Unidad 5: Corrosión. Ciencia e Ingeniería de los Materiales.
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Índice.
Introducción…………………………………………………. Corrosión……………………………………………………..
Mecanismos y tipos de corrosión………………………. Corrosión uniforme………………………………………... Corrosión localizada……………………………………….. Oxidación…………………………………………………….. Diferencias entre Oxidación y Corrosión ……………… Protección contra la Oxidación y Corrosión………….. Conclusiones. ……………………………………………….
Bibliografía. ………………………………………………….
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Introducción.
Los requisitos que la industria moderna impone sobre útiles, herramientas y componentes mecánicos obligan a realizar un constante esfuerzo en cuatro direcciones: empleo de nuevos materiales, rediseño de los útiles, modificación de los procesos y empleo de tratamientos de superficie avanzados. Esta última solución, cuando es posible, tiene la ventaja de ser la menos traumática para los procedimientos de las empresas. La superficie de un material es la región más sensible a las agresiones del entorno. En comparación con otras causas de deterioro de un material, los problemas que afectan a la superficie (desgaste, fricción, oxidación, corrosión), requieren un consumo energético mínimo debido a que son sólo los átomos de unas pocas capas superficiales y los enlaces que los unen entre sí los que deben hacer frente a las fuerzas y ataques químicos de entorno. Estas interacciones siempre van a estar presentes y ningún proyecto de ingeniería puede considerarse completo si no se ha previsto cuál va a ser el comportamiento de la superficie
Corrosión. ¿Qué es corrosión? La corrosión no es más que una reacción química producto de la unión del metal con el oxígeno, es decir, la corrosión es un deterioro observado en un objeto metálico a causa de un alto impacto electroquímico de carácter oxidativo y la velocidad degenerativa de dicho material dependerá de la exposición al agente oxidante, la temperatura presentada, si se encuentra expuesto a soluciones salinizadas (conjugadas con sal), y por ultimo de las propiedades químicas que posean estos agentes metálicos; el proceso de corrosión es totalmente espontaneo y natural, también pueden presentar este proceso materiales que no sean metálicos. Si el metal es poroso puede llegar a su destrucción total. En otros casos, pueden producir contaminación, o accidentes en las industrias al romperse las máquinas o herramientas por oxidación; y si las estructuras metálicas son contenedoras de otras sustancias, puede provocar fuga de las mismas, por los sitios deteriorados por la corrosión. Cuando no interviene la corriente eléctrica en el proceso, sino que sólo se produce una reacción química se denomina corrosión seca. Si interviene una corriente eléctrica produciéndose una reacción electroquímica, se llama corrosión húmeda. Son factores de corrosión la atmósfera y el agua. Por eso es más frecuente que ocurra en lugares húmedos y salinos. La velocidad de la corrosión aumenta a mayor temperatura. Como se mencionó anteriormente, la corrosión es producto de una interacción oxidoreductiva entre el metal, el ambiente o el agua en donde se encuentre sumergido, de acuerdo a esto se dice que las causas más conocidas de corrosión, son las alteraciones producidas en la estructura química de un metal debido a la exposición al aire, ejemplo de este serian: la formación de una sustancia de color marrón que se forma en el hierro y el acero, degradando de tal forma a dichos materiales que pueden romperse o quebrantarse, popularmente se le conoce como oxido o herrumbre ; de igual forma puede evidenciarse la corrosión en el cobre, esta se observa con una coloración verde-negruzca en la superficie de dicho material, la mencionada coloración también puede ser visible en las aleaciones del cobre con el bronce. “
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Sin embargo, la corrosión es un fenómeno mucho más amplio que afecta a todos los materiales (metales, cerámicas, polímeros, etc.) Y todos los ambientes (medios acuosos, atmósfera, alta temperatura, etc.) Es un problema industrial importante, pues puede causar accidentes (ruptura de una pieza) y, además, representa un costo importante, ya que se calcula que cada pocos segundos se disuelven cinco toneladas de acero en el mundo, procedentes de unos cuantos nanómetros o picómetros, invisibles en cada pieza pero que, multiplicados por la cantidad de acero que existe en el mundo, constituyen una cantidad importante. La corrosión no se verifica de una manera uniforme, sino que existen determinados puntos del material donde el ataque es mayor. Esto da lugar a la formación de importantes fisuras, que pueden llegar a producir una rotura por fatiga o una fractura frágil del material, si éste se encuentra soportando una tensión de forma cíclica (cambiando de sentido o de intensidad periódicamente) o bien a baja temperatura. La corrosión puede ser mediante Una reacción química (óxido-reducción) en la que intervienen dos factores: La pieza manufacturada • El ambiente • Por medio de una reacción electroquímica. cuando la superficie metálica está en contacto con un líquido o electrolito •
