La corrosión es un proceso natural que convierte un metal refinado en un óxido más estable químicamente . Es el deterioro gradual de los materiales (normalmente un metal) por reacción química o electroquímica con su entorno. La ingeniería de la corrosión es el campo dedicado a controlar y prevenir la corrosión. [1] [2]
En el uso más común de la palabra, esto significa oxidación electroquímica de metal en reacción con un oxidante como oxígeno , hidrógeno o hidróxido. La oxidación , la formación de óxidos de hierro de color rojo anaranjado , es un ejemplo bien conocido de corrosión electroquímica. Este tipo de corrosión generalmente produce óxidos o sales del metal original y da como resultado una coloración distintiva. La corrosión también puede ocurrir en materiales distintos a los metales, como cerámicas o polímeros , aunque en este contexto, el término "degradación" es más común. La corrosión degrada las propiedades útiles de los materiales y las estructuras, incluida la resistencia mecánica, la apariencia y la permeabilidad a líquidos y gases. Corrosivo se distingue de cáustico: el primero implica degradación mecánica, el segundo química. [3]
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 ciertas sustancias. La corrosión puede concentrarse localmente para formar una picadura o grieta, o puede extenderse por 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; puede considerarse 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 en el objeto y reducen el oxígeno en ese punto en presencia de H + (que se cree que está disponible a partir del ácido carbónico ( H 2 CO 3 ) formado debido a la disolución del dióxido de carbono del aire en agua en condiciones de aire húmedo de la atmósfera. El ion hidrógeno en el agua también puede estar disponible debido a la disolución de otros óxidos ácidos de la atmósfera). Este punto se comporta como un cátodo .
La corrosión galvánica se produce 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 un 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 sumergen por separado, cada metal se corroe a su propio ritmo. Qué tipo de metal(es) 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. [4] La relación del área superficial 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, en función de 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 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 de masa o 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 la corrosión. Por ejemplo, el ácido fosfórico en forma de gelatina naval se suele aplicar 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 lograr una superficie lisa. Por ejemplo, el ácido fosfórico también se puede utilizar para electropulir el cobre, pero lo hace eliminando el cobre, no los productos de la corrosión del cobre.
Algunos metales son más resistentes a la corrosión que otros (para ver algunos ejemplos, consulte la serie galvánica ). Existen varias formas de proteger los metales de la corrosión (oxidación), entre ellas la pintura, la galvanización por inmersión en caliente , la protección catódica y combinaciones de estas. [5]
Los materiales más resistentes a la corrosión son aquellos para los que 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 pueden encontrar en forma metálica en la Tierra y han sido valorados desde hace mucho tiempo. Los metales "básicos" más comunes solo se pueden proteger con medios más temporales.
Algunos metales tienen una cinética de reacción naturalmente lenta , aunque su corrosión sea termodinámicamente favorable. Entre ellos se encuentran metales como el zinc , el magnesio y el cadmio . Si bien la corrosión de estos metales es continua y constante, se produce a un ritmo aceptablemente lento. Un ejemplo extremo es el grafito , que libera grandes cantidades de energía al oxidarse , 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 calentar y tienen un espesor en el rango de micrómetros: la película pasiva se recupera si se elimina o se daña, mientras que la capa de óxido no lo hace. La pasivación en entornos naturales como el aire, el agua y el suelo a 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 del electrolito) y iones de fluoruro para el silicio. Por otro lado, las condiciones inusuales pueden dar lugar a la pasivación de materiales que normalmente están desprotegidos, como ocurre con el entorno alcalino del hormigón en el caso de 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.
Se ha demostrado mediante microscopía electroquímica de efecto túnel que durante la pasivación del hierro, un óxido semiconductor de Fe(III) de tipo n crece en la interfaz con el metal, lo que conduce a la acumulación de una barrera electrónica que se opone al flujo de electrones y una región de agotamiento electrónico que impide más reacciones de oxidación. Estos resultados indican un mecanismo de "pasivación electrónica". [6] [7] [8] Las propiedades electrónicas de esta película de óxido semiconductor también proporcionan una explicación mecanicista de la corrosión mediada por cloruro , que crea estados superficiales en la superficie del óxido que conducen a la ruptura electrónica, la restauración de las corrientes anódicas y la interrupción del mecanismo de pasivación electrónica. [9]
La pasivación es extremadamente útil para mitigar el daño por corrosión, sin embargo, incluso una aleación de alta calidad se corroerá si se ve afectada su capacidad de 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 corrosión bajo tensión .
