CORROSION Docente: Ing. Iván Campos Fernández Correo:
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CORROSION - TEMARIO 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Introducción Corrosión Corrosión – Oxidación Potencial de Electrodo Pilas Electroquímicas Formas de Corrosión Mecanismos Básicos Medios Corrosivos 2
CORROSION - TEMARIO
9. Tipos Clasificación Corrosión 10.Métodos de Protección 11.Revestimientos 12.Protección Catódica 13.Protección Anódica
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1. INTRODUCCION El hombre, en su afán de lograr mejores condiciones de vida, ha usado constantemente su ingenio durante su larga historia. Para lograr tal objetivo, mucho lo ha debido al uso de metales que ahora forman parte de nuestra vida cotidiana y, casi sin quererlo, hemos creado una dependencia tal que sería imposible hablar del desarrollo y avance de la civilización moderna sin el uso de metales y aleaciones.
Desde muy temprano por la mañana hacemos uso del metal, en los grifos del agua para asearnos, con sus
recubrimientos de níquel y cromo, en los utensilios de la
cocina,
tales
como
los
sartenes,
cuchillos,
cucharas, etc. Aun cuando lo olvidemos, sabemos que nuestra casa, así como todos los demás edificios, sean éstos pequeños o impresionantes rascacielos,
están estructurados de acero, el cual actúa como un verdadero esqueleto que conforma, soporta y da resistencia a la construcción.
Utensilios y diversos elementos metálicos
INTRODUCCION Para el traslado a nuestro trabajo, lo hacemos usualmente en un medio de transporte fabricado en su gran totalidad de metal: autobús, coche, tren, etc. Si, mientras viajamos hacia nuestro trabajo, nos detenemos a pensar por un momento en la cantidad de metal que usa el transporte en el que vamos, nos sorprenderíamos al enterarnos de que es inmensa la cantidad de éste empleada en la carrocería, en el motor, con todo y sus componentes; incluso en el sistema de energía, como lo es el acumulador, encontramos metal en forma de láminas de plomo sumergidas en un medio ácido. Lo mismo podemos decir de los aviones que surcan los cielos actualmente, de los medios de transporte espaciales modernos y de los satélites, hechos todos ellos de aleaciones metálicas muy especiales.
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Aquellos que trabajan en algún tipo de industria, se percatarán de que casi toda la instalación productiva está constituida de diversos metales: grandes reactores donde ocurren las transformaciones químicas operando a presiones y temperaturas elevadas, tuberías que transportan las materias primas así como los productos, tanques de almacenamiento, bombas, etc.
INTRODUCCION Se vive actualmente en una civilización basada en el metal y que por lo tanto requerimos que los materiales metálicos en los cuales está basada dicha civilización industrial sean estables en nuestra atmósfera terrestre y que al menos duren en uso varios años.
INTRODUCCION Los metales se degradan inexorablemente con el tiempo de muy diversas formas, dejan de ser funcionales, perdiendo sus propiedades decorativas o mecánicas. Algunos simplemente se disuelven en su totalidad en el medio que los envuelve.
2. CORROSION Deterioro de un material, generalmente metálico, por acción química o electroquímica del medio ambiente aliada o no a esfuerzos mecánicos. El deterioro causado por la interacción físico química entre los materiales o su medio operacional representa alteraciones perjudiciales indeseables sufridas por el material, tales como desgaste, variaciones químicas o modificaciones estructurales. 13
INTRODUCCION Existe un esfuerzo grandioso para evitar que los metales de uso industrial básico para la sociedad se deterioren y vuelvan a su estado original (es decir, de metal combinado con algunos otros elementos activos tales como el oxígeno, azufre y cloro). Veremos más adelante que salvo contados metales, la mayoría de ellos son inestables en muchos de los ambientes encontrados en la Tierra
INTRODUCCION La misma atmósfera, el agua del mar, salmueras, las soluciones ácidas, neutras o alcalinas y cientos de otros ambientes causan el retorno del metal hacia una forma más estable, similar a la de los minerales.
