Artículo Científico / Scientific Paper |
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https://doi.org/10.17163/ings.n26.2021.06 |
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pISSN: 1390-650X / eISSN: 1390-860X |
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INFLUENCIA DEL RECUBRIMIENTO DE CROMATO DE ZINC EN LA CORROSIÓN DE LOS ACEROS ASTM A-500 Y A-500 GALVANIZADO EXPUESTOS EN UNA CÁMARA DE NIEBLA SALINA |
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INFLUENCE OF THE ZINC CHROMATE COATING ON THE CORROSION
OF ASTM A-500 AND GALVANIZED A-500
STEEL EXPOSED INTO A SALT FOG CORROSION CHAMBER |
Cristian Guilcaso1,* , Leonidas Ramírez2 , Augusto Coque3 , Xavier Vaca2 , |
Recibido: 13-11-2020, Recibido tras revisión: 04-02-2021, Aceptado: 09-03-2021, Publicado: 01-07-2021 |
Resumen |
Abstract |
En esta investigación se ha analizado la
influencia del recubrimiento de cromato de zinc en
la corrosión del acero ASTM A-500 y A-500 galvanizado expuesto en una cámara
de niebla salina acorde a la norma ASTM B117. Se realizaron dos métodos de
limpieza superficial antes de la aplicación del recubrimiento, según la normas SSPC-SP-3 y SSPC-SP-5, una limpieza mecánica y
otra con chorro presurizado. Las probetas se introdujeron en la cámara con
tiempos de exposición de 200, 250 y |
In this research work it has been analyzed
the influence of the Zinc chromate coating on the corrosion of ASTM A-500 and
galvanized A-500 steels exposed in a salt spray corrosion chamber, according
to the ASTM B117 Standard. Two surface cleaning methods were
used prior to applying the coating, considering the SSPC-SP-3 and
SSP-SP-5 standards, namely a mechanical cleaning and a blast cleaning. The
samples were put into the chamber with exposure times of 200, 250 and 350 h.
Different equipment were used for recording the information that was used to
calculate the corrosion rate. Through visual assessments according to the
ASTM-D610 and ASTM D-714 standards, the corrosion degree and the blistering
frequency, respectively, were determined. The materials without coating and
coated after the two surface cleaning methods were compared. The results obtained have demonstrated that galvanized
steel exhibited a lower corrosion rate. |
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Palabras clave: ASTM-500, recubrimientos anticorrosi-vos, cámara de niebla salina |
Keywords: ASTM-500, anticorrosive coatings, salt spray corrosion chamber |
1,*Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica, Universidad Técnica de Ambato, Ambato, Ecuador. Autor para correspondencia: cguilcaso6706@uta.edu.ec. 2Carrera de Ingeniería Mecánica, Universidad Politécnica Salesiana, Quito, Ecuador. 3Carrera de Ingeniería Industrial, Universidad Politécnica Salesiana, Quito, Ecuador.
Forma sugerida de citación: Guilcaso, C.; Ramírez, L.; Coque, A.; Vaca, X.; Molina, D. y Simbaña, I. (2021). «Influencia del recubrimiento de cromato de zinc en la corrosión de los aceros ASTM A-500 y A-500 galvanizado expuestos en una cámara de niebla salina». Ingenius. N. 26, (julio-diciembre). pp. 63-70. doi: https://doi.org/10.17163/ings.n26.2020.06. |
1. Introducción
El acero ASTM A-500, como tubo rectangular o circular, es comúnmente utilizado para la industria de la construcción, así como en la automotriz, debido a sus propiedades mecánicas y facilidades en la soldadura [1]. Este acero puede ser tratado de diferentes métodos de acuerdo con lo que se requiera, por ejemplo, aumentando la ductilidad al reducir la resistencia. Una aplicación común del acero es para la fabricación de carrocerías de vehículos, automóviles e incluso camiones, de carga y transporte público. El diseño de la carrocería de un vehículo de transporte público se debe realizar considerando el peor escenario ante una colisión y en donde se debe reducir la severidad del accidente para los pasajeros y conductor [2]. Uno de los principales agentes que puede generar fallas de deformación y ruptura es la corrosión, ya que afecta la estructura del acero y, por lo tanto, sus propiedades mecánicas. La aplicación de un recubrimiento anticorrosivo puede prolongar la vida útil