Capitulo 5. deterioro de los materiales
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CAPITULO 5. DETERIORO DE LOS MATERIALES INTRODUCCIÓN Todos los materiales sufren deterioro bajo ciertas condiciones de servicio o ambientes determinados, que deben evitarse para prolongar al máximo su vida útil. Es importante conocer por qué ciertos materiales tienden a ser estables (o inestables) en determinados medio ambientes. El deterioro se relaciona con la estructura, las propiedades y el procesamiento de los distintos materiales.
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CAPITULO 5. DETERIORO DE LOS MATERIALES
INTRODUCCIÓN
Todos los materiales sufren deterioro bajo ciertas condiciones
de servicio o ambientes determinados, que deben evitarse para
prolongar al máximo su vida útil.
Es importante conocer por qué ciertos materiales tienden a ser
estables (o inestables) en determinados medio ambientes. El
deterioro se relaciona con la estructura, las propiedades y el
procesamiento de los distintos materiales.
DETERIORO DE LOS MATERIALES
METALES.
Desgaste
Corrosión
CERAMICOS
Corrosión
POLIMEROS
Degradación
DESGASTE.
El desgaste puede ser definido como el daño superficial
sufrido por los materiales después de determinadas
condiciones de trabajo a los que son sometidos. Este
fenómeno se manifiesta por lo general en las superficies de
los materiales, llegando a afectar la sub-superficie.
El resultado del desgaste, es la pérdida de material y la
subsiguiente disminución de las dimensiones y por tanto la
pérdida de tolerancias.
Efectos de la cavitación en un impulsor.
El desgaste es mu importante en la práctica de la ingeniería;
en muchos casos constituye el principal factor que limita la
vida y el rendimiento de los componentes de máquinas.
Ej: un camión de 5 toneladas totalmente desgastado suele
pesar entre dos y tres kilogramos menos que cuando nuevo.
Ningún elemento de máquina es inmune al desgaste; este
fenómeno se manifiesta siempre que exista carga y
movimiento.
Ej: el desgaste de pistones en los motores de combustión
interna, las picaduras y fisuramiento en los engranajes de
transmisión, etc., son manifestaciones de desgaste.
Los mecanismos de daño en los materiales se deben
principalmente a deformación plástica, formación y propagación
de grietas, corrosión y/o desgaste.
Criterios para prevenir o combatir el desgaste:
1. Mantener baja la presión de contacto
2. Mantener baja la velocidad de deslizamiento
3. Mantener lisas las superficies de rodamientos
4. Usar materiales duros
5. Asegurar bajos coeficientes de fricción
6. Usar lubricantes
El desgaste puede producirse por contacto con:
a) Otro metal (desgaste adhesivo),
b) Un abrasivo metálico o uno no metálico (desgaste
abrasivo),
c) Líquidos o gases en movimiento (erosión y cavitación)
El desgaste que implica un solo tipo es raro, y en la
mayoría de los casos ocurren el desgaste abrasivo y el
adhesivo.
Cada forma de desgaste está afectada por una variedad de
condiciones:
a. Ambiente
b. Tipo de carga aplicada, velocidades relativas de las piezas
que se acoplan
c. Lubricante
d. Temperatura
e. Dureza
f. Acabado superficial
g. Presencia de partículas extrañas
h. Composición
i. Compatibilidad de las piezas de acoplamiento implicadas
DESGASTE ADHESIVO
Se produce debido a que entre dos superficies metálicas,
existen pequeñísimas salientes que producen fricción por
interferencia mecánica, con movimiento relativo de las
superficies en contacto que incrementan la resistencia para
movimiento posterior.
Si la fuerza de impulso es suficiente para mantener el
movimiento:
a. Las partículas entrelazadas se deforman.
b. Si son de un material frágil, pueden arrancarse
Por lo que se llega a la conclusión de que la resistencia al
desgaste se mejorará:
• Evitando el contacto metal-metal
• Incrementando la dureza
• Aumentando la tenacidad para resistir la separación
violenta de las partículas metálicas
• Incrementando el acabado superficial para eliminar
salientes.
La adhesión esta asociada a toda formación y posterior
rompimiento de enlaces adhesivos entre las interfaces,
cuando dos superficies son colocadas en contacto íntimo. La
adhesión conlleva además al soldado en frío de las
superficies.
Con respecto al desgaste adhesivo, el papel principal lo juega
la interacción entre las superficies y su grado de limpieza, es
decir, cuando el acercamiento entre los cuerpos es tal, que no
se presenta ningún tipo de impurezas, capas de óxido o
suciedades, se permite que el área de contacto sea
aumentada, pudiéndose formar uniones adhesivas más
resistentes.
DESGASTE ABRASIVO
El desgaste por abrasión, que es el más común en la
industria, se define como la acción de corte de un material
duro y agudo a través de la superficie de un material más
suave. Tiende a formar ralladuras profundas cuando las
partículas duras penetran en la superficie, ocasionando
deformación plástica y/o arrancando virutas.
El desgaste abrasivo ocurre cuando partículas duras se
deslizan o ruedan bajo presión a través de una superficie, o
cuando una superficie dura se frota a través de otra. Las
partículas arrancadas por rozamiento del objeto más duro
tienden a rasguñar o acanalar al material más suave.
La diferencia entre desgaste abrasivo y desgaste por
deslizamiento es el .grado de desgaste. entre los cuerpos
involucrados (mayor en el desgaste abrasivo), ya sea por la
naturaleza, tipo de material, composición química, o por la
configuración geométrica.
En abrasión a de los cuerpos, el desgaste es causado por
rugosidades duras pertenecientes a una de las superficies en
contacto, mientras que la abrasión a tres cuerpos, el desgaste
es provocado por partículas duras sueltas entre las
superficies que se encuentran en movimiento relativo.
Como ejemplo de desgaste abrasivo a dos cuerpos, se tiene
un taladro penetrando una roca, mientras que a tres cuerpos
se puede citar el desgaste sufrido por las mandíbulas de una
trituradora al quebrar la roca, o por la presencia de partículas
contaminantes en un aceite que sirve para lubricar de los
superficies en contacto deslizante.
DESGASTE POR FATIGA
Este tipo de desgaste ocurre cuando piezas son sometidas a
elevados esfuerzos fluctuantes, los cuales provocan la
aparición y propagación de grietas bajo la acción repetitiva de
estos.
En el caso de piezas sometidas a deslizamiento, las capas
superficiales sufren intensas deformaciones como resultado
de la acción simultánea de las tensiones de contacto y de la
fuerza de fricción. Los esfuerzos a los que están sometidos
los materiales particularmente en las capas superficiales,
promueven en la mayoría de los casos, alteraciones en la
estructura cristalina y en el tamaño de grano.
El picado originado a partir de grietas, es una de las fallas por
fatiga de contacto superficial típica de elementos de
máquinas, los cuales trabajan bajo régimen de lubricación
elastohidrodinámica y elevadas cargas superficiales.
Este es el caso de cojinetes de rodamiento y ruedas dentadas
en su punto de contacto. Aquí, el mecanismo principal de falla
es la aparición y propagación de grietas después que las
superficies han almacenado una determinada deformación
plástica. Por esto, es importante el buen acabado superficial y
la correcta selección y filtrado de los lubricantes.
DESGASTE EROSIVO
El desgaste erosivo es un fenómeno que afecta gran cantidad
de elementos de máquinas en las industrias minera y
alimenticia, así como: turbinas hidráulicas, implementos
agrícolas, sistemas de bombeo y dragado en ríos y minas, al
igual que piezas específicas usadas en las industrias
petrolífera y petroquímica, entre otras muchas aplicaciones.
Con este tipo de desgaste, no solo se tiene perdida de
material y la consecuente falla de las piezas, sino que está
asociado a perjuicios financieros en virtud del tiempo
asociado a la reparación de equipos y substituciones de los
componentes desgastados.
El desgaste por erosión se define como el proceso de
eliminación de metal provocado por la incidencia de partículas
sólidas arrastradas por un líquido en movimiento, sobre una
superficie.
El desgaste por erosión es deliberado como en el caso de la
limpieza de piezas fundidas o cascos de barco por medio de
chorros de arena, pero en ocasiones se produce una pérdida
destructiva y costosa de material como en el caso de las
hélices de turbinas de gas o los refractarios en hornos de arco
eléctrico.
El grado de desgaste tiene relación con el ángulo de
incidencia de la partícula respecto de la superficie. Los
materiales dúctiles parecen deformarse y posiblemente se
endurezcan cuando se les golpea en forma perpendicular,
pero a un ángulo crítico de aproximadamente 20º, el metal
se elimina por una acción de corte.
DESGASTE POR CAVITACIÓN
El desgaste por cavitación se puede definir como aquel
daño que ocurre en los materiales debido al crecimiento y
colapso de pequeñas burbujas, que surgen debido a las
variaciones de presión durante el flujo de un fluido.
Los efectos que el desgaste por cavitación provocan, van
desde la pérdida de eficiencia, hasta la inutilización completa
del equipo.
Tenemos dos maneras de enfrentar con el problema de la
cavitación: uno es el desarrollo de materiales más resistentes
y otro, es mejor el diseño de equipos hidráulicos evitando
caídas de presión muy bruscas.
Durante el colapso, ocurre flujo de fluido en dirección a la
burbuja, provocando aumento de presión en la interface
burbuja/líquido y acelerando cada vez más la interface.
El colapso se da de manera tan rápida que parte del
vapor presente en la burbuja no tiene tiempo suficiente de
condensarse. Así, el vapor (y también cualquier gas disuelto)
será comprimido a una alta presión que, eventualmente, será
suficientemente alta para interrumpir el colapso y hacer con
que la burbuja crezca nuevamente de forma explosiva,
emitiendo ondas de presión o de choque
DESGASTE POR FRICCION
El desgaste por fricción ocurre entre dos superficies en
contacto (no necesariamente moviéndose tangencialmente),
las cuales experimentan pequeñas oscilaciones cíclicas (del
orden de 1 a 100 um). Cuando algunas vibraciones aparecen
en las superficies en contacto, ocurren pequeños
deslizamientos en la dirección del movimiento relativo, esos
pequeños deslizamientos son causa de desgaste por fricción.
Desgaste por fretting es comúnmente observado en los cubos
de las ruedas de vehículos, entre las esferas y su camino de
rodadura en un rodamiento de bolas, en los puntos de
contacto entre dos engranajes, entre otros ejemplos.
Un fenómeno asociado al daño por fretting, es la aparición de
grietas en la región afectada, lo que ocasiona reducción de la
resistencia a fatiga del material, en caso que el componente
experimente esfuerzos cíclicos.
