CORROSIÓN METÁLICA: METÁLICA: FALLAS F ALLAS Y MEDIDAS PREVENTIVAS Prof. Dr. Carlos A. Giudice Universidad Tecnológica Nacional-Facultad Regional La Plata INTRODUCCIÓN La corrosión puede definirse como la reacción química o electroquímica de un metal o aleación con el medio ambiente, generando una pérdida de propiedades fisicomecánicas. Particularmente, el término herrumbrado u oxidación se aplica a la corrosión del hierro y sus aleaciones, ya que los metales no ferrosos se corroen pero no se herrumbran. En lo referente a los materiales no metálicos, tales como polímeros o cerámicos, los mecanismos de deterioro son sensiblemente diferentes al que tiene lugar sobre la superficie de los metales; en estos casos el fenómeno recibe el nombre de degradación. Por su parte, los daños causados por medios físicos no se denominan corrosión sino erosión, abrasión o desgaste. Las pérdidas económicas emergentes de la corrosión alcanzan valores muy significativos, involucrando pérdidas por discontinuidad en la producción, por contaminación de materias primas y productos, por reposición de materiales, por accidentes, etc. La frecuencia de fallas en metales se puede clasificar en mecánicas y por corrosión; la primera de ellas alcanza valores cercanos al 40% mientras que el 60% restante corresponde a los procesos que involucran las citadas reacciones químicas o electroquímicas. Entre los distintos tipos de fallas que se describen a continuación, resulta a su vez posible establecer que la corrosión generalizada o uniforme es la más frecuente e incide con un valor que oscila alrededor del 30%; otras formas son la corrosión fatiga y tensión, 25%; por picadura, 15%; intergranular, 10%; erosión y cavitación, 10%; por alta temperatura, procesos de soldadura, acción galvánica y termogalvánica, 2% cada uno de ellos; finalmente por ataque selectivo e hidrogenación, 2% en total.
DISTINTOS TIPOS DE FALLAS Las fallas de los metales tienen lugar por causas diferentes debido a la gran cantidad de variables involucradas; a continuación se definen los tipos más frecuentes, las causas que dan origen o bien aceleran la cinética del proceso y las medidas preventivas.
Corrosión uniforme.
Este tipo de falla se caracteriza porque las áreas catódicas (protección) y anódicas (disolución) se modifican alternativamente en el espacio y en el tiempo, generando un deterioro uniforme; como ejemplo, se puede citar el caso de un metal en contacto directo con una solución de reducida conductividad eléctrica (los productos de corrosión, debido a la reducida distancia entre los electrodos, se depositan simultáneamente (pasivación) sobre las áreas anódicas y catódicas controlando la velocidad del proceso) o bien por acción de alta temperatura en una atmósfera relativamente seca.
1
Las medidas preventivas generalmente contemplan seleccionar materiales adecuados para cada medio agresivo, cambiar o inhibir el electrolito (sistemas cerrados), especificar recubrimientos resistentes y diseñar protección anódica (pasivasión).
Daños por cavitación. Se corresponde con el daño asociado producido por burbujas de vapor dispuestas en el seno del líquido que colapsan sobre la superficie del sólido, Figuras 1, 2 y 3. Estos repetidos colapsos en una superficie metálica pueden deteriorar la película protectora y deformar severamente la superficie, fracturándola o bien generando fatiga. Las zonas de baja presión se crean por flujos divergentes, vibraciones, etc. Para controlar los daños por cavitación se deben evitar las condiciones que disminuyan la presión absoluta, reducir las diferencias de presión hidrodinámica, controlar la vibración, diseñar el sistema para anular la formación o acumulación de burbujas, prevenir el ingreso de aire disperso, seleccionar materiales o revestimientos resistentes, especificar la terminación del pulido, emplear protección catódica, etc.
