Què és la corrosió química i com eliminar-la?

La corrosió química és un procés consistent en la destrucció d’un metall en interaccionar amb un entorn extern agressiu. La varietat química dels processos de corrosió no està relacionada amb els efectes del corrent elèctric. En aquest tipus de corrosió, es produeix una reacció oxidativa, on el material que es destrueix és alhora un agent reductor per als elements del medi.

Contingut:

• Corrosió del gas
• Característiques del film d'òxid
• Taxa de corrosió
• Corrosió en líquids no electrolits
• Mètodes de protecció contra la corrosió
• Recobriments organosilicats

La classificació d’una varietat d’ambients agressius inclou dos tipus de destrucció de metalls:

• corrosió química en líquids no electrolits;
• corrosió de gasos químics

Corrosió del gas

La forma més comuna de corrosió química - el gas - és un procés corrosiu que es produeix en gasos a temperatures elevades. Aquest problema és típic per al funcionament de molts tipus d’equips i peces tecnològiques (accessoris de forns, motors, turbines, etc.). A més, s’utilitzen temperatures ultrahigh en el processament de metalls a alta pressió (escalfament abans de rodar, estampació, forja, processos tèrmics, etc.).

Les dues característiques de l'estat dels metalls a temperatures elevades són determinades per dues de les seves propietats: resistència a la calor i resistència al calor. La resistència a la calor és el grau d'estabilitat de les propietats mecàniques d'un metall a temperatures d'alta temperatura. Sota l'estabilitat de les propietats mecàniques es fa referència a la preservació de la força durant molt de temps i a la resistència al fluix. La resistència a la calor és la resistència d’un metall a l’activitat corrosiva dels gasos a temperatures elevades.

La velocitat de desenvolupament de la corrosió del gas està determinada per diversos indicadors, inclosos:

• temperatura atmosfèrica;
• components inclosos en un metall o aliatge;
• paràmetres ambientals on es troben els gasos;
• durada del contacte amb el medi gasós;
• propietats dels productes corrosius.

El procés de corrosió està més influït per les propietats i paràmetres de la pel·lícula d'òxid que ha aparegut a la superfície del metall. La formació d'òxids es pot dividir cronològicament en dues etapes:

• adsorció de molècules d’oxigen en una superfície metàl·lica que interaccionen amb l’atmosfera;
• contactant la superfície metàl·lica amb gas, donant lloc a un compost químic.

La primera etapa es caracteritza per l’aparició d’un enllaç iònic, com a resultat de la interacció d’oxigen i àtoms superficials, quan un àtom d’oxigen pren un parell d’electrons d’un metall. L’enllaç que ha sorgit es distingeix per la seva excepcional resistència: és més gran que l’enllaç de l’oxigen amb el metall de l’òxid.

L’explicació d’aquesta connexió rau en l’efecte del camp atòmic sobre l’oxigen. Tan bon punt la superfície metàl·lica s’omple amb un agent oxidant (i això succeeix molt ràpidament), a temperatures baixes, gràcies a la força de Van der Waals, comença l’adsorció de molècules oxidants. El resultat de la reacció és l’aparició de la pel·lícula monomolecular més prima, que amb el pas del temps es fa més gruixuda, cosa que complica l’accés d’oxigen.

A la segona etapa, es produeix una reacció química durant la qual l’element oxidant del medi pren electrons de valència del metall. La corrosió química és el resultat final de la reacció.

Característiques del film d'òxid

La classificació de les pel·lícules d'òxid inclou tres tipus:

• prim (invisible sense dispositius especials);
• mitjà (decoloració);
• gruixuda (visible a simple vista).

La pel·lícula d'òxid resultant té capacitats protectores: alenteix o fins i tot inhibeix totalment el desenvolupament de la corrosió química. Així mateix, la presència d’una pel·lícula d’òxid augmenta la resistència a la calor del metall.

Tanmateix, una pel·lícula realment eficaç ha de reunir diverses característiques:

• no ser porós;
• tenir una estructura contínua;
• tenen bones propietats adhesives;
• difereixen en la inertesa química en relació amb l'atmosfera;
• ser dur i resistent al desgast.

