Protección contra la corrosión por fundición a presión de aluminio: qué falla realmente y qué funciona

El aluminio se describe como resistente a la corrosión porque forma una película pasiva de óxido. Eso es cierto en una extrusión de 6060 trabajada en frío con una superficie limpia. Solo es parcialmente cierto en una fundición a presión, y la diferencia entre ambas es la razón por la que muchas fundiciones recubiertas vuelven del campo con ampollas alrededor de un boss o con óxido blanco brotando de un agujero ciego.

La diferencia radica en la metalurgia y la geometría. Una fundición a presión tiene una microestructura de dos fases llena de partículas intermetálicas, contiene porosidad y su superficie lleva lo que el agente de liberación dejó atrás. Comprender esas tres cosas te indica qué protección sobrevivirá y cuál fallará en el primer invierno.

Por qué las fundiciones a presión se corroen

Una aleación de aluminio y silicio fundida no es un sólido uniforme. Es una fase principal rica en aluminio con silicio eutéctico, además de partículas intermetálicas que se forman durante la solidificación, y cada uno de esos componentes tiene un potencial electroquímico diferente. La corrosión en el aluminio es casi siempre local, impulsada por esas diferencias de potencial.

Los mecanismos que importan en la práctica:

• Fases ricas en cobre. Las aleaciones de la familia A380 / ADC12 contienen deliberadamente entre 3 y 4,1% de cobre, por resistencia y fundibilidad. El cobre en solución y como intermetálicos Al₂Cu es catódico respecto a la matriz de aluminio. En presencia de un electrolito, el aluminio alrededor de la partícula se disuelve. Por eso, las aleaciones de fundición a presión con alto contenido de cobre son notablemente menos resistentes a la corrosión que las de bajo contenido de cobre, y por qué son un sustrato pobre para el anodizado decorativo.
• Intermetálicos ricos en hierro. El hierro es inevitable en la fundición a presión; se recoge del crisol y del molde, y los niveles de aproximadamente 0,8-1,3% se mantienen deliberadamente para reducir la soldadura del molde. Las fases de Al-Fe-Si en forma de aguja y placa que resultan también son catódicas y actúan como sitios de inicio locales.
• Partículas de silicio. El silicio eutéctico en sí es catódico respecto a la matriz y, en una estructura gruesa o no modificada, crea una gran área de interfaz donde puede comenzar la corrosión. También dificulta el anodizado, porque el silicio no se anodiza de la misma manera que el aluminio, por lo que la película crece de forma no uniforme y aparece oscura y moteada.
• Porosidad como camino de transporte. La porosidad por gases y contracción conecta la superficie con el interior. Un electrolito que entra en un poro no se seca, y un poro que se abre en la superficie tras el mecanizado se convierte en una grieta. Esta es la causa más común de ampollas bajo un recubrimiento orgánico.
• Residuos de fundente y inclusiones de escoria. Las sales de cloruro y fluoruro del fundente son higroscópicas y agresivas. Una inclusión que intersecta la superficie iniciará una picadura independientemente de la calidad del recubrimiento.
• Residuos de agente de liberación. Los agentes de liberación a base de agua dejan una película que, si no se elimina, impide el recubrimiento de conversión y la adhesión de la pintura. También atrapan cloruros en algunas formulaciones.
• Acoplamiento galvánico en el ensamblaje. El aluminio es anodico respecto al acero inoxidable, cobre y latón. Una fundición atornillada a un soporte de acero se corroerá, y cuanto menor sea el área de aluminio en relación con el área catódica, más rápido será.

Expectativas de resistencia a la niebla salina por aleación y acabado

La niebla salina neutra según ASTM B117 es una prueba comparativa, no un predictor de vida útil, pero es la moneda común en las especificaciones. Estos son rangos realistas para materiales sin recubrimiento y recubiertos, entendidos como horas hasta la primera aparición del defecto indicado.

Hay dos advertencias al leer esta tabla. Primero, los rangos son amplios porque la preparación del sustrato domina el resultado: la misma aleación y el mismo recubrimiento pueden variar por un factor de tres dependiendo de si la línea de pretratamiento fue controlada. Segundo, la prueba de niebla salina se correlaciona pobremente con la exposición real en exteriores para recubrimientos orgánicos. Una prueba cíclica con fases húmedas, secas y salinas clasificará los recubrimientos mucho más cerca del comportamiento en campo que la niebla continua.

Comparación de rutas de protección

Cada ruta tiene un modo de fallo característico y una estructura de costos. La tabla a continuación es la comparación que usamos cuando un cliente está eligiendo.

Nota sobre el anodizado específicamente: es lo primero que la gente pide y lo último que funciona en una fundición a presión de alta presión estándar. Con silicio 8-11% y cobre 3-4%, la película crece de manera irregular y el resultado es una superficie gris oscuro, manchada, que ninguna selladura hará decorativa. Si se requiere una apariencia anodizada, la aleación y el proceso de fundición deben cambiar, lo que generalmente significa fundición a baja presión o por gravedad con una aleación de bajo contenido de silicio y cobre. Nuestro guía de fundición de aleaciones de aluminio guía a través de esa selección, y las expectativas de superficie por acabado se establecen en normas de acabado de superficies de fundición a presión.

