Manual de Corrosion Felix C Gomez de Leon

MANUAL BÁSICO DE CORROSIÓN PARA INGENIEROS

FÉLIX CESÁREO GÓMEZ DE LEÓN HIJES Dr. Ingeniero Indusrrial. Profesor tirular de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Murcia.

Con la colaboración de

DIEGO J. ALCARAZ LORENTE

Dr. en Ciencias Químicas. Profesor ritular de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica de la Universidad Politécnica de Cartagena.

UNIVERSIDAD DE MURCIA 2004

Manual básico de corrosión para ingenieros

Gómez de León, Félix Cesáreo Manual básico de corrosión para ingenieros/ Félix Cesáreo Gómez

de León Hijes; con la colaboración de Diego J. Alcaraz Lorente.­ Murcia : Universidad de Murcia, 2004

,

PROLOGO

175 p. lSBN: 84-8371-506-6

J. Corrosión y anticorrosivos. l. Alcaraz Lorente, Diego José. 11.

Universidad de Murcia. Servicio de Publicaciones. lll Título. 620.19

A lo largo de su ejercicio profesional, es frecuente que el ingeniero se tropiece tarde o temprano con problemas en los que es preciso considerar los !"Edición, 2004

efectos de la corrosión sobre piezas, sistemas mecánicos o instalaciones, ya sea desde el punto de vista del diseño, ya sea para adoptar medidas correctoras o preventivas durante su explotación.

Reservados lodos los derechos. De acuerdo con la legislación vigente, y bajo las sanciones en ella previstas, queda totalmente prohibida la reproducción y/o transmisión

Las pérdidas ocasionadas en los países industrializados por efecto de la

parcial o total de este libro, por procedimientos mecánicos o electrónicos, incluyendo

corrosión alcanzan cifras muy importantes, y los recursos humanos y materiales

fotocopia, grabación magnética, óptica o cualesquiera otros procedimientos que la técnica permita o pueda permitir en el futuro, sin la expresa autorización por escrito de

necesarios para su prevención son considerables, lo que justifica sobradamente

los propietarios del copyright.

la presencia de estos temas en la formación universitaria del ingeniero. Sin

©Universidad de Murcia, Servicio de Publicaciones, 2.004

embargo, las limitaciones temporales y curriculares propias de los planes de estudios hacen que esta materia no pueda estudiarse con toda la profundidad

ISBN: 84-8371-506-6

que requiere, por lo que, al encontrarse con el problema, el ingeniero se verá en

Depósito Legal MU -2022-2004

la necesidad de ampliar su formación en este campo.

Impreso en España - Printed in Spain Imprime: Servicio de Publicaciones.Universidad de Murcia CI Actor Isidoro Maiquez,9 MURCIA

Existen multitud de textos que tratan de forma extensa el fenómeno de la corrosión. Otros, por el contrario, apenas dedican unas páginas o algún capitulo aislado a definir el problema de forma somera, por no ser éste el objeto principal de sus contenidos. En este libro hemos querido resumir de forma sencilla pero rigurosa los fundamentos de los procesos químicos y electroquimicos que tienen lugar en la corrosión, las medidas de protección que pueden adoptarse y los tipos de ensayos que se pueden realizar para su control. El objetivo es que el estudiante

Prólogo

Manual básico de corrosión para ingenieros

de ingeniería, o el profesional interesado en el tema, pueda adquirir en poco tiempo unos conocimientos básicos acerca de este fenómeno. El texto se ha dividido en siete capítulos, en el primero de los cuales se define el fenómeno y se explican brevemente las reacciones que se producen. Tras examinar los distintos mecanismos posibles de la corrosión, el segundo capítulo se centra en estudiar el mecanismo de la corrosión húmeda. El tercer capítulo trata sobre las diferentes formas en las que se suele manifestar el proceso corrosivo, tanto aisladamente como en combinación con

,

INDICE

otros fenómenos o procesos destructivos. El cuarto capítulo se dedica al estudio de la corrosión seca. También se estudian, al final del capítulo, otros tipos de mecanismos corrosivos que pueden aparecer. El capítulo quinto trata de los procedimientos más importantes de protección que pueden aplicarse para frenar el proceso corrosivo y, en consecuencia, limitar sus efectos. En el capitulo sexto se estudian los diferentes tipos de ensayos de corrosión que pueden realizarse sobre los materiales con el fin de controlar su estado, ya sea para adoptar medidas correctoras o para valorar los efectos de la corrosión sobre un determinado material o sobre el medio.

CAPÍTULO 1. Fu ndamentos ................................................ .................... .

Serie galvánica ... .... ........ ..... ................. ....................... ...... .

13 14 14 14 16 17 18 19 22 22

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25

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. 1 . Clasificación . ..... . . . . . ..... . ... . . .. .. ... . . 2. 1 . 1 . Corrosión seca ... .. .... . .. .. 2 . 1.2. Corrosión húmeda ..... ...... .......... . .... . .. ...... . . 2. 1 . 3. Clasificación de Shreir .. .. .... ........ .. . . .. ... . ........... .. 2.2. Tipos de pilas ...... ....... .. .. . ..... .... .... ....... ........... ........................... ..

25 25 27

1 . 1 . Concepto 1 .2. Importancia de la corrosión ....... ...... ................................... . ...... 1 .3. Generalidades

.................................................... ............................. . . ..

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Por último, se dedica el capítulo séptimo a revisar algunas técnicas de inspección que frecuentemente se usan para detectar defectos que pueden presentar los materiales como consecuencia de la corrosión o por otras causas surgidas durante su fabricación, instalación o explotación. Murcia, agosto de

2004

Félix C. Gómez de León Hijes

13

1 .3. 1 . 1 .3.2. 1 . 3.3. 1 .3.4. 1 . 3.5. 1 .3.6. 1 . 3.7.

Principios electroquímicos . ...... ........................... ............... . Leyes de Faraday .. ...... ..... .. ...................... ..... .... . . ..... ........ .. Pilas galvánicas ......... ............................... .... ......... ..... ...... . . Concepto de semipila ....... . . .. .. . .................................. ... ..... . Potenciales de electrodo .... ............ ................................... . L a ecuación de Nerst .. ..... ........ .... .............................. . .. .... .

CAPÍTULO 2 . Mecanism o de la corrosi ón . . ... .. .. .. .. .. . .. . . . .... .... .... .

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2 . 2 . 1 . Pilas de electrodos diferenciales ....... . .. ......... . . . . . . 2.2.2. Pilas de concentración . . ...... ....... ... . .. ... . .... .. ... . . 2.2 .3. Pilas de temperatura diferencial . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . .. 2.3. Heterogeneidades electroquímicas .. . . . .. .. . . . metálica fase la en Heterogeneidades 2.3. 1 . 2 .3.2. Heterogeneidades e n e l medio .. . ... . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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29

29 30 30 32 33 33 35

Índice

Manual básico de corrosión para ingenieros

2.3.3. Heterogeneidades en las condiciones fisicas ................. 2.4 . Tendencia a la corrosión ................................................. , . . . . . 2.4. 1 . Balance energético .................. ......................................... 2.4.2. Potencial del proceso . ............. .... ...................................... . 2.5. Polarización 2.5.1. Polarización de activación ...................................... ......... . 2.5.2. Polarización d e concentración ........................................ 2. 5.3. Polarización de resistencia ............................................. 2.5.4. Diagramas d e Evan s ............................................... ........ 2.6. Velocidad de corrosión ... ........................................................

35 36 36 37 38 40 42 46 49 50

CAPÍTULO 3. F ormas de corrosi ón ...................................................... .

55

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CAPÍTULO 5. Protección frente a la corrosión ....................................

81

5.1. Introducción ..................... ... ..... .... ............. ..... .......................... 5.2. Métodos de protección ............................................. ................ . 5.3. Adecuación d e los materiales .............................. . " . . .. . 5.3. 1. Generalidades ................................................................. 5.3.2. Pasivación ........................... ............................................ 5.4. Modificación del diseño ............................................................ 5.5. Modificación del medio agresivo .............................................. 5.5. 1 . Generalidades ..... ..... ....................... ...... .......................... 5.5.2. lnhibidores d e l a corrosión .............................................. 5.5.3. Tipos de inhibidores ............ ..................... ....................... 5 . 5.4. Eficacia de un inhibidor ... ................................................ 5.6. Protección anódica ...... .... .... ........................................ ............ 5.7. Protección catódica .......... .... ................ ....... ....... ...................... 5.7. 1 . Introducción ..................................................................... 5.7.2. Mecanismo d e l a protección catódica ............................. 5.7.3. Protección catódica por ánodos de sacrificio .................. 5. 7.4. Limitaciones de la protección catódica ............................ 5.8. Recubrimientos protectores ................... ............ ....... .... ...... ... .. 5.8.1. Introducción .................................................................... . 5.8.2. Recubrimientos metálicos ............................ ... ... ............. 5.8.3. Recubrimientos inorgánicos .............. .............................. 5.8.4. Recubrimientos orgánicos .................... ...... .....................

81 82 83 83 84 89 90 90 91 95 96 97 99 99 99 101 1 02 1 03 1 03 1 03 1 07 108

CAPíTULO 6. Ensayos de corrosi ón . ................................................... .

111

6. 1 . Introducción ........................................................... ................. . 6.2. Clasificación ....................... ......... ........... ........ ...... .... ................ 6.3. Características de los ensayos ................................................ 6.4. Realización de los ensayos ... ............................... ................... 6.4.1. Metodología general ....................................................... . 6.4.2. Ensayos de laboratorio .................................................... 6.4.3. Ensayos en medio natural .............................................. 6.4.4. Ensayos para recubrimientos ......................................... . 6.5. Limpieza de las muestras tras el ensayo .......... ... .................... 6.6. Valoración de los ensayos .............................. ..... .................... 6.6.1. Valoración de los efectos sobre el metal ........................ 6.6.2. Valoración d e los efectos sobre e l medio ........ ...... .... .. ....

111 112 113 1 17 1 17 1 18 119 1 21 1 22 1 24 1 24 1 28

CAPÍTULO 7. Técnicas de inspección de materiales ......................... .

133

7.1. Introducción ......................... .... ........................ ........... .......... . 7 . 1.1. Generalidades .............. ................. ..................... ...... ......

1 33 133

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3. 1 . Generalidades .......................................................................... 3.2. Clasificación ........ ............... ........................... ...................... ..... 3.2. 1. Corrosión por ataque uniforme ....................................... 3.2.2. Corrosión por ataque local .............................................. 3.2 .3. Corrosión intergranular ................................................... 3.2.4. Corrosión selectiva .......................................................... .. 3.2.5. Corrosión por grietas .............................................. : . . 3.2.6. Corrosión bajo tensión ........ ............................................. 3.2. 7. Corrosión por fatiga . .. ....................................................... 3.2.8. Corrosión por erosión ................................................ , . . 3.2.9. Corrosión por cavilación ..... ............................................. . 3.2 . 1 O. Corrosión por fricción .......................................................

55 55 56 57 58 59 59 60 61 61 61 62

CAPÍTULO 4. C orrosión seca y otros mecanismos de corrosión .... ..

63

4.1. Termodinámica d e l a corrosión seca ....................................... 4.2. Factores que intervienen en la corrosión seca ....................... . 4.2.1. Temperatura .................................................................... . 4.2.2. Presión . . . . . 4.2.3. Acción catalitica .............................................................. 4.2.4 . Difusión ................................................................ ............ 4.3. Cinética de la oxidación directa .............................................. 4.3. 1 . Etapas del proceso de oxidación directa ........................ . 4.3.2. Difusión en las capas de productos de la corrosión ........ .. 4.3.3. Defectos estruct. de los óxidos y compuestos similares .. 4.3.4. Regla de Pilling y Bedworth ..................................... ........ . 4 .3.5 . Velocidad de la corrosión seca ....................................... . 4.3.6. Aleaciones resistentes a la corrosión seca ...................... 4.4. Corrosión de cerámicas .............................................. ............. 4.5. Degradación de polimeros ............................ ........................... 4 . 6 . Corrosión biológica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... .. . . . . . . . . . .

63 65 65 66 66 66 67 67 68 69 70 72 74 76 77 79

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Indice

Manual básico de corrosión para ingenieros

7.1 .2. Clasificación ........................ ..... ....... ............ ............ ... ...... 7.2. Inspección visual ............. .......................................... ............. 7.2. 1 . Examen directo ................................................................ 7.2.2. Microscopia ................... ... ............ .. ..... ... .... ...................... 7.3. Líquidos Penetrantes ........................................................ ..... . 7.3. 1 . Generalidades .................. .. ................. ..... ...................... .. 7.3.2. Procedimiento .. ..................... .. ............ ............................. 7.3.3. Características de los líquidos penetrantes .................... . 7.3.4. Características de los reveladores ..... ........... ............ .... ... 7.4. Particulas magnéticas ............................................................ 7.4 . 1 . Introducción .. .......... .. ..... .................... .... .. ......................... 7.4.2. Procedimiento ........................ ............. ..... ........................ 7.4.3. Dispositivos empleados ...................................... ....... ...... 7.4.4. Campo de aplicación del ensayo .. ..... .................. ........... . 7 .5. Corrientes inducidas .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5. 1 . Introducción ..... ..... ......... ..... ...... .. .... ......... ...... .... .... ..... ...... 7.5.2. Fundamentos del ensayo ........................... .... ..... ,. . . . . . . . . . . . 7.5.3. Aplicaciones ....................................................... .............. 7.6. Rayos X ................................................................................... 7.6.1 . Generalidades. ................... ...... .......... ....................... ....... 7 . 6.2. Antecedentes ... ........ ... .... ... .... ........................ .. ................ 7.6.3. Naturaleza de los rayos X .........................................,..... . 7 . 6.4. Fuentes de rayos X .......................................................... 7.6.5. Absorción de la radiación .. ............................................... 7 . 6.6. Impresión radiográfica ...................... ................. ............... 7.6.7. Aplicaciones industriales de la radiografía . ... ......... .. ........ 7 . 6.8. Riesgos de la rayos X ...................................................... 7.7. Ultrasonidos ............................... ..... ....... ................. ..... ........... 7.7. 1 . Fundamentos ......... ... ... ............ ................................. ... .... 7.7.2. Velocidad d e propagación ................................. . .............. 7.7.3. Reflexión y refracción ... ......... ..................... ... ..... ............. . 7.7.4. Generación y detección de ultrasonidos .......................... 7.7.5. Métodos de inspección por ultrasonidos .......................... 7.7.6. Ventajas e inconvenientes del ensayo de ultrasonidos ...

1 34 1 35 1 35 1 36 1 40 1 40 141 1 44 1 45 1 46 1 46 1 48 1 50 1 52 1 53 1 53 1 53 1 55 1 56 1 56 1 57 1 58 1 59 1 60 1 61 1 63 1 66 1 67 1 67 1 69 171 1 72 1 73 1 75

,

CAPITULO 1 Fu n dame ntos

1 .1 .

CONCE PTO Se

denomina corrosión

al

ataque

destructivo que sufre

un

material,

generalmente metálico, por reacción química o electroquímica con su medio ambiente (atmósfera, suelo, agua, etc.) . El término corrosión suele referirse normalmente al ataque de los metales, aunque otros materiales no metálicos, como las cerámicos y los polímeros, también pueden ser deteriorados por ataques químicos directos, pero en estos casos suele utilizarse el término degradación. La reacción de que se produce en el fenómeno de la corrosión depende de la naturaleza química del entorno y de la concentración efectiva de las especies reactivas. El efecto de la corrosión es una alteración de las propiedades de los materiales afectados. que puede venir acompañada de una pérdida de material. Esta circunstancia hace aconsejable,

cuando no necesario,

adoptar ciertas

medidas de protección para prevenir sus efectos sobre el material, así como realizar ensayos de los que obtener información acerca de la evolución de su estado. En los materiales metálicos

el proceso de corrosión es normalmente

electroquímico, es decir, una reacción quimica en la cual hay una transferencia de electrones de una especie a otra.

Fundamentos

1 .2.

Manual básico de corrosión para ingenieros

suficiente para oponerse a un nuevo paso de electrones a través de la superficie de contacto (figura 1 . 1 ).

I M PORTANCIA D E LA CORROS I Ó N

E n términos económicos s e estima que aproximadamente e l 5 % del producto interior bruto ( P . l . B . ) d e un país industrializado se gasta directa e indirectamente en prevenir y corregir problemas relacionados con la corrosión metálica

1�-1

Las pérdidas econom1cas derivadas de la corrosión pueden dividirse en pérdidas directas y pérdidas indirectas:

Zn

Entre las primeras pueden destacarse: •

Costes de mantenimiento

•

Costes de reposición (material, transporte y mano de obra).

•

Costes por averías i mprevistas

•

Costes directos por daños accidentales

Figura 1.1. Paso de corriente eléctrica.

Si estos dos metales se unen por medio de una solución salina puede generarse una corriente eléctrica , siendo suministrada la energ ía por cambios químicos (Figura 1 .2).

El alcance de las pérdidas indirectas por causa de la corrosión es más dificil de evaluar, sin embargo, algunas de las circunstancias más frecuentes que pueden acarrear este tipo de pérdidas son: •

I nterrupciones en la producción

•

Pérdidas de producto

•

Pérdidas de rendimiento

•

Contaminación de los productos

•

Sobredimensionado

•

Costes indirectos por daños accidentales

Flujo de electrones

Cuando el factor primordial a considerar es la seguridad , los daños que puede ocasionar la corrosión sobrepasan a cualquier predicción.

Fig ura 1. 2. Generador electroquímico de corriente eléctrica. ·: ·: • '

1 .3. G E N ERALI DADES 1 .3. 1 . PRINCI PIOS ELECTROQUÍMICOS La energí a necesaria para arrancar un electrón de un metal varía mucho en los diferentes casos. Si dos metales se ponen en contacto (sean, por ejemplo, cobre y cinc), u no de ellos (el cobre) tenderá a aceptar electrones del otro (del cinc) hasta que la diferencia d e potencial establecida por la transferencia sea

Cu

�··

Al disolver una sal en agua, se produce su disociación instantánea, quedando electrolíticamente disociada en iones portadores d e cargas eléctricas denominados: CATIONES -- Iones con carga positiva. AN IONES -- Iones con carga negativa. Tanto para pilas productoras d e corriente como para células electrolíticas consumidoras de energía eléctrica , se tienen las siguientes definiciones: CÁTODO -- Polo (electrodo) hacia el cual se dirigen los cationes. ÁNODO -- Polo (electrodo) hacia el cual se dirigen los a niones.

;I

14

15

Fundamentos

Manual básico de corrosión

Una vez disociada la sal, si se tiene una fuente de electrones, pueden reducirse los cationes a metal.

La cantidad, en gramos, de metal reaccionante por el paso d e una corriente eléctrica /, durante u n tiempo t, viene dada por la expresión:

P= k·J·t·R Esta reacción de reducción se produce en el cátodo . Mientras, en el ánodo, se produce una reacción de oxidación.

O bien:

P=

.. '

P ·J·t·R

( 1 .2)

ªv·F

siendo, P. el peso atómico; V la valencia del elemento; y F el número de Faraday, aproximadamente igual a 96500 C/mol, es decir, la carga en culombios por mol 23 de electrones (6,023 x 1 0 ).

1 .3.2. LEYES DE FARADAY � •.

(1 . 1 )

donde P es la masa en gramos; k el equivalente electroquímico; J la intensidad d e corriente en Amperios; t el tiempo en segundos; y R el rendimiento d e l electrolito.

Ejemplo: En el caso de la figura 1 .2 seria: Zn 7 Zn" + 2 e· (Reacción de oxidación / corrosión) Cu " + 2 e· 7 Cu (Reacción de reducción)

' '

para ingenieros

Los electrones van, a través del hilo conductor, del ánodo al cátodo. Éstos son suministrados por el ánodo en la reacción de oxidación y consumidos en el cátodo en Ja reacción de reducción.

El valor del rendimiento del electrólito puede establecerse empíricamente para unas determinadas condiciones d e temperatura, densidad d e corriente, p H , concentración de sales, superficie anódica/catódica, agitación, etc.

El transporte de electricidad , a través del electrolito, es realizado por los iones desde la superficie d e los electrodos, pudiendo ir acompañado de reacciones químicas.

1 . 3.3. PI LAS GALVÁ N I CAS

En el ejemplo de la figura 1 .2, cuanto mayor es el flujo de electricidad mayor es la cantidad d e cinc que se corroe. La relación cuantitativa de este proceso fue encontrada por Michael Faraday a principios del siglo XIX, quien enunció las siguientes leyes:

La combinación de dos conductores eléctricos, llamados electrodos (en general diferentes), sumergidos en un electrólito se denomina pila galvánica. La pila galvánica convierte la energ ía química en energía eléctrica. Al unir los electrodos con un conductor se establece una corriente eléctrica desde el polo positivo (cátodo) hacia el polo negativo (ánodo), conforme al criterio convencional (el flujo de electrones lleva el sentido contrario). Dentro del electrólito Ja corriente es transportada por los iones. La corriente establecida viene dada por la ley de Ohm: '

�.. {

tr. ·.?

La cantidad de sustancia liberada por un culombio se conoce como equivalente electroquímico. El equivalente electroquímico es igual al peso

atómico d ividido por la carga del ión.

Ejemplo: El equivalente electroquímico de la plata es: 1 07'8S g/ 96500 C 1'1 1 8 x 1 0·3 g/C =

16

l=EI R

(1 .3)

donde I es la intensidad de corriente en Amperios; E es la diferencia de potencial eléctrico entre los polos, o electrodos, y R la resistencia eléctrica del sistema electrodos-electrolito (pila). En una pila (generador de energ ía) el cátodo es el polo positivo y el ánodo el polo negativo. Si a una pila se le aplica corriente mediante un generador externo, entonces, la reducción se produce en el electrodo conectado al polo negativo, que será el cátodo, mientras que l a oxidación se producirá en el electrodo conectado al polo positivo, que, por tanto, será el ánodo.

Fundamentos

Manual básico de corrosión para ingenieros

La pila de la figura 1 .2 no es reversible; las reacciones que ocurren son completamente diferentes si se hace pasar una corriente eléctrica en sentido contrario al indicado. Si se sumerge cada electrodo en una disolución que contenga sus propios iones, y se separan ambos medios por una pared porosa, se pueden conseguir idénticas reacciones en sentidos opuestos. Un electrodo de cinc inmerso en una solución de sulfato de cinc y otro electrodo de cobre inmerso en una solución de sulfato de cobre constituyen una pila de Daniel!. V

Cada una de estas semipilas presenta una d.d.p. característica. La d.d.p. de una semipila es constante e independiente de la naturaleza de la otra semipila. . �:

En estas condiciones, la fuerza electromotriz ( f. e.m. ) que produce la pila viene dada por: 1)

Las d . d . p. de cada semi pila.

2)

Las d . d . p. de unión entre cada electrodo metálico y el hilo conductor.

3)

La d.d.p. en la unión entre las dos soluciones salinas.

