Cómo pasivar las partes de acero inoxidable

La pasivación sigue siendo un paso crítico para maximizar la resistencia a la corrosión de partes y componentes mecanizados de aceros inoxidables. Esta puede hacer la diferencia entre un desempeño satisfactorio y la falla prematura. Desarrollada incorrectamente, la pasivación puede, de hecho, inducir la corrosión.

¿Qué es la pasivación?

La pasivación es un método de posfabricación para maximizar la resistencia a la corrosión inherente a las aleaciones inoxidables de las cuales se ha hecho la pieza de trabajo. No es un tratamiento para remoción de óxido, tampoco es como un recubrimiento de pintura.

No hay un acuerdo universal sobre los mecanismos precisos de cómo funciona la pasivación. Pero sí es cierto que una película de óxido protector está presente en la superficie del acero inoxidable pasivado. Esta película invisible se considera extremadamente delgada, menor a 0.0000001 pulgadas de espesor, ¡equivalente más o menos a 1/100.000 el espesor de un cabello humano!

Una parte de acero inoxidable limpia, recién mecanizada, pulida o con limpieza química, adquiere automáticamente esta película de óxido mediante la exposición al oxígeno en la atmósfera. Bajo condiciones ideales, esta película de óxido protector cubre completamente todas las superficies de la parte.

En la práctica, sin embargo, pueden transferirse contaminantes como el polvo del taller o las partículas de hierro de las herramientas de corte, a la superficie de las partes de acero inoxidable durante el mecanizado. Si no se retiran, estas partículas foráneas pueden reducir la efectividad de la película protectora original.

Durante el proceso de mecanizado, una cantidad microscópica de hierro libre puede irse gastando de la herramienta de corte y transferirse a la superficie de la pieza de trabajo de acero inoxidable.

Bajo ciertas condiciones, puede aparecer un recubrimiento delgado de óxido en la parte. Esto es en realidad la corrosión del acero de la herramienta y no del metal base. Algunas veces, las hendiduras en la partícula embebida de acero de la herramienta de corte o sus productos de corrosión pueden causar un ataque a la parte misma.

De forma similar, las pequeñas partículas de polvo del taller que contienen hierro pueden adherirse a la superficie de la parte. Aunque el metal puede parecer brillante en la condición mecanizada, las partículas invisibles de hierro libre pueden llevar a la oxidación de la superficie tras la exposición al aire.

Los sulfuros expuestos también pueden ser un problema. Ellos vienen de la adición de sulfuro a los aceros inoxidables para mejorar su maquinabilidad. Los sulfuros mejoran la capacidad de la aleación para formar virutas que durante el proceso de mecanizado se rompan de forma limpia con la herramienta de corte. A menos que la parte esté pasivada apropiadamente, los sulfuros pueden actuar como sitios de iniciación de corrosión en la superficie del producto fabricado.

¿Por qué se necesita la pasivación?

En ambos casos, se necesita la pasivación para maximizar la resistencia natural a la corrosión del acero inoxidable. Puede retirar la contaminación de la superficie, como las partículas de polvo del taller que contienen hierro y las partículas de hierro de las herramientas de corte que pueden formar óxido o actuar como sitios de inicio para la corrosión. La pasivación también puede retirar sulfuros expuestos en la superficie de las aleaciones de inoxidable de mecanizado libre.

Un procedimiento de dos pasos puede proveer la mejor resistencia posible a la corrosión: 1. Limpieza, un procedimiento fundamental pero algunas veces subestimado, y 2. Un baño ácido, o tratamiento de pasivación.

Primero la limpieza en el proceso de pasivado

La limpieza siempre debería estar de primera. La grasa, el refrigerante u otra suciedad del taller deben limpiarse completamente de la superficie para obtener la mejor resistencia posible a la corrosión. Las virutas del mecanizado u otros polvos del taller pueden retirarse cuidadosamente de la parte. Un desengrasante o limpiador comercial puede usarse para retirar los aceites de mecanizado o los refrigerantes. La materia extraña, como los óxidos térmicos, puede haberse retirado con el rectificado, o con métodos como la limpieza con ácido.