El desgaste por fretting es comúnmente estudiado en
laboratorios, utilizando un sistema esfera-plano, donde son
aplicadas tanto carga normal como carga tangencial. Como
fue mostrado en el capítulo de la mecánica de contacto,
cuando una esfera es presionada normalmente contra una
superficie plana, se genera debajo de esta zona una
distribución de presiones, obteniéndose una presión máxima
en el centro y aproximadamente cero en el borde del
contacto.
TRIBOLOGIA
La tribología (del griego tribos, "frotar o rozar") es la ciencia
que estudia la fricción, el desgaste y la lubricación que tienen
lugar durante el contacto entre superficies sólidas en
movimiento. El término es usado universalmente desde
finales del siglo XX.
Para entender a la tribología se requiere de conocimientos de
física, de química y de la tecnología de materiales. Las tareas
del especialista en tribología (tribólogo) son las de reducir la
fricción y desgaste para conservar y reducir energía, lograr
movimientos más rápidos y precisos, incrementar la
productividad y reducir el mantenimiento.
La tribología está presente prácticamente en todas las
piezas en movimiento tales como:
Rodamientos
Chumaceras
Sellos
Anillos de pistones
Embragues
Frenos
Engranajes
Árboles de levas
La tribología ayuda a resolver problemas en maquinaria,
equipos y procesos industriales tales como:
Motores eléctricos y de combustión (componentes y
funcionamiento)
Turbinas
Compresores
Extrusión
Rolado
Fundición
Forja
Procesos de corte (herramientas y fluidos)
Elementos de almacenamiento magnético
Prótesis articulares (cuerpo humano)
FUNDAMENTOS DE LA TRIBOLOGÍA
La tribología se centra en el estudio de tres fenómenos:
1. La fricción entre dos cuerpos en movimiento
2. El desgaste como efecto natural de este fenómeno
3. La lubricación como un medio para reducir el desgaste.
FRICCIÓN
La fricción se define como la resistencia al movimiento
durante el deslizamiento o rodamiento que experimenta un
cuerpo sólido al moverse sobre otro con el cual está en
contacto. Esta resistencia al movimiento depende de las
características de las superficies. Una teoría explica la
resistencia por la interacción entre puntos de contacto y la
penetración de las asperezas.
La fricción depende de
i) la interacción molecular (adhesión) de las superficies
ii) la interacción mecánica entre las partes.
La fuerza de resistencia que actúa en una dirección opuesta
a la dirección del movimiento se conoce como fuerza de
fricción.
Existen dos tipos principales de fricción: fricción estática y
fricción dinámica. La fricción no es una propiedad del
material, es una respuesta integral del sistema.
Existen tres leyes de la fricción:
1. La fuerza de fricción es proporcional a la carga normal.
2. La fuerza de fricción es independiente del aparente área
de contacto entre las superficies deslizantes.
3. La fuerza de fricción es independiente a la velocidad de
deslizamiento.
LUBRICACIÓN
El deslizamiento entre superficies sólidas se caracteriza
generalmente por un alto coeficiente de fricción y un gran
desgaste debido a las propiedades específicas de las
superficies. La lubricación consiste en la introducción de una
capa intermedia de un material ajeno entre las superficies en
movimiento. Estos materiales intermedios se denominan
lubricantes y su función es disminuir la fricción y el desgaste.
El término lubricante es muy general, y puede estar en
cualquier estado material: líquido, sólido, gaseoso e incluso
semisólido o pastoso.
Se estima que el desgaste en la industria se debe en un 50%
a la abrasión, un 15% por adhesión y el porcentaje restante
se divide entre los demás tipos.
En muchos procesos pueden coexistir dos o más tipos de
estos desgastes, además, en algunos de estos desgastes se
han observado dos regímenes denominados desgaste suave
y desgaste severo.
La prolongación de la vida útil de partes o piezas se ha
comienza a lograr mediante:
1.- Aplicación de recubrimientos protectores antidesgaste
2.- La reparación con soldadura de partes y piezas que han
sufrido desprendimientos.
3.- Diseño de nuevos materiales con características de
resistencia al desgaste que sustituyan materiales
actualmente en uso.
CORROSION. Definición:
1. Deterioro que sufren los materiales por interacción química
y electroquímica con el medio ambiente.
Metales: interacción química y electroquímica
Polímeros y cerámicos: Interacción química.
2. Proceso de metalurgia regresiva (regreso al estado original
que es de menor energía. Se da en dos etapas:
a. Oxidación del metal
b. Formación de micropilas (ánodo, cátodo y electrolito)
IMPORTANCIA DE LA CORROSIÓN. La corrosión es un
fenómeno de permanente interés e importancia tecnológica
siempre vigente, por las pérdidas económicas que ocasiona,
tanto directas como indirectas.
Un estudio reciente efectuado por el National Bureau of
Standards de los Estados Unidos señala que tomando como
base el año 1975, los costos totales de la corrosión metálica
pueden estimarse del orden de los 70 billones de dólares, lo
cual supone un 4.2% del Producto Nacional Bruto (PNB).
El costo debido a fallas por corrosión por un año en USA es
mayor que los daños combinados anuales debidos a desastres
naturales. Se estima que en un país industrializado el 5% de
su ingreso se gasta en la prevención de corrosión,
mantenimiento o reemplazo de partes o componentes.
Materiales y servicios
Rango Costo promedio
($ x billon)($ x billon) (%)
RecubrimientosOrgánicosMetálicos
40,2 – 174,21,4
107,21,4
88,31,2
Metales y aleaciones
7,7 7,7 6,3
Inhibidores 1,1 1,1 0,9
Polímeros 1,8 1,8 1,5
Protección anódica y catódica
0,73 – 1,22 0,98 0,8
Servicios 1,2 1,2 1,0
Investigación y desarrollo
0,020 0,020 < 0,1
Educación y entrenamiento
0,01 0,01 < 0,1
Total 54,16 – 188,65 121,41 100 %
Existen dos clases de pérdidas desde el punto de vista
económico.
DIRECTAS: las pérdidas directas son las que afectan de
manera inmediata cuando se produce el ataque. Estas se
pueden clasificar en varios tipos también, de las cuales las
más importantes son el Coste de las Reparaciones, las
Sustituciones de los Equipos Deteriorados y Costes por
Medidas Preventivas.
INDIRECTAS: se consideran todas las derivadas de los fallos
debidos a los ataques de corrosión. Las principales son la
Detención de la Producción debida a las Fallas y las
Responsabilidades por Posibles Accidentes.
Dentro de los aspectos económicos tenemos:
a).- Reposición del equipo corroído.
b).- Coeficiente de seguridad y sobre diseño para soportar la
corrosión.
c).- Mantenimiento preventivo como la aplicación de recubrimientos.
d).- Paros de producción debidos a fallas por corrosión.
e).- Contaminación de productos.
f).- Pérdida de eficiencia ya que los coeficientes de seguridad, sobre
diseño de equipo y productos de corrosión por ejemplo, decrecen la
velocidad de trasmisión de calor en cambiadores de calor.
g).- Pérdida de productos valiosos.
h).- Daño de equipo adyacente a aquel en el cual se tuvo la falla de
corrosión.
Dentro de los aspectos humanos y sociales tenemos:
a).- La seguridad, ya que fallas violentas pueden producir
incendios, explosiones y liberación de productos tóxicos.
b).- Condiciones insalubres por ejemplo, contaminaciones
debido a productos del equipo corroído o bien un producto de la
corrosión misma.
c).- Agotamiento de los recursos naturales, tanto en metales
como en combustibles usados para su manufacturera.
d).- Apariencia, ya que los materiales corroídos generalmente
son desagradables a la vista.
TASA DE CORROSIÓN
La resistencia a la corrosión se mide cuantitativamente por la
pérdida de peso del material, por unidad de área de
exposición al ambiente y por unidad de tiempo. Se pueden
hacer ensayos sencillos de laboratorio, para determinar la
expresión:
donde W [mg] es el peso del material perdido, ρ [g/cm3]
densidad de la muestra, A [cm2] área de exposición de la
muestra, t [hs] tiempo de exposición, mpy milésimas de
pulgada por año, K constante por unidades (534 para mpy).
Categoria de materiales según su resistencia a la corrosión:
mpy < 1 Material excelente
mpy 1 - 5 Muy bueno.
mpy 5 - 20 Bueno.
mpy 20 - 50 Regular.
mpy 50 - 200 Malo.
mpy > 200 Inaceptable.
La cantidad de metal uniformemente corroído de un ánodo o
electrodepositado por un cátodo en una disolución acuosa
durante un período de tiempo se puede determinar usando la
ecuación de Faraday
w = peso de metal corroído o electrodepositado, g
t = tiempo de exposición o electrodeposición, s.
M = masa atómica de metal, g/mol
N = Número de electrones producidos o consumidos en el
proceso.
F = Constante de Faraday = 96500 A.s/mol
I = densidad de corriente, A/cm2.
PILAS GALVÁNICAS.
La corrosión se caracteriza por la formación de micropilas
galvánicas y el potencial de cada semicelda se puede
determinar por
E = F.e.m. de la semicelda
Eo = F.e.m. estándar de la semicelda
n = Número de electrones transferidos
Ción = Concentración molar de iones.
REACCIONES ANODICAS
Durante el ataque corrosivo la reacción anódica siempre es
la oxidación de un metal a un estado superior de valencia,
por ejemplo las reacciones 1, 2, 3, y 4.
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
Zn + H2 SO4 = ZnSO4 + H2
Fe + 2HCI = FeCI2 + H2
2Al + 6HCI = 2AlCI3 + 3H2
REACCIONES CATODICAS
Hay varias reacciones catódicas que se encuentran durante
la corrosión de los metales, tales como:
Desprendimiento de hidrógeno
2H+ + 2e → H2
Reducción de oxígeno (en soluciones ácidas)
O2 + 4H+ + 4e → 2H2 O
Reducción de oxígeno (en soluciones neutras o alcalinas)
O2 + 2H2 O + 4e → 4OH-
Reducción de iones metálicos
Fe+3 + 1e → Fe+2
Depósito de metal
Cu+2 + 2e → Cu
Zn →Zn+++2e Ánodo
2H++2e→H2 Cátodo
Zn →Zn+++2e Ánodo
O2+2H2O+4e → 4OH- Cátodo
POLARIZACION
La polarización viene a ser la desviación del electrodo de sus
valores de equilibrio, los cuales son potenciales de circuito
abierto.