Nota sobre porosidad y recubrimientos orgánicos: un recubrimiento en polvo solo es tan bueno como la superficie sobre la que se aplica. Las fundiciones con porosidad conectada a la superficie liberarán gases durante el horneado, típicamente a 180-200 °C durante 10-20 minutos, y el gas deja agujeros o ampollas en la película. Las mitigaciones estándar son un paso previo de horneado o desgasificación, una menor cantidad de película, o impregnación al vacío antes del recubrimiento.

Secuencia de pretratamiento, con parámetros

El pretratamiento es donde se logra el rendimiento del recubrimiento. La secuencia a continuación es típica para el recubrimiento de conversión antes de un acabado orgánico; los parámetros deben validarse en su línea, no copiarse.

1. Prelimpieza / desengrase. Remojo o pulverización alcalina, 50-70 °C, 3-8 minutos, pH 9-11. Elimina aceite de mecanizado, residuos de agentes de liberación y suciedades de manipulación. Un desengrase inadecuado es la causa más común de fallos en la adhesión.
2. Enjuague. Agua ambiente en contraflujo, 30-60 segundos, con desbordamiento. Dos etapas donde la calidad del agua es pobre.
3. Grabado o desoxidación. Grabado alcalino suave o un desoxidante ácido, de 30 segundos a 3 minutos, para eliminar la óxido natural y cualquier suciedad de partículas de silicio. Un grabado excesivo expone más silicio y oscurece la superficie.
4. Enjuague. Ambiente, 30-60 segundos.
5. Desmote. Formulación de ácido nítrico-hidrofluorhídrico o un ferrico sulfato sin fluoruro, de 30 segundos a 2 minutos en ambiente, para eliminar el moho gris dejado por el grabado. Omitir esto en aleaciones de alto contenido de silicio deja una superficie mal unida.
6. Enjuague. Ambiente, luego un enjuague final con agua desionizada con conductividad inferior a aproximadamente 50 µS/cm. El cloruro en el enjuague final provocará corrosión filiforme posteriormente.
7. Recubrimiento de conversión. Proceso a base de cromo o sin cromo, como zirconio-titanio o cromo trivalente, inmersión de 30 segundos a 3 minutos a 20-40 °C, o aplicación sin enjuague. Peso del recubrimiento típicamente entre 200-800 mg/m².
8. Secado. 60-100 °C, 10-20 minutos, con aire forzado. Las piezas deben estar completamente secas antes de aplicar el polvo.
9. Aplicar dentro del plazo. Las piezas recubiertas con conversión deben ser recubiertas en un plazo de 24 horas, idealmente en el mismo turno. Las piezas sin recubrir almacenadas vuelven a oxidarse y adquieren contaminación por manipulación.

Puntos críticos de control: concentración y temperatura del baño registradas por turno, conductividad del agua de enjuague al menos a diario, y una prueba de humedecimiento o una revisión del peso del recubrimiento en la película de conversión semanalmente. También vigile el enjuague después del desoxidante; la transferencia de ácido al baño de conversión es la causa habitual de envejecimiento prematuro del baño.

Pruebas: qué especificar y cómo interpretarlas

• Salpicadura de sal neutra ASTM B117. NaCl 5%, 35 °C, pH 6.5-7.2, tasa de recogida de 1-2 ml por 80 cm² por hora. Informe las horas hasta la primera oxidación blanca, y la propagación desde una marca si está marcada. Úselo para comparación y aceptación del lote, no para predicción de vida útil.
• ASTM B368 CASS. Ácido acético más cloruro de cobre a 49 °C, pH 3.1-3.3. Aproximadamente cuatro a ocho veces más agresivo que B117 en el mismo sistema. Útil para níquel-cromo decorativo en zinc y para cribas rápidas.
• ASTM G85 / corrosión cíclica. Niebla alterna, fases secas y de humedad, a veces con variante Prohesión o SO₂. Se correlaciona mucho mejor con el rendimiento en campo que la niebla continua, y es lo que se debe usar cuando se requiere una exposición exterior real.
• ASTM D2247 humedad. Humedad relativa 100% a 38 °C. Detecta pérdida de adherencia del recubrimiento y formación de ampollas que la salpicadura de sal no detecta.
• Corrosión filiforme, ISO 4623 o ASTM D2803. Inocular una marca con ácido clorhídrico o ácido acético, y luego mantener en alta humedad. Relevante para aluminio recubierto en ambientes costeros o con cloruros, y la falla generalmente se debe a contaminación por cloruros en el enjuague o por manipulación.
• Adhesión. Prueba de corte cruzado con cinta adhesiva según ASTM D3359, o prueba de adherencia por ASTM D4541, antes y después de la exposición a la humedad. Un recubrimiento que pasa en seco y falla en húmedo tiene un problema de pretratamiento.
• Espesor del recubrimiento. Corriente de Eddy en metal base no magnético según ASTM B244 o ISO 2360, en un número establecido de puntos por pieza, incluyendo bordes y recesos.

