svSuperficies y vacíoSuperf. vacío1665-3521Sociedad Mexicana de Ciencia y Tecnología de Superficies y
Materiales A.C.00001Artículos de investigaciónRecubrimiento de ZrO2 estabilizada con CaO para disminuir
la corrosión en sustratos de acero y aluminioCaO stabilized ZrO2 coating intended to reduce corrosion
on steel and aluminum substratesVillarrealI.1AldásM.1GuerreroV.H.2*Rosas-LaverdeN.M.2DebutA.3 Centro de Investigaciones Aplicadas a
Polímeros, Departamento de Ciencia de Alimentos y Biotecnología, Facultad de
Ingeniería Química y Agroindustria, Escuela Politécnica Nacional, Ladrón de
Guevara E11-253 y Andalucía, Quito, Pichincha, Ecuador.Escuela Politécnica NacionalDepartamento de Ciencia de Alimentos y
BiotecnologíaFacultad de Ingeniería Química y
AgroindustriaEscuela Politécnica NacionalQuitoPichinchaEcuador Departamento de Materiales, Facultad de
Ingeniería Mecánica, Escuela Politécnica Nacional, Ladrón de Guevara E11-253 y
Andalucía, Quito, Pichincha, Ecuador.Escuela Politécnica NacionalDepartamento de MaterialesFacultad de Ingeniería MecánicaEscuela Politécnica NacionalQuitoPichinchaEcuador Centro de Nanociencia y Nanotecnología,
Universidad de las Fuerzas Armadas-ESPE P.O. Box: 1715 231B, Sangolquí,
Pichincha, EcuadorCentro de Nanociencia y
NanotecnologíaUniversidad de las Fuerzas
Armadas-ESPESangolquíPichinchaEcuadorlanum.fim@epn.edu.ec05062020Apr-Jun201730214201701201702052017Este es un artículo publicado en acceso abierto bajo una licencia
Creative CommonsResumen:
En este trabajo se estudiaron las propiedades anticorrosivas de recubrimientos
nanoestructurados que contienen zirconia estabilizada con calcia (CaO),
aplicados sobre sustratos de acero inoxidable 304 y aluminio comercial mediante
dip-coating y spin-coating. Para la síntesis del óxido cerámico se utilizó
oxicloruro de zirconio octahidratado como precursor y acetato de calcio
monohidratado como estabilizador de la estructura cúbica de la zirconia, en una
relación molar precursor/estabilizante de 0.84/0.16. Las películas de gel
aplicadas se sometieron a 550 °C durante 10 min para los sustratos de acero y
600 °C por 5 min para los de aluminio y se evaluó la adherencia de los
recubrimientos cerámicos resultantes. Se obtuvieron recubrimientos continuos que
alcanzaron espesores promedio de 2 y 3 μπι en los sustratos de acero y de 1.5 y
1.6 μm en los sustratos de aluminio, dependiendo el método de
aplicación del recubrimiento. La resistencia a la corrosión de los
recubrimientos con la mejor adherencia fue evaluada durante 500 h en una cámara
salina, según la norma ASTM B117-11. Todas las combinaciones
sustrato-recubrimiento mostraron una muy buena resistencia a la corrosión. Los
recubrimientos aplicados por dip-coating presentaron mejor resistencia a la
corrosión que los aplicados por spin-coating en los dos tipos de sustrato. La
protección anticorrosiva de los recubrimientos fue mejor en los sustratos de
aluminio en comparación con la de los sustratos de acero.
Abstract:
In this work, we studied the anticorrosive properties of sol-gel nanostructured
calcium stabilized zirconia coatings, deposited onto 304 stainless steel and
commercial aluminum substrates by dip-coating and spin-coating. During the
ceramic oxide synthesis, zirconium oxychloride octahydrate was used as precursor
and calcium acetate monohydrate was used as stabilizer of the cubic zirconia
structure, in a precursor/stabilizer molar ratio of 0.84/0.16. The gel films
deposited on steel and aluminum were heat treated at 550 y 600 °C during 5 and
10 min, respectively, and the adherence of the resulting ceramic films was
evaluated. Continuous coatings were obtained that reached average thicknesses
between 2 y 3 μm when deposited on stainless steel, and between
1.5 y 1.6 on aluminum, depending on the coating method. The corrosion resistance
of the best-adhered coatings was evaluated during 500 h in a saline chamber,
according to ASTM B117-11. All the substrate-coating combinations showed a very
good corrosion resistance. For the two substrate types, the films deposited by
dip-coating showed higher corrosion resistance than the ones deposited by
spin-coating. The anticorrosive protective effect of the coatings was better for
the aluminum substrates, compared to the stainless-steel substrates.