Mecanismos y Tipos de Corrosión. Existen muchos tipos de procesos de corrosión diferentes que se caracterizan dependiendo tanto de la naturaleza del material y de las condiciones del medioambiente, donde se desarrollen. Una forma común de clasificar los tipos de corrosión, es mediante las siguientes cuatro categorías: corrosión generalizada, corrosión localizada, corrosión combinada con un fenómeno físico, y otros tipos Corrosión Uniforme. Se desarrolla con la misma rapidez a lo largo de toda la superficie, la corrosión causada por un ácido en un medio acuoso, cuyas propiedades protectoras sean mínimas. La corrosión generalizada, también nombrada como corrosión uniforme, ocurre sobre toda la superficie del material de forma homogénea, deteriorándolo completamente. Este tipo de corrosión es el que mayor pérdida de material provoca, pero es relativamente fácil de predecir y controlar, por lo que un accidente producido por este es de rara ocurrencia. Se puede observar comúnmente en materiales, sobre todo en la
industria de la construcción, a base de hierro no aleado con metales inoxidables, como el níquel y el cromo. La velocidad de corrosión para estos casos, es altamente influenciada por la existencia de impurezas y fases distintas en el material, ya que estas inducen a una variación en la energía potencial, formando electrodos a pequeña escala, propiciando el proceso de corrosión. Corrosión localizada. La corrosión localizada, al contrario de la corrosión uniforme, representa un mayor riesgo potencial, debido a su difícil defectibilidad ya que se manifiesta en zonas específicas en el material, determinadas tanto por la naturaleza del material, la geometría de este, y las condiciones del medio al que se somete. Los procesos de corrosión localizada de mayor ocurrencia son galvánica, por fisura, por picaduras, por cavitación y microbiológica.
Corrosión por picadura: la velocidad de la corrosión es mayor en unas zonas comparadas con otras. Se presenta en materiales pasivados, debido a las características geométricas del sistema, existe una acumulación de agentes oxidantes y un incremento del pH del medio, lo que propicia el deterioro de la capa pasivada, permitiendo que la corrosión se desarrolle en éstas zonas puntuales. Usualmente se establece una celda local entre el interior de la cavidad y la superficie externa, estando en el interior del hueco el ánodo y la superficie se convierte en cátodo. Es una forma de corrosión peligrosa debido a la dificultad para su detención, predicción y mitigación.
Corrosión Galvánica: es el resultado de la exposición de dos metales distintos en el mismo ambiente, y más notable cuando están conectados eléctricamente en forma directa; en base al potencial relativo de ambos metales, ocurre cuando existe una unión, física o eléctrica, entre metales de diferente naturaleza, lo cuales, en la presencia de un electrolito, forman una celda electroquímica, donde el material de menor potencial electroquímico es el que se corroe.
Corrosión por fisuras: Este tipo de corrosión es similar a la corrosión galvánica, que se produce en zonas estrechas donde la concentración de oxígeno es mucho menor que en el resto del sistema, y cuyo efecto induce a que estas zonas de menor concentración de oxígeno actúen como un ánodo, propiciando el proceso de corrosión, en las fisuras.
Corrosión por cavitación: Es la formación y colapso de burbujas de vapor en la superficie de contacto dinámico metal-líquido, como consecuencia de los cambios en las presiones del líquido. La corrosión por cavitación ocurre en sistemas de transporte de líquidos, hechos de materiales pasivados, donde por cambios de presión en el sistema, se producen flujos turbulentos que forman burbujas de aire, las cuales implosionan contra el material del sistema, deteriorando la capa de pasivación, facilitando el desarrollo del proceso de corrosión, de forma similar a la corrosión por picaduras, cuya diferencia se observa, en que el efecto de la cavitación es de mayor tamaño
Corrosión microbiológica: La corrosión microbiológica, en realidad no es un tipo de corrosión en sí, sino que más bien es un fenómeno que facilita el desarrollo de otros procesos de corrosión. Las bacterias son los microorganismos más influyentes en este caso, por lo que también es conocida como corrosión bacteriana y se produce en sistemas de transporte de líquido, facilitando la corrosión por picaduras. La naturaleza del líquido que se transporta en estos sistemas, propicia la acumulación y reproducción de bacterias, las cuales se aglomeran, y propician las condiciones, como variación en la concentración de sales y oxígeno, para que se desarrollen otros proceso de corrosión como el pitting.
Corrosión Intergranular: Es un tipo de ataque localizado, producida en los espacios limitantes de los granos de un metal y produce pérdida de la resistencia mecánica y de la ductilidad.
