La corrosión es un proceso natural que convierte un metal refinado en un óxido químicamente más estable . Es el deterioro gradual de materiales (normalmente un metal) por reacción química o electroquímica con su entorno. La ingeniería de corrosión es el campo dedicado a controlar y prevenir la corrosión. [1]
En el uso más común de la palabra, esto significa oxidación electroquímica de un metal en reacción con un oxidante como oxígeno , hidrógeno o hidróxido. La oxidación , la formación de óxidos de hierro , es un ejemplo bien conocido de corrosión electroquímica. Este tipo de daño generalmente produce óxido (s) o sal (es) del metal original y da como resultado una coloración naranja distintiva. La corrosión también puede producirse en materiales distintos de los metales, como la cerámica o los polímeros , aunque en este contexto es más común el término "degradación". La corrosión degrada las propiedades útiles de los materiales y estructuras, incluida la resistencia mecánica, la apariencia y la permeabilidad a líquidos y gases.
Muchas aleaciones estructurales se corroen simplemente por la exposición a la humedad del aire, pero el proceso puede verse fuertemente afectado por la exposición a determinadas sustancias. La corrosión puede concentrarse localmente para formar un hoyo o grieta, o puede extenderse a través de un área amplia, corroyendo más o menos uniformemente la superficie. Debido a que la corrosión es un proceso controlado por difusión , ocurre en superficies expuestas. Como resultado, los métodos para reducir la actividad de la superficie expuesta, como la pasivación y la conversión de cromato , pueden aumentar la resistencia a la corrosión de un material. Sin embargo, algunos mecanismos de corrosión son menos visibles y menos predecibles.
La química de la corrosión es compleja; Se puede considerar un fenómeno electroquímico. Durante la corrosión en un punto particular de la superficie de un objeto hecho de hierro, se produce oxidación y ese punto se comporta como un ánodo . Los electrones liberados en este punto anódico se mueven a través del metal a otro punto del objeto y reducen el oxígeno en ese punto en presencia de H + (que se cree que está disponible en el ácido carbónico ( H 2 CO 3 ) formado debido a la disolución de dióxido de carbono del aire al agua en condiciones de aire húmedo de la atmósfera. Los iones de hidrógeno en el agua también pueden estar disponibles debido a la disolución de otros óxidos ácidos de la atmósfera). Este punto se comporta como un cátodo .
La corrosión galvánica ocurre cuando dos metales diferentes tienen contacto físico o eléctrico entre sí y se sumergen en un electrolito común , o cuando el mismo metal se expone a electrolito con diferentes concentraciones. En un par galvánico , el metal más activo (el ánodo) se corroe a un ritmo acelerado y el metal más noble (el cátodo) se corroe a un ritmo más lento. Cuando se sumerge por separado, cada metal se corroe a su propio ritmo. El tipo de metal a utilizar se determina fácilmente siguiendo la serie galvánica . Por ejemplo, el zinc se utiliza a menudo como ánodo de sacrificio para estructuras de acero. La corrosión galvánica es de gran interés para la industria marina y también en cualquier lugar donde el agua (que contiene sales) entre en contacto con tuberías o estructuras metálicas.
Factores como el tamaño relativo del ánodo , los tipos de metal y las condiciones de funcionamiento ( temperatura , humedad , salinidad , etc.) afectan la corrosión galvánica. [2] La relación de superficie del ánodo y el cátodo afecta directamente las tasas de corrosión de los materiales. La corrosión galvánica a menudo se previene mediante el uso de ánodos de sacrificio .
En cualquier entorno dado (un medio estándar es agua de mar aireada a temperatura ambiente ), un metal será más noble o más activo que otros, según la fuerza con la que sus iones estén unidos a la superficie. Dos metales en contacto eléctrico comparten los mismos electrones, de modo que el "tira y afloja" en cada superficie es análogo a la competencia por los electrones libres entre los dos materiales. Utilizando el electrolito como anfitrión para el flujo de iones en la misma dirección, el metal noble tomará electrones del activo. El flujo másico o la corriente eléctrica resultante se puede medir para establecer una jerarquía de materiales en el medio de interés. Esta jerarquía se denomina serie galvánica y es útil para predecir y comprender la corrosión.
A menudo es posible eliminar químicamente los productos de corrosión. Por ejemplo, el ácido fosfórico en forma de gelatina naval se aplica a menudo a herramientas o superficies ferrosas para eliminar el óxido. La eliminación de la corrosión no debe confundirse con el electropulido , que elimina algunas capas del metal subyacente para crear una superficie lisa. Por ejemplo, el ácido fosfórico también se puede utilizar para electropulir cobre, pero lo hace eliminando el cobre, no los productos de la corrosión del cobre.