Ciertas condiciones, como concentraciones bajas de oxígeno o concentraciones altas de especies como el cloruro que compiten como aniones , pueden interferir con la capacidad de una aleación dada 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 unos pocos puntos críticos. La corrosión en estos puntos se amplificará en gran medida y puede causar picaduras de corrosión de varios tipos, según las condiciones. Si bien las picaduras de corrosión solo se nuclean en circunstancias bastante extremas, pueden continuar creciendo incluso cuando las condiciones vuelvan 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 tasa 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 película delgada perforada por un orificio invisiblemente pequeño puede ocultar una pica del tamaño de un pulgar de la vista. 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 más comunes y dañinas de corrosión en las aleaciones pasivadas, [10] pero se pueden prevenir controlando el entorno de la aleación.
Las picaduras se producen cuando se forma un pequeño orificio o cavidad en el metal, generalmente como resultado de la despasivación de una pequeña área. Esta área se vuelve anódica, mientras que parte del metal restante se vuelve catódica, lo que produce una reacción galvánica localizada. El deterioro de esta pequeña área penetra en el metal y puede provocar una falla. Esta forma de corrosión suele ser difícil de detectar debido a que suele ser relativamente pequeña y puede estar cubierta y oculta por compuestos producidos por la corrosión.
El acero inoxidable puede plantear desafíos especiales en cuanto a corrosión, ya que su comportamiento pasivante depende de la presencia de un componente de aleación principal ( cromo , al menos 11,5%). Debido a las elevadas temperaturas de soldadura y tratamiento térmico, se pueden formar carburos de cromo en los límites de grano de las aleaciones inoxidables. Esta reacción química priva al material de cromo en la zona cercana al límite de 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 la "degradación de la soldadura" (corrosión de los límites de grano en las zonas afectadas por el calor) en entornos 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 grano.
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 estas últimas requieren un tratamiento térmico especial después de la soldadura para evitar el fenómeno similar del "ataque en línea de cuchillo". Como su nombre lo indica, la corrosión se limita a una zona muy estrecha adyacente a la soldadura, a menudo de solo 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 del entorno es limitado. La formación de una celda de aireación diferencial [ se necesita más explicación ] conduce a la corrosión dentro de las grietas. Algunos ejemplos de grietas son los huecos y las áreas de contacto entre las piezas, debajo de las juntas o sellos, dentro de grietas y costuras, espacios llenos de depósitos y debajo de pilas de lodos.
La corrosión por grietas se ve afectada 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 por grietas se utiliza comúnmente para clasificar la resistencia de un material a la corrosión por 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 . [11] Por ejemplo, cuando el ácido sulfúrico ( H2SO4 ) fluye a través de tuberías de acero, el hierro en el acero reacciona con el ácido para formar una capa de pasivación de sulfato de hierro ( FeSO4 ) y gas hidrógeno ( H2 ). La capa de sulfato de hierro protegerá al acero de una mayor reacción; sin embargo, si las burbujas de hidrógeno entran en contacto con esta capa, se eliminará. Por lo tanto, una ranura puede formarse por una burbuja en movimiento, exponiendo más acero al ácido, lo que provoca un círculo vicioso . El ranurado se ve agravado 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 no galvánica de corrosión puede producirse cuando un metal se somete a una atmósfera caliente que contiene oxígeno, azufre (" sulfatación ") 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 alta temperatura, 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 ser utilizados en beneficio del 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 que un material se utilice durante períodos prolongados tanto a temperatura ambiente como a alta temperatura en condiciones hostiles. Estos productos de corrosión a alta temperatura, en forma de esmaltes 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 utiliza comúnmente para producir nanoestructuras de óxido controladas, incluidos nanocables y películas delgadas.
