Evaluación del efecto de la aplicación de un recubrimiento de Ni-P sobre la resistencia a la corrosión de la aleacion de aluminio 7075-T6

Gil, Linda¹ Jiménez, Lorena² Staia, Mariana³

Centro de Estudios de Corrosión y Nuevos Materiales, Dpto. Ingeniería Metalúrgica UNEXPO, Puerto Ordaz.

Escuela de Metalurgia y Ciencia de los Materiales Universidad Central de Venezuela

¹lindagil@cantv.net

²lljimenez77@hotmail.com

³mstaia@hotmail.com

Resumen

La aleación de aluminio 7075-T6 es una aleación estructural, ampliamente utilizada para aplicaciones aeronáuticas. Para mejorar el comportamiento corrosivo de esta aleación en condiciones de servicio, se han aplicado tratamientos superficiales tales como recubrimientos de electroless depositados autocataliticamente, los cuales presentan alta resistencia a la corrosión y al desgaste. El propósito de este trabajo fue investigar el efecto de la aplicación de un recubrimiento Ni-P sobre la resistencia a la corrosión de una aleación de aluminio 7075-T6. Con el fin de evaluar la resistencia a la corrosión, se realizaron ensayos Polarización Cíclica y Potenciodinámica. Adicionalmente se caracterizaron por microscopía óptica con análisis de imágenes secciones transversales de las muestras después de corroídas con y sin recubrimiento. Con este estudio, se comprobó que mediante el uso de los recubrimientos Ni-P se puede extender la vida útil de la aleación 7075-T6 sin recurrir a la modificación de variables de proceso.

Palabras clave: Resistencia a la Corrosión / Aleación 7075-T6 / Recubrimiento Ni-P.

I. INTRODUCCIÓN.

La necesidad existente de aleaciones de aluminio de una alta relación entre resistencia mecánica y peso para la industria de la aviación, llevó eventualmente a la introducción de varias aleaciones de las cuales la 7075 T6, perteneciente a la serie 7xxx (Al-Zn- Mg-Cu), es quizás la más conocida. Para mejorar el comportamiento corrosivo de esta aleación en condicones de servicio la aplicación de recubrimientos como Electroless, incrementa la resistencia a la corrosión y al desgaste. Los recubrimientos de electroless de Níquel tienen una considerable resistencia a la corrosión, erosión y desgaste. Estos recubrimientos son producidos por una reducción autocatalítica de los cationes de Níquel de una solución acuosa, usando una gran variedad de agentes reductores. [1,2]. Los recubrimientos de Electroless Ni–P son ampliamente utilizados para aplicaciones de protección contra la corrosión en una gran variedad de ambientes y se comporta como un recubrimiento barrera protegiendo al sustrato al aislarlo del medio ambiente corrosivo. El comportamiento corrosivo de estos recubrimientos depende del contenido y distribución de fósforo, así como de su morfología superficial y estructura [3-4]. Recubrimientos con bajo fósforo (1 a 3 %P) son cristalinos y presentan una buena resistencia al desgaste, pero tienen una relativamente pobre resistencia a la corrosión en ambiente de cloruros. Los recubrimientos de medio contenido de fósforo (5 a 8 %P) tienen una tamaño de grano más pequeño, mientras que los de alto fósforo (más del 9 % P) tienen estructura amorfa ypresentan la mayor resistencia a la corrosión.

