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Aplicaciones y procesos de nuevos materiales PRACTICA 3 CORROSION Y PROTECCION DE MATERIALES METALICOS Alumno: Se entiende por corrosión la reacción de un metal o aleación con el medio con deterioro de las propiedades metálicas. Debido a este fenómeno los metales pierden su estado elemental y vuelven al estado combinado de origen, desde un punto de vista químico, el átomo metálico se transforma en ión, cediendo sus electrones a un elemento no metálico (oxígeno, azufre, etc.) El ejemplo más conocido es la formación de la herrumbre en el hierro y el acero, que destruye grandes estructuras metálicas si no se toman las medidas adecuadas. Desde un primer momento los metales, tras su obtención y conformado según la aplicación muestran una tendencia a reaccionar con el medio (agua, atmósfera, suelo, etc.). Este proceso es natural y espontáneo. Los efectos de la corrosión son muy importantes ya que ocasionan grandes pérdidas económicas y en algunos casos pueden ocasionar riesgos para las personas. Mirando a nuestro alrededor observamos los efectos de la corrosión: clavos con herrumbre, deterioro de carrocerías y parachoques de automóviles, etc. Los problemas que se derivan de la corrosión aparecen en todas las ramas de la industria, en la construcción y en el transporte. Por tanto se hace necesaria la actuación para proteger de la corrosión a los metales. Las pérdidas económicas que ocasiona el proceso corrosivo pueden ser de dos tipos: directas: rotura y sustitución de un equipo o instalación además del costo derivado de las medidas de protección, tales como la utilización de un material de mayor resistencia química, en general con un mayor precio, aplicación de recubrimientos, sobredimensionamiento, trabajos de reparación y mantenimiento, etc. indirectas: falta de producción debido a la parada temporal de una instalación, fuga de fluido de un depósito, etc. Los fenómenos de corrosión se pueden clasificar de acuerdo con diferentes criterios: morfología del ataque: uniforme, por picaduras, intergranular,.... medio atacante: por ácidos, por sales fundidas, atmosférica, estructuras enterradas, acciones físicas que unidas a las químicas provocan la corrosión: por corrientes vagabundas, bajo tensiones, por fatiga, ... mecanismo de reacción: oxidación directa y corrosión electroquímica 1 Aplicaciones y procesos de nuevos materiales La oxidación directa: el metal se combina con el medio mediante una reacción directa, de manera que reacciona toda la superficie metálica y de una forma similar. El término oxidación se debe tomar en su sentido más amplio, como pérdida de electrones, no solamente como reacción con el oxígeno, sino con cualquier elemento oxidante. Tiene importancia sobre todo en las aplicaciones de metales a elevadas temperaturas, cuando no es posible la formación de una película acuosa o capa de humedad sobre la superficie metálica, esta corrosión seca es un fenómeno que aparece cuando los metales están expuestos a gases y vapores calientes. La corrosión electroquímica: está causada por la acción de pilas electroquímicas en las cuales la disolución metálica tiene lugar en las zonas anódicas, no habiendo ataque en las zonas catódicas, pero durante el proceso corrosivo, se pueden intercambiar las zonas anódicas y catódicas. Este tipo de corrosión tiene lugar cuando los metales están en contacto con medios de conductividad electrolítica, especialmente el agua, así como soluciones salinas o la humedad atmosférica y de los suelos. Es importante destacar una diferencia entre oxidación directa y corrosión electroquímica: el impedimento que ofrecen los productos de corrosión al progreso del ataque. En