Contenido: Definición. Mecanismos básicos de la corrosión. La serie de la fuerza electromotriz. Celdas galvánicas. Celdas de concentración. Pasivación. Formas de corrosión.
Objetivo: Al finalizar la competencia describirá los fundamentos teóricos de la corrosión, sin error.
Definición
La corrosión es un ataque químico gradual a un metal, por su medio ambiente, que da por resultado la conversión del metal en un óxido, una sal o algún otro compuesto. Los metales que han experimentado corrosión pierden su resistencia, su ductilidad y otras propiedades mecánicas y físicas convenientes. El ataque corrosivo se produce frecuentemente en combinación con otros mecanismos de fallas, tales como la fatiga, la erosión y el esfuerzo.
Hay muchos tipos de medios corrosivos, tales como el aire, las atmósferas industriales, el suelo, los ácidos, las bases y las soluciones salinas.
Con frecuencia, se produce una corrosión a elevadas temperaturas, en medios que, a bajas temperaturas, son por lo común inertes. En este capítulo se destacan las características comunes de los diversos tipos de corrosión, se describen sus mecanismos básicos y se dan varios ejemplos de tipos específicos de ese fenómeno. Asimismo, se describen métodos para evitar la corrosión.
Mecanismos básicos de la corrosión
La corrosión es el medio químico por el que se deterioran y destruyen los metales y se han reconocido dos mecanismos básicos: el ataque químico directo y el ataque electroquímico, que puede subdividirse en cierto número de formas diferentes de corrosión.
Por lo común, se encuentran implicadas una o más de las reacciones químicas, sea cual fuere el mecanismo básico por el que se efectúa el ataque.
El ataque químico directo incluye todos los tipos de corrosión en los que no hay un flujo apreciable de corriente a través del metal, en distancias apreciables. Por supuesto, los electrones abandonan los átomos de un metal, cuando éstos se convierten en cationes metálicos de un compuesto; sin embargo, no hay un flujo de electrones por el metal a escala macroscópica, y no hay zonas macroscópicas claras del ánodo y cátodo.
El ataque químico directo da como resultado una reacción uniforme sobre toda la superficie expuesta. Por lo común, se produce en el material metálico una capa escamosa o un depósito de espesor uniforme. Aunque dicho depósito se adhiere frecuentemente muy bien, son también comunes las capas depositadas que no se adhieren.
El ataque electroquímico es el segundo mecanismo principal de la corrosión y se caracteriza por el establecimiento de zonas catódicas y anódicas, separadas por distancias finitas y entre las que fluyen electrones, a través del metal. En el corrosivo electrolítico, la electricidad fluye por medio del movimiento de los iones, de modo que el ataque es localizado, más que uniforme, como es el caso en el ataque químico directo.
Se presentan celdas galvánicas o de concentración, dependiendo de las circunstancias de la corrosión. A veces, existen simultáneamente ambos tipos de celdas. La corrosión de celda de concentración se subdivide, además, en celdas de concentración de iones metálicos y celdas de concentración de oxígeno. En las cuatro secciones siguientes se analizan esos tipos de celdas electroquímicas y la corrosión causada por ellas.
La serie de la fuerza electromotriz
Antes de poder analizar la corrosión de celdas galvánicas, es preciso que veamos la serie de la fuerza electromotriz. La serie es una indicación de la tendencia reductora de los elementos ordenados en el orden decreciente de esa tendencia, que se determina midiendo el voltaje producido en una celda electrolítica especial.
Uno de los electrodos de la celda consiste en un elemento sumergido en una solución salina de sí mismo, con una concentración estándar.
El otro se compone de hidrógeno que burbujea sobre un conductor de platino sumergido en una concentración estándar de iones de hidrógeno. La producción de un potencial positivo indica que la tendencia del metal a reducir los iones de hidrógeno es mayor que la del hidrógeno a reducir los iones del metal.
Los metales de mayor (en sentido algebraico) potencial de electrodo simple, reducirán a los que tengan potenciales de electrodo simple menores. Los metales que tienen potenciales monoelectródicos algebraicamente grandes se denominan metales activos; los que tienen un potencial pequeño son pasivos. Las palabras activo y pasivo son términos relativos. Los metales activos reaccionan con facilidad con los elementos no metálicos, tales como el oxígeno, el azufre y los halógenos. Los metales menos activos incluyen a los nobles que son tan inertes que, por lo común, no reaccionan con las substancias no metálicas.
