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Revista Técnica de la Facultad de Ingeniería Universidad del Zulia

versión impresa ISSN 0254-0770

Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia v.30 n.Especial Maracaibo nov. 2007

 

Operational factors affecting the hot dip galvanizing steel

Miguel Sánchez, Ramón Contreras, Orlando Pérez, Oladis de Rincón y William Campos

Centro de Estudios de Corrosión, Universidad del Zulia. Maracaibo, Venezuela. Laboratorio de Electroquímica, Universidad de los Andes. Mérida, Venezuela. Tlf/Fax 58-261-7598175; 58-261-7598807. miguelcvc@yahoo.com, oladis1@yahoo.com

Abstract

An evaluation by hot dip galvanizing on steel after a 1; 2 and 3–minutes immersion was studied. These samples were carried out for evaluating microhardness and thickness measurements. Electrochemical techniques were used to determined the corrosion rate of steel in acid pickling 5; 10 and 16% HCl; rinsed with water of pH 2.50; 3.50 and 4.50 and hot dip galvanized steel in 3.5% NaCl. Certain operational parameters were analyzed, such as the aging bath (HCl), and elimination of the rinsing stage, to observe their influence in the hot dip galvanizing coating. It was found that an increase of coating thickness of hot dip galvanizing steel decreased the corrosion rate and the microhardness. Surfaces of alloy layer of the coating were examined by scanning electron microscope (SEM). SEM measurements was determined that when obvious the rinsing, the chlorine can be catched between two layers (interface), and soon migrates of the outermost alloy layer of the coating (Delta) towards the innermost one (Gamma).

Key words: Hot dip, zinc, corrosion, pickling, rinsing.

Factores operacionales que afectan el comportamiento del acero galvanizado por inmersión en caliente

Resumen

En este trabajo se presentan los resultados de la evaluación de probetas de acero galvanizado por inmersión en caliente con tiempo de baño de 1, 2 y 3 minutos. Se realizaron ensayos de espesor de recubrimiento y mediante técnicas electroquímicas se midió la velocidad de corrosión del acero en soluciones de baños ácidos a 5; 10 y 16% de HCl y agua de enjuage pH 2,50; 3,50 y 4,50; y del acero galvanizado en una solución de NaCl 3,5%. Se analizaron ciertos parámetros operacionales, tales como el envejecimiento del baño ácido (HCl), y eliminación de la etapa de enjuague, para observar su influencia en el recubrimiento de cinc. Se encontró que a medida que aumenta el espesor del recubrimiento disminuye la velocidad de corrosión. Mediante el uso del microscopio electrónico de barrido se determinó que cuando se obvia el enjuague, el cloro puede quedar atrapado entre dos capas (interfase), y luego migra de la capa superior (Delta) hacia la inferior (Gamma).

Palabras clave: Galvanizado, cinc, corrosión, decapado, enjuague.

Recibido el 30 de Junio de 2006 En forma revisada el 30 de Julio de 2007

Introducción

El acero es uno de los materiales más utilizados mundialmente en diferentes actividades comerciales e industriales, dado su bajo costo y sus excelentes propiedades mecánicas, por lo tanto es importante conocer los aspectos relacionados con sus aplicaciones. Sin embargo, es un material muy sensible a la acción de la corrosión cuando es expuesto a diversos medios, por ello es pertinente indagar sobre los diversos métodos de protección que pueden aplicársele. Uno de los principales tipos de corrosión que afecta al acero es la corrosión atmosférica, la cual es un proceso electroquímico que deteriora enormemente a equipos, materiales y estructuras expuestas al medio, razón por la cual se requiere imponer un método de control.

