Characterization of Surface Finish of Electropolished Stainless Steel AISI 316L with Varying Electrolyte Concentrations

Characterization of Surface Finish of Electropolished Stainless

Steel AISI 316L with Varying Electrolyte Concentrations

P.J. Núñez

, E. García-Plaza

, M. Hernando

, R. Trujillo

(1) _{E.T.S. de Ingenieros Industriales; Universidad de Castilla-La Mancha; Avda. Camilo José Cela, 3;}

13071-Ciudad Real (Spain); pedro.nunez@uclm.es RESUMEN

El electropulido un proceso de acabado empleado en el tratamiento superficial de metales y aleaciones, que permite obtener superficies brillantes con rangos de rugosidad muy bajos. Los electrolitos más usados en electropulido de aceros inoxidables se basan en mezclas de ácido fosfórico y ácido sulfúrico en distintas concentraciones, y en ocasiones se utilizan con algunos aditivos como el ácido crómico. En este trabajo se analiza el comportamiento de tres electrolitos de uso industrial, desde el punto de vista de su rendimiento en los acabados superficiales obtenidos en el electropulido de acero AISI 316L. Se analizan distintas condiciones de electropulido: densidad de corriente, temperatura del baño, tiempo de electropulido, texturas iniciales y posiciones de los electrodos. Los resultados obtenidos muestran que la aportación de ácido crómico no mejora de forma significativa los acabados superficiales obtenidos, con rangos de pulido muy similares en los tres electrolitos analizados.

Palabras clave: Acabado superficial; electropulido; condiciones óptimas; electrolito; comparativa.

ABSTRACT

Electropolishing is a process for the surface finishing of metals and alloys, achieving brilliant surface finish with very low surface roughness values. The most common electrolytes for the electropolishing of stainlesss steel are varying concentrations of phosphoric and sulphuric acid, and occasionally additives such as chromic acid. The objective of this study was to assess the performance of three commonly used industrial electrolytes in terms of the surface finish of electropolished stainless steel. Each electrolyte had different concentrations of phosphoric acid, sulphuric acid, and chromic acid. The following electropolishing conditions were assessed: current density, bath temperature, electropolishing time, initial textures, and electrode positions. This study on the performance of three industrial electrolytes for the polishing of stainless steel AISI 316L revealed that adding chromic acid does not significantly enhance surface finish, and electropolishing ranges were quite similar for all three electrolytes.

Keywords: Surface finish; electropolishing; optimum conditions; electrolyte; comparative.

1. Introducción

El electropulido es un proceso electroquímico de acabado superficial empleado en el tratamiento de metales y aleaciones, que permite obtener superficies con altos rangos de brillo y bajas rugosidades (Ra<0.2 µm), sin tensiones residuales superficiales y libres de estrías [1,2], con importantes mejores de la

resistencia a la corrosión en aceros inoxidable [3,4]. El material a pulir se conecta al ánodo de la celda electrolítica (Figura 1), con una separación uniforme entre electrodos, usando como cátodos dos placas del mismo material (Figura 1), con un medio ácido como electrolito. Al aplicar al sistema una corriente eléctrica, se forma una capa polarizada en la superficie metálica que permite la difusión de los iones metálicos (Figura 1). Los picos de las estrías de la superficie se convierten en áreas de mayor densidad de corriente y se disuelven a mayor velocidad que las otras zonas de la superficie del material, dando lugar a un alisamiento y nivelación de la superficie. El desgaste y suavización de los micropicos de la superficie se puede explicar como consecuencia de la polarización del ánodo y la inmediata presencia en

la superficie de una capa viscosa de electrolito, constituida por productos procedentes del metal disuelto. Esta capa anódica tiene una conductividad eléctrica menor que el electrolito restante, ubicándose encima de la superficie del ánodo, de modo que su espesor en los microvalles es mayor que sobre los micropicos. Esto produce una disminución de la resistencia en los micropicos al paso de la corriente, disolviéndose éstos más rápido que otros puntos de la superficie del ánodo. El resultado de este proceso es un alisamiento de la superficie del metal que le confiere grandes utilidades de tipo industrial.

