Capas químicas que protegen el metal de la corrosión
Muchos metales son vulnerables a la corrosión cuando se exponen al aire y al agua. La corrosión puede causar tensión en el metal y fallas en las piezas, por lo que los metalúrgicos buscan formas de derrotarla. Uno de estos métodos es la pasivación de metales, un método menos conocido de impermeabilización de una superficie que utiliza una fina capa química como sello. La pasivación puede ocurrir de forma natural o ser fomentada por los procesos de fabricación.
¿Qué es la corrosión?
La corrosión del metal se produce cuando las moléculas de una aleación metálica activa reaccionan en su entorno para volverse electroquímicamente más estables. Los óxidos, hidróxidos y sulfuros son los principales compuestos de la corrosión. La simple exposición puede provocar la reacción, como la oxidación del hierro en el agua y el aire. Los procesos electroquímicos también pueden causar la reacción, como con la corrosión galvánica entre el níquel y el cadmio en una batería.
Hay metales que resisten la corrosión. Los metales nobles como el oro, la plata y el platino son químicamente estables en muchas condiciones. Los metales nobles no son impermeables a la corrosión, pero el proceso ocurre lentamente o con moléculas menos comunes. Por ejemplo, el espeso deslustre negro de la plata generalmente es causado por sulfuro de hidrógeno en lugar de oxígeno y agua. Los metalúrgicos comprueban el potencial activo de los metales utilizando la escala galvánica o el índice anódico. Los que están cerca de la parte superior son menos propensos a la corrosión.
Los metales “activos”, o los que están más cerca de la parte inferior de la escala, son químicamente menos estables y, por lo tanto, más propensos a reaccionar con otros elementos en el medio ambiente. Para evitarlo, se utilizan procesos activos o pasivos para reducir la corrosión. Estos procesos generalmente funcionan “sellando” el metal con una capa superior, evitando que el aire y el agua lleguen al metal que se encuentra debajo. La capa puede ser artificial: la pintura, el recubrimiento en polvo y el aceite son selladores comunes. Sin embargo, si se rayan, la corrosión se cuela en ellos.
Otra opción utilizada para sellar el metal es la química, donde se utilizan reacciones químicas en lugar de materiales fabricados. Un proceso químico es la pasivación.
¿Qué es la pasivación?
La pasivación, generalmente asociada con el acero inoxidable, es un método de tratamiento para proteger el metal de la corrosión, lo que hace que el material sea “pasivo” para el entorno circundante. La pasivación, tal vez en contra de la intuición, fomenta la corrosión en la superficie, creando una capa delgada de un nuevo producto químico no reactivo. Esta capa superior permanece firmemente unida al metal, creando un sello natural que bloquea los elementos para que no corroan las capas posteriores del metal. Un metal se pasiva cuando cada superficie está cubierta con una capa de corrosión fuertemente unida. Esta capa puede acumularse de forma natural (pasiva) con el tiempo, pero los fabricantes también pueden inducirla activamente.
La historia de la pasivación
La pasivación fue descubierta por científicos que realizaban experimentos electroquímicos, pero no reconocieron de inmediato la utilidad del proceso para uso general. En 1790, el químico James Keir observó que un fuerte baño de ácido nítrico no corroía el hierro. Observó que cuando la misma solución se diluía en agua, el hierro se corroía inmediatamente, creando una solución burbujeante de agua de color marrón oscuro. En 1836, el químico suizo Christian Friedrich Schönbein especificó aún más el experimento. Demostró que una pieza de hierro sumergida en ácido nítrico débil se disuelve y produce hidrógeno, como señaló Keir. Sin embargo, si el hierro se sumergía primero en un ácido fuerte, entonces podía resistir el ácido diluido. Los elementos corrosivos del agua parecían mantenerse a raya, al menos por un tiempo.
Michael Faraday, el electroquímico británico, fue el primero en describir por qué. Le planteó a Schönbein la hipótesis de que una piel de óxido creada por el ácido fuerte podría causar la condición pasiva. A medida que los químicos y metalúrgicos exploraban la idea de una “piel” química, buscaban técnicas para fabricar o mejorar la pasivación, y aleaciones que crearan sellos pasivos de forma orgánica.