Uno de los más importantes métodos de protección para el acero son los recubrimientos metálicos. Siendo el galvanizado por inmersión en caliente uno de los más destacados [1]. Más de dos millones de toneladas de cinc son usadas para recubrir cerca de 40 millones de toneladas de acero cada año [2]. Todos los aceros dulces y fundiciones de hierro pueden ser protegidos, pero el espesor y estructura del recubrimiento depende de los elementos que se alean. Cerca de la mitad de los aceros recubiertos son en forma de láminas, una cuarta parte en procesos de manufactura y el resto en tuberías y alambrados. El galvanizado por inmersión en caliente presenta mayor eficiencia y utilización, básicamente por ser un proceso muy económico y versátil, ya que puede aplicarse a productos de todos los tamaños y formas. Los factores que más afectan la efectividad del acero galvanizado son la incidencia de los parámetros operacionales; propiedades físicas y químicas del acero [3]; aspereza del acero [4], contenido de los elementos en el acero, en especial la proporción del silicio que determina el espesor del recubrimiento [5], y su actuación frente al medio donde se exponga. Estos aspectos en la práctica del proceso de galvanizado por inmersión en caliente no son sencillos. La limpieza de las piezas de acero que se van a galvanizar, la adición de fundentes a la superficie del baño del cinc fundido, el control de su temperatura, el uso de agentes de adición en el cinc, el tiempo de inmersión, son factores importantes, que, cada uno de una manera u otra, van influir sobre la calidad del acero galvanizado por inmersión en caliente.

En este trabajo se evalúa el proceso operacional de inmersión en caliente, básicamente lo correspondiente al baño ácido, enjuague, tiempo de inmersión en el baño fundido de cinc y su influencia sobre la protección en el acero base.

Procedimiento Experimental

Se galvanizaron por inmersión en caliente 36 probetas de acero SAE 1020, 150x100x3 mm. Luego se procedió a pulir las superficies metálicas con papel de carburo de silicio para eliminar las posibles rebabas (material irregular) en las caras y en los bordes de las muestras. Las probetas son identificadas (troqueladas) mediante un número y clasificadas en tres (3) grupos. Posteriormente las muestras se lavaron con agua y jabón, se desengrasaron con alcohol metílico, se humedecieron con acetona y luego se secaron con aire caliente. Finalmente las probetas se pesaron y se guardaron en un lugar seco (desecador). El cinc utilizado para galvanizar el acero por inmersión en caliente, se encuentra en forma de lingotes del tipo Speed High Grade (Pb: 0,003% máximo, Fe: 0,003% máximo, Cd: 0,003% máximo, Al: 0,002%, Zn: 99,99%). La preparación de las probetas para el galvanizado comprendió: decapado químico con ácido clorhídrico (HCl) al 15%, con inhibidor comercial, durante 10 minutos; eliminación de los residuos de ácido en las probetas, sumergiéndolas en agua; inmersión de las probetas en una solución de sal doble de cloruro de amonio (NH4Cl) y cloruro de cinc (ZnCl2); secado de las probetas en un horno a una temperatura de 80-90°C; e inmersión de las probetas en un baño de cinc fundido (450°C). El tiempo de inmersión está determinado por el grupo al cual pertenecen las probetas; retiro lento de las probetas del baño de cinc y luego enfriamiento a temperatura ambiente; peso final de las probetas y almacenamiento de las mismas en un lugar seco (desecador), hasta su posterior utilización.

Para realizar los ensayos electroquímicos, sobre la superficie de cada una de las probetas de acero galvanizado, se fijaron tres secciones cilíndricas de PVC (8 cm de altura y 5 cm de diámetro), mediante silicona transparente. En cada cilindro se agregaron 150 mL de NaCl 3,5% p/p. Se utilizó un electrodo de grafito (electrodo auxiliar) y un electrodo de referencia de calomel saturado (ECS).

