones metalúrgicas y transformaciones termodinámicas (Kuklik y Kudlacek, 2016).
Estas super cies galvanizadas no muestran apariencia ni composición homogéneas, pues las reacciones
no ocurren al mismo tiempo, se originan en zonas localizadas y dependen de ciertas diferencias
estructurales, de la humedad y de la presencia de partículas extrañas (Van Eijnsbergen, 2012).
Para generar menor contaminación y menor demanda energética se emplean más comúnmente
temperaturas entre 440-460°C, donde el recubrimiento adherido rmemente al hierro
normalmente presenta las siguientes fases: la fase gamma (γ), la fase delta (δ), la fase zeta (ζ), y
la fase eta (η).
Asimismo, dentro de este método de protección, se tiene que uno de los procesos empleados para este
n es el galvanizado discontinuo por lotes, donde los sustratos metálicos son tratados individualmente
y sus supercies se limpian y se activan al atravesar varias etapas previas a la inmersión en la tina
de zinc fundido, estas etapas son: desengrasado, lavado, decapado, enjuague, uxado y secado. Por
otra parte, el recubrimiento se produce a causa de la difusión entre átomos de hierro y zinc, la cual
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a su vez genera enlaces intermetálicos y promueve la formación de ciertas fases a temperaturas de
entre 435-620°C. No obstante, para generar menor contaminación y menor demanda energética
se emplean más comúnmente temperaturas entre 440-460°C, donde el recubrimiento adherido
rmemente al hierro normalmente presenta las siguientes fases: la fase gamma (γ) que es difícil de
observar, la fase delta (δ) que posee un gran espesor, la fase zeta (ζ) donde los cristales se disuelven y
otan permanentemente, y la fase eta (η) que es completamente zinc (Maaß, 2011).
Entre 440-460°C, la estructura de las fases hierro-zinc depende fuertemente de los diferentes
parámetros de galvanizado. Así también, estos productos tienen que cumplir con sus respectivos
estándares de calidad, para lo cual es necesario considerar los factores que inuyen sobre las
propiedades y espesor del recubrimiento, tales como el contenido de silicio en el acero, los
tratamientos mecánicos superciales del sustrato, la temperatura y los tiempos de inmersión en la
tina de zinc fundido, las velocidades de enfriamiento, entre otros (Kuklik y Kudlacek, 2016).
En el presente estudio se busca establecer la relación existente entre la calidad super cial del sustrato
y el espesor de la capa de galvanizado obtenido, así como también la inuencia que ejercen la
calidad supercial y temperatura de enfriamiento sobre el grado de adhesión y difusión del sistema
cuando se expone el recubrimiento a determinados esfuerzos mecánicos. La información obtenida
beneciará al sector industrial y artesanal dedicado al recubrimiento de aceros estructurales en el
Ecuador, ya que ayudará a mejorar o corregir métodos de aplicación de la capa de galvanizado, con
la consecuente mejora en calidad, adherencia, resistencia a la abrasión, corrosión y una mayor vida
útil de estos recubrimientos.
2. METODOLOGÍA
Para la investigación se emplean perles de acero de bajo contenido de carbono, con dimensiones
AL 65x6 mm y 400 mm de largo. Este acero presenta un contenido de elementos químicos y
propiedades mecánicas que se encuentra dentro de los valores establecidos en la norma (ASTM
A36, 2014), estas propiedades se resumen en la Tabla 1.
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Tabla 1. Composición química y propiedades mecánicas del acero estructural utilizado.
Descripción Valor
Composición Química
Carbono, C [%] 0,094
Manganeso, Mn [%] 0,624
Azufre, S [%] 0,012
Fósforo, P [%] 0,017
Silicio, Si [%] 0,172
Propiedades Mecánicas
Esfuerzo de uencia [MPa] 370,9
Resistencia a la tracción [MPa] 483,5
Elongación en 50 mm [%] 36,4
Dureza [HV] 146
Los perles estructurales a usarse reciben tratamiento supercial, a excepción del primer perl,
estos tratamientos son: pulido, lijado y esmerilado (ver Gráco 1). Posteriormente, cada sección de
perl con variación supercial se somete a un proceso especíco de galvanizado por inmersión en
caliente, el cual es realizado por dos empresas diferentes. La codicación de las muestras utilizadas
se detalla en la Tabla 2.