(a) (b)

Figura 1. (a) Celda de electropulido. (b) Probeta y zonas de muestreo

Los electrolitos que se utilizan para el electropulido de aceros inoxidables [1-9] se componen de distintas concentraciones de ácido fosfórico y ácido sulfúrico, en función del acero a electropulir y de los requerimientos de corriente y tiempos de aplicación del proceso. En ocasiones, se emplean aditivos que mejoran ciertas propiedades del proceso, como el glicerol [1,2], o el ácido crómico que permite mejorar las prestaciones de brillo superficial [5], pero con la contraprestación de ser un ácido muy tóxico y peligroso en su manipulación. La optimización de las condiciones de electropulido es un aspecto crítico por la gran variedad de factores a tener en cuenta con gran influencia sobre el rendimiento del proceso [6-9]. El objetivo de este trabajo es el estudio del comportamiento de tres electrolitos (Tabla I) ampliamente empleados en el electropulido del acero inoxidable AISI 316L. Como se puede observar en la Tabla I, se comparan dos electrolitos con distintas concentraciones de ácido fosfórico y ácido sulfúrico, y un tercero con adición de ácido crómico. Con ello se pretende analizar la influencia del electrolito en el rendimiento del proceso de pulido, enfocado a la reducción de alturas de los micropicos de las estrías, a través de la caracterización de las superficies con el parámetro de rugosidad aritmética media (Ra) [10]. Se analizan las posibles interacciones de los electrolitos con las condiciones de control

del proceso, estudiando la influencia de la densidad de corriente J [A/dm2], la temperatura del baño T [°C], el tiempo de aplicación del proceso t [min], la posición de los electrodos Pi y la textura superficial

inicial caracterizada a través de la rugosidad aritmética media 𝑅𝑎𝑜𝑖 [µm].

Tabla 1. Concentraciones de electrolito empleadas en este estudio Electrolito H2SO4 [%] H3PO4 [%] CrO3 [%] H2O [%]

E1 15 63 0 22

E2 35 45 3 17

E3 35 45 0 20

2. Experimentación

Para el desarrollo de este estudio, se han realizado 768 ensayos de electropulido sobre probetas rectangulares de acero inoxidable AISI 316L (ISO 4954, X2CrNiMo17133E, C-0.03%, Si-0.50%, Mn-1.38%,

Ni-10.08%, Cr-16.93%, Mo-2.05%, N-0.05%, S-0.01%, P-0.034%, bal. Fe) con una superficie útil de 60x30

mm2_{, y 2 mm de espesor. Se han realizado ensayos con dos tipos de texturas superficiales iniciales:}

electrodos: P1 (30 cm) y P2 (15 cm). El diseño de las probetas ensayadas se muestra en la figura 1b donde

se observan las zonas de muestreo del acabado superficial (zona 1, zona 2 y zona3) en 25-40-55 mm, midiendo el parámetro Ra con un rugosímetro de palpador de contacto (Hommel Tester T-500). Para el

estudio de los parámetros de control del proceso: densidad de corriente J [A/dm2_{], temperatura del}

baño T [°C] y tiempo de aplicación t [min], se realiza un diseño factorial de 3 variables a 4 niveles (43_):

densidad de corriente (10-29-48-67 A/dm2_{), temperatura del baño (35-45-55-65 °C), y tiempo de}

electropulido (3-14-25-36 minutos), replicándose todos los ensayos para las dos texturas y las dos posiciones de los electrodos, anteriormente detalladas. Para el tratamiento de las probetas se ha utilizado una planta de electropulido con cinco fases: (1) desengrase por ultrasonido en agua con agentes tensoactivos a 50÷55 °C; (2) aclarado en agua desionizada, (3) secado mediante aire caliente, (4) electropulido con control de la intensidad de corriente, temperatura del baño y tiempo de inmersión; (5) lavado para la eliminación del electrolito; (6) secado de las probetas por aire caliente.