Con el fin de conocer la acción corrosiva tanto del agua de enjuague como del baño ácido se midió en una celda de vidrio (0,750 l) la velocidad de corrosión del acero (electrodo de trabajo con 1 cm2 de área expuesta), mediante un ECS y un electrodo de platino. Con el fin de conocer la acción corrosiva del agua de enjuague, la cual se va acidificando progresivamente en los tanques industriales a medida que se colocan los materiales que han sido previamente decapados, se determinó, a nivel de laboratorio, la velocidad de corrosión en ese tipo de soluciones con valores de pH: 4,50; 3,50 y 2,50. Por otra parte, debido a que estos procesos industriales operan por cargas, la concentración del baño ácido disminuye con el uso, y con el fin de determinar la capacidad de remoción de óxidos y compuestos contaminantes y la velocidad de corrosión en los mismos baños Para ello se seleccionaron, a partir de los tanques de decapado de una empresa galvanizadora, tres concentraciones al 5, 10 y 16% del baño ácido. Las curvas de resistencia a la polarización lineal (Rp) y polarización potenciodinámica, se realizaron en un Potenciostato/Galvanostato modelo PARC 273 A acoplado a una computadora, a una velocidad de barrido de 0,28 mV/s. Las pruebas de resistencia a la Polarización Lineal, se ejecutaron suministrando un potencial de ± 20 mV vs Ecorr. Para las pruebas de Polarización Potenciodinámica se suministró un potencial inicial de 250 mV por debajo del Ecorr del metal en ese medio y como potencial final 600 mV por encima de dicho potencial. Con el objeto de observar si la morfología y composición química del recubrimiento serían afectadas por la variación de los parámetros operacionales, se usaron espectrómetros de energía (EDS), y de longitud de onda (WDS), de rayos X, acoplados a un microscopio electrónico de barrido. El análisis elemental por EDS es semicuantitativo, y no detecta elementos cuyos números atómicos sean inferiores a 11 (Na). Mientras que el análisis mediante WDS que se aplica es cualitativo y detecta elementos con números atómicos superiores a 4.

Resultados y Discusión de Resultados

1. Evaluación del baño ácido

Con el fin de determinar la capacidad del baño, a medida que se va usando, en la remoción de óxidos y material contamínate de la superficie metálica, se prepararon láminas (10,0 × 5,0 × 0,3 cm) de acero al carbono SAE 1020. Las láminas (por triplicado) se expusieron en un medio atmosférico, clasificado como C5 [6] según Norma ISO 9223, por un lapso de 4 meses, para la facilitar la formación de productos de hierro y otros contaminantes. Posteriormente se retiraron y se sumergieron completamente a la acción de un ciclo de baño de HCl (solución que se ha ido retirando con el tiempo de los tanques de decapado de la planta) con concentración aproximada al 5; 10 y 16% p/p, durante 5 minutos. Luego la lámina se saca del baño, se lava, se seca y se pesa. La exposición de las láminas en cada una de las concentraciones de los baños, permite la remoción de los productos de corrosión, generándose iones Fe+++, que interaccionan con los Cl-, produciéndose FeCl3, el cual reacciona tanto con el H2 (producido al reaccionar el HCl con el Fe) como con el Fe para producir FeCl2.[7] El FeCl3 al estar en contacto algún tiempo con el aire, forma complejos y varios hidratos, el más importante de los cuales es el hexahidrato, FeCl3.6H2O, sustancia amarilla delicuescente, muy soluble en agua. Como el Fe(H2O)6+++ se ioniza y el hidróxido férrico, Fe(OH)3, es muy poco soluble, donde se supondría que se formase un precipitado de esta sustancia, pero no es así; el hidróxido férrico permanece en dispersión coloidal, que le causa un color pardo amarillento al baño. La reducción de iones H+ por la reacción con el Fe genera una elevada cantidad de H2 gaseoso que se libera al momento de ocurrir el decapado químico. El baño a medida que se va utilizando va cambiando de un color inicial casi transparente a verde pálido[7] (característico de los Fe++), después se va tornando pardo a marrón (dispersión coloidal), hasta que finalmente alcanza un color negruzco, que es cuando prácticamente se han formado una cantidad de lodo en el fondo del tanque.

En la Tabla 1, puede observarse que la pérdida de peso (remoción de óxidos y/o impurezas presentes en la superficie del material) se reduce con la disminución de la concentración del baño ácido. Este comportamiento se debe a que a medida que el baño ácido elimina óxidos de hierro de la superficie del acero, mayor es el contenido de hierro en la solución que interacciona con los cloruros provenientes del HCl, de modo que permanecen menos Cl- libres para la formación de sales de hierro solubles, reduciendo así la efectividad en la acción de decapado del material. Esta condición convierte el baño con 5% de acidez, en el menos vigoroso de los tres baños, en cuanto al porcentaje de remoción de productos, por lo que se requeriría un mayor período de tiempo para completar el decapado químico que exige la pieza a ser galvanizada. Dado el alto contenido de hierro en la solución se recomienda retirar o desechar el baño ácido cuando descienda a un 5% de concentración, o a menos que se diluya con agua que permite disminuir el exceso de hierro finamente dividido o la acumulación superficial de sales de hierro que contienen iones férricos, los cuales atacan directamente al acero e incrementan el consumo de ácido [8]. Sin embargo un tiempo prolongado durante el decapado existe una mayor posibilidad que se produzca un sobre decapado que favorece la formación de manchas oscuras, un mayor consumo de cinc y, en ocasiones, a la creación de depósitos esponjosos [9].