Palabras clave:Óxido de zirconiosíntesis de nanopartículasmétodo sol-gelrecubrimientopropiedades anticorrosivasKeywords:Zirconium oxidenanoparticle synthesisSol-Gel methodcoatinganticorrosion propertiesIntroducción
La corrosión y su control constituyen temas de gran interés científico y tecnológico,
dado el impacto que tiene este fenómeno en la degradación de materiales y sistemas
ingenieriles, así como las grandes pérdidas económicas asociadas. La protección
anticorrosiva es particularmente importante cuando se trabaja con metales y
aleaciones, que son ampliamente usados en función de sus propiedades físicas y
mecánicas, pero que pueden ser muy susceptibles a la degradación, especialmente en
ambientes agresivos [1].
El control de la corrosión en los metales se puede realizar de varias maneras, siendo
una de las más comunes el uso de recubrimientos. Para obtener recubrimientos
protectores sobre una superficie metálica se puede emplear una amplia variedad de
materiales y técnicas. Las películas derivadas de procesos sol-gel han mostrado
resultados prometedores y han sido estudiadas por varios autores. Las ventajas de
estos recubrimientos incluyen la relativa sencillez de los procedimientos a seguir
para obtenerlos, la homogeneidad de las películas obtenidas, la capacidad de
recubrir superficies relativamente grandes y complejas, y la posibilidad de
controlar el tamaño y la morfología de las partículas en el recubrimiento
[2-6].
Entre los materiales que han recibido mayor atención para formar recubrimientos
sol-gel se encuentran los óxidos de silicio, zirconio, aluminio, titanio y cerio
(SiO2, ZrO2, Al2O3, TiO2,
CeO2), así como varias de sus combinaciones. El ZrO2
presenta propiedades singulares tales como elevada resistencia al desgaste, baja
actividad química, resistencia al rayado, alta resistencia eléctrica y térmica.
Estas propiedades lo hacen muy útil en una variedad de aplicaciones, incluyendo las
películas protectoras [2-6]. Con el fin de mejorar las propiedades
mecánicas y eléctricas del ZrO2 a elevadas temperaturas, se requiere
estabilizar su estructura en fase cúbica o tetragonal con ayuda de un dopante,
asimismo podrá ser utilizado en varias aplicaciones con demandas mecánicas o
estructurales [7].
Los sustratos metálicos más empleados en estudios de corrosión incluyen aceros al
carbono e inoxidables y las aleaciones de aluminio. Las técnicas para recubrir estos
sustratos pueden ser por aspersión y electrodeposición [8]. Sin embargo, las
técnicas más usadas en este caso son dip-coating y
spin-coating, ya que son técnicas que no requieren de equipos
sofisticados, hacen posible la reproducibilidad de los resultados experimentales
alcanzados y son suficientemente versátiles para realizar recubrimientos a nivel
industrial [2-6].
Los estudios efectuados muestran que los recubrimientos cerámicos derivados de
procesos sol-gel mejoran sustancialmente la resistencia a la corrosión de los aceros
y las aleaciones de aluminio. Por otro lado, dado que las propiedades mecánicas y
físicas de los recubrimientos dependen de la composición, forma, tamaño y
distribución de tamaño de las partículas que los conforman, existe especial interés
en los recubrimientos de óxidos cerámicos. En estos casos se han evidenciado mejoras
en sus propiedades a medida que se controla y reduce el tamaño de las partículas
[5,9,10].
