Tubería electropulida y pulida mecánicamente, parte 1

Este artículo de dos partes resume los puntos importantes en el papel de electropulido y muestra una vista previa de la presentación de Tverberg en InterPhex a finales de este mes. Hoy, en la Parte 1, examinamos la importancia del electropulido de tuberías de acero inoxidable, las técnicas de electropulido y los métodos analíticos. En la Parte 2, presentamos una vista previa de las últimas investigaciones sobre la pasivación de tubos de acero inoxidable pulidos mecánicamente.

Parte 1: Tubería de acero inoxidable electropulida Las industrias farmacéutica y de semiconductores requieren grandes cantidades de tubería de acero inoxidable electropulida internamente. En ambos casos, el acero inoxidable tipo 316L es la aleación de elección. Ocasionalmente, se utilizan aleaciones de acero inoxidable con un 6 por ciento de molibdeno; Las aleaciones C-22 y C-276 son importantes para los fabricantes de semiconductores, especialmente cuando se usa gas ácido clorhídrico como grabador.

La tubería electropulida se especifica para tantas aplicaciones debido a:

Fácil caracterización de los defectos superficiales que, de otro modo, quedarían enmascarados en el laberinto de anomalías superficiales que se encuentran en los materiales más comunes.

La inercia química de la capa pasiva resulta de que tanto el cromo como el hierro se encuentran en el estado de oxidación 3+ en lugar de como metales de valencia cero. Las superficies pulidas mecánicamente, incluso después de una pasivación prolongada con ácido nítrico caliente, aún retienen altos niveles de hierro libre en la película. Este factor por sí solo le da a las superficies electropulidas una gran ventaja en la estabilidad a largo plazo.

Otra diferencia importante entre las dos superficies es la presencia (en superficies pulidas mecánicamente) o ausencia (en superficies electropulidas) de elementos de aleación. Las superficies pulidas mecánicamente retienen la composición básica de la aleación con solo un ligero agotamiento de los otros elementos de la aleación, mientras que las superficies electropulidas contienen esencialmente solo cromo y hierro.

Fabricación de tubería electropulidaPara producir una superficie lisa electropulida se requiere comenzar con una superficie lisa. Esto significa comenzar con acero de muy alta calidad, fabricado para la mejor soldabilidad. Durante la fundición, es necesario controlar el azufre, el silicio, el manganeso y los elementos desoxidantes (p. ej., Al, Ti, Ca, Mg) y la ferrita delta. La tira debe someterse a un tratamiento térmico para disolver todas las segundas fases que puedan originarse durante la solidificación de la masa fundida, o que puedan formarse durante el procesamiento a alta temperatura.

Asimismo, el tipo de acabado de la tira es más importante. En la norma ASTM A-480 se especifican tres acabados superficiales de tiras laminadas en frío comercialmente disponibles: 2D (recocido al aire, decapado y acabado con rodillos desafilados); 2B (recocido al aire, decapado y terminado con rodillos pulidos); y 2BA (atmósfera protectora recocido brillante y acabado con rodillos pulidos).

El perfilado, la soldadura y el acondicionamiento de cordones deben controlarse cuidadosamente para producir un tubo lo más redondo posible. Incluso la más mínima socavación de la soldadura o la línea de nivelación del cordón de soldadura serán visibles después del pulido. Del mismo modo, las marcas de formación de rodillos, los patrones de soldadura y cualquier daño mecánico a las superficies serán evidentes después del electropulido.