Figura 1. Daños por cavitación Corrosión galvánica. Involucra la corrosión asociada a la corriente que resulta del contacto de electrodos diferentes (metales de diferente naturaleza química) dispuestos en un electrolito conductor que cierra el circuito de la pila, Figuras 4, 5 y 6. Las medidas preventivas más importantes consisten en eliminar las cuplas de metales diferentes o galvánicas o producir un completo aislamiento dieléctrico, evitar el contacto de un ánodo pequeño y un cátodo grande, ampliar la distancia entre los metales disímiles en medios conductivos, diseñar las partes anódicas fácilmente reemplazables o fabricarlas de mayor espesor, evitar empotramiento de cuplas metálicas en un material poroso o absorbente de humedad, emplear esquemas protectores adecuados y regular el grado de aireación, temperatura, de composición o de movimiento que convenga a la cupla metálica.
2
Figura 2. Daños por cavitación
Figura 3. Daños por cavitación
3
Figura 4. Daños por corrosión galvánica
Figura 5. Daños por corrosión galvánica
4
Figura 6. Daños por corrosión galvánica
Corrosión fatiga.
Esta falla se caracteriza por la acción de tensiones alternantes en presencia de un medio corrosivo. Las causas son básicamente las mismas que pueden atribuirse a la fatiga estática pero adicionando cargas cíclicas. El efecto deteriorante de la fatiga y la corrosión combinados es mucho mayor que la suma de los daños individuales, Figuras 7 y 8. Las medidas más convenientes para evitar este tipo de corrosión están basadas en eliminar las tensiones cíclicas, aumentar el tamaño o espesor en secciones críticas, reducir la concentración de tensiones o redistribuirlas, proveer una flexibilidad suficiente para reducir la sobrefatiga por expansión térmica, vibración o golpes, eliminar cambios bruscos de cargas, temperatura o presión, especificar adecuada terminación de superficie y seleccionar el esquema protector adecuado.
Figura 7. Daños por corrosión fatiga 5
Figura 8. Daños por corrosión fatiga
Corrosión por desgaste. Usualmente se define como el deterioro localizado en la interfase entre dos superficies en contacto, acelerado por un movimiento relativo de suficiente amplitud como para producir deslizamiento. Tiene lugar en superficies en contacto, generalmente bajo una carga importante y sujetas a movimientos instantáneos producidos por vibraciones de alta frecuencia, Figura 9. Posteriormente, el desgaste de la película protectora de la superficie (inorgánica pasivante, revestimientos orgánicos, etc.) puede iniciar un proceso de corrosión. La prevención de la corrosión por desgaste está basada en eliminar la transmisión de vibración, introducir barreras entre los metales que admiten deslizamiento, aumentar la carga para frenar el movimiento, suministrar capas protectores de material poroso o lubricantes adecuados, aislar las partes en movimiento de las estáticas e incrementar la resistencia a la abrasión.
Celdas de concentración. Está conformada por una celda galvánica en la que la fuerza electromotriz se debe a la diferencia de concentración de uno o más reactivos. Las causas principales están dadas ya sea por aireación diferencial (diferente presión parcial de oxígeno) generada en grietas, depósitos adherentes y depresiones profundas que influyen en el proceso difusional del oxígeno y la existencia de gradientes de concentraciones en el electrolito generados por causas diversas, Figuras 10, 11 y 12. Las medidas más efectivas consisten en reducir las irregularidades superficiales especialmente en áreas de transferencia de calor o donde se produce el ingreso de reactivos químicos u oxígeno, diseñar drenajes y un entorno uniforme, seleccionar formas que permitan una fácil limpieza y aplicación de capas protectoras, remover sólidos en suspensión por filtración, utilizar soldaduras continuas; suprimir porosidad y agrietamiento y eliminar empaquetamientos fibrosos o absorbentes.