Algunos metales son intrínsecamente más resistentes a la corrosión que otros (para algunos ejemplos, consulte las series galvánicas ). Existen varias formas de proteger los metales de la corrosión (oxidación), incluida la pintura, la galvanización en caliente , la protección catódica y combinaciones de estas. [3]
Los materiales más resistentes a la corrosión son aquellos para los cuales la corrosión es termodinámicamente desfavorable. Los productos de corrosión del oro o del platino tienden a descomponerse espontáneamente en metal puro, por lo que estos elementos se encuentran en la Tierra en forma metálica y son valorados desde hace mucho tiempo. Los metales "básicos" más comunes sólo pueden protegerse mediante medios más temporales.
Algunos metales tienen una cinética de reacción naturalmente lenta , aunque su corrosión sea termodinámicamente favorable. Estos incluyen metales como zinc , magnesio y cadmio . Si bien la corrosión de estos metales es continua y continua, ocurre a un ritmo aceptablemente lento. Un ejemplo extremo es el grafito , que libera grandes cantidades de energía tras la oxidación , pero tiene una cinética tan lenta que es efectivamente inmune a la corrosión electroquímica en condiciones normales.
La pasivación se refiere a la formación espontánea de una película ultrafina de productos de corrosión, conocida como película pasiva, sobre la superficie del metal que actúa como una barrera para una mayor oxidación. La composición química y la microestructura de una película pasiva son diferentes a las del metal subyacente. El espesor típico de la película pasiva en aluminio, aceros inoxidables y aleaciones es de 10 nanómetros. La película pasiva es diferente de las capas de óxido que se forman al calentarse y están en el rango de espesor micrométrico: la película pasiva se recupera si se retira o se daña, mientras que la capa de óxido no. La pasivación en entornos naturales como el aire, el agua y el suelo a un pH moderado se observa en materiales como el aluminio , el acero inoxidable , el titanio y el silicio .
La pasivación está determinada principalmente por factores metalúrgicos y ambientales. El efecto del pH se resume mediante diagramas de Pourbaix , pero muchos otros factores influyen. Algunas condiciones que inhiben la pasivación incluyen un pH alto para el aluminio y el zinc, un pH bajo o la presencia de iones de cloruro para el acero inoxidable, una temperatura alta para el titanio (en cuyo caso el óxido se disuelve en el metal, en lugar de en el electrolito) e iones de fluoruro para el silicio. . Por otro lado, condiciones inusuales pueden resultar en la pasivación de materiales que normalmente no están protegidos, como lo hace el ambiente alcalino del concreto con las barras de refuerzo de acero . La exposición a un metal líquido como el mercurio o la soldadura caliente a menudo puede eludir los mecanismos de pasivación.
La pasivación es extremadamente útil para mitigar el daño por corrosión; sin embargo, incluso una aleación de alta calidad se corroerá si se obstaculiza su capacidad para formar una película pasivante. La selección adecuada del grado correcto de material para el entorno específico es importante para el rendimiento duradero de este grupo de materiales. Si se produce una rotura en la película pasiva debido a factores químicos o mecánicos, los principales modos de corrosión resultantes pueden incluir corrosión por picaduras , corrosión por grietas y fisuración por corrosión bajo tensión .
Ciertas condiciones, como bajas concentraciones de oxígeno o altas concentraciones de especies como el cloruro que compiten como aniones , pueden interferir con la capacidad de una aleación determinada para volver a formar una película pasivante. En el peor de los casos, casi toda la superficie permanecerá protegida, pero pequeñas fluctuaciones locales degradarán la película de óxido en algunos puntos críticos. La corrosión en estos puntos se amplificará enormemente y puede causar picaduras de corrosión de varios tipos, dependiendo de las condiciones. Si bien las picaduras de corrosión sólo se nuclean en circunstancias bastante extremas, pueden continuar creciendo incluso cuando las condiciones vuelven a la normalidad, ya que el interior de una picadura está naturalmente privado de oxígeno y localmente el pH disminuye a valores muy bajos y la velocidad de corrosión aumenta debido a un proceso autocatalítico. En casos extremos, las puntas afiladas de picaduras de corrosión extremadamente largas y estrechas pueden causar concentración de tensión hasta el punto de que aleaciones que de otro modo serían resistentes pueden romperse; una fina película perforada por un agujero invisiblemente pequeño puede ocultar un hoyo del tamaño de un pulgar. Estos problemas son especialmente peligrosos porque son difíciles de detectar antes de que falle una pieza o estructura . Las picaduras siguen siendo una de las formas de corrosión más comunes y dañinas en las aleaciones pasivadas, [4] pero se pueden prevenir controlando el entorno de la aleación.