3. Resultados

En las gráficas de las Figuras 2, 3, 4 y 5 se recogen los porcentajes de pulido ∆Ra (%) obtenidos en

función de los parámetros de control del proceso. El porcentaje de pulido ∆Ra (%) se estima a través del

decremento porcentual del parámetro rugosidad media aritmética Ra (Eq. 1) obtenido en el proceso,

donde 𝑅𝑎𝑜 es valor inicial de la probeta, y 𝑅𝑎𝑓 el valor final obtenido después del electropulido.

∆𝑅𝑎=(𝑅𝑎

𝑜_{− 𝑅}

𝑎𝑓)

𝑅𝑎𝑜

(1) Tanto para la posición P1 (Figuras 2 y 3) como para la posición P2 (Figuras 4 y 5), la textura superficial

inicial (𝑅𝑎0) muestra una influencia significativa para tiempos de electropulido bajos (3 min), donde los

mejores resultados de pulido se obtienen para la textura con mayor altura en las estrías 𝑅𝑎𝑜2. En el resto

de resultados analizados, la textura superficial inicial (𝑅𝑎0) no muestra influencia significativa, con valores

similares de ∆Ra en ambas texturas. Esto implica que las piezas obtenidas de cualquier proceso de

fabricación que permita rangos de aceptables de acabado superficial (0.5 ≤ 𝑅𝑎𝑜≤ 1.3 µm), pueden ser

tratadas directamente por pulido electroquímico, sin ningún tipo de acondicionamiento previo.

Los rangos de pulido (∆Ra) obtenidos para las dos posición de los electrodos (Pi) ensayadas son muy

similares en ambas texturas, no apreciándose ninguna tendencia significativa en el rendimiento del proceso. Esto implica que la separación de los electrodos, dentro del espacio de la cuba electrolítica de ensayo, no es un elemento crítico en el proceso.

La temperatura del baño (T) tampoco presenta una influencia significativa en el rendimiento de los electrolitos. En todos los rangos de temperatura ensayados se pueden alcanzar los valores máximos de pulido (∆Ra = ∼80-90%). Se debe tener en cuenta que aumentar la temperatura del baño es un proceso

costoso que genera vapores nocivos y degradación del electrolito, por lo que es recomendable trabajar a la temperatura mínima (∼35°C) que asegure la conductividad del electrolito y permita resultados óptimos.

El tiempo de electropulido (t) y la densidad de corrientes (J) son las variables más influyentes en el proceso. El aumento de la densidad de corriente produce mejoras del rango de pulido (∆Ra) en los tres

electrolitos, en todas las texturas y posiciones ensayadas. Se aprecia una estabilización del rendimiento del proceso a partir de una densidad de corriente de J = ∼29 (A/dm2_{), valor a partir del cual no se}

aprecian importantes mejorías en el pulido (∆Ra) con el aumento de la densidad de corriente. Del mismo

modo, el aumento del tiempo de electropulido hasta t = ∼25 min producen un importante aumento del rango de pulido (∆Ra), a partir de este valor el rango de pulido se mantiene prácticamente constante.

El electrolito E1 muestra inestabilidades a densidades de corriente bajas en ambas posiciones y texturas, con valores de ∆Ra negativos, lo que implica un empeoramiento del acabado superficial debido a

problemas de mordentado (microporos). El electrolito E1 es el que peor rendimiento muestra en todas las condiciones de ensayo. Los electrolitos E2 y E3 presentan buenos rendimientos y muestran resultados muy similares en todos los ensayos, sin ninguna mejora apreciable en los resultados del electrolito con adición de ácido crómico (E2), por lo que la aportación de este reactivo no presenta ninguna mejora significativa en el rendimiento del proceso.