Una de les condicions anteriors: una estructura sòlida és especialment important. La condició de continuïtat és l’excés de volum de les molècules de la pel·lícula d’òxid sobre el volum d’àtoms metàl·lics. La continuïtat és la capacitat de l’òxid de cobrir tota la superfície metàl·lica amb una capa contínua. Si no es compleix aquesta condició, la pel·lícula no es pot considerar protectora. Tanmateix, hi ha excepcions a aquesta regla: per a alguns metalls, per exemple, per al magnesi i per a elements de grups alcalins de terra (excloent el beril), la continuïtat no pertany a indicadors crítics.

Per determinar el gruix de la pel·lícula d'òxid, s'utilitzen diverses tècniques. Les qualitats protectores de la pel·lícula es poden aclarir en el moment de la seva formació. Per fer-ho, estudiem la velocitat d’oxidació de metalls i els paràmetres del canvi de velocitat al llarg del temps.

Per a un òxid ja format, s’utilitza un altre mètode, que consisteix a estudiar el gruix i les característiques protectores de la pel·lícula. Per fer-ho, s’aplica un reactiu a la superfície. A continuació, els experts registren el temps que trigarà a penetrar el reactiu i, a partir de les dades obtingudes, conclouen que el gruix de la pel·lícula.

Pareu atenció! Fins i tot la pel·lícula d'òxid finalment formada continua interactuant amb el medi oxidant i el metall.

Taxa de corrosió

La intensitat amb què es desenvolupa la corrosió química depèn del règim de temperatura. A temperatures altes, els processos oxidatius es desenvolupen amb més rapidesa. A més, la disminució del paper del factor termodinàmic de la reacció no afecta el procés.

Té una importància considerable la refrigeració i el calefacció variable. A causa de tensions tèrmiques, apareixen esquerdes a la pel·lícula d'òxid. A través dels forats, l’element oxidant arriba a la superfície. Com a resultat, es forma una nova capa de pel·lícula d'òxid, i la primera es desfà.

Els components del medi gasós tenen un paper mínim. Aquest factor és individual per a diferents tipus de metalls i és coherent amb les fluctuacions de temperatura. Per exemple, el coure pot corroir-se ràpidament si està en contacte amb l’oxigen, però és resistent a aquest procés en un entorn d’òxid de sofre. Per al níquel, al contrari, l’òxid sulfúric és fatal i s’observa estabilitat a l’oxigen, el diòxid de carboni i el medi aquàtic. Però el crom és resistent a tots aquests ambients.

Pareu atenció! Si el nivell de pressió de la dissociació de l’òxid supera la pressió de l’element oxidant, el procés d’oxidació s’atura i el metall adquireix estabilitat termodinàmica.

Els components de l’aliatge també afecten la velocitat de la reacció oxidativa. Per exemple, el manganès, el sofre, el níquel i el fòsfor no contribueixen a l’oxidació del ferro. Però l’alumini, el silici i el crom fan que el procés sigui més lent. El cobalt, el coure, el beril i el titani alenteixen encara més l’oxidació del ferro. Els additius de vanadi, tungstè i molibdè ajudaran a fer més intens el procés, que s’explica per la fusibilitat i volatilitat d’aquests metalls. Les reaccions d’oxidació procedeixen més lentament amb l’estructura austenítica, ja que s’adapta més a les altes temperatures.

Un altre factor del qual depèn la velocitat de corrosió és la característica de la superfície tractada. Les superfícies llises s’oxiden més lentament, i les superfícies desiguals més ràpidament.

Corrosió en líquids no electrolits

Líquids no conductors (és a dir,líquids no electrolits) inclouen substàncies orgàniques com:

• benzè;
• cloroform;
• alcohols;
• tetraclorur de carboni;
• fenol;
• oli;
• gasolina;
• querosè, etc.

A més, una petita quantitat de líquids inorgànics, com el brom líquid i el sofre fos, es classifiquen en líquids no electrolits.

Cal destacar que els mateixos dissolvents orgànics no reaccionen amb els metalls, tot i que, davant d’una petita quantitat d’impureses, es produeix un intens procés d’interacció.

Els elements de sofre a l’oli augmenten la taxa de corrosió. A més, les altes temperatures i la presència d’oxigen en el líquid milloren els processos de corrosió. La humitat intensifica el desenvolupament de la corrosió d’acord amb el principi electromecànic.

Un altre factor en el ràpid desenvolupament de la corrosió és el brom líquid. A temperatures normals, és especialment perjudicial per als acers amb altes emissions de carboni, alumini i titani. Menys significatiu és l’efecte del brom sobre el ferro i el níquel. La major resistència al brom líquid es mostra pel plom, la plata, el tàntal i el platí.

