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Facultad de Ingenierías Programa de Ingeniería Aeronáutica Aeronáutica
1. DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD VELOCIDAD DE CORROSIÓN CORROSIÓN Y LA CORROSIÓN ELECTROQUÍMICA. GUÍA DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE MATERIALES AEROESPACIALES 1. OBJETIVO Evaluar de forma cualitativa y cuantitativa el efecto de la corrosión química y electroquímica para diferentes materiales metálicos en distintos medios agresivos.
2. ASPECTOS TEÓRICOS. La corrosión puede ser definida como el deterioro de los materiales debido a su interacción, química o electroquímica, en el ambiente en que son usados. Esta concepción incluye todos los tipos de materiales metálicos y no metálicos. La mayor extensión del problema está en los materiales metálicos, denominada “corrosión metálica”, y siendo el tema más común de estudio y el de la presente guía. 2.1
Corrosión química
Ocurre al interior de cualquier sistema y no se presenta un flujo apreciable de corriente, el cual se da a lo largo de una distancia considerable dentro del material y se presenta en ambientes gaseosos, como dióxido de carbono, azufre o una mezcla de gases oxidantes a temperatura ambiente o superior. Sin embargo, la forma más común de ataque es por el oxigeno y es denominada oxidación. Dicho proceso de oxidación esta internamente ligado a las energías libres, patrones de formación de óxidos, la mayoría de los cuales aumentan haciéndose más positivos, disminuyendo disminuyendo la estabilidad de los metales, al aumentar la temperatura, formando películas o capas de óxidos o productos de corrosión, que son fiel reflejo de la cinética del proceso. 2.1.
Corrosión electroquímica.
La superficie de un metal es una región estructuralmente inestable inestable que al contacto con medios activos experimentan intercambios energéticos o iónicos, generando una evolución de cambios tendiente hacia un estado de equilibrio, ocasionando a su vez un detrimento del metal, por lo que se tiene entonces corrosión de naturaleza electroquímica. En general los materiales metálicos poseen una superficie de estructura electroquímica bastante sensible al contacto con diferentes medios agresivos, lo cual permite la aparición de los fenómenos electroquímicos de corrosión, a través de áreas anódicas y catódicas. Los fenómenos electroquímicos son transformaciones recíprocas de la energía de reacción química y electroquímica, lo cual se puede darse mediante el establecimiento de las celdas o pilas electroquímicas (Fig. 2), en las cuales uno de los electrodos, el ánodo, se consume en beneficio del otro, el cátodo que permanece intacto.
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Facultad de Ingenierías Programa de Ingeniería Aeronáutica e-
e-
ANODO
CATODO
ELECTROLITO Iones del electrolito
Fi ura 2. Celda electro uímica
Componentes de una celda electroquímica Una celda electroquímica consta de cuatro componentes (Fig.2): • •
•
•
El ánodo, que cede los electrones al circuito y se corroe. El cátodo, que recibe los electrones del circuito mediante una reacción química o catódica. Los iones, al combinarse con los electrones producen en el cátodo un subproducto. El ánodo y el cátodo deben estar conectados eléctricamente, por lo general por contacto físico para permitir el flujo de electrones del ánodo al cátodo y a la vez asegura que éstos se mueven hacia el cátodo para aceptar electrones. Un electrolito líquido debe estar en contacto tanto con el ánodo como con el cátodo. El electrolito es conductor por lo tanto cierra el circuito. Así, este proporciona el medio para que los iones metálicos salgan de la superficie del ánodo y a la vez aseguran que estos se muevan hacia el cátodo para aceptar los electrones.
Reacción anódica: El ánodo, que es un metal, sufre una reacción de oxidación, mediante la cual sus átomos se ionizan. Estos entran en la soluciones electrolítica, en tanto que los electrones salen del ánodo a través de la conexión eléctrica:
Mn+
M
+
ne —
Dado que los iones metálicos salen del ánodo, éste se corroe.
Reacción catódica en el electrodeposito : En el electrodeposito, en el cátodo ocurre una reacción de reducción, que es la inversa de la reacción anódica:
Mn+
+
ne —
M
Los iones metálicos, ya sea agregados de manera intencional al electrolito o formados mediante la reacción anódica, se combinan en el cátodo con los electrones. El metal entonces recubre la superficie del cátodo. Velocidad de corrosión o electrodepósito: La cantidad de metal depositado sobre el cátodo en el electrodeposito, o eliminado por corrosión, puede determinarse a partir de la ecuación de Faraday:
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Facultad de Ingenierías Programa de Ingeniería Aeronáutica w =
I * t * M /
n*F
Donde w es el peso depositado o corroído (g), I es la corriente (A), M es la masa atómica del metal, n es la valencia del ion metálico, t es el tiempo (s) y F es la constante de Faraday (96,500 C). Frecuentemente la corriente se expresa en función de la densidad de corriente, i = I / A, donde A es el área de superficie del ánodo o el cátodo, por lo que la ecuación anterior queda, w
=
i * A * t * M / n * F
Experimentalmente, la corrosión uniforme de una superficie metálica expuesta a un ambiente corrosivo se mide por varios caminos. Un método consiste en medir la pérdida de peso de una muestra expuesta a un ambiente dado y después de un periodo de tiempo expresar la velocidad de corrosión como la pérdida de peso por unidad de área de la superficie expuesta a la unidad de tiempo. Por ejemplo la corrosión superficial uniforme se expresa como la pérdida de peso en miligramos en decímetro cuadrado y por día (mdd). Otro método usado comúnmente es expresar la velocidad de corrosión en términos de pedida de profundidad de material por unidad de tiempo. En este sistema, la velocidad de corrosión se expresa por ejemplo en milímetros por año (mm/año) y milipulgada por año (mpul/año). La velocidad de corrosión electroquímica en ambientes acuosos puede expresarse como una densidad de corriente.