Durante las dos últimas décadas, varios autores han estudiado y evaluado las
propiedades anticorrosivas de recubrimientos sol-gel de zirconia aplicados sobre
sustratos metálicos [3,11]. De acuerdo con [3] la zirconia incrementa
la vida útil del acero inoxidable en un factor de 8 en un ambiente muy agresivo ya
que forma una barrera física de protección [11]. Además, al someter el recubrimiento
a un tratamiento térmico se logra una superficie libre de grietas y con mejores
propiedades anticorrosivas. Se ha trabajado especialmente con estructuras
cristalinas estabilizadas con itria [6,12-14]. Sin embargo, una de las alternativas para
obtener películas con fines de protección anticorrosiva podría ser el uso de
zirconia estabilizada con calcia, que resulta en un compuesto (CaZrO3)
más estable químicamente y con buena resistencia a la corrosión que hasta el momento
parece no haber sido estudiado sobre sustratos de acero inoxidable y aluminio
comercial. Al solubilizarse el óxido de calcio en el óxido de zirconio se forma una
solución sólida en la fase cúbica, sea este parcial o totalmente estabilizado,
dependiendo de la cantidad de óxido dopante y temperatura de calcinación. Además del
uso del calcio como estabilizante, actualmente existe interés en estudiar: a) uso de
diferentes precursores en el proceso sol-gel, b) obtención de recubrimientos con
tamaño y morfología de partículas controlados, c) formulación de procesos que
permitan aplicar películas homogéneas, libres de defectos y de mayor espesor (que
las obtenidas hasta el momento) y d) empleo de películas nanocompuestas e
híbridas.
En este trabajo se sintetizó óxido de zirconio estabilizado con calcia por el método
de sol-gel, con el propósito de obtener un recubrimiento anticorrosivo sobre
sustratos de acero inoxidable 304 y aluminio comercial mediante los métodos de
dip-coating y spin-coating. Además, se evaluó la resistencia anticorrosiva de los
recubrimientos mediante un ensayo en cámara salina, ya que es una de las técnicas
más utilizadas a escala industrial y que representa una alternativa de evaluación de
la resistencia a la corrosión frente a técnicas electroquímicas usadas por otros
autores [2,3].
Metodología Experimental<italic>Obtención y caracterización del sol-gel de ZrO</italic>
<sub>
<italic>2</italic>
</sub>
<italic>estabilizado con calcia</italic>
Para la obtención del sol-gel de zirconia estabilizada con calcia se utilizó
oxicloruro de zirconio octahidratado (como precursor) y acetato de calcio
monohidratado (como estabilizador de la estructura cúbica), en una relación molar
precursor/estabilizante de 0.84/0.16 y se añadió glicina para regular el pH a 4. Se
consideró un tiempo de envejecimiento de 24 h luego del cual se realizó un proceso
de evaporación a 80 ± 10 °C hasta conseguir una solución viscosa de color café claro
[7,14].
Para evaluar las características del sol-gel obtenido se realizó un análisis
termogravimétrico (TGA) usando un analizador Q500 de TA. Durante el análisis se
elevó la temperatura a una tasa de 5 °C/min hasta alcanzar los 600 °C. El sol-gel
obtenido se calcinó a 550 y 600 °C, durante 30 min, a una tasa de calentamiento y de
enfriamiento de 5 °C/min. Al finalizar este proceso se obtuvo un polvo fino de color
blanco, correspondiente a nanopartículas de ZrO2 estabilizado con calcia.
Estas partículas fueron caracterizadas por difracción de rayos X (DRX) en un
difactrómetro Empyrean de Panalytical, dispersión dinámica de luz (DLS) en el
analizador de tamaño de partícula Brookhaven 90 Plus, microscopía electrónica de
barrido (SEM) en el microscopio Aspex, PSEM eXpresTM y microscopia
electrónica de trasmisión (TEM) en el TECNAI, G2 Spirit Twin de FEI
[7].
Estos análisis permitieron determinar si se obtienen recubrimientos de naturaleza
híbrida o completamente cerámica.
<italic>Síntesis y caracterización de las películas de ZrO</italic>
<sub>
<italic>2</italic>
</sub>
<italic>estabilizado con calcia aplicadas sobre sustratos metálicos</italic>
Los recubrimientos sobre los sustratos metálicos fueron obtenidos mediante el
depósito sobre los sustratos del sol-gel obtenido durante el proceso de síntesis,
por dip-coating y spin-coating. Previo a este proceso, se realizó una limpieza y
acondicionamiento de la superficie de los sustratos de acuerdo a la norma ASTM G1.
Se utilizaron sustratos de 3 × 5 cm2 de acero inoxidable 304 y de
aluminio comercial. Para realizar el recubrimiento mediante dip-coating el sustrato
metálico fue sumergido en el sol-gel obtenido durante 1 min y luego fue lavado con
agua destilada por 30 s, eliminando así las partículas no adheridas a la superficie.
