Tecnología de los materiales
Manuel Romero González
Docente: Ofelia Bejarano Urrutia
Delicias, Chihuahua 23/11/2022
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Corrosión Metálica: Causas, Consecuencias y Prevención, Apuntes de Tecnología de Materiales
Las funciones y propiedades de algunos materiales, el proceso de corrosión y sus efectos negativos en estructuras metálicas, construcciones, maquinaria y herramientas. Además, se presentan métodos para evitar la corrosión mediante el diseño, recubrimientos, inhibidores, protección catódica y selección de materiales.
Tipo: Apuntes
2021/2022
1 / 14
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Tecnología de los materiales Manuel Romero González Docente: Ofelia Bejarano Urrutia Delicias, Chihuahua 23 / 11 /
Existe un fenómeno natural que no siempre podemos ver a simple vista y que es perjudicial para todo tipo de materiales. Inicia como óxido en su superficie y termina con su desintegración, a este fenómeno se le conoce como corrosión, y ¿qué se puede hacer para evitar que los materiales se corroan? bueno, es necesario aplicar métodos de protección contra la corrosión. Todos los materiales poseen características particulares, que ayudan a distinguirlos y permiten seleccionar el más adecuado para realizar funciones específicas. Algunas funciones son: interruptores que reaccionen de manera instantánea, aislantes que soporten altos voltajes, estructuras sólidas y confiables que sean estéticas y resistan la corrosión, tuberías que soporten la abrasión, estructuras para autos de poco peso pero a la vez resistentes, materiales que soporten altas y gélidas temperaturas para aeronaves, entre otros. Con lo anterior se puede determinar que existe una inmensa cantidad de materiales disponibles según su uso, y se clasifican en cuatro grupos: 1 - Metales: acero y sus aleaciones, acero inoxidable, aluminio, zinc, cobre, níquel, son materiales muy útiles en aplicaciones estructurales o de carga. 2 - Cerámicos: ladrillo, vidrio, porcelana, refractarios, presentan una excelente resistencia a altas temperaturas. 3 - Polímeros: hules, plásticos, adhesivos, son aislantes y flexibles, ligeros con excelente resistencia a la corrosión. 4 - Compuestos: concreto, madera contrachapada, se usan para fabricar materiales ligeros, resistentes, dúctiles, con resistencia a altas temperaturas. Todos los materiales presentan un grado de deterioro que se agrava con el paso del tiempo cuando no se aplica un método de protección. El deterioro provocado por la corrosión tiene efectos nocivos para las estructuras metálicas, construcciones, puentes, medios de transporte, maquinaria, herramientas; que se desencadena en fallas, que a su vez provocan daños estéticos, comportamientos fuera de parámetros normales, debilitamiento y fractura de materiales, disminuyendo su vida útil. ¿Qué es la corrosión? La corrosión es un término que se utiliza para describir el proceso de deterioro de materiales metálicos (incluyendo tanto metales puros, como aleaciones de estos), mediante reacciones químicas y electroquímicas (Revie y Uhlig 2008). Para el caso de otros tipos de materiales, como los polímeros y cerámicos, se utiliza el término degradación. ¿Cómo se produce la corrosión? Según el tipo de reacción que se lleva a cabo, se clasifican en: química y electroquímica. En la corrosión química o disolución directa (sin paso de corriente), los materiales se disuelven en un medio líquido corrosivo y continúa disolviéndose hasta que se consumen totalmente o se satura el líquido. Un ejemplo es cuando mezclamos sal en agua y agitamos hasta que queda disuelta. La corrosión electroquímica (con paso de corriente o desplazamiento de electrones), es un proceso espontáneo que conlleva una zona que sufre de corrosión (ánodo que pierde electrones), un cátodo (recibe electrones, generalmente el oxígeno) y un medio conductor (o electrolito, se refiere al medio como puede ser cuando se sumergen o entierran los materiales, o quedan expuestos al agua condensada en el ambiente cuando la humedad relativa es mayor al 70%). La corrosión más frecuente es de naturaleza electroquímica. Un ejemplo común, es el óxido superficial amarillo a anaranjado que notamos cuando dejamos una pieza de acero expuesta al medio ambiente. La mejor forma de evitarla es impidiendo el contacto entre el metal y el medio que lo rodea. Para ello se aplican recubrimientos con el fin de aislar al metal base o evitar el contacto directo con otros materiales. En la vida cotidiana siempre va a existir contacto entre los materiales y el medio que los rodea. Si estos no se protegen, el proceso de corrosión va a seguir hasta destruirlos. ¿Cuáles son las principales causas de la corrosión? Para todos los materiales, dependiendo de sus características y las condiciones del medio que los rodea, la velocidad a la que se corroen es distinta. Además de la humedad en el ambiente, también encontramos la exposición a altas temperaturas, la salinidad ambiental por cercanías con el mar y la contaminación industrial con dióxido de azufre concentrado. Las aleaciones que contienen hierro o aleaciones férricas, como el acero, son los ejemplos más comunes pues el proceso de corrosión es más rápido.