La corrosión microbiana , o comúnmente conocida como corrosión influenciada 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 son activas en ausencia de oxígeno (anaeróbicas); producen sulfuro de hidrógeno , causando agrietamiento por tensión de sulfuro . En presencia de oxígeno (aeróbicas), algunas bacterias pueden oxidar directamente el hierro a óxidos e hidróxidos de hierro, otras bacterias oxidan el azufre y producen ácido sulfúrico causando corrosión por sulfuro biogénico . Se pueden formar celdas de concentración en los depósitos de productos de corrosión, lo que lleva a una corrosión localizada.
La corrosión acelerada por bajamar (ALWC, por sus siglas en inglés) es una forma particularmente agresiva de MIC que afecta a los pilotes de acero en agua de mar cerca de la marca de bajamar. Se caracteriza por un lodo anaranjado, que huele a sulfuro de hidrógeno cuando se trata con ácido. Las tasas de corrosión pueden ser muy altas y las tolerancias de corrosión de diseño pueden superarse pronto, lo que lleva a una falla prematura del pilote de acero. [12] Los pilotes que han sido revestidos y tienen protección catódica instalada en el momento de la construcción no son susceptibles a la ALWC. Para pilotes sin protección, se pueden instalar ánodos de sacrificio localmente en las áreas afectadas para inhibir la corrosión o se puede instalar un sistema de ánodos de sacrificio completamente reacondicionado. Las áreas afectadas también se pueden tratar utilizando protección catódica, utilizando ánodos de sacrificio o aplicando corriente a un ánodo inerte para producir un depósito calcáreo, que ayudará a proteger el metal de futuros ataques.
La formación de polvo metálico es una forma catastrófica de corrosión que se produce cuando los materiales susceptibles se exponen a entornos con actividades de alto contenido de carbono, como el gas de síntesis y otros entornos con alto contenido de CO. La corrosión se manifiesta como una ruptura del metal a granel en polvo metálico. El mecanismo sospechoso es, en primer lugar, la deposición de una capa de grafito sobre la superficie del metal, generalmente a partir de monóxido de carbono (CO) en la fase de vapor. Se cree que esta capa de grafito forma especies metaestables M 3 C (donde M es el metal), que migran lejos de la superficie del metal. Sin embargo, en algunos regímenes, no se observan especies M 3 C, lo que indica una transferencia directa de átomos de metal a la capa de grafito.
Se utilizan diversos tratamientos para retardar el daño por corrosión en objetos metálicos expuestos a la intemperie, agua salada, ácidos u otros entornos hostiles. Algunas aleaciones metálicas sin protección son extremadamente vulnerables a la corrosión, como las que se utilizan en los imanes de neodimio , que pueden descascararse o desmoronarse hasta convertirse en polvo incluso en entornos interiores secos y con temperaturas estables, a menos que se traten adecuadamente.
Cuando se utilizan tratamientos superficiales para reducir la corrosión, se debe tener mucho cuidado para garantizar una cobertura completa, sin huecos, grietas o defectos de pequeño calibre. Los pequeños defectos pueden actuar como un " talón de Aquiles ", permitiendo que la corrosión penetre en el interior y cause daños importantes incluso cuando la capa protectora exterior permanece aparentemente intacta durante un período de tiempo.
El enchapado , la pintura y la aplicación de esmalte son los tratamientos anticorrosión más comunes . 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 en la flexibilidad mecánica frente a la resistencia a la abrasión y las altas temperaturas. Los enchapados suelen fallar solo en pequeñas secciones, 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, a menudo es aconsejable enchapar con un metal activo como el zinc o el cadmio . Si el revestimiento de zinc no es lo suficientemente grueso, la superficie pronto se vuelve antiestética y la oxidación es evidente. La vida útil del diseño está directamente relacionada con el espesor del revestimiento de metal.
La pintura con rodillo o brocha es más recomendable para espacios reducidos; la pintura con pistola sería mejor para áreas de recubrimiento más grandes, como cubiertas de acero y aplicaciones frente al mar. Los revestimientos de poliuretano flexible , como Durabak-M26, por ejemplo, pueden proporcionar un sellado anticorrosivo con una membrana antideslizante de gran durabilidad. Los revestimientos 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.