Este proceso se repitió por tres ocasiones. La obtención del recubrimiento por
spin-coating consistió en aplicar el sol-gel sobre el sustrato metálico a una
velocidad de rotación de 3000 rpm durante 60 s utilizando un spin-coater Holmarc,
HO-TH-05 [13].
Con el fin de establecer la influencia de la temperatura y tiempo de calcinación del
recubrimiento sobre los sustratos se consideró un diseño experimental 22
cuyas variables experimentales fueron la temperatura y tiempo de calcinación. Las
temperaturas consideradas fueron 550 y 600 °C y los tiempos fueron 5 y 10 min. Se
utilizó una velocidad de calentamiento de 5 °C/min y de enfriamiento de 10 °C/min
[15]. A
continuación, se determinó el espesor de los recubrimientos utilizando un
perfilómetro Bruker, DektakXT. Los espesores fueron medidos en la parte central de
la placa, haciendo recorrer el sensor una longitud de 2 cm. Finalmente, para
seleccionar las condiciones más adecuadas de densificación del recubrimiento, a los
sustratos metálicos recubiertos se les realizó una evaluación mediante la prueba de
trama cruzada según la norma ASTM D3359-09 para determinar de manera cualitativa la
adhesión del recubrimiento al sustrato según el porcentaje de recubrimiento adherido
en la cinta adhesiva. Se realizaron tres mediciones utilizando tres muestras
diferentes de cada uno de los recubrimientos en cada sustrato estudiado.
<italic>Evaluación de las propiedades anticorrosivas</italic>
Una vez caracterizados los recubrimientos, se preparó un nuevo conjunto de sustratos
metálicos con recubrimientos utilizando las condiciones de mejor adherencia. A
continuación, se evaluó la resistencia a la corrosión durante 500 h en una cámara
salina Q-FOG, CCT-600 utilizando una solución de cloruro de sodio al 5% en peso, de
acuerdo con la norma ASTM B117-11. A los sustratos metálicos se les colocó cinta
adhesiva en su contorno, antes de ser ubicados en la cámara salina, para evitar el
contacto del área que no está recubierta con la solución salina para así poder
evaluar solo el área recubierta. Al finalizar las 500 h de exposición, los sustratos
fueron lavados para eliminar la sal y los residuos de óxido. Luego, se cuantificó el
área en cada una de las muestras que presentaba algún tipo de defecto superficial,
ligado a procesos de corrosión del sustrato. Para la cuantificación, se utilizó una
cuadrícula milimetrada, en donde se pudo evaluar el área total de cada muestra y el
área de cada defecto encontrado, y se calculó el porcentaje. Se realizaron tres
mediciones utilizando tres muestras diferentes en cada caso estudiado. Finalmente,
se obtuvieron fotografías de los sustratos metálicos ensayados usando un microscopio
óptico marca Meiji Techno, MZ-13TR, a 50 aumentos, para evaluar las fallas del
recubrimiento y la presencia de corrosión en la superficie de los sustratos. Además,
se ensayaron los sustratos sin recubrimiento a manera de blanco: a) sometido al
mismo tratamiento térmico del recubrimiento y b) sin tratamiento térmico.
Resultados y discusión<italic>Caracterización del sol-gel de ZrO</italic>
<sub>
<italic>2</italic>
</sub>
<italic>estabilizado con calcia</italic>
La Figura 1 muestra el termograma del sol-gel de
ZrO2 estabilizado con calcia y se observa que existen dos escalones
relacionados con la pérdida de masa de la muestra a medida que se eleva la
temperatura. El primer escalón, comprendido entre 25 y 170 °C, corresponde
principalmente a la eliminación del solvente y presenta una temperatura de máxima
tasa de degradación en 107 °C de acuerdo con la curva derivada. En esta fase se
obtiene una pérdida de peso del 18 %. El segundo escalón empieza a partir de 170 °C
hasta aproximadamente 300 °C, donde ocurre la combustión de la materia orgánica y
corresponde a una pérdida de peso del 3 %. La temperatura de máxima tasa de
degradación para la pérdida de la materia orgánica es igual a 175 °C. A partir de
los 300 °C, la masa del sol-gel se mantiene constante, en un 79 % del peso inicial,
hasta cerca de los 600 °C. Se establece entonces que el recubrimiento densificado a
550 °C y 600 °C aplicados sobre los sustratos es de tipo cerámico ya que todo el
material orgánico fue eliminado.