de un elemento estructural. Sin embargo, debe aplicarse correctamente, caso contrario, se puede acelerar la corrosión al presentar deslaminaciones o ampollas. La corrosión genera una pérdida de masa, principalmente en la reducción del área de la sección transversal y aunque sea muy baja, puede reducir la resistencia del material y llegar a generar una falla [3, 4]. El tratamiento más común utilizado como anticorrosivo es el galvanizado, ya que el Zn provee una protección catódica al acero evitando daños producidos por el óxido, además, es un elemento de bajo costo. Mediante un recubrimiento galvanizado electroquímicamente, un acero mejora su resistencia a la corrosión e incluso sus propiedades mecánicas al modificar ligeramente su composición [5]. El Zn presenta propiedades reciclables y no tóxicas, es por esto por lo que se utilizan más de cinco millones de toneladas por año en aplicaciones anticorrosivas, generando un ahorro de alrededor de USD 2200 millones por reparaciones o reemplazos de elementos oxidados [6]. Para mejorar la resistencia a la corrosión
de un acero inmerso en Zn, se pueden añadir diferentes elementos considerando
el contenido apropiado. Kania et al. [7]
caracterizaron la microestructura y analizaron la resistencia corrosiva de un
recubrimiento de Zn obtenido en una inmersión de Zn-AlNiBi.
Los autores utilizaron acero de bajo contenido de Si, 0,021 %, en muestras de
50 × 100 × 2 mm sumergidas por 180 s en la solución estudiada, a 450 °C. Las
muestras se introdujeron en una cámara de niebla salina (CNS) con NaCl al 5 % a una temperatura de 35 ± 2 °C y pH entre 6,8
a 7,2, desde 24 hasta 1000 h. La masa de las muestras fue medida cada 24 h y
los resultados indican que este nuevo recubrimiento es mejor agente
anticorrosivo que el Zn puro, ya que la presencia de corrosión se redujo en
un |
Al inspeccionar el recubrimiento, se aprecia Bi en la superficie, pero no se visualiza Al o Ni, por esto, los autores recomiendan utilizar el Bi como aditivo en lugar del Pb que es ambientalmente perjudicial. Previo a considerar un recubrimiento a
gran escala para ser aplicado en el sector industrial, deben llevarse a cabo
varias pruebas experimentales y la alternativa de mayor viabilidad para
analizar la velocidad de corrosión es mediante una CNS. Vera et al. [8]
evaluaron recubrimientos anticorrosivos en acero expuesto a un ambiente
marino, comparando pruebas de campo con una corrosión acelerada. Se utilizó
acero A-36 de La electrodeposición de Zn nanocristalino en acero para mejorar su resistencia a la
corrosión fue analizada por Li et al. [6]. El experimento utilizó solución NaCl al 3,5 % y la electrodeposición se realizó con un
baño de ZnSO4 con un acero de bajo carbono, después se lavaron las muestras y
se secaron. Mediante un microscopio de barrido electrónico (SEM, por sus
siglas en inglés), se visualizó que el grano de óxido se redujo de 5 μm a Stojanovic et al. [9]
evaluaron la protección a la corrosión de un sistema de dos recubrimientos en
un ambiente marino simulado. Placas de acero naval de El comportamiento corrosivo del acero ASTMSA213- T22 recubierto con Cr2O3 en un ambiente
salino a |
Se utilizó un horno para generar corrosión en caliente con Na2SO4 al 60 % durante 1 h y se consideró la masa final de las muestras. El material base presentó una mayor velocidad de corrosión comparado con el recubrimiento de Cr2O3 que presentó una perfecta adherencia, generando que la masa del material permaneciera en un 94,5 %. Esta investigación está dirigida a determinar la influencia de un recubrimiento de cromato de zinc en la corrosión de los aceros ASTM A-500 y A-500 galvanizado, acero utilizado en la fabricación de carrocerías de vehículos de transporte público. De esta manera, se va a establecer si se requiere este tratamiento previo. La sección de Materiales y métodos describe los pasos del proceso experimental considerando diferentes normas para su realización. En Resultados se presentan figuras y el análisis comparativo de las muestras después de la exposición a la CNS. Finalmente, las Conclusiones explican los resultados obtenidos y definen cuál acero tuvo menor corrosión.