1 .3.5. POTEN C I ALES DE ELECTROD O

+

Zn (Ánodo) :-

Cu (Cátodo)

Para determinar la d.d.p. de una semipila es preciso establecer u n a referencia como cero arbitrario d e la escala de potenciales. La semipila de hidrógeno, consistente en u n electrodo de platino sumergido en ácido de actividad unidad en ión de hidrógeno (por ejemplo ácido clorhídrico) saturado con hidrógeno a 1 atmósfera de presión, se ha adoptado como cero de la escala de potenciales.

A los metales que son más reactivos que el hidrógeno se les asigna un potencial negativo, y se dice que son anódicos respecto al hidrógeno. Las reacciones del proceso son: Figura

1. 3. Pila de Daniel!.

En la pila de Daniel! descrita, conteniendo disoluciones de actividad unidad y a una temperatura de 25ºC, se obtiene una diferencia de potencial (d.d.p. ) entre los electrodos de 1 '1 1 V.

M1 -7

Mi"+ + n e·

2 H + + 2 e· -7 H2

M1 : Solución salina M1 : Solución salina M2 : M2 Una pila así se puede considerar formada por dos partes, denominadas semipilas:

M1

Solución salina M1

y

M2 18

Solución salina M2

(Ei° EA

=:>

E> O

=:>

t:iG < O

la corrosión se producirá de forma espontánea. 2)

Si

Ec< EA

=:>

E

t:iG > O

el sistema será inmune a la corrosión.

. 2.4.2. POTENCIALES DE PROCESO El potencial que caracteriza la reacción de oxidación anódica de un metal depende de la concentración de iones en la disolución. Los iones del metal pueden reaccionar con especies presentes en la disolución para formar compuestos insolubles, tales como hidróxidos, óxidos, sulfuros, u otros tipos de compuestos, por ejemplo iones complejos. Cuando en estas reacciones iónicas intervienen directa o indirectamente los iones del agua, el potencial depende del pH de la disolución. Puesto que el potencial está directamente relacionado con la energía libre de la reacción, es posible hallar las condiciones termodinámicas de equilibrio del sistema en función del potencial y expresarlas en términos de pH. Las ecuaciones que especifican las condiciones termodinámicas de equilibrio se representan gráficamente en un diagrama de potencial-pH, llamado Diagrama de Pourbaix.

Mecanismo de la corrosión

Manual básico d e corrosión para ingenieros

En la figura 2.7 se representa el Diagra ma de Pourbaix del hierro a la temperatura estándar de 25ºC.

� Disolución ·� e QJ

o

o._

11

o

Pasivación

O Inmunidad

-1

o

o

-1

-1

-2

o

......����1�- �����---_J

pH

1•

Figura 2 .7. Diagrama de Pourbaix del hierro (a 25 ºC).

-2

o

o

-1

-1 o

7

14

Cinc

o

-2

Los Diagramas de Pourbaix indican la estabilidad de los metales y de sus compuestos oxigenados en función del potencial y del pH, de modo que ponen de manifiesto en qué condiciones son posibles ciertas reacciones en un medio acuoso.

14

Cobre

2

-2

7

Platino

Oro

14

-2

N íquel

o

7

Cromo

14

En la figura 2.8 se representa los diagra mas de Pourbaix de diferentes metales a una temperatura de 25ºC

14

2.5.

La razón de esto se encuentra en la alteración de los estados de equilibrio iniciales. Un electrodo deja de estar en equilibrio cuando existe alguna corriente eléctrica que entre o salga por su superficie . El potencial de electrodo varía en el tiempo en función de la magnitud de la corriente y de su dirección. El sentido del cambio producido en el potencial siempre tiende a oponerse al paso de corriente e léctrica, tanto si se aplica desde una fuente exterior como si es de origen galvánico.

38

Plomo

POLARIZAC IÓN

Aunque e l equilibrio energético entre u n metal y s u medio determinan su tendencia a la corrosión, para algunos metales, como el aluminio y el manganeso, la velocidad con la que se lleva a cabo la reacción puede ser tan lenta que el ataque corrosivo adquiere mucha menos importancia que en otros metales con una tendencia menor.

14

Estaño

·_�; .

� Disolución

mi Pasivación

O

Inmunidad

F i g u ra 2.8. Diagramas de Pourbaix de diversos metales (a 25 ºC).

39

I ''

Mecanismo de la corrosión

Manual básico de corrosión para ingenieros

Así, por ejemplo, en una pila galvánica, la d.d.p. que se tiene i nicialmente, es siempre mayor que la d.d.p. medida cierto tiempo después de circular la corriente por un circuito exterior. Esto es consecuencia d e que el potencial del ánodo se va haciendo más catódico, mientras que el del cátodo se hace más anódico.

Ejemplo: Continuando con el ejemplo anterior, la reducción del ión hidrógeno en el cátodo de platino, tiene lugar en las siguientes etapas: 1 . Adsorción en la superficie del cátodo de iones H. de la disolución. 2. Transferencia de electrones al átomo de hidrógeno. Esta etapa es relativamente lenta y determina el sobrevoltaje del hidrógeno. H• + e· � H 3. Combinación de dos átomos de hidrógeno para formar una molécula de hidrógeno.

Se denomina polarización a la variación del potencial de un electrodo, causado por la éorriente aplicada o extraída de un electrodo. A la magnitud de dicha variación se le suele denominar sobrevoltaje (o también sobretensión o sobrepotencial), y se representa normalmente por el símbolo r¡ .

El sobrevoltaje, medido en voltios, expresa la diferencia que existe entre el potencial de electrodo a u n a intensidad de corriente determinada, E, y e l potencial de electrodo en condiciones de equilibrio, E°. 11

: I ; ¡

= E - E°

(2.7)

Ejemplo: Si se tiene una pila galvánica formada por una semipila de cinc, cuyo potencial de electrodo estándar es de -0,763 V, y la semipila estándar de hidrógeno (semipila de referencia), después de conectarlo eléctricamente al electrodo de platino, se mide un potencial de -0,621 V. Por tanto. el sobrevoltaje es: ·

·

TJ

=

-0,621

- (-0,763)

=

+0, 1 4 2 V

La representación gráfica del sobrevoltaje en función de la intensidad de corriente que atraviesa el electrodo se denomina curva de polarización. Hay tres clases fundamentales d e polarización: •

Polarización d e activación

•

Polarización d e concentración

•

Polarización de resistencia

2.5. 1 . POLARIZACIÓN DE ACTIVACIÓN

4.

La relación entre el sobrevoltaje, r¡º, y la densidad de corriente, i, en la polarización de activación, descrita por Tafel en 1 905, es la siguiente:

ri ª

La polarización d e activación es el resultado d e la barrera d e energía de activación que aparece e n la i ntercara electrodo/electrolito.

=

i

±P lag -:-'º

(2.8)

El parámetro i0 se denomina densidad de corriente de intercambio, y representa la densidad de corriente equivalente a las reacciones que tienen lugar en el electrodo de equilibrio. El coeficiente p, que recibe el nombre de Pendiente de Tate/, toma el signo

positivo para la semirreacción de oxidación (+p) y negativo para la de reducción (

­

p). p e io son constantes para cada metal y medio dados, y dependen de la temperatura. 2 Esta relación es válida para valores de i superiores a 1 0� A/cm , para valores inferiores, la relación se vuelve lineal. Conviene, sin embargo, hacer algunas consideraciones: •

Las reacciones electroqu ímicas que intervienen en la corrosión se suceden en una serie de etapas que tienen lugar en la intercara electrodo/electrolito. La polarización de activación (o polarización por transferencia de carga o polarización química) está asociada a la etapa más lenta de reacción, en la que se produce la transferencia d e carga electroqu ímica.

Coalescencia de muchas moléculas de hidrógeno para formar burbujas.

El equilibrio de una reacción de semipila es dinámico, es decir, los procesos de oxidación y reducción están ocurriendo ambos a la misma velocida d , v v), de modo que no puede hablarse de una reacción global (v.x; = v,.d resultante. =

•

El nombre densidad de corriente, de io, es i nexacto ya que realmente no hay una corriente resultante. Su valor se halla experimentalmente y varia d e una semipila a otra.

En la figura 2.9 se representa la relación de Tafel para las reacciones de oxidación y reducción en la semipila estándar de hidrógeno.

Mecanismo de la corrosión

Manual básico de corrosión para ingenieros

+0,2

�

+0,1

¡:Q) o § o > Q) -0,1 .e o (/)

-0,2 -0,3 0,001

velocidad de reacción o por agitación. En el caso (b) se produce una disminución de la concentración iónica en las proximidades de la superficie del electrodo. ya sea como consecuencia de una velocidad alta de reacción o debido a una baja concentración iónica. En el segundo caso se produce polarización d e concentración, Zona de agotamiento

+�

H2 -7 2 W + 2e·

- - -;/, 1 1 1

0,01

O, 1

D e n s i d ad d e corriente i

· • t-B--@-® 1

10

-t@--0 _Íu\ -@ 1

1 00 1 000

-i-®

(escala logarítmica)

1 1

-¡®

Figura 2.9. Curva de polarización d e activación.

En la superficie del electrodo de platino tiene lugar la reducción de los iones de hidrógeno:

con una determinada velocidad de reducción,

(a)

v,.d.

El movimiento de los iones hacia o desde el electrodo tiene lugar por uno d e los siguientes mecanismos: difusión, migración y convección. En un electrolito estacionario, la capa de difusión tiene un espesor del orden de 5 décimas de milímetro. El transporte de carga en esta zona se realiza por difusión y migración. Ambos mecanismos son lentos. Fuera de esta capa, e n el seno del electrolito, la concentración se mantiene constante por el transporte convectivo y la posible agitación.

v._.;.

La gráfica comienza en el punto ( 1 ,0), es decir, en el punto en el que el sistema está en equilibrio y no existe una reacción neta, para una densidad de corriente i = io y, por tanto, con un sobrevoltaje nulo.

Cuanto mayor es la intensidad de corriente en el electrodo, menor es la concentración de iones en su superficie y mayor resulta la polarización de concentración. Por lo tanto, los efectos de la polarización de concentración también pueden representarse en términos de sobrevoltaje:

2 . 5 . 2 . POLARIZACI Ó N DE CONCENTRACIÓN Existe polarización de concentración cuando, como consecuencia del flujo de corriente, se producen cambios en concentración del electrolito en las inmediaciones de la superficie del electrodo.

Tic

Este tipo de polarización disminuye con la agitación o mediante cualquier otra medida que vuelva a restablecer las concentraciones.

=-RT1 nF

j� -�,L -1

)

(2.9 )

donde R es la constante de los gases, T la temperatura absoluta, F la constante de Faraday, n el número de equivalentes electroqu í micos, i la densidad d e corriente, e i¿ la densidad d e corriente de límite.

En l a figura 2 . 1 O se representa esquemáticamente la distribución del ión H • en las inmediaciones de una superficie catódica: En el caso (a) se consigue _mantener la concentración iónica en el seno del electrolito, ya sea por una baja 42

--®

Figura 2 . 1 0 . Agotamiento iónico en la superficie del electrodo.

Por otra parte, el gas hidrógeno d e la disolución experimenta una oxidación

con una determinada velocidad de oxidación,

(b)

1

--@ --®

·1.:� �·.

.. .!:';

·;

.":.J.

43

Mecanismo de la corrosión

Manual básico de corrosión para ingenieros

La densidad de corriente limite, h. es aquel valor de la densi.dad de corriente para el cual la concentración de iones en la capa de difusión tiende a hacerse cero.

Concentración

La expresión 2 . 8 se deduce de la ecuación de Nerst, que da el sobrevoltaje producido como consecuencia de la diferencia entre las concentraciones de iones en las proximidades del electrodo y en el seno del electrolito: T]c

=

_

RT n

F

n+ M electrolito M��ctrodo

In

M ��ctrolito M ��ctrodo

[M"+]e1ectrol;10

----

y

A· .

:j

r :- ··. ·

..

Ó'

.. : O

j

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'

' :i

Q .

[M"+.J�

(2. 1 0)

Cuando la intensidad de corriente neta que atraviesa el electrodo es nula (i O), las concentradones son idénticas y, por tanto, no se produce ningún sobrevoltaje. En efecto, los cocientes:

· :·2· ·: :·�:::l ..

ºcá•odo

.

ELECTROLITO Fig ura

.

.

. . . :� ·

'

; '

2 . 1 1 . Distribución de la concentración iónica i nterelectródica.

La densidad de corriente limite puede estimarse mediante la siguiente expresión: . I¿

toman valor unidad y, consecuentemente, el sobrevoltaje será nulo.

=

DnF

--

8·1

· c · 1 Q _3

(2. 1 1 )

Por el contrario, cuanto mayor sea la intensidad de corriente, i, menor será la concentración de iones en las proximidades del electrodo respecto de la concentración en el seno del electrolito. Los cocientes anteriores toman valores mayores que la unidad, lo que hace crecer el sobrevoltaje , es decir, se produce la polarización de concentración.

donde D es l a constante de difusión del ión que se reduce, n el número de equivalentes electroqu ímicos, F la constante de Faraday, o el espesor de la capa de difusión, y 1 es el número de transferencia de todos los iones de la solución excepto el ión que se está reduciendo (igual a la unidad si hay otros muchos iones), y e es la concentración en moles/litro del ión que se difunde.

En las proximidades del ánodo, debido a disolución anódica del metal, se alcanza una concentración de cationes mayor que en el seno del electrolito, tanto mayor cuanto mayor sea la densidad de corriente. El sobrepotencial adquiere signo positivo, lo que provoca un aumento del potencial anódico. Como era de esperar, el sentido de variación del potencial ennoblece el ánodo, es decir, tiende a oponerse a la reacción de oxidación.

La constante de difusión, a una temperatura de 25 ºC, tiene un valor 2 aproximado de 1 · 1 0-5 cm /s para todos los iones, excepto para el H• y el OH- que 2 5 es igual a 9 , 3 · 1 0" cm /s y 5,2· 1 0·5 cm2/s, respectivamente (dilución infinita).

Por el contrario, debido a la precipitación de los cationes metálicos en el cátodo, su concentración en las proximidades del electrodo tiende a disminuir con el aumento de la densidad de corriente, tendiendo a anularse cuando se alcanza l a densidad de corriente l i mite, iL (figura 2 . 1 1 ). El sobrepotencial adquiere signo negativo, por lo que potencial catódico disminuye. En ausencia de agitación, los espesores de las zonas de difusión anódica (lii1no00 ) y catódica (Ocátodo) aumentan al hacerlo sus respectivas densidades de corriente.

En la figura 2 . 1 2 se representa la variación del sobrevoltaje con la densidad de corriente en el caso de una polarización de concentración.

o

Densidad de corriente i

u ¡::

·

.·

.

:•

--Figura 2.14. Criterio adoptado para la determinación del potencial.

1

Como consecuencia de los diferentes tipos de polarización, el potencial real de electrodo será el que resulte de afectar el valor del potencial estándar con los sobrevoltajes correspondientes a cada una de las polarizaciones existentes, para una intensidad de corriente dada:

F i g u ra 2 . 1 3 . Curva de polarización de resistencia. Puede admitirse que la resistencia total del electrolíto está formada por la asociación en serie de tres resistencias: la resistencia de la zona de difusión anódíca (RA). la resistencia del electrolíto (R.1wrotuo ) y la resistencia de la zona de difusión catódica (Re). Rr=RA +R,1ecrroli10+ R e

(2. 1 5) La f.e.m. de una pila vendrá dada por la diferencia entre los potenciales reales de cada una de las semipílas constituyentes:

(2. 1 2)

E = Ee - EA

La caída de tensión total por resistencia viene dada por la ley de Ohm:

donde:

(2. 1 3) El efecto de la caída de tensión por resistencia es una disminución de la f.e . m. total de la pila, es decir:

g + (TJc E � + (TJ�

Ec = E EA .

�\

·� :: ..

..�

�;

. �· " 46

(2. 1 4)

Es decir, el sobrevoltaje por resistencia en la zona catódica disminuye el potencial del cátodo por tratarse de una corriente entrante (según el criterio conve ncional de sentido de la corriente), mientras que en la zona anódica, por tratarse de corriente saliente (reacción anódica), produce un aumento de su potencial (figura 2 . 1 4 ).

El sobrevoltaje debido a la polarización de resistencia (TJR) viene dado por la ley de Ohm, por lo que varía linealmente con la densidad de corriente, en tanto sea constante el valor de la resistencia (figura 2 . 1 3 ). D e n s i d a d de corrie nte

(EA +R,i l) - R.iwroli10 l = (Ee+ llRe) - (EA + T]Re) - R.1wroti1o

dond e 11Rc es el sobrevoltaje por resistencia en el cátodo y ti RA el sobrevoltaje por resistencia en el ánodo.

En algunos casos, pueden formarse películas de óxido dieléctrico que pueden elevar esta polarización a varios centenares de voltios.

o

-

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Ecorr

o

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1 1 _I _ 1 1 1 1

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¡1

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102

Intensidad de corriente

'

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1

(A)

Figura 2.1 8. Curvas de polarización de una pila de corrosión .

i

: ,; ,¡

:

·-

,(.

lcorr

, ,

ti :! 1:

:. .

Semirreacción catódica

_ J_ _

a..

, .

!

Semirreacción anódica

Ejemplo: Calcúlese la velocidad de oxidación y el valor del potencial de corrosión de un electrodo de cinc en una disolución ácida, suponiendo que únicamente se produce polarización por activación (sin considerar otros factores tales como el pH o la temperatura).

-� .

j

.

! ;

Dalos.-

Supóngase, en primer lugar, la misma superficie anódica que catódica y, en segundo lugar, la mitad de superficie anódica que catódica. Cinc: E (Zn -7 Zn2• + 2eº) -0'763 V 7 ;, = 1 0' Alcm2 p

' '

\

= 0,09

Hidrógeno: E (2H• + 2 e º -7 H ) 2 ;, 1 0·10 Alcm2 =

p

·i!.

=

O V

; . :.

-

0,08

Solución.-

1)

;"" = 1 , 1 9 · 1 0.. Alcm2 v = 6 , 1 7 · 1 0"º

mol/(cm " s)

E"" = -0,486 V 2)

;._..

= 8,26' 1 o·•

Alcm2 mol/(cm" sl

v = 4,28· 1 0"0

E"� = -0,473 V

.·, �.

En la oxidación del cinc sumergido en una disolución ácida la reducción de los iones H+, formando burbujas de H,, ocurre en la superficie del metal, la cual se encuentra cubierta de abundantes átomos de hidrógeno adsorbidos que hacen que, e n general, la mayor parte de la superficie se comporte catódicamente. Si se considerase el erecto del pH, o la temperatura, el potencial de corrosión vendrla afectado según indica la ecuación de Nerst.

Manual básico de corrosión para ingenieros

,

., -,

CAPITULO 3

Formas de corros i ó n ., �'.

'i

:¡�; .

¡ ::i · . �·· .

3.1 .

GENERALI DADES

La corrosión suele asociarse a la formación de herrumbre o pérdida de brillo de la superficie metálica, sin embargo, también puede actuar de forma menos visible, pero con resultados que pueden ser igualmente catastróficos. Algunas formas de corrosión pueden producir grietas o la pérdida de ciertas propiedades fisicas, tales como resistencia o ductilidad. Aunque en los materiales metálicos, el proceso de corrosión es normalmente electroquímico, los productos que se forman no son visibles en todos los casos y, en ocasiones, tampoco se traducen en una pérdida de peso del material.

3.2.

CLASI FICACIÓN

Normalmente s e establece u n a clasificación d e l a s formas d e corrosión atendiendo al aspecto externo de la superficie afectada y a las alteraciones que causa en las propiedades fisicas del material. Las formas principales son: Corrosión por ataque uniforme Corrosión por ataque local o picadura Corrosión intergranular

55

!'!i ·. •

Formas de corrosión

t

l.

0 2 + 2H20 + 4e- � 40HEl progreso de la picadura se explica por la presencia dé ciertos a niones (cloruros) que pasan por migración al interior de la cavidad, donde pueden formar cloruros del metal. Sin embargo, parte de los iones metálicos se hidrolizan dando hidróxidos e iones hidrógeno (disminución del pH): MCl 2 + HzO �

M(OH) 2 + CI" + H•

El p H ácido dificulta la formación de capas protectoras y la picadura mantiene su actividad. H,O

H,O

02

\ (/ OH"

cr

Na'

02

\ (J OH-

Manual básico de corrosión para ingenieros

3.2.4. CORROSIÓN SELECTIVA Se trata de una forma de corrosión en la que el ataque ocurre preferentemente sobre uno o más componentes de una aleación. La superficie atacada se hace porosa aunque puede seguir manteniendo el mismo aspecto, si se exceptúa un ligero empañado, y su forma original, por lo que no aparenta la pérdida de resistencia y de ductilidad producida. El caso más frecuente de esta forma de corrosión se produce en el ataque que experimenta el cinc cuando está aleado con cobre (latones). Lo que se conoce por el nombre de descincado o también descincificación. En el latón (70%Cu-30%Zn) el ataque corrosivo se produce sobre el cinc, debilitando el material que adquiere u n aspecto esponjoso. Otras aleaciones que también experimentan esta forma de corrosión son: El n iquel, el estaño y el cromo, se corroen de forma preferencial en aleaciones con cobre. El n iquel en los aceros. La plata en aleación con oro (75%Ag-25%Au).

Fig ura 3.1 . Picadura

3.2.5. CORROSIÓN POR GRI ETAS 3.2.3_ C O RROSIÓN I NTERGRANULAR Se trata de una forma de ataque corrosivo localizado en los bordes de grano de las aleaciones. En las aleaciones, bajo ciertas condiciones, los bordes de grano son mucho más reactivos que el interior de la cara metálica, lo que hace que el ataque corrosivo en estas zonas produzca la pérdida de resistencia mecánica e incluso el desmoronamiento de la estructura granular. La zona intergranular actúa anódicamente, mientras que el interior del grano lo hace catódicamente. Dada la proximidad de ambas zonas, el proceso suele avanzar rápidamente. Ejemplos frecuentes de aleaciones afectadas por la corrosión intergranular son algunos aceros inoxidables 1 8-8 que han sufrido un tratamiento térmico inadecuado, por ejemplo un enfriamiento lento entre 500º y 800º C, y también el Duraluminio. Otro caso de corrosión intergranular se da en el n iquel a cierta temperatura cuando se encuentra en una atmósfera de gases sulfurados.

58

Se trata de una corrosión electroquímica localizada en ranuras, juntas, grietas, y, en general, en cualquier zona en la que pueda mantenerse alguna solución estancada. E l proceso global es similar al de las picaduras y resulta, igualmente, a u tocata l ítico. Desde el punto de vista cuantitativo, esta forma de corrosión tiene gran importancia puesto que afecta a un sinfín de piezas de unión y elementos ensamblados, tales como pernos de sujeción, tornillos, remaches, juntas, retenes, apoyos, etc. Las condiciones que se han de verificar para que se produzca este ataque corrosivo son:

1 . Que la grieta sea suficientemente ancha para permitir la entrada del electrólito. 2. Que sea suficientemente estrecha para impedir que la solución salga fácilmente. Algunas j untas o uniones en las que intervienen elementos rugosos o absorbentes, constituyen zonas especialmente peligrosas por su capacidad para retener el electrólito.