Especifique el criterio de aceptación numéricamente, con la zona de inspección marcada en el dibujo, y exija que el informe de prueba indique la química del baño y la temperatura en el momento de la prueba.

Detalles de diseño que atrapan humedad

Más corrosión en campo proviene de la geometría que de la selección del recubrimiento. Las siguientes características aparecen repetidamente en piezas fallidas:

• Orificios ciegos y bolsillos que retienen agua sin salida. Añada un orificio de drenaje y colóquelo donde no sea bloqueado por un elemento de fijación o una junta.
• Grietas y juntas de solape, donde la acción capilar sostiene un electrolito y la depleción de oxígeno mantiene activa la grieta. Selle la unión o amplíela para que drene y se seque.
• Superficies de acoplamiento planas con una junta, donde la junta retiene la humedad contra el recubrimiento. Use un material de junta que no absorba humedad y considere una ranura que ventile.
• Esquinas externas afiladas. Los recubrimientos orgánicos se adelgazan en los bordes durante el flujo y el curado; un radio de 0,5 mm como mínimo, 1-2 mm preferido, hace una gran diferencia en la cobertura del borde.
• Recesos y áreas de jaula de Faraday. El recubrimiento E y el polvo tienen una capacidad limitada de penetración en características profundas y estrechas. Diseñe aberturas lo suficientemente anchas para que el recubrimiento llegue, o acepte una película más delgada allí y especifique en consecuencia.
• Contacto entre metales disímiles sin aislamiento. Use un aislador de plástico o elastomérico, o recubra el elemento catódico en lugar del aluminio.
• Superficies mecanizadas dejadas al descubierto. El mecanizado elimina el recubrimiento y la piel de fundición, exponiendo metal fresco y cualquier poro que intersecte. Especifique un tratamiento posterior al mecanizado o diseñe de modo que las superficies mecanizadas sean internas y secas.
• Cavidades cerradas que condensan humedad. Una carcasa sellada con un respiradero que face hacia arriba atrapa humedad; un desagüe que face hacia abajo o un desecante es más barato que una reclamación por corrosión. Nuestro artículo sobre diseño de carcasa de aluminio fundido a presión cubre esto con más detalle.

Donde encaja la preparación mecánica

El rendimiento contra la corrosión depende del sustrato que entregues a la línea de recubrimiento, y el sustrato se fabrica en las etapas de desbarbado, lijado y pulido. Tres conexiones son importantes:

• La rugosidad superficial controla la apariencia del recubrimiento y la distribución del espesor. Una capa de polvo de 60-80 µm no ocultará una marca de lijado de 0,3 mm de profundidad; la seguirá. Pulir a Ra 0,1-0,4 µm antes del recubrimiento es lo que hace que una pieza cosmética recubierta parezca un producto terminado en lugar de una fundición enmasillada.
• Las defectos conectados a la superficie se convierten en sitios de inicio. Cada poro expuesto, cada inclusión y cada parche de medio de explosión incrustado es un lugar donde la película es delgada y donde un electrolito puede asentarse. La eliminación mecánica constante, con una cantidad de eliminación definida en lugar de un juicio visual, reduce el número de estos sitios.
• La limpieza antes del pretratamiento es trabajo mecánico. El destello, los restos de línea de separación y los residuos del agente de liberación deben desaparecer antes de que la pieza llegue al baño de desengrase. Si no lo hacen, el baño envejece rápidamente y la película de conversión se forma sobre la contaminación.

Esta es la parte del problema de corrosión en la que trabajamos. DZ Machinery suministra la etapa de preparación mecánica: células robotizadas de desbarbado y rectificado con 6 ejes, con husillos flotantes controlados por fuerza y cambio automático de herramientas para una eliminación consistente en líneas de separación y restos de compuerta, integración de chorreado para un perfil de anclaje uniforme, y células de pulido multiestación con estaciones de banda, sisal y tela, y alimentación automática de compuesto para superficies cosméticas en cuerpos de grifo, manijas y placas de cierre. Lo que entregamos es una superficie repetible con una rugosidad definida y una condición de borde determinada, medida en lugar de juzgada.

No suministramos el pretratamiento químico ni la línea de recubrimiento, y no somos la parte adecuada para especificar tu química de conversión. Si buscas un número de prueba de niebla salina, la secuencia es: primero arreglar la porosidad del fundido, luego la superficie mecánica, después el pretratamiento y, por último, la película. Si quieres comenzar en el segundo paso, envíanos una muestra de pieza y tu rugosidad objetivo y te diremos qué estaciones necesita y qué tiempo de ciclo debes planear.