2. Materiales y métodos
La Figura 1 resume el procedimiento considerado para el desarrollo experimental y obtención de resultados de esta investigación.
2.1. Preparación del material
El material utilizado fue un tubo de acero al carbono ASTM A-500 obtenido mediante soldadura en frío y sin cordón, utilizado para la fabricación de carrocerías. Mediante una matriz de diseño experimental, se estableció que se requieren ocho probetas de cada material, para ello, fueron cortadas mediante disco abrasivo utilizando una amoladora y así conseguir placas de 100 × 50 × 2 mm.
2.2. Limpieza superficial
La Sociedad de Recubrimientos Protectores, (SSPC, por sus siglas en inglés) ha normado ciertos procedimientos de limpieza superficial requeridos antes de la aplicación de un recubrimiento anticorrosivo. Para esta investigación, se ha optado por dos métodos de limpieza superficial, el primero consiste en una limpieza mecánica, de acuerdo con la norma SSPC-SP-3 [11], utilizando lijas para remover capas de óxido. Posteriormente, se requiere de un cepillo de alambre rotativo como herramienta eléctrica para limpiar la superficie y remover todos los restos de escombros. Es importante mencionar que, debido a la geometría tanto del material, así como de las herramientas, es probable que puedan quedar desechos ocultos en las irregularidades del material.
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Para el segundo método de limpieza superficial, se consideró la norma SSPC-SP-5 [12] que consiste en la aplicación de un líquido presurizado para remover todas las partículas sobre la superficie del material. Este método asegura una limpieza total, libre de deslaminaciones, ya que un chorro presurizado permite retirar incluso polvo y grasa, y así lograr una mejor adherencia del recubrimiento.
Figura 1. Diagrama de flujo para el desarrollo experimental
2.3. Recubrimiento
Un recubrimiento de cromato de zinc se aplicó sobre las ocho probetas de A-500 y acero galvanizado, cuatro a ser limpiadas mediante SSCP-SP-3 y las otras cuatro con SSCP-SP-5. Este recubrimiento consta de resinas y pigmentos que proveen resistencia corrosiva ante los diferentes agentes atmosféricos, además, es uno de los más utilizados comercialmente. El recubrimiento fue diluido en thinner en una proporción de 4 a 1 para su aplicación mediante soplete. El espesor del recubrimiento según el fabricante debe estar entre 25 a 38 μm, por lo cual se aplicaron dos capas, con un tiempo de secado de 4 h a 20 °C |
Se utilizó un horno para generar corrosión en caliente con Na2SO4 al 60 % durante 1 h y se consideró la masa final de las muestras. El material base presentó una mayor velocidad de corrosión comparado con el recubrimiento de Cr2O3 que presentó una perfecta adherencia, generando que la masa del material permaneciera en un 94,5 %. Esta investigación está dirigida a determinar la influencia de un recubrimiento de cromato de zinc en la corrosión de los aceros ASTM A-500 y A-500 galvanizado, acero utilizado en la fabricación de carrocerías de vehículos de transporte público. De esta manera, se va a establecer si se requiere este tratamiento previo. La sección de Materiales y métodos describe los pasos del proceso experimental considerando diferentes normas para su realización. En Resultados se presentan figuras y el análisis comparativo de las muestras después de la exposición a la CNS. Finalmente, las Conclusiones explican los resultados obtenidos y definen cuál acero tuvo menor corrosión.
2. Materiales y métodos
La Figura 1 resume el procedimiento considerado para el desarrollo experimental y obtención de resultados de esta investigación.
2.1. Preparación del material
El material utilizado fue un tubo de acero al carbono ASTM A-500 obtenido mediante soldadura en frío y sin cordón, utilizado para la fabricación de carrocerías. Mediante una matriz de diseño experimental, se estableció que se requieren ocho probetas de cada material, para ello, fueron cortadas mediante disco abrasivo utilizando una amoladora y así conseguir placas de 100 × 50 × 2 mm.
