Materiales industriales

Corrosión

RESUMEN

La corrosión es la causa general de la alteración y destrucción de la mayor parte de los materiales naturales o fabricados por el hombre. Si bien esta fuerza destructiva ha existido siempre, no se le ha prestado atención hasta los tiempos modernos, como efecto de los avances de la civilización en general y de la técnica en particular. El desarrollo de los métodos de extracción y uso de los combustibles, muy especialmente del petróleo, así como la expansión de la industria química, han modificado la composición de la atmósfera de los centros industriales y de las aglomeraciones urbanas.

MARCO TEORICO

Se entiende por corrosión la interacción de un metal con el medio que lo rodea, produciendo el consiguiente deterioro en sus propiedades tanto físicas como químicas. La característica fundamental de este fenómeno, es que sólo ocurre en presencia de un electrólito, ocasionando regiones plenamente identificadas, llamadas estas anódicas y catódicas: una reacción de oxidación es una reacción anódica, en la cual los electrones son liberados dirigiéndose a otras regiones catódicas, en la región anódica se producirá la disolución del metal.

1.Corrosión en materiales cerámicos:

La corrosión de los cerámicos se produce por mecanismos químicos, mediante disolución de los elementos metálicos y no metálicos, por lo que puede admitirse que ya se encuentran corroídos, por esto resultan casi inmunes a procesos de oxidación ulteriores. La degradación de los cerámicos por corrosión, es un mecanismo que involucra su disolución, penetración y dilución de sustancias agresivas a través de bordes de grano. Por tanto, los cerámicos son excesivamente resistentes a la corrosión en la mayoría de los ambientes, especialmente a altas temperaturas, y fallan principalmente por rotura frágil al ser sometidos a tensiones de tracción o golpes. Por este motivo, se utilizan materiales cerámicos en aquellos casos donde se requiere una elevada estabilidad y resistencia a la corrosión a altas temperaturas.

Los óxidos tales como la sílice (SiO2) y la alúmina (Al2O3) no presentan problemas de oxidación por estar ya oxidados. La principal limitación de estos compuestos como materiales de construcción para altas temperaturas, está en sus altos coeficientes de expansión, lo que los hace poco resistentes a grandes cambios de temperatura. La resistencia a la oxidación de los nitruros no es elevada, pero puede elevarse debido a la formación de capas de óxido protectores de algunos de sus componentes: el nitruro de silicio, debido a la formación de una película superficial de sílice, soporta temperaturas de hasta 1.500ºC sin degradarse. El carburo de silicio es el único carburo que puede ser usado hasta temperaturas de 1.300ºCa 1.600ºC sin degradarse. Los demás carburos presentan baja resistencia a la oxidación. Los boruros presentan una buena resistencia a la oxidación. Los siliciuros tienen una buena resistencia a la oxidación, especialmente el disiliciuro de molibdeno (MoSi2) que puede usarse como elemento calefactor en aire hasta 1.800ºC

2.Corrosión en materiales metálicos.

FerrososGeneralmente para el estudio de la ciencia de los materiales la corrosión en los materiales ferrosos es el primer enfoque al estudio general de la corrosión en todos los materiales, debido al uso que los materiales ferrosos generan en nuestra civilización. Ahora bien, uno puede preguntarse ¿por qué existe la corrosión? Podemos empezar diciendo que la corrosión de los metales es en cierto sentido inevitable, una pequeña venganza que se toma la naturaleza por la continua expoliación a que la tiene sometida el hombre. Recordemos que los metales, salvo alguna que otra rara excepción, como los metales nobles (oro, platino, etc., se encuentran en estado nativo en la Tierra), no existen como tales en naturaleza, sino combinados con otros elementos químicos formando los minerales, como los óxidos, sulfuros, carbonatos, etc.

Un metal susceptible a la corrosión, como el acero, resulta que proviene de óxidos metálicos, a los cuales se los somete a un tratamiento determinado para obtener precisamente hierro. La tendencia del hierro a volver a su estado natural de óxido metálico es tanto más fuerte, cuanto que la energía necesaria para extraer el metal del mineral es mayor.

Entonces, la fuerza conductora que causa que un metal se oxide es consecuencia de su existencia natural en forma combinada (oxidada). Para alcanzar este estado metálico, a partir de su existencia en la naturaleza en forma de diferentes compuestos químicos (minerales), es necesario que el metal absorba y almacene una determinada cantidad de energía. Esta energía le permitirá el posterior regreso a su estado original a través de un proceso de oxidación (corrosión). La cantidad de energía requerida y almacenada varía de un metal a otro. Es relativamente alta para metales como el magnesio, el aluminio y el hierro y relativamente baja para el cobre y la plata.