Corrosión por Fatiga: ocurre si un metal se agrieta cuando está sujeto a repetidos esfuerzos de tracción.
Agrietamiento por Corrosión bajo esfuerzos: se produce, cuando un metal en un medio corrosivo específico y a un esfuerzo de tracción constante, se agrieta de inmediato o después de un tiempo dado.
Corrosión por Hendidura: Cuando se tiene alguna discontinuidad en la geometría de la superficie del metal en presencia de un medio corrosivo se puede desarrollar este tipo de corrosión.
Oxidación. La oxidación es el proceso y el resultado de oxidar. Este verbo refiere a generar óxido a partir de una reacción química. El óxido, por otra parte, es lo que se produce cuando el oxígeno se combina un metal o con los elementos conocidos como metaloides. En otras palabras se puede decir que la oxidación es cuando un material se combina con el oxígeno del aire o del agua, transformándose en óxidos más o menos complejos, se dice que experimenta una reacción de oxidación. Cuando se produce la oxidación de un ion o de un átomo, el elemento en cuestión pierde una cierta cantidad de electrones. Considerado un sistema, la oxidación implica que uno de los elementos se desprenda de electrones y que otro los asimile. De este modo, lo que se produce es una transferencia de electrones. El elemento que concede los electrones se conoce como agente reductor y es el que se oxida. El agente oxidante, en cambio, se queda con los electrones que el reductor libera. Mientras que el estado de oxidación del primero se incrementa, el estado de oxidación del segundo se reduce. De una forma esquemática, se puede representar el proceso de oxidación de la siguiente manera: Material + Oxígeno = Óxido del material ± energía El signo + que precede a la energía indica que la reacción es exotérmica y, en consecuencia, transcurre hacia la formación del óxido. En cambio, si la reacción es endotérmica (signo para la energía), puede deducirse que el material será de difícil oxidación. Cuando un material se encuentra situado en una atmósfera oxidante, su superficie se oxida más o menos rápidamente; el óxido que se forma se deposita en la parte exterior del material recubriéndolo por completo.
Siempre que ocurre esto se produce lo que una liberación de energía, que puede darse de modo lento o rápido:
En la lenta la energía liberada en el proceso no se percibe, pues se disipa en el ambiente siendo prácticamente imperceptible, es la que podemos observar cuando se oxida un metal formando un oxido al entrar en contacto con el oxígeno del ambiente, causando su pérdida de brillo, o cuando una fruta se oxida ennegreciéndose. En la oxidación rápida la liberación de energía es inmediata y recibe el nombre de combustión, es la que podemos observar por ejemplo cuando quemamos papel, en donde el cambio químico de la materia se da en la oxidación del papel que se quema, y el oxígeno del aire.
Diferencias entre Oxidación y Corrosión. Corrosión. Oxidación.
La oxidación es la reacción de un material con el ambiente, en ausencia de liquido, básicamente es el ataque del oxígeno a un material, el cual se acentúa al incrementar la temperatura. El producto de la reacción es un oxido, si el oxido es estable se forma una capa en la superficie. La capa de oxido que se forma en el metal puede quitarse “fácilmente”
sin una alteración propiedades
de
sus
La corrosión es el deterioro de un material metálico a consecuencia de un una reacción con el ambiente pero en presencia de una solución líquida. Ocasiona un gran desgaste en el metal, llegando al punto de que puede fracturar o pulverizar.
Medidas de protección contra la corrosión y oxidación. Tratamientos de superficie Se impide la corrosión cubriendo al metal que se desea proteger con una película adherente de un metal que no se corroa. La película puede ser construida con materiales variados: metálicos, inorgánicos u orgánicos. a) Coberturas Metálicas. Fusión: El material que se desea proteger se sumerge en un baño que contiene el metal protector en estado de fusión. Así se preparan la hojalata (hierro recubierto con un baño de estaño) y el hierro galvanizado (hierro recubierto con un baño de zinc). La cobertura con plomo consiste en alear el plomo con el metal a cubrir, por medio de la fusión. Se limpia el metal por medio de un chorro de arena comprimido (decapado) para quitar impureza, grasa y óxidos y se vuelca sobre la superficie, el plomo fundido. Cementado: Este procedimiento consiste en calentar al metal que se desea proteger, con otro metal (protector) en polvo, a una temperatura inferior al punto de fusión del metal menos fusible. Según el metal que se emplea para cubrir por cementación al hierro, el proceso toma nombres variados: Cementado con cinc: Shedarizado. • Cementado con cromo: Cromizado. • Cementado con silicio: Siliconado. • Recubrimiento electrolítico: Por medio de este método se cubre al hierro con un baño de metal protector que se deposita por un proceso electrolítico. El objeto a cubrir, actúa como cátodo en una cuba electrolítica. La solución de la cuba es de una sal del metal que se emplea como protector. El ánodo está constituido por el metal protector. Para lograr un buen depósito se debe pulir bien la pieza a proteger. Los metales que se emplean como agentes protectores, son el cobre (para proteger a los metales que no van a estar en contacto con alimentos), el cinc (galvanizado), el estaño (hojalata), el cromo, el níquel , el oro y la plata. Enchapado: Se llama así al recubrimiento de metales no nobles con láminas de metales nobles. Así se preparan lingotes de hierro protegidos con láminas de cobre que puede, luego, laminarse o reducirse a alambres. Aspersión catódica: En una cámara de vacío, provista d un ánodo y un cátodo (este último, construido con el metal con el cual se desea recubrir a los objetos que se deben proteger de la herrumbre), se colocan las piezas metálicas. Se produce una descarga de 1000 a 2000 voltios. El cátodo se »
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volatiliza, depositándose su vapor metálico sobre los objetos que se desean proteger.