59

i ' ..' I .

r.-

, "

.

'

Formas de corrosión

f r f

t

3.2.6. CORROSIÓN BAJO TENSIÓN

1

La corrosión bajo tensiones (stress corrosion craking, SCC) se debe al efecto combinado de tensiones internas en el material y ataques localizados por agrietamiento.

. i · 1 ¡ :

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j;

i

Por otra parte, la deformación plástica provoca el agrietamiento del material. Las grietas aparecidas favorecen, a su vez, el proceso corrosivo, lo que causa su rápida propagación por la sección del material.

(a)

(b)

¿;? dislocación

..�� r CJ ;r :o c w i) � � tt:o t.J¡! ;t�. ){; );.�1

() '' O (iH') �1 . La capa de óxido es continua y su crecimiento tiene lugar por difusión.

No Protectora

Logarítmica:

(se fractura)

v = ke·k 'x

:=)

x = ( l /k ') ln(k 'kt+k 'k0)

Hasta ahora sólo se ha observado en el cinc. Asíntota horizontal

4 .3.5. VELOCI DAD DE LA CORROSI Ó N SECA Para que se produzca la corrosión de un metal resulta determinante la tendencia de éste a la oxidación; sin embargo, una vez que se ha formado la capa de óxido, su crecimiento, es decir, la velocidad de corrosión, viene condicionado por las características d e l a misma. Para una temperatura y presión constantes, la medida de la corrosión en una superficie determinada será función del tiempo, x x(t). ==

La velocidad de la corrosión vendrá dada por: d-c

72

Otras leyes (comportamiento irregular) Se dan especialmente a temperaturas elevadas o cuando la capa de óxido experimenta cambios bruscos. E n resumen , las características protectoras de las capas d e productos de corrosión formados condicionan decisivamente la resistencia a l a oxidación de los metales y, por tanto, la velocidad de corrosión.

La medid a , x, puede expresarse en: Espesor de la película de óxido Peso del óxido formado Volumen de oxigeno consumido d urante la reacción.

v=dt

Se presenta en los metales que forman una capa de óxido compacta, l a cual impide la difusión d e los iones. Este es el caso del Al, Cr, o del Si.

(4.4)

La naturaleza del metal o la composición de la aleación, constituye el factor intrínseco que mayor importancia tiene en la formación de la capa de óxido. Del mismo modo, de la naturaleza del medio agresivo dependen d ecisivamente las características d e la capa formada.

Corrosión seca y otros mecanismos de corrosión

Manual básico d e corrosión para ingenieros

La temperatura es, quizá el factor externo que en mayor medida puede alterar esa velocidad de corrosión. Para unas condiciones determinadas, un incremento d e la temperatura conlleva: Un aumento e n el nivel de agitación molecular, lo q ue facilita la formación de nuevos enlaces. Un aumento del coeficiente de difusión d e los iones. La posibilidad de promover la ruptura o destrucción de la capa protectora, especialmente cuando se producen fluctuaciones bruscas. En la tabla 4.3. se muestra la cantidad de material corroído (expresado en mdd) en diferentes tipos de atmósfera. C uanto menor es esta cantidad, mayor es la resistencia a la oxidación del metal en dicha atmósfera. Tabla 4.3. Temperatura

700ºC

900ºC

MATERIAL

C 02

H 20 622,0

587,0

354,0

Cr

4,7

0,5

2,7

1 ,6

Ni

9,6

0,3

3,9

923,0

Co

37,0

8,0

27,0

598,0

Cu

1 20 , 0

33,0

65,0

1 ,3

w

4 1 2,0

2 1 ,0

1 39,0

470,0

Fe

1 243,0

575,

1 1 33,0

>5000

Cr

22,0

1 2,0

1 3 ,0

32,0

Ni

28,0

1 4, 0

36,0

837,0

Co

93 1 ,0

259, 0

443,0

1 633,0

Cu

439,0

1 53,0

1 23,0

02,0

w

3762,0

1 792,0

1 39,0

290,0

LA

O X I DACIÓ N

A

En el primer caso (a), el óxido del metal aleado, disuelto con el óxido del metal base conforma una película de óxido de mayor resistividad que dificulta los procesos de conducción electrónica y de difusión iónica. La adición de un elemento aleante también puede evitar la transformación de la capa de óxido protector en otra de naturaleza inestable. Esto sucede con la adición de Cr, Si o Al al acero, con el fin de poder aumentar la temperatura de trabajo por encima de los 550ºC.

Cuando se calienta el hierro en atmósferas oxidantes a temperaturas superiores a 570ºC, se forman película de capas múltiples de diferentes tipos de óxido: Una capa interna de FeO (wustita). Una capa intermedia de Fe30• (magnetita). Una capa externa de Fe203 (hematita).

•

La formación de capas múltiples es consecuencia de la capacidad del hierro (y de otros metales) d e adoptar valencias diferentes cuando está sometido a atmósferas que presentan un potencial de oxidación suficiente.

•

Mientras que el Fe30. y el Fe2 03 tienen unas estructuras cristalinas densas, con escasos defectos reticulares, el FeO permite fácilmente la difusión de los cationes metálicos Fe2•, lo que hace crecer rápidamente las cantidades de óxido formado.

•

Por tanto, el FeO es el responsable del rápido crecimiento d e la capa de óxido del acero por encima de los 570ºC (aproximadamente), temperatura que marca su l ímite inferior de estabilidad.

•

La solución al problema consiste en encontrar el modo de elevar ese límite inferior de estabilidad por encima de la temperatura requerida.

•

Determinados elementos aleados con el hierro, tales como el cromo, el silicio o el aluminio, presentan esa particularidad. Además, algunos d e ellos forman óxidos mixtos con el hierro q u e aumentan el efecto protector de la capa.

ALTA

La solución contra la oxidación a alta temperatura está en la utilización de metales o aleaciones capaces d e formar una capa que ofrezca una alta resistencia a la corrosión. Esto puede conseguirse mediante la adición al metal base de elementos que:

74

c) Originen capas constituidas principalmente por sus propios óxidos.

502

51 1 ,0

A

b) Formen capas d e óxido de composición mixta.

•

Fe

4 .3.6. ALEAC I O N E S RES ISTENTES TEMPERATURA.

Refuercen o mejoren la capa de óxido formada.

La explicación d e este hecho es la siguiente:

TIPO DE ATMÓSFERA

02

a)

75

•. ·

Corrosión seca y otros mecanismos de corrosión

•

Manual básico de corrosión para ingenieros

En la tabla 4.4. se indica la temperatura a partir de la cual se hace estable el FeO, cuando se alea el hierro con proporciones de ciertos metales. Tabla 4.4 Meta l Base

' 1

, ' • ; .

Fe

¡ · I ¡ ,

!!

Límite i nferior de

estabi l i d a d del FeO

575ºC

Fe +

1 .03 % Cr

600ºC

Fe +

1 . 50 % Cr

650ºC

Fe +

1 . 00 % Co

650ºC

Fe + 1 0 .00 % Co

700ºC

Fe +

1 . 1 4 % Si

750ºC

Fe +

0.40 % Si + 1 . 1 0 % Al

BOOºC

Fe +

0.50 % S i + 2 . 20 % Al

850ºC

En el segundo caso (b), la capa protectora está constituida por un óxido mixto del metal base y del metal adicionado, cuya película es más resistente que la del metal base. Estos compuestos están constituidos, en general, por un óxido (MO) de metal (M) divalente (tales como magnesio, hierro o cinc) y otro ( M'203) d e metal (M') trivalente (tales como aluminio. hierro o cromo), formando redes de tipo espinela. El ejemplo tipico de u na red de espinela es la magnetita Fe304 (Feo Fe203). ·

El tercer caso (c) se basa en la formación de una capa d e óxido estable del metal aleado que tiene mayor resistencia a la corrosión que el óxido del metal base. Esto constituye el fundamento d e los aceros inoxidables al Cr y al Cr-Ni, cuya resistencia se debe a la formación d e una capa superficial de Cr2 03 que opone una gran resistencia a la difusión de los iones metálicos.

4.4.

CORROSIÓN DE CERÁ M ICAS

Los materiales cerámicos están constituidos por combinaciones de elementos metálicos y no metálicos y son altamente resistentes a la corrosión en l a mayoría d e medios. especialmente a temperatura ambiente.

76

E n general, la corrosión de las ceram1cas 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 u na elevada estabilidad y resistencia a la corrosión a altas temperaturas. Los materiales cerámicos refractarios, además de ser aislantes térmicos y estables a latas temperaturas, deben resistir el ataque de diversos agentes agresivos, como los que se encuentran en diversas sales o en la!) escorias. También se utilizan sistemáticamente vidrios y otros materiales cerámicos cuando es preciso almacenar líquidos. Su utilización también resulta obligada cuando se requiere una altísima estabilidad térmica a temperaturas muy elevadas.

4.5.

DEG RADAC IÓN DE POLÍMEROS

Los materiales poliméricos también s e deterioran como consecuencia d e su interacción con el medio. Los procesos de degradación de los polímeros son de tipo fisicoqu ímicos, a diferencia de la corrosión en los metales que se produce por mecanismos químicos o electroquímicos. Debido a la composición compleja d e los polímeros, los mecanismos de su degradación son diversos y n o se conocen en su totalidad. Algunas d e las causas más frecuentes son: •

La ruptura de enlaces covalentes.

•

La eliminación de cadenas monoméricas de los extremos de las cadenas ( despolimerización ) .

•

La eliminación de grupos laterales. como sucede en la degradación térmica del PVC , en la que se pierde el clorudo de hidrógeno a temperaturas superiores a 1 50ºC.

•

La existencia de enlaces débiles, producidos durante el proceso de polimerización.

•

La presencia de impurezas en el polímero.

E n general, la degradación de los polímeros se produce por reacciones químicas, tensiones mecánicas, energía térmica, radiaciones incidentes o combinaciones de éstas. La adición de estabilizadores puede mejorar la resistencia del polímero a la degradación. 77

Corrosión seca y otros mecanismos de corrosión

Manual basico de corrosión para ingenieros

La degradación de un polimero puede acarrear su disolución, hinchamiento, pérdida de propiedades mecánicas, alteración del color, inestabilidad térmica, pérdida de peso o desmoronamiento estructural. Seguidamente se analizarán algunos de estos fenómenos.

Radiación. -

Algunos tipos de radiación incidente sobre el polímero tienen energía suficiente para desplazar electrones de sus átomos, produciendo su ionización y, por consiguiente, la rotura de enlaces. Algunos ejemplos d e estos tipos de radiación son: haces d e electrones, rayos X, rayos p , rayos y radiación ultravioleta. Sin embargo, el efecto de estas radiaciones no es idéntico en todos los casos. Por ejemplo, la radiación se utiliza para aumentar el entrecruzamiento del polietileno, con el fin de aumentar su estabilidad térmica.

Hinchamiento

Se produce cuando el polímero está en un medio l íquido. Su mecanismo es la difusión y posterior absorción del líquido en el polimero. Las pequeñas moléculas del soluto ocupan posiciones en las macromoléculas del polimero, consiguiendo su separación y produciendo el efecto de hinchamiento o dilatación.

Mediante la adición de estabilizantes puede aumentarse la protección del pol imero a las radiaciones, en particular a la radiación ultravioleta.

La separación de las cadenas poliméricas reduce las fuerzas de enlace i ntermoleculares, por lo que el material se hace más blando y dúctil. El hinchamiento puede considerarse como un proceso d e disolución parcial del pol imero en el disolvente.

Reacciones químicas.-

Determinados elementos o compuestos, tales como el oxígeno o el ozono, pueden reaccionar con los pol ímeros provocando o favoreciendo su escisión.

Disolución

La disolución puede considerarse una continuación del hi nchamiento, que se produce cuando el polimero es completamente soluble en el disolvente.

Este fenómeno es especialmente importante en el caucho vulcanizado, en el que, tras cierto tiempo de exposición al agente agresivo, las escisiones producidas en la estructura del material provocan su agrietamiento.

Cuanto mayor sea el parecido entre la estructura q u i mica del soluto y la del polimero, mayor probabilidad habrá d e que se produzca el hinchamiento o la disolución.

Energía térmica.-

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 pol ímeros, especialmente los fluorocarbonos y el PVC, son más resistentes que los metales a los ataques de disoluciones ácidas y alcalinas.

El aumento de la a gitación molecular, provocada por una absorción de energ ia calorífica, disminuye la fuerza de los enlaces que pueden llegar a romperse. En algunos casos, las reacciones químicas que se producen han aparecer productos gaseosos, lo que se traduce en una pérdida de peso del material.

Rotura de enlaces

Cuanto mayor sea la fuerza de los enlaces de un material polimérico mayor será su estabilidad térmica.

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 qu ímicas. Seguidamente se tratan cada una de estas causas.

4.6.

CORROSIÓN BI OLÓGICA

Determinadas bacterias, para obtener energía, son capaces d e oxidar compuestos de hierro y manganeso, produciendo hidróxido férrico o mangánico, respectivamente. Estas bacterias se denominan genéricamente Ferrobacterias. Este proceso de oxidación por ferrobacterias se denomina corrosión biológica o corrosión microbiana.

78

79

--· ---

Corrosión seca y otros mecanismos de corrosión

Las ferrobacterias se desarrollan en aguas no saladas, y están normalmente recubiertas por unas vainas, que se incrustan en los compuestos del metal. Algunos géneros d e ferrobacterias son : Siderocapsa, Gallionell a , Sphaerotilus, Crenothrix, Leptothrix y Clonothrix. La corrosión biológica afecta comúnmente a conducciones y depósitos de agua, originando: •

Grandes acumulaciones de productos corroídos que, a demás, pueden provocar obstrucciones.

•

Aumento de la corrosión por picaduras en los aceros inoxidables .

•

Disminución de la transferencia de calor .

•

Olores desagradables (tras su muerte) .

•

Desarrollo de nuevas bacterias, como consecuencia de la presencia de materia orgánica en el agua.

-----

Manual básico de corrosión para ingenieros

,

CAPITULO 5

P rotecc i ó n frente a la corros i ó n

5.1 .

INTRO D UCCIÓN

El fenómeno de l a corrosión e s conocido desde el mismo momento en que el hombre descubre y comienza a utilizar los metales. Ya desde la antigüedad, se venían poniendo en práctica medidas contra la corrosión mediante la utilización de recubrimientos protectores, tales como pinturas, aceites, estañado o galvanizado. I ncluso, la utilización de metales nobles respondía en ciertos casos a una necesidad concreta de protección frente a la corrosión. Los problemas de corrosión, y con ellos las medidas d e protección, comienzan a estudiarse con un enfoque científico a finales del siglo XVI I I y comienzos del XIX. En la actualidad, se estima que aproximadamente más de la tercera parte de la producción mundial de acero se destina a reponer el que se d estruye por los efectos de la corrosión. Un exhaustivo estudio realizado a comienzos de los años 80, cifraba las pérdidas por corrosión en Gra n Bretaña en torno al 4% de su producto interior bruto. Este mismo informe estimaba que alrededor de la cuarta pa rte de esas pérdidas podrían evitarse sólo con utilizar correcta mente los conocimientos existentes. La enorme trascendencia económica de las pérdidas ocasionadas por la corrosión no es el único problema de ésta. Es preciso considerar su repercusión directa sobre la seguridad de los elementos y sistemas mecánicos.

º"

Manual básico de corrosión para ingenieros

Protección frente a la corrosión

Además, el enorme volumen de materiales desechados por causa de la corrosión supone una merma importante de los recursos mundiales disponibles. Las razones anteriormente expuestas justifican sobradamente l a utilización de todos los medios de protección conocidos para disminuir los riesgos, los costes y el consumo de materias primas derivados de la corrosión. Se impone, por tanto, poner en práctica un eficiente diseño y mantenimiento de las instalaciones, i ncrementando las medidas preventivas con el fin de disminuir las actuaciones correctivas. Una correcta política de mantenimiento preventivo, e incluso predictivo, no sólo está justificada desde el punto de · vista económico sino que puede contribuir notablemente e n la disminución de riesgos. Sin embargo mientras sigan destinándose más medios a corregir los s íntomas que a averiguar las causas de los fallos, seguirá sin encontrarse la solución del problema y, por consiguiente, se desconocerá la medida preventiva más adecuada y rentable.

5.2.

M ÉTODOS DE PROTECC I Ó N

Todos los métodos d e protección frente a l a corrosión tienen por finalidad prolongar la vida útil de los materiales. Aunque no puede eliminarse totalmente la corrosión de los materiales, mediante los métodos de protección adecuados, puede controlarse y mejorar sustancialmente la fiabilidad de su servicio. Existen tres fases determinantes de la vida útil de un elemento o sistema mecánico: •

Fase de diseño

•

Fase de construcción

•

Fase de explotación o uso

No tener en cuenta , en alguna de estas fases, el posible ataque corrosivo, siempre conlleva, cuanto menos, una disminución de la vida de servicio prevista. Los métodos genéricos de protección frente a la corrosión pueden plantearse desde los siguientes puntos de vista: 1.

Adecuación de los materiales.

2.

Modificación del diseño.

3.

Modificación del medio agresivo.

4.

Protecciones catódicas o anódicas.

5.

Aplicación de recubrimientos protectores.

5.3.

ADECUACIÓN DE LOS MATERIALES

5.3. 1 . GEN ERALI DADES La correcta selección de los materiales, con el fin · de adecuarlos a la aplicación y al medio a l que estarán expuestos, constituye el paso previo a cualesquiera otros métodos de protección a emplear. Debe desecharse la idea de encontrar un material que sea capaz de resistir bien la corrosión en cualquier medio. Siempre podrá encontrarse algún medio que sea altamente corrosivo para un determinado material. Por tanto, es de vital importancia, para minimizar los efectos de la corrosión, concretar cuáles serán los agentes corrosivos. Otro aspecto importante , a la hora de seleccionar un metal o aleación, es prever los efectos de los tratamientos u operaciones a los que será sometido, como es el caso de las soldaduras que pueden añadir elementos que sensibilicen o causen una desprotección loca l . La selección del material más adecuado a u n a aplicación concreta n o exime, e n ningún caso, de l a utilización de otros métodos d e protección, y a sea de recubrimientos sobre el material como de actuaciones de otra índole que se irán estudiando en los siguientes apartados. En general, en la selección de un metal o aleación, suele dar buen resultado seguir las siguientes recomendaciones: •

En medios reductores, tales como ácidos y soluciones acuosas libres de aire, se aconseja utilizar aleaciones de n íquel y cromo.

•

En medios oxidantes se usan aleaciones que contengan cromo.

•

En medios muy oxidantes da buen resultado la utilización del titanio y sus aleaciones.

En la tabla 5.1 se indican algunas de las aleaciones más utilizadas en medios corrosivos, junto con el agente que más pernicioso le resulta. La utilización de polímeros en la industria está cada vez más extendida. La aparición de nuevos materiales poliméricos hace que su uso se vaya ampliando cada vez más hacia aplicaciones en las que antes era exclusiva la utilización de metales. En determinados medios, particularmente agresivos para los metales, poseen una buena resistencia a l a corrosión (degradación). Sin embargo, son menos resistentes, en genera l , a los ácidos inorgánicos fuertes que los metales y aleaciones. Por otra parte, el ablandamiento y debilitamiento estructural que experimentan a l degradarse, hace que para determinadas aplicaciones resulten totalmente inadecuados.

En los apartados que siguen se analizará cada uno de ellos. 82

83

Protección frente a la corrosión

Manual básico de corrosión para ingenieros

Tabla 5. 1 . MATERIAL

AGENTE

Aceros aleados (Cr, N i )

N03º, OHº, c r

Acero inoxidable (Cr, Ni)

cr

Bronce y latón (Cu, Al, Zn, Ni)

NH3

Aluminio

cr

Titanio y aleaciones

H', 02 a altas temperaturas

N íquel y aleaciones

Alcalis, ácidos oxidantes

En el transcurso de la disolueión anódica de los metales pueden observarse también fenómenos de pasivación. Si mediante un potenciostato (aparato que, mediante un circuito electrónico, permite ajustar el potencial de electrodo) se van aplicando potenciales positivos crecientes (sobrevoltajes) al ánodo metálico de una pila de corrosión (por ejemplo, hierro en u na solución 1 N de H 2 S04), se observa que: 1.

Inicialmente irá a umentando, de forma gradual, la densidad de corriente (figura 5 . 1 ).

2.

Llegados a un determinado potencial , denominado potencial de pasivación (Eµ). la densidad de corriente disminuye bruscamente hasta un valor denominado densidad corriente de pasivación (ipasiva) (en el ejemplo propuesto, el potencial de pasivación es de 0'5 V y la densidad de corriente de pasivación del hierro es aproximadamente de 7 µA/cm 2 ).

La capa de producto formado se vuelve protectora, lo que explica este fenómeno.

Los materiales cerámicos presentan muy buena resistencia a la corrosión y u n a excelente estabilidad térmica, pero resultan muy poco adecuados para soportar cargas mecánicas, máxime cuando éstas son fluctuantes. Se utilizan principalmente para j untas y recubrimientos, especialmente cuando se necesita u n a protección frente a medios l íquidos o a las altas temperaturas.

La densidad de corriente máxima alcanzada se denomina densidad de

corriente crítica UcrÍlica) y depende, entre otros factores, de la naturaleza

del metal, del medio y de su nivel de agitación y del pH. 3.

La densidad de corriente de pasivación se mantiene constante al ir aumentando el potencial hasta que se alcanza el potencial de equilibrio del electrodo de oxígeno (aproximadamente 1 '2 V).

4.

Al sobrepasar este valor de potencial, se pueden dar dos casos:

5.3.2. PASIVACI Ó N En el caso de los metales, además de Ja naturaleza del mismo, tiene una i mportancia trascendental las características protectoras d e la capa superficial de productos formada. En un determinado medio, la formación sobre el metal d e una capa superficial d e productos de reacción, que inhibe las reacciones posteriores del metal (o tienen lugar a una velocidad muy lenta), se denomina pasivación. En estas circunstancias, el metal se comporta como si tuviese un potencial electroqu ímico más noble, es decir, mucho menos reactivo. Se dice entonces que el metal es pasivo o que está pasivado. Este término fue introducido por Schi:inbein en 1 836, quien observó que, bajo determinadas condiciones, el hierro ofrecía una resistencia inusualmente alta a la corrosión. También demostró que la pasivación podía conseguirse mediante una polarización anódica. Faraday, en 1 844, también había observado que el hierro no es prácticamente atacado por el N0 3H concentrado. Puede comprobarse que el h ierro es rápidamente corroído por el N0 3H diluido, mientras que resulta prácticamente inmune a la corrosión en N0 3 H concentrado.

84

5.

a)

Si la capa de producto tiene buena conductividad eléctrica (por ejemplo en el hierro o el n íquel), vuelve a aumentar gradualmente la densidad de corriente y comienza a producirse el desprendimiento de oxígeno.

b)

Si la película formada sobre el metal tiene poca conductividad eléctrica, pueden alcanzarse potenciales muy superiores al de equilibrio de oxigeno sin que a umente la densidad de corriente (como sucede con electrodos de aluminio o circonio, donde al aumentar el potencial crece la película de óxido).