Por ello, los metales nobles se encuentran libres o sin combinarse en la superficie terrestre, mientras que los metales activos, por lo general, se encuentran combinados con otros elementos. Si se conectan eléctricamente pedazos de diferentes metales limpios, y se colocan en un electrólito, el más activo de ellos tenderá a entrar en solución, mientras que el menos activo tiende a ser protegido contra la disolución. Así pues, la serie de fuerza electromotriz indica las tendencias relativas a entrar en solución de los diversos metales.
Celdas galvánicas
Cuando se conectan eléctricamente dos metales distintos y se sumergen en una solución electrolítica, se forma una celda galvánica. Cuando este último se disuelve, se deposita en el cátodo una cantidad electroquímicamente equivalente de hidrógeno o del elemento metálico de menor potencial de electrodo, se deposita en el cátodo. En esa forma, el ánodo se disuelve y el cátodo queda protegido. Cuando se disuelve el ánodo, para formar iones, se liberan electrones, que fluyen por cualquier conexión eléctrica presente, y llegan al cátodo.
Allí, neutralizan las cargas positivas de los iones que salen de la solución. Inicialmente, esa celda producirá cierto voltaje, dependiendo de los metales que se seleccionen como electrodos, el tipo y la concentración del electrólito y la temperatura de la celda.
El voltaje disminuirá muy pronto y la rapidez del ataque se hará menor, debido a la polarización, que se produce a causa del vaciado de iones del electrólito en la región del cátodo, y por la excesiva concentración de iones en la zona del ánodo. Si la celda es de tal índole que se descargue hidrógeno en el cátodo y se libere oxígeno en el ánodo, el voltaje de la celda se reducirá todavía más, puesto que los electrodos quedarán recubiertos por burbujas gaseosas.
El efecto neto es una disminución de la actividad de la celda, en comparación con la que tenía inicialmente, cuando las dos superficies electródicas limpias se sumergieron en el electrólito.
Celdas de concentración
Si se sumergen dos pedazos del mismo metal, conectados eléctricamente, en dos concentraciones diferentes de oxígeno disuelto o de un electrólito, se produce una celda de concentración.
Se producirá el mismo resultado si se exponen dos áreas de un mismo pedazo de metal a dos concentraciones distintas de oxígeno disuelto o un electrólito.
El ataque se produce en la superficie, en la zona de baja concentración de oxígeno o electrólito, y ese metal o superficie metálica se convierte en el ánodo. El metal que se encuentra en la zona de alta concentración se convierte en el cátodo de la celda, y los electrones fluyen al interior del metal, dela zona anódica a la catódica. Así pues, las celdas de concentración son de dos tipos: 1) celdas de concentración de iones metálicos y 2) celdas de concentración de oxígeno.
Pasivación
Las condiciones en que se encuentre la superficie de una sustancia metálica influyen de un modo importante en su potencial de solución o su tendencia a corroerse. Si el medio corrosivo reacciona con el metal, pan formar una cubierta protectora adherente que inhibe cualquier deterioración posterior, se dice que se ha producido una pasivación. Este fenómeno altera la posición del metal en la serie de fuerza electromotriz, cambiando la actividad química del metal.
Un buen ejemplo de pasivación lo ofrecen el aluminio y sus aleaciones. Aunque tienen altos potenciales de electrodo, no se corroen en la atmósfera con tanta facilidad como el hierro y el acero ordinario, que son materiales mucho menos activos. Este comportamiento se explica por la formación de una película densa y muy adhesiva de óxido de aluminio, que protege eficazmente al metal que se encuentra bajo ella, mientras que la película de óxido (herrumbre) que se forma sobre el hierro y el acero no se adhiere estrechamente al metal; por lo tanto, el acero no recibe una protección tan buena de sus óxidos como el aluminio de los suyos.
Sin embargo, el acero inoxidable es una aleación especial de hierro y cromo, que resiste la corrosión, debido a la formación de una capa pasiva compleja (posiblemente un óxido que contenga tanto cromo como hierro). Aunque las películas de óxido explican numerosos ejemplos importantes de pasivación, no son las únicas películas pasivadoras encontradas.
Formas de corrosión
La corrosión se puede presentar de varias formas que difieren en apariencia. En las secciones siguientes estudiaremos las distintas formas de corrosión que puede encontrarse el científico de los materiales.