La fuerza impulsora para la corrosión es la diferencia de
potencial inicial que existe entre las reacciones anódica y
catódica. Cuando la corriente de corrosión comienza a fluir,
ocurren ciertos efectos irreversibles junto a los electrodos. La
polarización continua hasta alcanzar un estado constante
conocido como potencial de corrosión Ecorr..
En este potencial de corrosión, la suma de las velocidades de
todas las reacciones de oxidación (anódicas), iguala a la suma
de las velocidades de las reacciones de reducción (catódicas).
POLARIZACION POR ACTIVACION.
Se produce debido a las variaciones de energía libre de la
intercara metal-solución ocasionadas por el paso de los
átomos del metal al estado de ión o viceversa. Es el tipo de
polarización que interviene más frecuentemente en los
fenómenos de corrosión.
Polarización por Activación
Es la que resulta como consecuencia de la existencia de
una etapa de la reacción total conocida como la etapa
determinante de la velocidad, en la reacción que tiene lugar
en la interfase electrodo/electrolito. Estas reacciones son las
que tienen lugar una vez que todos los reactivos ya han
alcanzado esta superficie de reacción, es decir cuando no
hay retardo en la llegada de reactivos por un proceso
difusional. La reacción de transferencia de carga involucra
mover un electrón desde la superficie metálica al reactivo
del lado del electrolito. Por ejemplo, considérese la
evolución del gas hidrógeno en el cátodo.
La velocidad a la cual los iones de hidrógeno se reducen a
gas hidrógeno esta en función de diversos factores,
incluyendo la velocidad de transferencia de electrones al ion
hidrógeno en la superficie del metal. Por lo tanto la
velocidad es inherente a esta reacción y depende del metal
específico y de la temperatura del sistema. De hecho, hay
grandes variaciones en la capacidad de los distintos metales
para transferir electrones a los iones hidrógeno, y por lo
tanto la velocidad de la evolución de hidrógeno para
diferentes metales difiere considerablemente.
La polarización por activación predomina a menudo en los
electrolitos en los que abundantes reactivos y/o productos
propios de la reacción electroquímica son fácilmente
provistos o bien removidos. En ácidos concentrados,
predomina la polarización por activación.
POLARIZACION POR CONCENTRACION.
Se produce cuando la velocidad de difusión de un ión hacia
el electrodo limita la velocidad de reacción en el electrodo.
Conforme se efectúa la reacción en los electrodos, la
concentración iónica en las cercanías de cada electrodo se
vuelve diferente de la del cuerpo principal del electrolito.
Es decir, la concentración iónica en las cercanias de cada
electrodo se empobrece como resultado de la lentitud de
difusión de los iones de las zonas adyacentes.
Polarización por Concentración
Es el resultado de etapas en la reacción total que incluyen la
difusión de reactantes hasta la superficie del electrodo o
bien la eliminación de productos de la reacción. Cualquier
cosa que provoque una disminución en la cantidad de
reactantes disponibles o bien en el aumento de productos
de la reacción, disminuye la velocidad de la reacción. Si la
etapa más lenta de la reacción total de electrodo involucra el
arribo de reactantes o la eliminación de productos de la
reacción, se dice que la reacción se encuentra bajo control
por polarización de concentración.
La polarización por concentración generalmente predomina
en electrolitos en que la concentración de reactivos es baja,
como en soluciones diluidas, o donde se acumulan
productos de reacción, como en medios estáticos. La
capacidad de los reactivos para alcanzar la superficie de
reacción, y los productos de la reacción para alejarse de la
misma, puede alcanzar una condición de densidad de
corriente limite difusional. La polarización total de una
estructura es la suma de las polarizaciones de activación y
concentración.
PASIVIDAD.
Un metal pasivo es aquel que es activo en la serie
electroquímica, pero que no obstante solo se corroe a
velocidad muy pequeña. La pasividad es la propiedad
fundamental de resistencia útil y natural a la corrosión de
muchos metales estructurales, incluidos, el aluminio, cromo, y
aceros inoxidables.
Algunos metales y aleaciones se pueden pasivar por
exposición a medios pasivadores (pasividad artificial). La
pasividad se mantiene por una película superficial,
probablemente de óxido o tal vez de algún otro compuesto.
La energía de un determinado sistema puede medirse en los
términos de lo que se llama la energía libre. Se pueden
presentar tres casos:
a) la energía libre es positiva. El metal es activo y puede
haber corrosión. Es el caso más frecuente entre los
metales de uso común (hierro, aluminio, cinc);
b) la energía libre es positiva, pero el metal en vez de
presentar corrosión, permanece inatacado aparentemente. Se
dice que el metal está pasivo o pasivado;
c) la energía libre es cero o negativa. El metal es indiferente a
los agentes agresivos habituales, no siendo posible ninguna
reacción de corrosión. Es el caso de los metales nobles.
Entonces los metales y aleaciones pueden tener un
comportamiento:
a. Activo (ej. hierro y acero), y
b. activo-pasivo ( Aluminio y aceros inoxidables)
Corrosión uniforme: La reacción actúa sobre toda la
superficie expuesta (o sobre un área grande). El espesor del
metal se reduce y eventualmente falla. Representa la mayor
destrucción de metal. La vida de un equipo o estructura
puede estimarse mediante ensayos.
La corrosión uniforme se caracteriza por una reacción
química o electroquímica que actúa uniformemente sobre
toda la superficie del metal expuesto a la corrosión
Es relativamente fácil su control:
1. Recubrimientos
2. Inhibidores
3. Protección catódica
Corrosión atmosférica: Es la producida por el oxígeno del
aire. La reacción actúa sobre toda la superficie expuesta (o
sobre un área grande). El espesor del metal se reduce y
eventualmente falla. La vida de un equipo o estructura puede
estimarse mediante ensayos.
La corrosión uniforme se caracteriza por una reacción
química o electroquímica que actúa uniformemente sobre
toda la superficie del metal expuesto a la corrosión
Es relativamente fácil su control:
1. Recubrimientos
2. Inhibidores
3. Protección catódica
Los factores que influyen en la corrosión atmosférica son:
a. La presencia de exceso de oxígeno. El oxígeno cumple
una doble función en el proceso de corrosión: Actúa de
oxidante del metal y en la despolarización de los cátodos.
b. Humedad relativa. La húmedad relativa crítica está
comprendida, en general entre 50 y 70 % para el acero,
cobre, níquel y Zinc.
c. Temperatura. La humedad relativa aumenta cuando baja la
temperatura.
d. Contaminantes. El polvo es el principal contaminante de
muchas atmosferas.
CORROSIÓN GALVÁNICA O BIMETÁLICA.
La corrosión electroquímica o galvánica es la que se produce
cuando dos metales de diferente electronegatividad se
encuentran en contacto.
El metal con mayor electronegatividad se oxida (ánodo), dando
lugar a su progresivo deterioro y desprendimiento desde la
superficie metálica, en presencia del segundo (cátodo).
Este principio puede usarse como forma de protección de una
estructura. La estructura se usa como cátodo. Como ánodo se
usa Zn o magnesio (Mg), que no son resistentes a
corrosión. El ánodo se sacrifica.
La corrosión Galvánica es una de las más comunes que se
pueden encontrar. Es una forma de corrosión acelerada que
puede ocurrir cuando metales distintos (con distinto par redox)
se unen eléctricamente en presencia de un electrolito (por
ejemplo, una solución conductiva).
Las formas por las cuales se puede controlar son:
1. Combinar metales que se encuentren lo más cerca
posible uno del otro, en la serie galvánica.
2. Evitar el efecto de área relativa desfavorable, es decir de
pequeño ánodo y un cátodo grande.
3. Donde sea posible, aislar los metales diferentes. Es
importante que la aislación sea completa.
4. Aplicar recubrimientos.
5. Si es posible, añadir inhibidores, para disminuir la
agresividad del medio ambiente.
6. Realizar diseños de tal forma que las partes anódicas
sean fácilmente reemplazables, o que sean de mayor
espesor para prolongar su vida útil.
7. Instalar un tercer metal el cual sea anódico a los otros dos
en contacto galvánico.
8. Evitar uniones roscadas entre materiales muy separados
en la serie galvánica.
CORROSIÓN POR PICADO (PITTING)
Es una forma de corrosión localizada en grado extremo, que
produce agujeros pequeños en el metal. Pueden hacer
agujeros aislados o tan cercanos que dan la impresión visual
de una superficie rugosa.
Es una de las formas más destructivas, pero la perdida de
material es muy poca. Es difícil medirlo porque la perforación
queda cubierta con el óxido. A veces requieren tiempos
largos para actuar (meses o años). Generalmente crece en la
dirección de la gravedad.
Este tipo de corrosión se puede controlar o prevenir:
1. Mediante la selección de materiales adecuados. Algunos
materiales son más resistentes que otros al ataque por
pitting, por ejemplo, la adición de 2% de molibdeno al acero
inoxidable 316, le da mayor resistencia al pitting que el
acero inoxidable 304.
2. Preparación adecuada de las superficies.
3. Modificación del ambiente, remoción de iones agresivos,
eliminación de agentes oxidantes.
4. Adición de inhibidores.
5. Control de las variables de procesos: controlar velocidad,
temperatura, presión, PH, etc..
CORROSIÓN EN ABERTURAS (CREVICE CORROSION)
Se produce en pequeñas cavidades o grietas formadas en las
zonas de contacto entre una pieza de metal y otra igual o
diferente a la primera, o entre un metal y un elemento no
metálico. En las fisuras de ambos metales se acumula la
solución que provoca la corrosión de la pieza.
En aberturas pequeñas (pueden ser hendiduras, grietas,
debajo de la cabeza de pernos, remaches y bajo depósitos
porosos-empaques) donde se acumulan pequeñas
cantidades de solución estancada.
Para prevenir o minimizar la corrosión por fisuración en
diseños de ingeniería se pueden emplear los métodos y
procedimientos siguientes:
1. Usar en las estructuras de ingeniería uniones de extremos
completamente soldados en lugar de atornillados o
remachados.
2. Diseñar recipientes para drenaje completo donde puedan
acumularse soluciones estancadas.
3. Utilizar juntas o empaques no absorbentes tales como
teflón, si es posible.
CORROSIÓN INTERGRANULAR
La corrosión intergranular es un deterioro por corrosión
localizada adyacente a lo límites de grano de una aleación.
Los granos pierden cohesión, la aleación se desintegra o
pierde rigidez. Puede ser causada por impureza en los
contornos de los granos o por diferencia de composición entre
los granos y sus límites.
Ej. Es muy severa en soldaduras de acero inoxidable 18-8 que
ha sido calentado de 500 a 800C. Al enfriarse se produce la
precipitación de carburos de cromo en los límites de granos,
creando una diferencia de composición entre los límites y los
granos.