Termograma del sol-gel de ZrO<sub>2</sub> estabilizado con calcia a)
curva primaria y b) curva derivada.
El polvo que se obtuvo del proceso de calcinación del solgel fue caracterizado por
DRX. Esta caracterización permitió verificar la obtención del ZrO2
estabilizado con calcia en una estructura cúbica al comparar los picos obtenidos con
los de una muestra de óxido de zirconio en fase cúbica dopada con 15 %mol de calcia
de la base de datos PCPDFWIN v2.01 [16]. Se observa que existe un ligero
desplazamiento del pico en 95 ° y esto se puede deber a que existe una diferencia en
la cantidad de calcio presente en las muestras sintetizadas. Además, no se
observaron modificaciones significativas en la estructura cristalina al variar la
temperatura de calcinación entre 550 y 600 °C como se muestra en la Figura 2.
Difractograma del óxido de zirconio estabilizado con calcia tratado
térmicamente a 550 °C y 600 °C.
Mediante el ensayo de dispersión dinámica de luz (DLS), al analizar el tamaño de las
nanopartículas de ZrO2 estabilizado con calcia se observa que el tamaño
se ve afectado por la variación de la temperatura de calcinación. Así, se obtienen
partículas con tamaños menores e iguales a 5.2 nm al utilizar una temperatura de 600
°C mientras que a 550 °C se obtienen tamaños iguales a 7.2 nm. Esta variación en el
tamaño de partícula se debe a que al incrementar la temperatura y tiempo de
calcinación se producen contracciones y movimientos de los poros entre las
partículas [17].
En la Figura 3 se muestran las micrografias
obtenidas por microscopía electrónica de barrido (SEM) y de transmisión (TEM) de las
muestras de ZrO2 estabilizadas con calcio sintetizadas a 550 y 600 °C por
30 min, respectivamente. Se aprecia en las micrografías SEM, al utilizar un detector
de electrones retrodispersados, que las partículas se encuentran formando
aglomerados lisos de forma irregular y de composición homogénea ya que existe una
sola fase en los compuestos sintetizados. Además, las muestras obtenidas a 550 °C
presentan un tamaño de partícula entre 3 y 30 μm aproximadamente y de 1 y 33 μm para
las muestras obtenidas a 600 °C. En las micrografías obtenidas por TEM se observa
que existen partículas entre 9 y aglomerados de 51 nm aproximadamente y partículas
con un tamaño de entre 1 y 17 nm en cada temperatura de síntesis de 550 y 600 °C,
respectivamente [18].
Micrografias SEM y TEM de las nanopartículas de ZrO<sub>2</sub>
obtenidas a: 550 °C por 30 min (a y b); 600 °C por 30 min (c y
d).
<italic>Caracterización de las películas de ZrO</italic>
<sub>
<italic>2</italic>
</sub>
<italic>estabilizado con calcia aplicadas sobre sustratos metálicos</italic>
En la Tabla 1 se muestran los resultados del
espesor aproximado para los recubrimientos obtenidos por dip-coating y spin-coating
sobre sustratos de acero inoxidable 304 y aluminio comercial determinados por
perfilometría. Los valores de espesor corresponden a valores promedio, sin tomar en
cuenta los picos más altos o más bajos de la superficie del recubrimiento, ya que
estos pueden deberse a fallas del sustrato y a que la superficie del sustrato no es
totalmente plana. Además, las mediciones de perfilometría permitieron establecer que
los espesores son muy regulares a lo largo de los recubrimientos.
Espesores promedio de los recubrimientos sobre los sustratos
metálicos.
Técnica
Espesor del recubrimiento
Acero inoxidable 304 (μm)
Aluminio comercial (μm)
Dip-coating
3.0
1.6
Spin-coating
2.0
1.5
Los porcentajes del recubrimiento adherido al sustrato que se muestran en la Tabla 2, fueron determinados siguiendo la norma
ASTM D3359-09. Con base en estos resultados, la interacción de las variables tiempo
y temperatura de calcinación sobre la adhesión del recubrimiento al sustrato
metálico se analizó mediante el programa estadístico Statgraphics Centurion XVI y
cuyas gráficas se muestran en la Figura 4.
Porcentaje promedio de adhesión de los recubrimientos.
