estudio microscópico del fallo durante la galvanización

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ESTUDIO MICROSCÓPICO DEL FALLO DURANTE LA GALVANIZACIÓN: CASOS REALES Y DE LABORATORIO

J. Carpio1, J.A. Casado2, J.A. Álvarez2, F. Gutiérrez-Solana2

1 Dpto. de Transportes, Tecnología de Proyectos y Procesos. Universidad de Cantabria. ETSI Caminos, Canales y Puertos

Avda. Los Castros, s/n. 39005 Santander. España E-mail: [email protected]

2 División de Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Universidad de Cantabria. ETSI Caminos, Canales y Puertos,

Avda. Los Castros, s/n. 39005 Santander, España. E-mail: [email protected]

RESUMEN

Este trabajo presenta el estudio microscópico realizado sobre diversas probetas procedentes de piezas de acero estructural que han sufrido fallo durante la galvanización en caliente en discontinuo. Dichas probetas proceden tanto de un caso real de fisuración de un perfil IPE 750, como de diferentes ensayos de laboratorio realizados en Zn líquido (con las variantes de un 1 % de Sn y sin Sn) a 450ºC. Tras ese examen se concluye lo siguiente: a) existe un aumento de concentración de Sn, Pb y otros elementos de bajo punto de fusión a medida que se avanza hacia el frente de fisura; b) existen zonas de propagación a través de borde de subgrano ferrítico; c) se forman diferentes compuestos o fases intermetálicas en el frente de fisura dependiendo de la concentración de Sn en el baño de galvanización, que son clave en el proceso de fisuración; y d) en el caso de no superarse un estado local de tensiones umbral no se produce un contacto adecuado entre el metal líquido y el fondo de fisura, lo que impide avanzar a la fisura.

ABSTRACT

This paper shows the microscopic study of different specimens made of structural steel that have suffered failure during hot-dip galvanizing. One of these specimens comes from a real case on a cracked IPE 750 profile, and the other specimens come from different laboratory tests performed in liquid Zn (with an addition of 1% of Sn and without this addition) at 450°C. The review concludes the following: a) there is an increased concentration of Sn, Pb and other low melting point elements as the crack tip is nearer; b) there are some areas of propagation through ferritic sub-grain edges; c) different intermetallic compounds and phases are formed at crack tips depending on Sn content in galvanizing bath; and d) if local stresses at the crack tip do not overcome a limit, there is not a proper contact between the liquid metal and the base material, and the advance of the crack is prevented.

PALABRAS CLAVE: Fallo durante la galvanización en caliente, estudio microscópico, metal líquido.

1. INTRODUCCIÓN

La galvanización en caliente en discontinuo es una técnica de recubrimiento superficial utilizada con éxito desde hace casi 180 años para evitar la corrosión de, entre otros, grandes componentes de acero estructural.

Sin embargo, desde los años 50 [1] hasta hoy en día [2] se conoce que, ocasionalmente, tienen lugar la aparición de fisuras en grandes componentes estructurales de acero durante su

galvanización en caliente en discontinuo. Un caso real es el presentado en la Figura 1, en la zona de soldadura entre el alma de un perfil IPE 750 de acero EN 10025-3 S420N y una semiplaca soldada al extremo del mismo. Esta pieza fue galvanizada a 450ºC en un baño de galvanización compuesto de un 98 % de Zn, un 1 % de Pb, un 1 % de Sn y un 0,1 % de Bi. Este tipo de baños, con Sn y Bi además de los elementos Zn y Pb habituales, vienen aplicándose desde los años 90 para obtener una mayor fluidez del baño, un acabado estético

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final mejorado y un mejor control del espesor de recubrimiento metálico sobre la pieza, especialmente en aceros calmados al Si.

a)

b) c)

Figura 1. a) Esquema del perfil donde se ha producido el fallo; b) fotografía de la pieza; c)

fotografía de perfil de la misma pieza.

El fallo externamente tiene unos 10 mm de profundidad, comienza en la zona afectada por la soldadura y no se distingue claramente si penetra o no en la estructura ferrítico perlítica del acero.

Con el objeto de conocer las principales características morfológicas del fallo durante la galvanización, se pretende hacer un estudio microscópico lo más completo posible tanto de este caso real de fallo durante la galvanización como de probetas sometidas a ensayos en laboratorio relacionados con el fallo durante la galvanización, cuyos resultados mecánicos ya fueron presentados en anteriores artículos [3-5].