Carburo de cromo
18 % Cr8 % Ni
!0 % Cr8 % Ni
Zona empobrecida de cromoLimites de grano
La corrosión intergranular puede controlarse con los métodos
siguientes:
1. Utilizando un tratamiento de calentamiento a alta
temperatura después de soldar, para disolver precipitados,
seguido de un enfriamiento en agua.
2. Añadiendo elementos estabilizadores
3. Bajando el contenido del elemento que forma precipitados.
CORROSIÓN BAJO TENSIÓN (stress-corrosion-cracking-
SCC)
Es la fisuración producida por la acción combinada de
tensiones de tracción y un medio corrosivo. El esfuerzo
causante de la fractura corrosiva puede estar entre 0.7 y 0.9
del esfuerzo de fluencia (Sy), y variará con respecto a la
naturaleza del medio ambiente corrosivo. La apariencia de las
fisuras es como si fuera fractura frágil, pueden ser entre
granos o a través de los granos.
Inicialmente la tasa de progreso de una fisura es constante,
hasta que la sección transversal se reduce y aumenta σ, hasta
que se produce la rotura como un proceso mecánico.
Picadura de corrosión
EsfuerzosAgrietamiento
ZonaCorroida
Concentración deEsfuerzos
(a)
(b)
Las formas por las cuales se puede controlar son:
1. La aplicación de la protección catódica detiene el
agrietamiento al eliminar la corrosión.
2. Eliminar esfuerzos residuales mediante un tratamiento
térmico de recocido apropiado.
3. Disminuir esfuerzos aplicados si es que es posible.
4. Adicionar inhibidores al medio corrosivo.
5. Aumentar espesores.
6. Selección de materiales adecuados.
LIXIVIADO SELECTIVO (SELECTIVE LEACHING)
Es la eliminación preferencial de un elemento de una solución
sólida por procesos de corrosión. El ejemplo más común de
este tipo de corrosión es la decincificación que tiene lugar en
latones, consistente en la eliminación selectiva de zinc que
esta aleado con el cobre.
Procesos similares ocurren en otras aleaciones, como la
pérdida observable de níquel, estaño y cromo de las
aleaciones de cobre; de hierro en las fundiciones; de níquel en
los aceros y de cobalto en la estelite.
Las formas mediante las cuales se puede controlar la
decincificación son:
1. Selección de materiales adecuados. Por ejemplo: En lugar
de utilizar latón amarillo (20-36% Zn) utilizar latón rojo (5 - 10%
Zn).
2. Protección catódica, pero ésta puede resultar
antieconómica.
3. Inhibidores para reducir la agresividad del medio.
4. Adicionar 1% de Sn, o pequeños porcentajes de As, Sb, o P
con o sin Sn.
CORROSIÓN POR EROSIÓN
Es el ataque que se produce en el metal debido al movimiento
relativo entre un fluido corrosivo (gases, vapores y líquidos) y
la superficie metálica.
Este movimiento es muy rápido (flujo turbulento) y
produce un efecto mecánico o abrasivo en la superficie
metálica, debido a que el fluido puede contener partículas
sólidas en suspensión, o el líquido penetra en el poros del
metal y en su subsecuente escape, puede arrastrar consigo
partes de metal, mientras más poroso sea un material, más
severo será el ataque.
Las formas por las cuales se puede controlar son:
1. Seleccionar los materiales más resistentes.
2. Aumentar el diámetro de tuberías dentro de lo posible
3. Aumentar el espesor de pared.
4. Evitar desalineamientos al colocar tuberías.
5. Emplear inhibidores.
6. Emplear recubrimientos.
7. Disminuir el tamaño de grano del material.
CORROSIÓN CON FATIGA
Es el deterioro debido a la acción combinada de esfuerzos
repetidos o fluctuantes y un medio ambiente corrosivo hasta
producir el agrietamiento. Usualmente, un ambiente agresivo
tiene un efecto de disminución del límite de fatiga, produciendo
fallas en pocos ciclos de esfuerzo que el requerido en un
ambiente no corrosivo.
Entonces en un medio ambiente de este tipo, la
resistencia a la fatiga por corrosión es mucho menor que el
límite de fatiga. Aunque se trate de un esfuerzo en límites
estrechos que actúe durante el tiempo suficiente, finalmente se
producirá la falla por agrietamiento debido a la corrosión y a la
fatiga.
Estría de fatiga en la superficie de fractura
Las formas por las cuales se puede controlar son:
1. Eliminar o disminuir esfuerzos.
2. Introducir tensiones de compresión en la superficie mediante
nitruración o cementación.
3. Cambios en los diseño, con el fin de evitar entalles en lo
posible.
4. Adición de inhibidores.
5. Usar recubrimientos (zinc, cromo, níquel y cobre).
CORROSIÓN POR CAVITACIÓN.
Es la producida por la formación y colapso de burbujas en la
superficie del metal (en contacto con un líquido). Es un
fenómeno semejante al que le ocurre a las caras posteriores de
las hélices de los barcos. Genera una serie de picaduras en
forma de panal.
Es la que se produce por el choque o colapso de burbujas
que se forman en puntos, en los que la presión local es igual
o inferior a la presión de vapor del líquido. El daño puede
involucrar factores químicos y mecánicos, particularmente si
la película protectora es destruida.
La cavitación es causada por la formación de burbujas de
aire o cavidades llenas de vapor en zonas de baja presión del
flujo de líquidos. Cuando un líquido pasa rápidamente de una
zona de baja presión a otra de alta presión, como en los
impulsores de bombas, o en los propulsores navales y se
generan flujos a grandes velocidades en conductos curvos,
las cavidades de aire o vapor chocan contra una superficie
sólida, y causan desgaste en le metal por abrasión o erosión.
Las formas por las cuales se puede controlar son:
1. Selección de materiales adecuados (ej. acero 18-8).
2. Al diseñar disminuir caídas de presión.
3.Usar recubrimientos de caucho de alta resiliencia.
4.Aumentar la dureza superficial de los materiales.
5.Evitar superficies rugosas, ya que una superficie bien pulida
inhibe la iniciación de la cavitación.
6.Operar las bombas a las más altas presiones de cabeza
posibles para evitar la formación de burbujas.
7.Para los álabes de turbinas, la aereación del agua sirve
como colchón al daño causado por el colapso de las
burbujas.
Daño por cavitación de los álabes de un rodete
Daño por cavitación de una turbina Francis
CORROSIÓN POR FRICCIÓN O FRETTING .
La corrosión por fricción es un fenómeno químico y mecánico
combinado. Ocurre en la interface entre superficies metálicas en
contacto y sumamente cargadas, cuando están sometidas a
ligeros movimientos vibratorios relativos.
Estas superficies deben estar en íntimo contacto, de tal modo
que las vibraciones de interface produzcan el martilleo o
rozamiento de la superficie metálica. . Este movimiento genera
una serie de picaduras en la superficie del metal, las que son
ocultadas por los productos de la corrosión y sólo son visibles
cuando ésta es removida.
Ejemplos de este tipo de corrosión se observan en las
chumaceras o cojinetes de rodillo, y de bola, las bielas, las
agujas, los acoplamientos y los ejes.
Las formas por las cuales se puede controlar son:
1. Lubricar las superficies metálicas con aceites y grasas
de baja viscosidad y alta tenacidad.
2. Usar empaques para absorber vibraciones.
3. Aumentar la dureza de una, o de las dos superficies en
contacto.
4. Aumentar carga para reducir los movimientos relativos
entre superficies.
5. Fosfatizado de las superficies.
6. Combinación de un metal suave con un más duro.
OXIDACION DE METALES
Oxidación es el deterioro de los metales debido a la acción
combinada del calor y del oxígeno.
La oxidación de los metales a elevadas temperaturas es
importante en el diseño de turbinas de gas, motores de
cohetes y equipamiento petroquímico de alta temperatura.
Una película de óxido en ciertos casos puede brindar
protección a los metales siempre y cuando sea homogenea,
continua y adherente.
2
Características de la película de óxido:
a. Si la película formada es porosa y permite el libre acceso
de oxígeno hasta el metal, el ataque continuará en forma
constante hasta consumir el metal o agotar el oxígeno (
Ley lineal)
b. Si la película de óxido es homogénea y continua la
corrosión estará gobernada por difusión (Ley parabólica)
Según Pilling y Bedworth, las características de la película
formada se determina mediante la siguiente relación:
Donde w = peso molecular del óxido.
W = peso atómico del metal.
D = densidad del óxido.
d = densidad del metal.
Si la relación es menor que 1 se tiene un óxido poroso, si es
mayor que 1 el óxido es continuo.
EL POTENCIAL REDOX (Eh) es un valor relativo medido contra el
punto 0 del electrodo normal de hidrógeno u otro electrodo secundario
de referencia (ej. Electrodo calomel de HgCl ó Hg2Cl2 ó el electrodo
plata/plata cloruro: Ag/AgCl[sat], KCl[sat]).
Cualquier sistema o ambiente que acepte electrones de un electrodo
normal de hidrógeno es una media celda con un potencial redox positivo.
En contraposición, cualquier ambiente o sistema que done electrones al
electrodo normal de hidrógeno se define como una media celda con un
potencial redox negativo. El potencial redox se mide en milivoltios o
voltios
PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN
Dentro de las medidas utilizadas industrialmente para
combatir la corrosión están las siguientes:
1. Selección de materiales
2. Recubrimientos
3. Diseño
4. Protección anódica y catódica
5. Control del medio
PROTECCIÓN CATÓDICA Y ANÓDICA
PROTECCION CATODICA.
La protección catódica es el único medio que asegura la
inmunidad casi completa del metal contra la corrosión. Con
la protección catódica se neutraliza cualquier corriente que
circula por una estructura y que origina corrosión.
La protección catódica se define como “el método de
reducir o eliminar la corrosión de un metal, haciendo que,
la superficie de este, funcione completamente como
cátodo cuando se encuentra sumergido o enterrado en un
electrólito”.
Ello se consigue con la polarización del cátodo por medio
de una corriente externa (parte C-A), llevando el potencial
de corrosión Ecorr. al potencial del ánodo a circuito abierto
Ea. Estarán al mismo potencial y no habrá más corrosión
en el ánodo(Figura 6.1).
Ecorr
I aplicada
I
E
Ec
Ea
I corr
C
A
Ep
ip
ia ic
ia´ ic´
Ea Ec
PROYECTO DE UN SISTEMA DE PROTECCION CATODICA
El procedimiento a seguir es el siguiente:
a. ESTUDIO PREVIO
Se efectúa un reconocimiento del estado de la superficie
de la estructura, midiendo al mismo tiempo los potenciales
naturales respecto al medio, con referencia a un electrodo
impolarizable, por ejemplo de cobre-sulfato de cobre y la
resistividad del medio
Son potenciales naturales los que adquiere la estructura
al ser sumergida en el medio corrosivo (electrólito), excepto
de campos perturbadores.
