Aleaciones de magnesio - Parte 5 - Precauciones de seguridad

Manipulación segura y procedimientos de pretratamiento / Continuación de Galvanotechnik 6/2024: El magnesio es un metal reactivo y altamente combustible. En determinadas formas, como virutas, gránulos, polvo o cinta fina, se inflama fácilmente en presencia de agua o fluidos de corte que contengan ácidos grasos. El hidrógeno producido en este proceso añade un riesgo de explosión además del incendio. Sin embargo, el magnesio es un excelente conductor del calor; en formas sólidas, como los lingotes, es difícil que se inicie su combustión hasta que toda la pieza se acerca demasiado al punto de fusión. La inflamabilidad del magnesio se ve muy reducida por una pequeña cantidad de calcio en la aleación. En este artículo se analizan la manipulación segura, la lucha contra incendios y los procedimientos de pretratamiento de las aleaciones de magnesio.

Manipulación y almacenamiento seguros del magnesio

El polvo de magnesio suspendido en el aire arde de forma explosiva si se inflama en la proporción crítica aire-polvo. Debe prohibirse fumar y el uso de llamas abiertas o soldadura eléctrica en las zonas donde se mecanice, sierre o conecte a tierra el magnesio. Todas las conexiones eléctricas y motores deben ser a prueba de explosiones. Deben utilizarse herramientas conductoras que no produzcan chispas cuando haya polvo de magnesio [1-2].

Sistema colector de polvo

Durante el rectificado en seco de piezas de aleación de magnesio, el polvo de rectificado debe capturarse en un sistema de aspiración con colector de polvo húmedo específico [3]. Todo el sistema debe estar conectado a tierra y la fuente de alimentación del extractor y el controlador del nivel de líquido deben estar interconectados. El sistema debe diseñarse de forma que no se acumule polvo seco en ningún punto antes de convertirse en lodo. El colector también debe diseñarse de tal forma que el hidrógeno generado en los lodos se ventile en todo momento, incluso en caso de corte del suministro eléctrico. La escoria de magnesio del aspirador debe limpiarse periódicamente para evitar una acumulación excesiva. Evite el polvo seco en las piezas móviles de alta velocidad. Los lodos de los separadores de líquidos deben retirarse al menos una vez al día y transportarse al lugar de eliminación o a la zona de estacionamiento en bidones de acero cubiertos y ventilados.

Si las piezas de magnesio se van a lijar en húmedo con una lijadora de banda o una amoladora de disco, debe utilizarse una cantidad suficiente de líquido de corte para recoger todo el polvo. No rectifique las piezas con superficie cromada ni las que contengan insertos de acero porque ambas pueden producir chispas. Las chispas procedentes de cualquier fuente pueden inflamar el polvo de rectificado y el fuego resultante puede propagarse por todo el sistema.

Mecanizado

El mecanizado del magnesio requiere menos potencia que cualquiera de los otros metales de uso común, lo que permite velocidades y avances máximos que producen virutas grandes. Las herramientas de corte deben mantenerse afiladas y nunca debe permitirse que se deslicen sobre el metal sin cortar. Utilice únicamente fluidos de roscado de alto destello, fluidos de emulsión agua-aceite que inhiban la formación de gas hidrógeno. No utilice aceites solubles en agua o aceites con > 0,2 % de ácidos grasos [3].

Magnesio fundido

Las personas que trabajen cerca de magnesio fundido deben llevar ropa y equipos de protección adecuados: gafas de seguridad, casco con protección, ropa ignífuga, calzado de seguridad, guantes aislantes. El magnesio fundido se inflama y arde cuando se expone al aire, por lo que debe protegerse durante las operaciones de fusión. El método tradicional era una cubierta de sales de cloruro que se fluidificaba, excluyendo el contacto con el aire en la superficie. Hoy en día, la práctica habitual es utilizar un gas protector, como el hexafluoruro de azufre (SF6), en concentraciones muy bajas con aire, o aire y dióxido de carbono. El SF6 forma una película en la superficie de la masa fundida que impide una oxidación excesiva [4]. Cualquier material, como lingotes o herramientas, que se introduzca en el magnesio fundido debe precalentarse muy por encima de 100 ºC para expulsar toda la humedad u otros volátiles.

El magnesio fundido puede reaccionar exotérmicamente con el óxido de hierro en una reacción termita que genera temperaturas superiores a 2200 ºC y una gran cantidad de calor. Dado que la mayoría de los crisoles de magnesio son de acero, es muy importante mantener el interior del crisol limpio y sin incrustaciones. Los refractarios utilizados para el horno deben ser de alto contenido en alúmina o magnesia, ya que el magnesio fundido puede reaccionar violentamente incluso con pequeñas cantidades de sílice que pueden estar presentes en los materiales cerámicos.