II. DESARROLLO

1. Métodos y Materiales

Los recubrimientos fueron depositados industrialmente (empresa Reliable Plating Inc, USA) sobre el sustrato aluminio 7075-T6. Los recubrimientos tienen alto contenido de P (18%P) y una densidad aproximadamente de 8.1g/cm3. Las técnicas electroquímicas utilizadas en el presente trabajo incluyen polarizacion lineal, polarizacion potenciodinámica y polarizacion cíclica [5]. Para las mediciones de polarizacion potenciodinámica anódica se empleó un Potenciostato Galvanostato GAMRY. La solución utilizada como electrolito fue NaCl al 3%, purgada con Nitrógeno durante una hora y este burbujeo se mantuvo durante toda la experiencia. La curva de polarización se obtuvo con una velocidad de barrido de potencial de 1mV/seg y el rango de barrido fue desde 0.250 V a 1.6 V. Las muestras de aluminio recubiertas con electroless Ni-P fueron de geometría cilíndrica. La superficie de las muestras fue pulida y posteriormente desengrasada con acetona. La resistencia a la corrosión picadura se evaluó acorde a la norma ASTM G61-86. A través de esta técnica se determinó el potencial de picadura (E_pit) y el potencial de protección (E_prot). Este método considera un procedimiento para realizar mediciones de polarización potenciodinámica con el fin de determinar la susceptibilidad de un material metálico a la corrosión localizada(picadura y corrosión hendidura).

Uno de los parámetros más importantes que debe ser considerado en el análisis de estas curvas es el potencial crítico de picadura (E_pit), o el potencial de rotura como también se le denomina y es aquel por encima del cual las picaduras comienzan. Otro parámetro a considerar es el potencial de protección (E_pro), que se define como el potencial al cual el lazo de histéresis se completa y para el cual la película pasiva se regenera. El barrido de potencial para las pruebas de polarizacion cíclica fue iniciado a -250mV versus el potencial de corrosión de la muestra (E_corr) y finalizado a 1.6 mV. La velocidad de barrido de potencial fue de 0.28mVs-1 .Los barridos fueron reversados una vez que el potencial de transpasividad fue alcanzado. Los ensayos de resistencia a la polarizacion lineal fueron realizados para un barrido de potencial de ±10mV alrededor del potencial de corrosión a una velocidad de 1mVs-1. De esta técnica se obtuvieron los valores de resistencia a la polarización Rp (E/I), a partir de los cuales se calculó la densidad de corriente de corrosión (i_corr) y la velocidad de corrosión. El método de resistencia a la polarización, se basa en la proporcionalidad observada entre la pendiente de las curvas de polarización en las cercanias del potencial de corrosión (generalmente ± 10 mV alrededor de E_corr). La densidad de corriente de corrosión ( i_corr), se calcula de acuerdo a la siguiente ecuación donde:

  

donde:

  :es la pendiente de la curva de polarización evaluada en el rango de +/- 10mv alrededor del potencial estacionario de corrosion (E_corr), esta zona de la curva es prácticamente una línea recta.

y son las pendientes de las rectas del tafel del sistema.

Rp= es la llamada resistencia a la polarización por su similitud con la ley de Ohm.

Una vez determinada icorr, la velocidad de corrosión se determina con la ayuda de la ley de Faraday, que relaciona la masa que se disuelve del electrodo con la densidad de corriente de corrosión acorde con la siguiente expresión:

Velocidad de corrosión

D: densidad de la aleación (g/cm³ ), n: cambio del número de oxidación del metal al oxidarse, a: peso atómico del metal o el peso equivalente de la aleación (g/cm³), i: densidad de corriente de corrosión ( mA/cm²), R: velocidad de corrosión en unidades de milésimas de pulgadas por año (mpy).

La microestructura y las características morfológicas de los recubrimientos antes y después de los ensayos de corrosión fueron estudiadas por la técnica de Microscopía Electrónica de Barrido acoplada con un microanalizador por energía dispersiva de rayos X (EDX). Se realizó difracción de rayos X a los recubrimientos de Ni-P utilizando un difractómetro Siemens b- 500 con radiación de Cu k_. Adicionalmente se realizó la caracterización de los productos de corrosión por espectroscopía de electrones Auger (Jeol JAMP 8100 microsonda Auger).