PROCEDIMIENTO:
1. Estudio Previo
2. Selección del sistema de protección adecuado
a. Protección catódica por ánodos galvánicos
b. Protección catódica por corriente impresa
3. Diseño del sistema de protección
a. Calculo del área a proteger
b. Selección de la densidad de corriente de protección
c. Determinación de la corriente total
d. Selección del material anódico y determinación de su
cantidad
e. Cantidad de ánodos y su distribución
4. Montaje y prueba del sistema de protección catódica
SISTEMA POR ÁNODOS GALVÁNICOS
Se fundamenta en el mismo principio de la corrosión
galvánica, en la que un metal más activo es anódico con
respecto a otro más noble, corroyéndose el metal anódico.
En la protección catódica con ánodo galvánicos, se utilizan
metales fuertemente anódicos conectados a la tubería a
proteger, dando origen al sacrificio de dichos metales por
corrosión, descargando suficiente corriente, para la
protección de la tubería.
La diferencia de potencial existente entre el metal anódico y
la tubería a proteger, es de bajo valor porque este sistema se
usa para pequeños requerimientos de corriente, pequeñas
estructuras y en medio de baja resistividad.
Los ánodos galvánicos que con mayor frecuencia se utilizan
en la protección catódica son: Magnesio, Zinc, Aluminio.
Magnesio: Los ánodos de Magnesio tienen un alto potencial
con respecto al hierro y están libres de pasivación. Los
ánodos de Magnesio son apropiados para oleoductos, pozos,
tanques de almacenamiento de agua, incluso para cualquier
estructura que requiera protección catódica temporal. Se
utilizan en estructuras metálicas enterradas en suelo de baja
resistividad hasta 3000 ohmio-cm.
Zinc: Para estructura metálica inmersas en agua de mar o en
suelo con resistividad eléctrica de hasta 1000 ohm-cm.
Aluminio: Para estructuras inmersas en agua de mar.
Ventajas del sistema de protección por ánodos galvánicos:
No es necesario el suministro de energía externa.
Los costos de instalación y mantenimiento son bajos.
Rara vez causan problemas de interferencia a otras
estructuras.
Mejor distribución de la corriente de protección.
Desventajas principales de este sistema de protección
catódica:
La densidad de corriente suministrada a la estructura está
limitado por la diferencia de potencial bastante baja, entre
los ánodos y la estructura
Limitaciones con la resistividad del electrólito (menor a
6000 ohm-cm)
Para estructuras desnudas o pobremente recubiertas es
alto el costo de la protección, fundamentalmente en
aquellas de grandes dimensiones.
Principales ánodos galvánicos y su utilización:
ANODOS DE MAGNESIO: Instalaciones enterradas o sumergidas en aguas dulces (suelos de resistividad hasta de 3000 Ohm-cm)
ANODOS DE ZINC: Instalaciones enterradas o inmersas (Suelos de resistividad hasta de 1000 Ohm-cm)
ANODOS DE ALUMINIO: Instalaciones inmersas, principalmente de instalaciones marítimas como plataformas petroleras
SISTEMAS DE PROTECCIÓN POR CORRIENTE IMPRESA
En este sistema se mantiene el mismo principio fundamental,
pero tomando en cuenta las limitaciones del material, costo y
diferencia de potencial con los ánodos de sacrificio, se ha
ideado este sistema mediante el cual el flujo de corriente
requerido, se origina en una fuente de corriente generadora
continua regulable o, simplemente se hace uso de los
rectificadores, que alimentados por corriente alterna ofrecen
una corriente eléctrica continua apta para la protección de la
estructura.
La corriente externa disponible es impresa en el circuito
constituido por la estructura a proteger y la cama anódica. La
dispersión de la corriente eléctrica en el electrólito se efectúa
mediante la ayuda de ánodos inertes cuyas características y
aplicación dependen del electrólito.
El terminal positivo de la fuente debe siempre estar
conectado a la cama de ánodo, a fin de forzar la descarga de
corriente de protección para la estructura.
Este tipo de sistema trae consigo el beneficio de que los
materiales a usar en la cama de ánodos se consumen a
velocidades menores, pudiendo descargar mayores
cantidades de corriente y mantener una vida más amplia.
Chatarra de hierro: Por su economía es a veces utilizado
como electrodo dispersor de corriente.
Este tipo de ánodo puede ser aconsejable su utilización en
terrenos de resistividad elevada y es aconsejable se rodee de
un relleno artificial constituido por carbón de coque.
El consumo medio de estos lechos de dispersión de corriente
es de 9 Kg/Am*Año.
Ferrosilicio: Este ánodo es recomendable en terrenos de
media y baja resistividad. Se coloca en el suelo incado o
tumbado rodeado de un relleno de carbón de coque. A
intensidades de corriente baja de 1 Amp, su vida es
prácticamente ilimitada, siendo su capacidad máxima de
salida de corriente de unos 12 a 15 Amp por ánodo.
Su consumo oscila a intensidades de corriente altas, entre
o.5 a 0.9 Kg/Amp*Año. Su dimensión más normal es la
correspondiente a 1500 mm de longitud y 75 mm de
diámetro.
Grafito: Puede utilizarse principalmente en terrenos de
resistividad media y se utiliza con relleno de grafito o carbón de
coque. Sus dimensiones son variables, su longitud oscila entre
1000-2000 mm, y su diámetro entre 60-100 mm, son más
ligeros de peso que los ferrosilicios.
La salida máxima de corriente es de 3 a 4 amperios por ánodo,
y su desgaste oscila entre 0.5 y 1 Kg/Am*Año.
Titanio-Platinado: Este material está especialmente indicado
para instalaciones de agua de mar, aunque sea perfectamente
utilizado en agua dulce o incluso en suelo. Su característica
más relevante es que a pequeños voltajes (12 V), se pueden
sacar intensidades de corriente elevada, siendo su desgaste
perceptible.
En agua de mar tiene, sin embargo, limitaciones en la tensión a
aplicar, que nunca puede pasar de 12 V, ya que ha tensiones
más elevadas podrían ocasionar el despegue de la capa de
óxido de titanio y, por lo tanto la deterioración del ánodo.
Ventajas del sistema de protección por corriente
impresa :
Posibilidad de suministrar mayores cantidades de
corriente.
Posibilidad de controlar las cantidades de corriente
suministradas
Posibilidad de ser aplicados en cualquier electrolito
(elevada resistividad)
Posibilidad de ser aplicado, con eficacia, para la
protección de estructuras viejas o pobremente revestidas
Posibilidad de ser aplicado, para instalaciones de gran
tamaño.
Desventajas de este sistema de protección catódica :
La necesidad de mantenimiento periódico.
Posibilidad de generar problemas de interferencia con
otras estructuras metálicas enterradas en las
proximidades
Los costos de mantenimiento e instalación son altos.
Requieren de alimentación de corriente eléctrica
externa.
PROTECCIÓN POR RECUBRIMIENTO
La protección por recubrimiento consiste en crear una
capa superficial o barrera que aísle el metal del entorno.
En principio es el método más evidente, ya que se impide
que el material sensible entre en contacto con el oxígeno y
la humedad. Dentro de este tipo de protección podemos
diferenciar los recubrimientos no metálicos y los metálicos
Preparación de la pieza para el recubrimiento.
Para la elaboración de los recubrimientos de las piezas
se requiere en general de alguna preparación previa,
antes de aportar la capa de metal deseada; en general
esta preparación puede ser:
Obtención de las dimensiones y acabado superficial
deseado; Esto resulta necesario en algunos casos ya que
la capa depositada copia exactamente el perfil de la
superficie base, incluso hasta los rasguños.
Desengrasado; El maquinado y pulido de las piezas
puede dejar capas notables de grasas en las piezas.
Estas capas deben ser eliminadas usando un disolvente
adecuado.
Aislamiento de las partes que no serán recubiertas; En
muchos casos no toda la pieza debe recibir la capa
galvánica. Estas partes se recubren con algún
componente aislante tal como el celuloide, o varias capas
alguna laca o barniz resistente al electrólito que se
utilizará. Los agujeros que no quieren recubrirse pueden
ser cerrados con tapones adecuados.
Desengrasado final; la presencia de películas de grasa
en la superficie de la pieza a recubrir impide la buena
adherencia del recubrimiento a la base, por tal motivo es
frecuente el uso de productos químicos tal como la sosa
caústica caliente para piezas de acero o los barros de cal
para las piezas de aluminio.
Decapado; está destinado a eliminar totalmente de la
superficie de la pieza, las películas de óxidos (en
ocasiones invisibles) que pueden estar presentes. En
muchas ocasiones el decapado se realiza en el mismo
baño electrolítico donde será recubierta, invirtiendo por
algunos segundos (30 a 50) la polaridad de la corriente y
convirtiendo así la pieza en ánodo, el consecuente
desgaste de la pieza retira completamente el óxido de la
superficie.
Métodos para aplicar recubrimientos metálicos
Los recubrimientos metálicos pueden ser aplicados por:
a. Por electrólisis (cromado, niquelado y cobreado)
b. Por Inmersión (galvanización y estañado)
c. Por metalización
d. Por cementación (sherardización, cromización,
aluminación y silicación)
e. Por chapado
-POR ELECTROLISIS (ELECTRODEPOSICIÓN). Se hace
pasar corriente eléctrica entre dos metales diferentes que
están inmersos en un líquido conductor que actúa de
electrolito.
-Uno de los metales será aquel que queremos proteger de la
oxidación y hará de cátodo. El otro metal hará de ánodo. Al
pasar corriente eléctrica, sobre el metal catódico se crea una
película protectora.
-Con este método se produce el cromado o niquelado de
diversos metales.
NIQUELADO.
Es el procedimiento mediante el cual se recubre la superficie de
piezas metálicas con una delgada capa de níquel con fines
decorativos o para protegerlas de la corrosión. Evidentemente
para usos en aeronáutica, la finalidad del niquelado será la
segunda de las nombradas.
El método electrolítico consiste en hacer actuar como cátodo la
pieza a niquelar, como ánodo placas de níquel puro y el
electrolito será sulfato de níquel, cloruro de níquel o ácido
bórico.
CROMADO.
Es un tratamiento muy difundido que se utiliza para dar
acabado a la pieza, en cuyo caso se denomina cromado
decorativo o para otorgarle dureza superficial cromado duro;
existe también el cromado poroso.