Capas pasivas de óxido
A medida que los metales se exponen al medio ambiente circundante, si no se bloquean con pintura o recubrimiento en polvo, se corroerán naturalmente, creando la capa de piel o sello. La mayoría de las películas pasivas están hechas de óxidos, combinaciones de metal y oxígeno, por lo que se denominan capas de óxido pasivo.
Uno de los mayores beneficios de las capas de óxido pasivas es que cuando surgen de forma natural, también se “curan” de forma natural si la superficie del metal se raya o se daña de alguna manera, ya que la siguiente capa de moléculas se unirá a los elementos ambientales.
La eficacia de las capas pasivas de óxido depende del tipo de elementos involucrados. No todas las capas de óxido son protectoras: si el óxido es lo suficientemente poroso como para que pase el oxígeno, entonces no se formará ningún sello y el metal debajo continuará corroyéndose. Por ejemplo, el óxido de magnesio forma una capa con una alta porosidad superficial que no detiene la corrosión. Las moléculas de oxígeno todavía fluyen y reaccionan con el magnesio que se encuentra debajo.
Del mismo modo, los elementos del entorno circundante también importan. El acero inoxidable, por ejemplo, puede ser desafiado por depósitos de sal o hierro. Si la química general de la superficie ya no pasiva de forma natural, se instalará el óxido.
Pasivación forzada
Para algunas aleaciones, la pasivación natural puede llevar mucho tiempo; para otros, puede desarrollarse de manera desigual, con variaciones en el grano del metal o en presencia de depósitos superficiales. Los metalúrgicos crearon métodos de pasivación activa para acelerar y estandarizar el proceso y crear productos utilizables de inmediato.
El “azulado” de armas fue un ejemplo temprano de pasivación forzada a través de medios de fabricación química. Uno de los óxidos de hierro es la magnetita, un óxido negro (Fe3O4), y este óxido no se descascara como lo haría el óxido (Fe3O3). Se pueden utilizar varios procesos químicos para crear estos óxidos negros utilizando calor y soluciones cáusticas. Sin embargo, aunque el pavonado protege contra la corrosión, una capa dañada no se “cura” en condiciones normales. Por lo tanto, el pavonado es un sellador fabricado que necesita mantenimiento y cuidado.
Hoy en día, los tratamientos comunes de pasivación activa tienen varios pasos:
- Limpieza del artículo para eliminar el aceite y las impurezas de la superficie. No debe haber áreas selladas del baño ácido por un recubrimiento externo.
- Pasivación en baños de ácido nítrico o ácido cítrico, o mediante el uso de un proceso electroquímico. En el caso del acero inoxidable, este paso elimina cualquier depósito libre de hierro que pueda impedir que el acero inoxidable forme una película pasiva sólida. A nivel microscópico, un depósito de hierro libre evitaría que la capa pasiva de óxido de cromo forme un sello continuo. La capa de pasivación después del baño de ácido nítrico está hecha de Cr2O3.
- Enjuagar el artículo de todo rastro de la solución ácida, llevándose consigo cualquier resto de hierro libre.
- El artículo se coloca en condiciones que promueven la oxidación. Las condiciones incluyen una combinación de aumento de la temperatura y la humedad, y el uso de agentes promotores de la oxidación como la niebla salina, el sulfato de cobre o el ferricianuro de potasio.
Acero inoxidable y otras aleaciones autopasivantes
El acero inoxidable es un metal duro que tiene resistencia a la corrosión a través de la pasivación natural. Desde su invención en 1913, muchas industrias han llegado a depender del metal. Sin embargo, no se garantiza que esté libre de óxido.
El acero inoxidable, al igual que otros aceros, se fabrica principalmente de hierro y carbono. La adición revolucionaria a la aleación es el cromo. El cromo, expuesto al aire, forma rápidamente una capa de óxido pasiva que sella el hierro y lo protege. Los distintos grados de acero inoxidable contienen diferentes metales de soporte: el molibdeno, el silicio y otros componentes prestan un soporte pasivo para diferentes aplicaciones. Algunos grados son superiores para controlar el calor, otros para resistir la corrosión debida a la sal: la mezcla química de la aleación cambia su comportamiento en diferentes condiciones. Los depósitos de hierro, el calor, el contacto con otros metales, la sal y los ácidos pueden desafiar la capa de óxido.