2. Resultados y discusión

2.1. Microestructura y Morfología

En la Fig. 1, se presenta una fotomicrografia obtenida por microscopía electrónica de barrido donde se observa un aspecto general de la superficie y de la seccion transversal del recubrimiento de Ni-P. Como se observa, la superficie del recubrimiento presenta un aspecto homogéneo y liso, con características microestructurales similares a aquellas previamente encontradas para recubrimientos amorfos de Ni-P de alto porcentaje de fósforo [1,3,6]. Se determinó que la capa de electroless fue de 65 mm.

Fig. 1. Fotomicrografias de la aleación 7075 T6 recubierta con electroless Ni-P, A) sección frontal, B) seccion transversal.

La Figura 2 muestra el patrón de difracción de rayos X (DRX) de la muestra recubierta con Ni-P. El patrón de difracción consta básicamente de un pico difuso y ancho, justo antes del ángulo 45°, característico de materiales amorfos, cuya altura varia con el contenido de P: a mayor contenido de P menos alto es el pico. Resultados similares han sido reportados por otros investigadores [2, 3,6] señalando que recubrimientos de alto P (> a 9% peso) exhiben un pico ancho, indicando que presentan una estructura esencialmente amorfa.

Fig. 2. Patrón de DRX de las muestras de aluminio 7075 T6 recubiertas con electroless Ni-P sin corroer.

2.2 Resistencia a la corrosión

La Figura 3 muestra las curvas de polarización potenciodinámica de la aleación 7075-T6 sin recubrir y con el recubrimiento del electroless Ni-P.Como puede observarse la aleación recubierta con Ni-P muestra una mejor resistencia a la corrosión que el sustrato de Al 7075-T6, indicando el efecto beneficioso del (1) recubrimiento. Es de destacar que para las muestras recubiertas con Ni-P, el potencial de corrosión (E_corr) se desplazó hacia un valor más positivo y la densidad de corriente de corrosión (i_corr) disminuyó. Este comportamiento se debe a que el recubrimiento de amorfo de Ni-P no tiene inhomogeneidades superficiales, tales como límites de granos y partículas de segunda fase, pues son sitios activos para el ataque corrosivo [3]. La curva de polarizacion de la aleción 7075-T6 recubierta con electroless de Ni-P, puede ser dividida en dos regiones; la primera para intervalos de potenciales entre Ecorr y aproximadamente 0,2 V (Ag/AgCl), donde la disolucion del recubrimiento Ni-P está cinéticamente limitada y donde de la densidad de corriente anódica aumenta lentamente con los cambios de potencial. La segunda región a potenciales por encima de 0,2 V es donde la aleación se disuelve transpasivamente.

Fig. 3. Curvas de Polarización Potenciodinámica de la aleación 7075 y de la aleación recubierta con un depósito de Ni-P en NaCl 3%.

En la Figura 4 se presenta el comportamiento a la polarizacion cíclica de la aleación 7075-T6 sin recubrir y con recubrimiento de Ni-P. Los valores de potencial de corrosión (E_corr), potencial de picadura (E_pit), potencial de protección (E_prot) y densidad de corriente de corrosión se indican en la Tabla I. Un criterio de evaluación de la resistencia a la corrosión picadura es la diferencia existente entre E_corr y E_pit [5,6]. Si E_pit es cercano a E_corr, se requiere poca polarización para iniciar la picadura. Así, las muestras más propensas a picaduras tendrán valores pequeños de E_pit-E_corr. Basados en este criterio y analizando la Tabla I, la aleación recubierta con Ni-P presenta un mejor comportamiento respecto a la aleación sin recubrir.

Fig. 4. Curva caracteristica de los Ensayos de Polarización Ciclíca Potenciodinámica para la aleación de aluminio con un depósito de Ni-P, en NaCl 3% desaireado.