Después del tratamiento térmico, el DI del tubo debe pulirse mecánicamente para eliminar las imperfecciones de la superficie que surgen de la tira y el proceso de formación del tubo. Este paso es donde la selección del acabado de la tira se vuelve crítica. Si la rugosidad es demasiado profunda, se debe quitar más metal de la superficie del DI del tubo para producir un tubo liso. Si la rugosidad es poco profunda o inexistente, entonces se debe eliminar menos metal. Los mejores acabados de electropulido, generalmente en el rango de 5 micropulgadas o más suaves, se obtienen a partir de tubos pulidos longitudinalmente con correa. Este tipo de pulido elimina la mayor parte del metal de la superficie, generalmente en el rango de 0,001 pulgadas, lo que elimina los límites de grano, los defectos de la superficie y las imperfecciones de formación. El pulido por remolino elimina menos material, produce una superficie "manchada" y, en general, proporciona un Ra más alto (aspereza superficial promedio) en el rango de 10 a 15 micropulgadas.

ElectropulidoEl electropulido es simplemente galvanoplastia a la inversa. La solución de electropulido se bombea a través del DI del tubo mientras se extrae un cátodo a través del tubo. El metal se elimina preferentemente de los puntos más altos de la superficie. El proceso "quiere" recubrir el cátodo con el metal disuelto del interior del tubo, que es el ánodo. Es importante controlar la electroquímica para evitar la formación de placas catódicas y mantener la valencia adecuada para cada uno de los iones.

Durante el electropulido se genera oxígeno en el ánodo, o superficie de acero inoxidable, y se genera hidrógeno en la superficie del cátodo. El oxígeno es un componente fundamental para crear las propiedades especiales de las superficies electropulidas, tanto para aumentar la profundidad de la capa pasiva como para producir una verdadera capa pasiva.

El electropulido se produce bajo una capa llamada "Jacquet" que parece ser sulfito de níquel polimerizado. Cualquier cosa que impida la formación de la capa de Jacquet provoca una superficie electropulida defectuosa. Por lo general, se trata de un ion, como cloruro o nitrato, que evita la formación de sulfito de níquel. Otros interferentes son los aceites de silicona, la grasa, la cera y otros hidrocarburos de cadena larga.

Después del electropulido, los tubos se enjuagan con agua y luego se pasivan más en ácido nítrico caliente. Esta pasivación adicional es necesaria para eliminar cualquier sulfito de níquel residual y mejorar la relación superficial de cromo a hierro. Los siguientes tubos de pasivación se enjuagan con agua de proceso, se colocan en agua desionizada caliente, se secan y se envasan. Si se requiere un empaque en sala limpia, los tubos se enjuagan más en agua desionizada hasta alcanzar una conductividad específica, luego se secan con gas nitrógeno caliente antes del empaque.

Las técnicas 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 para análisis químico). AES, que utiliza electrones generados cerca de la superficie para generar una señal específica para cada elemento, proporciona un perfil elemental en función de la profundidad. XPS utiliza rayos X suaves que producen espectros de energía vinculante que permiten la diferenciación de las especies moleculares por número de oxidación.

Perfil de la superficie frente a apariencia de la superficie Los valores similares de rugosidad de la superficie no significan que la apariencia de la superficie sea la misma. La mayoría de los perfilómetros actuales pueden informar una serie de valores diferentes de rugosidad de la superficie, incluidos Rq (también llamado rms), Ra, Rt (diferencia máxima en el valle mínimo y el pico máximo), Rz (altura máxima promedio del perfil) y varios otros. Estas expresiones se obtienen a través de varios cálculos realizados a partir de un solo recorrido de la superficie con una aguja de diamante. Dentro de esta poligonal, se selecciona electrónicamente una parte, denominada "corte", en la que se basan los cálculos.

Es posible usar una combinación de diferentes valores calculados, por ejemplo, Ra y Rt, para describir mejor una superficie, pero no existe una función única que pueda diferenciar entre dos superficies diferentes con el mismo valor de Ra. ASME publica un estándar, ASME B46.1, que define el significado de cada función calculada.

Para obtener más información, comuníquese con: John Tverberg, Trent Tube, 2015 Energy Dr., PO Box 77, East Troy, WI 53120. Tel: 262-642-8210.

Editado por Angelo De Palma

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