Las picaduras se producen cuando se forma un pequeño agujero o cavidad en el metal, generalmente como resultado de la despasivación de un área pequeña. Esta zona se vuelve anódica, mientras que parte del metal restante se vuelve catódica, produciéndose una reacción galvánica localizada. El deterioro de esta pequeña zona penetra en el metal y puede provocar fallos. Esta forma de corrosión suele ser difícil de detectar debido al hecho de que suele ser relativamente pequeña y puede estar cubierta y oculta por compuestos producidos por la corrosión.
El acero inoxidable puede plantear desafíos especiales a la corrosión, ya que su comportamiento de pasivación depende de la presencia de un componente de aleación importante ( cromo , al menos 11,5%). Debido a las elevadas temperaturas de la soldadura y el tratamiento térmico, se pueden formar carburos de cromo en los límites de grano de las aleaciones inoxidables. Esta reacción química le quita cromo al material en la zona cercana al límite del grano, lo que hace que esas áreas sean mucho menos resistentes a la corrosión. Esto crea un par galvánico con la aleación bien protegida cercana, lo que conduce a una "desintegración de la soldadura" (corrosión de los límites de los granos en las zonas afectadas por el calor) en ambientes altamente corrosivos. Este proceso puede reducir seriamente la resistencia mecánica de las uniones soldadas con el tiempo.
Se dice que un acero inoxidable está "sensibilizado" si se forman carburos de cromo en la microestructura. Una microestructura típica de un acero inoxidable tipo 304 normalizado no muestra signos de sensibilización, mientras que un acero muy sensibilizado muestra la presencia de precipitados en los límites de grano. Las líneas oscuras en la microestructura sensibilizada son redes de carburos de cromo formadas a lo largo de los límites de los granos.
Las aleaciones especiales, ya sea con bajo contenido de carbono o con " captadores " de carbono añadidos, como el titanio y el niobio (en los tipos 321 y 347, respectivamente), pueden evitar este efecto, pero estos últimos requieren un tratamiento térmico especial después de la soldadura para evitar el fenómeno similar de "ataque con cuchillo". Como su nombre lo indica, la corrosión se limita a una zona muy estrecha adyacente a la soldadura, a menudo de sólo unos pocos micrómetros de ancho, lo que la hace aún menos perceptible.
La corrosión por grietas es una forma localizada de corrosión que se produce en espacios confinados (grietas), a los que el acceso del fluido de trabajo desde el entorno es limitado. La formación de una celda de aireación diferencial [ se necesita más explicación ] conduce a la corrosión dentro de las grietas. Ejemplos de grietas son espacios y áreas de contacto entre piezas, debajo de juntas o sellos, dentro de grietas y uniones, espacios llenos de depósitos y debajo de pilas de lodo.
La corrosión de las grietas está influenciada por el tipo de grieta (metal-metal, metal-no metal), la geometría de la grieta (tamaño, acabado de la superficie) y factores metalúrgicos y ambientales. La susceptibilidad a la corrosión por grietas se puede evaluar con procedimientos estándar de ASTM. Una temperatura crítica de corrosión en grietas se utiliza comúnmente para clasificar la resistencia de un material a la corrosión en grietas.
En la industria química , el ranurado por hidrógeno es la corrosión de las tuberías en las ranuras creadas por la interacción de un agente corrosivo, componentes corroídos de la tubería y burbujas de gas hidrógeno . [5] Por ejemplo, cuando el ácido sulfúrico ( H 2 SO 4 ) fluye a través de tuberías de acero, el hierro del acero reacciona con el ácido para formar una capa de pasivación de sulfato de hierro ( FeSO 4 ) y gas hidrógeno ( H 2 ). El recubrimiento de sulfato de hierro protegerá el acero de reacciones adicionales; sin embargo, si las burbujas de hidrógeno entran en contacto con este recubrimiento, se eliminará. Por lo tanto, una burbuja móvil puede formar una ranura, exponiendo más acero al ácido, provocando un círculo vicioso . El surco se ve exacerbado por la tendencia de las burbujas posteriores a seguir el mismo camino.
La corrosión a alta temperatura es el deterioro químico de un material (normalmente un metal) como resultado del calentamiento. Esta forma de corrosión no galvánica puede ocurrir cuando un metal se somete a una atmósfera caliente que contiene oxígeno, azufre (" sulfidación ") u otros compuestos capaces de oxidar (o ayudar a la oxidación) el material en cuestión. Por ejemplo, los materiales utilizados en la industria aeroespacial, la generación de energía e incluso en los motores de los automóviles deben resistir períodos prolongados a altas temperaturas, durante los cuales pueden estar expuestos a una atmósfera que contiene productos de combustión potencialmente altamente corrosivos.