6
Figura 9. Daños por desgaste
Figura 10. Celdas de concentración por aireación diferencial
7
Figura 11. Celdas de concentración por aireación diferencial
UNDERCUTTING
Figura 12. Celdas de concentración por aireación diferencial
8
Corrosión por electrólisis. Este tipo de corrosión se genera por flujo de corriente directa, es decir corrientes eléctricas, generalmente de naturaleza alterna, que no pueden controlarse; frecuentemente son originadas por fuentes externas a la estructura (por ejemplo, malas conexiones a tierra, etc.), que ingresan a la misma a través de un medio conductor, Figura 13. Se deben conectar los equipos adecuadamente a tierra, aislar los aparatos de las estructuras, usar fluidos no conductores, eliminar las fuentes de corriente errantes o vagabundas e incorporar placas de sacrificio (protección catódica) en los lados anódicos de las juntas aislantes.
Figura 13. Corrosión por electrólisis
Corrosión bajo tensión. Esta falla consiste en la prematura rotura producida por la acción conjunta del medio corrosivo y la tensión residual o aplicada sobre la pieza metálica, es decir que se lleva a cabo por combinación de esfuerzos elevados y la presencia de un electrolito. Los esfuerzos por las cargas estáticas en la superficie metálica y la acción corrosiva que disminuye la sección de la pieza pueden exceder el límite elástico e inclusive la carga de rotura, Figura 14. El control implica disminuir las tensiones mecánicas, asegurar una suficiente flexibilidad, aumentar el tamaño de las secciones críticas, seleccionar materiales en las uniones con un coeficiente de expansión similar, diseñar una protección adecuada y emplear un medio de naturaleza y composición conveniente.
9
Figura 14. Corrosión bajo tensión
.
Figura 15. Corrosión termogalvánica
10
Corrosión termogalvánica. Este tipo de falla es la resultante del funcionamiento de una celda galvánica generada a partir de un gradiente de temperatura; el calentamiento y disipación del calor en forma heterogénea son los responsables de la conformación de esta pila, Figura 15. Las acciones más eficientes consisten en evitar calentamientos puntuales y/o enfriamientos desiguales, emplear un revestimiento adherente y continuo e ingresar componentes termoestatizados desde el exterior al sistema.
Corrosión microbiana. La accción de los microorganismos, tales como bacterias u hongos, en forma individual o conjuntamente, y los subproductos de la propia actividad biológica atacan el metal y / o el revestimiento. Los citados productos presentan una significativa agresividad a los materiales; entre ellos se pueden mencionar compuestos ácidos orgánicos e inorgánicos y álcalis, Figuras 16 y 17. Consecuentemente y considerando las causas descriptas se debe evitar la contaminación o emplear germicidas, implementar un control químico del medio, seleccionar adecuadamente los métodos de protección por revestimientos y limpiar las superficies con la frecuencia necesaria.
Figura 16. Corrosión microbiana
11
BIOFILME
Figura 17. Corrosión microbiana
Figura 18. Corrosión por picadura
12
Corrosión por picadura. Este tipo de falla es localizado y produce una apreciable penetración en el metal, genera ndo tanto cavidades o “pittings” en el mismo o bien una discontinuidad del revestimiento protector conducente a su vez a la formación de una celda de concentración, Figuras 18 y 19. Se deben controlar las propiedades y las principales características de la película protectora (adhesión seca y húmeda, espesor, permeabilidad, etc.), seleccionar una buena geometría para prevenir ataques y especificar adecuadamente el medio electrolítico.
FALLAS POR CONDENSACI ÓN
Figura 19. Corrosión por picadura
Ataque selectivo. Este deterioro está basado en un proceso de extracción selectivo de un componente soluble de una aleación; generalmente la percolación de la aleación ocurre por la acción de un solvente sobre un elemento del metal (por ejemplo zinc, aluminio, etc.) el cual se separa y en consecuencia genera una acción corrosiva, Figuras 20 y 21. Las medidas más adecuadas implican seleccionar materiales aptos para desempeñarse eficientemente en el medio electrolítico en el cual está inserta la pieza o estructura, reducir la agresividad del medio en caso de resultar factible (por ejemplo en sistemas cerrados) o bien seleccionar método de protección convenientes.