el caso de la oxidación directa, los productos sólidos formados, si no son solubles o volátiles en una posible capa líquida, constituyen una barrera entre el metal y el medio atacante, por el contrario en la corrosión electroquímica los productos de corrosión suelen ser solubles y en el caso de que no lo sean la precipitación tiene lugar a cierta distancia de la superficie metálica y el recubrimiento es en general discontinuo y poco adherente. Potenciales electroquímicos : Las diferencias de potencial electroquímico son las que hacen que unas regiones actúen como ánodos y otras lo hagan como cátodos. El potencial de equilibrio es el que se establece entre la tendencia de los átomos metálicos a pasar a la disolución abandonando el metal (ionizándose e hidratándose) y la de los cationes a depositarse sobre el metal, es un equilibrio dinámico y le corresponde una densidad de corriente de intercambio equivalente a través de la ley de Faraday a la velocidad de disolución anódica o de depósito de cationes, que son iguales entre sí y que no se pueden medir directamente, sino a través de polarización provocada. Los potenciales normales de electrodo se refieren a la semipila de 2H + / H2 , que está constituido por una lámina de platino recubierta de negro de platino, sumergida en una disolución ácida de actividad 1 y saturada de gas hidrógeno a la presión de 1 atmósfera. De manera convencional se toma como cero de la escala de potenciales a este electrodo, conocido como electrodo normal de hidrógeno. El otro electrodo lo constituyen los diversos metales frente a disoluciones de sus iones de actividad unidad, de esta forma se pueden clasificar los potenciales normales de los metales en orden a su mayor o menor actividad, o lo que es lo mismo, por orden de más a menos noble. 2 Aplicaciones y procesos de nuevos materiales TABLA I. potenciales normales de electrodo ELECTRODO POTENCIAL (voltios) Ca+2 + 2 e- = Ca -2.76 Mg+2 + 2 e- = Mg -2.34 Al+3 + 3e- = Al -1.67 Zn+2 + 2e- =Zn -0.76 Fe+2 + 2e- = Fe -0.44 Sn+2 + 2e- = Sn -0.14 Pb+2 + 2e- = Pb -0.13 2H+ + 2e- = H2 0.00 Cu+2 + 2e- = Cu +0.34 Ag+ + 1e- = Ag +0.80 Hg+2 + 2e- = Hg +0.85 Au+3 + 3e- = Au +1.50 También es importante recordar la ecuación de Nernst que nos relaciona los potenciales de equilibrio y la actividad o concentración efectiva de los iones metálicos en disolución E E0 E = potencial del metal para una actividad RT ln a Me z zF a Me+z E0 = potencial normal del metal F = 96453 culombios z = valencia de los iones del metal R = constante de los gases 3 Aplicaciones y procesos de nuevos materiales Las dificultades del electrodo normal de hidrógeno han provocado la aparición de otros electrodos que se utilizan como referencia, tales como el electrodo de calomelanos, el de sulfato de cobre y el de cloruro de plata, éstos tienen unos potenciales fijos con respecto al de hidrógeno y se pueden convertir con facilidad los potenciales medidos con respecto a estos electrodo a potenciales normales. A 25ºC los potenciales de estos electrodos con respecto al de hidrógeno son: Electrodo de calomelanos (cloruro mercurioso) Potencial Hg /Hg2Cl2 (saturado), KCl KCl 0.1 N +0.334 V KCl 1N +0.280 V KCl saturado +0.241 V Electrodo de sulfato de cobre Cu / CuSO4 (saturado) +0.316 V Electrodo de cloruro de plata Ag / AgCl (sólido) , KCl 0.1 N +0.288V Ag / AgCl (sólido) , agua de mar +0.250 V La corrosión galvánica o corrosión bimetálica aparece cuando están en contacto dos metales diferentes en presencia de un medio corrosivo o atmósferas húmedas, El más activo de ellos se corroe de manera más rápida que si estuviera aislado, mientras que el metal más noble se corroerá menos. A partir de los potenciales de electrodo no se