Cuando la capa pasivante puede oxidarse a potenciales anódícos altos para formar óxidos solubles, el metal se disuelve de nuevo produciéndose un aumento de Ja intensidad. Este fenómeno se denomina transpasivación (se produce en metales como el cromo o el manganeso).

Protección frente a la corrosión

Manual básico de co"osión para ingenieros

Cuando el potencial se varía en sentido contrario, es decir, disminuyendo de valores más a menos anódicos, la curva mantiene esencialmente la misma forma, excepto en torno al potencial de pasivación. Algo antes de alcanzar ese valor, la densidad d e corriente comienza a aumentar, signo d e que el metal va perdiendo la pasividad, esto se conoce como despasivación. La despasivación puede durar desde unos pocos segundos hasta varios minutos. Cuando finaliza, la d e nsidad de corriente alcanza, nuevamente, el valor crítico, volviendo a entrar en la zona activa.

0,2 A/cm'

El potencial en el que comienza el proceso de despasivación se denomina 10'

10'

10'

D e n s id a d d e c o rriente i (A/cm e n esca l a loq a ritm ica ) 2

Figura

5.1 .

Curva potenciostática de polarización anódica del hierro en solución de SO.H 2 1 N.

En ciertos casos, dentro de la zona d e pasividad, pueden producirse aumentos súbitos de intensidad (antes de llegar a desprenderse · oxígeno). Esto es debido a la destrucción local de la capa protectora, lo que permite que, en ese punto, se produzca la reacción anódica. Esta corrosión localizada, o picadura, se produce en metales como el hierro, cromo o aluminio, en presencia de iones cr o nitrato. La figura 5.2 resume los diferentes comportamientos que pueden presentar los metales al seguir aumentando la polarización anódica sobre la zona de pasivación. Desprendimiento de 02 Disolución de la capa

¡::"'

� Q)

Picaduras

o

> Q) ...

.o o (/)

E!Fl•d•J

E(puividad

potencial de Flade (EF). quien en 1 9 1 1 descubrió este hecho, y representa el

l ímite d e paso descendente de la zona pasiva a la zona activa. Los valores del potencial d e pasivación y del potencial de Flade no coinciden normalmente, aunque suelen ser muy próximos. Esto es debido a las diferentes condiciones en que se halla la interfase metal-disolución en los procesos de activación (potencial descendente) y pasivación (potencial ascendente). La diferencia principal se debe a los distintos valores de polar.ización por resistencia y por concentración en ambos procesos. En 1 949, U . F . Franck descubrió que el potencial de Flade es una función lineal del pH. Por ejemplo, en el hierro a 25ºC: EF = 0,63 - 0.059 pH

Al seleccionar el metal o aleación más adecuado para una aplicación, es necesario tener en cuenta que el comportamiento activo o pasivo que pueda experimentar éste depende del potencial de equilibrio alcanzado. Como se recordará, el potencial de corrosión depende principalmente de la naturaleza de los metales que intervienen en el proceso y del medio corrosivo. Aunque la curva de polarización anódica de un metal indique que éste tiene una zona de pasividad, el potencial de equilibrio de la pila de corrosión formada vendrá dado por la intersección de esta curva con la curva de polarización catódica. La situación de este punto de intersección, sobre la curva de polarización, determinará el comportamiento del metal frente a la corrosión E n la figura 5.3 se muestra un ejemplo de cómo un determinado metal M, que presenta una zona d e pasividad, puede tener un comportamiento pasivo (curva A) o activo (curva C), dependiendo de las características de la curva de polarización catódica.

D e n s i dad de corriente í F i g u ra

86

5.2. Distintas formas de polarización anódica 87

Manual básico de corrosión para ingenieros

Protección frente a la corrosión

5.4.

M O D I FICAC I Ó N DE L DISEÑO

Se refiere a l a s consideraciones o modificaciones q u e e s preciso realizar e n el proyecto de un elemento o sistema mecánico c o n el fin d e prevenir l o s futuros problemas de corrosión.

Es

A

Es "

U na vez satisfechos todos los requerimientos mecánicos, eléctricos, térmicos, etc . , de elemento o sistema objeto de diseño, se actuará convenientemente sobre aquellos factores que intervienen en la corrosión, tales como: acabado superficial, ausencia de huecos o intersticios innecesarios, exposición a la humedad, gradientes térmicos o de aireación , tensiones mecánicas, contacto entre metales distintos, etc. Algunas reglas a considerar en el diseño son las siguientes: 1.

Reducir las tensiones mecánicas donde económicamente se pueda. Esto es especialmente i mportante en depósitos y tuberías.

2.

En uniones de carácter permanente, utilizar preferiblemente soldaduras.

3.

Emplear, cuando sea posible, metales de potenciales electródicos similares.

Figura 5.3. Comportamiento de un metal frente a la corrosión dependiendo del punto de intersección de las curvas de polarización anódica y catódica.

4.

En uniones atornilladas entre metales distintos, interponer arandelas y juntas aislantes. Proteger de la humedad, en la medida de lo posible, las piezas roscadas.

En la curva C, la intersección se produce para un potencial Ec, en la zona activa, con una intensidad de corriente elevada (/c ) y, por tanto, con una velocidad de corrosión apreciable.

5.

Evitar, en el diseño, que aparezcan zonas o puntos con concentraciones de esfuerzos importantes, para prevenir la ruptura por corrosión bajo tensión.

E n la curva A, la intersección se produce para un potencial EA, en la zona pasiva, con una intensidad de corriente muy débil (JA), que corresponde a un comportamiento pasivo del metal. La velocidad de corrosión, en este caso, puede llegar a ser inferior en varios órdenes de magnitud a la del caso C.

6.

E n tuberías, evitar los recodos, cambios bruscos de dirección y las zonas en las que se puede producir corrosión por erosión.

7.

Cuidar el diseño de los sistemas de desagüe y limpieza, de modo que no se produzcan depósitos imprevistos de l íquido.

La curva B, intersecta en tres puntos con la curva de polarización anódica, aunque sólo son estables los puntos Pe y Pe". Esto conlleva un comportamiento inestable del metal frente a la corrosión, ya que variaciones en las condiciones del medio pueden alterar drásticamente su velocidad de corrosión.

8.

Evitar zonas en las que pueda existir u n alto gradiente térmico en el material, especialmente en intercambiadores de calor.

9.

Prever los adecuados dispositivos y sistemas de seguridad en la instalación que permitan controlar los niveles de corrosión existentes.

Ec /8 "

Intensidad de corriente

1 O. Procurar un diseño racional de aquellas piezas que en mayor medida van a estar sometidas a ataques corrosivos, de manera que su desmontaje, traslado y sustitución pueda rea lizarse fácilmente.

88

Protección frente a la corrosión

5.5.

Manual básico de corrosión para ingenieros

2.

M O DI F ICAC I Ó N D E L M E DI O AGRESIVO

5.5. 1 . GENERALIDADES

La excepción a esta regla se da en metales ó aleaciones que se pasivan. En ese caso, el estancamiento del medio puede alterar el potencial de equilibrio de la reacción, desplazándolo a regiones activas anódicamente, en las que, por tanto, no se produce la pasivación.

Las medidas que pueden tomarse para proteger el material del ataque corrosivo en un determinado medio dependen, primeramente, de la n aturaleza de éste y, en segunda instancia, de si éste se encuentra en estado gaseoso, l íquido o sólido. Si el medio es gaseoso deberá determinarse el margen funcional de temperatura, pues de ello depende el tipo de corrosión que se puede producir: seca o húmeda.

3.

Especial atención debe prestarse, en este caso, a la posibilidad de condensación del medio, es decir, a la formación de electrolito l íquido sobre la superficie del material. Los factores a controlar son: •

Temperatura

•

H umedad relativa

•

Componentes volátiles del proceso

•

Agentes volátiles contaminantes

Disminuir su conductividad

•

Modificar el pH

•

Conseguir la pasivación del metal

•

Eliminar o disminuir el oxígeno disuelto

4.

En general, bajando la temperatura del medio se consigue disminuir la velocidad de corrosión. Existen, sin embargo, algunas excepciones en las cuales el efecto de una disminución de temperatura es justo el contrario a l descrito. Un caso especialmente significativo se da con el agua de mar, que cuando está en ebull ición es menos corrosiva que cuando está fría. Esto es debido a que la solubilidad del oxígeno disminuye al aumentar la temperatura.

90

Un método directo para reducir la corrosión consiste en disminuir la concentración de los iones agresivos. Un ejemplo especialmente importante se tiene en el caso de los aceros inoxidables. Disminuir la concentración del ión cr en una solución salina, se traduce de inmediato en una disminución de la corrosión.

5.

E l método más i mportante para reducir la corrosión , modificando el medio agresivo, es la adición al electrolito (especialmente si éste se encuentra en un circuito cerrado) de agentes que retardan o inhiben las reacciones, razón por la cual reciben el nombre de inhibidores de la corrosión. Por su importancia, se dedica el siguiente a partado a su clasificación y estudio.

Algunas recomendaciones, de carácter general, que conviene tener en cuenta para reducir los efectos del medio sobre la corrosión, son las siguientes: 1.

En general, un aumento de la concentración de oxigeno en una disolución acuosa acelera el proceso corrosivo. Por lo tanto, deberá procurarse la eliminación o la disminución del oxígeno en dichas disoluciones. Al igual que en la regla anterior, la excepción está también en los metales y aleaciones que se pasivan, por las mismas razones que allí se expusieron.

Si el medio es l íqu ido las posibilidades de actuación se concretan principalmente en: •

Un fluido estacionario e s , en general, menos agresivo que u n fluido en movimiento. Es decir, disminuir la agitación o la velocidad del fluido se traduce en una disminución de la corrosión.

5.5.2. I N H I B I D O RES DE LA CORROSIÓN La utilización de agentes inhibidores, como método de modificación del medio agresivo, para reducir la velocidad de la corrosión, puede aplicarse en la mayoría de los casos, destacando los siguientes: •

En términos porcentuales, los inhibidores se aplican mayormente a metales y aleaciones expuestas a soluciones acuosas.

•

También es importante el uso de inhibidores en materiales en contacto con productos derivados del petróleo, debido, principalmente, a la 91

Manual básico de corrosión para ingenieros

Protección frente a la corrosión

presencia de agua junto con pequeñas cantidades de otras sustancias, tales como C I H , N H 3 , SH2, etc. •

Cuando el medio corrosivo es aire húmedo, especialmente en ambientes marinos, suelen utilizarse inhibidores en fase vapor que, obviamente, deberán mantener el contacto con la superficie metálica para ejercer su acción protectora (tuberías, depósitos vacíos o parcialmente llenos, calderas, etc.).

•

Cuando se trata de materiales expuestos a la intemperie, o en el caso de que no sea posible controlar las concentraciones del inhibidor en el medio agresivo, éste deberá encontrarse en fase sólida, en forma de grasas, pinturas u otro tipo de recubrimientos.

> ro ·c::¡ e Q)

o

a..

Reacción catódica

En los procesos corrosivos de naturaleza electroqu ímica, la actuación del agente inhibidor es también electroquímica, actuando sobre la reacción anódica (figura 5.4), sobre la reacción catódica (figura 5.5), sobre ambas (figura 5 .6), o disminuyendo la conductividad entre el metal y el medio (figura 5.7).

'

Jcorr Jt;Mf I nte n s i d a d

Puesto que el efecto de un inhibidor es red ucir la velocidad de la corrosión, su intervención en el proceso consiste, en esencia, en disminuir la densidad de corriente de corrosión.

F i g u ra

de corriente I (A)

5 .4. lnhibidor anódico

En las figuras 5.4 a 5.7 se muestran, de forma esquemática, los d istintos procedimientos para disminuir la intensidad de corrosión. Básicamente, los mecanismos de actuación de los inhibidores son alguno de los siguientes: a)

Adsorción de una fina capa sobre l a superficie metálica.

b)

Formación de u na delgada capa pasiva .

c)

Transformación de la capa de óxido en una capa protectora.

> ro ·c::¡ e

d)

Modificación de la corrosividad del medio por:

a..

1.

Formación de precipitados protectores sobre l a superficie del metal.

2.

Eliminación d e l agente agresivo.

3.

Disminución de la actividad del agente agresivo.

Reacción

Q)

o

' Eco,.,.

(Sin inhibidor)

(Con inhlbidor) '

Jcorr J,,,,,,.

I nt e n s i d a d de

F i g u ra

92

co rriente l

5.5. lnhibidor catódico

(A)

-� : Protección frente a la corrosión

Manual básico de corrosión para ingenieros

5.5.3. TIPOS DE I N H I BI D ORES

(Con inhibidor)

Los inhibidores de la corrosión pueden clasificarse atendiendo a diversos criterios, algunos de los más usuales se indican seguidamente: A)

B) (Con inhibidor)

¡corr '

1..,;. , .._.

I nte n s id a d d e corriente I (A) Fig ura 5.6. lnhibidor mixto

Reacción catódica

J;oi-r

Jt:Cf'T

I nte n s i d ad d e corriente I (A) Figura 5.7. lnhibidor por resistencia

94

C)

Atendiendo a su mecanismo de actuación: •

lnh ibidores anódicos

•

lnhibidores catódicos

•

lnhibidores mixtos

•

lnhibidores de adsorción

Atendiendo a su composición qu ímica: •

lnhibidores orgánicos

•

lnhibidores inorgánicos

Atendiendo a su aplicación: •

lnhibidores en fase vapor

•

lnhibidores de decapado

•

lnhibidores para soluciones alcalinas

•

l nhibidores para soluciones de cloruros

•

lnhibidores para agua potable

•

lnhibidores para agua de calderas

•

lnhibidores para productos petrol íferos

•

lnhibidores para pinturas

•

lnhibidores para hormigón armado

•

lnhibidores para grasas y aceites

•

lnhibidores para anticongelantes

/nhibidores anódicos

Estos inhibidores tienden a a umentar la polarización del ánodo mediante la formación de una capa pasiva de producto de corrosión (aunque el efecto inicial es despolarizador), razón por la cual se les llama pasivantes o pasivadores. La capa pasiva formada depende de la naturaleza del inhibidor y de las condiciones termodinámicas. 95

Manual básico de corrosión para ingenieros

Protección frente a la corrosión

Algunos de estos inhibidores. al ser oxidantes, pueden llegar a convertirse peligrosos cuando se encuentran en concentraciones insuficientes, puesto que incrementan el proceso corrosivo sin llegar a formar una capa pasiva.

donde ?0 y P; representan las pérdidas de peso por efecto de la corrosión sin inhibidor y con inhibidor, respectivamente. De este modo, si la pérdida de peso una vez agregado el inhibidor descendiese hasta valores prácticamente n ulos (P;

O) la eficacia del inhibidor se aproximaría al 1 00%. Por el· contrario. si el efecto del inhibidor fuese inapreciable se seguiria observando una perdida de peso similar a la que se tenía sin él (P; P0), por lo que la eficacia resultaría prácticamente n ula.

=

lnhibidores catódicos

=

Estos inhibidores actúan aumentando la polarización del cátodo , por alguno d e los siguientes procedimientos: •

Dificultando la descarga de los iones H + en medio ácido, o del hidróxido en medio básico.

•

Reaccionando con el oxígeno disuelto. impidiendo la formación del h idróxido necesario para formar productos d e corrosión con e l metal.

•

Reduciendo las reacciones catódicas por depósito d e productos i nsolubles.

lnhibidores mixtos

Se llaman así aquellos inhibidores capaces de inhibir o dificultar las reacciones anódicas y catódicas simultáneamente.

lnhibidores de adsorción

Se trata de compuestos orgánicos. normalmente de cadenas largas con grupos laterales, capaces de ser adsorbidos por la superficie metálica. Pueden actuar por alguno de los siguientes mecanismos: •

Aumentando la sobretensión de hidrógeno en las zonas catódicas,

•

Dificultando la difusión del oxígeno a través de la capa formada, o

•

Dificultando la difusión de los iones metálicos.

Como s e sabe, e n general, u n aumento del potencial de corrosión, a l o largo de la curva de polarización anódica. equivale a un aumento de la intensidad de corrosión, lo que se traduce en u n a velocidad mayor de corrosión. En los metales que se pasivan , sobrepasado un cierto valor de potencial (potencial de pasivación) y densidad de corriente (densidad de corriente crítica), se produce una capa de producto muy protectora que hace descender la densidad de corriente a valores (densidad de corriente de pasivació n ) extraordinariamente bajos, lo que supone una velocidad de corrosión muy pequeña. En tanto el potencial no sobrepase cierto valor (potencial de transpasivación), se mantendrá de forma estable la pasivación, es decir, la película protectora sobre la superficie del metal.

1)

Una de las formas más frecuentes, consiste en valorar la eficacia del inhibidor en función de la reducción porcentual de pérdidas de peso por corrosión , mediante la expresión:

96

Ciertos metales, tales como e l T i , Cr, Al, M g , Cd, F e , N i , entre otros, tienen una tendencia muy acusada a la pasivación cuando se les somete a un potencial más positivo que el de corrosión .

La pasivación de un metal puede conseguirse. básicamente, por alguno de los siguientes procedimientos:

Existen diversos procedimientos para valorar la eficacia de u n inhibidor, ya sea utilizando métodos directos o indirectos.

=

P R OTECCIÓN ANÓDICA

La protección anódica d e un metal se basa en conseguir su pasivación, variando su potencial hasta alcanzar la zona pasiva de la curva d e polarización.

5.5.4 . E FI CACIA D E UN I N HI B I DOR

€

5.6.

p - p. 0-1 X 1 00 pº

(5. 1 )

Mediante la adición al metal de elementos aleantes que a umenten directamente la capacidad de pasivación. Al añadir al metal base ciertas cantidades de otros metales que tienen una mayor tendencia a la pasivación, se consigue que la aleación adquiera dicha propiedad en un grado que depende del porcentaje de metal añadido. U n ejemplo típico es la adición de silicio o cromo al h ierro.

Protección frente a la corrosión

Manual básico d e corrosión para ingenieros

La formación, o no, de la capa pasiva en un determinado metal o aleación depend e , además, del medio. Así, el acero . inoxidable se protege anódicamente en presencia de ácido sulfúrico, n ítrico concentrado o fosfórico, pero no en ácido clorhídrico o en soluciones salinas de cloruros. El titanio, sin embargo, sí se pasiva en presencia de iones cr. 2)

La presencia en el metal base de elementos aleantes que incrementan la reacción anódica es contraproducente cuando no se consigue la pasivación, puesto que se produce justo el efecto contrario al que se busca. Una característica, a tener en cuenta, de la protecció n anódica es que las velocidades d e corrosión, aunque muy pequeñas, no se reducen a cero, es decir, el proceso corrosivo no se detiene. Sin embargo, en la mayoría de aplicaciones, los valores que se tienen son sobradamente admisibles. Esta última circunstancia, junto con la posibilidad de modificación de las condiciones termodinámicas de la reacción, hace recomendable seguir la evolución del estado del material cuando se utiliza la protección anódica.

Mediante la adición al metal de elementos aleantes que incrementen el área catódica. La presencia en la aleación de partículas de elementos catódicos, favorece la formación de las pilas d e corrosión, lo que produce el aumento de velocidad de la reacción catódica.

Una importante ventaja d e la p rotección anódica e s q ue su capacidad de protección se mantiene aun a distancias alejadas del cátodo.

El equilibrio necesario en la reacción hace que también aumente la corriente d e polarización anódica hasta valores superiores a Ja densidad de corriente crítica, lo que lleva a la pasivación del metal o aleación.

5.7.

Suelen utilizarse como elementos aleantes el Pt, Ag, Pd, Au, I r y Cu. Así, la adición d e pequeñas cantidades de Cu, Pd o Pt a l acero inoxidable (Cr-Ni), facilita sustancialmente su pasivad ón en ácido sulfúrico (figura 5.8). También la adición de Pt o Pd al titanio acelera su pasivación en el ácido clorhídrico.

-o -o

5.7. 1 . INTRODUCCIÓN La protección catódica es el método más efectivo d e cuantos existen para conseguir u na protección frente a la corrosión. Mediante la protección catódica puede detenerse completa y permanentemente la corrosión sobre una superficie metálica. Este método d e protección es conocido y aplicado desde la primera mitad del siglo XIX. En 1 824, Sir Humphrey Davis hizo públicos sus experimentos de laboratorio acerca de la corrosión del cobre, en los que d emostraba que era posible conseguir una protección eficaz uniéndolo a bloques de cinc. Posteriormente, el Almirantazgo Británico comenzó a utilizar placas de cinc adosadas a los cascos de acero de sus buques, con la finalidad de proteger d e la corrosión a las hélices de bronce. No es hasta mediados d e este siglo cuando se retoma este tema con el fin de conseguir la protección catódica del casco d e acero del buque.

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Acero 1 8-8 + 1 ,2% C u

o

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1 000

Acero 1 8-8+ 0,9% Pd ·

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20

30

40

PROTECCIÓN CAT Ó DI CA

Hoy día, la protección catódica se aplica de forma extensiva, además d e en la construcción naval, para la protección de tuberías y canalizaciones enterradas y submarinas, depósitos de agua, equipos e instalaciones qu ímicas, estructuras metálicas, etc.

50 5.7.2. M ECAN I S M O DE LA PROTECCIÓN CATÓ D ICA

Figura

98

5 .8. Velocidades de corrosión del acero inoxidable.

Puesto que la corrosión electroquímica sólo se produce en el ánodo d e u n a pila d e corrosión , la forma m á s eficaz de evitar la corrosión d e u n a superficie es 99

Protección frente a la corrosión

Manual básico de corrosión para ingenieros

conseguir que ésta se comporte catódicamente. Para ello, dada la reacción de oxidación:

es preciso aportar la cantidad suficiente de carga negativa para que el equilibrio de la reacción se desplace netamente hacia la izquierda. Por tanto, si mediante una fuente exterior se suministra corriente eléctrica a través de un ánodo auxiliar, se conseguirá polarizar catódicamente el metal a proteger (figura 5.9). La corriente suministrada , partiendo del ánodo auxiliar, entra en el metal polarizándolo catódicamente.

-1

,.------

+ J,

]carr

JapDcada

Inte n s i d a d d e c orri e n t e I (A)

Figura 5.10. Diagrama de polarización en la protección catódica. �

I

�

...

Medio electrolitico

Metal a proteger

Ánodo auxiliar

Figura 5.9. Circuito de protección catódica.

Como se observa en la fig . 5 . 1 0 , mientras el potencial catódico alcanzado (E1) sea distinto del potencial anódico a circuito a bierto, seguirán habiendo pilas locales de corrosión, es decir, unas zonas se comportan anódicamente· respecto de otras que lo hacen catódicamente. Por tanto, seguirá habiendo un cierto grado de corrosión. Cuando la corriente suministrada es capaz de polarizar las áreas catódicas hasta alcanzar el valor del potencial en circuito abierto (E.) de las áreas anódicas, entonces se consigue mantener una superficie equipotencial en todo el metal y, en consecuencia, cesa la corriente de acción local y con ello la corrosión (figura 5 . 1 0).