Tabla 2. Procesos superciales aplicados a los perles.
Proceso A0 / B0 A1 / B1 A2 / B2 A3 / B3
Empresa A
Sin tratamiento
supercial
Supercie pulida
(papel abrasivo
grano 1200)
Supercie lijada
(papel abrasivo
grano 60)
Supercie
esmerilada (Disco
BDA 443)
Empresa B
El primer método de galvanizado corresponde a uno de tipo industrial realizado en una empresa
ubicada en la ciudad de Quito (en adelante denominada empresa A), y el otro proceso de galvanizado
es realizado de manera artesanal por parte de la empresa B ubicada en la ciudad de Cuenca. La
diferencia entre estos procesos radica en los parámetros de galvanizado empleados por cada una de
las mencionadas empresas (ver Tabla 3).
Tabla 3. Variación de los parámetros de galvanizado.
Proceso
Temperatura de
inmersión [°C]
Tiempo de
inmersión [s]
Enfriamiento
(tiempo)
Empresa A 460 5 min Al ambiente
Empresa B 450 1 min 20 s Agua (10 s)
La microestructura y espesor de la capa de zinc fue analizada con el Microscopio Olympus GX41F,
y el procesamiento de las guras se realiza con el software libre Python, para mejorar la calidad de
las microestructuras. Para la medición de las microdurezas se empleó el Durómetro Micro-Vickers
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DUROLINE M. La carga utilizada para la indentación de las muestras fue de 100 gf con un tiempo
de aplicación de 10 segundos. La rugosidad y adherencia se la cuantica utilizando los equipos
calibrados Elcometer 224 y Elcometer 510.
Gráco 1. Tratamiento supercial aplicado a perles de estudio.
Fuente: elaboración propia.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. ESPESOR DE LA CAPA DE GALVANIZADO
A partir de los resultados presentados en el Gráco 2, se aprecia que los perles galvanizados por
la empresa A superan el valor mínimo de aceptación de 75 μm, establecido en la norma ASTM
A123M-15.
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En cuanto a las probetas de la empresa B, las muestras pulidas (B1) y esmeriladas (B3) cumplen
estrechamente con los criterios de aceptación, por el contrario, los lotes sin tratamiento supercial
(B0) y con supercie lijada (B2) no cumplen dicha norma.
Las diferencias de espesor entre empresas, es el resultado de emplear un menor tiempo de inmersión
en el baño de zinc por parte de la empresa B.
Graco 2. Espesor de los recubrimientos obtenidos por la empresa A y B.
Fuente: elaboración propia.
Adicionalmente, en el Gráco 3 se aprecian las metalografías de los recubrimientos obtenidos tanto
para la empresa A como para la empresa B. Así, se tiene que para ambos casos las capas protectoras
se encuentran compuestas por las fases delta (δ), zeta (ζ) y eta (η), lo cual de acuerdo a Maaß (2011)
es producto de combinar una temperatura de inmersión de alrededor de 450
o
C y un contenido de
silicio que se encuentra dentro del rango Sebisty.
Se puede apreciar además que la fase gamma (γ) está ausente, y esto se debe a que a cortos periodos
de inmersión del sustrato recubier to no permiten que se realice la incubación de esta fase y solamente
se observa una línea entre el acero y la fase delta (Rico, 2012).
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Gráco 3. Identicación de fases en capa de galvanizado, a) empresa A, y b) empresa B.
Fuente: elaboración propia.
Del Gráco 4 se desprende que los valores más altos de espesor de las fases eta (η), zeta (ζ) y delta (δ)
son obtenidos en la capa de galvanizado aplicado por la empresa A. Esto se explica por el control
en cuanto a la temperatura y velocidad de enfriamiento adoptados por esta empresa, ya que las
fases eta (η), zeta (ζ) y delta (δ) dependen de parámetros como: la temperatura del zinc fundido y la
velocidad con la cual el calor es extraído durante la solidicación.
a
b