b) Coberturas Inorgánicas. Vidriado: Se prepara el esmalte vidriado fundiendo una mezcla de cuarzo (SiO2) y feldespato con fundente como la criolita (3NaF;AlF3) y el carbonato de sodio. El objeto a vidriar se sumerge, previa limpieza y desengrasa miento del mismo, en dicha mezcla o se aplica ésta a soplete. Se colocan, luego, las piezas así cubiertas en un horno que las deja esmaltadas. Fosfatizado: Por este método se logra la protección del Fe, Cd, Al, Mg, Cu y sus aleaciones, con una solución de Ácido fosfórico / sal del ácido fosfórico, en determinadas condiciones. Este método de protección se emplea para lograr: mejorar la adherencia de pinturas o recubrimientos plásticos, mejorar la lubricación para procesos de deformación en frío (estampado, laminado, embutido, estirado, etc.) y para crear una capa antifricción. Sulfinizado: Se protege, por este método, al hierro y acero, sumergiéndolo en un baño salino constituido por sulfito de sodio, cloruro y cianuro de sodio, a una temperatura de más de 500 ºC. Se forma un sulfocianuro de sodio que cubre el metal, penetrando en el mismo, formando una capa de menos de medio milímetro de espesor. Las piezas sulfinizadas adquieren una enorme resistencia al desgaste. »
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c) Protección por coberturas orgánicas: Este tipo de protección está constituido por pinturas, barnices y lacas. Al secar, la pintura forma una película, que cubre la superficie pero es independiente de ésta y a diferencia del fosfatizado, no reacciona con el material de la superficie. Las pinturas pueden ser al aceite, a la caserna o al látex Pintura: Las pinturas pueden evitar que los electrolitos tomen su parte necesaria en el proceso de corrosión. Muchas pinturas naturalmente la desalientan ya que a menudo contienen sales de metales pesados orgánicos. »
d) Protección catódica: El proceso de corrosión del Acero considera un flujo de electrones que abandonan la superficie metálica con la consecuente disolución del Acero en forma de iones Fe++. Durante la protección catódica a través de un circuito eléctrico externo o
sistema de nodos de sacrificio, se imprime corriente a la superficie metálica invirtiendo el sentido del flujo de electrones y evitando así la disolución del fierro.
e) Inhibidores: El método consiste en añadir productos químicos al electrolito (inhibidores) que actúan como catalizadores modificando la velocidad de la corrosión disminuyéndola. Por ejemplo, las sales de cromo realizan esta función en los radiadores de los coches. f) Pasiva dores (protección anódica): Se dice que un metal tiene pasividad natural cuando al oxidarse se forma una fina capa de óxido que impide la corrosión del mismo, como ocurre con el aluminio, el cobre, etc. Este mismo efecto puede conseguirse de forma artificial en ciertos metales sumergiéndolos en algunos ácidos.
Conclusiones. El proceso de corrosión debe ser visto como un hecho que pone en evidencia el proceso natural de que los metales vuelven a su condición primitiva y que ello conlleva al deterioro del mismo. El estudio de la manifestación de la corrosión y oxidación en los diferentes tipos de materiales que existen en el mundo actual garantiza que se pueda realizar una correcta protección o prevención para evitar el desgaste de los mismos. Es importante que conozcamos las diferencias que existen entre la oxidación y corrosión, pues estos determinan si hay un cambio profundo en el material, en el cual pueden cambiar por completo sus propiedades, o solo un cambio estético como en el caso de la oxidación. Es este proceso el que provoca la investigación y el planteamiento de fórmulas que permitan alargar la vida útil de los materiales sometidos a este proceso.
Bibliografía.
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