Las estructuras de las fundiciones de magnesio deben construirse con materiales incombustibles y los suelos alrededor de las operaciones de fundición deben ser de adoquines duros o vítreos. El calor del magnesio fundido puede liberar el agua de hidratación del hormigón, lo que provocará su desprendimiento, a veces explosivo.

Almacenamiento y transporte

Los productos de magnesio deben almacenarse a nivel del suelo en una zona bien drenada donde no se encharque el agua. Es preferible almacenar los lingotes y las piezas en un edificio incombustible de una sola planta. Si se almacenan con otros materiales combustibles, la National Fire Protection Association recomienda lo siguiente [1]

piezas que pesen 11 kg o más: límite de 36 metros cúbicos; y

piezas que pesen menos de 11 kg: límite de 28 metros cúbicos.

El almacenamiento de magnesio en cantidades superiores a 1,41^m3(50 pies cúbicos) deberá estar separado del almacenamiento de otros materiales combustibles o en recipientes combustibles mediante pasillos. Las pilas estarán separadas por pasillos con una anchura mínima no inferior a la altura de la pila. Los pasillos deben ser lo suficientemente anchos para permitir el uso eficaz del equipo por parte de los bomberos.

El polvo, las virutas, los gránulos y las virutas de magnesio seco deben almacenarse en recipientes herméticamente cerrados e incombustibles, como bidones de acero, que estén bien separados de otros materiales combustibles. Debe prohibirse el uso de rociadores automáticos en esas zonas. Las virutas, los finos o los lodos de magnesio húmedos deben mantenerse bajo el agua en un contenedor incombustible cubierto y ventilado, y almacenarse al aire libre. Cuando el magnesio húmedo se expone al aire, genera calor que acelera la evaporación y acaba provocando la ignición. Los contenedores nunca deben apilarse y las fuentes de ignición deben mantenerse alejadas del respiradero.

Lucha contra incendios

Con suficiente calor, el magnesio puede incendiarse y arder ferozmente desprendiendo una luz brillante y nubes de humo blanco. La temperatura de las llamas puede alcanzar los 3.100 °C. Una vez encendidos, estos incendios son difíciles de extinguir porque la combustión continúa en nitrógeno (formando nitruro de magnesio), dióxido de carbono (formando óxido de magnesio y carbono), y con la molécula de oxígeno del agua reacciona violentamente produciendo hidrógeno, creando un peligro de explosión. Muchos otros agentes extintores convencionales, como la espuma, los agentes halogenados, los productos químicos secos que contienen fosfato mono o diamónico, también acelerarán un incendio de magnesio.

El magnesio arde por oxidación directa, por lo que la única forma de controlarlo es "sofocarlo" con agentes secos que excluyan el aire. Un incendio de magnesio es un incendio de Clase D y debe manejarse con cuidado o dejar que arda hasta extinguirse. Los extintores de clase D para Mg contienen polvo de cloruro sódico completamente irreactivo, y arena o sílice. Algunos ejemplos son: Polvo Met-L-X; Polvo seco G-1; Fundente de fundición de magnesio; FEM-12 SC [1]. Tire de la clavija del extintor, sostenga la boquilla por encima del fuego (el alcance máximo de la boquilla es de 6 pies), apriete la palanca de descarga y mueva la boquilla hacia delante y hacia atrás para que cubra la base del fuego. En áreas confinadas, como un tanque de almacenamiento, puede suprimirse con argón.

El uso del magnesio está creciendo rápidamente en todo el mundo y se han fundido y procesado millones de toneladas de magnesio sin incidentes siguiendo prácticas de seguridad bien desarrolladas. Con las medidas de seguridad adecuadas, las aleaciones de magnesio pueden soldarse, laminarse, extruirse, forjarse y tratarse térmicamente con facilidad.Fig.1: Diagrama de Pourbaix (E-pH) magnesio-agua a 25 °C

Resistencia a la corrosión y modificación de la superficie

La naturaleza altamente reactiva del magnesio está claramente indicada por su posición en la serie electroquímica (E°= - 2,37 V). El comportamiento electroquímico del magnesio en soluciones acuosas puede entenderse a partir del diagrama de Pourbaix (Figura 1) [5], que muestra que el magnesio se disuelve fácilmente como ^Mg2+ en todas las soluciones con un pH < 10.