Durante el proceso de galvanización por inmersión en caliente del acero se deben considerar las condiciones del baño que se utiliza para decapar la superficie de las estructuras. Una de ellas es el uso de inhibidores de corrosión. Al comparar las velocidades de corrosión de los baños ácidos sin inhibidor (Tabla 2) y con 0,5% de inhibidor comercial (Tabla 3) se observa que es esencial la utilización de inhibidores de corrosión para las soluciones de limpieza química con HCl. Los inhibidores utilizados en el decapado [10], son conocidos como inhibidores de adsorción, actúan para retardar los procesos electroquímicos anódicos o catódicos del proceso de corrosión. Estos inhibidores básicamente evitan la remoción del hierro (disolución), al ser expuestas las piezas a una prolongada exposición de las mismas en soluciones ácidas. La diferencia de las velocidades de corrosión entre las soluciones ácidas con inhibidor y sin inhibidor son muy marcadas, lo cual indica la eficiencia del inhibidor utilizado. La eficiencia se cálculo utilizando la siguiente ecuación:

donde icorr S.I. es la densidad de corriente de corrosión sin inhibidor, y icorr C.I. la densidad de corriente de corrosión con inhibidor.

Es de hacer notar que cuando se expresa la eficiencia de un inhibidor no es un término absoluto, sino que se corresponde a una disminución de la velocidad de corrosión al agregarse el inhibidor [8, 11], por lo tanto la eficiencia es un parámetro que sólo sirve para comparar la capacidada del inhibidor. La eficiencia no solo es afectada por las propiedades del inhibidor (tipo y naturaleza de los sustituyentes), sino que está perturbada por factores propios del metal, su estado superficial, su pureza, su permeabilidad al hidrógeno, pH, concentración de oxígeno disuelto, iones agresivos o especies interferentes [11, 12]. En la Tabla 3 se nota una mayor velocidad de corrosión para 5% de ácido, lo que indica que la capacidad inhibidora del inhibidor se va reduciendo con la disminución de la concentración del ácido. Esta perturbación se debe entre otros factores a que la formación de la dispersión coloidal en la solución pudiese contrarrestar el mecanismo de adsorción de este tipo de inhibidor sobre la superficie metálica; a la acción despolarizante de las sales férricas que se van generando; y a una posible degradación o alteración del inhibidor. De acuerdo a la variación que experimenta el potencial de corrosión del acero SAE 1020 en el medio ácido demuestran claramente que el inhibidor comercial funciona como un inhibidor anódico [10]. Estos valores de eficiencia están en correspondencia a los obtenidos en otros trabajos similares de investigación [13].

2. Evaluación del agua de enjuague

El agua de enjuague se utiliza con la finalidad de eliminar de la superficie de las estructuras a galvanizar, las partículas dispersas de los compuestos que se han ido formando durante el decapado (sales de hierro) y la capa humedecida del baño ácido. Esta anormalidad puede se reducida mientras más tiempo se deje escurrir la pieza, en el tanque de decapado, antes de pasarla a la etapa de enjuague. Sin embargo, la disolución del resto de la película de ácido fuerte es lo que incide en un descenso relativamente rápido del pH del agua de lavado. En la Tabla 4 se aprecia que el pH del agua de lavado es inversamente proporcional al contenido de cloruro y hierro presente en la misma, es decir, que a medida que decrece el pH del agua de enjuague (o lavado) se incrementa el contenido de hierro y cloruro de la misma. Apreciándose que el mayor contenido de ambos componentes se presenta para el agua con pH 2,50.

