Corrosión en metales. Principios electroquímicos, tipos y prevención

Corrosión en Metales: Fundamentos y Procesos

Introducción a la Corrosión

• La corrosión es un proceso de degradación gradual de materiales debido al medio ambiente, causando pérdidas monetarias significativas.

• Comprender los fundamentos teóricos y prácticos puede ayudar a evitar muchas de estas pérdidas.

Tipos de Corrosión

• La corrosión metálica implica reacciones químicas o electroquímicas donde los átomos superficiales del metal reaccionan con sustancias en contacto, deteriorando el material.

• Existen diferentes manifestaciones de la corrosión; por ejemplo, la oxidación del acero es evidente, mientras que la corrosión intergranular del acero inoxidable es menos obvia pero igualmente dañina.

Costos Asociados a la Corrosión

• A pesar de comprender bien los principios de la corrosión, esta sigue costando miles de millones anualmente; se estima que el 35% de estos costos son evitables.

Proceso Electroquímico

• La corrosión electroquímica transforma parte o todo el metal del estado metálico al iónico mediante un flujo eléctrico entre metales o partes de una misma superficie.

• Un circuito eléctrico completo es necesario para que fluya corriente en un sistema de corrosión, compuesto por cuatro elementos: ánodo, cátodo, electrolito y conexión metálica.

Componentes del Circuito Eléctrico

• El ánodo actúa como electrodo donde ocurre la oxidación; los electrones fluyen desde aquí hacia el circuito externo.

• El electrolito es una solución conductora que permite el transporte de corriente mediante iones cargados positivamente hacia el cátodo.

Funciones del Ánodo y Cátodo

• En el cátodo se produce una reacción principal llamada reducción; aquí no hay pérdida material significativa ya que no se corroe.

• Las áreas distintas dentro del mismo metal pueden actuar como ánodos o cátodos debido a inhomogeneidades presentes en su estructura.

Ejemplo Práctico: Celda de Corrosión

• Una celda simple muestra cómo las reacciones anodicas tienden a destruir el metal al disolverse o transformarse en óxido.

• En este contexto, siempre ocurre oxidación en el ánodo mientras que la reducción tiene lugar en el cátodo sin afectar su integridad material.

Reacción Catódica y Limitaciones

• En agua pura, solo una pequeña fracción se disocia para producir iones hidrógeno; esto limita la velocidad de reacción catódica y hace que la corrosión sea baja bajo estas condiciones específicas.

Corrosión: Mecanismos y Tipos

Reacciones Químicas en la Corrosión

• El agua no es pura; contiene oxígeno disuelto que puede participar en reacciones catódicas, formando iones hidróxido a partir del hierro.

• Los iones hidróxido reaccionan con los iones de hierro para formar hidróxido de hierro, que es inestable en soluciones oxigenadas y se convierte en óxido de hierro.

• El óxido de hierro, conocido por su color marrón rojizo, es un producto de corrosión poroso y poco adherente, lo que no previene una mayor corrosión.

Tipos Comunes de Corrosión

• Existen varios tipos de corrosión: uniforme, galvánica, erosiva, picaduras (pitting), exfoliación e intergranular. Cada tipo tiene características específicas y mecanismos diferentes.

• La corrosión uniforme se caracteriza por un ataque progresivo en toda la superficie del material, resultando en un adelgazamiento gradual del metal.

Causas y Efectos de la Corrosión Uniforme

• La corrosión uniforme suele ser causada por exposición a la atmósfera y puede agravarse por contaminación industrial o productos químicos.

• Las tasas de corrosión se miden como pérdida promedio de espesor del metal; clasificaciones varían desde "excelente" (menos de 0.05 mm/año) hasta "insatisfactorio" (más de 1.25 mm/año).

Corrosión Galvánica

• Cuando dos metales diferentes están en contacto eléctrico en presencia de un electrolito, se establece una diferencia de potencial que causa la corrosión galvánica.

• Un ejemplo es el contacto entre fibra de carbono y aluminio; el aluminio tiende a corroerse debido a su posición más anódica.

Pitting: Una Forma Localizada de Corrosión

• El pitting se caracteriza por pequeñas picaduras localizadas que son más difíciles de detectar y pueden llevar a fallas repentinas del material.