recubrir otros metales son el zinc, níquel, cobre, cadmio, cromo, estaño. Se distinguen varios métodos según el modo en que se deposita la capa: (1) por difusión (sherardización, silicación, cromizado, aluminación); (2) por electrodeposición (niquelado, cromado, dorado, plateado, zincado, cobrizado); y (3) por inmersión (galvanizado) (d) Los recubrimientos por conversión química se producen por una reacción química con la superficie. Los líquidos como las soluciones con fosfatos de zinc, forman una capa no metálica de fosfato sobre la superficie del metal base. Esta capa es porosa y se suele utilizar para mejorar la adherencia entre la superficie y la pintura. Las capas de óxido no conductor, no poroso, adherente y estable se forman en la superficie del aluminio, del cromo y del acero inoxidable, estos óxidos evitan el proceso de corrosión. En el acero se forma una capa de óxido característica de color azul que mejora su aspecto y evita que se corroa, conocido como pavonado. 3 - Inhibidores. Un inhibidor de la corrosión es un producto químico (con sales de cromatos, fosfatos o molibdatos), que se agrega en pequeñas concentraciones sobre el metal para aislar su superficie de la humedad y el oxígeno, evitando o disminuyendo el proceso de corrosión. Existen varios tipos de inhibidores de la corrosión a base de agua, aceite, acuoso o seco. Se utilizan en sistemas de enfriamiento o disipadores de calor tales como en radiadores, torres de enfriamiento y calderas. 4 - Protección catódica. Se puede proteger contra la corrosión suministrando electrones al metal y forzándolo a ser un cátodo. La protección catódica se realiza utilizando un ánodo de sacrificio que se une al metal a proteger formando un circuito electroquímico. El ánodo de sacrificio se corroe y destruye suministrando electrones al metal, evitando así el proceso de corrosión en el metal. Los ánodos de sacrificio son por lo general de zinc o magnesio. El uso más común es para impedir la corrosión en tuberías enterradas, barcos, submarinos, plataformas marinas de perforación y calentadores de agua. 5 - Pasivación. Se entiende por pasividad a la propiedad que tienen ciertos materiales (metales y aleaciones) de permanecer inertes en determinados medios. La pasivación o protección anódica, es un método que consiste en recubrir un metal con una capa fina de óxido para que no se corroa. Se realiza exponiendo el metal a soluciones oxidantes altamente concentradas que producen una fuerte polarización anódica (ralentizando la corrosión de los materiales). De aquí el término protección anódica. Si el hierro es sumergido en ácido nítrico muy concentrado, se corroe rápida y uniformemente formando un delgado recubrimiento protector de hidróxido de hierro. La pasivación del aluminio se denomina anodizado y se produce un recubrimiento grueso de óxido permanente. Esta capa de óxido puede ser teñida con anilinas para obtener colores de apariencia metálica. Una particularidad del aluminio es que en contacto con el aire genera espontáneamente esta capa de óxido. El caso más relevante a nivel industrial es el de los aceros inoxidables. Cuando se genera una aleación entre el cromo y el hierro con una concentración mayor al 12% en peso, adquiere este comportamiento de polarización anódica en la aleación. 6 - Selección de materiales y tratamiento. Se puede minimizar o evitar la corrosión seleccionando los materiales resistentes a ésta, eligiendo los tratamientos térmicos adecuados y respetando las restricciones de su aplicación (masa, resistencia a la deformación, resistencia a la corrosión, evitar reacciones químicas con otros materiales, al calor). Por ejemplo, cuando los metales se conforman a través del doblado, las diferencias en la cantidad de trabajo en frío y esfuerzos residuales producen zonas de esfuerzos locales, éstos pueden minimizarse por eliminación de esfuerzos o una recristalización completa por efecto de un recocido. Para concluir, la composición y la integridad física de los materiales se ven alteradas por estar expuestos a un medio ambiente corrosivo, pero aplicando la protección contra la corrosión correspondiente, la vida útil de los productos va a ser mayor, van a tener un óptimo desempeño, con buena estética y presentación, previniendo fallas y por consiguiente accidentes, entre otros beneficios (dependerá del método que se aplique). Existen diversos métodos para evitar la corrosión y el desempeño de estos depende en buena parte de la habilidad para elegir el método más adecuado para minimizar los efectos de la corrosión y evitar que los materiales fallen.