1 00

5.7.3. PROTECCI Ó N CATÓ D I CA POR ÁNODOS DE SAC R I F I C I O La intensidad de corriente necesaria para proteger el metal también obtenerse, sin necesidad de una fuente de alimentación externa, uniéndolo eléctricamente a otro metal con un potencial de reducción más negativo. El principio d e la protección catódica, en este caso, es la formación de una pila galvánica en la que el electrodo auxiliar actúa de forma espontánea como ánodo de la reacción, consumiéndose o corroyéndose durante la misma, razón por la cual reciben el nombre de ánodos de sacrificio. Para que un material pueda u tilizarse como ánodo de sacrificio se deben cumplir las siguientes condiciones: 1)

Su potencial debe ser más electronegativo que el del metal a proteger.

2)

L a intensidad d e corriente q u e s e establece en la pila formada no debe ser muy alta (ya que esto disminuirá el tiempo de vida útil del á nodo), por lo que el potencial electronegativo del ánodo de sacrificio no puede exceder en mucho al del metal a proteger

3)

No debe pasivarse.

4)

La disolución del ánodo debe ser uniforme.

5)

El suministro de corriente debe ser suficiente.

Manual básico de corrosión para ingenieros

Protección frente a la corrosión

Conviene poner especial cuidado en conseguir que las densidades de corriente en las superficies, tanto catódica como a nódica, sean uniformes, con el fin de evitar, por un lado, la desprotección local de algunas zonas y, por otro lado, el consumo i rregular del ánodo. Los metales más utilizados para servir como ánodos de sacrificio junto con el hierro o acero son el cinc, el magnesio y el aluminio activado con ciertos aleantes. La composición de los ánodos de sacrificio, asi como su distribución, debe adecuarse a los requisitos de una polarización adecuada sin un consumo excesivo o irregular de corriente. En la tabla 5.2 se muestran las caracteristicas electroquimicas más relevantes de estos metales. Tabla 5.2. CARACTERÍSTICAS Suministro teórico de corriente (Ah/kg) Suministro de real corriente (Ah/kg) Rendimiento Consumo. kg/(A·año)

REC U B RI M IE NTOS P ROTECTORES

5.8.

5.8. 1 . I NTRODUCCIÓN Cada d ia, en mayor medida, se exige de los materiales un mejor comportamiento frente a unas condiciones operativas muy severas. Como consecuencia de esto, cada vez se van desarrollando n uevos materiales con características capaces de satisfacer las nuevas exigencias. Junto a este avance en la tecnología de los materiales, también se van desarrollando nuevas técnicas y productos de protección frente a la corrosión. Un campo en el que se han producido importantes avances es en el de los recubrimientos protectores, especialmente en el caso d e las pinturas. Los recubrimientos que se aplican sobre las superficies metálicas para protegerlas de la corrosión, pueden clasificarse básicamente en tres grandes grupos:

Alum inio

Cinc

Magnesio

2976

820

2 1 98

•

Recubrimientos metálicos

2400-2800

780

1 050- 1 250

•

Recubrimientos inorgánicos

•

Recubrimientos orgánicos

80-95

95

47-57

2 , 94

1 0,64

3,98

.

5.8.2. RECU B R I M I ENTOS M ETÁ LICOS 5.7.4. LIMITACIONES DE LA PROTECCIÓN CATÓD I CA El método de protección catódica exige que exista una buena conexión eléctrica entre el ánodo y el cátodo, por este motivo sólo es aplicable el método cuando las superficies de contacto de los electrodos con el medio son suficientemente grandes. La corriente catódica debe a fectar por igual a toda la superficie a proteger. Cuando algunas zonas del electrolito presentan una resistencia de contacto mayor que otras, o hay zonas muy alejadas, las densidades de corriente pueden llegar a ser insuficientes para proteger al metal. Tal es el caso de discontinuidades en el medio, picas o estructuras semienterradas, etc. La protección catódica no tiene poder de penetración, por lo que difícilmente puede protegerse el interior de tuberías, depósitos o estructuras multicapa, mediante ánodos colocados en su exterior. En medios altamente corrosivos, que precisan de elevadas corrientes de polarización, es económicamente inviable el uso d e ánodos de sacrificio o de corriente impresa, por lo que es preciso recurrir a otros métodos o a la combinación de varios de ellos. 1 02

Existen diversos procedimientos para efectuar un recubrimiento metálico sobre una superficie a proteger, cabe destacar los siguientes: •

La inmersión en caliente, consistente en sumergir durante un breve intervalo de tiempo el material a proteger en un baño de metal fundido.

•

El galvanizado electrolítico, también llamado galvanostegia, mediante la deposición de metal en un baño electrolitico acuoso.

•

La metalización, que consiste en proyectar, normalmente por medio de un chorro de aire, sobre la superficie, gotas de metal fundido que se van apelmazando unas sobre otras formando u na capa porosa pero adherente.

•

La cementación, o plaqueado mecamco, consistente en introducir el material a proteger en un tambor rotatorio j unto con una mezcla de polvo del metal de recubrimiento, bolas d e vidrio, otros productos q u ímicos y agua. El recubrimiento se consigue al cabo de un cierto tiempo de hacer girar al tambor a la temperatura adecuada.

1 03

Protección frente a la corrosión

•

La reacción en fase gaseosa, en la que se forma sobre la superficie a proteger una pel icula de producto protector al ponerla en contacto con ciertos compuestos volátiles a alta temperatura.

Manual básico de corrosión para ingenieros

Se trata, por tanto, de metales más electronegativos que el metal base. Así, en el caso del acero, se utilizan recubrimientos de cinc y, algunas veces, d e aluminio o de estaño.

Electrolito

De todos ellos, los más usados son la inmersión en caliente y el galvanizado electrolítico. Todos los recubrimientos metálicos son , en cierta medida, porosos. Esta porosidad, junto con el posible daño que pueda sufrir el recubrimiento como consecuencia de algún golpe o arañazo, hace que deba prestarse especial atención a la calidad del recubrimiento y extremarse las precauciones en el transporte o utilización de las piezas afectadas.

a)

Atendiendo a la forma en que protegen a la superficie pueden distinguirse dos tipos de recubrimientos metálicos: •

Recubrimientos nobles

•

Recubrimientos de sacrificio b)

Recubrimientos nobles

Estos recubrimientos se hacen a partir de metales que tienen un comportamiento más noble que el del metal a proteger. Algunos de los metales de este tipo, utilizados para proteger al acero, son: Ni, Ag , Cu, Pb o Cr. En este caso es de suma importancia reducir al m ínimo la presencia de poros, ya que al quedar al descubierto la superficie del metal se forman pilas de acción loca l , en las que el ánodo es justamente el metal que quería protege rse (figura 5. 1 1 a). La consecuencia de esto es que, por razones de seguridad, no es conveniente utilizar espesores delgados. U n método que da buenos resultados consiste en rellenar los poros del recubrimiento con algún tipo de laca orgánica protectora , o también difundir sobre el recubrimiento un segundo metal de punto de fusión más bajo, tal como cinc o estaño en recubrimientos de niquel.

Recubrimientos de sacrificio

Es este caso, la presencia de poros en el recubrimiento produce el e fecto contrario que el caso anterior. En las pilas de acción local formadas como consecuencia del contacto del metal base con el electrolito, a causa de los poros, el metal base queda protegido catódicamente mientras que el metal del recubrimiento es el que sufre la corrosión (figura 5 . 1 1 b).

1 04

Fig ura 5.1 1 . Efectos de la porosidad en un recubrimiento

En los recubrimienios de sacrificio, su mayor o menor porosidad n o tiene efectos inmediatos sobre el metal base. Mientras exista pel ícula de recubrimiento, el metal estará protegido. Un aumento en el espesor del recubrimiento, por tanto, no mejora su capacidad protectora, a unque sí alarga su duración. Puesto que el recubrimiento está sujeto a desgaste, debe vigilarse su estado. Se ha comprobado que un hueco de unos 3 mm d e diámetro en l a capa, es suficiente para desproteger al metal base de la corrosión. Seguidamente se resumen las características más destacables de algunos recubrimientos de metales de uso frecuente.

Recubrimientos de níquel.-

Se realizan generalmente mediante deposición electrolítica. La capa de recubrimiento se deposita directamente sobre el acero o , a veces, sobre una capa intermedia de cobre. El espesor de la película depende del medio agresivo. Así , si el recubrimiento se destina a interiores es suficiente con un espesor de unas 10 micras; si el material esta expuesto a la intemperie el espesor conviene aumentarlo incluso hasta unas 40 o 50 micras; por último, en atmósferas industriales muy corrosivas puede llegarse a espesores de hasta 250 micras.

Protección frente a la corrosión

Recubrimientos de plomo.-

Se realizan mayormente por inmersión en caliente, aunque también se hacen por electrodeposición. En ocasiones, con el fin de mejorar su adherencia a la superficie base, se le añade cierto porcentaje de estaño. Presentan buena resistencia al ataque atmosférico. Sin embargo, se destruyen con facilidad cuando están en el suelo. Los recubrimientos de plomo no deben utilizarse nunca en recipientes o elementos que se destinen a manejar contener agua potable o productos alimenticios, por la toxicidad de sus sales.

Recubrimientos de cinc.-

En general se les denomina galvanizados. Aunque, por razones históricas (ya se conocia en el siglo XVI I I ), únicamente deberia llamarse así al que se obtiene por inmersión en caliente (GIC), también se aplica este nombre a los recubrimientos de cinc obtenidos por otros procedimientos. Otra técnica empleada para conseguir el recubrimiento es la deposición electrolítica que, en este caso, recibe el nombre de electrocincado (EC). Otras veces se realizan por metalizado, o también mediante sherardizado, que consiste en una difusión en fase sólida a una temperatura de unos 350ºC. En todos los casos se tiene una buena adherencia al metal base y una resistencia relativamente buena al ataque atmosférico. A titulo orientativo, puede indicarse que la duración media de un recubrimiento de 25 micras de espesor sobre acero es de unos 1 1 años en un ambiente rural, de unos 8 años en ambiente marino y baja hasta 4 años en atmósferas industriales contaminadas. Conviene resa ltar que en aguas calientes (por encima de los 60ºC) y aireadas se produce una inversión de polaridad entre el cinc y el hierro, lo que hace que el recubrimiento se comporte como noble en vez de como de sacrificio, por lo que la porosidad del mismo afecta negativamente a l acero, provocándole importantes picaduras.

Recubrimientos de estaño.-

Es el recubrimiento utilizado por excelencia para fabricar envases para alimentos formando la hojalata.

1 06

Manual básico de corrosión para ingenieros

Puede obtenerse por inmersión en caliente, aunque el que se obtiene por deposición electrolitica es más uniforme y se consiguen películas más delgadas. El estaño se comporta como recubrimiento noble, respecto del acero, en contacto con el aire, pero lo hace como recubrimiento de sacrificio en presencia de la mayoría de productos alimenticios, que cambian el potencial del estaño a valores más activos. La resistencia al ataque corrosivo de l a capa de recubrimiento y , por tanto, su duración disminuye apreciablemente con el aumento de temperatura.

Recubrimientos de aluminio. -

Se realizan, en su mayor parte, por inmersión en caliente y por metalización. En este ú ltimo caso se suele cubri r finalmente la capa con lacas orgánicas o pinturas. El espesor normal de un recubrimiento d e aluminio metalizado oscila entre 8 y 20 centésimas de mil ímetro. Cuando el material no va a estar en contacto con medios acuosos se utiliza el recubrimiento cementado. Su uso es frecuente en atmósferas con contenidos en azufre y para altas temperaturas. En soluciones con iones anódicamente respecto d e l acero.

cloro

se

comportan,

en

genera l ,

5.8.3. RECU B R I M I ENTOS INORGÁ N I COS Los más importantes son los esmaltes vítreos, los revestimientos de vidrio y los esmaltes de porcelana, aunque también se utilizan otros como son los recubrimientos d e cemento y los recubrimientos obtenidos por transformaciones qu ímicas, tales como los recubrimientos de fosfato sobre acero, de óxido sobre el acero y el aluminio o de cromato sobre cinc. El vidrio en polvo se deposita sobre la superficie metálica a proteger, después se calienta en un horno hasta que el vidrio se reblandezca y acabe uniéndose a l metal. Los esmaltes vítreos ofrecen una muy buena protección contra la corrosión, lo que se debe, entre otras razones, a su impermeabilidad al agua y al oxígeno. Además, presentan una alta estabilidad térmica y una gran duración. El inconveniente más importante radica en su escasa resistericia mecánica y su fragilidad, ya sea por golpe o choque térmico. 1 07

Manual básico de corrosión para ingenieros

Protección frente a la corrosión

Los recubrimientos de cemento Portland son empleados, principalmente, por su bajo coste y su facilidad de aplicación y reparación. Los espesores oscilan entre 0,5 y 2,5 cm.

Las condiciones que debe reunir una pintura para que constituya una buena protección contra l a corrosión son: •

Proporcionar una buena b a rrera al vapor. El rendimiento de una pintura,

en este sentido, se mejora notablemente aplicando capas múltiples. 5.8.4. RECU B R I M I ENTOS ORG Á N I COS Constituyen, desde el punto de vista cuantitativo, el principal tipo de recubrimiento. Para dar una idea de su importancia, baste decir que el gasto en pinturas y lacas en los Estados Unidos supera e n la actualidad los 1 00 . 000 millones de dólares anuales. Además de las pinturas, cada dia adquieren más importancia los recubrimientos plásticos, entre los cuales cabe destacar los revestimientos de goma , neopreno, vinilo, polietileno y Teflón (tetrafluoretileno). Las pinturas y los barnices, son una mezcla l íquida de particulas insolubles suspendidas en un vehículo orgánico, aunque también se utilizan resinas sintéticas como vehículos o componentes de éstos. Las pinturas se aplican en fase l íquida (generalmente de elevada viscosidad), sobre la superficie de material a proteger, dando · lugar, en un proceso fisico de evaporación de los disolventes o dil uyentes, o por reacciones químicas entre distintos componentes, o con el medio ambiente, a la formación de una película sólida y continua que queda adherida a la base. En general, se llaman pinturas a los recubrimientos que contienen pigmentos adecuados para dar color a las superficies y barnices a los que no los contienen y, por tanto, no dan color.

•

Inhibir contra la corrosión. Los pigmentos que contienen las capas de

imprimación deberían ser inhibidores de la corrosión , de manera que cuando el agua establezca contacto con el metal la reacción resulte inhibida. •

Poseer una elevada resistencia iónica. Con ello se limitará la difusión

del agente agresivo a través de la película protectora. •

Ofrecer una protección catódica al metal. Se obtiene cuando se utilizan pinturas con pigmentos metálicos, generalmente a base de cinc, que actúan anódicamente respecto de la base metálica a proteger.

Las características anteriores hacen referencia a la formulación de la pintura en sí, es decir, a cualidades intrínsecas de la misma. Para conseguir una buena protección, tan importante como esto es: •

Que el procedimiento de pintado sea apropiado.

•

Que las superficies estén preparadas.

•

Que el pintado se realice correctamente.

Las lacas se componen de resinas disueltas en un disolvente volátil, por lo que forman una película sólida a l evaporarse éste. Los esmaltes son pinturas que forman películas extraordinariamente lisas y en tiempos de curado netamente inferiores a las pinturas ordinarias. Se denomina curado al proceso de formación de la película sólida en una pintura o barniz, los mecanismos principales son:

1 08

•

La oxidación del aglutinante con el oxigeno del aire (por ejemplo, pinturas a base de aceites).

•

La evaporación del disolvente (por ejemplo, pinturas acrílicas) .

•

La condensación de la película por reacción qu ímica entre dos o más componentes (pinturas epoxídicas).

•

La coalescencia de partículas dispersas cuando el agente dispersante desaparece (por ejemplo, pinturas tipo "látex"). 1 na

Manual básico de corrosión para ingenieros

,

C:APITULO 6

E nsayos de corros ión

6.1 .

I NTRO D UCCIÓN

Las mismas razones que s e expusieron para adoptar medidas d e protección frente a la corrosión, justifican la realización de ensayos que permitan, por una parte, estimar los daños producidos y la velocidad de corrosión y, por otra parte, valorar la eficacia de los métodos de protección empleados. Como se ha descrito en lemas anteriores, en los procesos de corros1on intervienen de forma directa numerosos factores, algunos de los cuales pueden variar de forma significativa alterando, con ello, las previsiones efectuadas. Además, la modificación simultanea de varios de estos factores puede llegar a tener efectos inesperados, lo que convierte a las previsiones realizadas en datos sólo orientativos, aunque muy importantes, que deberán acompañarse de ensayos de corrosión que corroboren la bondad de dichas previsiones. Los dos aspectos sobre los que se fundamentan estos ensayos son: el material y el medio. Lo ideal sería realizar los ensayos cuando los metales están en servicio, sin embargo, este modo de operar presenta generalmente dificultades debido, entre otras razones, a las irregularidades propias del servicio, que hacen complicado su control. Existen, por tanto, dos formas básicas de realizar los ensayos: •

Crear en el laboratorio condiciones semejantes a las del ambiente.

•

Realizar los ensayos en el propio ambiente. 111

Ensayos de corrosión

Manual básico de corrosión para ingenieros

En ambos casos se opera con probetas, de cuya correcta preparación depende, en gran medida, los resultados del ensayo.

1.

La pérdida de peso experimentada por la probeta del material en cuestión se determina pesándola antes y después del ataque corrosivo y obteniendo la diferencia entre ambas medidas.

Puesto que la velocidad de corrosión puede ser muy variable, es preciso realizar controles periódicos, considerando, en cada caso, los factores característicos y valorar la corrosión en varias unidades de medida. Considerar una sola unidad de medida, por ejemplo la pérdida de peso, como valor representativo de la corrosión d e todo el material, puede conducir a errores considerables.

2.

3.

C LASI FICACIÓN

Ensayos d e rutina para verificar un determinado estándar de calidad del metal o del agente corrosivo.

2.

Ensayos de resistencia a la corrosión comparativos entre diferentes metales. Tienen, generalmente, la finalidad de seleccionar el metal más apropiado para una determinada aplicación, o para valorar las características de una aleación o metal nuevo en relación con otro cuyo comportamiento en servicio ya es conocido.

3.

B)

112

4.

Estimación de la vida útil d e un metal en unas condiciones de servicio dadas.

4.

Determinación de los diferentes tipos de medio ambiente y condiciones en las cuales puede usarse satisfactoriamente un determinado metal.

5.

Ensayos para el estudio del mecanismo de la corrosión para . un determinado metal o aleación en cierto medio y para unas condiciones dadas.

Atendiendo al efecto de la corrosión:

Ensayos en medio corrosivo. Mediante estos ensayos se pretende observar la intensidad del ataque sobre cierto material, al variar las características y/o las condiciones del medio corrosivo. Por ejemplo, variaciones del pH, d e la concentración de oxigeno o de la temperatura.

Atendiendo a la finalidad del ensayo: 1.

Variación de las propiedades físicas. Cuando el ataque del material no es uniforme la variación de las propiedades fisicas y mecánicas del material no resulta fácil de obtener mediante previsiones matemáticas, siendo necesario obtenerlas por métodos empíricos. Algunas de las propiedades que se ven fuertemente afectadas por ataques localizados son la conductividad eléctrica y térmica, la elasticidad y la resistencia a la tracción .

Los ensayos de corrosión pueden proyectarse para obtener resultados cualitativos o cuantitativos. En ambos casos cab e realizar distintas clasificaciones. Seguidamente se establecen dos tipos de clasificación.

A)

Examen óptico y metalográfico. Cuando el ataque del material no es uniforme la pérdida de peso no arroja un valor suficientemente significativo del ataque corrosivo. En estos casos procede realizar u n examen óptico y metalográfico de la superficie del material, con el fin de valorar la gravedad de los daños por picaduras, grietas, etc.

Si bien, a título particular, pueden realizarse los ensayos de corrosión eri la forma que se estime más conveniente, existen normas nacionales e internacionales que establecen una serie de prescripciones generales que deben seguirse en la realización de determinados tipos de ensayos, concretamente en lo que se refiere a las probetas, aparatos, medio corrosivo y método operativo.

6.2.

Pérdida de peso.

6.3.

CARACTERÍSTI CAS DE LOS ENSAVOS

Las variables fundamentales a la hora de realizar u n ensayo de corrosión son básicamente tres: •

El metal o material a ensayar

•

El medio corrosivo

•

El procedimiento operativo

En lo que se refiere al metal, los factores a tener en cuenta para la realización de los ensayos son: •

Selección d e las muestras.

•

Duplicado e identificación de las mismas.

Ensayos de corrosión

•

Tamaño y forma.

Efectos físicos, principalmente tensiones.

Preparación.

Tal es el caso de terrenos en los que se produce dilatación o contracción de arcillas.

Respecto del medio corrosivo y las condiciones bajo las que se desarrollarán los ensayos, cabe distinguir los siguientes medios: A) Atmósferas naturales: Rural. U rbana. I ndustrial. Tropical. Rural-marina. U rbano-marina. I ndustrial-marina. Tropical-marina. A su vez, dentro de cada uno d e estos ambientes, puede considerarse distintos n iveles de humedad, así como la presencia de ci ertos agentes, especialmente en ambientes industriales. B) Aguas: Agua de mar. Agua dulce. En este caso, l a corrosividad depende del pH, de la dureza temporal del agua y de los contenidos de C02 , sulfatos y cloruros existentes en ella. Agua d e explotaciones mineras. En general, estas aguas son fuertemente ácidas por la presencia de ácido sulfúrico.

Efectos biológicos. Tales como los producidos por las variaciones en las cantidades d e 0 2 y C02 que contenga el suelo, o la reducción de sulfatos a sulfuros por acción bacteriológica . Efectos electroquímicos. Permeabilidad del terreno al aire. Estado del terreno. Mediante análisis químicos puede averiguarse la proporción del suelo que es soluble en agua, el valor del pH y su conductividad eléctrica. D) Medios a rtificiales: D. 1 ) Gases y vapores: Ambiente húmedo. Simulación de atmósferas industtiales o urbanas añadiendo al aire S02 , con o sin C02 , cloruro, o productos de combustión del carbón o gas de carbón. Algunas veces NH3 y aire, con o sin C02 . D.2) Soluciones acuosas: Agua destilada. Se trata de un medio de gran importancia, ya que representa razonablemente bien ciertos medios naturales, tales como la lluvia y la humedad condensada que pueden tener efectos muy severos, com o por ejemplo la corrosión causada bajo tensión en aleaciones de magnesio.

C) Suelos:

Agu a de mar sintética.

Es preciso considerar los siguientes aspectos:

Se puede preparar con las distintas sales que la componen, o con la sal procedente del agua de mar evaporada. Las sales que componen el agua de mar sintética son: C I N a (29,3 g/1), MgCl 2 (4,09 g/I), MgS04 (3,65 g/I ), CaS04 (1 ,72 g/I ), K 2S Q4 (0,94 g/I ) y otras en cantidades inferiores, como NaHC03 , CIK y Cl2 Ca. El p H oscila entre 7 , 8 y 8,2.