Algunas veces el operador de la máquina puede pasar por alto la limpieza básica, asumiendo erróneamente que con solo sumergir la parte con grasa en un baño ácido, tanto la limpieza como la pasivación ocurrirán simultáneamente. Eso no sucede así. En su lugar, la grasa contaminante reacciona con el ácido para formar burbujas de gas. Estas burbujas se acumulan en la superficie de la pieza de trabajo e interfieren con la pasivación.

Aún peor, la contaminación de la solución para pasivación, algunas veces con altos niveles de cloruros, puede causar un “ataque flash” como se muestra en la figura 1. En lugar de obtener la película de óxido deseada con una superficie brillante, limpia y resistente a la corrosión, el ataque flash causa una superficie pesadamente revelada u oscurecida –-un deterioro de la misma superficie que la pasivación pretende optimizar--.

Las partes hechas de aceros inoxidables martensíticos [los cuales son magnéticos, con resistencia moderada a la corrosión y capaces de tener límites de elasticidad de hasta 280 ksi (1930 MPa)] son endurecidas a alta temperatura y luego templadas para asegurar las propiedades mecánicas y de dureza deseadas.

Las aleaciones endurecibles por precipitación (las cuales ofrecen una mejor combinación de resistencia a la tensión y a la corrosión respecto a los grados martensíticos) pueden ser tratadas con solución, mecanizadas parcialmente, envejecidas a menores temperaturas, y luego ser mecanizadas para dar el acabado.

En tales casos, las partes deben ser limpiadas completamente con un desengrasante o limpiador para retirar cualquier traza de fluido de corte antes del tratamiento térmico. De otra forma, el fluido de corte remanente en las partes causará una oxidación excesiva.

Esta condición puede resultar en partes subdimensionadas con un acabado agujereado después de que se retira el óxido con ácido o con métodos abrasivos. Si se permite que los fluidos de corte permanezcan en las partes que son sometidas a endurecimiento brillante, como en un horno al vacío o con atmósfera protegida, puede ocurrir la carburización de la superficie, llevando a una pérdida de la resistencia a la corrosión.

Baños de pasivación

Después de la limpieza completa, la parte de acero inoxidable está lista para la inmersión en un baño ácido de pasivación. Puede usarse una de tres opciones: pasivación con ácido nítrico, pasivación con ácido nítrico con dicromato de sodio y pasivación con ácido cítrico. La opción que se use depende del grado del acero inoxidable y los criterios de aceptación prescritos.

Los grados más resistentes de cromo-níquel pueden pasivarse en un baño de ácido nítrico al 20% en volumen (figura 2). Como se indica en la misma tabla, los grados de inoxidables menos resistentes pueden pasivarse añadiendo dicromato de sodio al baño de ácido nítrico para hacer la solución más oxidante y capaz de formar una película pasiva en la superficie.

Otra opción, usada en lugar del ácido nítrico con dicromato de sodio, es incrementar la concentración de ácido nítrico al 50% en volumen. La adición de dicromato de sodio y la mayor concentración de ácido nítrico reducen ambos el riesgo de un ataque flash no deseado.

El procedimiento para la pasivación de aceros inoxidables de mecanizado libre (que también se muestra en la figura 2) es algo diferente de lo que se usa para los grados de inoxidables, que no son de mecanizado libre. Esto se debe a que los sulfuros de los grados de mecanizado libre con contenido de sulfuro se retiran parcialmente o totalmente durante la pasivación en un baño de ácido nítrico típico, creando discontinuidades microscópicas en la superficie de la parte mecanizada.

