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2. Procesos de Recubrimiento y Tratamiento de Superficies

GalvInfoNote

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El Floreado sobre las Planchas de Acero Galvanizada por Inmersión en Caliente

Rev. 1 Jun-08

Introducción

Durante muchos años, los artículos galvanizados hechos con técnicas de recubrimiento por inmersión en caliente fueron identificados por una apariencia característicamente floreada o en forma de lentejuelas. En algunos casos, hoy en día esto es todavía cierto. Sin embargo, por los cambios en los procesos de refinamiento de zinc, en el proceso de galvanizado, y en las demandas del mercado, no todas las planchas de acero galvanizadas por inmersión en caliente producidas en la actualidad tienen un floreado visible. En este artículo se trata de explicar esta característica.

¿Qué es un floreado?

El diccionario define una “lentejuela” como un resplandor reluciente característico de los metales. Cuando la palabra lentejuela o floreado brillante es usada para describir la apariencia de la superficie de la plancha de acero galvanizado, ésta implica el típico patrón estrella parecida a un copo de nieve o un patrón de estrella de seis dobleces que es visible para el ojo desnudo. La Figura 1 muestra los detalles de un patrón de floreado típico de un recubrimiento galvanizado a una escala de aproximadamente 10X.

Figura 1: La estructura floreada de un recubrimient o galvanizado por inmersión en caliente.

Las características mostradas aquí abarcan un número bastante complejo de fenómenos metalúrgicos. Este artículo explica por qué estas características están presentes.

Note la simetría de seis dobleces en este floreado

La flecha roja define la dirección de crecimiento del brazo de la dentrita “primaria” dentro del grano de zinc en solidificación.

Los brazos de dendrita “secundario” crecen lateralmente lejos del brazo

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El Proceso de Solidificación

Los floreados brillantes se desarrollan cuando el zinc fundido que se adhiere a la plancha de acero se enfría hasta su punto de solidificación, el cual es aproximadamente 419°C (787°F). A esta temperatura, los átomos acomodados al azar en el zinc líquido comienzan a posicionarse de una manera muy ordenada. Esto ocurre en muchas posiciones al azar dentro de la capa de zinc fundido. La transformación de un arreglo desordenado de átomos (estado líquido) a un arreglo ordenado es el proceso de solidificación o cristalización. Las pequeñas regiones que se solidifican dentro del zinc fundido son definidas como “granos” (ver la columna lateral). A medida que los átomos individuales en el zinc fundido se anexan a un grano en solidificación (causando el crecimiento del grano), lo hacen de una manera ordenada y se forman en un arreglo distinto, o cristal. En el caso del zinc, los cristales se forman con simetría hexagonal (de seis dobleces). Por este proceso, los átomos individuales de zinc se ordenan mientras los granos sólidos de zinc aumentan su tamaño dentro de la normalmente visible simetría hexagonal del floreado final. Cuando el recubrimiento está completamente solidificado, los floreados individuales definen granos individuales específicos de zinc.

“Nucleación ” es el término utilizado para definir el proceso de transformación de átomos ordenados aleatoriamente en el metal fundido, en pequeños y organizados arreglos de átomos en los “granos” de los cristales de la etapa inicial de la solidificación. Una alta velocidad de nucleación durante el proceso de enfriamiento causa la formación de numerosos granos pequeños en la estructura solidificada final, mientas que una baja velocidad tiende a favorecer el crecimiento de granos grandes.

Crecimiento de las Dendritas

Hay otro aspecto del proceso de solidificación que lleva al patrón de copo de nieve en los recubrimientos galvanizados, como se puede ver, el crecimiento “dendrítico” (que significa, con forma de árbol). El crecimiento dendrítico causa el crecimiento individual de los granos i(solidificación) en la masa fundida (el recubrimiento de zinc fundido) con un borde redondeado guía distinto. Un brazo "primario" de dendrita puede identificarse en la Figura 1. Existen brazos dendríticos secundarios que crecen lateralmente fuera de los brazos "primarios" de dendritas.

El crecimiento dendrítico de los granos durante la solidificación de los metales es muy común. La razón por la que las dendritas son fácilmente visibles en un recubrimiento galvanizado es que estamos viendo, básicamente, una versión en dos dimensiones de una estructura como de una fundición, dendrítica, solidificada de grano. Recuerde, el recubrimiento tiene menos de 25 µm (0.001 pulgadas) de espesor, considerablemente menor que el diámetro de un floreado o lentejuela. En otros metales (por ejemplo, el sustrato de acero), la estructura original sin acabados, tridimensional, los granos eventualmente partidos en muchos granos más pequeños y de igual eje. Esto se debe a los efectos del laminado en caliente (por ejemplo, laminar un punzón de acero de 9 pulgadas de espesor a una plancha de acero de 0.050 pulgadas de espesor), el laminado en frío y la recristallización durante el proceso de recocido de la plancha.