INTRODUCCION
El hombre invierte mucha energía para extraer el metal de los yacimientos encontrados en la Tierra. Pensemos en el balance térmico global empleado durante la extracción del hierro en los altos hornos a partir de un mineral de hierro oxidado, tal como la hematita, Fe2O3. Se invierte grandes cantidades de energía termoquímica con el fin de liberar el hierro del oxígeno con la ayuda de coque (carbono), obteniéndose como productos la liberación de bióxido de carbono, C02, escoria y el hierro primario, también llamado arrabio.
INTRODUCCION Sin embargo, y como se puede deducir, el estado de existencia más estable para un metal es su forma combinada, o dicho desde un punto de vista termodinámico, es el estado de más baja energía, ya sea en forma de óxido, sulfuro, cloruro, sulfatos o carbonatos. En realidad lo que nosotros hacemos para extraer el metal es ir en contra de una reacción que ocurre espontáneamente en la naturaleza, por ejemplo, la reacción de formación de un mineral oxidado.
INTRODUCCION Es muy posible que cuando los elementos aparecieron en el universo, poco tiempo después de la creación de éste, hará aproximadamente unos 15 mil millones de años, muchas de las especies metálicas comenzaron a reaccionar con otros elementos recién formados. El paso de metal a forma combinada fue cosa de millones de años. Lentamente, el metal iba pasando de un estado inestable a uno más estable que es la forma combinada.
INTRODUCCION Aunado a esta transformación espontánea venía un cambio en energía. El sistema en proceso de transformación cedía energía lentamente y pasaba a un estado de energía mínima, a un estado estable, en equilibrio. Industrialmente lo que hacemos hoy en día es suministrar al mineral o mena una cantidad de energía equivalente a la que la reacción cedió a través de mucho tiempo para pasar a la forma combinada. Al obtener un metal en forma libre volvemos al estado inicial.
INTRODUCCION El metal libre, poseyendo una energía elevada y con fuertes tendencias a bajarla, tenderá a estabilizarse, reaccionando con el medio ambiente y volviendo a su forma de mineral original. El cobre, el cinc, el níquel, el cromo, el hierro, el aluminio, el plomo, el estaño y la mayoría de los metales ingenieriles que usamos, sufren esa tendencia después de ser obtenidos en su forma libre.
INTRODUCCION Se puede decir, que cuanto mayor haya sido la cantidad de energía invertida en la obtención de un metal a partir de su mineral (térmica, eléctrica o de otro tipo), mayor será su tendencia a volver a combinarse para estabilizarse.
Ciclo Metales
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INTRODUCCION Es interesante el pensar que un pedazo de metal puede permanecer estable por un período indefinido, si es que se le mantiene en el vacío, es decir, en donde el metal no entre en contacto con ningún medio o sustancia, incluyendo al aire por supuesto. Parece ser que la gran mayoría de los metales adquieren esa estabilidad tan deseada sólo cuando se les aísla del ambiente terrestre. Si este aislamiento no ocurre, los metales pueden reaccionar con el medio ambiente y formar compuestos tal y como lo mencionamos anteriormente.
INTRODUCCION Estos compuestos permanecen sobre la superficie del metal y son por lo general frágiles, de mal aspecto y fácilmente desprendibles, por ejemplo los óxidos del hierro, lo que origina una transformación continua del metal al repetirse periódicamente el proceso de oxidación. Sin embargo, esta forma de degradación metálica no es la única.