Estratificación del terreno. Nivel que alcanza el agua contenida en el terreno y su velocidad de drenaje. Esto afecta al modo en el que las muestras van a estar sometidas a la acción del agua, ya sea de forma continua, intermitente o por encima del nivel del agua. 1 14

Manual basico d e corrosión para ingenieros

Disolución de C I Na al 3%.

1 15

Ensayos de corrosión

Se usa a veces como sustituto sencillo y rápido de preparar del agua de mar. También se hace Nl2 o al 3,5%. Disoluciones con 3% d e H 20 2 y 1 % d e CINa. Disoluciones con 1 % en peso de CIH y 3% de CINa. D.3) Suelos:

Manual básico de corrosión para ingenieros

6.4.

REALIZACIÓN DE LOS EN SAYOS

6.4. 1 .

METODOLOG Í A GEN ERAL

La realización de un ensayo puede comprender una o varias de las siguientes etapas: 1)

Se usa poco, ya que resulta difícil conseguir una simulación efectiva de un suelo en el laboratorio.

Requiere operar con sumo esmero para evitar la posible contaminación de las probetas con algún agente corrosivo.

Respecto del procedimiento operativo, las normas establecen los pasos a seguir y las condiciones bajo las cuales tienen validez una gran variedad de ensayos. Algunos d e estos ensayos son:

116

Preparación de las probetas.

El desengrase ha de ser lo más perfecto posible, salvo en aquellos casos en los que se quiera estudiar la influencia de la grasa en el ataque corrosivo. El desengrase se efectúa sometiendo a las probetas a los vapores de disolventes adecuados (benceno, acetona o alcohol, principalmente) en un aparato adaptado a este fin. Una vez finalizada esta operación, las probetas no deberán tocarse directamente con las manos.

•

Pruebas d e fatiga

•

Ataque por depósitos

•

Ensayos de erosión-corrosión

•

Ensayos de cavilación-corrosión

•

Ensayos de corrosión-desgaste

•

Ensayos de corrosión por fricción

•

Ataque corrosivo electrol ítico

•

Ensayos sobre recubrimientos

•

Corrosión seca a temperaturas elevadas

•

Ataque corrosivo por productos de la combustión

b) Cuando la inmersión es parcial los soportes d e las probetas permanecen fuera del medio corrosivo, lo que permite contrastar los efectos de la parte externa de la probeta frente a los de la parte interna.

•

Ensayos con vapor a alta temperatura (autoclaves)

e) La inmersión intermitente se aplica para ensayos rápidos de corrosión

•

Ensayos de niebla salina

•

Ensayo de corrosión por gotas salinas

•

Ataque por atmósfera contaminada

•

Pruebas aceleradas de exposición atmosférica

•

Ensayos de campo y servicio

•

Ensayos de corrosión filiforme sobre el acero

•

Ensayos de corrosión bajo tensión

•

Ensayos de resistencia a la corrosión intergranular

2)

Inmersión.

Puede ser total , parcial o intermitente a)

Cuando la inmersión es total en el gas o l íquido que constituye el ambiente corrosivo debe procurarse, sobre todo si se trata de líquido, que haya suficiente afluencia de aire y oxígeno y, en todo caso, que esté bien regulado para que todas las probetas lo reciban uniformemente.

en soluciones acuosas. Al extraer la probeta del líquido periódicamente, se consigue mantener constantemente una fina película de líquido en contacto con el metal y con una renovación casi constante de aire y oxigeno. A veces se secan las probetas con calor radiante, previamente a cada i nmersión. 3)

Aspersión

Consiste en humedecer la probeta con el l íquido en estudio, ya sea a mano o automáticamente. Puede realizarse de modo intermitente o continuo, siendo el primer sistema el que más se ajusta a la realidad, pudiendo, en tal caso, secar la probeta antes de cada aspersión.

117

Ensayos de corrosión

4)

A tmósferas húmedas

Mediante ciertos aparatos se puede producir y controlar aUtomáticamente , en unas cabinas especiales, determinados climas artificiales o atmósferas con unas condiciones específicas. Este sistema se emplea sobre todo cuando se desea estudiar la corrosión en zonas tropicales o en regiones en que, por el tipo de industria preponderante, se dan condiciones de humedad y temperatura análogas. 5)

Separación de los productos de la corrosión de las muestras.

En ciertos casos es preciso separar completamente los productos de l a corrosión de l a s probetas en las q u e se h a n realizado las pruebas, con el fin de valorar correctamente los efectos producidos. 6)

Valoración de los efectos sobre el metal

Esta etapa debe realizarse en todos los casos, pues es, en general, el objeto primordial del ensayo. 7)

Valoración de Jos efectos sobre el medio

En algunos casos, el objeto del ensayo es también , o exclusivamente, analizar los efectos del proceso corrosivo sobre determinado medio.

6.4.2.

ENSAYOS DE LABORATORIO

Se les denomina también ensayos en atmósfera artificial o ensayos acelerados, puesto q ue se pretende reproducir el proceso corrosivo real pero con tiempos de exposición netamente inferiores a los que sería necesario en el l ugar y condiciones de servicio. Resulta evidente, por la definición anterior, que las características reales del proceso ya no se están respetando desde el momento en que varía el factor tiempo. Por otra parte, existen infinidad de pequeños condicionantes y factores cambiantes que resultan imposibles de reproducir idénticamente en u n laboratorio. Se concluye, por tanto, que es imposible reproducir en el laboratorio exactamente las mismas condiciones del proceso en su medio natural. Sin embargo, la experiencia demuestra que estas diferencias, entre el proceso real y el ensayo de laboratorio, pueden ser poco o nada influyentes en los resultados obtenidos en a mbos casos, siempre q ue se sigan los métodos operativos adecuados, por lo que la validez de estos ensayos está sobradamente demostrada.

118

Manual básico de corrosión para ingenieros

La disminución del tiempo en que se produce cierta corrosión se consigue modificando convenientemente ciertos factores tales como las concentraciones del agente corrosivo, la temperatura y la humedad. Uno de los ensayos de laboratorio más frecuente es el ensayo de niebla salina. Consiste, en esencia, en introducir en una cámara cerrada, y a una

temperatura determinada, el metal a inspeccionar y pulverizar una disolución de agua y sal con concentraciones predeterminadas, aunque la más frecuente es de 0,5 g/I de CINa en agua. En este tipo d e cámaras pueden simularse otro tipo d e climas, tales como húmedos, tropicales, secos, industriales, etc. Combinando adecuadamente las concentraciones, y la temperatura de la cámara, pueden acelerarse los procesos corrosivos de manera considera ble, pudiendo reproducir en unos pocos d ías resultados que, en su medio natural, requerirían incluso años. También se realizan ensayos por métodos electroquímicos. En estos ensayos es preciso medir las fuerzas electromotrices de las pilas y, más concretamente, los potenciales de cada electrodo o de cada fase por separado, si hay más de una. Ensayos comunes de este tipo son los de medida de la polarización anódíca y los de medida de los potenciales de disolución. Con los ensayos en laboratorio se consiguen resultados válidos respecto de los efectos corrosivos sobre un determinado metal, pero no se obtienen datos acerca de la velocidad del ataque en su medio natural. Cuando las condiciones del medio natural son cambiantes, o cuando existen factores que son difíciles de controlar en el laboratorio, es preciso recurrir a ensayos en el medio natural con el fin de: •

Averiguar el resultado real del proceso corrosivo sobre el metal en su medio.

•

Hacer u n seguimiento del p roceso corrosivo, en particular de la velocidad de corrosión y de los posibles cambios en la estructura del metal o d e los productos de la corrosión.

•

Servir de punto de referencia para conseguir simulaciones válidas en el laboratorio.

6.4.3.

ENSAYOS EN MEDIO NATURAL

También se les denominan ensayos de larga duración ya q ue , en este caso, la finalidad del ensayo es someter al metal a las mismas condiciones de servicio.

119

--

Manual básico de corrosión para ingenieros

Ensayos de corrosión

Son el punto de partida para establecer una relación entre el ensayo de laboratorio y el ensayo en medio natural, es decir, sólo es posible establecer la validez de los ensayos de laboratorio cuando puede contrastarse l a similitud entre los resultados de ambos ensayos. Las probetas para estos ensayos son rectangulares, comúnmente de 20 x 30 cm para ensayos de inmersión y de 1 2,5 x 25 cm para ensayos en medio atmosférico. Pueden distinguirse tres tipos principales de ensayos en medio natural:

Estaciones de ensayo

Se utilizan principalmente para ensayar recubrimientos protectores en medios naturales.

metales,

aleaciones

6.4.4. ENSAYOS PARA RECU BRIMI ENTOS Existe un gran número de ensayos específicos para averiguar el comportamiento de los recubrimientos frente a diferentes agentes corrosivos. Algunos ensayos normalizados de este tipo son: •

Ensayos para depósitos electrolíticos de n íquel más cromo (ISO 1 456).

•

Ensayos para depósitos electrolíticos de níquel (ISO 1 458).

•

Ensayos para recubrimientos de galvanización en caliente sobre productos férreos (ISO 1 46 1 ).

•

Ensayos acelerados de corrosión para depósitos electrolíticos no anódicos respecto al metal base (ISO 1 462).

•

Ensayos para depósitos electrolíticos de cinc sobre hierro o acero ( I SO 208 1 ).

•

Ensayos de corrosión por gotas salinas para recubrimientos metálicos y no orgánicos sobre sustratos metálicos (ISO 4536).

•

Ensayos d e corrosión aplicables a condiciones de almacenamiento de recubrimientos metálicos y otros recubrimientos no orgánicos ( ISO 4543).

•

Ensayos de corrosión de depósitos electrolíticos anódicos con relación al sustrato (ISO 8403).

o

Se trata d e estaciones de propósito específico para controlar la acción de determinados medios o agentes naturales atmosféricos o acuosos, incluso agua de mar, sobre probetas normalizadas del material a ensayar.

Ensayos en la atmósfera

La probeta a ensayar se somete a las mismas condiciones d e servicio a que estará sometido el material. Para valorar correctamente el resultado de estos ensayos , es preciso hacer un seguimiento, u obtener datos, de las circunstancias meteorológicas durante el periodo de prueba: evolución de la temperatura, lluvia, humedad relativa, viento, etc. En ciertos ensayos, especialmente en ensayos de pinturas y otros recubrimientos orgánicos, es fundamental conocer las horas de exposición al sol, y también la cantidad de polvo depositado sobre la superficie de la probeta, lo que es importante para determinar la intensidad de la radiación incidente, así como el grado de h umedad que se puede retener.

Ensayos de inmersión

En estos ensayos, las probetas pueden estar sumergidas de forma continua o intermitente. Por otra parte, la inmersión podrá ser total o parcial. Generalmente se hacen en el mar, por lo que las intermitencias en la inmersión se corresponden con el curso d e las mareas, o también con el oleaje. Para seguir la evolución de estos ensayos, es importante tener datos acerca de la salinidad del agua , el pH y el oxigeno disuelto. 1 20

------ -

De los recubri mientos metálicos se espera que tengan ciertas cualidades importantes para conseguir un comportamiento eficaz frente a la corrosión . Una de ellas es que tenga una buena adherencia con el metal base con el fin de evitar su desprendimiento o levantamiento. Otra cualidad importante es que tenga el espesor adecuado. Poco espesor supone, en genera l , menor protección , mientras que grandes espesores, además de encarecer el recubrimiento, no siempre contribuyen a mejorar ostensiblemente los resultados. La medida del espesor puede realizarse por distintos métodos: 1j

2)

Métodos de medida directa , mediante examen microscópico. de la sección d e la probeta. Métodos q u ímicos, en los que se disuelve el recubrimiento mediante un reactivo adecuado. Este es el mecanismo que se utiliza para controlar el espesor del recubrimiento de estaño en la hojalata. Tras desengrasar u na chapa de hojalata d e un decímetro cuadrado, se sumerge en una solución que contiene á cido clorhídrico y ácido antimonioso. La probeta se mantiene '"'

Ensayos de corrosión

d urante el tiempo necesario para que se elimine el estaño de la chapa. La diferencia entre el peso d e la probeta antes y después del ensayo arroja los datos necesarios para calcular el espesor medio del recubrimiento. 3)

Métodos electroquímicos, consistentes en eliminar el recubrimiento practicando una disolución anódica del mismo, y valorar el espesor por l a diferencia de pesos antes y después del ensayo.

Otra cualidad importante es que tenga poca porosidad, lo que también depende, aunque no exclusivamente , del espesor del recubrimiento. Para un espesor dado, la porosidad depende del grado de u niformidad que tenga el recubrimiento. En los recubrimientos sobre el hierro, la porosidad se descubre mediante un método llamado ferroxil, que consiste en someter a la superficie del metal a l a acción d e una disolución de cloruro sódico y ferricianuro. L a s zonas en donde existen poros o fallos en el recubrimiento adquieren pronto un color azul por la reacción del ferricianuro con el hierro. En materiales que van a estar expuestos a la fricción, una cualidad deseable es que tengan la mayor dureza posible, con el fin d e minimizar su desgaste y, por tanto, hacer más duradera su acción protectora. Las distintas cualidades de un recubrimiento no deben procurarse separadamente ya que, en ocasiones, la mejora de una de ellas puede repercutir negativamente sobre otra . Es, por tanto, fundamental determinar las características del servicio a que estará sometido, con el fin d e elegir adecuadamente las cualidades necesarias.

6.5.

L I M P I EZA DE LAS M U ESTRAS TRAS EL E NSAYO

Frecuentemente es necesario separar los productos d e corrosión de las muestras después de la exposición para permitir una valoración satisfactoria de la corrosión producida. Con algunos métodos la separación debe ser completa, por ejemplo cuando . se trata d e determinar la pérdida de peso, mientras que en otros se permite una separación menos eficiente, por ejemplo cuando se trata de exámenes macroscópicos o microscópicos de los productos.

Manual básico de corrosión para ingenieros

Cuando por estos medios no se logra la separación del producto debe recurrirse a métodos químicos o electroquímicos. Aún así, g eneralmente, es necesario frotar con un paño humedecido o con un cepillo con agua después del proceso. A veces, con el fin de acelerar l a separación; es conveniente frotar periódicamente la muestra durante la aplicación del tratamiento, en especial cuando éste desprende más que disuelve los productos de la corrosión. Generalmente, en el tratamiento químico se usa alguna sustancia en la que sean solubles los productos de la corrosión. Este procedi miento requiere, a veces, la utilización de inhibidores que minimicen el ataque que pueda causar el disolvente sobre el metal. Mediante el tratamiento electroquímico el ataque posterior se puede evitar o minimizar haciendo que el metal actúe catódicamente. Además, también suelen usarse inhibidores que previenen la aparición d e pilas locales en el metal. La separación catódica puede lograrse conectando la m uestra a un metal menos noble inmerso en la misma solución, o también aplicando una diferencia de potencial apropiada entre la muestra y otro electrodo en la misma solución hasta conseguir que toda la superficie del metal a limpiar se polarice catódicamente. Con el tratamiento catódico, especialmente cuando se utiliza una fuente de corriente externa, e l desprendimiento de hidrógeno en la superficie del metal catódico tiende a desprender los productos de la corrosión. Cualquiera q ue sea el método de limpieza usado, el periodo de tratamiento debe ser lo más corto posible para minimizar el ataque al metal. Cuando se trata de muestras pintadas se debe quitar la pintura antes d e intentar separar l o s productos de corrosión d e la superficie del metal. Para ello se ablanda la pintura por medio de una mezcla de solventes orgánicos apropiados (generalmente, 50% benceno + 30% acetona + 1 0% alcohol + 1 0 % éter), cloruro de metileno o algún disolvente comercial. Generalmente, tras unos minutos de aplicación del disolvente se puede eliminar la pintura, ya ablandada, utilizando un raspador suave. Cuando se trate d e hierro o é cero puede ser suficiente, para ablandar la pintura, las disoluciones de NaOH que se emplean corrientemente para separar los productos de la corrosión.

En la mayoría de los casos, todo o casi todo el producto de la corrosión puede separase por medios mecánicos, frotando el metal con una carda 0 un cepillo de cerdas suficientemente rígidas.

1 22

123

Ensayos de corrosión

6.6.

VALORACIÓN DE LOS E N SAYOS

6.6. 1 .

VALORACI Ó N D E LOS EFECTOS SOBRE EL METAL.

Existen diversos métodos o técnicas para averiguar los efectos de un determinado ensayo sobre el metal sometido a prueba. Todos los efectos que un ensayo produce sobre el metal no pueden ser observados, medidos o valorados íntegramente mediante un sólo tipo de examen o medida. Por el contrario, las características de cada uno de estos méto�os determinan la o las magnitudes que podrán valorarse en cada caso. No puede decirse que existan, esencialmente, unos métodos de análisis mejores y otros peores. La elección del método a utilizar viene condicionada por diversos factores, el más importante d e los cuales es, justamente, el tipo de información que se precisa obtener. Entre estos métodos de análisis o técnicas de examen de evaluación de efectos de un ensayo pueden destacarse los siguientes: •

Examen macroscópico y microscópico.

•

Métodos gravimétricos.

•

Rayos X .

•

Difracción d e electrones.

•

Análisis de propiedades mecánicas.

•

Verificación de propiedades eléctricas.

•

Análisis de las propiedades ópticas.

•

Otros métodos físicos.

•

Examen del deterioro de la apariencia.

Seguidamente s e explica brevemente cada una de estas técnicas.

1

Manual básico de corrosión para ingenieros

Métodos qravimétricos

Tienen por finalidad medir la ganancia o pérdida de peso de la probeta. La determinación de la ganancia de peso es más útil y apropiada cuando la muestra retiene todos sus productos de corrosión y no está contaminada por materias extrañas. Estas condiciones pueden alcanzarse cuando se exponen a atmósferas limpias metales muy resistentes. Cuando el producto de la corrosión es adhesivo, uniforme y de composición constante, el método de incremento de peso permite determinaciones periódicas exactas sobre la misma muestra para obtener las curvas corrosión/tiempo. Con metales polivalentes puede haber dos o más capas de productos de corrosión de diferentes composiciones y la proporción de estas capas pueden variar mientras dura la exposición. En estos casos, para llegar a una valoración exacta es necesario analizar los productos de corrosión, siendo de exactitud dudosa las determinaciones periódicas efectuadas sobre la misma muestra. Los análisis para la determinación de la pérdida de peso suelen ser más frecuentes que los de determinación de la ganancia de peso. Cuando para determinar la pérdida de peso es necesario limpiar la muestra después de la exposición la exactitud de las medidas es inferior. Los errores más frecuentes que se cometen al determinar la pérdida de peso, cuando hay que recurrir a la limpieza de la muestra, pueden deberse básicamente a una o más de las siguientes causas: •

Eliminación incompleta de los productos de corrosión.

•

Desprendimiento de metal base en la operación de limpieza.

•

Ataque del metal base por la solución empleada en limpieza.

la operación de

Examen con rayos X

Es muy útil para observar si se han producido modificaciones estructurales en la superficie de la probeta durante el ensayo, sobre todo cuando se compara con las de otra probeta de referencia.

Junto con la microscopía, se utiliza para averiguar la profundidad del ataque. Tiene especial interés cuando se trata de un proceso corrosivo por ataque local, principalmente picaduras, por permitir una valoración bastante precisa de la dimensión del daño producido, basándose en las diferencias en los niveles de absorción que experimenta la radiación electromagnética, emitida por cierta fuente de energía, al atravesar el medio en examen.

El aspecto superficial que adquiere el producto formado también ofrece datos significativos acerca de la forma de corrosión que se ha producido. El examen macroscópico y microscópico también puede poner en evidencia la importancia de algunos factores implicados en el proceso .

Los rayos X son una forma de radiación electromagnética, con una longitud de onda menor que la luz visible, que se produce al bombardear un blanco (generalmente de wolframio) con electrones de alta velocida d . El elemento a. inspeccionar debe, por tanto, interponerse entre la fuente emisora de la radiación

Examen macroscópico y microscópico

. 1 24

Ensayos de corrosión

Manual básico de corrosión para ingenieros

y la placa radiográfica. Como consecuencia de esto, uno de los inconvenientes de esta técnica es que deben ser accesible las dos caras del elemento, lo que puede ser una limitación importante. Otro inconveniente es que para obtener una dimensión real del daño sobre la pieza debe radiografiarse ésta en dos direcciones, preferiblemente perpendiculares entre sí, ya que una sola imagen sólo representa una proyección plana. Sin embargo, en la mayoria de los casos, esto suele ser suficiente para realizar un diagnóstico preciso y estimar correctamente el alcance del problema.

Difracción de electrones

Los análisis de películas superficiales por difracción electrónica se pueden llevar a cabo por dos procedimientos: •

Por transmisión a través de películas aisladas, preferentemente en espesores del orden de 1 a 3 g/cm 2 .

•

Por reflexión de la muestra aislada.

Las imágenes d e difracción electrónica pueden proporcionar. información sobre la identidad d e la película y el tamaño y la orientación de los cristales constituyentes, pero generalmente no sobre el grosor de la misma. Otro medio muy útil para la investigación de la corrosión es la realización d e microanálisis por medio de sonda electrónica.

Análisis de las propiedades mecánicas

Verificación de las propiedades eléctricas

La reducción de la conductividad eléctrica de los metales con la corrosión es un hecho contrastado y de gran repercusión práctica . El aumento de la resistencia eléctrica medido en la muestra sometida a ensayo es debido a dos causas: •

La conductividad de los productos de la corrosión es menor que la del metal base.

•

La pérdida de metal base se traduce en una disminución de la sección real del mismo.

Análisis de las propiedades ópticas

La medición de los cambios producidos en las propiedades ópticas de la muestra, se limita principalmente a los efectos de corrosión superficial. Los métodos d e análisis de las propiedades ópticas presentan la ventaja de ser no destructivos, por lo que se pueden hacer mediciones sucesivas sobre la misma muestra sin afectar al proceso en ensayo. La práctica más común es medir la reflexión d e un determinado haz d e luz incidente sobre la muestra.

Las propiedades mecánicas que más interés suelen tener, debido a su i mportancia práctica y relativa facilidad de medición, son el porcentaje d e elongación y la resistencia a la tracción. El principio general que rige los métodos d e determinación de pérdida de las propiedades mecánicas se basa en la comparación de muestras similares corroídas Y no corroídas.

En algunos casos se utiliza la transmisión de luz a través d e películas muy delgadas de metales para seguir el proceso de empañado de los metales, ya que la película de los productos de oxidación es más transparente que el metal original. El máximo grosor de metal capaz de transmitir la luz en niveles que puedan medirse se sitúa en torno a 0 , 1 µm.

La elongación se ve fácilmente afectada por la corrosión, especialmente la de tipo localizado.

Por otra parte, tampoco conviene que la película sea excesivamente delgada, ya que en ese caso el fenómeno más relevante es la reflexión, resultando complicada la interpretación d e los cambios en la transmisividad. El grosor mínimo para la medida de la transmisividad no debe ser inferior a 0,03 micrómetros.

..