En todos los casos se efectúa por métodos electrolíticos,
mediante un baño de anhídrido crómico (llamado vulgarmente
ácido crómico) y ácido sulfúrico.
COBREADO.
Es el revestimiento de piezas metálicas mediante una delgada
capa de cobre con fines generales anticorrosivos. Este
procedimiento se efectúa casi en todos los casos por
electrólisis, actuando la pieza como cátodo dentro de un
electrolito constituido por sales de cobre.
A veces se utiliza con el objeto de facilitar la adherencia de
otros metales. Por ejemplo, y como fue ya indicado, las piezas
de acero no pueden ser cromadas, después niqueladas y por
último cromadas.
CINCADO.
El cincado puede ser aplicado sobre piezas metálicas o no,
teniendo por finalidad proteger al material.
Este tratamiento puede ser efectuado por inmersión o
electrolíticamente. En el primer caso se sumerge la pieza en un
baño de cinc fundido y el segundo se efectúa en una solución
de sulfato de cinc.
La aplicación más común es para proteger de la corrosión al
hierro, quedando la pieza con una coloración brillante con
reflejos azulados, perdiendo casi inmediatamente este aspecto
con la exposición al aire, debido a la formación de hidróxido
que le confiere una coloración grisácea.
Principio de la electrolisis
Cuando conectamos los electrodos con una fuente de
energía (generador de corriente directa), el electrodo que se
une al borne positivo del generador es el ánodo de la
electrólisis y el electrodo que se une al borne negativo del
generador es el cátodo de la electrólisis.
Baños para cromo decorativo.
Acido crómico comercial 200 a 300 gr/ litro
Acido sulfúrico 1 a 3 gr /litro
Temperatura de trabajo de 35 a 45 ºC
Densidad de corriente de 6 a 12 A/dm2
Baños para cromo duro.
Acido crómico comercial 250 a 400 gr/ litro
Acido sulfúrico 1 a 2 gr /litro
Temperatura de trabajo de 45 a 65 ºC
Densidad de corriente de 15 a 50 A/dm2
Baños de níquel mate.
Este baño sirve para dar capas gruesas de níquel sobre
hierro, cobre, latón y otros metales ( el aluminio es un caso
aparte) es un baño muy concentrado que permite trabajar
con corrientes de 8 - 20 amperios por decímetro cuadrado,
con el cual se consiguen gruesos capas de níquel en
tiempos razonables.
Sulfato de níquel 200 gramos/l
Cloruro de níquel 60 gramos/l.
Acido borrico 10 gramos/l
Ajustar el pH para que este entre 4 y 5, si es bajo añadir un
poco de ácido sulfúrico ( 1 o 2 cm3) si es alto añadir un poco
de carbonato de níquel.
Niquelado brillante.
El niquelado brillante se realiza con un baño de composición
idéntica al anterior al que se le añade un abrillantador.
Resulta por lo tanto la siguiente composición.
Sulfato de níquel 200 g/l
Cloruro de níquel 60 g/l
Acido bórico 10 g/l
Sacarina 1,5 g/l
Humectante 0,5 g/l
-INMERSIÓN: Consiste en recubrir los metales a proteger
con otros de menor potencial, es decir, ánodos de sacrificio.
Para ello se sumerge el metal a proteger en un baño de otro
metal fundido. Al sacarlo del baño, el metal se solidifica
formando una fina película protectora. Los metales más
empleados en estos procedimientos son:
Estaño (estañado): se utiliza mucho en las latas de
conserva (la hojalata).
Cinc (galvanizado): es el más empleado para proteger
tuberias, vigas, vallas, tornillos y otros objetos de acero.
Aluminio (aluminización): es muy económico y de gran
calidad.
RECUBRIMIENTOS NO METÁLICOS
Es el tipo de protección más difundido en el cual la superficie
del metal es tratada mediante pinturas. Su tecnología es
simple y muy accesible teniendo como desventaja el cuarteo
de la capa protectora dejando pasar la humedad. La protección
se verifica de acuerdo a los siguientes mecanismos:
Efecto barrera. La película protectora tiene muy baja
difusibilidad del agua y del oxígeno.
Protección galvánica. Pigmentos que actúan como ánodos de
sacrificio.
Protección química. Pigmentos que se vinculan químicamente
al hierro.
Mixta: Es una combinación de las anteriores
-Pinturas y barnices.- Es un método económico. Precisa que
la superficie del material a proteger se encuentre limpia de
óxidos y grasas. El minio, pintura que contiene en su
composición óxido de plomo, es uno de los más empleados.
-Plásticos.- Son muy resistentes a la oxidación. Tienen la
ventaja de ser muy flexibles, pero tienen poca resistencia al
calor. El más habitual es el PVC.
- Esmaltes y cerámicos.- Tiene la ventaja de resistir
elevadas temperaturas y desgaste por rozamiento.
Protección por capa química. Se provoca la reacción de
las piezas con un agente químico que forme compuestos de
un pequeño espesor en su superficie, dando lugar a una
película protectora por ejemplo.
Cromatizado. Se aplica una solución de ácido crómico
sobre el metal a proteger, formándose una película de óxido
de cromo que impide su corrosión.
Fosfatación. Se aplica una solución de ácido fosfórico y
fosfatos sobre el metal. Formándose una capa de fosfatos
metálicos sobre el metal, que la protegen del entorno.
Anodización. Es la formación de una película de óxido duro y
no corroíble, sobre el aluminio o sus aleaciones, por métodos
electrolíticos, para su protección contra la oxidación. Esta
capa llamada "anódica", no se deposita sobre la superficie de
la pieza sino que se forma hacia su interior por lo que la pieza
queda tal cual fue fabricada, en cuanto a color y terminación.
El proceso de anodizado se realiza conectando como ánodo
(+) al material a tratar y como cátodo (-) un material inerte; el
electrolito es una solución de agua y ácido sulfúrico.
Los metales anodizados pueden pintarse o colorearse
mediante iones metálicos o anilinas con lo que se obtiene un
brillo metálico en varios colores y con un acabado perfecto.
El anodizado proporciona además la buena terminación y
protección contra la corrosión, mayor dureza superficial y
resistencia al desgaste.
INHIBIDORES
El método consiste en añadir productos químicos o inhibidores
al electrolito los cuales actúan como catalizadores
disminuyendo la velocidad de la corrosión.
Los inhibidores pueden ser:
· De absorción: forman una película protectora.
· Barrenderos: eliminan oxigeno.
Los más utilizados son las sales de cromo, muy empleadas en
los radiadores de los automóviles.
DISEÑO
Quizás el método más eficaz para evitar la corrosión es
realizar un buen diseño y elección de los materiales a
emplear en las aplicaciones industriales. Algunas reglas
generales que se deben tener en cuenta son:
- Analizar los esfuerzos mecánicos a que se someterán los
materiales. Este factor es muy importante cuando se
proyecten tuberías y tanques que contengan líquidos.
- Deben utilizarse metales próximos en la tabla de
electronegatividad. Si se atornillan metales que no estén
próximos en la tabla galvánica se deben usar arandelas no
metálicas para evitar contactos eléctricos entre estos
materiales
-Se recomiendan los depósitos soldados a los remachados
para reducir la corrosión por grietas.
- Es necesario evitar concentraciones de tensiones en
zonas propensas a la corrosión para prevenir la ruptura por
corrosión debida a esfuerzos, sobre todo con aceros
inoxidables, latones y materiales propensos a este tipo de
fenómeno.
- Se deben evitar recodos agudos en redes de tuberías. En
las zonas den las que el fluido sufre un cambio de dirección
se potencia la corrosión por erosión.
- El diseño de tanques y recipientes debe favorecer su
limpieza y desagüe, ya que el estancamiento de sustancias
propicia la aparición de fenómenos corrosivos.
- Se debe hacer un diseño eficiente de las piezas que se
espera se degraden en tiempos breves, para que sean
fácilmente reemplazables.
- Los sistemas de calefacción se tienen que diseñar de
manera que no aparezcan zonas puntuales calientes, puesto
que los cambios de temperatura favorecen la corrosión
-MODIFICACIÓN DEL ENTORNO
Las condiciones ambientales pueden ser muy importantes al
determinar la gravedad de la corrosión. Algunos métodos
importantes son:
1. Bajar las temperaturas
2. Disminuir la velocidad de los líquidos
3. Eliminar el oxigeno de los líquidos
4. Reducir la concentración de los iones
5. Añadir inhibidores a los electrolitos
Uno de los factores determinantes en la velocidad y grado de
los procesos de oxidación son las condiciones ambientales.
El control o modificación de estas condiciones permitirá
controlar y minimizar el proceso.
Los métodos más utilizados son:
· Disminución de la temperatura.- con ello se consigue
disminuir la velocidad de reacción y, por tanto, el riesgo de
corrosión
· Reducción de la velocidad de un fluido corrosivo.- Se
consigue disminuir la corrosión por erosión. Es muy
interesante cuando se trabaja con metales y aleaciones
susceptibles de pasivación. Es importante evitar las
disoluciones estancadas.
· Eliminar el oxigeno de soluciones acuosas.- Minimiza la
corrosión, especialmente en las calderas de agua.
· Reducción de la concentración de iones corrosivos en
el electrolito que está corroyendo un metal anódico, lo que
acarrea una disminución de la velocidad de corrosión. Muy
empleado en aceros inoxidables
SELECCIÓN DE MATERIALES ADECUADOS
Uno de los métodos más comunes de control de la corrosión
es la utilización de materiales que sean resistentes a la
corrosión para un determinado medio. La primera idea es
escoger todo un material que no se corroa en el ambiente
considerado. Se pueden utilizar aceros inoxidables, aluminios,
cerámicas, polímeros (plásticos), FRP, etc. Cabe recordar que
no existen materiales absolutamente inoxidables; hasta el
aluminio se puede corroer.
Existen, sin embargo algunas reglas generales que son
bastante aceptadas y que pueden ser aplicadas cuando se
seleccionan metales y aleaciones resistentes a la corrosión:
Combinaciones de metales y medios que proporcionan
buena resistencia a la corrosión a bajo costo.
1. Acero inoxidable-ácido nítrico
2. Níquel y aleaciones de níquel-Caústicos
3. Monel-ácido fluorhídrico
4. Hastelloy-. Ácido clorhídrico caliente
5. Plomo-ácido sulfúrico diluido.
6. Aluminio-exposición atmosférica
7. Estaño-agua destilada
8. Titanio-soluciones calientes altamente oxidantes
9. Tántalo-resistencia máxima
10.Acero-ácido sulfúrico concentrado.