Siendo la corrosión un proceso espontaneo, esta constantemente transformando los materiales metálicos de modo que la durabilidad y desempeño de los mismo dejan de satisfacer los fines para los cuales son destinados. En la vida moderna no se puede prescindir de los metales y sus aleaciones, ellas se encuentran en: 27
Estructuras metálicas o sumergidas, oleoductos, gasoductos, acueductos, cables de comunicación y de energía eléctrica, tanques de almacenamiento de combustibles, silos.. Medios de transporte, trenes aviones, vehículos, carros, buses.. Líneas de iluminación eléctrica, postes, líneas telefónicas.. Equipos electrónicos, estaciones radio, transformadores, radares, etc. 28
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Corrosión en tuberías de agua
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Todas estas instalaciones representan inversiones enormes que exigen durabilidad y resistencia a lo largo de la vida útil de la inversión…
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IMPORTANCIA Los problemas de deterioro son frecuentes y ocurren en las mas variadas actividades, industria química, petrolera, construcción civil, automovilística, transporte aereo, ferroviario, medios de comunicación, telecomunicaciones, medicina, etc.
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Corrosión en implantes humanos
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Corrosión por agua de mar
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Berlin Congress Hall 1980 39
Perdidas Las perdidas económicas que envuelven estas actividades pueden ser clasificadas en directas e indirectas:
DIRECTAS: a. Costos de sustitución de piezas o equipos que sufren corrosión, incluyendo la energía y mano de obra. B. Costos de mantenimiento de los procesos de protección, recubrimientos, pinturas, etc. 40
PERDIDAS INDIRECTAS Son más difíciles de evaluar y pueden totalizar costos más elevados que las pérdidas directas. Paralizaciones Accidentales Perdidas de Productos Perdidas de Eficiencia Contaminación de Productos Sobredimensionamiento en los Proyectos 41
Costos Corrosión
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Curvas de Incremento de materias primas
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Conservación de las Reservas Minerales Producción adicional para la reposición de lo que fue deteriorado. 25% de la producción mundial tiene esa finalidad 40% en EEUU 33% Rusia y Europa 22% vuelve en forma de chatarra.
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Consideraciones Energéticas La obtención de un metal se hace a costa de una cierta cantidad de energía, la cual es cedida por intermedio de los procesos metalúrgicos, como se ve en esta expresión. Metalurgia Compuesto + Energía
Metal Corrosión
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Ejemplo de eso es lo que se vio en la presentación anterior Reducción electrolítica de Alúmina Al2 O3 para la obtención de aluminio usando criolita, fluoruro de aluminio y sodio, Na3 Al F6 como electrolito y fundente. Electrolisis Al2 O3 2Al + 0,5 O2 1000°C
Aparte de la energía requerida para la transformación que conduce al metal, una considerable cantidad de energía es perdida tanto por radiación como por convección.
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Casos benéficos Sin embargo la corrosión tiene su lado positivo. Podemos citar procesos corrosivos benéficos de gran importancia industrial. Oxidación de los aceros inoxidables, con la formación de la pelicula protectora de Oxido de cromo, Cr2 O3
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Anodización del Aluminio, o sus aleaciones, que consiste en la Oxidación de las piezas de aluminio, colocadas en un ánodo de cuba electrolítica: ocurre la formación de oxido de aluminio, Al2 O3, protector y le confiere un aspecto decorativo a la pieza.
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3. OXIDACION - REDUCCION La corrosión es en general, un proceso espontaneo, y si no fuera por el empleo de mecanismos de protección se tendría la destrucción completa de los materiales metálicos, ya que los procesos de corrosión son reacciones químicas y electroquímicas que ocurren en la superficie del metal y obedecen a principios establecidos. 53
El hecho de la corrosión ser, generalmente, una reacción de superficie hace suponer que ella pueda ser controlada. Por las propiedades del producto de corrosión. El compuesto metálico formado puede reaccionar como una barrera entre el medio corrosivo y el metal, disminuyendo así, la velocidad de corrosión del metal. 54
Este hecho es frecuentemente observado en la reacción entre metales y medios gaseosos. Cuando el producto de la corrosión puede ser removido, la velocidad de corrosión no deberá sufrir disminución con el tiempo.