Si el entorno está controlado (especialmente en sistemas de recirculación), a menudo se le pueden agregar inhibidores de corrosión . Estos productos químicos forman un revestimiento eléctricamente aislante o químicamente impermeable sobre las superficies metálicas expuestas, para suprimir las reacciones electroquímicas. Dichos métodos hacen que el sistema sea menos sensible a los arañazos o defectos en el revestimiento, 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 surfactantes (es decir, moléculas orgánicas de cadena larga con grupos terminales iónicos).
Las aleaciones de aluminio suelen someterse a un tratamiento de superficie. Las condiciones electroquímicas del 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 crezca mucho más grueso de lo que permitirían las condiciones de pasivación. Al final del tratamiento, se deja que los poros se sellen, formando una capa superficial más dura de lo habitual. Si este revestimiento se raya, se aplican los procesos normales de pasivación para proteger el área dañada.
El anodizado es muy resistente a la intemperie y la corrosión, por lo que se utiliza 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, es natural que se produzcan manchas en los bordes del panel . El anodizado es el proceso de convertir un ánodo en cátodo poniendo en contacto con él un ánodo más activo.
Se ha desarrollado una nueva forma de protección mediante la aplicación de determinadas especies de películas bacterianas a la superficie de los metales en entornos altamente corrosivos. Este proceso aumenta sustancialmente la resistencia a la corrosión. Alternativamente, se pueden utilizar biopelículas productoras de antimicrobianos para inhibir la corrosión del acero dulce causada por bacterias reductoras de sulfato . [13]
El encofrado de permeabilidad controlada (CPF) es un método para prevenir la corrosión del refuerzo mejorando de forma natural la durabilidad de la cubierta durante la colocación del hormigón. El CPF se ha utilizado en entornos para combatir los efectos de la carbonatación , los cloruros, las heladas y la abrasión.
La protección catódica (PC) es una técnica para controlar la corrosión de una superficie metálica al convertirla en el cátodo de una celda electroquímica . Los sistemas de protección catódica se utilizan con mayor frecuencia para proteger tuberías y tanques de acero, pilotes de muelles de acero , barcos y plataformas petrolíferas en alta mar .
Para que la corrosión por corrosión sea eficaz, el potencial de la superficie del acero se polariza (se empuja) de forma más negativa 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 de corrosión por corrosión por corrosión galvánica, el material del ánodo se corroe bajo la influencia del acero y, finalmente, debe reemplazarse. La polarización es causada por el flujo de corriente del ánodo al cátodo, impulsado por la diferencia de potencial de electrodo entre el ánodo y el cátodo. Los materiales de ánodo de sacrificio más comunes son el aluminio, el zinc, el magnesio y las aleaciones relacionadas. El aluminio tiene la mayor capacidad y el magnesio tiene el mayor voltaje de conducción y, por lo tanto, se utiliza donde la resistencia es mayor. El zinc es de uso general y la base para la galvanización.
Los ánodos de sacrificio presentan una serie de problemas, entre ellos, desde una perspectiva medioambiental, la liberación de zinc, magnesio, aluminio y metales pesados como el cadmio al medio ambiente, incluida el agua de mar. Desde una perspectiva práctica, los sistemas de ánodos de sacrificio se consideran menos precisos que los sistemas de protección catódica modernos, como los sistemas de protección catódica por corriente impresa (ICCP). Su capacidad para proporcionar la protección necesaria debe comprobarse periódicamente mediante inspecciones submarinas realizadas por buzos. Además, como tienen una vida útil limitada, los ánodos de sacrificio deben sustituirse periódicamente con el tiempo. [14]
En el caso de estructuras de mayor tamaño, los ánodos galvánicos no pueden suministrar de forma económica la corriente suficiente para proporcionar una protección completa. Los sistemas de protección catódica por corriente impresa (ICCP) utilizan ánodos conectados a una fuente de alimentación de CC (como un rectificador de protección catódica ). Los ánodos para sistemas ICCP tienen formas tubulares y de varillas sólidas de diversos materiales especializados. Entre ellos se incluyen hierro fundido con alto contenido de silicio , grafito, óxido de metal mixto o titanio recubierto con platino o varillas y alambres recubiertos con niobio.