La modificación de la superficie mediante procesos químicos húmedos, tratamiento con láser, deposición física de vapor, recubrimientos de polímero/polvo, etc., permite mejorar la resistencia a la corrosión del magnesio sin afectar a las propiedades del material. Los procesos químicos húmedos son las técnicas de modificación de superficies más eficaces y utilizadas debido a su bajo coste inherente y a la facilidad de las operaciones:

• Recubrimientos de conversión química: proporcionan protección temporal o base de pintura
• Recubrimientos de óxido anódico: proporcionan una mayor resistencia al desgaste y a la corrosión, así como una buena base de pintura.
• Recubrimientos metálicos: ofrecen conductividad superficial, soldabilidad y protección contra la corrosión
• Los aceites y ceras pueden aplicarse para el almacenamiento temporal de piezas, hasta que se aplique un tratamiento superficial adecuado.

Procedimientos de pretratamiento

Como todos los demás objetos metálicos que se preparan para el acabado, es necesario que la superficie del material de sustrato esté limpia para el posterior tratamiento superficial. Por lo tanto, deben eliminarse todos los contaminantes de la superficie, como aceite, grasa, suciedad, componentes de conformado, óxidos superficiales, etc. Para ello es necesario establecer un ciclo de limpieza adecuado en función del estado del objeto y de la naturaleza de los contaminantes. En algunos casos, puede ser prudente eliminar el tratamiento anterior de la superficie que se aplicó como protección temporal. Los métodos generales de limpieza y pretratamiento descritos en el presente documento proceden de la bibliografía estándar [6-11].

Limpieza mecánica

Los métodos de limpieza mecánica de las aleaciones de magnesio son similares a los utilizados en las aleaciones de zinc y aluminio. Entre ellos se incluyen el pulido, el abrillantado, el chorreado, el lijado y el cepillado. Sin embargo, se suele evitar el chorreado en seco debido a la contaminación catódica por partículas que se produce al emplear los medios típicos de chorreado. Deben utilizarse cepillos de alambre de acero inoxidable o aluminio. La lana de aluminio y los papeles de óxido de aluminio también dan buenos resultados. No deben utilizarse lana de acero ni cepillos normales, ni tampoco telas de carburo de silicio. Cuando se emplea un método de chorreado de cualquier tipo, existe el peligro de que se incrusten contaminantes superficiales que pueden aumentar la tasa de corrosión superficial básica. En tales casos, debe utilizarse decapado ácido posterior para eliminar hasta 50 µm de la superficie antes de aplicar cualquier revestimiento.

Limpieza con disolventes

Los limpiadores con disolventes se emplean para eliminar cantidades anormales de aceite graso del trabajo. También se utilizan para limpiar productos acabados que se han ensuciado al manipularlos. La limpieza con disolventes evita una rápida acumulación de aceite y grasa en el limpiador alcalino posterior. Pueden emplearse métodos de disminución de vapor, limpieza por ultrasonidos o inmersión con disolventes clorados, hidrocarburos o alcoholes. También pueden utilizarse limpiadores de emulsión. Estos limpiadores son esencialmente una mezcla de agentes emulsionantes y disolventes de hidrocarburos en los que es posible enjuagar con agua el disolvente y los contaminantes de la superficie después de la limpieza, mediante el método de inmersión o pulverización.

Limpieza alcalina

A diferencia del aluminio, las soluciones cáusticas no atacan de forma apreciable al magnesio. Por lo tanto, pueden utilizarse limpiadores alcalinos de alto contenido en sosa cáustica. Estas soluciones son especialmente beneficiosas cuando hay que eliminar revestimientos antiguos de tipo cromato, así como aceites y grasas pesados. La siguiente formulación química proporciona resultados satisfactorios para la mayoría de las aleaciones de magnesio:

Las concentraciones más altas de sosa cáustica se utilizan para eliminar la lubricación quemada de las matrices y la concentración más baja para aleaciones especiales con alto contenido en zinc y circonio que son menos resistentes a las soluciones fuertemente alcalinas. Si la solución se va a utilizar como limpiador por inmersión, se añade un agente humectante y se agita el trabajo para obtener una limpieza uniforme.

La electrolimpieza acorta considerablemente el tiempo de limpieza, se puede utilizar la misma solución salvo que la presencia de un agente humectante es indeseable. El trabajo se hace cátodo y se emplea una densidad de corriente de 2-4 ^A/dm2 durante 1-5 min. No es necesario agitar la pieza.