2.2. Limpieza superficial
La Sociedad de Recubrimientos Protectores, (SSPC, por sus siglas en inglés) ha normado ciertos procedimientos de limpieza superficial requeridos antes de la aplicación de un recubrimiento anticorrosivo. Para esta investigación, se ha optado por dos métodos de limpieza superficial, el primero consiste en una limpieza mecánica, de acuerdo con la norma SSPC-SP-3 [11], utilizando lijas para remover capas de óxido. Posteriormente, se requiere de un cepillo de alambre rotativo como herramienta eléctrica para limpiar la superficie y remover todos los restos de escombros. Es importante mencionar que, debido a la geometría tanto del material, así como de las herramientas, es probable que puedan quedar desechos ocultos en las irregularidades del material. Para el segundo método de limpieza superficial, se consideró la norma SSPC-SP-5 [12] que consiste en la aplicación de un líquido presurizado para remover todas las partículas sobre la superficie del material.
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Este método asegura una limpieza total, libre de deslaminaciones, ya que un chorro presurizado permite retirar incluso polvo y grasa, y así lograr una mejor adherencia del recubrimiento.
Figura 1. Diagrama de flujo para el desarrollo experimental
2.3. Recubrimiento
Un recubrimiento de cromato de zinc se aplicó sobre las ocho probetas de A-500 y acero galvanizado, cuatro a ser limpiadas mediante SSCP-SP-3 y las otras cuatro con SSCP-SP-5. Este recubrimiento consta de resinas y pigmentos que proveen resistencia corrosiva ante los diferentes agentes atmosféricos, además, es uno de los más utilizados comercialmente. El recubrimiento fue diluido en thinner en una proporción de 4 a 1 para su aplicación mediante soplete. El espesor del recubrimiento según el fabricante debe estar entre 25 a 38 μm, por lo cual se aplicaron dos capas, con un tiempo de secado de 4 h a 20 °C entre ellas. Para realizar la medición del espesor del recubrimiento, se utilizó un medidor de espesor de revestimientos Elecometer 456. |
2.4. Ensayo en la CNS
La norma ASTM B-117 [13] se utilizó para la experimentación en la CNS, donde se indica la preparación, procedimientos, predicción y resultados bajo un ambiente corrosivo controlado. Se utilizó solución salina al 5 %, con 12,72 kg de NaCl en un volumen de 240 litros de agua destilada. Entre los instrumentos de medida que se
utilizaron, es importante mencionar el medidor de pH a prueba de agua HANNA
HI9125, para verificar que el pH fuera menor a 6,5 a una temperatura promedio
de 23 °C. Si el valor de pH baja, se puede añadir NaOH,
caso contrario, cuando el pH es alto, se añade HCl
hasta obtener el valor requerido. Mediante un medidor de flujo, se recolectó Para el recubrimiento de cromato de zinc, el tiempo promedio para este ensayo se estima en 250 h. Se establecieron diferentes tiempos de exposición dentro de la CNS, teniendo 200, 250 y 350 h para determinar cómo influye este tiempo de exposición en la corrosión del acero. Después de cada período, se tomó la medida del peso de las probetas nuevamente, así calcular la pérdida de masa entre el valor inicial y el final.
2.5. Velocidad de corrosión
Según la norma ASTM G-1 [14], este parámetro se define como la pérdida de espesor de un acero por unidad de tiempo para analizar el daño ocasionado por corrosión después de la exposición. La velocidad de corrosión (C) depende del material, así como del tiempo de exposición, y puede ser obtenida mediante:
Donde
K permanece constante con un valor de
2.6. Evaluación visual
Para evaluar el grado de corrosión sobre una superficie recubierta, se consideró la norma ASTM D-610 [15] para determinar si el recubrimiento debía ser reparado o reemplazado. Según esta norma, se ha establecido una escala desde 1 a 10 en función del área superficial de corrosión, donde 10 se indica para manchas de óxido que son 0,01 % menores al área total, mientras que si el área
|
corroída es mayor al 33 %, se designa 1. Este número debe ir acompañado de una letra para indicar el patrón visual de corrosión, manchado (S), puntual (P) o general (G). Esta evaluación visual es consolidada con una segunda inspección, que consiste en evaluar las ampollas producidas por corrosión sobre el recubrimiento según la norma ASTM D-714 [16]. Para la identificación de ampollas, se ha asignado un número entre 0 a 10, donde 10 es una superficie sin imperfecciones, 8 indica pequeñas ampollas difíciles de apreciar a simple vista y los números inferiores indican ampollas cada vez más grandes. Además, este número va acompañado de una letra que representa la frecuencia de presencia de ampollas por unidad de área, indicando si esta frecuencia es poca (F), media (M), media densa (MD) o densa (D).