3.
EQUIPOS, MATERIALES E INSUMOS
Agentes corrosivos
Equipos
Metales
Materiales
Cloruro de sodio
Balanza analítica, calibrador, termómetro, estereomicroscopio, lupa (10X), cámara fotográfica (la debe llevar el estudiante).
AA2024
Corcho o neumático, tijeras, pita, papel abrasivo No.100, envases de vidrio de boca ancha con tapa
Kerosene gasolina
AA7075 Latón, 70/30
4. PROCEDIMIENTO: PARA DETERMINAR LA VELOCIDAD DE CORROSIÓN 1. Preparar tres soluciones corrosivas con diferentes concentraciones así: Solución de cloruro de sodio al 2%; kerosene y gasolina. 2. Tomar sus dimensiones y calcular el área de las probetas que serán avaluadas. 3. Sumergir las probetas en las soluciones corrosivas. Realizar las respectivas observaciones sobre cada uno de los frascos cada mes.
4
Facultad de Ingenierías Programa de Ingeniería Aeronáutica 4. Después de los cuatro meses se retira completamente, se seca, pesa y calcular la velocidad de corrosión según la pérdida de peso.
PARA DETERMINAR LA CORROSIÓN GALVÁNICA 1. Preparar seis soluciones de cloruro de sodio al 3.5% en agua destilada. 2. Pesar y tomar las medidas de las probetas. 3. Unir de dos en dos las probetas de la siguiente manera.
AA 2024 – Latón, 70/30 (sin aislante y con aislante de corcho o neumático).
ASTM 7075 – Latón, 70/30 (sin aislante y con aislante de corcho o neumático).
4. Sumergir cada par en envases separados con concentraciones de NaCl al 3,5% (deben quedar en total inmersión). 5. Después de las 16 semanas retirar completamente, secar, pesar y calcular la velocidad de corrosión según la pérdida de peso. Determinar el grado de deterioro y la velocidad de corrosión.
5.
PREGUNTAS
i. ¿Qué tipos de corrosión se presentan en los materiales aeronáuticos? Cuáles son los medios más agresivos por estos? ii. ¿Cuáles son los posibles factores que participan en el proceso de corrosión de la práctica? Qué papel juega el aislante? ¿De qué materiales son fabricados comúnmente los aislantes?
iii. ¿Suponga una chapa de aluminio que contiene impurezas de cromo en su superficie como muestra la Fig. 3:
Figura 3.
Suponga también que el ambiente se encuentra con una humedad relativa del 80%.Entonces, debido a la elevada humedad puede formarse sobre la superficie del metal una delgada capa de agua. ¿Determine y esquematice esta celda galvánica y sus componentes? iv. Muchas piezas pueden ser tratadas superficialmente con el objeto de protegerlas de la corrosión u otorgarles propiedades de dureza o resistencia al desgaste a ciertas necesidades, mencione cuatro tratamientos superficiales. v. Los motores aeronáuticos en la zona expuesta a altas temperaturas sufren procesos corrosivos; cual es le fenómeno corrosivo que se presente y cómo se previene?
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Facultad de Ingenierías Programa de Ingeniería Aeronáutica BIBLIOGRAFÍA •
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Shackelford, James F. Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros. 4°ed. Madrid: Prentice Hall. 1998. West, John M. “Corrosión y oxidación, Fundamentos”. Ed. Limusa, México 1986. Anderson, J.C.; LEAVER, K.D.; Alexander, J.M. y RAWLINES, R.D.. Ciencia de los materiales. 1a. Edición. Edit. LIMUSA, 1998. Curso nacional sobre protección catódica. CESET. Fundamentos de Ingeniería de Corrosión y Protección. Universidad de Antioquia, 1992 Askeland, Donald R. “Ciencia e ingeniería de los materiales”. Ed. Thomson, México, 1998. Smith, William. “Fundamentos de ciencia e ingeniería de materiales”. 3ª. Edición, México, 1998. Avner, Sydney H. “Introducción a la metalurgia física”. Ed. Mc Graw-Hill, 2ª. Edición, México, 1994. ASTM G1 - 03(2011) Standard Practice for Preparing, Cleaning, and Evaluating Corrosion Test Specimens
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Facultad de Ingenierías Programa de Ingeniería Aeronáutica w
m1 m2 No.
Probetas gasolina
1 AA 20224
kerosene
salmuera
al ---- %
x x
2
3
AA2024
X (2,5)
AA 2024
x 4
AA7075
x
5 AA 7075
6
7
8
9
10
AA 7075
AA 2024-Latón sin aislante
AA 2024-Latón con aislante
AA 7075-Latón sin aislante
AA 7075-Latón con aislante
X (2,5) X (3,5) X (3,5)
X (3,5)
X (3,5)
(mg)
534 w V = mpy = ---------------------------
medidas Ancho (pul)
Largo (pul)
Espesor
(pul)
A expuesta * ρ * t
Area expues ta (pul2)
W = m1 – m2
mg
ρ
t
g/cm3
horas
Vcorr
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Facultad de Ingenierías Programa de Ingeniería Aeronáutica Si mpy tiene un valor de: < 2 : Excelente resistencia a la corrosión; 2-20: Buena resistencia a la corrosión; 20 – 50: Aceptable resistencia a la corrosión; > 50: corrosión severa
