Ataque químico metalográfico

Métodos de contraste óptico y ataque químico metalográfico

La visibilidad de una microestructura bajo una luz polarizada (con una placa de tinte sensible en el camino óptico) depende en gran medida de las fases del material analizado. En este contexto, el tipo de redes de Bravais del material es de gran importancia. Mientras que los metales con estructura cúbica centrada en el cuerpo y estructura cúbica centrada en las caras –como el acero, el aluminio, el cobre o el cromo– necesitan someterse al ataque químico para ver una microestructura, los metales con una estructura hexagonal compacta y las aleaciones como el α-titanio, el cobalto, el hafnio, las aleaciones de zinc o el bismuto ortorrómbico muestran su microestructura en estado pulido.

Existen varias técnicas de contraste óptico. Los cristales birrefringentes, por ejemplo (como las esferulitas en polímeros parcialmente cristalinos tales como las poliamidas o el polietileno de alta densidad), se pueden visualizar con métodos de contraste por fases. La microscopía de fluorescencia y la microscopía de campo oscuro también son métodos de contraste óptico relevantes para el análisis de fallos. Sin embargo, generalmente sirven para visualizar microfisuras, poros o inhomogeneidades similares en el material.

Aún así, en muchos casos la luz incidente del microscopio se refleja de manera bastante uniforme en la superficie de la muestra. Por lo tanto, el contraste debe generarse de otro modo para permitir algún tipo de análisis óptico, por ejemplo, mediante el ataque químico metalográfico.

Ataque químico en metalografía

Los procesos de ataque químico son los más comunes en metalografía. Son populares dada su excelente relación coste-beneficio y su sencilla aplicación. En la mayoría de los casos se realizan por inmersión: la superficie de la muestra que se va a someter al ataque químico se sumerge completamente en el medio correspondiente y se mueve. Otra técnica, indicada para algunas aplicaciones, es el uso de un hisopo: en este caso, se humedecen unos discos de algodón o unos pañuelos muy suaves con el reactivo para ataque químico y se limpia la superficie de la muestra. Lo normal es utilizar este método cuando la inmersión no es técnicamente posible debido a la sensibilidad del material al reactivo para ataque químico. Se debe tener cuidado de no arañar la superficie preparada. En la mayoría de los casos, el ataque químico es una corrosión u oxidación selectiva. Esto se denomina ataque químico estructural.

En el caso del ataque químico oxidativo, se produce una reacción redox entre un componente del medio (habitualmente H+/H2) y el sólido (habitualmente metálico). Esta reacción se produce a una velocidad de reacción más alta, en función de la orientación cristalográfica (con ataque químico en la superficie de grano) y de la distorsión del cristal (con ataque químico en los límites de grano). La composición de las fases también genera diferentes potenciales electroquímicos y, por tanto, diferentes velocidades de oxidación. Esto provoca la formación de relieves, que se hacen visibles al microscopio en forma de contrastes sombreados.

Con algunos sistemas, como el reactivo "Kalling 2", las sales o los metales reducidos se depositan en la muestra sometida al ataque químico. Estos se eliminan con un algodón y solo entonces la microestructura atacada se hace visible. El valor informativo de un proceso puro de ataque químico estructural es limitado, porque los mecanismos mencionados se superponen y no hay demasiada información accesible sobre la orientación del grano. Más bien, el objetivo principal está relacionado con la determinación de la distribución del tamaño de grano y la composición de las fases de determinados materiales.

Esto hace que casi sea imposible desarrollar métodos microscópicos como la determinación automatizada de las orientaciones de grano. Lo mismo se aplica, hasta cierto punto, a las inhomogeneidades. Cabe señalar que las inclusiones no metálicas se presentan de forma fiable con procesos estructurales puros.