PROTECCIÓN POR RECUBRIMIENTO
"La protección por recubrimiento consiste en crear una capa superficial o barrera que aísle el metal del entorno." En principio es el método más evidente, cubrimos el material por una capa de otra sustancia que no se oxida y que impide que el material sensible entre en contacto con el oxígeno y la humedad. Dentro de este tipo de protección podemos diferenciar: Recubrimiento No Metálicos
- Pinturas y barnices: Método económico. Precisa que la superficie del material a proteger se encuentre limpia de óxidos y grasas. El minio, pintura que contiene en su composición óxido de plomo, es uno de los más empleados.
- Plásticos: Son muy resistentes a la oxidación. Tienen la ventaja de ser muy flexibles, pero tienen muy pobre resistencia al calor, el más habitual es el PVC.
- Esmaltes y cerámicos: Tiene la ventaja de resistir elevadas temperaturas y desgaste por rozamiento. Recubrimiento Metálicos Se distinguen varios métodos según el modo en que se deposita la capa protectora:
- Inmersión: Se sumerge el metal a proteger en un baño de otro metal fundido. Al sacarlo del baño, el metal se solidifica formando una fina película protectora. Los metales más comúnmente empleados en estos procedimientos son:
- Estaño (estañado) , se utiliza mucho en las latas de conserva (la hojalata).
- Cinc (galvanizado) , es el más empleado para proteger vigas, vallas, tornillos y otros objetos de acero.
- Aluminio (aluminización) , es muy económico y de gran calidad.
- Plomo (plombeado) , para recubrir cables y tuberías.
- Cuando el riesgo de corrosión es muy elevado se recomienda hacer un recubrimiento con Alclad. El Alclad es un producto forjado, formado por un núcleo de una aleación de aluminio y que tiene un recubrimiento de aluminio o aleación de aluminio que es anódico al núcleo y por lo tanto protege electroquímicamente al núcleo contra la corrosión.
- Electrodeposición: Se hace pasar corriente eléctrica entre dos metales diferentes que están inmersos en un líquido conductor que actúa de electrolito. Uno de los metales será aquel que queremos proteger de la oxidación y hará de cátodo. El otro metal hará de ánodo. Al pasar corriente eléctrica, sobre el metal catódico se crea una película protectora. Con este método se produce el cromado o niquelado de diversos metales.
- Protección por capa química , se provoca la reacción de las piezas con un agente químico que forme compuestos de un pequeño espesor en su superficie, dando lugar a una película protectora por ejemplo:
- Cromatizado. Se aplica una solución de ácido crómico sobre el metal a proteger, formándose una película de óxido de cromo que impide su corrosión.
- Fosfatación. Se aplica una solución de ácido fosfórico y fosfatos sobre el metal. Formándose una capa de fosfatos metálicos sobre el metal, que la protegen del entorno.