Algunos productos de corrosión a alta temperatura pueden potencialmente aprovecharse para el ingeniero. La formación de óxidos en los aceros inoxidables, por ejemplo, puede proporcionar una capa protectora que impida un mayor ataque atmosférico, lo que permite utilizar un material durante períodos prolongados tanto a temperatura ambiente como a altas temperaturas en condiciones hostiles. Dichos productos de corrosión a alta temperatura, en forma de vidriados de capas de óxido compactadas , previenen o reducen el desgaste durante el contacto deslizante a alta temperatura de superficies metálicas (o metálicas y cerámicas). La oxidación térmica también se usa comúnmente para producir nanoestructuras de óxido controladas, incluidos nanocables y películas delgadas.
La corrosión microbiana , o comúnmente conocida como corrosión influida microbiológicamente (MIC), es una corrosión causada o promovida por microorganismos , generalmente quimioautótrofos . Puede aplicarse tanto a materiales metálicos como no metálicos, en presencia o ausencia de oxígeno. Las bacterias reductoras de sulfato están activas en ausencia de oxígeno (anaeróbicas); Producen sulfuro de hidrógeno , lo que provoca agrietamiento por tensión del sulfuro . En presencia de oxígeno (aeróbico), algunas bacterias pueden oxidar directamente el hierro a óxidos e hidróxidos de hierro, otras bacterias oxidan el azufre y producen ácido sulfúrico provocando corrosión por sulfuro biogénico . En los depósitos de productos de corrosión se pueden formar células de concentración , lo que da lugar a una corrosión localizada.
La corrosión acelerada en aguas bajas (ALWC) es una forma particularmente agresiva de MIC que afecta a los pilotes de acero en agua de mar cerca de la marca de la marea baja. Se caracteriza por un lodo de color naranja que huele a sulfuro de hidrógeno cuando se trata con ácido. Las tasas de corrosión pueden ser muy altas y los márgenes de corrosión de diseño pueden excederse pronto, lo que provoca una falla prematura del pilote de acero. [6] Los pilotes que han sido recubiertos y tienen protección catódica instalada en el momento de la construcción no son susceptibles a ALWC. Para pilotes desprotegidos, se pueden instalar ánodos de sacrificio localmente en las áreas afectadas para inhibir la corrosión o se puede instalar un sistema completo de ánodo de sacrificio adaptado. Las áreas afectadas también se pueden tratar usando protección catódica, usando ánodos de sacrificio o aplicando corriente a un ánodo inerte para producir un depósito calcáreo, que ayudará a proteger el metal de ataques adicionales.
El polvo metálico es una forma catastrófica de corrosión que se produce cuando materiales susceptibles se exponen a entornos con altas actividades de carbono, como el gas de síntesis y otros entornos con alto contenido de CO. La corrosión se manifiesta como una fragmentación del metal a granel en polvo metálico. El mecanismo sospechoso es, en primer lugar, la deposición de una capa de grafito en la superficie del metal, normalmente de monóxido de carbono (CO) en fase de vapor. Se cree entonces que esta capa de grafito forma especies metaestables de M 3 C (donde M es el metal), que migran lejos de la superficie del metal. Sin embargo, en algunos regímenes no se observa ninguna especie M 3 C, lo que indica una transferencia directa de átomos metálicos a la capa de grafito.
Se utilizan varios tratamientos para retardar el daño por corrosión de objetos metálicos que están expuestos a la intemperie, agua salada, ácidos u otros ambientes hostiles. Algunas aleaciones metálicas sin protección son extremadamente vulnerables a la corrosión, como las que se utilizan en los imanes de neodimio , que pueden fragmentarse o desmoronarse hasta convertirse en polvo incluso en ambientes interiores secos y con temperatura estable, a menos que se traten adecuadamente.
Cuando se utilizan tratamientos de superficie para reducir la corrosión, se debe tener mucho cuidado para garantizar una cobertura completa, sin espacios, grietas ni defectos por agujeros. Pequeños defectos pueden actuar como un " talón de Aquiles ", permitiendo que la corrosión penetre en el interior y cause grandes daños incluso cuando la capa protectora exterior permanece aparentemente intacta durante un período de tiempo.