TABLA I

Parámetros electroquímicos de los ensayos de polarización cíclica de la Aleación 7075-T6 sin recubrir y con Recubrimiento Electroless de Ni-P

Adicionalmente, el grado de histéresis en el barrido de la muestra recubierta con Ni-P no muestra tendencia a la picadura ni tampoco un rápido aumento en la corriente durante el barrido de potencial. En este caso, el barrido en dirección reversa sigue estrechamente el barrido en dirección directa y se observó un lazo de histéresis muy pequeño. Otro criterio para evaluar la corrosión picadura establece que si (E_corr) es menor que el potencial el protección (E_prot), tal como se observa en la Tabla I, es poco probable que ocurra ataque por picadura. Los resultados obtenidos se correlacionan con lo de otros investigadores [1, 2, 4,7], es decir los recubrimientos amorfos Ni-P tienen generalmente una mejor resistencia a la corrosión que los recubrimientos cristalinos.

2.3 Análisis de las muestras corroídas

Secciones transversales de muestras con recubrimientos de electroless Ni-P corroídas fueron examinadas usando MEB y su morfología se presenta en la Figura 5. Es importante destacar que no se observa un nivel significativo de ataque por picaduras, corroborando entonces los resultados obtenidos en los ensayos electroquímicos.

Fig. 5. Fotomicrografía del recubrimiento Ni-P, corroída por polarizacion cíclica. A) Aspecto frontal de la aleación recubierta con Ni-P. B) Sección Transversal de las muestras corroídas, donde se evidencia poco daño por picadura.

Los resultados obtenidos de la caracterización de los productos de corrosión sobre la superficie por espectroscopía de electrones Auger se muestran en el espectro de la Figura 6. Los resultados indican que la composición obtenida es homogénea sobre toda la superficie de la muestra y reportan como principales componentes del producto de corrosión níquel y oxígeno, probablemente formando un óxido superficial. Es importante destacar que a pesar de los resultados reportados por Diegle y colaboradores [8,9] que mencionan la posible formación de una capa enriquecida de fósforo sobre la superficie de la aleación como el resultado de la disolución selectiva del níquel durante su polarizacion en una solución 0.2 N de HCL, en la presente investigación tal como lo indica el análisis de la superficie de la muestra corrosiva, no se encontró un enriquecimiento superficial de fósforo en la superficie de la aleación recubierta con electroless de Ni-P en una solución de 3.0% NaCl.. Resultados similares a los obtenidos por los autores fueron reportados en Ping-Ho y colaboradores, quienes basándose en Análisis por espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), sugieren que la pasivación de los recubrimientos de aleaciones Ni-P fue atribuida a la formación y adsorción de una capa de hipofosfito (H2PO2-).

Fig. 6. Espectro Auger de los productos de corrosión de muestras recubiertas con Ni-P.

III. CONCLUSIONES

1. Los recubrimientos de electroless de Ni-P tiene una estructura amorfa que le confiere una mejora notable a la resistencia a la corrosión de la aleación 7075 T-6 recubierta .

2. Las curvas de polarizacion potenciodinámica y polarizacion ciclica de la aleación 7075 T6 recubierta con electroless Ni- P en una solución de NaCl de 3%, revelaron una significativa disminución de la densidad de corriente de corrosión (i_corr) y un desplazamiento del potencial de corrosión (E_corr) hacia valores más positivos, con la aplicación del recubrimiento indicando una excelente resistencia a la corrosión de las muestras recubiertas.

3. La velocidad de corrosión de las muestras recubiertas con electroless de Ni-P (18%) es muy baja (0.3 mpy) en 3 % NaCl, indicando que este recubrimiento es un buen candidato para su aplicación en este ambiente.

4. El análisis de los productos de corrosión reveló la presencia de elementos mayoritarios como oxígeno y níquel, sugiriendo que la pasivación del recubrimiento de electroless de Ni-P fue atribuida a la formación y adsorción de una capa de hipofosfito (H2PO2- ).

IV. REFERENCIAS

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3. Ping, H., et al., “Role of Phosphorus in the Electrochemical Behavior of Electroless Ni-P Alloys in 3.5 wt.% NaC1 Solutions”, Surf. Coat. Technol., 67 (1994), pp. 27-32.        [ Links ]

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