• Las picaduras ocurren cuando áreas discretas sufren ataques rápidos mientras el resto permanece intacto; esto puede concentrar tensiones en piezas metálicas.

Consecuencias del Pitting

• La tasa de penetración del pitting puede ser significativamente mayor (10 a 100 veces más rápida) que la causada por la corrosión uniforme.

Corrosión Intergranular y Agrietamiento por Corrosión Bajo Tensión

Corrosión Intergranular

• La corrosión intergranular se caracteriza por el ataque selectivo de los bordes de granos, con un impacto leve en el interior de los mismos. Esto significa que la corrosión se concentra en las áreas adyacentes a los bordes del grano.

• Cuando los límites del grano se vuelven anódicos, el metal se considera sensibilizado y es más susceptible al ataque intergranular en ambientes corrosivos.

• Un ejemplo clásico es la sensibilización de aceros inoxidables debido a la difusión del cromo y carbono en los bordes de grano durante el calentamiento, lo que provoca la precipitación de carburos de cromo.

• Las zonas cercanas al borde del grano quedan más propensas a la corrosión intergranular debido a una menor concentración de cromo comparado con el resto de la aleación.

Agrietamiento por Corrosión Bajo Tensión

• Este fenómeno ocurre cuando hay una combinación de tensión de tracción, un ambiente específico y un material susceptible. Se inicia con grietas subcríticas que pueden llevar a fracturas significativas.

• A menudo, estas fallas no muestran evidencia visible durante inspecciones casuales, ya que las grietas son finas y penetran profundamente sin signos evidentes de corrosión.

• La selección adecuada de materiales para el entorno laboral es crucial para prevenir este tipo de falla. También se sugiere reducir tensiones aplicadas y eliminar tensiones residuales.

Desalación y Corrosión Gráfica

• La desalación implica la eliminación selectiva del elemento más anódico en una aleación, resultando en una masa porosa. Por ejemplo, la lixiviación preferencial del zinc en latón.

• La corrosión gráfica ocurre en fundiciones grises donde láminas de grafito actúan como catódicas respecto a la matriz metálica, causando pérdida selectiva del hierro.

Buenas Prácticas para Prevenir Corrosión

• Las buenas prácticas en diseño son fundamentales para prevenir diferentes tipos de corrosión. Se mencionan métodos para retardar reacciones electroquímicas que aceleran la corrosión.

• El acondicionamiento del metal puede incluir recubrimientos o aleaciones más resistentes a la corrosión. Los recubrimientos actúan como barreras entre el metal y su entorno agresivo.

Tipos de Recubrimientos Metálicos

• Los recubrimientos pueden ser metales o derivados inorgánicos/orgánicos (pinturas, resinas). Estos crean una barrera efectiva contra agentes corrosivos.

• El comportamiento diferencial entre recubrimientos como zinc y estaño muestra cómo cada uno protege al acero subyacente ante daños físicos; el zinc sigue protegiendo mientras que el estaño puede provocar rápida oxidación si se daña.

Materiales Resistentes a la Corrosión

Composición de Aleaciones

• Los materiales resistentes a la corrosión más utilizados incluyen níquel, cromo, titanio y circonio, que reaccionan con el oxígeno para formar películas protectoras.

• En los aceros inoxidables, el cromo (mínimo 10.5%) y el níquel son componentes clave en las aleaciones de base de hierro.

Acondicionamiento y Inhibidores de Corrosión

• Un inhibidor de corrosión es un aditivo químico que reduce la tasa de corrosión en ambientes agresivos al ser agregado en pequeñas concentraciones.

• Existen diferentes tipos de inhibidores: anódicos, catódicos, tipo absorción o mixtos; cada uno actúa sobre distintas reacciones electroquímicas.

Mecanismos de Protección

• Los inhibidores tipo absorción crean una película que protege físicamente el metal o ralentiza procesos electroquímicos dañinos.

• El control electroquímico se utiliza comúnmente en tuberías enterradas y estructuras sumergidas para prevenir la corrosión mediante protección catódica.

Protección Catódica

• La protección catódica puede lograrse usando corriente continua o aplicando corriente desde un metal inferior como ánodo de sacrificio (aluminio, zinc o magnesio).