El chapado , la pintura y la aplicación de esmalte son los tratamientos anticorrosión más habituales . Funcionan proporcionando una barrera de material resistente a la corrosión entre el entorno dañino y el material estructural. Aparte de los problemas cosméticos y de fabricación, puede haber compensaciones entre la flexibilidad mecánica y la resistencia a la abrasión y las altas temperaturas. Los enchapados generalmente fallan solo en secciones pequeñas, pero si el enchapado es más noble que el sustrato (por ejemplo, cromo sobre acero), un par galvánico hará que cualquier área expuesta se corroa mucho más rápidamente que una superficie sin enchapar. Por este motivo, suele ser aconsejable recubrir con metales activos como zinc o cadmio . Si el recubrimiento de zinc no es lo suficientemente grueso, la superficie pronto se vuelve antiestética y se oxida evidentemente. La vida útil está directamente relacionada con el espesor del revestimiento metálico.
Pintar con rodillo o brocha es más conveniente para espacios reducidos; el rociado sería mejor para áreas de recubrimiento más grandes, como plataformas de acero y aplicaciones frente al mar. Los revestimientos de poliuretano flexibles , como Durabak-M26, por ejemplo, pueden proporcionar un sello anticorrosivo con una membrana antideslizante de gran durabilidad. Los recubrimientos pintados son relativamente fáciles de aplicar y tienen tiempos de secado rápidos, aunque la temperatura y la humedad pueden hacer que los tiempos de secado varíen. Hoy en día, los recubrimientos orgánicos fabricados con polímeros a base de petróleo están siendo reemplazados por muchos recubrimientos orgánicos basados en fuentes renovables. Entre varios vehículos o aglutinantes, los poliuretanos son el polímero más explorado en este tipo de intentos. [7]
Si el ambiente está controlado (especialmente en sistemas de recirculación), a menudo se le pueden agregar inhibidores de corrosión . Estos productos químicos forman una capa eléctricamente aislante o químicamente impermeable sobre superficies metálicas expuestas, para suprimir reacciones electroquímicas. Dichos métodos hacen que el sistema sea menos sensible a rayones o defectos en el recubrimiento, ya que se pueden disponer de inhibidores adicionales dondequiera que el metal quede expuesto. Los productos químicos que inhiben la corrosión incluyen algunas de las sales del agua dura (los sistemas de agua romanos son conocidos por sus depósitos minerales ), cromatos , fosfatos , polianilina , otros polímeros conductores y una amplia gama de productos químicos especialmente diseñados que se asemejan a los tensioactivos (es decir, compuestos orgánicos de cadena larga). moléculas con grupos terminales iónicos).
Las aleaciones de aluminio suelen someterse a un tratamiento superficial. Las condiciones electroquímicas en el baño se ajustan cuidadosamente para que aparezcan poros uniformes, de varios nanómetros de ancho, en la película de óxido del metal. Estos poros permiten que el óxido se vuelva mucho más espeso de lo que permitirían las condiciones de pasivación. Al final del tratamiento, se permite que los poros se sellen, formando una capa superficial más dura de lo habitual. Si este revestimiento se raya, se activan los procesos normales de pasivación para proteger la zona dañada.
El anodizado es muy resistente a la intemperie y la corrosión, por lo que se usa comúnmente para fachadas de edificios y otras áreas donde la superficie entrará en contacto regular con los elementos. Si bien es resistente, debe limpiarse con frecuencia. Si no se limpia, se producirán manchas en los bordes del panel de forma natural. La anodización es el proceso de convertir un ánodo en cátodo poniendo en contacto un ánodo más activo con él.
Se ha desarrollado una nueva forma de protección mediante la aplicación de ciertas especies de películas bacterianas a la superficie de los metales en ambientes altamente corrosivos. Este proceso aumenta sustancialmente la resistencia a la corrosión. Alternativamente, se pueden usar biopelículas productoras de antimicrobianos para inhibir la corrosión del acero dulce causada por bacterias reductoras de sulfato . [8]
El encofrado de permeabilidad controlada (CPF) es un método para prevenir la corrosión del refuerzo mejorando naturalmente la durabilidad de la cubierta durante la colocación del hormigón. CPF se ha utilizado en ambientes para combatir los efectos de la carbonatación , los cloruros, las heladas y la abrasión.
La protección catódica (CP) es una técnica para controlar la corrosión de una superficie metálica convirtiéndola en el cátodo de una celda electroquímica . Los sistemas de protección catódica se utilizan más comúnmente para proteger tanques y tuberías de acero; pilotes de muelles de acero , barcos y plataformas petrolíferas marinas .