La velocidad de crecimiento de los brazos de las dendritas durante la solidificación de un recubrimiento galvanizado compite con la velocidad de nucleación de granos nuevos dentro del zinc fundido. Este proceso determina el tamaño final de la estructura completamente solidificada. En el caso de la Figura 1, el cual es un

Granos Los metales, como muchos otros sólidos en la na-turaleza, tienen una estructura de cristal o “grano”. Por ejemplo, la plancha de acero por debajo de los recubrimientos galvanizados consiste en muchos pequeños granos de aleación de hierro y carbono (acero). Los granos individuales de acero son muy pequeños comparados con los granos de zinc en el baño de recubrimiento, y son “aglutinados” mutuamente por fuerzas enlace atómicos. Piense en esto como "granos de arena" en una roca are-nosa. El tamaño de los granos individuales de are-na puede ser mayor que los granos de la plancha de acero, pero esta analogía muestra el concepto de la estructural granular a ser visualizada.



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recubrimiento galvanizado con un patrón bien definido de floreado largo, la velocidad de crecimiento de dendritas dominó el proceso de solidificación llevando a un número pequeño de floreados grandes. Una característica de tales floreados es que ellos son más gruesos en sus centros y más delgados en sus bordes, o los límites del grano. Podría decirse que los límites del grano se “rebajan” y son difíciles de alisar en eventuales etapas de templado. Los recubrimientos de galvanizado con floreados pequeños generalmente tienen menos límites de grano rebajados.

El Efecto de la Química del Baño de Zinc

El crecimiento dendrítico no es la única manera por la cual los granos pueden crecer durante el proceso de solidificación. Se requiere la presencia de una o más condiciones especiales. Una de estas condiciones es la presencia de otros elementos en el metal fundido. Éstos pueden ser o bien elementos de aleación intencionalmente agregados o impurezas. En el caso de los recubrimientos galvanizados en planchas de acero, la razón más común para un crecimiento dendrítico bien definido es la presencia de plomo en el recubrimiento. Se ha pensado que la razón por la que el plomo lleva a resultados en grandes floreados es que éste reduce el número de sitios de nucleación. En un trabajo reciente1, se propone que la presencia de plomo reduce la energía de interfase sólido/líquido en el recubrimiento que se solidifica. Esto lleva a un incremento de la velocidad de crecimiento de las dendritas, el que resulta en floreados grandes. El plomo se precipita en la superficie del recubrimiento y la distribución variable de las partículas de plomo a lo ancho de la superficie define la apariencia óptica (floreados opacos o mates vs. floreados brillantes).

El plomo es una impureza común en el zinc. En los años pasados, el método más común para la producción metálica de zinc involucraba fundición, destilación y condensación. El plomo es un metal común hallado en los minerales que contienen zinc, y este proceso de refinamiento es llevado a cabo como una impureza en el zinc. En los primeros años del galvanizado, el plomo estaba casi siempre presente en el zinc, y era común observar un patrón de floreado. Los recubrimientos galvanizados en acero se volvieron identificables por ese floreado brillante característico. Esencialmente, todo recubrimiento de galvanizado por inmersión en caliente ha tenido una apariencia de floreado. Si el floreado no era visible, los usuarios "sabían " que el acero no había sido galvanizado.

Los primeros recubrimientos galvanizados contenían tanto como 1% de plomo. Durante los últimos 35 años, la presencia de tan altos niveles de plomo no ha sido común en los recubrimientos galvanizados en plancha de acero, al menos no en Norte América, Europa, y Japón. Las concentraciones típicas de plomo (cuando es intencionalmente utilizado) en la mayoría de planchas galvanizadas producidas durante estos tiempos han sido menores a 0.15%, con frecuencia, tan bajas como 0.03 a 0.05%, incluso esta baja concentración de plomo es suficiente para desarrollar comportamientos de crecimiento dendrítico durante el proceso de solidificación. Hoy, un nivel típico de plomo en el baño de recubrimiento en las líneas en las que el producto requiere un patrón de floreado bien desarrollado, lleva entre 0.05 y 0.10% de plomo.

Ya que en la actualidad existen preocupaciones ambientales acerca del uso del plomo, algunos fabricantes de planchas galvanizadas han establecido prácticas en sus líneas antiguas o lentas para que usen zinc libre de plomo, por el cual una pequeña cantidad de antimonio es añadido al zinc en el baño de recubrimiento. El antimonio influye en la formación de floreados de una manera similar al plomo. El resultado final es un recubrimiento liso, visiblemente floreado. Por lo general, la cantidad de antimonio usada en el baño puede fluctuar entre 0.03 y 0.10%.