Los parámetros electroquímicos se presentan en la Tabla 4, los resultados señalan que a medida que decrece el valor del pH del agua de enjuague se reduce la resistencia a la polarización y por ende el aumento de la velocidad de corrosión del acero. Los valores de Rp y de velocidad de corrosión variaron muy levemente para el agua de enjuague con pH de 3,50 y 4,50. El agua a pH 2,50 alcanza la mayor velocidad de corrosión, porque posee un alto contenido de residuos del baño ácido, especialmente sales férricas que poseen un alto poder oxidante [6], lo que induce a que las mismas desarrollen un ataque con mayor agresividad a la superficie del material al ser enjuagado, por lo que debería desecharse, ya que la agresividad de la corrosión es elevada con respecto a la de pH 4,50.

3. Evaluación fisicoquímica y electroquímica del acero galvanizado

3.1. Espesor del recubrimiento galvanizado

En la Tabla 5 se presentan los espesores promedio de recubrimiento de cinc por inmersión que alcanzan las probetas de acero SAE 1020 (15,0 × 10,0 × 0,3 cm). Estos espesores se incrementan con el tiempo de inmersión.

Para 1 minuto de inmersión, se observa que el espesor es aproximadamente un 25% menor que los correspondientes a 2 y 3 minutos de inmersión, espesores muy similares entre sí. Este resultado significa que para un tiempo de inmersión de 2 minutos prácticamente se ha alcanzado el valor requerido del espesor del recubrimiento galvanizado, para dicho material, de modo que se puede disminuir el tiempo dedicado a la inmersión. Sin embargo, en los tres tiempos de inmersión, se nota que no existe un control con precisión de la distribución del recubrimiento de cinc sobre la superficie del acero. Al realizar un análisis de las capas del recubrimiento (Tabla 6), se observa que al primer minuto de inmersión, el recubrimiento de cinc está compuesto básicamente por las tres primeras capas que se forman (gamma, delta y zeta), las cuales son las de menor espesor, mientras que la capa eta presenta el mayor espesor (26,16 µm). Sin embargo, a medida que se incrementa el tiempo de inmersión aumenta el espesor de las capas aleadas que se forman por la difusión entre los átomos de cinc y los de hierro en el estado sólido, proceso que entre otros factores está regularizado por el tiempo y la temperatura (2ª Ley de Fick). Después del primer minuto, y casi hasta el segundo minuto, el espesor de cada una de las tres capas aleadas del recubrimiento (las más cercanas al metal base), continúan creciendo en forma equitativa mientras que la capa exterior eta crece muy suavemente. Como resultado final se obtiene un incremento del espesor del recubrimiento galvanizado para 2 y 3 minutos de inmersión.

4. Composición química del recubrimiento

Se obtuvieron muestras variando algunas etapas del proceso, determinándose su composición química elemental, tal como se reportan en las Tablas 7-9.

Como era de esperarse, de acuerdo a estas tablas se aprecia que en todas las probetas el elemento más representativo de cada capa es el cinc, seguido, en general, del hierro, azufre y aluminio, los cuales se encuentran en proporciones mucho más pequeñas. Igualmente se observa que a medida que se aproxime el recubrimiento de cinc al metal base, el contenido de cinc decrece y se incrementa el contenido de hierro.

Se efectuaron análisis químicos por capas resultando las proporciones de Zn y Fe, en el mismo orden de las presentadas en la literatura [9, 14].

La composición química del recubrimiento en las probetas obtenidas mediante proceso normal y sin la etapa de secado (Tablas 7 y 8), indican proporciones de aluminio de más del 1% en casi todas sus capas. Sin embargo, en la Tabla 9 (Proceso en ausencia de la etapa de enjuague), no aparece el Al, lo que señala que la incorporación de este elemento es durante el enjuague, como un contaminante. Estas adiciones de Al pueden disminuir la resistencia a la corrosión del Zn, dado que incrementan el ataque intergranular de las aleaciones de Zn, sobre todo si estuviese en presencia de pequeñas concentraciones de Pb [14], que no es el caso en el proceso normal y en el proceso sin la etapa de secado. Un monitoreo frecuente de la composición química de la solución de enjuague sería conveniente, sobre todo para tratar de que la composición química de la capa eta (la más superficial) se aproxime al 100%, para que así el recubrimiento tenga una mayor durabilidad.