DISEÑO
"Tal y como hemos visto en el punto anterior existe una gran cantidad de sistemas para controlar la corrosión. Sin embargo quizás el método más eficaz sea realizar un buen diseño y elección de los materiales a emplear en las aplicaciones industriales, de tal forma que se evite dicho fenómeno." Vamos a enumerar algunas reglas generales que se deben tener en cuenta:
- En necesario considerar la capacidad penetrante de la corrosión en los materiales utilizados.
- Analizar los esfuerzos mecánicos a que se someterán los materiales. Este factor es muy importante cuando se proyecten tuberías y tanques que contengan líquidos.
- Deben utilizarse metales próximos en la tabla de electronegatividad. Si se atornillan metales que no estén próximos en la tabla galvánica se deben usar arandelas no metálicas para evitar contactos eléctricos entre estos materiales.
- Se recomiendan los depósitos soldados a los remachados para reducir la corrosión por grietas.
- Es necesario evitar concentraciones de tensiones en zonas propensas a la corrosión, para prevenir la ruptura por corrosión debida a esfuerzos, sobre todo con aceros inoxidables, latones y materiales propensos a este tipo de fenómeno.
- Se deben evitar recodos agudos en redes de tuberías. En las zonas den las que el fluido sufre un cambio de dirección se potencia la corrosión por erosión.
- El diseño de tanques y recipientes debe favorecer su limpieza y desagüe , ya que el estancamiento de sustancias propicia la aparición de fenómenos corrosivos.
- Se debe hacer un diseño eficiente de las piezas que se espera se degraden en tiempos breves, para que sean fácilmente reemplazables.
- Los sistemas de calefacción se tienen que diseñar de manera que no aparezcan zonas puntuales calientes , puesto que los cambios de temperatura favorecen la corrosión. MODIFICACIÓN DEL ENTORNO "Uno de los factores determinantes en la velocidad y grado de los procesos de oxidación son las condiciones ambientales. El control o modificación de estas condiciones permitirá controlar y minimaz el proceso." El objetivo es pues alterar alguno de estos parámetros. Los métodos más utilizados son:
- Disminución de la temperatura: Con ello se consigue disminuir la velocidad de reacción, disminuyendo el riesgo de corrosión.
- Reducción de la velocidad de un fluido corrosivo: Así conseguimos disminuir la corrosión por erosión. Es muy interesante cuando se trabaja con metales y aleaciones susceptibles de pasivación. Es importante evitar las disoluciones estancadas.
- Eliminar el oxigeno de soluciones acuosas: Minimiza la corrosión, especialmente en las calderas de agua.
- Reducción de la concentración de iones corrosivos en el electrolito que está corroyendo un metal anódico: acarrea una disminución de la velocidad de corrosión, muy empleado en aceros inoxidables. Medidas de defensa contra la corrosión.
Recubrimientos: Estos son usados para aislar las regiones anódicas y catódicas e impiden la difusión
del oxígeno o del vapor de agua, los cuales son una gran fuente que inicia la corrosión o la oxidación.
Elección del material: La primera idea es escoger todo un material que no se corroa en el ambiente
considerado. Se pueden utilizar aceros inoxidables, aluminios, cerámicas, polímeros (plásticos), FRP,
Refiriéndonos al caso del acero como el material de más amplia utilización, la selección de un
determinado recubrimiento metálico se puede efectuar y justificar sobre la base de una de las
siguientes propiedades físicas, cuando se trata de proteger de una manera eficaz y económica la
superficie del acero en condiciones determinadas:
- Impermeabilidad, esto es, que el recubrimiento sea continuo y de espesor suficiente, lo cual permitirá
aislar la superficie del acero de los agentes agresivos.
• Resistencia mecánica de los metales utilizados en los recubrimientos, para garantizar una buena
resistencia a los choques, rozamientos ligeros o accidentales, etc.
• Buena adherencia al acero.
• Posibilidad de facilitar superficies pulidas o mates, capaces de conferir a los objetos un acabado con
fines decorativos.
Para obtener buenos resultados con los recubrimientos metálicos, hay que tener en cuenta una
serie de operaciones que deben llevarse a cabo con anterioridad a la aplicación del
recubrimiento.