Para obtener recubrimientos más lisos con el zinc con contenidos de plomo, es posible suprimir el crecimiento del floreado en la plancha enfriando rápidamente el recubrimiento. Esto se realiza usando dispositivos "minimadores" de floreado sobre el baño de zinc, que además de incrementar la velocidad de enfriamiento, dirigen vapor o polvo de zinc sobre la superficie para enfriar el zinc rápidamente. Dicha tecnología no se requiere en el caso del zinc libre de plomo por las razones que se explican en la siguiente sección.



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Recubrimientos No Floreados

Recientemente, la producción de zinc a partir de minerales que lo contienen ha sido cambiada a un método de recuperación electrolítica. En este método de producción de zinc, el zinc refinado es muy puro, y el plomo es excluido. Este cambio ocurre en el tiempo en que muchos usuarios de planchas galvanizadas, especialmente aquéllos que deseaban un acabado de alta calidad después de la pintura, tales como las industrias de automóviles y aplicaciones similares necesitaban un recubrimiento no floreado. Quitar el plomo les daba el producto deseado. La cantidad de plomo en el recubrimiento para recubrimientos libres de plomo es de menos de 0.01%, con frecuencia menor que 0.005%.

Los recubrimientos libres de plomo aún tienen un patrón de grano que es, en el mejor de los casos, apenas visible para un ojo desnudo. Por lo general, los floreados son de alrededor de 0.5 mm de diámetro y están claramente visibles cuando se ven a una ampliación de 5 a 10X. Sin embargo, los granos no crecen más en un modo dendrítico sino uno celular. Esencialmente, los granos de zinc nuclean en la superficie del acero, y crecen hacia fuera, de la superficie libre. La ausencia de plomo se lleva el fuerte impulso de crecimiento para el plano de la plancha, evitando la formación de floreados grandes. El crecimiento rápido de los floreados no puede ocurrir y la ausencia de plomo da como resultado un recubrimiento de apariencia uniformemente floreado. Para toda intención y propósito, no existen depresiones de los límites del grano en los recubrimientos libres de plomo.

Este recubrimiento no floreado, cuando se combina con el enrollado templado aplicado por el productor de planchas galvanizadas, puede ser muy liso. Las grandes depresiones de límites de grano y alivio de superficie del recubrimiento floreado no están presentes. El recubrimiento puede ser pintado para obtener un acabado muy suave.

Una ventaja adicional de producir un recubrimiento galvanizado libre de plomo es que éste no es susceptible a un problema conocido como retraso en la falta de adhesión. Este es un mecanismo de falla de recubrimiento, que ocurre principalmente en los ambientes húmedos, relacionado con el hecho de que el plomo se concentra en los límites de los floreados y permite que se formen pequeñas celdas de corrosión.

Otra característica de los muy pequeños floreados de los recubrimientos libres de plomo es que la apariencia metálica con floreado brillante del recubrimiento es muy uniforme, a diferencia de la apariencia de los recubrimientos de zinc con plomo de floreados grandes, en los que el floreados difieren entre si, dando a la plancha una apariencia no uniforme.

¿Por qué aún se utiliza el Plomo en algunas Líneas de Galvanizado?

La fabricación de recubrimientos no floreados, libres de plomo (o antimonio), no se hace con tanta facilidad. La razón esta relaciona con la influencia de aun pequeñas cantidades de estas adiciones a la viscosidad del zinc fundido. Debido a su menor viscosidad, es difícil evitar pequeños hundimientos y ondas en el recubrimiento de zinc cuando no están presentes el plomo o el antimonio. A mayor espesor del recubrimiento, mayor la tendencia a formar hundimientos y ondas durante el enfriamiento. Afortunadamente, las industrias automotriz y de electrodomésticos sólo necesitan una capa de recubrimiento relativamente delgada (típicamente de 60 a 80 g/m2 por lado) de zinc para obtener el nivel de resistencia a la corrosión que sus clientes exigen. Asimismo, los productos utilizados por estas industrias son hechos en líneas nuevas de alta velocidad, o en líneas antiguas que han sido repotenciadas para permitir la producción a alta velocidad. La combinación de altas velocidades de procesamiento y bajos pesos de recubrimiento permite a los productores usar baños de recubrimiento libres de plomo, evitando el desarrollo de floreados, y así lograr un recubrimiento libre de ondulaciones Las mejoras en la tecnología de cuchillos de aire y la experiencia práctica también han ayudado a hacer recubrimientos más lisos.