El hecho de que surja azufre en todos lo procesos (Tablas 7-9), en la mayor parte del espesor del recubrimiento, probablemente se deba a procedimientos de limpieza deficientes, ya que podrían existir impurezas en las formas de sulfatos o sulfuros.

Aunque el cobre aparece en la capa gamma del proceso sin la etapa de secado (Tabla 8), no es un elemento indeseable, ya que su presencia podría mejorar su resistencia a la corrosión atmosférica y retardar el ataque intergranular [14], aunque este efecto puede ser temporal y no tener diferencias significativas en procesos prolongados de corrosión.

La incoherencia de que en la probeta correspondiente al proceso sin la etapa de enjuague (Tabla 9), aparezca cloro en la capa zeta (Figura 1), y de que este cloro podría existir bajo la forma de cloruro libre, una vez que el electrolito llegara ésta, indica que la etapa de enjuague no se debería obviar, dado el carácter corrosivo de iones cloruros en aleaciones de Zn, donde no exista control de pH o aplicación de inhibidores de corrosión [14]

La presencia de otras impurezas, tales como I, Ba, Ca, Ag; detectadas mediante WDS, el cual tiene un límite de detección del orden de 100 ppm superficiales, es decir, concentraciones muy pequeñas, podría indicar que el sistema, en general, debe ser objeto de un mayor control de éstas. Ya que si las impurezas no son eliminadas podrían interferir con la reacción Zn-Fe durante el proceso de inmersión en Zn fundido, dando lugar entonces, a microheterogeneidades que acelerarían la velocidad de corrosión del recubrimiento, dado que interferirían con la formación de capas pasivas las cuales suelen ser adherentes y compactas, e incrementan la resistencia a la difusión iónica, disminuyendo, en consecuencia, la velocidad de corrosión superficial.

En definitiva, desde el punto de vista de composición química del recubrimiento, las condiciones operacionales, deben ser tales, que en la capa eta, la concentración de Zn se aproxime al 100%, y que todas las capas deben estar libres de agentes contaminantes, para que, finalmente, se garantice la formación de las capas pasivas protectoras, con los productos de corrosión naturales del recubrimiento.

5. Evaluación electroquímica del acero galvanizado

En la Tabla 10 se presentan el potencial de corrosión del acero galvanizado, prácticamente constante, en solución de NaCl al 3,5% en cada una de las probetas de acero que fueron galvanizadas en el baño a diferentes tiempos de inmersión. También se observa que ha medida que aumenta el tiempo de inmersión de las láminas de aceros en el baño por galvanización en caliente disminuye la velocidad de corrosión del acero galvanizado en la solución de NaCl al 3,5%, lo cual se debe al mayor espesor que presenta la capa del acero galvanizado. Estos resultados están en correspondencia con los obtenidos por J. Pauque [15] en comportamiento de recubrimientos metálicos y no metálicos expuestos en medios electrolíticos y los de R. Contreras [16] al exponer probetas de acero galvanizado en medios atmosféricos clasificados como C3, C4 y C5 [6].

Conclusiones

La falta de renovación del agua de enjuague va generando una disminución del pH, el cual en conjunto con la presencia de los iones de hierro que se va produciendo iones Fe+++, haciendo esta solución más agresiva y por lo tanto no cumpliendo su función primordial como es la eliminación de sales de hierro.

Se observó una disminución en la remoción de óxidos y/o impurezas presentes en la superficie del acero con la disminución de la concentración del baño ácido. El baño con 5% de acidez, es el menos vigoroso de los tres baños, por lo que serequiere un mayor período de tiempo para completar con el decapado químico.

En el caso de que se suprima la etapa de enjuague, parte del cloruro del baño ácido (HCl) queda atrapado entre la capa Eta y la zona de intersección Eta-Zeta del recubrimiento de cinc, ello se origina porque no se eliminan totalmente los residuos producidos durante el decapado químico, ni existe un escurrimiento total de los mismos.

El espesor relativo de la capa de aleación del acero galvanizado aumentó con el tiempo de inmersión en el cinc fundido. El espesor de las tres capas aleantes aumentaron de manera casi proporcional entre el primer y segundo minuto, mientras que la capa Eta aumento muy levemente.

Referencias Bibliográficas

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