Para una CP efectiva, el potencial de la superficie del acero se polariza (empuja) más negativo hasta que la superficie del metal tenga un potencial uniforme. Con un potencial uniforme, se detiene la fuerza impulsora de la reacción de corrosión. En los sistemas CP galvánicos, el material del ánodo se corroe bajo la influencia del acero y, eventualmente, debe ser reemplazado. La polarización es causada por el flujo de corriente desde el ánodo al cátodo, impulsado por la diferencia de potencial del electrodo entre el ánodo y el cátodo. Los materiales de ánodo de sacrificio más comunes son el aluminio, el zinc, el magnesio y aleaciones relacionadas. El aluminio tiene la mayor capacidad y el magnesio tiene el voltaje de conducción más alto y, por lo tanto, se usa donde la resistencia es mayor. El zinc es de uso general y la base para el galvanizado.
Varios problemas están asociados con los ánodos de sacrificio. Entre ellos, desde una perspectiva medioambiental, se encuentra la liberación de zinc, magnesio, aluminio y metales pesados como el cadmio al medio ambiente, incluida el agua de mar. Desde una perspectiva laboral, los sistemas de ánodos de sacrificio se consideran menos precisos que los sistemas modernos de protección catódica, como los sistemas de protección catódica por corriente impresa (ICCP). Su capacidad para proporcionar la protección necesaria debe comprobarse periódicamente mediante inspecciones submarinas por parte de buzos. Además, como tienen una vida útil finita, los ánodos de sacrificio deben sustituirse periódicamente con el tiempo. [9]
Para estructuras más grandes, los ánodos galvánicos no pueden entregar de manera económica suficiente corriente para brindar una protección completa. Los sistemas de protección catódica de corriente impresa (ICCP) utilizan ánodos conectados a una fuente de alimentación de CC (como un rectificador de protección catódica ). Los ánodos para sistemas ICCP son formas de varillas sólidas y tubulares de diversos materiales especializados. Estos incluyen hierro fundido con alto contenido de silicio , grafito, óxido metálico mixto o varillas y alambres recubiertos de titanio o niobio recubiertos de platino.
La protección anódica imprime corriente anódica a la estructura a proteger (a diferencia de la protección catódica). Es apropiado para metales que exhiben pasividad (por ejemplo, acero inoxidable) y una corriente pasiva adecuadamente pequeña en una amplia gama de potenciales. Se utiliza en ambientes agresivos, como soluciones de ácido sulfúrico. La protección anódica es un método electroquímico de protección contra la corrosión manteniendo el metal en estado pasivo.
La formación de una capa de óxido se describe mediante el modelo Deal-Grove , que se utiliza para predecir y controlar la formación de la capa de óxido en diversas situaciones. Una prueba sencilla para medir la corrosión es el método de pérdida de peso. [10] El método implica exponer una pieza limpia y pesada del metal o aleación al ambiente corrosivo durante un tiempo específico, seguido de una limpieza para eliminar los productos de corrosión y pesar la pieza para determinar la pérdida de peso. La tasa de corrosión (R) se calcula como
donde k es una constante, W es la pérdida de peso del metal en el tiempo t , A es el área de superficie del metal expuesta y ρ es la densidad del metal (en g/cm 3 ).
Otras expresiones comunes para la velocidad de corrosión son la profundidad de penetración y el cambio de propiedades mecánicas.
En 2002, la Administración Federal de Carreteras de EE.UU. publicó un estudio titulado "Costos de corrosión y estrategias preventivas en los Estados Unidos" sobre los costos directos asociados con la corrosión metálica en la industria estadounidense. En 1998, el coste directo anual total de la corrosión en EE.UU. fue de aprox. 276 mil millones de dólares (aprox. 3,2% del producto interno bruto de EE. UU .). [11] Desglosadas en cinco industrias específicas, las pérdidas económicas ascienden a 22.600 millones de dólares en infraestructura; 17.600 millones de dólares en producción y manufactura; 29.700 millones de dólares en transporte; 20.100 millones de dólares en el gobierno; y 47.900 millones de dólares en servicios públicos. [12]
El óxido es una de las causas más comunes de accidentes en puentes. Como el óxido desplaza un volumen mucho mayor que la masa de hierro original, su acumulación también puede causar fallas al separar los componentes adyacentes. Fue la causa del colapso del puente del río Mianus en 1983, cuando los cojinetes de soporte se oxidaron internamente y empujaron una esquina de la losa de la carretera fuera de su soporte. Tres conductores que circulaban por la carretera en ese momento murieron cuando la losa cayó al río. La siguiente investigación de la NTSB mostró que un drenaje en la carretera había sido bloqueado para repavimentarlo y no había sido desbloqueado; Como resultado, el agua de escorrentía penetró en los soportes. El óxido también fue un factor importante en el desastre del Silver Bridge de 1967 en Virginia Occidental , cuando un puente colgante de acero se derrumbó en un minuto, matando a 46 conductores y pasajeros que se encontraban en el puente en ese momento.