Corrosión general
La corrosión general es la forma más común que se puede encontrar y la más importante en términos de pérdidas económicas. Se caracteriza por un ataque más o menos uniforme en toda la superficie expuesta con solamente variaciones mínimas en la profundidad del daño.
En los sistemas donde no se presenta el ataque general, no es usual que produzcan una falla repentina, inesperada, porque su ocurrencia y la proporción de ataque se puede determinar y predecir con pruebas de laboratorio. Los resultados de estas pruebas proporcionan datos sobre los materiales tecnológicos en varios medios ambientes.
Corrosión galvánica
Se puede producir un tipo serio de daño por corrosión cuando dos o más metales distintos se acoplan eléctricamente y se colocan en un electrólito. Esto se conoce como corrosión galvánica y resulta por la existencia de una diferencia de potencial entre los metales acoplados que causa un flujo de corriente entre ellos.
El metal más activo padece una corrosión acelerada, mientras que la corrosión en el miembro menos activo del par se retarda o se elimina.
Al diseñar un sistema en el que se incluyen metales diferentes, es esencial saber cuál metal del cople será el más propenso a sufrir una corrosión acelerada. El fundamento para establecer la reactividad de varios metales en un par es la diferencia relativa en el potencial electroquímico entre los dos miembros del par.
Al tratar con problemas de corrosión es importante distinguir entre las series electromotivas y la serie galvánica similar pero diferente. La primera solo es verdadera para metales puros en concentraciones específicas de sus propias salas. No se encuentran con frecuencia metales aplicados bajo estas condiciones ideales. Al estudiar la corrosión galvánica, utilizamos un rango semejante fundado en la experiencia real ganada con varios metales o aleaciones en ambientes específicos de interés.
La corrosión galvánica se puede presentar cuando una estructura hecha de una aleación tiene componentes de una aleación diferente incluso si los componentes son del mismo tamaño.
Corrosión por hendiduras
La corrosión por hendiduras es un tipo de ataque corrosivo que se presenta dentro de espacios confinados o hendiduras que se forman cuando los componentes están en contacto estrecho.
Las hendiduras pueden existir en cualquier ensamble, pero parece que se necesitan ciertos requerimientos geométricos. Para que se presente la corrosión por hendiduras, la hendidura debe ser muy cerrada, con dimensiones menores a un milímetro. Aunque no se han definido los límites de la brecha, es conocido que no se presenta la corrosión por hendiduras en espacios más grandes.
Picaduras
Las picaduras son una forma localizada de corrosión en la que el ataque está confinado a muchas cavidades pequeñas en la superficie del metal. Las cavidades que se forman pueden variar en cantidad, tamaño y forma.
El picado se puede presentar en varios metales y aleaciones, pero los aceros inoxidables y las aleaciones de aluminio son susceptibles en especial a este tipo de degradación.
Disolución selectiva
La disolución selectiva se refiere a un tipo de corrosión en donde una fase es atacada de preferencia en una aleación o un elemento es disuelto en forma preferencial de una solución sólida. Un ejemplo de esto es la dezincificación del latón, en donde el latón, cuando se expone al agua de mar, desarrolla regiones en donde el material tiene una textura esponjosa y es básicamente de cobre.
Esto ocurre como resultado de la disolución del latón en esta región, con el zinc permaneciendo en solución y los átomos de cobre redistribuyéndose en la estructura.
Ataque intergranular
La corrosión intergranular (IGA) es una condición en la que las fronteras de grano aquí de un material son atacadas en forma preferente y en una proporción mucho más alta que el material a granel. Puesto que la mayoría de los metales y aleaciones estructurales son policristalinos, este puede ser un problema serio.
La causa principal del ataque a las fronteras de grano es una composición química no homogénea en el sitio del ataque. Esta falta de homogeneidad puede ser causada por la segregación o por la precipitación intergranular que puede producir disparidades localizadas de la composición.
Puesto que el volumen real de metal contenido en la frontera de grano es muy pequeño, la penetración en la estructura puede ser muy rápida, aunque sólo se produzcan pérdidas pequeñas del peso.
Esta forma de ataque es prevalente en forma particular en los a aceros inoxidables austeniticos. El ataque intergranular en los aceros inoxidables es el resultado de la pérdida de cromo en la frontera de grano. Esto puede ocurrir si el acero inoxidable se sujeta a un proceso térmico impropio.
Fuente: apuntes de la materia de ciencias de materiales / unideg