Temperatura (ºC)
Tiempo (min)
Acero inoxidable 304
(%)
Aluminio comercial
(%)
dip-coating
spin-coating
dip-coating
spin-coating
550
5
94.5±0.5
95.5±0.5
97.0±1.0
97.5±0.5
10
97.5±0.5
98.3±0.3
97.5±0.5
98.2±0.3
600
5
92.5±0.5
94.0±1.0
99.5±0.5
99.8±0.3
10
86.3±1.5
91.0±1.0
99.2±0.3
99.7±0.3
Interacción de la temperatura y el tiempo en la adhesión de los
recubrimientos depositados sobre acero inoxidable 304 por a) dip-coating
y b) spin-coating, y sobre sustratos de aluminio comercial por c)
dip-coating y d) spin-coating.
Como se puede observar en la Tabla 2 y la
Figura 4, existe una interacción entre la
temperatura y tiempo de calcinación de los recubrimientos respecto al porcentaje de
adhesión. Por tanto, se podría establecer que existe mayor porcentaje de adhesión a
mayor densificación de los recubrimientos sobre los sustratos metálicos. Para los
tiempos y temperaturas evaluados en la Figura
4, se observa que el porcentaje de adhesión aumenta con el tiempo de
densificación cuando la temperatura es de 550 °C, mientras que disminuye en función
del tiempo cuando la temperatura es de 600 °C para ambos tipos de sustratos. Es
decir que, a mayor temperatura se requiere menos tiempo de calcinación, y viceversa.
Sin embargo, se establece que la mayor adherencia para el recubrimiento sobre los
sustratos de acero inoxidable 304 se obtuvo a 550 °C calcinado durante 10 min,
mientras que, para los sustratos de aluminio comercial, es a la temperatura de 600°C
y 5 min de calcinación. Usando estas condiciones se obtuvo un nuevo conjunto de
sustratos metálicos recubiertos para evaluar las propiedades anticorrosivas en
ambiente salino.
<italic>Evaluación de las propiedades anticorrosivas</italic>
En la Tabla 3 se presenta la cuantificación
del área afectada después del ensayo en cámara salina, para los diferentes sustratos
y recubrimientos. En este análisis se tuvo en cuenta defectos de la muestra ligados
a procesos corrosivos. Adicionalmente, se evaluó cada muestra después del ensayo de
cámara salina, mediante microscopía óptica, para verificar si las fallas presentadas
se deben a la corrosión del sustrato y descartar cualquier defecto de la superficie
del sustrato o defectos debidos a la aplicación del recubrimiento.
Porcentaje promedio de área corroída en las muestras de acero
inoxidable 304 y aluminio comercial después de 500 horas de ensayo en
cámara salina.
Muestra
Recubrimiento
Tratamiento térmico
Area corroída (%)
Acero inoxidable
304
No
Si
98.7 ± 1.2
No
No
1.7 ± 0.6
Dip-coating
Si
2.3 ± 1.5
Spin-coating
Si
5.3 ± 1.5
Aluminio comercial
No
Si
92.0 ± 3.5
No
No
84.7 ± 5.0
Dip-coating
Si
≤ 1
Spin-coating
Si
≤ 1
Se puede apreciar que después de 500 horas de ensayo en un ambiente de cámara salina,
los recubrimientos se comportan de manera que previenen la corrosión en el sustrato.
Si se comparan los resultados obtenidos de las muestras con recubrimiento y el
sustrato sin recubrimiento, se verifica que el revestimiento obtenido brinda
protección contra la corrosión, independiente del método de aplicación, con
excepción del acero inoxidable 304 sin tratamiento térmico, donde se evidencian
resultados similares al material revestido. Sin embargo, el metal base se ve
comprometido en su estructura por fallas tipo picadura como se evidencia en la Figura 5, no así los materiales revestidos.
Micrografias ópticas a 50X, de los sustratos de acero inoxidable 304
(a-d) y aluminio comercial (e-h) finalizado el ensayo en la cámara
salina: (a y e) sustrato sin recubrimiento con tratamiento térmico, (b y
f) sustrato sin recubrimiento ni tratamiento térmico, (c y g) sustrato
con recubrimiento aplicados por dip-coating y (d y h) sustrato con
recubrimiento aplicados por spin-coating.