Si el usuario final requiere una masa de recubrimiento más pesada (100 g/m2 por lado y más), hay una tendencia para que el recubrimiento, cuando se aplica en un baño libre de plomo, desarrolle ondas y ondulaciones muy visibles. Como resultado, la superficie no es lisa y el recubrimiento queda compuesto de regiones localmente gruesas y delgadas. Esta tendencia a ondulaciones se agrava en las líneas a bajas



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velocidades (<75 m/min.). Las líneas de recubrimiento más antiguas, de bajas velocidades diseñadas para procesar planchas de calibre pesado, y aquéllas que se utilizan para hacer productos de recubrimiento pesado (mayor a 275 g/m2 o G90), por lo general, aún conservan alguna cantidad de plomo en el baño de recubrimiento para mejorar la uniformidad final del recubrimiento. La concentración de plomo en el baño de zinc es típicamente entre 0.05 y 0.10%. Las adicion es de antimonio de entre 0.03 y 0.10% proveen el mismo efecto .

El resultado neto es que el producto final de muchas líneas aún tiene un patrón de floreado visible. Esto logra las necesidades del mercado puesto que un número de industrias, especialmente aquéllas que utilizan planchas galvanizadas crudas (no pintadas), aún desean el patrón de floreado grande, relucientes, reflectivos.

Especificando el Tamaño de los floreados

Los usuarios con frecuencia se preguntan si hay especificaciones que rigen el tamaño (diámetro) de los floreados galvanizados. Desafortunadamente no hay especificaciones cuantitativas que regulen estas características de las planchas galvanizadas. El tamaño del floreado puede verse afectado no sólo por la química del zinc y la velocidad de enfriamiento, sino por otros factores tales como la suavidad del sustrato. El control consistente de la formación de floreados a un tamaño específico, que luego verifiquen, sería una tarea extremadamente difícil. Por esta razón, la terminología de tamaño de floreado es cualitativa. Se define en la Especificación ASTM A 653/A 653M, Especificación para la Plancha de Acero Recubierta de Zinc (Galvanizada) como sigue:

• Floreado regular.– plancha de acero recubierta de zinc con una estructura de cristales de zinc multifacética visible. La velocidad de enfriamiento no es controlada, lo que produce un tamaño de grano de tamaño variable.

• Floreado minimo.– plancha de recubrimiento de zinc en la que el patrón de granos es visible a los ojos, y es por lo general, menor y menos distinguida que el patrón visible o floreado regular. El crecimiento de los cristales de zinc es contrarrestado por técnicas especiales de producción, o es inhibida por una combinación de química de baño de recubrimiento más el enfriamiento.

• Libre de floreado.– plancha de acero con recubrimiento de zinc y acabado uniforme en el cual la superficie creada por la formación de floreados no son visibles a simple vista. El acabado es producido por una combinación en la química de baño de recubrimiento, o el enfriamiento, o ambos.



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En ausencia de especificaciones para los tamaños de los floreados de las planchas galvanizadas, las Figuras 2, 3, 4 y 5 se tamaños clasificados de tamaños sugeridos por el Centro de GalvInfo. Mientras que los productos libres de floreado son el resultado de requerimientos que no llevan plomo, y son preferidos para muchos usos finales, algunos usuarios todavía desean planchas galvanizadas que tengan un floreado visible. Teniendo en cuenta que generalmente no es posible ordenar por tamaño de floreado, y que los productos floreados no se encuentran disponibles en todas las regiones del mundo, las fotografías en las Figuras 2 a 5 ilustran qué pueden alcanzar aún los productores de algunas partes del mundo.

Fig. 2 Floreados grandes ≥ 15 mm de ancho

Fig. 3 Floreados medianos de hasta 10 mm de ancho

Fig. 4 Floreados pequeños de hasta 5 mm de ancho

Fig. 5 Libre de floreados – Floreados de ≤ 0.5 mm de ancho



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Resumen

El floreado en las planchas de acero galvanizadas por inmersión en caliente ha sido su característica de identificación principal durante muchos años. La demanda tanto de recubrimientos libres de plomo como de recubrimientos muy lisos ha generado que el tamaño del floreado sea reducido por muchos productores hasta no ser visible a simple vista. Esto era, y hasta cierto punto todavía es, la preocupación de ciertos segmentos en el mercado, pero los usuarios de planchas galvanizadas gradualmente se han acostumbrado a que el producto no tenga floreados grandes, fácilmente visibles. Mientras que a futuro quizá ya no habrá demanda por un floreado visible, algunos consumidores actualmente todavía desean utilizar galvanizado floreado para sus productos. Referenca: 1) J. Strutzenberger, J. Federl: Metall. Trans. A, 1998, vol. 29A’ pp. 631-646 Copyright 2008 – IZA Renuncia de responsabilidad: Los artículos, reportes de investigación y datos técnicos se proveen únicamente con fines informativos. Aunque quienes los publican intentan proveer información precisa y actual, la Asociación Internacional de Investigación del Zinc y el Plomo no garantiza los resultados de la investigación o información reportada en esta comunicación y renuncia a cualquier responsabilidad por daños que surjan de confiar en los resultados de las investigaciones u otra información contenida en esta comunicación, incluyendo, sin limitación, daños incidentales o consecuencias.

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