Esto se puede ilustrar bien con el ejemplo de un acero de baja aleación. La ferrita tiene un potencial menor que el grafito o la cementita precipitada, lo que deriva en una oxidación más rápida de la fase. En este caso, los límites de grano distorsionados se eliminan más lentamente y forman áreas que sobresalen. Debido a la estructura laminar de la perlita, esta fase produce un ataque químico homogéneo y en relieve en el grano, que se reconoce por las rayas de color gris oscuro. Según la orientación del grano con respecto al plano de lijado, estas rayas se ven con mayor o menor claridad. En este caso, el reactivo para ataque químico Nital o V2A sería un reactivo habitual.

Con diferentes reactivos para ataque químico metalográfico es posible conseguir lo que se denomina ataque químico por color o por precipitación. Esta técnica ofrece más información microestructural y es mucho más difícil de realizar de manera repetitiva.

Además del ataque de fase y del ataque de orientación selectiva del medio, se deposita una capa que pertenece al sistema redox. Esta capa tiene un espesor diferente según la velocidad de la reacción local. Esto produce fenómenos de interferencia de la luz incidente, que se manifiesta en una decoloración claramente dependiente de la orientación de las superficies de grano y que se hace visible bajo una luz polarizada. Si la muestra se somete a un ataque químico excesivo, la interferencia desaparece porque el espesor de la capa será exagerado.

Una técnica de ataque químico por color metalográfico perfectamente conocida y aplicada en aceros de baja aleación es la de Klemm. Al acero se le aplican diferentes reactivos de color basados en la formación anódica de películas de sulfuro. Los reactivos de Behara y LePera se diferencian en los aditivos y en los portadores de sulfito utilizados. Los distintos reactivos se eligen dependiendo del sistema específico de aleación que se va a analizar.

Los procesos de ataque químico por color también son muy habituales en aplicaciones inorgánicas y no metálicas, por ejemplo, para clínkeres de cemento. Los mecanismos de muchos de estos procesos todavía no se comprenden del todo. Sin embargo, a menudo funcionan de manera fiable a la hora de cuantificar las fases.

_{AlFe10, matriz de aluminio con estructura cúbica centrada en las caras, con agujas de FeAl3, sometida a ataque electrolítico con reactivo de Barkers}

_{AlMg 4,5 sometido a ataque químico con solución de NaOH al 7 %}

_{Acero austenítico V2A, sometido a ataque químico con reactivo de Beraha 2}

_{Latón alfa y beta, sometido a ataque químico con ferrinitrato acuoso al 10 %}

Ataque electrolítico en metalografía

Al igual que el proceso químico, el ataque electrolítico se basa en la formación de numerosos elementos galvánicos en la superficie de la muestra pulida. En este caso, es necesario aplicar una tensión externa a la muestra para forzar la reacción redox deseada.

Aparte de los factores indicados anteriormente, la conductividad eléctrica que varía a nivel local y la tensión o la corriente establecidos en la celda de electrólisis influyen en la velocidad de remoción. Cuando se utiliza una máquina de ataque químico metalográfico automático, las velocidades de flujo y la geometría de la celda también afectan a la microestructura mostrada. Por lo general, los métodos electrolíticos presentan unas tasas de remoción más altas que los métodos químicos, de manera que también se pueden usar como procesos de pulido metalográfico. Esta es la mayor ventaja del proceso, ya que la sustitución de los pasos del pulido metalográfico permite generar superficies completamente sin deformaciones y revelar la microestructura real, que de lo contrario no sería posible.

La transición entre los procesos de pulido electrolítico y ataque químico depende principalmente de la densidad de la corriente aplicada. El ataque químico electrolítico es casi exclusivo del campo de la metalografía. Como se controla de manera automática, ofrece una mayor reproducibilidad que los procesos puramente químicos. Estos todavía se realizan manualmente y requieren un mayor nivel de experiencia del usuario. En metalografía, la electrólisis también puede describirse como la anodización de un metal. En general, los metales más nobles o al menos los equivalentes actúan como cátodos, mientras que la muestra sirve como ánodo.