Se puede utilizar un limpiador alcalino suave (desoxidante) de la siguiente composición para eliminar aceite y grasa poco incrustados, cuando los trabajos estén sólo ligeramente contaminados:

Decapado ácido

El decapado ácido es necesario para eliminar la capa de óxido y fundente de las piezas fundidas; los revestimientos aplicados previamente; los dibujos quemados y los lubricantes de conformación u otras sustancias solubles en agua y no emulsionables. Los cambios dimensionales asociados al decapado ácido son elevados, ya que estas soluciones disuelven también el material base. En el pasado se han utilizado numerosas soluciones de decapado para las aleaciones de magnesio, pero aquí sólo se describen las más utilizadas.

El decapado con ácido crómico es útil en piezas de tolerancia estrecha para eliminar el óxido superficial. Las piezas pueden limpiarse por inmersión en una solución de la siguiente composición:

El decapado brillante con ácido crómico y nitrato férrico es eficaz en todas las aleaciones y formas comunes de magnesio. Produce un efecto de pulido químico que proporciona una superficie brillante sin manchas. Las piezas pueden sumergirse o pulverizarse con la solución de composición siguiente:

En esta solución se eliminan aproximadamente 4 µm de superficie por minuto. El aumento del contenido de flúor tiende a aumentar la reactividad. Se prefiere una baja concentración de flúor para los productos forjados y un alto contenido de flúor para las piezas fundidas.

El decapado brillante con ácido crómico y nitrato sódico se utiliza habitualmente para aleaciones de magnesio forjadas con bajo contenido en aluminio. Los lubricantes de grafito quemados de las piezas de chapa conformadas en caliente pueden limpiarse eficazmente antes de la soldadura por arco o por gas.

Aumentar el ácido crómico y disminuir el nitrato sódico proporciona los mejores resultados para el decapado en cesto de piezas pequeñas. Un intervalo de pH de 0,5 a 0,7 es el más eficaz. Cuando el pH aumenta por encima de 1,7, debe reducirse añadiendo trióxido de cromo.

El decapado con ácido acético y nitrato sódico se utiliza principalmente para eliminar óxidos de laminación de aleaciones forjadas y fundiciones de magnesio sin aluminio. Con este decapado se espera una eliminación de metal de aproximadamente 25 µm por minuto de la superficie de trabajo.

REFERENCIAS

[1]Manipulación segura del magnesio, Asociación Internacional del Magnesio, https://cdn.ymaws.com/www.intlmag.org/resource/resmgr/safety/Safe-Handlling-of-Mg.pdf, consultado el 2023.01.31
[2]Manipulación segura del magnesio, http://www.magmachineparts.com/about-magnesium.php, consultado el 2023.01.31
[3]Safety Analysis of Grinding and Machining of Magnesium Alloy Parts, https://metalpartss.com/Safety_Analysis_of_Grinding_and_Machining_of_Magnesium_Alloy_Parts/, fecha de acceso 2023.01.31
[4]S. Housh; J. Waltrip: Safe handling of magnesium alloys, SAE Technical Paper 900786, (1990) 1-10. doi: 10.4271/900786.
[5]Pourbaix, M.: Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solutions, National Association of Corrosion Engineers, (1974) p.139
[6]J.E. Hillis: ASM Hand Book on Surface Engineering, Surface Engineering of Magnesium Alloys, C.M. Cotell, J.A. Sprague, F.A. Smidt Jr. (Editores): ASM Internacional, 5 (1994) 819-834
[7]W. Canning: Canning Handbook of Electroplating, The Surface Finishing of Magnesium, W. Canning & Co. Ltd, 21st Edition, (1989) 722-727
[8]H.K. DeLong: Anodising and Surface Conversion Treatments for Magnesium, Electroplating Engineering Handbook, L.J. Durney (Editor), Van Nostrand Reinhold, Nueva York, (1984, reimpresión 2000), pp.410-419
[9]A.D. Forno; M. Bestetti: Electroless and Electrochemical Deposition of Metallic Coatings on Magnesium Alloys Critical Literature Review (Chapter 8), Magnesium Alloys: Corrosion and Surface Treatments, F. Czerwinski (Editor), IntechOpen, London, (2011) 153-184. doi: 10.5772/13975
[10]80th Universal Metal Finishing Guide Book, American Electroplating Society, 110 (2012) 283-287
[11]D. Hoche; A. Nowak; T. John-Schillings: Surface Cleaning and Pre-conditioning Surface Treatments to Improve the Corrosion Resistance of Magnesium (Mg) Alloys, Corrosion Prevention of Magnesium Alloys, G.L. Song (Editor), Woodhead Publishing Ltd, (2013) 87-109.