La pérdida de resistencia a la tracción no comienza a hacerse patente hasta después de cierto tiempo de exposición. Generalmente la pérdida de resistencia a la tracción se detecta después que la pérdida de elongación. Un método útil, no destructivo, para obtener información cuantitativa sobre el efecto que puede tener la corrosión sobre las propiedades mecánicas, es la medición de la variación del módulo de elasticidad del material.

.

En genera l , los metales dúctiles fallan en el servicio más por fatiga que por simple tensión. Algunos autores consideran como causa principal del fallo por fatiga las picaduras de corrosión, por lo que también tienen interés los ensayos de resistencia a la fatiga de las probetas sometidas a ensayo de corrosión.

1 26

Otros métodos físicos

Se utilizan generalmente para descubrir la presencia de grietas por efecto combinado de fatiga-corrosión o corrosión bajo tensión. También se utilizan para 1 27

Ensayos de corrosión

valorar la localización y la dimensión del daño producido por un ataque corrosivo localizado. Los métodos físicos más usuales, para la determinación de defectos s uperficiales son: •

Líquidos penetrantes

•

Partículas magnéticas

•

Corrientes inducidas

•

Ultrasonidos

•

Radiografia (Rayos X y gamma)

Mediante ultrasonidos es posible realizar mediciones sobre el propio material en servicio. Respecto de la radiografía, como se sabe, cuando se hace incidir una radiación (X o gamma) sobre un meta l , una parte de ésta lo atraviesa completamente, otra parte es desviada y el resto es reflejada. La proporción de cada una de estas partes depende del grosor del material , de su densidad y de las características del producto de corrosión formado.

Manual basico de corrosión para ingenieros

•

Determinación del pH

•

Métodos indicadores

•

Mediciones electroquímicas

A continuación se resumen brevemente estos métodos.

Mediciones gasométricas

La corrosión de los metales, bajo condiciones de humedad, lleva impl ícito el desprendimiento de hidrógeno, la absorción de oxígeno o ambas cosas a la vez. El método consiste en la medida de la concentración de estos elementos, lo que, además, proporciona de forma indirecta información acerca d e la velocidad del proceso corrosivo. La ventaja del método gasométrico es que pueden hacerse mediciones periódicas con una exactitud considerable sin que se vea afectada la muestra, y sin ninguna perturbación grave sobre el proceso corrosivo que se está produciendo en el ensayo. Las características enunciadas hacen que las mediciones gasométricas sean particularmente apropiadas para determinar las curvas corrosión/tiempo.

Examen del deterioro de la apariencia

Tiene interés para recabar información de tipo cualitativo sobre los efectos visibles de la corrosión en la superficie del material. Son particularmente importantes en el acabado de las piezas, ya que el deterioro de su aspecto, como consecuencia de la corrosión, puede afectar negativamente a su mercado.

VALORACI Ó N D E LOS EFECTOS SOBRE EL MEDIO.

6.6.2.

Tiene gran importancia cuando se trata de medios cerrados, tales como depósitos, conducciones, calderas, espacios reducidos, etc., en los que los que el proceso corrosivo puede afectar a ciertas características del medio, como su composición, conductividad, presencia d e agentes _.tóxicos o nocivos para el medio, aparición de partículas o depósitos sólidos, etc. Los métodos de valoración del medio comúnmente empleados son:

1 28

•

Mediciones gasométricas.

•

Métodos anal íticos.

•

Polarografía.

Métodos analíticos

Generalmente es conveniente observar e l color, naturaleza, condición y forma de los productos de corrosión como paso previo a cualquier otro tipo de técnica de valoración. Cuando la información sobre los efectos d e la corrosión es i nadecuada, insuficiente o imprecisa, en particular cuando se examina el metal corroído en servicio, puede obtenerse más y mejor información sobre las causas de la corrosión por medio de análisis químicos cualitativos del producto d e la corrosión o del medio. En algunos casos, especialmente cuando la superficie del metal está levemente corroída o muestra únicamente manchas. se necesitará aplicar técnicas de a nálisis microqu ímico. La valoración cuantitativa de la corrosión por medio de análisis químicos puede hacerse determinando el contenido del metal, del producto de corrosión, o de ambos, en el medio, o también, determinando la variación de concentración de un constituyente del medio que sea esencial para el proceso de corrosión.

• •

V Manual básico de corrosión para ingenieros

Ensayos de corrosión

Polaroqrafía

Se utiliza tanto para detectar el a umento de la concentración de iones del metal como la disminución de los constituyentes corrosivos, tales como C02, oxigeno o productos de reacción intermedios ( H 20 2 ), en el medio. Las aplicaciones más frecuentes de la polarografía para estos fines se concentran en la determinación continua de oxígeno en el medio, la determinación del hierro soluble y la determinación del pH del agua. Se trata de una técnica rápida y sencilla que, no obstante. necesita el contacto del medio corrosivo con un ánodo y un cátodo de mercurio, lo que puede a fectar negativamente al proceso o a los efectos de la corrosión de algunos metales.

Determinación del PH

Algunos investigadores proponen la observación de la velocidad de a umento del pH como medida de la corrosión de los metales y también del comienzo de la variación del pH como indicación del fallo de la pel icula protectora de un metal.

Mediciones e/ectroquimicas

Se utilizan distintos métodos, algunos de los cuales son: •

Medidas de intensidad.

•

Medidas de potencial de metales puros y sus aleaciones dentro de una amplia variedad de disoluciones y a distintas temperaturas.

•

Curvas de polarización

•

Corrientes dispersas o vagabundas.

•

Conductividad del medio.

•

Sondas Redox, utilizadas para determinar las condiciones de oxidación en suelos y dictaminar si el terreno es favorable o no al desarrollo de bacterias anaerobias que aceleren la corrosión del acero. Si se halla que el pH está entre el 5,5 y el 8,5 debe considerarse posible la corrosión bioiógica.

La calificación del terreno, atendiendo al potencial medido por la sonda se puede realizar siguiendo l a tabla 6. 1 .

Tabla 6 . 1 .

Métodos indicadores

Se trata de sistemas de identificación de puntos anódicos durante la corrosión que consisten en poner la muestra en gelatina conteniendo un corrosivo apropiado y un indicador de pH. El procedimiento general consiste en: 1.

Pulverizar sobre la muestra una capa de una solución que contiene un 1 0% de gelatina pura y un agente corrosivo del metal.

2.

Dejar transcurrir varias horas d e ataque

3.

Volver a pulverizar sobre la muestra una solución de un indicador universal.

4.

Todas las áreas en las que se produzca inmediatamente la coloración correspondiente a los valores más bajos del pH se consideran anódicas.

E

( m V)

RIESGO DE C O R R O S I Ó N ANAEROBIA

< 1 00

G rave

1 00-200

Moderada

200-400

Ligera

>400

Ninguna

Además del procedimiento descrito, existen otros para diferentes metales o aleaciones. aunque el esquema metodológico general es el que se ha expuesto.

1 30

131

----------- (

Manual básico de corrosión para ingenieros

CAPÍTUL0 . 7

Técn icas d e i n s pección d e m ate ria les

71 .

I NTRO D U C C I Ó N

.

7.1 . 1 .

G ENERALIDADES

Existe un gran número de razones, de muy diversa indole, que justifican la realización de distintos ensayos para inspeccionar el estado de los materiales. Algunas de éstas son: Análisis y mejora de las características de diseño de elementos mecánicos. Inspecciones encuadradas en rutinas de mantenimiento preventivo. Recepción y puesta en marcha de nuevos equipos o instalaciones. Controles de calidad d e materiales. Determinación de las causas de un fallo o de responsabilidades. C omprobación del resultado de los tratamientos térmicos. Desarrollo de nuevos materiales. En general , los distintos métodos de inspección d e materiales tienen la finalidad de descubrir, localizar y evaluar los defectos en la superficie o en el interior de los mismos. Desde el punto de vista del control del estado de elementos o equipos mecánicos, interesa que los ensayos dejen inalteradas las piezas sometidas a examen, es decir, realizar pruebas o ensayos no destructivos (ENDs).

Técnicas de inspección de materiales

Manual básico de corrosión para ingenieros

Otras veces, con el fin de obtener determinada información, es inevitable deteriorar la muestra del material examinado mediante ensayos destructivos, como es el caso de los ensayos para determinar ciertas propiedades mecánicas, tales como los ensayos de: dureza, tracción, fluencia, compresión, pandeo, torsión, flexión estática, conformación (plegado, forja, corte, punzonado, etc.), fatiga, desgaste, resiliencia, etc. También algunos ensayos para determinar las requieren obtener una muestra del mismo, con adecuadamente en los equipos de análisis. Es composición, inspecciones al microscopio, térmicamente criticos o los e n sayos metalográficos.

características de un material el fin d e poder manipularlo el caso de los análisis de determinación d e puntos

Conviene indicar, no obstante, que en la mayoría de los ENDs, si bien no resulta deteriorada la pieza o la muestra a examen, es preciso que se cumplan algunas condiciones para que el ensayo pueda llevarse a cabo. En particular, que el elemento afectado s e encuentre fuera d e servicio y, normalmente, efectuar una limpieza y/o preparación previa a la prueba. Esto supone una limitación importante para el control de muchas piezas o equipos de servicio ininterrumpido.

7 . 1 .2. CLASI F I CACIÓN Como se comentó anteriormente, los ENDs se emplean, en general, para inspeccionar piezas terminadas y, a veces, en servicio, por lo que es indispensable no producir ningún deterioro en las mismas. Existe una gran variedad de tipos de ENDs, sin embargo, los de uso más extendido en la industria son los siguientes: Inspección . visual

7.2.

I N S P E C C I Ó N VIS UAL

7.2. 1 .

EXAMEN D I RECTO

Esta técnica de verificación es, en primera instancia, la más simple de cuantas es posible utilizar. No obstante, merced a la sofisticada instrumentación disponible actualmente, puede hacerse tan complej a , o más, que cualquiera otra. Sus formas de aplicación abarcan desde el simple examen visual directo, o con ayuda de lupas, de las piezas en estudio, hasta la utilización de complejos sistemas endoscópicos. En ocasiones, la inspección visual se realiza con la ayuda de fuentes especiales de l uz, como es el caso de las lámparas estroboscópicas o la utilización de fuentes de alta intensidad luminosa que, con una orientación y color de luz adecuado, pueden poner en evidencia fallos del material que a simple vista y luz natural no son perceptibles. El uso de lámparas estroboscópicas es necesario, en equipos dinámicos, cuando se pretende examinar alguna circunstancia que sólo se presenta durante el servicio, es decir, con el equipo en movimiento. Tal es el caso de defectos en el material como: fatiga por vibración, desgaste o corrosión por fricción, desgaste o craterización por microarco eléctrico, aumentos d e temperatura hasta el rojo en elementos móviles (rodamientos, embarrados de máquinas, conexiones eléctricas, etc.). Las posibilidades de detección de esta técnica se limitan, obviamente, a aquellos defectos que son visibles, tales como grietas, poros, desgaste, cavilación, decoloraciones, corrosión, etc. Los inconvenientes más importantes de esta técnica son:

Ensayo mediante líquidos penetrantes

La falta de accesibilidad de muchos elementos del equipo en examen.

Ensayos magnéticos Ensayos de inducción electromagnética

La necesidad, en muchas ocasiones, de interrumpir el servicio del equipo a examinar.

Métodos radiográficos

A menudo, el desmontaje total o parcial del equipo en estudio.

I nspección por ultrasonidos

Sólo permite observar defectos superficiales, pasando inadvertidos los fallos internos del material, o bien aquellos que quedan ocultos por la pintura, el óxido o la suciedad.

Conviene insistir en el hecho de que la relación de ensayos no destructivos podría ser mucho más extensa, sin embargo, el campo de aplicación de muchos d e estos otros ensayos es bastante restringido, y suelen tener una metodología fue rtemente orientada hacia la aplicación.

Pese a su simplicidad, escaso coste y facilidad de aplicación, esta técnica no debe, en modo alguno, infravalorarse, ya que son numerosos los casos en los que el origen del fallo de un equipo sólo es descubierto tras realizar un minucioso examen visual de las "huellas" del mismo en los materiales. Sin embargo, salvo para aquellos fallos del equipo que resultan evidentes, la utilización de esta técnica, como herramienta de diagnosis, requiere una gran

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1 35

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experiencia, ya que, por un lado, es preciso conocer las relaciones causa-efecto entre algunas evidencias y su posible origen y, por otro lado, resulta frecuente que pequeños indicios del fallo pasen desapercibidos al examinar el estado de los materiales. En determinados equipos, en los que los tiempos de parada han de ser breves, es imposible realizar el desmontaje d e las piezas para su examen visual. Como sucede, generalmente, en las grandes turbomáquinas. En estos casos está económicamente justificada la utilización de sistemas de inspección endoscópicos, Un sistema endoscópico industrial está formado, básicamente, por una microcámara de vídeo con una fuente l uminosa incorporada, situadas en el extremo de un tubo flexible, que se introduce en aquellas zonas interiores d e un equipo que, de otro modo, sólo podrían verse tras un laborioso desmontaje. La imagen captada por la cámara es enviada a un receptor de vídeo en el que, mediante un monitor, puede examinarse y realizar su grabación.

7.2.2.

Figura 7.1 . Fisura subsuperficial produ­ cida por fatiga en la pista de

rodadura de un rodamiento.

MICROSCOPÍA

Dentro de la inspección visual, conviene comentar brevemente algunas generalidades acerca d e la microscopía que, si bien no es una técnica de verificación directa de la pieza, constituye una herramienta imprescindible para visualizar la microestructura del material, con el fin de descubrir e identificar sus características y la existencia de posibles defectos. La inspección mediante microscopio, ya sea óptico o electrónico, aunque es esencialmente un ensayo no destructivo, no puede ser aplicada directamente sobre la pieza a estudiar, sino que requiere extraer unas muestras del material, d e dimensiones y preparación adecuadas, para su observación en el instrumento. Por tanto, la mayoría de las veces, es necesario seccionar una porción de la pieza a examinar. En general, es suficiente con la microscopía óptica para detectar la mayoría de los defectos macrográficos en los materiales. Otras veces, el nivel de detalle requerido en la inspección (a veces superior a 1 00.000 aumentos), exige la utilización de microscopios electrónicos, que ofrecen unas posibilidades de aumento de imagen muy superiores a los primeros. E n las figuras 7 . 1 a 7.3 se muestran unas imágenes de m icroscopio de secciones efectuadas a diferentes rodamientos en las que pued e n apreciarse defectos producidos por la fatiga del material (figs. 7 . 1 y 7 .2) y la rugosidad natural de una superficie aparentemente lisa (fig. 7.3).

1 36

Fig ura 7.2. Exfoliación producida por la propagación de una fisura sub­ superficial hacia la superficie.

Figura 7.3. I magen ampliada ( 1 00.000x) de la superficie de rodadura d e un rodamiento nuevo.

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La preparación de las muestras del material a examen se realiza en diferentes operaciones que tienen como finalidad, por una parte, adaptar sus dimensiones al plato del microscopio y, por otra parte, poner al descubierto su mícroestructura.

La superficie de la pastilla debe ser, por tanto, sometida a las operaciones de lijado (con papeles de lija d e distinta densidad y tamaño de abrasivo) y pulido (con -una suspensión d e partículas abrasivas, normalmente alúmina, en un líquido) hasta conseguir una superfi cie de reflejo especular (figura 7.4).

La secuencia de operaciones que, normalmente, suele realizarse es la siguiente: 1)

Obtención de la muestra.

En primer lugar, es necesario obtener una muestra, de dimensiones ad.ecuadas, del material de la pieza en cuestión. Es muy importante realizar esta operación de manera que ria se altere ni dañe la estructura del material a examinar, por lo que deberá vigilarse la temperatura alcanzada (sí se efectúa por corte), las deformaciones producidas o la i nclusión de impurezas. 2)

Empastil/ado.

En muchos casos, una vez que se tiene una muestra de tamaño requerido, es preciso realizar su empastillado, con el fin de facilitar su manejo durante la i nspección, a la vez que se protege de posi bles agentes contaminantes o corrosivos.

Fig ura 7.4. Restos de alúmina observados con un microscopio electrónico. 5)

El tipo de material para empastillar no debe elegirse arbitrariamente, sino que deben tenerse en cuenta tanto los aspectos de conservación y protección de la muestra, como las características del examen a realizar, tales como: atacado, temperatura, conductividad eléctrica, transparencia, estabilidad, etc.

La última operación a realizar para la preparación de las muestras es el ataque con reactivos. El objetivo del ataque es hacer visibles los bordes de grano y los distintos constituyentes estructurales de la aleación. El reactivo actúa atacando las impurezas de los bordes de grano, creando unos surcos que los delimitan, y atacando de distinta forma a los constituyentes (ya sea atacando a unos más que a otros, precipitándose sobre algunos de ellos o coloreándolos), de modo que puedan distinguirse.

Los materiales más utilizados para empastíllar son resinas termoplásticas (metil metacrilato, polívinilo de cloruro y políestireno) y resinas termoestables (acrilicos, poliesteres y resinas epoxi). 3)

También pueden realizarse observaciones sin haber atacado con reactivos la superficie d e la muestra. De esta forma puede ponerse de manifiesto alguna característica específica del material, tal como la presencia de inclusiones no metálicas o grietas.

Etiquetado.

Cuando se obtienen varías muestras del material, lo que suele ser frecuente, es necesario proceder a su etiquetado, con el fin de identificarlas. Si el empastíllado es transparente, se puede incluir u n a pequeña etiqueta identificativa en la propia pastilla. 4)

Preparación de Ja superficie.

Generalmente, el procedimiento por el cual se extrajo la m uestra del material a examinar no deja la sección del mismo apta para una visualización idónea. Por ello es necesario preparar la superficie de la muestra para poner en evidencia su estructura metalográfica, y dejarla perfectamente lisa.

1 38

Ataque con reactivos.

6)

Recubrimiento.

Cuando se utiliza el microscopio electrónico de barrido (MES), después del atacado e s conveniente recubrir la pastilla con una delgadísima capa de material conductor. Esto es necesario porque los materiales aislantes, como los que se utilizan para realizar el empastillado, se comportan como una región de carga electrostática, por acumulación de electrones, que desvían el haz de electrones incidente, haciendo que la imagen se distorsione.

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La capa de recubrimiento debe ser suficiente para proveer una pista conductora a los electrones, pero lo más fina posible con el fin de que no enmascare los detalles de la superficie del material a examinar. Su espesor, que depende de la rugosidad superficial de la muestra, suele estar comprendido entre 0 , 5 y 1 0 nm.

Mojabilidad.

Determina el poder de penetración del l iquido. Aunque es una caracteristica de cada l iquido, depende también del tipo d e material sobre el que se aplique el l íquido. Tensión superficial.

Los recubrimientos utilizados son los d e grafito, oro, platino, paladio, plata, cobre o aluminio, aunque por razones económicas y por s u facilidad d e aplicación el grafito es el recubrimiento más frecuente.

Es una característica intrínseca de cada l iquido. Junto con la mojabilidad determina el poder de penetración del l iquido en cuestión. Viscosidad.

7.3.

LÍQUIDOS P E N ETRANTES

7 . 3. 1 .

GENERALI DADES

La técnica de inspección de materiales mediante líquidos penetrantes es un END que se aplica en la detección d e discontinuidades superficiales, principalmente grietas, en cualquier tipo d e material, con la salvedad d e aquellos que son muy porosos. Originalmente, en esta técnica, se utilizaba petróleo o aceite y cal. Primeramente se empapaba o sumergía la pieza a examinar en aceite para que se introdujera en los agujeros o grietas superficiales. Transcurrido cierto tiempo se limpiaba y secaba la superficie de la pieza. Por último se espolvoreaba o pintaba con cal , revelándose las fisuras por las marcas producidas en su superficie con el aceite exudado.

Influye, de forma decisiva, en la velocidad de entrada del liquido en las discontinuidades superficiales. A mayor viscosidad, mayor es el tiempo necesario para que el l iquido se introduzca en los poros y fisuras. Además de los materiales porosos, tampoco tiene utilidad aplicar esta técnica a materiales con una gran rugosidad superficial, salvo que se efectúe un pulido d e la superficie, operación que no siempre es posible realizar. Por su bajo coste y facilidad de aplicación, el uso de esta técnica está ampliamente extendido.

7. 3.2.

PROCED I M I ENTO

Cualquiera de los procedimientos existentes consta d e las siguientes etapas: 1 º)

Limpieza de las superficies.

E n la actualidad existen distintos procedimientos, algunos de ellos patentados, que, con el mismo fundamento del método precursor, suponen una mejora sustancial de aquel.

El proceso comienza limpiando concienzudamente la superficie del material a ser estudiado. Esta superficie debe quedar libre d e cualquier revestimiento o pintura.

Básicamente, todos los procedimientos existentes consisten en l a aplicación d e l íquidos o tinturas especiales sobre la superficie a inspeccionar, dejar que éstos penetren en los defectos superficiales (de ahí el nombre que recibe esta técnica), y comprobar posteriormente las huellas que deja sobre una superficie auxiliar de contacto.

E n ocasiones conviene tratar la superficie a limpiar con u na solución acuosa de ácido clorh ídrico al 50%, a una temperatura de unos 30º, durante aproximadamente 10 o 1 5 minutos.

El fundamento físico-qu imico de esta técnica reside en el hecho de que el liquido penetrante se introduce en las grietas, y posteriormente se extrae de las mismas por efecto de la capilaridad. La capilaridad es una propiedad de los líquidos que depende de los siguientes factores:

1 40

E n todos los casos, una vez que se ha l impiado la superfici e , conviene esperar un tiempo prudencial para dar tiempo a que ésta se seque.

2º )

Aplicación del líquido penetrante.

El siguiente paso es la aplicación de una capa uniforme del l íquido penetrante, ya sea visible o ultravioleta. Los métodos más usados son la pulverización, pintado o inmersión. 3°)

Espera.

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Una vez hecho esto, debe dejarse transcurrir un tiempo, llamado tiempo de penetración, para que el l iquido penetre, por capilaridad, en las

discontinuidades que existan en la superficie. Dado un líquido, el tiempo de penetración depende del tamaño de las discontinuidades, el tipo de material en ensayo y de la temperatura . 4°)

Eliminación del líquido superficial.

Transcurrido el tiempo pertinente, debe eliminarse todo el l íquido que no ha penetrado en las discontinuidades de la superficie a inspeccionar. Esta operación puede llevarse a cabo de distintas formas, en función del carácter del l íquido penetrante empleado, pudiendo utilizarse simplemente agua o disolventes especiales. La limpieza debe real izarse prestando especial atención en no disolver o eliminar también el l iquido que haya penetrado en las discontinuidades.

F i g u ra 7.5. I nspección mediante l íquidos penetrantes.

Al igual que en la operación de limpieza superficial, aqu í también es necesario que la superficie quede al final completamente seca. 5°)

Aplicación del revelador.

Cuando la superficie se encuentra seca y libre de cualquier resto de tintura, se recubre con un producto muy absorbente, que suele denominarse revelador, el cual extrae el líquido penetrante que se había introducido dentro de las fisuras o poros de dicha superficie, y que no pueden ser eliminadas mediante la simple limpieza efectuada en la etapa anterior. 6° )

Examen.