En la Figura 5(a-d) se presentan las
micrografías ópticas de los sustratos de acero inoxidable 304 sin recubrimiento y
con recubrimientos aplicados por dip-coating y spin-coating, una vez finalizado el
ensayo en la cámara salina durante 500 h. Como se puede observar, los sustratos sin
recubrimiento se ven afectados por la corrosión, especialmente aquel sometido a
tratamiento térmico. En este caso se observa la formación de una capa de material
corroído y la presencia de picaduras en la superficie del metal. En el sustrato que
no fue sometido a procesos térmicos se observa un inicio de corrosión por picadura,
que a largo plazo puede conducir a una degradación del metal.
Adicionalmente se observa que, la superficie del recubrimiento aplicado por
dip-coating es más homogénea y tiene una mayor resistencia a la corrosión con
respecto al recubrimiento obtenido por el método de spin-coating. Después de las 500
h de exposición en cámara salina los sustratos recubiertos por dip-coating no
presentan fallas en su superficie. Por otro lado, los recubrimientos obtenidos por
spin-coating presentan defectos en su superficie debidos a la no homogeneidad en el
recubrimiento, como se observa en la Figura
5d).
En la Figura 5(e-h) se presentan las
micrografías ópticas de los sustratos de aluminio comercial sin recubrimiento y con
recubrimiento aplicados por dip-coating y spin-coating una vez finalizado el ensayo
en la cámara salina durante 500 h. En las micrografías e) y f) se puede observar el
deterioro del sustrato de aluminio sin recubrimiento debido a la corrosión producida
por el ambiente salino independientemente de que el sustrato haya sido sometido o no
a tratamiento térmico. En la micrografía g) se observa que la superficie del
recubrimiento obtenido por dip-coating es más homogénea que la del recubrimiento
obtenido por spin-coating, que se muestra en la micrografía h). En general, y de
acuerdo a las micrografías g) y h), el recubrimiento permanece en perfecto estado
sin evidenciar degradación. De esta manera brinda protección al sustrato de
aluminio, contra la corrosión provocada por la solución salina.
En el caso de los sustratos de aluminio comercial, después de las 500 h de exposición
en cámara salina no se evidenciaron fallas en su superficie, independientemente del
método usado para su aplicación. Esto se diferencia claramente de lo sucedido en el
caso los sustratos de acero con recubrimientos obtenidos por spin-coating, en los
cuales sí se evidenciaron corrosión. Se muestra entonces que, en medios corrosivos
salinos, los recubrimientos de óxido de zirconio estabilizado con calcia aplicados
sobre sustratos de aluminio comercial brindan una elevada protección
anticorrosiva.
En este trabajo se consiguieron mejores resultados de protección anticorrosiva de los
sustratos de acero inoxidable 304 y aluminio comercial recubiertos con partículas de
óxido de circonio estabilizado con calcia respecto a otros trabajos similares. Así,
por ejemplo, en el trabajo realizado por Yañez [19] se obtuvieron recubrimientos con
nanopartículas de óxido de zirconio dopado con itrio sobre sustratos de acero al
carbono AISI-1012. Las propiedades protectoras de estos recubrimientos fallaron al
cabo de unas horas de exponerlos a medios corrosivos de cloruro de sodio al 5 % en
peso [19].
Conclusiones
La síntesis de óxido de zirconio estabilizado con calcia mediante el método de
sol-gel permitió obtener una solución viscosa y homogénea que posibilitó la
obtención de películas entre 1.5 y 3 μm sobre sustratos de acero inoxidable 304 y
aluminio comercial. Los recubrimientos cerámicos obtenidos sobre acero inoxidable
304 tienen espesores de entre 2 y 3 μm mientras que los obtenidos sobre sustratos de
aluminio comercial tienen espesores de entre 1.5 y 1.6 μm en función de la técnica
de aplicación del recubrimiento. En ambos casos, la aplicación mediante spin-coating
resultó en recubrimientos de menor espesor, comparados con los obtenidos mediante
dip-coating.
La evaluación de las propiedades anticorrosivas del recubrimiento mostró que la
película de partículas de zirconia cúbica estabilizada con calcia proporciona una
barrera física y química anticorrosiva a los sustratos de acero y aluminio expuestos
a un ambiente corrosivo generado por una cámara salina. La protección del
recubrimiento ante la corrosión en ambiente salino fue mayor en el caso de los
sustratos de aluminio comercial, en comparación con los sustratos de acero
inoxidable 304, pese a tener un espesor del revestimiento menor. Además, en los dos
sustratos metálicos los recubrimientos aplicados por dip-coating mostraron una mejor
resistencia a la corrosión en comparación a los obtenidos por spin-coating.
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