Fig. 2— Los procedimientos para pasivación de partes de acero inoxidable en baños de ácido nítrico son relativamente claros.
Pasivación de aceros inoxidables con ácido nítrico
—Grados de cromo-níquel (Serie 300) —Grados con cromo al 17% o más (excepto Serie 440)	Ácido nítrico al 20% en volumen a 120/140°F (49/60°C) por 30 minutos
—Grados de sólo cromo (12-14% de cromo) —Grados de alto carbono – alto cromo (Serie 440) —Inoxidables endurecidos por precipitación	Ácido nítrico al 20% en volumen + 3 oz. por galón (22 g/litro) de dicromato de sodio a 120/140°F (49/60°C) por 30 minutos Ácido nítrico al 50% en volumen a 120/140°F (49/60°C) por 30 minutos
Pasivación para aceros inoxidables de mecanizado libre incluidos los tipos AISI 420F, 430F, 440F, 203, 182-FM y Carpenter Project 70+® Tipos 303 y 416
Hidróxido de sodio al 5% en peso a 160/180°F (71/82°C) por 30 minutos. Enjuagar con agua. Ácido nítrico al 20% en volumen + 3 oz. por galón (22 g/litro) de dicromato de sodio a 120/140°F (49/60°C) por 30 minutos Enjuagar con agua. Hidróxido de sodio al 5% en peso a 160/180°F (71/82°C) por 30 minutos. Enjuagar con agua.

Incluso los enjuagues con agua que sean eficientes pueden dejar ácido residual atrapado en estas discontinuidades después de la pasivación. Este ácido puede atacar la superficie de la parte, a no ser de que sea neutralizado o removido.

Grados de inoxidables de mecanizado libre

Para pasivar efectivamente los aceros inoxidables de mecanizado libre, Carpenter ha desarrollado el proceso A-A-A (alcalino-ácido-alcalino) que neutraliza el ácido atrapado. Este método de pasivación puede llevarse a cabo en menos de dos horas. Aquí está el procedimiento paso a paso:

Después de desengrasar, sumerja las partes por 30 minutos en una solución al 5% de hidróxido de sodio a 160-180°F (71°C a 82°C). Luego, enjuague la parte completamente en agua.

A continuación, sumerja la parte por 30 minutos en una solución de ácido nítrico al 20% en volumen que contenga 3 onzas por galón (22g/litro) de dicromato de sodio a 120-140°F (49-60°C). Después de retirar la parte de este baño, enjuague con agua, luego sumérjala en la solución de hidróxido de sodio por otros 30 minutos. Enjuague la parte otra vez con agua y séquela, completando el método A-A-A. Los beneficios de este método se muestran en la figura 3.

Pasivación con ácido cítrico

La pasivación con ácido cítrico se ha vuelto cada vez más popular entre los fabricantes que quieren evitar el uso de ácidos minerales o soluciones que contienen dicromato de sodio, junto con los problemas de disposición y mayores preocupaciones de seguridad asociadas con su uso. El ácido cítrico es considerado ambientalmente amigable en todo sentido.

Aunque la pasivación con ácido cítrico ofrece ventajas ambientales atractivas, los talleres que tienen éxito con la pasivación con ácido mineral y no sufren problemas de seguridad pueden querer continuar en ese camino. Puede no haber una necesidad real de cambiar si esos usuarios tienen un taller limpio, bien mantenido y equipos limpios, refrigerantes libres de polvo con contenido de hierro, y un proceso que lleve a buenos resultados.

Tratamiento de pasivación en baños de ácido cítrico

El tratamiento de pasivación en baños de ácido cítrico ha resultado útil para un gran número de familias de acero inoxidable, incluidos varios grados de inoxidables individuales, como se resume en la figura 4. Los métodos de pasivación convencionales con ácido nítrico de la figura 2 se incluyen por conveniencia.

Note que las formulaciones de ácido nítrico anteriores están en porcentaje en volumen, mientras que las concentraciones de ácido cítrico más recientes están en porcentaje en peso. En la implementación de estos procedimientos es importante resaltar que, un balance cuidadoso del tiempo de inmersión, la temperatura del baño y la concentración, es crítico para evitar el “ataque flash” descrito anteriormente.

Consideraciones para la selección del proceso de pasivación

El tratamiento de pasivación varía según el contenido de cromo y las características de maquinabilidad de los grados en cada familia. Revise las columnas que se refieren al Proceso 1 o al Proceso 2. Como se muestra en la figura 5, el Proceso 1 involucra menos pasos que el Proceso 2.

Las pruebas de laboratorio han indicado que los procedimientos de pasivación con ácido cítrico eran más propensos al “ataque flash” que los procedimientos con ácido nítrico. Los factores que causan este ataque incluyen una temperatura excesiva del baño, un tiempo de inmersión excesivo y la contaminación del baño.