2. ESTUDIO MICROSCÓPICO DEL CASO REAL DE FALLO DURANTE LA GALVANIZACIÓN

En la Figura 2 se muestra un corte transversal de la probeta extraída de la pieza objeto de estudio de la Figura 1.c), una vez encapsulada, pulida y atacada con nital al 5 % durante 5 s. Se marcan las partes correspondientes a la soldadura, a la zona afectada por el calor (ZAC) y al material base, así como las direcciones del material y el inicio y fondo de fisura

Figura 2. Fotografía de la probeta encapsulada y pulida para estudio microscópico.

Se observa que la fisura sí penetra en el material base, y que realmente tiene unos 13 mm de profundidad, no 10 mm como se dedujo al aplicar externamente líquidos penetrantes.

Recopilaciones de bibliografía respecto al fallo durante la galvanización [6, 7], indican que las fisuras originadas por este tipo de fallos están rellenas completamente de metal líquido, presentan una concentración cada vez mayor de elementos de bajo punto de fusión del baño de galvanización a medida que se avanza al frente de fisura (especialmente Sn, si este se usa en el baño de galvanización, como es el caso), y presentan zonas de intergranularidad. En el presente caso real se comprobarán esos puntos, y se estudiarán si existen otros fenómenos no detectados en estudios anteriores.

Tras una comprobación de que la microestructura correspondiente al material base era ferrita-perlita y la de la zona afectada por el calor era ferrita acicular, y una comprobación de que los valores de microdureza correspondían a dichas microestructuras (200 HV para ferrita-perlita y 220 HV para ferrita acicular), se comenzó con el análisis micrográfico de la fisura, observándose que realmente no había una fisura, sino tres, siendo la central la que más había crecido y se manifestaba externamente, tal y como se muestra en la Figura 3.

Material base

25 mm

25 mm

ZAC

Cordón de soldadura

T

L

Inicio fisura

Fondo fisura

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Figura 3. . Inicio de la fisura del caso real. Imagen obtenida con electrones retro-

dispersados.

El análisis mediante espectroscopía (EDS) de las fisuras continuó hasta sus frentes, donde se encontraron los hallazgos más importantes: 1.- Acumulación de Pb, Sn y Bi en el frente de fisura (Figura 4). 2.- Zonas de propagación a través de borde de subgrano ferrítico en frente de fisura (Figura 5). 3.- Presencia del compuesto intermetálico FeSn en el frente de fisura, lo que no ha sido referenciado en ningún otro caso real de fallo durante la galvanización (Figura 5).

a) b) Fe

c) Zn d) Sn

e) Pb f) Bi

Figura 4. Análisis EDS de la fisura que aparece en la parte superior de la Figura 3 (BC-1).

Imagen de electrones retro-dispersados.

Figura 5. Análisis EDS de una zona de la fisura de la probeta S420N rellena de FeSn.

3. ESTUDIO MICROSCÓPICO DE PROBETAS ENSAYADAS EN Zn LÍQUIDO EN LABORATORIO

En trabajos anteriores se abordó la realización de ensayos de tenacidad a fractura en ambiente idéntico al baño de galvanización, a 450ºC [3-5, 8]. En este apartado se mostrará el estudio fractográfico mediante microscopía electrónica de las probetas CT que fueron sometidas a esos ensayos.

El análisis se centró en probetas CT de acero EN 10025 S460M ensayadas en Zn líquido a 450ºC. En el análisis se encontraron tres casos o tipos de probetas distintos: 1º.- Probetas que sufrieron parada de fisura; 2º.- Probetas que rompieron completamente; 3º.- Probetas que no sufrieron propagación de fisura porque no se llegó al factor de intensidad de tensiones umbral requerido.

Las imágenes que se muestran en las siguientes figuras fueron tomadas utilizando electrones retrodispersados [9], ya que proporcionaban un mayor contraste composicional. Además, se tomaban el perfil de las fisuras formadas, no su superficie ya que no se podía retirar el Zn depositado sobre ella sin dañar dicha superficie de fractura.

3.1. Caso 1: Probetas que sufrieron parada de fisura

Los ensayos de simulación de fisuración realizados con estas probetas CT se muestran en el apartado 3.2 de la referencia [5]. El ensayo consistía en introducir las probetas CT de las

Elemento % Peso %Atómico Mn K 0,34 0,52 Fe K 34,07 51,86 Zn L 1,42 1,85 Sn L 63,50 45,49 Pb M 0,68 0,28 Total 100,00

BC-1


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dimensiones indicadas en la Figura 6 en Zn líquido con un 1 % de Sn, 1% de Pb y 0,1 % de Sn, a 450ºC, y someterlas a una carga constante hasta rotura. En el caso estudiado en este apartado la carga se aplicó de forma no controlada debido a un error, y la fisura de la probeta CT propagó ligeramente pero se detuvo ya que la carga aplicada bajó en un determinado momento y dejó de ser la suficiente para continuar con dicha propagación.

