Corrosión y Solidificación de Metales: Tipos, Protección y Diagramas de Fase

Corrosión

Tipos de corrosión

Corrosión por Grietas

Corrosión localizada en hendiduras y bajo superficies ya protegidas, donde se puede encontrar estancado el electrolito (agua). Es frecuente en remaches y pernos.

Corrosión Intergranular

Los límites de grano, en los metales, son zonas especialmente sensibles a la corrosión. Esta corrosión microscópica reduce la resistencia del metal. Suele presentarse al calentar el material, por ejemplo, para ser soldado. En aceros inoxidables, el calentamiento hace que el Cr se precipite sobre las juntas de grano formando carburo de cromo que facilita la corrosión en este sitio.

Protección contra la corrosión

Diseño

Selección del material más adecuado al ambiente de trabajo, si su coste nos lo permite.

Inhibidores

Utilización de sustancias que reaccionan con el oxígeno eliminándolo del ambiente, o con el material a proteger formando una capa protectora. Se utiliza para recipientes cerrados.

Recubrimientos

Capa de metal, cerámica o polímero que aísla al metal que se pretende proteger. Pintura, galvanizado.

Recubrimientos Metálicos

Recubrimiento con un metal que haga de ánodo, que es el que se va a oxidar en lugar del metal que protege. Para proteger al acero, se utiliza cinc, cromo, aluminio, magnesio, cadmio, níquel (niquelado previo para recubrimiento con cromo).

Galvanizado

Recubrimiento con cinc, pero por difusión. Los átomos de cinc penetran en la superficie del acero.

Recubrimientos Orgánicos

Pinturas.

Anodizado

Protección anódica. Se forma una capa pasiva de óxido superficial impermeable al oxígeno que protege al metal. La formación artificial de esta película protectora se consigue aplicando una densidad de corriente eléctrica elevada. Ejemplos de protección anódica: acero inoxidable, níquel, titanio, aluminio y muchas de sus aleaciones.

Protección Catódica

El metal a proteger deja de ser el ánodo, con lo que no pierde electrones, pasando a ser el cátodo. Se utiliza el magnesio, que es más electronegativo que el acero, como ánodo de sacrificio, o un voltaje impuesto para que el movimiento de electrones sea en sentido inverso. Es una protección muy cara y se utiliza en aquellas aplicaciones en que el material es de difícil acceso o reparación, por ejemplo en tuberías de gas, depósitos de combustibles enterrados, embarcaciones.

El Proceso de Solidificación

Se produce cuando una sustancia pasa del estado líquido a estado sólido disminuyendo su energía libre en el proceso (átomos con menos movilidad). El proceso de cristalización consta de tres etapas:

1. Nucleación: formación de los centros de cristalización.
2. Crecimiento dendrítico.
3. Formación de los granos.

Curvas de Enfriamiento

Representación gráfica, experimental, del descenso de temperatura en función del tiempo que experimentan los metales puros y las aleaciones con enfriamiento a temperatura ambiente y presión atmosférica. Los cambios de estado en las curvas de enfriamiento se traducen en la gráfica en una variación de la pendiente de la curva de enfriamiento.

Metal puro

La gráfica presenta un tramo horizontal, que indica que el cambio de estado se produce a una temperatura fija (tramo 2).

Aleación (SS)

La solidificación se produce en un intervalo de temperaturas. Cambio de pendiente entre los tramos 1 (aleación líquida) y 3 (aleación sólida).

Diagrama de Equilibrio o de Fases

Representación gráfica del estado de una aleación en función de la temperatura y de su composición. Se obtiene a partir de las curvas de enfriamiento experimentales.

Ley de Gibbs

Es la relación entre el número de fases, el de componentes, y los grados de libertad (variables) de un sistema en equilibrio. En todo equilibrio, la suma de las fases del sistema, más los grados de libertad, es igual al número de componentes más dos. En la práctica industrial, para las aleaciones metálicas, como el enfriamiento es a presión atmosférica (constante), la presión no se considera como factor de equilibrio, por lo tanto la Ley de Gibbs queda: …

• Componentes (C). Elementos simples o compuestos que forman parte de la aleación. Un metal puro será un sistema de un solo componente, y una aleación de dos metales será un sistema de dos componentes. Los compuestos químicos se consideran un solo componente si no se disocian.
• Fase (F). Cada parte homogénea de un sistema (aleación), físicamente diferenciables de las demás.
• Grados de libertad (L). Es el número de factores de equilibrio (variables: temperatura, presión y composición) que pueden ser modificados sin que el equilibrio se rompa.

Aleaciones con Solubilidad Total

Se producen cuando los dos metales que las componen son completamente solubles en estado sólido y líquido. Se forma entonces una única fase sólida, constituida por una solución sólida formada por sustitución. Los dos metales tienen, por lo general, la misma estructura cristalina. Se parte de las curvas de enfriamiento, obtenidas variando las concentraciones de A y B. Los puntos T_A y T_B representan los puntos de solidificación de los metales puros A y B.

• Línea de liquidus: curva obtenida al unir los puntos del comienzo de la solidificación.
• Línea de solidus: curva que muestra el final de la solidificación.

Por encima de la línea de liquidus hay una fase: solución líquida homogénea. Por debajo de la línea de solidus hay una fase: solución sólida homogénea. Entre las líneas de liquidus y solidus existen dos fases, una sólida y otra líquida.

Composición Química de las Fases Presentes

1. Una fase (solución líquida homogénea) de composición 60A 40B.
2. Dos fases (líquida y sólida) (composición: líquido X (A%, B%); sólido Y (A%, B%).
3. Una fase (solución sólida homogénea) de composición: 60A 40B.

Para determinar la composición química de las fases en una región bifásica, se traza una línea horizontal para la temperatura considerada hasta la intersección con las líneas de liquidus y solidus. La proyección de los puntos de corte sobre el eje de abscisas permite leer las composiciones de cada fase.