La protección anódica imprime una corriente anódica sobre la estructura que se va a proteger (al contrario que la protección catódica). Es apropiada para metales que presentan pasividad (por ejemplo, acero inoxidable) y corrientes pasivas adecuadamente pequeñas en un amplio rango de potenciales. Se utiliza en entornos agresivos, como soluciones de ácido sulfúrico. La protección anódica es un método electroquímico de protección contra la corrosión que mantiene 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 una capa de óxido en diversas situaciones. Una prueba sencilla para medir la corrosión es el método de pérdida de peso. [15] El método implica exponer una pieza limpia y pesada del metal o aleación al entorno 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 superficial del metal expuesta y ρ es la densidad del metal (en g/cm 3 ).
Otras expresiones comunes para la tasa de corrosión son profundidad de penetración y cambio de propiedades mecánicas.
En 2002, la Administración Federal de Carreteras de Estados Unidos publicó un estudio titulado "Costos de corrosión y estrategias preventivas en Estados Unidos" sobre los costos directos asociados con la corrosión metálica en la industria estadounidense. En 1998, el costo directo anual total de la corrosión en Estados Unidos fue de aproximadamente 276 mil millones de dólares (o el 3,2% del producto interno bruto estadounidense en ese momento). [16] Desglosadas en cinco industrias específicas, las pérdidas económicas son de 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. [17]
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 provocar fallas al separar los componentes adyacentes. Fue la causa del colapso del puente del río Mianus en 1983, cuando los cojinetes de apoyo se oxidaron internamente y empujaron una esquina de la losa de la carretera fuera de su soporte. Tres conductores en la carretera en ese momento murieron cuando la losa cayó al río. La siguiente investigación de la NTSB mostró que se había bloqueado un drenaje en la carretera para repavimentar la carretera y no se había desbloqueado; como resultado, el agua de escorrentía penetró en los soportes colgantes. El óxido también fue un factor importante en el desastre del Puente Silver de 1967 en Virginia Occidental , cuando un puente colgante de acero se derrumbó en un minuto, matando a 46 conductores y pasajeros que estaban en el puente en ese momento.
De manera similar, la corrosión del acero y el hierro recubiertos de hormigón puede provocar que el hormigón se descascare , lo que genera graves problemas estructurales. Es uno de los modos de fallo más comunes de los puentes de hormigón armado . Los instrumentos de medición basados en el potencial de semicelda pueden detectar los posibles puntos de corrosión antes de que se alcance el fallo total de la estructura de hormigón.
Hasta hace 20 o 30 años, las tuberías de acero galvanizado se utilizaban ampliamente en los sistemas de agua potable para viviendas unifamiliares y multifamiliares, así como en la construcción comercial y pública. Hoy, estos sistemas han consumido hace mucho tiempo el zinc protector y se están corroyendo internamente, lo que da como resultado una mala calidad del agua y fallas en las tuberías. [18] El impacto económico en los propietarios de viviendas, los habitantes de condominios y la infraestructura pública se estima en 22 mil millones de dólares, ya que la industria de seguros se prepara para una ola de reclamos debido a fallas en las tuberías.
La mayoría de los materiales cerámicos son casi totalmente inmunes a la corrosión. Los fuertes enlaces químicos que los mantienen unidos dejan muy poca energía química libre en la estructura; se puede pensar que ya están corroídos. Cuando se produce corrosión, casi siempre se trata de 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 añadida al vidrio sódico-cálcico 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 , estos defectos provocan una reducción drástica de 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 analizados aquí, por lo que el término "corrosión" solo se aplica a ellos en un sentido amplio de la palabra. Debido a su gran peso molecular, se puede ganar muy poca entropía mezclando una masa dada de polímero con otra sustancia, lo que hace que generalmente sean bastante difíciles de disolver. Si bien la disolución es un problema en algunas aplicaciones de polímeros, es relativamente simple diseñar para contrarrestarla.