Figu ra 2. In flu en ci a de la co m pos ici ón d e ác id os e n el e le ct rol ito con p os ic ión 1 y t ex tu ra 1

Figu ra 3. In flu en ci a de la co m pos ici ón d e ác id os e n el e le ct rol ito con p os ic ión 1 y t ex tu ra 2

Figu ra 4. In flu en ci a de la co m pos ici ón d e ác id os e n el e le ct rol ito con p os ic ión 2 y t ex tu ra 1

Figu ra 5. In flu en ci a de la co m pos ici ón d e ác id os e n el e le ct rol ito con p os ic ión 2 y t ex tu ra 2

4. Conclusiones

La posición de los electrodos (Pi) y la textura superficial inicial (𝑅𝑎𝑜) ensayadas no presentan una

influencia significativa en el rango de pulido (ΔRa) obtenido con los tres electrolitos ensayados,

pudiéndose llegar a máximos de pulido (∼80÷90%) en ambas texturas y posiciones. La temperatura (T) tampoco presenta una influencia significativa en el rendimiento del proceso, ya que se pueden obtener los mimos rangos de pulido (ΔRa) en todas las temperaturas con las mismas condiciones de densidad de

corriente y tiempo de electropulido. En base a este resultado, se recomienda trabajar a la temperatura más baja posible que asegure la conductividad óptima del electrolito, en nuestro caso a 35°C, con un mínimo consumo energético, evitando la producción de vapores nocivos y la degradación del electrolito. Los parámetros tiempo de electropulido (t) y densidad de corriente (J) se presentan como las variables más influyentes en el pulido electroquímico, mostrando una cierta correlación entre ambas variables. Aumentos del tiempo de tratamiento hasta ∼25 (minutos) y de la densidad de corriente hasta ∼48 (A/dm2_{) producen importantes mejoras del acabado superficial (R}

a), llegado a rangos de pulido máximos

del ∼80÷90%. A partir de estos valores de referencia el proceso se estabiliza, no apreciándose reducciones de la rugosidad (Ra) significativas, con el riesgo de pérdidas importantes de material que

pueden afectar de forma importante a la precisión dimensional del componente. El electrolito E3 (ácido sulfúrico 35% y ácido ortofosfórico 45%) muestra el mejor rendimiento del proceso con los mejores resultados de pulido (ΔRa) frente al electrolito E1 (ácido sulfúrico 15% y ácido ortofosfórico 63%). La

aportación de ácido crómico (3%) al electrolito E2 no resulta significativa, lo cual indica que no aporta mejoras en el rendimiento del proceso con resultados similares a los obtenidos en el electrolito de referencia (E3).

5. Agradecimientos

Este trabajo ha sido financiado por la Consejería de Educación y Ciencia de la Junta de Comunidades de Castilla-La Mancha a través del proyecto de investigación Ref. PBI08-0288-3732 (2009-2011).

6. Referencias

[1] C. Lin, C. Hu. Electropolishing of 304 stainless steel: Surface roughness control using experimental design strategies and a summarized electropolishing model. Electrochimica Acta, 53 (2008), pp. 3356-3363.

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[3] S. J. Lee, J. J. Lai. The effects of electropolishing (EP) process parameters on corrosion resistance of 316L stainless steel. Journal of Materials Processing Technology, 140 (2003), pp. 206-210.

[4] S. E. Ziemniak, M. Hanson, P.C. Sander. Electropolishing effects on corrosion behavior of 304 stainless steel in high temperature, hydrogenated water. Corrosion Science, 50 (2008), pp. 2465-2477. [5] A. M. Awad, N. A. Abdel Ghany, T. M. Dahy. Removal of tarnishing and roughness of copper surface by electropolishing treatment. Applied Surface Science, 256 (2010), pp. 4370-4375.

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[8] P. S. Kao, H. Hocheng. Optimization of electrochemical polishing of stainless steel by grey relational analysis. Journal of Materials Processing Technology, 140 (2003), pp. 255-259.

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[10] ISO 4287, Geometrical Product Specifications (GPS) - Surface texture: Profile method - Terms, definitions and surface texture parameters, 1997.