Influencia de la estructura de solidificación en la resistencia a la corrosión de aleaciones Al-Cu para el adecuado manejo de soluciones conteniendo NaCI y Biodiesel

Abstract

El aluminio puro se caracteriza por presentar buena resistencia a la corrosión debido a que, cuando se encuentra expuesto al aire o medios acuosos, forma espontáneamente películas de óxido protector. Sin embargo, es demasiado blando para ser utilizado como material de alta resistencia en grandes estructuras. Por ello se han desarrollado aleaciones base aluminio para mejorar sus propiedades específicas. El cobre se utiliza comúnmente como un elemento de aleación porque su presencia en pequeñas cantidades aumenta notablemente la dureza del material resultante. Actualmente, las aleaciones Al-Cu se consideran de gran importancia tecnológica, encontrando numerosas aplicaciones en la industria automotriz, como componente de medios de transporte debido al ahorro de combustible que conlleva la disminución de peso con prestaciones de seguridad similares. Las propiedades mecánicas de muchas aleaciones comerciales de aluminio se desarrollan como resultado de microestructuras heterogéneas, resultado de la cuidadosa adición de aleantes y tratamientos térmicos. Desde el punto de vista de la corrosión localizada, la característica predominante de las microestructuras de las aleaciones es la distribución de partículas de fase secundarias, conocidas como intermetálicos. Así, la estructura formada inmediatamente después de la solidificación determinará las propiedades del producto final. En la producción industrial resulta muy importante aumentar la cantidad de productos de calidad, y esto puede lograrse a través de la comprensión de los procesos de formación de las macroestructuras y microestructuras de solidificación, y de cómo pueden controlarse seleccionando la composición de la aleación y los parámetros del proceso. En esta tesis se estudió la influencia de la variación de la estructura en la resistencia a la corrosión de las aleaciones Al-Cu en soluciones de NaCl, así como también en un medio de interés para la industria, esto es, biodiesel de aceite de soja. Para ello se caracterizó la estructura solidificada de aleaciones Al-Cu con las siguientes composiciones: Al-1%Cu, Al-4,5% Cu, Al-15% Cu y Al-33,2% Cu, determinando la transición de estructura columnar a equiaxial (TCE) por medio del análisis macroestructural y microestructural. Se obtuvieron probetas de cada una de las estructuras de las aleaciones y se emplearon diferentes técnicas electroquímicas para evaluar la resistencia a la corrosión de las mismas en los medios mencionados. Se encontró que la morfología de la microestructura de las aleaciones puede describirse como polífásica, coexistiendo la fase , rica en aluminio, y la fase , correspondiente a la partícula intermetálica Al2Cu. Las mismas se distribuyen de diferente manera, de acuerdo al diagrama de fases, en función a la composición de las aleaciones. Se concluyó que la disminución de la fracción de fase , a expensas de la región interdendrítica se manifiesta en la disminución de del espaciamiento dendrítico secundario al aumentar el contenido de cobre. El incremento del contenido de cobre, asociado al aumento de la presencia del intermetálico Al2Cu, resultó en una mayor susceptibilidad a la corrosión en las aleaciones estudiadas, en todos los medios. Se concluyó que la morfología microestructural que disminuya las áreas de contacto entre la fase y el intermetálico Al2Cu, favorecerá la resistencia a la corrosión de las aleaciones Al-Cu, en NaCl. Los valores de las velocidades de corrosión instantáneas obtenidos indicaron una buena resistencia a la corrosión de las aleaciones Al-Cu en biodiesel de soja.

Good corrosion resistance characterizes pure aluminum because, when it is exposed to air or aqueous media, it spontaneously forms a protective oxide films. However, it is too soft to be used as a high strength material in large structures. For this reason, aluminum-based alloys have been developed to improve its specific properties. Copper is commonly used as an alloying element because its presence in small quantities significantly increases the hardness of the resulting material. Currently, Al-Cu alloys are considered to be of great technological importance, finding numerous applications in the automotive industry, as a component of transportation due to the fuel savings involved in weight reduction with similar safety features. The mechanical properties of many commercial aluminum alloys are developed as a result of heterogeneous microstructures, resulting from the careful addition of alloys and heat treatments. From the point of view of localized corrosion, the predominant characteristic of alloy microstructures is the distribution of secondary phase particles, known as intermetallic. Thus, the structure formed immediately after solidification will determine the properties of the final product. In industrial production it is very important to increase the quantity of quality products, and this can be achieved through understanding the formation processes of solidification macrostructures and microstructures, and how they can be controlled by selecting the alloy composition and process parameters. In this thesis, the influence of structure variation on corrosion resistance of Al-Cu alloys in NaCl solutions is studied, as well as in a medium of interest to industry, i.e., soybean oil biodiesel. The solidified structure of Al-Cu alloys was characterized by the following compositions: Al-1%Cu, Al-4.5% Cu, Al-15% Cu and Al-33.2% Cu, determining the transition from columnar-to-equiaxed structure (CET) by macrostructural and microstructural analysis. Specimens of each of the alloy structures were obtained and different electrochemical techniques were used to evaluate the corrosion resistance of the alloys in the mentioned media. It was found that the morphology of the microstructure of the alloys can be described as polyphasic, coexisting the α-phase, rich in aluminum, and the θ-phase, corresponding to the intermetallic particle Al2Cu. They are distributed in different ways, according to the phase diagram, depending on the composition of the alloys. It was concluded that the decrease of the α-phase fraction, at the expense of the interdendritic region is manifested in the decrease of the secondary dendritic spacing when increasing the copper content. The increase in copper content, associated with the increase in the presence of the intermetallic Al2Cu, resulted in a greater susceptibility to corrosion in the alloys studied, in all media. It was concluded that the microstructural morphology that decreases the contact areas between the α-phase and the intermetallic Al2Cu, will favor the corrosion resistance of Al-Cu alloys in NaCl media. The values of the instantaneous corrosion velocities obtained indicated a good corrosion resistance of Al-Cu alloys in soy biodiesel.