puede anticipar cuál va a ser el comportamiento, ya que la velocidad de corrosión de la pila una vez unidos los metales dependerá de la polarización de los electrodos en el medio en que se encuentren. En las llamadas series galvánicas los metales y aleaciones se clasifican por el orden de su potencial libre de disolución frente a los medios de utilización corrientes. El potencial de un metal o aleación depende de la composición química del medio, de las películas de óxido u otros productos de corrosión que se hayan formado sobre la superficie metálica así como de la temperatura y velocidad del medio, por tanto no se puede hablar de potencial de metales sin considerar el medio y las condiciones experimentales. Existirán tantas series galvánicas como medios y condiciones de servicio. En la práctica el agua de mar es un electrolito muy importante desde el punto de vista de la corrosión y muchas se refieren a él. 4 Aplicaciones y procesos de nuevos materiales Tabla 2. Serie galvánica en agua de mar Platino Oro Grafito Titanio Plata Clorimet 3 (62 Ni, 18 Cr, 18 Mo) Hastelloy C (62 Ni, 17 Cr, 15 Mo) Acero inoxidable al Mo 18-8 (pasivo) Acero inoxidable 18-8 (pasivo) Acero inoxidable al cromo 11-30 % Cr (pasivo) Inconel (80 Ni, 13 Cr, 7 Fe) (pasivo) Níquel (pasivo) Soldadura de plata Monel (70 Ni, 30 Cu) Cuproníquel (60-90 Cu, 40-10 Ni) Bronces (Cu-Sn) Cobre Latones (Cu-Zn) Clorimet 2 (66 Ni, 32 Mo, 1 Fe) Hastelloy B (60 Ni,30 Mo, 6 Fe, 1 Mn) Inconel (activo) Níquel (activo) Estaño Plomo Soldaduras de Pb-Sn Acero inoxidable al Mo 18-8 (activo) Acero inoxidable 18-8 (activo) Resistencia de níquel Acero inoxidable al Cr, 13% Cr (activo) Fundición 5 Aplicaciones y procesos de nuevos materiales Acero o hierro Aluminio AA2024 (4.55 Cu, 1.5 Mg, 0.6 Mn) Cadmio Aluminio puro comercial Cinc Magnesio y aleaciones de Mg OBJETIVOS GENERALES: 1. Conocer la corrosión de materiales metálicos 2. Análisis de sistemas de corrosión (metal-medio) 3. Visualización de piezas 4. Termodinámica y cinética de la corrosión 5. Diferentes tipos de corrosión 6. Corrosión electroquímica y corrosión seca EXPERIENCIA 1. SERIE ELECTROQUÍMICA Y SERIE GALVÁNICA. OBJETIVOS: Determinar los potenciales de corrosión libre de diferentes metales y aleaciones en una disolución de NaCl al 3.5 % MATERIAL: probetas de distintos metales y aleaciones EQUIPOS: electrodo de calomelanos, voltímetro REACTIVOS: agua destilada NaCl químicamente puro PROCEDIMIENTO: 1. preparar una disolución de NaCl al 3.5 %, disolviendo 35 g de NaCl en agua destilada y completando hasta 1 litro de disolución 2. introducir el electrodo de referencia en la disolución 3. sujetar con la pinza el electrodo del metal e introducir en la disolución 4. esperar a que se estabilize el potencial y medir 6 Aplicaciones y procesos de nuevos materiales 5. repetir para los diferentes metales y aleaciones RESULTADOS: metal o aleación potencial E (mV) metal o aleación acero al carbono cobre acero inoxidable zinc aleación de aluminio plomo potencial E (mV) latón EXPERIENCIA 2. TIPOS DE CORROSION ELECTROQUIMICA Observación al microscopio de probetas metálicas que han sido afectadas por distintos tipos de corrosión localizada 7 Aplicaciones y procesos de nuevos materiales EXPERIENCIA 3. CORROSION SECA EXPERIENCIA 4. RECUBRIMIENTO ELECTROLITICO 8 Aplicaciones y procesos de nuevos materiales CUESTIONES PRÁCTICA 3 1. Diferencias entre la serie galvánica y la serie electroquímica 2. Señalar la importancia de la corrosión galvánica. 3. ¿Cómo se evalúa la susceptibilidad a corrosión por picaduras? 4. Indicar cuándo aparece la corrosión intergranular 5. ¿Cómo se puede detectar la susceptibilidad a corrosión intergranular en los aceros inoxidables? 9