Estado de la superficie a proteger. Preparación de la superficie
La limpieza y puesta a punto de la superficie del acero antes de la aplicación de un recubrimiento
metálico, son operaciones indispensables, sea cual sea el procedimiento de aplicación escogido. De
la calidad de la preparación de la superficie dependerá la adherencia y, en consecuencia, la eficacia
de la capa protectora.
Según el estado actual de la superficie por proteger, más o menos oxidada, se puede seleccionar el
procedimiento mecánico de limpieza más adecuado, desde el granallado, chorreado de arena,
pasando por una limpieza química o electroquímica, como los baños ácidos, con corriente eléctrica o
sin ella.
La selección de un recubrimiento está en función de las dimensiones de los objetos y de la extensión
de la superficie que se quiere recubrir.
Los procedimientos que se aplican en recintos como hornos, cubas electrolíticas o crisoles, sólo
pueden utilizarse para aquellas piezas cuyas dimensiones no están limitadas por su capacidad. Esto
es válido para la galvanización, electrólisis, tratamientos térmicos. Por el contrario, la metalización con
pistola permite efectuar recubrimientos metálicos independientemente de las dimensiones de la pieza,
en razón de la movilidad del equipo.
Inmersión en un metal en fusión
Después de una adecuada preparación superficial (un decapado ácido por ejemplo), las piezas de
acero se sumergen momentáneamente en un baño de un metal en fusión. Esta operación puede
realizarse para una sola pieza o para un conjunto, o también en continuo para productos siderúrgicos
como tuberías láminas, trefilados, etc. Tal técnica se utiliza habitualmente para los recubrimientos de
cinc (galvanización en caliente), aluminio (aluminizado), estaño y plomo.
Después del enfriamiento, las piezas ya recubiertas pueden someterse a un tratamiento
complementario de pasivación en ciertos casos.
Metalización por proyección con pistola
Esta técnica consiste en proyectar sobre la superficie del acero, ya preparada en unas condiciones
especiales (por chorreado con arena o granallado), un metal en estado de fusión por medio de una
pistola.
El espesor del recubrimiento se puede controlar fácilmente por el operador y puede variar según
la naturaleza del metal proyectado y el resultado que se espera obtener. La mayoría de los metales o
aleaciones pueden aplicarse de esta manera: cinc, aluminio, acero inoxidable, estaño, plomo, níquel,
cobre, etc.
Electrólisis
Después de una cuidadosa preparación superficial que incluye un decapado ácido, seguido de
neutralización y lavado, las piezas por tratar se sumergen en soluciones que contienen sales de los
metales a depositar. Las piezas se colocan en posición catódica, conectadas al polo negativo de un
generador. Bajo la acción de la corriente eléctrica proporcionada por el generador, el acero se recubre
del metal contenido en el baño o bien puede ser suministrado por un ánodo soluble del metal en
cuestión.
Los metales corrientemente depositados por vía electroquímica son: cromo cobre, níquel, cinc,
cadmio y estaño. Los depósitos obtenidos son por lo general de espesor pequeño (2 a 30 micrones).
Tratamientos termoquímicos de difusión
Los tratamientos termoquímicos de difusión, también conocidos como cementación, consisten en
colocar las piezas de acero a tratar en una mezcla de polvo metálico y de enlazante (cemento) en un
recinto a alta temperatura. El metal protector (recubrimiento) se difunde superficialmente en el metal
base y forma una capa eficaz contra la corrosión. Los metales corrientemente aplicados por este
método son el cinc (sherardización) y el aluminio.
Placado
Después de un tratamiento superficial especial, la lámina del metal para aplicar y el metal base se
someten a un proceso de colaminación en caliente, obteniéndose al final lámina de acero recubierta
del metal aplicado. Este proceso puede efectuarse sobre una o las dos caras de la lámina del acero.
El acero inoxidable, níquel y el cobre se aplican comúnmente por esta técnica.
➢ ANODICOS (alteran la reacción anódica)
➢ CATODICOS (alteran la reacción catódica)
➢ MIXTOS (alteran la reacción catódica)
Inhibidores catódicos
Son menos eficaces que los anódicos. Estos actúan formando una capa protectora entre el metal
y el electrolito. Esta capa tiene una alta resistividad eléctrica, por lo que es una barrera para la corriente
(corriente anódica).
Protección catódica