A)Veamos el ataque producido por una gota de agua salada. Esta experiencia es debida a Evans, uno de los investigadores que más han contribuido al conocimiento de la corrosión. Evans demostró que en el caso de una gota de agua salada, las diferencias en la cantidad de oxígeno disuelto en el líquido en contacto con la superficie metálica, lo que se conoce como aireación diferencial, crean pilas de corrosión en las que el ataque del metal ocurre en las áreas menos oxigenadas, provocando una corrosión rápida e intensa. Si se deposita una gota de agua salada (agua y cloruro de sodio) sobre la superficie horizontal de una lámina de acero perfectamente limpia y desgrasada, como en la figura 1, se puede observar, por ejemplo después de unos 30 minutos, un precipitado en el medio de la gota. 

La parte periférica o más exterior de la gota, más aireada (con un más fácil acceso para el oxígeno) que el centro, juega el papel de lo que hemos llamado cátodo, con relación al centro, que a su vez se convierte en ánodo. Entre estas dos zonas se forma una membrana de hidróxido de hierro (herrumbre). Con ayuda de un tubo capital, se puede atravesar la membrana y comprobar la formación en el centro de la gota de una sal ferrosa (FeCl2, cloruro ferroso).

Podemos resumir lo anterior diciendo que para que exista corrosión deben cumplirse unas ciertas condiciones mínimas. Éstas son:

o Debe haber un ánodo y un cátodo.o Debe existir un potencial eléctrico entre los dos electrodos

(ánodo y cátodo).o Debe haber un conductor metálico que conecte eléctricamente

el ánodo y el cátodo.o Tanto el ánodo como el cátodo deben estar sumergidos en un

electrolito conductor de la electricidad, el cual está ionizado.

Una vez cumplidas estas condiciones, puede circular una corriente eléctrica dando lugar a un consumo de metal (corrosión) en el ánodo.

La diferencia de potencial creada entre el ánodo y el cátodo provoca una migración de electrones desde el ánodo al cátodo a lo largo del conductor metálico externo, un alambre de cobre como se indica en la figura 2

B)No Ferrosos

Los metales no ferrosos principalmente los más importantes son 7: cobre, zinc, plomo, estaño, aluminio, níquel y manganeso. Hay otros elementos que con frecuencia se fusionan con ellos para preparar aleaciones de importancia comercial. También hay alrededor de 15 metales menos importantes que tienen usos específicos en la industria. Los metales no ferrosos se clasifican en tres grupos: Pesados: son aquellos cuya densidad es igual o mayor de 5 kg/dm³. Ligeros: su densidad está comprendida entre 2 y 5 kg/dm³. Ultraligeros: su densidad es menor de 2 kg/dm³.

Corrosión del aluminio

El aluminio metálico se recubre espontáneamente de una delgada capa de óxido que evita su corrosión. Sin embargo, esta capa desaparece en presencia de ácidos, particularmente del perclórico y clorhídrico; asimismo, en soluciones muy alcalinas de hidróxido potásico (KOH) o hidróxido sódico (NaOH) ocurre una enérgica reacción. La presencia de CuCl2 o CuBr2 también destruye el óxido y hace que el aluminio se disuelva enérgicamente en agua. Con mercurio y sales de éste, el aluminio reacciona si está limpio formando una amalgama que impide su pasivación. Reacciona también enérgicamente en frío con bromo y en caliente con muchas sustancias, dependiendo de la temperatura, reduciendo a casi cualquier óxido (proceso termita). Es atacado por los haloalcanos. Las reacciones del aluminio a menudo van acompañadas de emisión de luz.

No obstante, las aleaciones de aluminio se comportan bastante peor a corrosión que el aluminio puro, especialmente si llevan tratamientos de recocido, con los que presentan problemas graves de corrosión intercristalina y bajo tensiones debido a la microestructura que presentan en estos estados.

Niquelado

Es un recubrimiento metálico de níquel, realizado mediante baño electrolítico, que se da a los metales, para aumentar su resistencia a la oxidación y a la corrosión y mejorar su aspecto en elementos ornamentales.

Hay dos tipos de niquelado: Niquelado mate y Niquelado brillante. El niquelado mate se realiza para dar capas gruesas de níquel sobre

hierro, cobre, latón y otros metales (el aluminio es un caso aparte) es un baño muy concentrado que permite trabajar con corrientes de 8 - 20 amperios por decímetro cuadrado, con el cual se consiguen gruesos capas de níquel en tiempos razonables.

Los componentes que se utilizan en el niquelado son: Sulfato de níquel, cloruro de níquel, ácido bórico y humectante

El niquelado brillante se realiza con un baño de composición idéntica al anterior al que se le añade un abrillantador que puede ser sacarina por ejemplo. Para obtener la calidad espejo la placa base tiene que estar pulida con esa calidad. La temperatura óptima de trabajo está entre 40 y 50 ºC, pero se puede trabajar bien a la temperatura ambiente.

Cromado

El cromo se utiliza principalmente en metalurgia para aportar resistencia a la corrosión y un acabado brillante.