El aluminio es otro metal que pasiva de forma natural. El óxido de aluminio se forma en la mayoría de las aleaciones de aluminio (aunque no en todas) cuando se expone al aire, lo que hace que la superficie sea autoprotectora. El óxido de aluminio puede ser desafiado por la sal, el estrés electroquímico o la humedad atrapada. Tanto con el acero inoxidable como con el aluminio, los procesos de fabricación se utilizan para ayudar a respaldar la creación de capas pasivas de un mayor espesor o uniformidad de lo que podría ocurrir de forma natural.
Estándares de pasivación para acero inoxidable y aluminio
El acero inoxidable y el aluminio son materiales autopasivantes, pero no son impermeables a la corrosión. Las irregularidades en el grano, creadas por la fabricación o los tratamientos térmicos, pueden crear debilidad. Los depósitos superficiales de aceite u otros productos químicos también pueden interrumpir la película pasiva. Para garantizar la calidad de los grados de acero inoxidable y aluminio, ahora existen procesos y pruebas de pasivación estándar.
Las especificaciones ASTM A380 y A967 establecen estándares y procedimientos de prueba de calidad para la pasivación de acero inoxidable utilizando ácido nítrico, ácido cítrico o por medios eléctricos.
El cromo a veces se usa para pasivar otros materiales, pero a menudo a través de la aplicación en lugar de estar incorporado en la aleación. Un proceso llamado conversión de cromo se utiliza para el aluminio y otros metales, como el zinc y el níquel. En esta técnica, se pinta un gel de cromo sobre la superficie metálica. El producto químico se adhiere a la superficie del metal, creando una capa pasiva que demuestra una alta resistencia a la corrosión. Un rasguño a una pasivación de conversión de cromo se someterá a un proceso de autocuración. El cromo alrededor del rasguño se mueve para unirse y recrear la capa de pasivación. Sin embargo, el rasguño debe ser lo suficientemente pequeño como para que esto sea posible con el cromo circundante.
Decapado vs. pasivación de acero inoxidable
La pasivación del acero es un proceso que utiliza un baño de ácido para dejar una capa de óxido. El decapado es otro tratamiento de baño ácido, pero tiene el objetivo opuesto: el decapado utiliza un ácido para limpiar los óxidos de la superficie del metal.
Cuando los óxidos cubren la superficie de un metal, el artículo se vuelve más difícil de mecanizar. Los óxidos causan una mayor tensión en las brocas de las herramientas y pueden derrotar los intentos de sellar la superficie con pintura o recubrimiento en polvo. El decapado elimina todos los óxidos, incluidos los que funcionan como una capa pasiva. El acero y el hierro generalmente se decapan con ácidos clorhídrico o sulfúrico.
En la producción de una pieza metálica, la pieza puede ser decapada, mecanizada y luego pasivada.
Electropulido de acero inoxidable y otros metales
El electropulido es un paso de acabado del metal que se desbarba y se suaviza, dejando una superficie limpia y reluciente. Se puede utilizar en muchos metales, incluidos aquellos que no se fomentan la pasivación, como el cobre. En el metal pasivado, una superficie lisa puede crear capas pasivas ininterrumpidas y resistentes.
A un objeto que se va a electropulir se le da una carga positiva y se sumerge en un baño de electrolitos. Los cátodos circundantes extraen las moléculas de la superficie del ánodo metálico, afeitando la capa superior del metal. Las protuberancias dentadas son las primeras en ser arrancadas. Tanto a nivel macroscópico como microscópico, el metal electropulido tiene pocas irregularidades o grietas.
Al electropulir acero inoxidable, se elimina preferentemente el hierro, dejando más cromo en la superficie. Una superficie lisa, ininterrumpida, libre de hierro fomenta naturalmente una capa sólida de pasivación sobre acero inoxidable.
Cuando falla la pasivación
La pasivación no siempre es la solución ideal; Los problemas potenciales abarcan una amplia gama de variables. Ciertos tipos de metales no pueden pasivarse, porque el metal se descascara a medida que se corroe. Si un metal es estructuralmente capaz de pasivarse, las cosas aún pueden salir mal durante el proceso de baño ácido. Por otro lado, incluso un metal perfectamente pasivado puede no ser utilizable en ciertas industrias: la química puede causar problemas en las aplicaciones electroquímicas.