De manera similar, la corrosión del acero y el hierro cubiertos de concreto puede causar que el concreto se descascarille , creando graves problemas estructurales. Es uno de los modos de falla más comunes de los puentes de hormigón armado . Los instrumentos de medición basados en el potencial de media celda pueden detectar posibles puntos de corrosión antes de que se alcance el fallo total de la estructura de hormigón.
Hasta hace 20 o 30 años, los tubos de acero galvanizado se utilizaban ampliamente en los sistemas de agua potable para residentes unifamiliares y multifamiliares, así como en construcciones comerciales y públicas. Hoy en día, estos sistemas hace tiempo que consumieron el zinc protector y se están corroyendo internamente, lo que resulta en mala calidad del agua y fallas en las tuberías. [13] El impacto económico sobre los propietarios de viviendas, los habitantes de condominios y la infraestructura pública se estima en 22 mil millones de dólares mientras la industria de seguros se prepara para una ola de reclamaciones debido a fallas en las tuberías.
La mayoría de los materiales cerámicos son casi completamente inmunes a la corrosión. Los fuertes enlaces químicos que los mantienen unidos dejan muy poca energía química libre en la estructura; se puede considerar que ya están corroídos. Cuando ocurre corrosión, casi siempre es una simple disolución del material o una reacción química, en lugar de un proceso electroquímico. Un ejemplo común de protección contra la corrosión en cerámica es la cal agregada al vidrio sodocálcico para reducir su solubilidad en agua; Aunque no es tan soluble como el silicato de sodio puro , el vidrio normal forma defectos submicroscópicos cuando se expone a la humedad. Debido a su fragilidad , tales defectos provocan una reducción dramática en la resistencia de un objeto de vidrio durante sus primeras horas a temperatura ambiente.
La degradación de polímeros implica varios procesos fisicoquímicos complejos y, a menudo, poco comprendidos. Estos son sorprendentemente diferentes de los otros procesos discutidos aquí, por lo que el término "corrosión" sólo se les aplica en un sentido amplio de la palabra. Debido a su gran peso molecular, se puede ganar muy poca entropía mezclando una masa determinada de polímero con otra sustancia, lo que generalmente los hace bastante difíciles de disolver. Si bien la disolución es un problema en algunas aplicaciones de polímeros, es relativamente sencillo diseñar contra ella.
Un problema más común y relacionado es la "hinchazón", donde pequeñas moléculas se infiltran en la estructura, reduciendo la resistencia y la rigidez y provocando un cambio de volumen. Por el contrario, muchos polímeros (en particular el vinilo flexible ) se hinchan intencionalmente con plastificantes , que pueden lixiviarse fuera de la estructura, provocando fragilidad u otros cambios indeseables.
Sin embargo, la forma más común de degradación es una disminución en la longitud de la cadena del polímero. Los mecanismos que rompen las cadenas de polímeros son familiares para los biólogos debido a su efecto sobre el ADN : radiación ionizante (más comúnmente luz ultravioleta ), radicales libres y oxidantes como oxígeno, ozono y cloro . El craqueo por ozono es un problema bien conocido que afecta, por ejemplo, al caucho natural . Los aditivos plásticos pueden ralentizar estos procesos de forma muy eficaz y pueden ser tan simples como un pigmento que absorba los rayos UV (por ejemplo, dióxido de titanio o negro de humo ). Las bolsas de plástico a menudo no incluyen estos aditivos, por lo que se descomponen más fácilmente en partículas ultrafinas de basura .
El vidrio se caracteriza por un alto grado de resistencia a la corrosión. Debido a su alta resistencia al agua, se utiliza a menudo como material de embalaje primario en la industria farmacéutica, ya que la mayoría de los medicamentos se conservan en una solución acuosa. [14] Además de su resistencia al agua, el vidrio también es robusto cuando se expone a ciertos líquidos o gases químicamente agresivos.