3. Resultados y discusión
3.1. Velocidad de corrosión
Al considerar la diferencia entre la masa inicial y final de las probetas, se pudo calcular la corrosión por año. A continuación, se presentan los valores de velocidad de corrosión obtenidos mediante la Ecuación (1) para el material base y las probetas con los métodos de limpieza superficial SSPC-SP-3 y SSPC-SP-5. Las probetas de acero ASTM A-500 y el
acero galvanizado sin el recubrimiento de cromato
de zinc presentaron una velocidad de corrosión de 1,672 y Después
de 250 h de exposición, las probetas de A-500 con los métodos de limpieza superficial
y recubrimiento de cromato de zinc disminuyeron el
valor de la velocidad de corrosión, teniendo 0,083 y |
Finalmente, con un tiempo de exposición de 350 h, las probetas de material base de A-500 y acero galvanizado tuvieron una corrosión de 1,594 y 0,142 mm/año. Para la limpieza superficial SSPC-SP-3, estos aceros presentaron una velocidad de corrosión de 0,139 y 0,103 mm/año, respectivamente. Además, por el método de limpieza superficial SP-5, las probetas registraron valores de 0,033 y 0,029 mm/año para el A-500 y el acero galvanizado, respectivamente. Los valores obtenidos están más agrupados con la limpieza mediante SSPC-SP-5, teniendo una desviación estándar de 0,0185 y 0,0036 mm/año para el A-500 y el acero galvanizado, respectivamente. Estos aceros presentaron una desviación estándar con el método SSPCSP-3 de 0,0299 y 0,03378 mm/año, respectivamente, además, 0,2679 y 0,2044 mm/año sin tratamiento.
(a)
(b)
(c) Figura 2. Velocidad de corrosión para probetas a) sin recubrimiento, b) limpieza SSPC-SP-3, c) limpieza SSPCSP-5
|
3.2. Evaluación visual
Mediante un microscopio SEM, se visualizó la morfología de los productos de corrosión en las probetas de A-500. En la Figura 3a, se muestra una probeta sin recubrimiento expuesta a 300 h, observando una formación generada por la corrosión que se conoce como lepidocrocita. La Figura 3b presenta el análisis de morfología de la probeta con un tiempo de exposición de 350 h, donde se identifica goetita semicristalina en forma de nubes, así como láminas muy delgadas de lepidocrita, con un contorno similar a raíces.
(a)
(b) Figura 3. Microestructura del acero ASTM A-500 sin recubrimiento expuesto en la CNS a) 300 h, b) 350 h |
La Figura 4a indica los resultados de la corrosión existente en el ASTM A-500, mientras que en la Figura 4b se aprecia el acero galvanizado corroído, luego de 200, 250 y 350 h de exposición en la CNS. Los aspectos que presentan las probetas son de superficies con mucha corrosión, visible a simple vista, e incluso con cúmulos significativos, corroborando los valores calculados en la velocidad de corrosión.
(a)
(b) Figura 4. Probetas de material base expuestas a la CNS a) ASTM A-500, b) acero galvanizado
Los patrones de la norma ASTM D-610 se utilizaron como referencia para realizar una evaluación del porcentaje de superficie corroída. Además, esta evaluación visual se complementó indicando la frecuencia y tamaño de ampollas presentes en las probetas según la norma D-714. En la Figura 5a se muestran las probetas de A-500 con limpieza superficial SSPC-SP-3 recubiertas, donde se han señalado manchas de corrosión en un 3 %, teniendo un 5 S luego de 200 h. Para la probeta expuesta por 250 h, se ha considerado una corrosión de 5 G y se ha evaluado como 3 G a la probeta que estuvo en la CNS por 250 h. La frecuencia de las ampollas fue medida para las probetas con tiempo de exposición de 200 y 350 h, indicando una evaluación de 6 M y 2 M, respectivamente. Mientras que en la probeta de 250 h de exposición esta frecuencia fue mayor, asignándole un valor de 6 MD con ampollas visibles. |
Las probetas de ASTM A-500, con previa limpieza superficial SSPC-SP-5 a la aplicación del cromato de zinc, se indican en la Figura 5b, luego de tiempos de exposición de 200, 250 y 350 h, respectivamente. Para la probeta que estuvo expuesta por 200 h, se ha asignado una corrosión de 4 G, mientras que las probetas con tiempo de exposición de 250 y 350 h, fueron evaluadas como 5 G. En ninguna de estas probetas se pudo evidenciar la existencia de ampollas, teniendo una buena adherencia del recubrimiento.