13
Figura 20. Corrosión por ataque selectivo
Figura 21. Corrosión por ataque selectivo
14
Corrosión por alta temperatura. Este deterioro está asociado al efecto de las condiciones atmosféricas, la presencia de gases, metales y/o sales fundidas a altas temperaturas; la cinética depende de la naturaleza de los metales, de la composición del medio y del tiempo de exposición. La reducida estabilidad dimensional de los productos de corrosión (hidratación/deshidratación por cambios térmicos) producen esfuerzos de corte tangenciales a la superficie conducentes al desprendimiento parcial de las diferentes capas de óxidos, generando heterogeneidades que favorecen los procesos corrosivos, Figura 22. Las terapias más recomendadas consisten en seleccionar materiales estables a la acción térmica, ajustar la naturaleza y/o composición del medio y regular, si ello resulta posible el tiempo de contacto adverso.
Figura 22. Corrosión por alta temperatura
Daños por hidrogenación. Esta falla se manifiesta por la reducción de la resistencia mecánica producida por la inclusión de gas hidrógeno en la estructura cristalográfica del metal. Las causas más usuales se vinculan a una deficiente limpieza, a una desoxidación insuficiente, a un proceso de soldadura no adecuado y a un sobrediseño de la protección catódica, Figuras 23 y 24. Generalmente los daños por corrosión están basados en limpiar adecuadamente la superficie de los metales, seleccionar revestimientos aptos para el conjunto estructura / medio ambiente, emplear electrodos de soldadura con bajo contenido de hidrógeno, preparar satisfactoriamente la superficie, evitar la incorrecta desoxidación, inducir a esfuerzos de compresión, calentar la pieza a 90-150 ºC y controlar sistemáticamente el potencial de la pieza modificado por la protección catódica.
15
Figura 23. Daños por hidrogenación
FALLA EN SOLDADURA
Figura 24. Daños por hidrogenación
16
Corrosión intergranular. Básicamente es el ataque preferencial en bordes de granos de un metal o aleación; se caracteriza por un deterioro selectivo y un cuarteado intercristalino a lo largo de vetas intergranulares (por ejemplo, en aceros inoxidables en zonas privadas de cromo), Figuras 25 y 26. Frecuentemente, las especificaciones contemplan seleccionar materiales con un tratamiento térmico adecuado para cada caso en particular y realizar soldaduras que no generen temperaturas superiores a las empleadas en el tratamiento previo del material.
Figura 25. Corrosión intergranular
Corrosión-erosión. La falla generada por la velocidad del medio electrolítico, generalmente acelerada por abrasión debido a la presencia de partículas sólidas en suspensión, libera los productos de corrosión adheridos al metal (despolarización) y además produce un desgaste superficial, Figura 27. Para un satisfactorio control de la corrosión-erosión, se debe disminuir la velocidad del fluido con el fin de lograr un movimiento laminar, suprimir localmente turbulencias, flujos restrictivos o discontinuos, eliminar los cambios abruptos en la dirección de circulación (alinear las secciones de la cañería), evitar obstrucciones, incrementar el espesor del material en zonas críticas, realizar un diseño que permita un rápido intercambio de partes, especificar la rugosidad superficial, seleccionar revestimientos adecuados y proteger catódicamente.
