Este artículo de dos partes resume los puntos clave del artículo sobre electropulido y anticipa la presentación de Tverberg en InterPhex a finales de este mes. Hoy, en la primera parte, abordaremos la importancia del electropulido de tuberías de acero inoxidable, sus técnicas y métodos analíticos. En la segunda parte, presentaremos las últimas investigaciones sobre tuberías de acero inoxidable pasivadas y pulidas mecánicamente.
Parte 1: Tubos de acero inoxidable electropulidos. Las industrias farmacéutica y de semiconductores requieren una gran cantidad de tubos de acero inoxidable electropulidos. En ambos casos, el acero inoxidable 316L es la aleación preferida. En ocasiones se utilizan aleaciones de acero inoxidable con un 6 % de molibdeno; las aleaciones C-22 y C-276 son importantes para los fabricantes de semiconductores, especialmente cuando se utiliza ácido clorhídrico gaseoso como reactivo de ataque.
Caracterice fácilmente los defectos de superficie que de otro modo quedarían enmascarados en el laberinto de anomalías de superficie que se encuentran en los materiales más comunes.
La inercia química de la capa pasivante se debe a que tanto el cromo como el hierro se encuentran en el estado de oxidación 3+ y no son metales de valencia cero. Las superficies pulidas mecánicamente conservaron un alto contenido de hierro libre en la película incluso después de una pasivación térmica prolongada con ácido nítrico. Este factor por sí solo confiere a las superficies electropulidas una gran ventaja en términos de estabilidad a largo plazo.
Otra diferencia importante entre ambas superficies es la presencia (en superficies pulidas mecánicamente) o ausencia (en superficies electropulidas) de elementos de aleación. Las superficies pulidas mecánicamente conservan la composición principal de la aleación con poca pérdida de otros elementos, mientras que las superficies electropulidas contienen principalmente cromo y hierro.
Fabricación de tubos electropulidos. Para obtener una superficie electropulida lisa, es necesario partir de una superficie lisa. Esto significa que se parte de acero de alta calidad, fabricado para una soldabilidad óptima. Es necesario controlar la fusión de azufre, silicio, manganeso y elementos desoxidantes como aluminio, titanio, calcio, magnesio y ferrita delta. La banda debe someterse a un tratamiento térmico para disolver cualquier fase secundaria que pueda formarse durante la solidificación o durante el procesamiento a alta temperatura.
Además, el tipo de acabado de la banda es el más importante. La norma ASTM A-480 enumera tres acabados superficiales de banda en frío disponibles comercialmente: 2D (recocido al aire, decapado y laminado romo), 2B (recocido al aire, decapado por laminación y pulido por laminación) y 2BA (recocido brillante y pulido con protección).
El perfilado, la soldadura y el ajuste del cordón deben controlarse cuidadosamente para obtener el tubo más redondo posible. Tras el pulido, incluso la más mínima socavación de la soldadura o una línea plana del cordón serán visibles. Además, tras el electropulido, serán evidentes las marcas de laminación, los patrones de laminación de las soldaduras y cualquier daño mecánico en la superficie.
Tras el tratamiento térmico, el diámetro interior del tubo debe pulirse mecánicamente para eliminar los defectos superficiales formados durante la formación de la banda y el tubo. En esta etapa, la elección del acabado de la banda se vuelve crucial. Si el pliegue es demasiado profundo, se debe eliminar más metal de la superficie del diámetro interior del tubo para obtener un tubo liso. Si la rugosidad es superficial o inexistente, se necesita eliminar menos metal. El mejor acabado electropulido, típicamente en el rango de 5 micropulgadas o más liso, se obtiene mediante el pulido longitudinal de banda de los tubos. Este tipo de pulido elimina la mayor parte del metal de la superficie, típicamente en el rango de 0,001 pulgadas, eliminando así los límites de grano, las imperfecciones superficiales y los defectos formados. El pulido por torbellino elimina menos material, crea una superficie "turbia" y generalmente produce una Ra (rugosidad superficial promedio) más alta, en el rango de 10 a 15 micropulgadas.
El electropulido es simplemente un recubrimiento inverso. Se bombea una solución de electropulido sobre el diámetro interior del tubo mientras el cátodo se introduce en él. El metal se retira preferiblemente de los puntos más altos de la superficie. El proceso busca galvanizar el cátodo con el metal que se disuelve desde el interior del tubo (es decir, el ánodo). Es importante controlar la electroquímica para evitar el recubrimiento catódico y mantener la valencia correcta de cada ion.
Durante el electropulido, se forma oxígeno en la superficie del ánodo o del acero inoxidable, e hidrógeno en la del cátodo. El oxígeno es un componente clave para crear las propiedades especiales de las superficies electropulidas, tanto para aumentar la profundidad de la capa de pasivación como para crear una capa de pasivación auténtica.
El electropulido se realiza bajo la llamada capa "Jacquet", que consiste en un sulfito de níquel polimerizado. Cualquier sustancia que interfiera en la formación de la capa Jacquet provocará un electropulido defectuoso. Suele tratarse de un ion, como el cloruro o el nitrato, que impide la formación de sulfito de níquel. Otras sustancias que interfieren son los aceites de silicona, las grasas, las ceras y otros hidrocarburos de cadena larga.
Tras el electropulido, los tubos se lavaron con agua y se pasivaron adicionalmente con ácido nítrico caliente. Esta pasivación adicional es necesaria para eliminar cualquier residuo de sulfito de níquel y mejorar la proporción de cromo a hierro en la superficie. Los tubos pasivados posteriormente se lavaron con agua de proceso, se colocaron en agua desionizada caliente, se secaron y se empaquetaron. Si se requiere empaquetado en sala limpia, los tubos se enjuagan adicionalmente con agua desionizada hasta alcanzar la conductividad especificada y luego se secan con nitrógeno caliente antes del empaquetado.
Los métodos más comunes para analizar superficies electropulidas son la espectroscopia electrónica Auger (AES) y la espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) (también conocida como espectroscopia electrónica de análisis químico). La AES utiliza electrones generados cerca de la superficie para generar una señal específica para cada elemento, lo que proporciona una distribución de elementos con profundidad. La XPS utiliza rayos X suaves que crean espectros de enlace, lo que permite distinguir las especies moleculares según su estado de oxidación.
Un valor de rugosidad superficial con un perfil similar a la apariencia de la superficie no implica la misma apariencia. La mayoría de los perfiladores modernos pueden reportar diversos valores de rugosidad superficial, incluyendo Rq (también conocido como RMS), Ra, Rt (diferencia máxima entre el valle mínimo y el pico máximo), Rz (altura máxima promedio del perfil) y otros. Estas expresiones se obtuvieron mediante varios cálculos con una sola pasada alrededor de la superficie con un diamante. En esta pasada, se selecciona electrónicamente una parte llamada "corte" y los cálculos se basan en ella.
Las superficies se pueden describir mejor mediante combinaciones de diferentes valores de diseño, como Ra y Rt, pero no existe una función única que pueda distinguir entre dos superficies diferentes con el mismo valor de Ra. ASME publica la norma ASME B46.1, que define el significado de cada función de cálculo.
Para obtener más información, comuníquese con: John Tverberg, Trent Tube, 2015 Energy Dr., PO Box 77, East Troy, WI 53120. Teléfono: 262-642-8210.