Transcurrido un tiempo prudencial desde la aplicación del revelador, el examen de las huellas, que el líquido penetrante deja sobre el mismo, indica la ubicación de las discontinuidades o los fallos del material inspeccionado.

Fig ura 7 .6. Las marcas del líquido penetrante sobre el revelador delatan la posición de las grietas.

La inspección y evaluación de las huellas puede efectuarse bajo luz n atural, si se trata d e penetrantes con colores visibles, o bajo algún tipo de l uz especial, como luz negra, cuando se trata de l íquidos penetrantes fluorescentes o ultravioletas. En las figuras 7.5, 7.6 y 7.7 se observan las marcas (tonalidades oscuras sobre fondo claro) dejadas por un líquido penetrante de color rojizo sobre un revelador blanco. Las imágenes recogen los resultados de una inspección rutinaria de mantenimiento preventivo sobre el diafragma de una turbina de vapor. En la figura 7.5 puede verse la extensión del desgaste sufrido. E n la figura 7.6 la localización de las g rietas encontradas, principalmente producidas por un efecto combinado de corrosión-fatiga. Por último, en la figura 7 . 7 , puede observarse el aspecto que presenta una de las grietas detectadas.

142

Fig ura 7.7. Detalle de una grieta.

1 43

Técnicas de inspección de materiales

7.3.3.

CARACTERÍSTI CAS DE LOS L Í QUIDOS P E N ETRANTES

La característica esencial de cualquier l íquido penetrante es su capilaridad, d e modo que tenga una gran facilidad para introducirse en el interior de las discontinuidades superficiales, aun siendo muy pequeñas. Además de esto, los l íquidos penetrantes deben reunir otras características que hagan posible su utilización en este tipo de ensayos. Las más i mportantes son: Estabilidad térmica en un amplio margen de temperaturas.

·11 1 1

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2)

Líquidos penetrantes fluorescentes. Incorporan en su composición unos pigmentos fluorescentes, por lo que sólo se hacen visibles en una cámara oscura, bajo .la acción de una luz negra. Proporcionan un contraste y una definición mayor que los l íquidos penetrantes coloreados, pero tienen una menor autonomía. Hay tres tipos: autoemulsionables (se eliminan directamente con agua), postemulsionables (necesitan de un emulsificador para eliminar el exceso de líquido) y fluorescentes en medio acuoso.

No evaporarse o secarse demasiado rápidamente. Facilidad de limpieza , con el fin de poder extraer la capa superficial sin dejar residuos que resulten engañosos posteriormente. Dificultad para salir de las discontinuidades por s í mismo o en la operación d e limpieza.

Los reveladores son los agentes que ponen de manifiesto los lugares donde se ha retenido penetrante por la existencia de una discontinuidad. Las funciones de un revelador son: Extraer el l iquido penetrante de las discontinuidades.

Tener un color o fluorescencia que contraste bien con el fondo del revelador.

Proporcionar una base sólida sobre la que el penetrante pueda delatar la presencia de la discontinuidad.

Conservar el color o fluorescencia durante el mayor tiempo posible.

Proporcionar una buena definición de los contornos de las huellas.

Ser qu ímicamente i nerte respecto a l material sometido a ensayo.

Formar una capa continua y fina que cubra por completo la superficie a examinar.

No ser inflamable.

Tener el fondo adecuado para que contraste el color del penetrante.

Preferiblemente, n o tener un olor intenso o desagradable.

Ser estable frente al l íquido penetrante y frente al medio, en un margen suficiente de temperaturas, de modo que las huellas permanezcan inalteradas el mayor tiempo posible.

No ser demasiado costoso.

Ser fácilmente aplicable y eliminable.

Ser estable frente a las condiciones d e uso o almacenamiento

Dado que no existe una única sustancia que reúna todas las características reseñadas, los líquidos penetrantes comerciales son mezclas de diversas sustancias que contribuyen a conseguir la totalidad de las propiedades requeridas. Los líquidos penetrantes que se utilizan en la actualidad se pueden clasificar en dos grupos: Líquidos penetrantes coloreados. Están constituidos por mezcla de pigmentos, por lo general d e color rojo, disueltos en los disolventes apropiados. Son de tipo orgánico y presentan la ventaja de que no se necesita una fuente luminosa especial para su observación.

1AA

CARACTERÍSTICAS D E LOS REVELADORES

Emerger rápidamente al aplicar el revelador.

No ser tóxico.

1)

7.3.4.

No ser demasiado costoso. Los tipos más comunes de reveladores son : Pliegos absorbentes de contacto. Reveladores de polvos secos. Suspensiones de polvo en agua. Disoluciones acuosas. Suspensiones de polvo en disolventes. Algunos materiales de contacto utilizados como reveladores, una vez secos, forman una pel ícula que puede separarse de la pieza, registrando sobre su

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superficie las huellas de los defectos. Tal es el caso de ciertos barnices que, una vez secos, pueden despegarse de la superficie d e la pieza en forma d e película. La ventaja de estos materiales, cuando el barniz es suficientemente transparente, es que, además de permitir el almacenamiento de las pruebas gráficas del ensayo, sirven como negativos fotográficos, reproduciendo exactamente la forma , posición y magnitud de los defectos.

Observó que si la dirección del campo magnético coincide con la dirección de la grieta, ésta, con gran probabilidad, no será detectada, puesto que las l í neas de campo no se desviarán y, en consecuencia, las partículas se orientarán de forma paralela entre sí (figura 7 . 8 ) .

Aunque en los procedimientos en los que se utiliza una tintura reveladora , suelen guardarse fotografías d e los resultados d e l ensayo, la ventaja de utilizar materiales que pueden despegarse de la superficie, manteniendo la impresión de las huellas, es que: 1 º) Reproducen una imagen de la superficie a escala natural, lo que permite una valoración más exacta de la magnitud de los defectos. 2º) Dejan ver la cara del revelador que ha estado en contacto directo con la superficie, lo que ofrece una imagen más real de la dimensión del defecto.

7 .4.

PARTÍC U LAS MAG N ÉTICAS

7.4. 1 .

I NTRODUCCI Ó N

El principio en el que se basa el ensayo por partículas magnéticas fue descrito por vez primera a principios del siglo XX, por William E. Hoke ( U SA) quien observó cómo las pequeñas partículas producidas durante el rectificado de piezas d e aceros duros tendían, en determinados casos, a formar una especie d e dibujo en forma de red direccional. Hoke hizo d o s observaciones fundamentales: 1 ª) El dibujo de la red sólo aparecía cuando la pieza se rectificaba sujetándola en un plato magnético. 2ª) La d isposición que las partículas adoptaban guardaba relación con las finas grietas del rectificado de la pieza. Estas dos observaciones le permitieron establecer la relación que existía entre el campo magnético y la situación de las grietas superficiales. Posteriormente, D e Forest (USA) profundizó en las observaciones realizadas por Hoke, lo que permitió sentar las bases d e la técnica tal y como hoy d ía la conocemos.

Figura

7.8. Pieza con una grieta en la misma dirección que el campo magnético.

Cuando se hace pasar corriente a través de la pieza a examinar, las l íneas del campo magnético generado serán circulares (imposibles de conseguir mediante imanes permanentes), lo que facilita la detección de grietas en cualquier dirección. ensayo mediante partículas magnéticas permite detectar El discontinuidades e impurezas superficiales, tales como i nclusiones no metálicas, en materiales ferromagnéticos. También pueden detectarse estos defectos cuando se encuentran bajo la superficie. aunque próximos a ésta. La técnica se basa en la distorsión que sufre el campo magnético aplicado a una pieza cuando, en su camino, se interpone alguna discontinuidad. Si d icha discontinuidad (grieta o impureza de baja permeabilidad magnética) en el material ferromagnético supone una barrera a las l íneas de fuerza del campo magnético, se producirá una distorsión en el recorrido de éstas entre los dos polos del imán, de modo que pueda sortearse la discontinuidad, formando lo que se denomina campos de fuga (figura 7.9). Si se extienden sobre l a superficie de la pieza finas partículas ferromagnéticas, éstas se orientarán en la dirección d e las l íneas de fuerza, tendiendo a acumularse sobre los campos de fuga y dejando desiertas las zonas defectuosas, lo que delatará su localización y dimensiones.

En primer lugar comenzó a utilizar electroimanes, en lugar de imanes permanentes.

1 46

147

Técnicas de inspección de materiales

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La tendencia de las partículas a alinearse en la dirección de las líneas de fuerza de los campos de fuga hace indispensable la selección de la forma adecuada de las mismas. Las partículas alargadas presentan una mayor ·polaridad frente a la aparición de pequeños campos de fuga, por lo que son recomendables para la detección de pequeñas discontinuidades. Las partículas redondas presentan una menor sensibilidad para la detección d e defectos pequeños, sin embargo, tienen mayor movilidad, característica muy deseable en la aplicación por vía seca, ya que permite una buena adaptación a la forma de las l íneas de fuerza.

Figura 7.9. Pieza con una grieta en dirección perpendicular al campo magnético.

Existen dos métodos para la aplicación de las partículas magnéticas: a)

7.4.2.

PROCEDIMI ENTO

Se aplican en forma de polvo seco. Suelen ser una mezcla de partículas magnéticas de diferentes tamaños para conseguir una buena sensibilidad del ensayo.

Aunque existen diferentes formas de llevar a cabo el ensayo, todos los métodos tienen en común las siguientes etapas: 1 º)

b)

Magnetizar de la pieza

Como ya se ha comentado, el campo puede conseguirse mediante imanes permanentes o con electroimanes, con los que puede conseguirse una mayor intensidad de campo.

Las partículas se pueden extender mientras la pieza está siendo magnetizada (método continuo) o, por el contrario, cuando éste h a cesado, aprovechando el magnetismo remanente propio de algunos materiales ferromagnéticos. Mientras el primer procedimiento asegura una mayor sensibilidad, el segundo hace posible la aplicación en circunstancias en las que no se pueden simultanear ambas operaciones.

Extender las partículas magnéticas

Una vez magnetizada la pieza, hay que extender sobre la superficie a examinar de la pieza las partículas magnéticas. Es sumamente importante que las partículas sean del material apropiado, que sean pequeñas y de tamaño u niforme, y que no contengan partículas extrañas o impurezas que puedan provocar u na distorsión errónea de la red formada. La elección del tamaño y de la forma de las partículas utilizadas es trascendental a la hora d e realizar e interpretar el ensayo. Partículas muy gruesas necesitarán campos magnéticos elevados y sólo se podrán identificar g randes defectos. Con partículas pequeñas los campos necesarios serán menores y pueden percibirse pequeñas discontinuidades superficiales, sin embargo, pueden inducir a errores por su tendencia a adheri rse sobre la superficie de . la pieza, máxime si ésta e s rugosa.

1 48

Aplicación por vía húmeda. Las partículas se aplican en suspensión en un medio l iquido, generalmente agua o queroseno, lo que permite utilizar tamaños de partículas mucho más finos, consiguiendo, así, aumentar la sensibilidad del ensayo.

Consiste en la aplicación a la pieza de un campo magnético de intensidad suficiente y dirección adecuada.

2°)

Aplicación por vía seca.

3° )

Examinar, interpretar y registrar las indicaciones

La observación de las características de una indicación de las partículas proporciona gran cantidad de información acerca de la forma y dimensiones de la discontinuidad, sin embargo, la identificación del tipo d e discontinuidad y s u origen no siempre es posible y, e n cualquier caso, dependerá d e la destreza y experiencia de la persona que realice el ensayo. Para interpretar una discontinuidad es aconsejable conocer, entre otros factores, los siguientes:

Técnicas de inspección de materiales

•

•

•

•

•

•

4°)

La naturaleza del material ,

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A)

El historial de fabricación de la muestra (forjada , estampada, moldead a , mecanizada, etc.)

La magnetización medi_ante un electroimán se realiza generalmente mediante un yugo magnético. Este dispositivo consiste en un núcleo d e hierro en forma d e U que lleva arrollada una bobina por la que se hace pasar la corriente eléctrica.

Los tratamientos térmicos sufridos, Las heterogeneidades que pueden darse,

E l campo magnético creado es similar al que se consigue mediante un imán permanente, pero con una potencia específica mucho mayor. Por otra parte, su geometría le permite adaptarse mejor a diferentes circunstancias.

Datos experimentales acerca de piezas o materiales similares, Datos acerca de ensayos complementarios, incluso destructivos, que permitan interpretar correctamente indicaciones d udosas.

Desmagnetización

B)

El campo magnético en el interior de la bobina se canalizará a través de la muestra, en dirección paralela al eje de la bobina. C)

DISPOSITIVOS EMPLEADOS

La magnetización de una pieza puede realizarse por distintos procedimientos, en cada caso será preciso emplear un determinado dispositivo. El tipo de dispositivo empleado depende del tipo de magnetización a conseguir, concretamente : de la dirección de las lín eas de campo magnético, de las condiciones operativas, de los medios disponibles y de la sensibilidad requerida. Hay dos procedimientos básicos para magnetizar una pieza : mediante imanes permanentes y magnetización por corriente eléctrica. Cada uno d e ellos tiene sus ventajas e inconvenientes, que pasamos a resumir brevemente. l.

Magnetización mediante imanes permanentes

Tiene un uso bastante restringido, debido principalmente a la baja i ntensidad de magnetización conseguida en relación con el tamaño del imán necesario. Su uso está justificado por razones d e seguridad, por la falta de disponibilidad de energía o accesibilidad d e ésta, o por la carencia de otros medios. 11.

Magnetización longitudinal mediante bobina. El procedimiento empleado consiste en introducir la muestra a ensayar en el interior de una bobina, de manera que se constituya en su núcleo.

Esta etapa no es de obligado cumplimiento en la realización de este tipo de ensayos, aunque es aconsejable con el fin de eliminar el magnetismo remanente en la pieza, especialmente cuando este campo magnético remanente puede afectar al servicio de la pieza o a otros dispositivos próximos.

7.4.3.

Yugo magnético.

Magnetización mediante electrodos de contacto. Consiste en hacer pasar la corriente eléctrica a través de la propia muestra , con la ayuda d e dos electrodos de contacto situados en los extremos de la pieza. La corriente eléctrica genera unas l i neas de campo magnético circulares, en planos perpendiculares a la dirección de la corriente. Con esta técnica se consigue una elevada sensibilidad para detectar las discontinuidades superficiales. Cuando se magnetiza la pieza mediante una corriente eléctrica, puede utilizarse tanto corriente continua (e.e.) corno corriente alterna (e.a . ) , aunque la intensidad, dirección y distribución d e l campo en cada caso n o será la misma. Con e.e. se consigue u n campo magnético bastante uniforme en toda la sección de la pieza, en un determinado sentido y de valor constante. Con e.a. el campo tiende a concentrarse en la superficie, efecto que es más acusado al aumentar la frecuencia.

Magnetización mediante corriente eléctrica

Es el método más utilizado en este tipo de ensayos. Puede llevarse a cabo d e distintas formas:

1 50

151

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Técnicas de inspección de materiales

7.4.4.

La superficie a ensayar debe estar perfectamente horizontal, con el fin de que no se vea afectada la distribución de las partículas. Esto supone un serio inconveniente cuando debe ensayarse piezas con formas redondeadas.

CAMPO D E APLICAC I ÓN DEL ENSAYO

La i nspección de materiales mediante partículas magnéticas es a plicable en innumerables situaciones industriales en las que se requiere efectuar un control de calidad del material. Cabe destacar: Inspección de recepción de materias primas.- Con el fin de verificar la ausencia de defectos tales como porosidad, pliegues ocultos, vetas, grietas, impurezas, etc. Inspección de piezas terminadas.- Como control de calidad de acabado del

producto. Tiene como finalidad verificar las condiciones operativas y de servicio de los materiales que integran las instalaciones y equipos críticos y de mayor responsabilidad.

Inspección

·

de

mantenimiento.-

E n actividades industriales en las que existe riesgo d e rotura por fatiga, el ensayo de partículas magnéticas se realiza periódicamente sobre zonas críticas para detectar la aparición de fisuras antes de que alcancen d imensiones peligrosas. · Las ventajas más importantes del ensayo por partículas magnéticas, particularmente respecto del ensayo mediante líquidos penetrantes, son principalmente: Su capacidad para detectar defectos ligeramente subsuperficiales.

C O R RI E NTES I N D U C I DAS

7.5. 1 .

I NTRODUCCI Ó N

El método de inspección de materiales mediante corrientes inducidas, además de tratarse de un END, permite no sólo detectar la presencia de grietas o heterogeneidades en el material sino que arroja datos acerca de la homogeneidad estructural y naturaleza del mismo. Los primeros ensayos de este tipo fueron realizados por O . E . H uges a mediados del siglo XIX. Huges consiguió distinguir diferentes metales y aleaciones a partir de las corrientes que se inducían en unas muestras a l aplicárseles un campo magnético mediante u n a bobina diferencial. Sin embargo, el elevado n úmero de parámetros variables que intervenían en estos ensayos, así como la gran variabilidad de algunos de estos parámetros, hacían inviable la utilización con fines prácticos del método.

También conviene destacar el hecho de que pueden detectarse grietas y defectos superficiales aunque se encuentren rellenos con suciedad, grasa u otros agentes poco absorbentes.

Hoy en d ía , gracias a los estudios llevados a cabo por un nutrido grupo de investigadores y al importante desarrollo de la instrumentación, puede conseguirse, mediante esta técnica, una elevada capacidad de detección y discriminación de defectos en los materiales, de una forma rápida y fiable.

Permite detectar la presencia de inclusiones de diferente permeabilidad magnética que el metal base.

7.5.2. F U N DAMENTOS DEL E N SAYO

También puede aplicarse esta técnica cuando la superficie a ensayar se encuentra recubierta de pintura, siempre que la capa tenga no tenga mucho espesor y sea suficientemente uniforme. En cuanto a las limitaciones que presenta la técnica de inspección mediante partículas magnéticas, pueden mencionarse: . Sólo puede aplicarse a materiales ferromagnéticos. Sólo se detectan las discontinuidades de dirección perpendicular a las líneas de fuerza. En ocasiones es preciso aplicar elevadas corrientes de magnetización, lo que conlleva cierto riesgo.

1 52

7.5.

El fenómeno físico en que se basa esta técnica es la inducción electromagnética , por el cual, al someter a un material conductor a un campo magnético variable, se induce en él una corriente eléctrica (llamada corriente circular inducida, corriente de Foucault o también corriente de Eddy), cuyo sentido es tal que genera, a su vez, un campo magnético de reacción que tiende a oponerse al campo principal. Para un campo magnético principal variable de tipo sinusoidal, Hp, la intensidad de corriente inducida en la pieza en ensayo depende, principalmente, de los siguientes factores: 1.

Distancia entre la bobina inductora y la pieza.

2.

Permeabilidad magnética del material.

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3.

Conductividad eléctrica del material.

4.

Continuidad eléctrica en el seno del materi a l , es decir, facilidad para

poder establecerse espiras elementales de cierre de circuito eléctrico. La distancia entre la sonda inductiva y la pieza es u na constante del ensayo. La permeabilidad magnética y la conductividad eléctrica son características de la naturaleza del material , por lo que serán constantes mientras éste no se cambie. La continuidad eléctrica del material, será pues la variable que i nd icará el estado de la pieza. En ausencia de defectos, las corrientes inducidas provocan, en la pieza, un campo magnético d e intensidad H;. La intensidad d e campo resultante, HR. será la diferencia entre el campo magnético principal, Hp, y el inducido, H1 (figura 7 . 1 0.a). Cuando existen grietas, heterogeneidades u otros defectos en el material, se interrumpen algunos de los caminos de cierre de circuito eléctrico, por lo que se induce menor corriente eléctrica en el seno del material y, consecuentemente, se genera un menor campo magnético de reacción, H;. El campo magnético resultante tendrá un valor mayor que en el caso anterior (figura 7 . 1 0.b).

impedancia de la bobina se produce tanto en amplitud como en fase, y es, finalmente, el parámetro que permite establecer los criterios de diagnosis acerca del estado de la pieza ensayada. El procedimiento habitual del ensayo consiste en representar gráficamente el plano amplitud-fase de impedancias, y comparar los resultados obtenidos d e la pieza ensayada, con una serie de patrones gráficos correspondientes a diferentes estados posibles. La técnica de inspección mediante corrientes inducidas se muestra efectiva para localizar defectos, especialmente grietas, en piezas de geometría compleja. Dentro de ciertos límites, pueden detectarse grietas subsuperficiales y hacer u n seguimiento de su evolución. E l principal inconveniente radica en la necesidad d e contar con un conjunto bien definido de patrones de diagnosis para cada tipo de pieza.

7.5.3. APLICAC IONES La técnica d e inspección mediante corrientes inducidas es uno de los E N Ds más rápidos y eficientes de cuantos se emplean en la actualidad, lo que explica los muchos campos de aplicación en los que está extendido su uso. Desde el punto de vista del objetivo de su utilización, pueden destacarse las siguientes aplicaciones: Detección d e discontinuidades o grietas en piezas y determinación d e su magnitud. Naturaleza y estado de tratamiento de metales y aleaciones: Comprobación, identificación y clasificación de metales y aleaciones. Determinación de la profundidad de capas superficiales, ya sea por endurecimiento o ablandamiento, o por la aplicación de tratamientos.

Corrientes inducidas

Determinación de propiedades físicas: Medida de la conductividad eléctrica. Medida de la permeabilidad magnética. Medida de las dimensiones:

(a)

(b)

F i g u ra 7 .1 O. Corrientes inducidas en una pieza (a) en buen estado (b) con una grieta.

Medida d e espesores de recubrimientos. Medida de espesor de chapas. Controles de calidad dimensional de piezas.

Las variaciones en el campo magnético resultante repercuten directamente sobre la i ntensidad de corriente de la bobina inductora, del mismo modo que si se presentara un cambio en la impedancia de la bobina. Este cambio aparente en la 1 54

1 55

- ·;1 1

Técnicas de inspección de materiales

7.6.

RAYOS X

7.6. 1 .

GENERALIDADES

Dentro del campo de los Ensayos No Destructivos, una de las técnicas más utilizadas es la inspección radiográ fica. Esta técnica se basa en las diferencias en los niveles de absorción que experimenta una determinada radiación electromagnética, emitida por una fuente de energ ía, a l atravesar diferentes medios. De esta forma es posible detectar la presencia de heterogeneidades en un determinado medio o, desde el punto de vista práctico, descubrirlas cuando dicho medio debia ser homogéneo, lo que explica su gran utilidad dentro del campo de la inspección de materiales. Se denomina radiación electromagnética a las ondas producidas por la oscilación d e una carga eléctrica y que goza de propiedades eléctricas y magnéticas. Los rayos alfa, beta, gamma y los rayos X son algunas de las radiaciones producidas durante la desintegración de los átomos. Estas ondas no necesitan un medio material para propagarse. I ndependientemente de su frecuencia y longitud de onda, todas las ondas electromagnéticas se desplazan en el vacío a la velocidad de la luz, e, es decir, a la velocidad