Recomendaciones a tomar en cuenta:
1. Para condiciones no oxidantes o reductoras tales como
ácidos y soluciones acuosas libres de aire se utilizan
frecuentemente aleaciones de níquel y cromo.
2. Para condiciones oxidantes se usan aleaciones que
contengan cromo.
3. Para condiciones altamente oxidantes se aconseja la
utilización de titanio y sus aleaciones.
INFLUENCIA DE LA COMPOSICION QUÍMICA EN LA RESISTENCIA A
LA CORROSIÓN.
Cromo (Cr):
Es principal elemento para aleación en el acero inoxidable, ya
que es esencial en la formación de la capa pasiva. Otros
elementos pueden mejorar su eficacia en la formación y el
mantenimiento de este recubrimiento, pero no sustituirla.
Cuanto mayor es el tenor de Cr, mayor es la resistencia a la
corrosión.
Níquel (Ni):
Es el segundo más importante de los elementos del acero
inoxidable. Eficaz para regenerar la capa pasiva
(repasivación). El Ni estabiliza la austenita en la temperatura
ambiente, mejorando la resistencia a la corrosión, y
potencializando la viabilidad del acero inoxidable.
Molibdeno (Mo):
Mezclado con cromo, es eficaz en la estabilización de la capa
pasiva en la presencia de cloruros. Las adiciones de Mo
aumentan la resistencia general a la corrosión, por pite y por
aberturas en el acero inoxidable.
Manganeso (Mn):
En cantidades moderadas, tiene el mismo efecto que en la
aleación de níquel, sin embargo, el cambio de Ni con Mn no es
práctico. Para mejorar la plasticidad por calor, el Mn mezcla
con S (azufre) creando sulfetos de manganeso.
Carbono(C):
Porcentajes de 0,03% de C proporcionan una mayor
resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables. Es un
elemento que otorga tratamiento térmico de temple de los
aceros martensíticos, y promueve mayor resistencia mecánica
en aplicaciones por alta temperatura. El C es perjudicial a la
resistencia a la corrosión debido a su reacción con Cr (Cromo),
en el caso de otras aplicaciones. En los aceros ferríticos, el
aumento de porcentaje de C provoca una disminución en la
tenacidad.
Titanio (Ti), Niobio (Nb) y Tántalo (Ta):
Todos estos elementos se añaden a los de aceros inoxidables
por su mayor afinidad con el C, evitando la precipitación y la
formación de carburos de cromo, lo que aumenta la resistencia
a la corrosión intergranular.
DEGRADACION DE POLIMEROS
El termino degradación significa destrucción de la estructura. La
degradación de un polímero puede acarrear:
a. Su disolución
b. Engrosamiento (Hinchamiento)
c. Pérdida de propiedades mecánicas
d. Alteración del color
e. Inestabilidad térmica
f. Pérdida de peso o desmoronamiento estructural,
Bajo la influencia de uno o más factores ambientales, como:
calor , luz o sustancias químicas tales como ácidos , álcalis y
algunos sales.
Estos cambios generalmente son indeseables, tales como
grietas y la desintegración química de los productos o, más
raramente, deseable, como en la biodegradación , o
deliberadamente reducir el peso molecular de un polímero de
reciclaje. Los cambios en las propiedades a menudo se
denominan "envejecimiento".
Un polímero puede tener diversos cambios físicos o químicos:
1.- FÍSICOS: decoloración, pérdida de brillo superficial,
formación de grietas, superficies untuosas, erosión superficial
y pérdida de propiedades como resistencia a la tracción-
deformación
2.- QUÍMICOS: rotura de cadenas, eliminación de cadenas de
los extremos (despolimerización) , eliminación de grupos
laterales, reacciones de entrecruzamiento, etc.
Cada agente externo que conduce a la degradación del
polímero da lugar a un mecanismo diferente de degradación (y
modifica la estructura del polímero).
FOTODEGRADACION. La rotura de los enlaces covalentes
debido a la radiación UV (72 -100 Kcal) pueden ocasionar el
amarilleo y fragilidad de los polímeros orgánicos.
DEGRADACION TERMICA. La ruptura hemolítica de los
enlaces covalentes de la cadena o de los grupos laterales,
provocada por el aumento de la temperatura.
DEGRADACION OXIDATIVA. El oxígeno origina
radicales libres en el polímero, que pueden dar todo tipo de
reacciones secundarias degradativas (peróxidos que luego se
descomponen). El oxígeno o el ozono, pueden reaccionar con
los polímeros provocando o favoreciendo su escisión.
DEGRADACIÓN HIDROLÍTICA. Al entrar en contacto el
material con un medio acuoso, el agua penetra en la matriz
polimérica y provoca hinchamiento, ruptura de puentes de
hidrógeno intermoleculares, hidratación de las moléculas y
finalmente la hidrólisis de los enlaces inestables.
DISOLUCION. Se produce cuando el polímero es
completamente soluble en el disolvente. Cuando mayor sea el
parecido entre la estructura química del soluto y la del
polímero, mayor probabilidad habrá de que se produzca el
hinchamiento o la disolución.
BIODEGRADACIÓN. Se debe a la acción de organismos vivos
como bacterias, hongos, levaduras y sus enzimas que
consumen una sustancia polimérica como una fuente de
alimento tal que su forma original desaparece.
FOTODEGRADACIÓN
Aunque gran parte de la radiación solar es absorbida por la
atmósfera, la comprendida entre los 280 y 400 nm alcanza la
superficie terrestre (UV). Puesto que la energía de esta
radiación va de 72 a 100 Kcal, es suficiente para producir la
rotura de los enlaces covalentes y ocasionar el amarilleo y
fragilidad de los polímeros orgánicos.
El polietileno, PVC, poliestireno, los poliésteres y el propileno
se degradan cuando se someten a longitudes de onda de 300,
310, 319, 325 y 370 nm, respectivamente. Así, la mayoría de
estos polímeros se fabrican con una gran cantidad de aditivos
para evitar la descomposición por fotodegradación.
DEGRADACIÓN TÉRMICA
El calor conlleva a la ruptura hemolítica de los enlaces
covalentes de la cadena o de los grupos laterales, provocada
por el aumento de la temperatura. Tras la ruptura del enlace,
las reacciones que se dan dependen de la actividad de cada
radical (como es obvio, a más temperatura, mayor es la
degradación).
Los polímeros térmicamente estables se obtienen según dos
vías: aumentando su rigidez, o su cristalinidad. Esto se
consigue con la inclusión de grupos rígidos y voluminosos
(anillos) en la cadena, y también con polímeros estéreo
regulares. Así se aumenta, además, la temperatura de
transición vítrea, con lo que se incrementa su resistencia
térmica.
El aumento de la agitación molecular, provocada por una
absorción de energía calorífica, disminuye la fuerza de los
enlaces que pueden llegar a romperse.
En algunos casos, las reacciones químicas que se producen
hacen aparecer productos gaseosos, lo que se traduce en
una pérdida de peso del material.
Cuanto mayor sea la fuerza de los enlaces de un material
polimérico mayor será su estabilidad térmica.
DEGRADACIÓN OXIDATIVA
Consiste en el ataque del oxígeno activo sobre el polímero; en
el fondo, es una reacción orgánica de oxidación-reducción.
Como en la degradación térmica, el oxígeno origina
radicales libres en el polímero, que pueden dar todo tipo de
reacciones secundarias degradativas. En general, los
polímeros diénicos o con carbonos terciarios son los menos
resistentes al oxígeno radicalario debido a la reactividad de los
carbonos acrílicos y terciarios.
Este tipo de degradación ha sido muy estudiada en
poliolefinas y depende claramente de la concentración de O2.
En una primera etapa, el oxígeno se fija en los carbonos
susceptibles que hay en la cadena, y se forma un peróxido
que se descompone a acetona o aldehído.
DEGRADACIÓN HIDROLÍTICA
Al entrar en contacto el material con un medio acuoso, el agua
penetra en la matriz polimérica y provoca hinchamiento,
ruptura de puentes de hidrógeno intermoleculares, hidratación
de las moléculas y finalmente la hidrólisis de los enlaces
inestables.
La ruptura por hidrólisis de los grupos funcionales puede
ocurrir tanto en los grupos de la cadena principal como en los
sustituyentes laterales. Sin embargo, el concepto degradación
de polímeros se asocia a una disminución del peso molecular,
por lo que es necesario que la cadena principal se rompa por
varios puntos.
Factores que influyen en la degradación hidrolítica de los
polímeros:
A) Naturaleza de los grupos funcionales. Existe una
relación directa entre la sensibilidad del grupo a la hidrólisis y
la degradabilidad del polímero. Sin embargo, otros factores
tienen una influencia considerable y pueden alterar el
comportamiento de un material polimérico
predecible.
B) Permeabilidad al agua y solubilidad (hidrofílicos-
hidrofóbicos). Depende del carácter hidrofílico de los grupos
funcionales, del número de éstos, y de su accesibilidad (factor
de vital importancia). Cuando la velocidad de absorción de
agua es superior a la velocidad de hidrólisis, ocurre una
degradación en masa, y al revés, tiene lugar una degradación
Superficial.
C) Factores físico-químicos: intercambio iónico, fuerza
iónica, pH. La velocidad de degradación de un polímero es
función del medio de incubación. Generalmente el proceso
de degradación puede ser activado o ralentizado por un
cambio en el pH del medio.
D) Cristalino-amorfo. La morfología del polímero es de gran
importancia, ya que la fase amorfa es mucho más accesible al
agua que la cristalina. Así, los polímeros biodegradables
suelen ser semicristalinos, y es frecuente que en las primeras
fases de degradación aumente el porcentaje de cristalinidad
del polímero.
E) Temperatura de transición vítrea (Tg). La rigidez o la
flexibilidad del polímero es consecuencia de la movilidad de
sus moléculas, que depende a su vez de la temperatura del
experimento y de la Tg del polímero. Cuando se incuba un
polímero en un tampón, su Tg queda afectada por el efecto
plastificante causado por la penetración del agua en la matriz
del polímero. Reed (1981) demostró que la velocidad de
hidrólisis aumenta de forma significativa cuando el polímero se
encuentra por encima de su Tg.
F) Peso molecular y estructura química (naturaleza de los
enlaces hidrolíticamente inestables).
G) Aditivos: ácidos, básicos, monómeros, plastificantes,
monómeros, fármacos…
H) Esterilización, ubicación del implante…
DISOLUCIÓN
La disolución puede considerarse una continuación del
hinchamiento, que se produce cuando el polímero es
completamente soluble en el disolvente.