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Ese caso ocurre cuando se forman productos de corrosión solubles o cuando los productos de corrosión son formados en áreas re las áreas que sufrieran y las que no sufrieran la acción del medio corrosivo.
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Todos los metales están sujetos al ataque corrosivo, si el medio fuera lo suficientemente agresivo si:
El oro y la plata son prácticamente inatacables en los medios comunes, mas no son resistentes, por ejemplo, a la acción de la mezcla de ácido clorhídrico HCL y ácido Nítrico HNO3 que constituye el agua regia. 57
El acero inoxidable AISI 304 aunque sea bastantes resistente a varios medios corrosivos, sufre corrosión localizada en presencia de iones cloruros. Cloratos;
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El Aluminio, aunque pueda resistir a los ácidos oxidantes como el nítrico, no resiste el ácido clorhídrico y las soluciones acuosas de bases fuertes como por ejemplo el hidróxido de sodio. El Aluminio es rápidamente corroído en presencia de mercurio o sales de mercurio; 59
El cobre y sus aleaciones sufren corrosión acentuada en presencia de soluciones amoniacales y en ácido nítrico; El titanio sufre corrosión en ácido fluorhídrico, aunque sea resistente a otros medio ácidos.
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Por los ejemplos citados se verifica que materiales considerados bastante resistentes a la corrosión pueden ser fácilmente corroídos cuando se usa un medio corrosivo específico. De este modo para considerarse la posibilidad del empleo de materiales se deberá hacer un estudio del conjunto (entorno): material metálico, medio corrosivo y condiciones operacionales. 61
Como la corrosión tiene su base científica bien definida, inicialmente se debe intentar esclarecer los mecánicos de los procesos corrosivos, a fin de indicar los métodos adecuados de protección o inclusive modificaciones al proyecto.
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Como en el estudio de la corrosión se envuelven conocimientos de electroquímica, serán presentadas algunas consideraciones básicas sobre oxidación – reducción , potencial de electrodo y pilas , que son asuntos fundamentales para la compresión de los procesos electroquímicos envueltos en a corrosión. 63
CONCEPTOS - OXIREDUCCIÓN Criterio Antiguo Oxidación es la ganancia de Oxigeno por una determinada substancia, y Reducción es el retiro de Oxigeno de otra substancia.
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Se puede ejemplificar esto con las siguientes reacciones, donde es un aporte de calor 2Fe + O2
2Fe O
(1)
4 Al + 3O2
2 Al2 O3
(2)
CO2
(3)
C + O2 65
2CO + O2
2CO2
(4)
WO3 + 3H2
W + 3H2 O
(5)
Fe2 O3 + 3C
2 Fe + 3CO
(6)
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En las ecuaciones (1), (2), (3) y (4) se tienen ejemplos de Oxidación de Hierro, Aluminio, Carbono y Monóxido de Carbono respectivamente. En las ecuaciones (5) y (6) son ejemplos de reducción del Oxido de Tungsteno y del Oxido de Hierro, respectivamente.
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En términos de Electrones Oxidación es la perdida de electrones por una especie química y Reducción es la ganancia de electrones por otra especie química.
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Representación en términos de Electrones
Fe →
Fe2+ + 2e
Cl2 + 2e →
2Cl-
(Oxidación del Hierro)
(Reducción del Cloro)
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En términos de Numero de Oxidación Oxidación es el aumento algebraico del numero de Oxidación. Reducción es la disminución algebraica del numero de Oxidación
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Numero de Oxidación
Reducción ….-5
-4
-3
-2
-1
0
+1
Oxidación
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+2
+3
+4
+5….
Comparación Comparando verifica que:
los
conceptos
presentados,
se
El antiguo – Es restricto a las reacciones en que hay participación de oxigeno En términos de Electrones – es mas amplio, no solo considerando el Oxigeno En términos de N° de Oxidación – No considera el O ni los electrones, por lo tanto tiene un alcance mas amplio. 72