Los productos de ácido cítrico que contienen inhibidores de corrosión y otros aditivos (como agentes humidificadores) son productos disponibles comercialmente que supuestamente reducen la sensibilidad al “ataque flash”.

La opción final del método de pasivación dependerá de los criterios de aceptación impuestos por su cliente. Para más información, refiérase al ASTM A967 “Especificación estándar para tratamientos de pasivación química para partes de acero inoxidable”. 

Prueba de las partes pasivadas

Generalmente, se desarrollan pruebas para evaluar la superficie de las partes pasivadas. La pregunta a responder es, ¿la pasivación retiró el hierro libre y optimizó la resistencia a la corrosión de los grados de mecanizado libre?

Es importante que el método de prueba sea apto para el grado bajo evaluación. Una prueba demasiado severa hará fallar materiales perfectamente buenos, mientras que una demasiado indulgente permitirá pasar partes insatisfactorias.

Los aceros inoxidables de mecanizado libre y endurecidos por precipitación de la Serie 400 se evalúan mejor en una cabina capaz de mantener la humedad al 100% (muestras húmedas) a 95°F (35°C) por 24 horas. La sección transversal, usualmente, es la superficie más crítica, particularmente para grados de mecanizado libre. Una razón por la que ocurre esto es que los sulfuros, elongados en la dirección del trabajo, intersecan esta superficie.

Las superficies críticas deberían posicionarse hacia arriba, a 15-20 grados de la vertical para permitir que la humedad corra. El material que ha sido pasivado apropiadamente estará casi libre de óxido, aunque puede mostrar una ligera coloración.

Los grados inoxidables austeníticos, que no son de libre mecanizado, también pueden evaluarse por medio de una prueba de humedad. Cuando se prueban así, deberían presentarse pequeñas gotas de agua líquida en la superficie de las muestras, revelando el hierro libre con la presencia de cualquier formación de oxidación.

Fig. 4—Los procedimientos para pasivar aceros inoxidables usados comúnmente, de mecanizado libre o no, en soluciones de ácido cítrico o nítrico, requieren diferentes procesos. Los detalles sobre la elección de los procesos se dan en la figura 5.
Familia de inoxidables	Ejemplo de aceros inoxidables	% Cr	Ácido cítrico al 10% en peso – pasivado 30 minutos como se indica abajo			Porcentaje de ácido nítrico – pasivado 30 minutos a 120/140°F
			°F	pH(a)	Proceso (b)	Volumen %(c)	Proceso(b)
Austenítico	Tipo 304/304L Tipo 316/316L Personalizado Flo 302HQ Tipo 305 Tipo 304/304L Reforzado con nitrógeno	15.0-23.5	150			20%
Martensítico-PH	Personalizado 630 (17Cr-4Ni) Personalizado 450 Personalizado 455 Personalizado 465T 15Cr-5Ni	11.0 17.5	150			20% + Na2Cr2O7
Ferrítico	Tipo 430	> 16	150			20% + Na2Cr2O7
Ferrítico	Tipo 409	<12	180-200			20% + Na2Cr2O7 cuidado de uso: bajo Cr
Martensítico	Tipo 410 Tipo 420 TrimRite	< 15	120-130			20% + Na2Cr2O7
Austenítico-FM	Tipo 303	17-19	150			20% + Na2Cr2O7
Ferrítico-FM	Tipos 430F & 430FR	> 16	NA	NA	NA	20% + Na2Cr2O7
Ferrítico-FM	Chrome Core® 18-FM	> 16	100			NA	NA
Ferrítico-FM	Tipo 409Cb-FM	< 13	110			20% + Na2Cr2O7 cuidado de uso: bajo Cr
Martensítico-FM	Tipo 416	< 13	110			Preferido vs. cítrico 20% + Na2Cr2O7

Hay un método más rápido usando una solución de ASTM A380, “Práctica estándar para limpieza, desoxidación y pasivación de partes, equipos y sistemas de acero inoxidable”. Esta prueba consiste en frotar la parte con una solución de ácido sulfúrico/sulfato de cobre, manteniendo la humedad durante seis minutos y observar si hay algún plateado de cobre. Como alternativa, la parte puede sumergirse en la solución durante los seis minutos.