Cuando mayor sea el parecido entre la estructura química del
soluto y la del polímero, mayor probabilidad habrá de que se
produzca el hinchamiento o la disolución. Al igual que en el
hinchamiento, un bajo peso molecular, poco entrecruzamiento
cristalino y el aumento de temperatura son factores que
favorecen la disolución.
En general, los polímeros, especialmente los fluorocarbonos y el
PVC, son más resistentes que los metales a los ataques de
disoluciones ácidas y alcalinas.
ROTURA DE ENLACES.
La rotura de enlaces en las cadenas moleculares, lo que se
denomina escisión, produce una disminución del peso molecular
del polímero, que disminuye apreciablemente sus cualidades
físicas y químicas.
La rotura del enlace puede producirse como consecuencia de
radiaciones incidentes de energía térmica o de reacciones
químicas.
RADIACION.
Algunos tipos de radiación incidente sobre el polímero tiene
energía suficiente para desplazar electrones de sus átomos,
produciendo su ionización y, por consiguiente, la rotura de
enlaces.
Algunos ejemplos de estos tipos de radiación son: haces de
electrones, rayos X, rayos β, rayos γ y radiación ultravioleta. Sin
embargo, el efecto de estas radiaciones no es idéntico en todos
los caso. Por ejemplo, la radiación γ se utiliza para aumentar el
entrecruzamiento del polietileno, con el fin de aumentar su
estabilidad térmica.
Mediante la adición de estabilizantes puede aumentarse la
protección del polímero a las radiaciones, en particular a la
radiación ultravioleta.
REACCIONES QUIMICAS.
Determinados elementos o compuestos, tales como el oxígeno
o el ozono, pueden reaccionar con los polímeros provocando o
favoreciendo su escisión.
Este fenómeno es esencialmente importante en el caucho
vulcanizado, en el que, tras cierto tiempo de exposición al
agente agresivo, las escisiones producidos en la estructura del
material provocando su agrietamiento.
BIODEGRADACIÓN
Se aplica este término cuando las transformaciones y el
deterioro del polímero se debe a la acción de organismos vivos:
el proceso está catalizado por la acción de hongos, bacterias,
etc. y enzimas segregados por éstos. Al suceder en medios
acuosos, en ocasiones biodegradación y degradación hidrolítica
van de la mano.
La biodegradación comienza por la colonización de la superficie
del polímero por bacterias y hongos. La unión a su superficie
depende de factores tales como la tensión superficial, porosidad
y textura superficial. Los polímeros compactos (p.e. sintéticos
estereo regulares y con unidades repetitivas pequeñas) son
menos biodegradables, puesto que las enzimas son menos
accesibles a los grupos hidrolizables.
El ataque de microbios se aprovecha para producir polímeros
biodegradables, así se eliminan materiales de desperdicio. Los
polímeros como los celulósicos se pueden dividir fácilmente en
moléculas con peso molecular bajo, por tanto son
biodegradables, obviamente los polímeros producidos a partir
de bacterias son biodegradables también.
Sin embargo, ciertos polímeros incluidos los poliésteres, los
poliuretanos, los plásticos celulósicos y el cloruro de polivinilo
plastificado son particularmente vulnerables a la degradación
microbiana. Estos polímeros pueden fragmentarse en
moléculas de bajo peso molecular por radiación o por ataque
químico hasta que son suficientemente pequeños para ser
ingeridos por los microbios.
La biodegradación exige la conversión completa del polímero
en bióxido de carbono, agua, sales inorgánicas y otros
pequeños subproductos resultantes de la ingestion del
material por parte de las bacterias. Los polímeros del tipo de
los celulósicos se pueden fragmentar fácilmente en
moléculas con pesos moleculares bajos y son, por tanto,
biodegradables.
Además, se producen polímeros especiales para su rápida
degradación; un ejemplo es un copolimero de polietileno y del
almidón. Las bacterias atacan la porción de almidón del
polímero y reducen el peso molecular del polietileno restante.
CORROSION DE CERAMICAS
Los materiales cerámicos están constituidos por
combinaciones de elementos metálicos y no metálicos, y son
altamente resistentes a la corrosión en la mayoría de medios,
especialmente a temperatura ambiente.
En general, la corrosión de las cerámicas se produce por
mecanismos químicos, mediante disolución de los elementos
metálicos y no metálicos, por lo que puede admitirse que ya se
encuentran corroídos, por lo que resultan casi inmunes a
procesos de oxidación ulteriores. Por este motivo, se utilizan
materiales cerámicos en aquellos casos donde se requiere una
elevada estabilidad y resistencia a la corrosión a altas
temperaturas.
Los cerámicos son productos ya quemados y corroídos y, en
consecuencia, no pueden someterse a otra degradación de
este tipo (oxidaciones, combustiones y corrosiones)
constituyendo unos excelentes materiales inoxidables y
refractarios.
Los materiales cerámicos refractarios, además de ser aislantes
térmicos y estables a altas temperaturas, deben resistir el
ataque de diversos agentes agresivos, como los que se
encuentran en diversas sales o en las escorias.
También se utilizan sistemáticamente vidrios y otros materiales
cerámicos cuando se requiere una altísima estabilidad térmica
a temperaturas muy elevadas.
Fallas mecánicas en los materiales cerámicos.
Los cerámicos son frágiles por imperfecciones como grietas,
porosidad e inclusiones extrañas, se intensifica la fractura
frágil que es una falla mecánica, los defectos varían en
tamaño, forma y orientación.
La fractura frágil es cualquier grieta o imperfección que limita
la capacidad de un cerámico a resistir un esfuerzo.
La fractura frágil tiene un tratamiento estadístico. existen
métodos para mejorar la tenacidad que resultan en una mayor
resistencia a la fractura y en esfuerzos mayores, un método es
el de rodear las partículas frágiles con un material motriz más
suave y tenaz.
CORROSIÓN DE ALGUNOS CERÁMICOS CRISTALINOS.
Los óxidos tales como la sílice (SiO2) y la alúmina (Al2O3) no
presentan problemas de oxidación por estar ya oxidados. La
principal limitación de estos compuestos como materiales
de construcción para altas temperaturas, está en sus altos
coeficientes de expansión, lo que los hace poco resistentes a
grandes cambios de temperatura.
La resistencia a la oxidación de los nitruros no es elevada,
pero puede elevarse debido a la formación de capas de óxido
protectores de algunos de sus componentes: el nitruro de
silicio, debido a la formación de una película superficial de
sílice, soporta temperaturas de hasta 1.500ºC sin degradarse.
El carburo de silicio es el único carburo que puede ser usado
hasta temperaturas de 1.300ºC a 1.600ºC sin degradarse. Los
demás carburos presentan baja resistencia a la oxidación.
Los boruros presentan una buena resistencia a la oxidación.
Los siliciuros tienen una buena resistencia a la oxidación,
especialmente el disiliciuro de molibdeno (MoSi2) que puede
usarse como elemento calefactor en aire hasta 1.800ºC.
El cuarzo no es atacado a temperatura ambiente por los
ácidos clorhídrico, nítrico o sulfúrico (pero como todos los
compuestos de sílice, es atacado por el ácido fluorhídrico),
pero es atacado, aunque lentamente, por soluciones alcalinas.
A temperaturas elevadas el cuarzo es atacado por soluciones
de NaOH, KOH, Na2CO3, silicatos de sodio y soluciones de
bórax.
Los carburos y nitruros de metales de transición son
químicamente estables a temperatura ambiente pero muestran
algún ataque en soluciones concentradas de ácido.
Los materiales vítreos se corroen, principalmente, por la
acción de medios acuosos. En general, los vidrios con altos
contenidos en sílice (>96% SiO2), así como los basados en
aluminosilicatos o en borosilicatos, muestran excelente
resistencia a la corrosión en una amplia variedad de medios
corrosivos.
Los vidrios basados en silicatos son menos resistentes en
soluciones alcalinas que en soluciones ácidas.
CORROSIÓN DE VIDRIOS
Los materiales vítreos se corroen, principalmente, por la
acción de medios acuosos. En general, los vidrios con altos
contenidos en sílice (>96% SiO2), así como los basados en
aluminosilicatos o en borosilicatos, muestran excelente
resistencia a la corrosión en una amplia variedad de medios
corrosivos.
Los vidrios basados en silicatos son menos resistentes en
soluciones alcalinas que en soluciones ácidas.
Dentro de los vidrios más comúnmente utilizados, el orden
creciente de corrosión según sus agregados es el siguiente:
• para vidrios resistentes Alto sílice < aluminosiclicatos <
borosilicatos (pirex)
• para vidrios comunes Na2O.CaO.SiO2 < boratos < fosfatos
En soluciones ácidas el ataque de los vidrios más
susceptibles se produce por intercambio de los metales del
vidrio con protones del medio corrosivo. Al no contener
óxidos metálicos solubles en ácidos, esta forma de ataque
no se presenta en la sílice.
PREVENCIÓN DE LA CORROSIÓN
Para minimizar la corrosión de los cerámicos es necesario:
• seleccionar un material adecuado para el uso requerido,
• realizar mantenimiento de las piezas periódicamente,
• realizar controles para verificar que la degradación esté
dentro de los valores tolerables.
La selección del material adecuado incluye la selección de
su porosidad y su textura que puede ser mejorada de
acuerdo a los requerimientos. Los cerámicos estructurales
requieren menor porosidad que los refractarios.
En un rango intermedio de pH los silicatos metálicos
presentan baja solubilidad, y suelen formar una capa
protectora que reduce la velocidad de corrosión. Cuando el
pH aumenta se llega a valores en los que la sílice comienza
a formar silicatos solubles, y la corrosión en todos los casos
aumenta.
Los vidrios de borosilicato para contención de residuos
nucleares de alta actividad contienen aluminio, hierro y otros
metales de transición. La figura 4.38 muestra, en forma
esquemática, los valores de velocidades de corrosión de
vidrios para repositorios nucleares, comparados con vidrio
de baja sílice (vidrio común) y de alta sílice.
Bibliografía:
1. Smith William. Fundamentos de la ciencia e Ingeniería de
Materiales cuarta edición
2. Smith William. Ciencia e Ingeniería de Materiales.
3. Askeland. Ciencia e Ingeniería de Materiales.
4. Callister William. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales
5. Shakefford. Ciencia de Materiales para Ingenieros.
6. Mangonon. Ciencia de Materiales Selección y diseño.
7. Flinn-Trojan. Materiales de Ingeniería y sus Aplicaciones.
8. Avner. Introducción a la Metalurgia Física.
9. Red Hill. Principios de Metalurgia Física.
10.Lasheras. Tecnología del acero.