¿Por qué un poco de metal se descascarilla al corroerse?
Los óxidos metálicos pueden tener una estructura cristalina más grande que las moléculas metálicas que los constituyen. Por ejemplo, el óxido de hierro (III), el subproducto de la corrosión roja más conocido como óxido, tiene una estructura más grande y, por lo tanto, una superficie más grande que el hierro elemental que lo produce. Esta mayor área de superficie obliga al óxido a levantarse de la superficie del metal que se encuentra debajo, causando burbujeo y descamación. La separación del óxido del metal expone la siguiente capa al aire y la humedad, y el ciclo continúa, carcomiendo la superficie.
En situaciones en las que los óxidos, hidróxidos o sulfuros tienen una superficie mayor que el metal del que surgen, no se forma ninguna capa de pasivación.
Ataques relámpago de pasivación
A veces, un fabricante encontrará que en un lote de artículos pasivantes, uno o más se vuelven negros y comienzan a grabar incluso en un baño de ácido nítrico fuerte. Este estado activo se conoce como “ataque relámpago“. Puede ser bastante confuso, ya que a veces puede atacar algunos artículos pero dejar solos a otros en la misma cesta.
Las razones del ataque flash tienen que ver con la consistencia de los productos químicos involucrados en la fabricación de la película pasiva. Si el baño de ácido nítrico ha estado en uso durante mucho tiempo, es posible que haya acumulado sales o agua. Las piezas en sí mismas suelen ser un problema: puede quedar aceite de corte en las piezas de la máquina, o los tratamientos térmicos o el control del calor durante el mecanizado pueden haber cambiado de manera desigual la estructura molecular de la pieza. También puede haber inclusiones o inconsistencias dentro de la propia aleación.
Evitar la pasivación
Hay ocasiones en las que la pasivación puede causar problemas para el buen funcionamiento de una pieza metálica.
Los tratamientos electroquímicos a menudo requieren cátodos y ánodos metálicos para hacer pasar una corriente eléctrica a través de una solución. Estos sistemas pueden favorecer la formación de óxidos que se adhieren al exterior de los cátodos. A medida que los cátodos se ensucian con los óxidos, el sistema se vuelve menos efectivo.
En estos sistemas, la pasivación es un problema. Cambiar la polaridad a veces resuelve el problema. Pulsos opuestos de electricidad permiten que los óxidos se desprendan de los cátodos. El lodo de óxido o la escoria pueden desprenderse y no interferir con la actividad electroquímica del proceso.
Capas de pasivación para sellar y proteger
Muchos metales reaccionan con el medio ambiente produciendo óxidos, hidróxidos o sulfuros. Estos productos de la corrosión surgen de manera similar pero tienen propiedades diferentes.
El deslustre de la plata, que surge lentamente a medida que la plata se combina con los sulfuros en el aire, funciona como una capa pasiva. Opaca la superficie del metal y, a menudo, se pule. En comparación, la pátina verde del cobre, o verdín, es a menudo un premio estético por la profundidad y la gama de color verde que produce. El verdín es una mezcla de carbonatos, sulfuros, sulfatos y cloruros, creada por el cobre que reacciona a la lluvia ácida o a los dióxidos de carbono. El óxido, el óxido de hierro más común, produce un pigmento naranja o rojo ladrillo. A diferencia del verdín, debe controlarse cuidadosamente para que la superficie burbujeante no permita que el acero que se encuentra debajo se oxide.
Las capas de pasivación sellan y protegen un objeto metálico de una mayor oxidación. Con capas pasivas a base de cromo, como en el acero inoxidable, esta película suele ser lo suficientemente delgada como para no cambiar el aspecto de la superficie o la función del metal. La pasivación delgada a menudo solo cambia el metal en entornos muy específicos, como soldadura, mecanizado o en sistemas electroquímicos. El mayor beneficio proporcionado por los metales autopasivantes es la capacidad de “autocuración”. Para obtener la máxima protección contra la corrosión, combine un metal autopasivante con un sellador aplicado como aceite, recubrimiento en polvo o pintura.