Figura 6. Dimensiones y forma de las probetas CT ensayadas.

Se detectó, al igual que en el caso de real de fallo, una acumulación de Sn, Pb e incluso Bi en el fondo de fisura, así como propagación preferente a través de borde de subgrano ferrítico y presencia del compuesto FeSn. Véanse al respecto las Figuras 7 y 8.

a) b) Fe

c) Sn d) Pb

e) Bi Figura 7. Análisis EDS del frente de fisura de la probeta con parada de fisura tras ensayo en Zn líquido. No se detecta Zn y la sinuosidad de la

fisura indica propagación en borde de subgrano ferrítico.

Figura 8. Zona con presencia de FeSn en la grieta de la probeta CT con parada de fisura.

En la Figura 8 se observa que, a medida que se avanza desde el acero base hasta el centro de la fisura, se aprecia una disposición de fases y elementos metálicos diferentes: acero base, fases Fe-Zn o compuesto FeSn, y elementos de bajo punto de fusión (Pb, Sn, Bi) y cloro procedente de las sales del fluxado (tratamiento previo a la galvanización).

3.2. Caso 2: probetas que se fracturaron completamente durante los ensayos en metal líquido.

La mayoría de las probetas CT que sufrieron los ensayos en metal líquido recogidos en el apartado 3.2 de la referencia [5], mencionados en el apartado anterior, se rompieron de forma completa. En este caso no se pudo examinar la superficie de la fractura principal, que quedó lavada por el metal líquido de la cuba donde se hizo el ensayo. Por lo tanto se examinaron las fisuras secundarias, que presentaron propagación por borde de subgrano ferrítico y presencia del compuesto intermetálico FeSn cuando el baño de metal líquido tiene un 1 % de Sn. Dicho compuesto no se presenta cuando el baño de metal líquido no tiene Sn. Véanse al respecto las Figuras 9 y 10.

Elemento % en peso % atómico Cl 0,20 0,48 Fe 31,16 48,66 Zn 0,85 1,13 Sn 67,51 49,61 Pb 0,29 0,12

Zona central con elementos de bajo punto de fusión (Pb, Sn, Bi) y restos de sales de fluxado.

Fases Fe-Zn o compuesto FeSn

Acero base


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Figura 9. Ejemplo de grieta secundaria que propaga entre subgranos de ferrita en una

probeta CT de acero S460M rota durante un ensayo a carga constante en Zn líquido.

Figura 10. Zona de formación del compuesto intermetálico FeSn en una fisura secundaria de una probeta CT de acero S460M rota durante

un ensayo a carga constante en Zn líquido.

3.3. Caso 3: Probeta que no sufrió propagación debido a que no se alcanzó el factor de intensidad de tensiones umbral.

En los ensayos mencionados en los apartados 3.1 y 3.2 anteriores hubo una probeta, la S460M D11, que no sufrió propagación debido a que no se alcanzó el factor de intensidad de tensiones umbral para que el citado acero sufriera fallo durante la galvanización, que era de 19 MPa·m1/2 (véanse los apartados 3.2 y 4 de la referencia [5]).

El examen microscópico reveló que dicha propagación no se había producido ya que el metal líquido no había llegado al frente de fisura de pre-fatiga de la probeta. Se había quedado formando un “tapón” al comienzo de dicha fisura de pre-fatiga, como se puede ver en la Figura 11.

Un análisis de ese “tapón” reveló concentraciones muy elevadas de los elementos minoritarios de bajo punto de fusión del baño de galvanización (Pb, Sn, Bi, etc.), como revela el pefil semicuantitativo mostrado en la Figura 12.

Figura 11. “Tapón” formado por el baño de galvanización en la fisura de pre-fatiga de la

probeta S460M-D11.

a)

b) Figura 12. Análisis EDS semicuantitativo del

“tapón” de baño de galvanización en la fisura de pre-fatiga de la probeta S460M-D11.

4. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES

El análisis micrográfico realizado sobre el caso real y las probetas de laboratorio que han sufrido fallo durante la galvanización revelan 3 fenómenos: 1.- Existe una concentración creciente de elementos de bajo punto de fusión, minoritarios en el baño de galvanización, a medida que se avanza hacia el frente de fisura. Este fenómeno, ya descrito por otros autores [6], se ha detectado incluso con el Bi, cuya concentración en el baño de galvanización es tan sólo de un 0,1 %. Esta situación parece indicar que el Zn, elemento mayoritario en el baño de galvanización, reacciona más rápido con las paredes de acero base al inicio de las fisuras, formando las fases

Electroerosión

Prefatiga

Tapón


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Fe-Zn habituales en el recubrimiento de galvanización [10], mientras que el resto de los elementos, que forman un metal líquido de punto de fusión más bajo, pueden fluir al frente de la fisura. 2.- En caso de que exista un 1 % de Sn en el baño de galvanización, se forma el compuesto intermetálico FeSn, muy duro y frágil (ver capítulo 6 de [8]), diferente a las fases habituales Fe-Zn. Ese nuevo compuesto intermetálico podría ser relevante en el proceso de fallo durante la galvanización, y podría justificar que en los casos de baños ricos en Sn se detecte un mayor número de fallos durante la galvanización [7, 8]. 3.- La propagación de fisuras en fallo durante la galvanización tiene lugar de forma transgranular a través de bordes de subgrano ferrítico. Este tipo de propagación es habitual en casos de corrosión bajo tensión, y en concreto en fallo por metal líquido e hidrógeno [8].

Esta información, junto con las aportaciones anteriores de otros autores [6] pueden servir de base para elaborar modelos micromecánicos de fallo durante la galvanización [8, 11].

5. AGRADECIMIENTOS

Los autores quieren agradecer a la Comisión Europea la financiación de estos ensayos, a través del proyecto FAMEGA (proyecto RFS-CR-03021), y al Ministerio de Economía y Competitividad la subvención MAT-20387-E. Los autores también desean agradecer a ARCELOR-MITTAL y CORUS-TATA el suministro de los materiales.

REFERENCIAS

[1] Rädeker, W., “Die Erzuegung von Spannugsrissen in Stahl durch flüssiges Zink”. “Stahl und Eisen”, 73, No.10. Dusseldorf, Alemania, 1953. pp. 654-658.

[2] Mraz, L., Lesay, J. “Problems with reliability and safety of hot dip galvanized steel structures”. “Soldagem&Inspeção”.Vol. 14, no. 2. São Paulo, Brasil, Junio 2009. Invited paper.

[3] Carpio, J., Casado, J.A, Álvarez, J.A., Gutiérrez-Solana, F. “Design and validation of a device for tensile and toughness tests of specimens immersed in liquid zinc”.“Engineering Failure Analysis”. Vol. 15-3. Elsevier. Cambridge, Reino Unido, 2008. pp. 229-236.

[4] Carpio, J., Casado, J.A, Álvarez, J.A., Gutiérrez-Solana, F. “Environmental factors in failure during hot-dip galvanizing”.“Engineering Failure Analysis”. Vol. 16-2. Elsevier. Cambridge, Reino Unido, 2009. pp. 585-595.

[5] Carpio, J., Casado, J.A, Álvarez, J.A., Méndez, D., Gutiérrez-Solana, F. “Stress corrosión cracking of structural steels inmersed in hot-dip galvanizing baths”.“Engineering Failure Analysis”. Vol. 17-1. Elsevier. Cambridge, Reino Unido, 2010. pp. 19-27.

[6] Kinstler, T.J. “Current knowledge of the cracking of Steels during galvanizing. A synthesis of the available technical literature and collective experience for the American Institute of Steel Construction”. En http://www.aisc.org/Content/ContentGroups/Engineering_and_Research/Research1/Final5906.pdf. Galvascience LLC. Springville, USA, 2005. 79 páginas.

[7] Donnay, B, Langenberg, P. “Failure Mechanisms during Galvanizing. Case Studies”. Ponencia presentada en la “3ª Reunión Técnica sobre el Proyecto FAMEGA”. Arcelor-Mittal Luxembourg. Esch-sur-Alzette, Luxemburgo. Enero 2005.

[8] Carpio, J., Mecanismo de fallo de aceros estructurales durante la galvanización en caliente. PhD. Thesis. 339 páginas. Santander, España, 2013.

[9] Goldstein, J.I., Newbury, D.E., Echlin, P., Joy, D.C., Fiori, C., Lifshin, E. Scanning Electrón Microscopy and X-Ray Microanálisis. Plenum Press. Nueva York, 1984. Capítulo 4.

[10] Marder, A.R. “The metallurgy of Zn-coated steel”. En “Progress in Materials Science”.Vol. 45. Pergamon. Pennsylvania, USA, 2000. pp. 191-271.

[11] Carpio, J., Casado, J.A, Álvarez, J.A., Gutiérrez-Solana, F. “Micromecanismos de fallo de aceros estructurales durante la galvanización en caliente”. Anales de Mecánica de la Fractura, Vol. XXXI, paginación por determinar, 2014.


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