Un problema más común y relacionado es el "hinchamiento", en el que pequeñas moléculas se infiltran en la estructura, lo que reduce la resistencia y la rigidez y provoca un cambio de volumen. Por el contrario, muchos polímeros (en particular, el vinilo flexible ) se hinchan intencionalmente con plastificantes , que pueden desprenderse de la estructura y provocar fragilidad u otros cambios indeseables.
Sin embargo, la forma más común de degradación es una disminución en la longitud de la cadena de polímeros. 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 el oxígeno, ozono y cloro . El agrietamiento por ozono es un problema bien conocido que afecta al caucho natural , por ejemplo. Los aditivos plásticos pueden ralentizar estos procesos de manera muy eficaz y pueden ser tan simples como un pigmento que absorbe los rayos UV (por ejemplo, dióxido de titanio o negro de carbono ). Las bolsas de plástico para compras a menudo no incluyen estos aditivos, por lo que se descomponen más fácilmente como 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 envasado primario en la industria farmacéutica, ya que la mayoría de los medicamentos se conservan en una solución acuosa. [19] Además de su resistencia al agua, el vidrio también es resistente a ciertos líquidos o gases químicamente agresivos.
La enfermedad del vidrio es la corrosión de los vidrios de silicato en soluciones acuosas . Está regida por dos mecanismos: lixiviación controlada por difusión (intercambio iónico) y disolución hidrolítica de la red vítrea. [20] Ambos mecanismos dependen en gran medida del pH de la solución en contacto: la tasa de intercambio iónico disminuye con un pH de 10 −0,5 pH , mientras que la tasa de disolución hidrolítica aumenta con un pH de 10 0,5 pH . [21]
Matemáticamente, las tasas de corrosión de los vidrios se caracterizan por las 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 M i (g) y el área de la superficie en contacto con el agua S (cm 2 ), el tiempo de contacto t (días) y el contenido de fracción de peso del elemento en el vidrio f i :
La tasa de corrosión total 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 el reemplazo 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 da una dependencia de raíz cuadrada inversa de la tasa de corrosión con el tiempo de exposición. La tasa de lixiviación normalizada controlada por difusión de cationes de los vidrios (g/cm 2 ·d) viene dada por:
donde t es el tiempo, D i es el coeficiente de difusión efectivo del catión i (cm 2 /d), que depende del pH del agua en contacto como D i = D i 0 ·10 –pH , y ρ es la densidad del vidrio (g/cm 3 ).
La disolución de la red de vidrio es característica de las últimas fases de corrosión y provoca una liberación congruente de iones en la solución de agua a una velocidad independiente del tiempo en soluciones diluidas (g/cm 2 ·d):
donde r h es la tasa 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 transición rápida a la hidrólisis. [22] Sin embargo, una mayor saturación de la solución con sílice impide la hidrólisis y hace que el vidrio regrese a un régimen de intercambio iónico; por ejemplo, un régimen de corrosión controlado por difusión.
En condiciones naturales típicas, las tasas de corrosión normalizadas de los vidrios de silicato son muy bajas y están en el orden de 10 −7 a 10 −5 g/(cm 2 ·d). La altísima durabilidad de los vidrios de silicato en el agua los hace adecuados para la inmovilización de residuos peligrosos y nucleares.
Existen numerosos procedimientos estandarizados para medir la corrosión (también llamada durabilidad química ) de los vidrios en entornos neutros, básicos y ácidos, en condiciones ambientales simuladas, en fluidos corporales simulados, a alta temperatura y presión, [24] y en otras condiciones.
El procedimiento estándar ISO 719 [25] describe un ensayo de extracción de compuestos básicos solubles en agua en condiciones neutras: 2 g de vidrio, tamaño de partícula 300–500 μm, se mantienen durante 60 min en 50 mL de agua desionizada de grado 2 a 98 °C; 25 mL de la solución obtenida se titulan frente a una solución de HCl 0,01 mol/L . El volumen de HCl necesario para la neutralización se clasifica de acuerdo con la siguiente tabla.
La prueba estandarizada ISO 719 no es adecuada 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 .
Las gafas habituales se diferencian en las siguientes clases:
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 %.