El plateado de cobre ocurre si hay hierro disuelto. Esta prueba no debería aplicarse a superficies de partes que se usarán en el procesamiento de alimentos. Tampoco debería usarse en aceros inoxidables martensíticos o ferríticos de menor cromo de la serie 400, porque es probable obtener falsos resultados positivos. 

Históricamente, la prueba de rociado de sal al 5% a 95°F (35°C) también ha sido usada para evaluar muestras pasivadas. Esta prueba, demasiado severa para algunos grados, generalmente no es necesaria para confirmar que la pasivación ha sido efectiva.

Recomendaciones en el proceso de pasivado

• SÍ limpie primero, retirando todas las partículas de óxido o tinta de calor antes de la pasivación.
• SÍ evite cloruros que, en exceso, pueden causar un peligroso ataque flash. Cuando sea posible, use sólo un buen grado de agua que contenga menos de unas 50 partes por millón (ppm) de cloruros. El agua de grifo generalmente es adecuada y, en algunos casos, pueden tolerarse hasta varios cientos de ppm de cloruros.
• SÍ reemplace los baños con un programa regular para evitar una pérdida en el potencial de pasivación que puede resultar en un ataque flash y en partes arruinadas. Los baños deberían mantenerse a una temperatura adecuada porque la temperatura fuera de control puede permitir un ataque localizado.
• SÍ mantenga programas muy específicos de reemplazo de la solución durante las corridas de alta producción para minimizar la posibilidad de contaminación. Use una muestra de control para probar la efectividad del baño. Si la muestra es atacada, es tiempo de cambiar el baño.
• SÍ asigne ciertas máquinas sólo para fabricar los aceros inoxidables; permanezca con el mismo refrigerante preferido para cortar aceros inoxidables, excluidos todos los demás metales.
• SÍ organice las partes individualmente para el tratamiento con el fin de evitar contacto metal-a-metal. Esto es especialmente importante para aceros inoxidables de mecanizado libre donde es necesario el flujo libre de soluciones pasivadoras o de enjuague para difuminar productos de corrosión de sulfuros y evitar bolsillos de ácido.
• NO pasive partes de acero inoxidable que han sido carburizadas o nitrurizadas. Las partes tratadas así pueden tener disminuida su resistencia a la corrosión al punto donde son sujetas a ataque en el tanque de pasivación.
• NO use herramental con contenido de hierro en un ambiente de taller que no sea excepcionalmente limpio. Las partículas de acero pueden evitarse con el uso de herramientas de carburo o cerámicas.
• NO olvide que un ataque puede ocurrir en un baño de pasivación si las partes tienen un tratamiento térmico inadecuado. Los grados martensíticos de alto carbono, alto cromo, deben ser endurecidos para ser resistentes a la corrosión. Con frecuencia, la pasivación se desarrolla después de un templado subsecuente usando una temperatura que mantiene la resistencia a la corrosión.
• NO subestime la concentración de ácido nítrico en el baño de pasivación. Debe verificarse periódicamente usando un sencillo procedimiento de titulación disponible en Carpenter.
• NO pasive más de un acero inoxidable a la vez. Esto previene mezclas costosas y evita reacciones galvánicas.

Proceso 1	Proceso 2
• Limpieza / desengrase. • Enjuague con agua. • Pasivación según Fig. 4. • Enjuague con agua. • Secado.	• Limpie / desengrase en hidróxido de sodio al 5% en peso a 160-180°F (71-82°C) por 30 minutos. • Enjuague con agua. • Pasive como se indica en la figura 4. •  Enjuague con agua. • Neutralice  en hidróxido de sodio al 5% en peso a 160-180°F (71-82°C) por 30 minutos. • Enjuague con agua. • Seque.

Sobre los autores: Terry A. DeBold es especialista en I&D de aleaciones de inoxidables, y James W. Martin es especialista en Metalurgia de Barras en Carpenter Technology Corp. (Reading, Pennsylvania).