17
Figura 26. Corrosión intergranular
Figura 27. Corrosión-erosión
18
BIBLIOGRAFÍA Giudice, C. A. Editorial edUTecNe, Universidad Tecnológica Nacional “Tecnología de pinturas y recubrimientos. Componentes, formulación, manufactura y control de calidad”. Giudice, C. A. y Pereyra, A. M. ISBN 978 -987-25360-2-2, 444 páginas, 2009 http://www.edutecne.utn.edu.ar/tecn_pinturas/tecn_pinturas.html http://www.edutecne.utn.edu.ar/libros_electronicos.html Giudice, C. A. Editorial edUTecNe, Universidad Tecnológica Nacional “Pinturas y recubrimientos para sustratos diversos”. Giudice, C. A.; Canosa, G.; Pereyra, A. M. y Alfieri, P. V. ISBN 978-987-1896-30-1, 318 páginas, 2014 http://www.edutecne.utn.edu.ar/libros_electronicos.html Giudice, C. A. Editorial edUTecNe, Universidad Tecnológica Nacional “Protección de materiales metálicos”. Giudice, C. A. y Canosa, G. ISBN 978 -987-1896-71-4 (online), ISBN 978-987-1896-70-7 (impreso), 284 páginas, 2016 http://www.edutecne.utn.edu.ar/pinturas_recubrimientos/proteccion_materiales_metalicos.pdf Giudice, C. A. y Canosa, G. Editorial InTech, Rijeka, Croacia “New Technologies in Protective Coatings”. ISBN 978 -953-51-5337-5 (Open Acces Book), 2016 http://www.intechopen.com Giudice, C. A. y Canosa, G. Capítulo “Flame-Retardant Systems Based on Alkoxysilanes for Wood Protection”. Book: Wood Engineering, Editorial InTech (Open Access Book), Rijeka, Croatia, ISBN 978-953-515018-3, 2016 Canosa, G. y Giudice, C. A. “Finishing Coatings Based on Aliphatic and Cycloaliphatic Epoxy Resins, Cured and Polymerized with Organosilanes”. Series Polymer Science and Technology, E -book Epoxy Resins: Synthesis, Applications and Recent Developments, Editorial Nova Science Publishers Inc., NY, USA, ISBN 978-1-63485-624-9, 2016 Giudice, C. A. ”Reinforcement fibers in zinc-rich silicate anticorrosive coatings” (18 págs.) Capítulo del libro: Corrosion Resistance. Book edited by Dr. Shih, Etch Products Group, Lam Research Corp., San Francisco, USA. Published by InTech Open Access Publishing, University Campus STeP Ri, Slavka Krautzeka 83/A, 51000 Rijeka, Croatia, ISBN 979-953307-264-6. Publicación on line 15 de diciembre de 2011; publicación impresa 30 de marzo de 2012 http://www.intechweb.org/booksprocess/allchapters/chapter/60621 http://www.intechweb.org/welcome/07e772d5bde6effcc31982a3f4fc0038/
[email protected] om Giudice, C. A.
19
“Fallas en películas de pinturas. Causas y medidas preventivas”. Manu al Prevención y Protección del Patrimonio Cultural Iberoamericano de los Efectos del Biodeterioro Ambiental (333 páginas). Programa de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo (CYTED), Subprograma XV, Red Temática XV-E Preservar, Medellín, Colombia, págs. 93-111, agosto de 2002 (ISBN 958 333 778 -1); http://www.cyted.org.ar/preservar Giudice, C. A. “Protección de la madera en edificios históricos frente a la acción del fuego”. Manual Prevención y Protección del Patrimonio Cultural Iberoamericano de los Efectos del Biodeterioro Ambiental (333 páginas). Programa de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo (CYTED), Subprograma XV, Red Temática XV-E Preservar, Medellín, Colombia, págs. 171184, agosto de 2002 (ISBN 958 333 778 -1); http://www.cyted.org.ar/preservar Giudice, C. A. “Pinturas acuosas a base de silicatos inorgánicos, modificadas con dispersiones poliméricas, para la protección del patrimonio cultural”, Manual Biodeterioro de Monumentos de Iberoamérica (201 páginas). Programa de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo (CYTED), Subprograma XV, Red Temática XV-E Preservar, Sevilla, España, págs. 19-32, setiembre de 2002 (ISBN 84-699-7746-6); http://www.cyted.org.ar/preservar Giudice, C. A., Pereyra, A. M. Manual “Producción de Pinturas” (205 páginas); Capítulos “Dispersión de pinturas: fenómenos de superficie” (págs. 29/52) y “Estabilidad de la dispersión de los pigmentos en pinturas” (págs. 53/70). Editorial Sater (Sociedad Argentina de Tecnólogos en Recubrimientos), 2007 (re-editado en 2009, 2011, 2014 y 2016)
20