La enfermedad del vidrio es la corrosión de los vidrios de silicato en soluciones acuosas . Se rige por dos mecanismos: difusión - lixiviación controlada (intercambio iónico) y disolución hidrolítica de la red de vidrio. [15] Ambos mecanismos dependen en gran medida del pH de la solución de contacto: la tasa de intercambio iónico disminuye con el pH a 10 −0,5 pH , mientras que la tasa de disolución hidrolítica aumenta con el pH a 10 0,5 pH . [dieciséis]
Matemáticamente, las tasas de corrosión de los vidrios se caracterizan por tasas de corrosión normalizadas de los elementos NR i (g/cm 2 ·d) que se determinan como la relación entre la cantidad total de especies liberadas en el agua Mi ( g) y la superficie en contacto con el agua. área S (cm 2 ), tiempo de contacto t (días) y fracción ponderal contenida del elemento en el vidrio f i :
La velocidad de corrosión general es una suma de las contribuciones de ambos mecanismos (lixiviación + disolución) NR i =NR x i +NR h . La lixiviación controlada por difusión (intercambio iónico) es característica de la fase inicial de la corrosión e implica la sustitución de iones alcalinos en el vidrio por un ion hidronio (H 3 O + ) de la solución. Provoca un agotamiento selectivo de iones de las capas cercanas a la superficie de los vidrios y proporciona una dependencia inversa de la raíz cuadrada de la velocidad de corrosión con el tiempo de exposición. La tasa de lixiviación normalizada controlada por difusión de cationes de vidrios (g/cm 2 ·d) viene dada por:
donde t es el tiempo, Di es el i-ésimo coeficiente de difusión efectiva del catión (cm 2 /d), que depende del pH del agua en contacto como Di = Di 0 ·10 –pH , y ρ es la densidad del vidrio. (g/cm3 ) .
La disolución de la red de vidrio es característica de las últimas fases de la corrosión y provoca una liberación congruente de iones en la solución acuosa a una velocidad independiente del tiempo en soluciones diluidas (g/cm 2 ·d):
donde r h es la velocidad de hidrólisis (disolución) estacionaria del vidrio (cm/d). En sistemas cerrados el consumo de protones de la fase acuosa aumenta el pH y provoca una rápida transición a la hidrólisis. [17] Sin embargo, una mayor saturación de la solución con sílice impide la hidrólisis y hace que el vidrio vuelva a un régimen de corrosión de intercambio iónico, por ejemplo, controlado por difusión.
En condiciones naturales típicas, las velocidades de corrosión normalizadas de los vidrios de silicato son muy bajas y son del orden de 10 −7 –10 −5 g/(cm 2 ·d). La muy alta durabilidad de los vidrios de silicato en agua los hace adecuados para la inmovilización de residuos nucleares y peligrosos.
Existen numerosos procedimientos estandarizados para medir la corrosión (también llamada durabilidad química ) de vidrios en ambientes neutros, básicos y ácidos, bajo condiciones ambientales simuladas, en fluidos corporales simulados, a alta temperatura y presión, [19] y bajo otras condiciones.
El procedimiento estándar ISO 719 [20] describe una prueba de extracción de compuestos básicos solubles en agua en condiciones neutras: 2 g de vidrio, tamaño de partícula de 300 a 500 μm, se mantienen durante 60 minutos en 50 ml de agua desionizada de grado 2 a 98ºC; Se valoran 25 ml de la solución obtenida frente a una solución de HCl de 0,01 mol/l . El volumen de HCl necesario para la neutralización se clasifica según la siguiente tabla.
El ensayo estandarizado ISO 719 no es adecuado para vidrios con componentes alcalinos pobres o no extraíbles, pero que aún así son atacados por el agua, por ejemplo vidrio de cuarzo, vidrio B 2 O 3 o vidrio P 2 O 5 .
Los vasos habituales se diferencian en las siguientes clases:
Clase hidrolítica 1 (Tipo I):
A esta clase, también llamada vidrio neutro, pertenecen los vidrios de borosilicato (p. ej. Duran , Pyrex , Fiolax).
El vidrio de esta clase contiene cantidades esenciales de óxidos de boro , óxidos de aluminio y óxidos alcalinotérreos . Gracias a su composición, el vidrio neutro tiene una alta resistencia a los cambios de temperatura y la más alta resistencia hidrolítica. Contra soluciones ácidas y neutras muestra una alta resistencia química, debido a su bajo contenido en álcalis frente a soluciones alcalinas.
Clase hidrolítica 2 (Tipo II):
Esta clase suele contener vidrios de silicato de sodio con una alta resistencia hidrolítica mediante el acabado de la superficie. El vidrio de silicato de sodio es un vidrio de silicato que contiene óxidos alcalinos y alcalinotérreos y principalmente óxido de sodio y óxido de calcio .
Clase hidrolítica 3 (Tipo III):
El vidrio de tercera clase hidrolítica contiene normalmente vidrios de silicato de sodio y tiene una resistencia hidrolítica media dos veces menor que la de los vidrios de tipo 1.
La clase de ácido DIN 12116 y la clase de álcali DIN 52322 (ISO 695) se distinguen de la clase hidrolítica DIN 12111 (ISO 719).
La mayoría de los fabricantes de calentadores de agua recomendarán inspeccionar el estado del ánodo de sacrificio cada uno (1) a tres (3) años y reemplazarlo cuando se haya consumido más del 50%.