(a)
(b) Figura 5. Probetas de ASTM A-500 expuestas a 200, 250 y 350 h, a) SSPC-SP-3, b) SSPC-SP-5
La Figura 6a presenta las probetas de acero galvanizado limpiadas con el método SSPC-SP-3 y recubiertas con cromato de zinc. En la probeta que estuvo en la CNS por 200 h, se han evidenciado manchas de corrosión, teniendo 5 S y no se registraron ampollas sobre su superficie. Para la probeta expuesta por 250 h, la corrosión visible es general, teniendo 6 G y se visualizaron pequeñas ampollas, por lo que se le ha asignado 6 M. A la probeta con tiempo de exposición de 350 h, se le ha asignado una corrosión de 4 S por manchas visibles y la frecuencia de ampollas fue poca, aunque considerables, por lo que se tiene 6 F. Las probetas de acero galvanizado con limpieza SSPC-SP-5 se muestran en la Figura 6b. |
(a)
(b) Figura 6. Probetas de ASTM A-500 galvanizado expuestas a 200, 250 y 350 h, a) SSPC-SP-3, b) SSPC-SP-5
En la probeta de acero galvanizado con tiempo de exposición de 250 h no se ha podido visualizar señales de corrosión y existen pequeñas ampollas, teniendo una frecuencia de 8 M. Mientras que las probetas expuestas por 200 y 350 h, muestran pequeñas manchas de corrosión, por lo que se les ha asignado 5 S y ninguna de ellas ha presentado ampollas sobre sus superficies.
4. Conclusiones
Los valores obtenidos de velocidad de corrosión de las probetas indican que la corrosión afecta más durante las primeras horas de exposición. Para el acero A-500 luego 200 y 350 h de exposición, se tuvo una velocidad de corrosión de 1,672 y 1,594 mm/año, respectivamente. Para el acero galvanizado sin recubrimiento, en los mismos tiempos se tuvo valores de 0,535 y 0,142 mm/año. Esta tendencia se mantuvo durante los ensayos de las probetas limpiadas mediante SSPC-SP3 y SSPC-SP5 de los dos materiales. El acero A-500 sin tratamiento tuvo una
máxima velocidad de corrosión de 2,092 mm/año, en la probeta expuesta por 250
h a la CNS, siendo 3,9 veces el valor más alto que el alcanzado por el acero
galvanizado. Con el método SSPC-SP-3, el acero A-500 y el acero galvanizado
alcanzaron un máximo de 0,139 y
|
Al considerar el análisis entre los dos métodos de limpieza superficial, según la norma ASTM D-610, se tuvo que, el A-500 y el acero galvanizado limpiados con el método SSPC-SP-3 presentaron una corrosión superficial general y manchado entre 5 S y 5 G a 6 G. Mientras que esta evaluación se redujo en las probetas tratadas con la limpieza SSPC-SP-5, considerando a las probetas con una corrosión general 4 G. La norma ASTM D-714 se utilizó para complementar la evaluación visual y determinar la frecuencia y tamaño de las ampollas. En las probetas limpiadas según la norma SSPC-SP-3 de A-500 y acero galvanizado, se llegó a tener una evaluación máxima y mínima de 2 M, 6 MD y 6 M, 6 S, respectivamente. Por este motivo se puede afirmar que, el recubrimiento de cromato de zinc se adhiere de manera similar en los dos materiales y brinda una protección anticorrosiva 7,7 y 8,2 veces superior que el A-500 y el acero galvanizado sin recubrimiento, respectivamente.
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