En aleaciones, por ejemplo, el acero inoxidable es aquel que contiene más de un 12% en cromo, aunque las propiedades antioxidantes del cromo empiezan a notarse a partir del 5% de concentración. Además tiene un efecto alfágeno, es decir, abre el campo de la ferrita y lo fija.

En procesos de cromado (depositar una capa protectora mediante electrodeposición). También se utiliza en el anodizado del aluminio. En pinturas cromadas como tratamiento antioxidante.

Aleaciones base cobalto

Las aleaciones de cobalto encuentran gran aplicación por la excelente resistencia al desgaste y las propiedades mecánicas a alta temperatura. El cobalto es metalúrgicamente similar al níquel, y la mayoría de las aleaciones de construcción contienen cantidades sustanciales de níquel para aumentar la ductilidad a alta temperatura. Como en el níquel y en el hierro, la adición de cromo, níquel, molibdeno, y tungsteno mejoran la resistencia a la corrosión.

La gran resistencia al desgaste de las aleaciones de cobalto la hacen difícil de fabricar. El cobalto es usado generalmente en la industria como un material duro superficial en regiones de desgaste críticas, aplicado por soldadura de recargue.

Tungsteno (wolframio)

Tiene usos importantes en aleaciones para herramientas de corte a elevada velocidad, como las fresas para instrumentos odontológicos (W2C), en la fabricación de bujías y en la preparación de barnices (WO3) y mordientes en tintorería, en las puntas de los bolígrafos y en la producción de aleaciones de acero duras y resistentes

Magnesio

Se utiliza principalmente como desoxidante en los talleres de fundición de acero.

3.Corrosión en polímeros

El fenómeno de corrosión en los materiales polímeros, no es muy frecuente, incluso son dichos materiales los que se están usando como ventaja frente a la corrosión. Sin embargo, ataque de una diversidad de insectos y microbios pueden corroer los materiales poliméricos.

Los ataques causan una degradación microscópica generalmente en los poliésteres y el cloruro de polivinilo plastificado (PVC), que son muy vulnerables a la degradación microbiana. Estos polímeros se pueden descomponer por radiación o ataque químico en moléculas de bajo peso hasta que son lo suficientemente pequeños para ser ingeridos por los microbios.

Materiales como el polietileno, el propileno y el poliestireno son resistentes a este tipo de corrosión.

Prevención

Generalmente la corrosión en polímeros es tardía o no ocurre, por lo que son utilizados como protección contra la misma, es el caso de los polietilenos, que sirven como recubrimientos.

El avance de la química ha dado lugar a la aparición de una serie de materiales sintéticos que pueden competir con los materiales tradicionales en cuanto a propiedades técnicas y aventajas a muchos en cuanto a su resistencia contra la corrosión.

Ejemplos de polímeros resistentes a la corrosión: Polietileno de baja y alta densidad Polipropileno Polímeros que contienen flúor Polímeros termoestables

Corrosión de materiales compuestos  En estos materiales la corrosión depende de las componentes de cada

compuesto, ya que estos están formados para obtener ciertas propiedades que no son posibles de obtener en los materiales originales.

  Los materiales compuestos de matriz metálica (MMCs) se emplean en

diversas aplicaciones donde es necesaria una combinación de elevadas propiedades mecánicas con pesos bajos y alta resistencia al desgaste. Además, se debe tener en consideración otros aspectos que determinan el comportamiento de estos materiales, por ejemplo en las aplicaciones prácticas, ya que muchas son en contacto con medios agresivos. El comportamiento frente a la corrosión de los MMCs está dominado por un amplio rango de factores, por ejemplo la porosidad, la precipitación en la matriz de fases intermetálicas, la alta densidad de dislocaciones en la interfase matriz/refuerzo, así como la conductividad eléctrica de los refuerzos.

  El fenómeno de corrosión más importante en estos no es el ataque

generalizado sino la corrosión por picadura, ya que el ataque se localiza en un área muy reducida profundizando con mucha mayor rapidez.

En este tipo de aplicaciones la resistencia a la corrosión es un parámetro de vital importancia que hasta la fecha no se le ha prestado mucho interés, ya que en este tipo de materiales priman las propiedades mecánicas.

CONCLUSIONES

El proceso de corrosión en materiales ferrosos se da principalmente por el alto uso de energía en la trasformación de este, la humedad relativa, la temperatura, la composición fisicoquímica de este mismo hace que su comportamiento varíe de forma significativa.

El flujo de electrones y las diferencias entre los comportamientos de la electronegatividad hacen que estos sean fundamentales en la corrosión ya que explican si un material es más fácil de corroer si es más electropositivo, la diferencia de potencial genera cargas que quedan en su superficie haciendo que el proceso de oxidación-reducción se catalice en dicho materiales.

Los materiales cerámicos por estar compuestos por materiales metálicos y no metálicos se pueden considerar como que ya se han corroído lo que los hace muy resistentes a la corrosión. En este caso la corrosión es una simple disolución química en contraste con los procesos electroquímicos.

GRACIAS