El sofre fos es produeix en una reacció agressiva amb gairebé tots els metalls, principalment amb plom, estany i coure. Les qualitats de carboni d’acer i sofre de titani són menys afectades i destrueixen gairebé completament l’alumini.

Les mesures de protecció per a estructures metàl·liques ubicades en medis líquids no conductors es duen a terme afegint metalls resistents a un medi específic (per exemple, els acers amb un alt contingut en crom). També s’utilitzen recobriments de protecció especial (per exemple, en un entorn on hi ha molt sofre, s’utilitzen recobriments d’alumini).

Mètodes de protecció contra la corrosió

Els mètodes de control de la corrosió inclouen:

• processar el metall base amb una capa protectora (per exemple, aplicar pintura);
  
• l’ús d’inhibidors (per exemple, cromats o arsenites);
• la introducció de materials resistents als processos de corrosió.

L’elecció d’un material específic depèn de l’eficàcia potencial (incloses les tecnològiques i financeres) del seu ús.

Els principis moderns de protecció del metall es basen en aquestes tècniques:

1. Millora de la resistència química dels materials. Els materials resistents químicament (plàstics d’alt polimer, vidre, ceràmica) s’han demostrat amb èxit.
2. Aïllament del material d’un entorn agressiu.
3. Reduint l’agressivitat de l’entorn tecnològic. Exemples d’aquestes accions són la neutralització i l’eliminació de l’acidesa en ambients corrosius, així com l’ús de diversos inhibidors.
4. Protecció electroquímica (imposant un corrent extern).

Els mètodes anteriors es divideixen en dos grups:

1. S’aplica una major resistència química i l’aïllament abans de posar en funcionament la obra metàl·lica.
2. La reducció de l’agressivitat del medi ambient i la protecció electroquímica ja s’utilitzen en el procés d’ús d’un producte metàl·lic. L'aplicació d'aquestes dues tècniques permet introduir nous mètodes de protecció, a causa dels quals es proporciona una protecció canviant les condicions de funcionament.

Un dels mètodes més utilitzats per protegir els metalls (un recobriment galvànic anticorrosió) és econòmicament poc rendible per a grans superfícies. El motiu és l’elevat cost del procés preparatori.

El lloc principal entre els mètodes de protecció és el recobriment de metalls amb pintures i vernissos. La popularitat d'aquest mètode de lluita contra la corrosió es deu a la combinació de diversos factors:

• altes propietats protectores (hidrofobicitat, repulsió de líquids, baixa permeabilitat al gas i permeabilitat al vapor);
• fabricabilitat;
• àmplies oportunitats de solucions decoratives;
• manteniment;
• justificació econòmica.

Al mateix temps, l’ús de materials àmpliament disponibles no està sense inconvenients:

• humectació incompleta de la superfície metàl·lica;
• adhesió trencada del recobriment amb el metall base, la qual cosa condueix a l’acumulació d’electrolit sota el recobriment resistent a la corrosió i, per tant, contribueix a la corrosió;
• porositat, provocant una major permeabilitat a la humitat.

Tot i això, la superfície pintada protegeix el metall dels processos corrosius fins i tot amb danys fragmentaris a la pel·lícula, mentre que els recobriments galvànics imperfectes poden fins i tot accelerar la corrosió.

Recobriments organosilicats

Per a la protecció contra la corrosió de gran qualitat, es recomana utilitzar metalls amb un alt nivell d’hidrofobia, impermeabilitat en ambients aquosos, de gas i vapor. Aquests materials inclouen organosilicats.

La corrosió química pràcticament no s'aplica als materials organosilicats. Els motius d'això rau en la major estabilitat química d'aquestes composicions, la seva resistència a la llum, qualitats hidrofòbiques i baixa absorció d'aigua. Els organosilicats també són resistents a baixes temperatures, tenen bones propietats adhesives i resistència al desgast.

Els problemes de destrucció de metalls per efectes de la corrosió no desapareixen, malgrat el desenvolupament de tecnologies per combatre-los. El motiu és l’augment constant de la producció de metalls i les condicions de funcionament cada cop més difícils dels productes d’ells. És impossible resoldre finalment el problema en aquesta fase, de manera que els esforços dels científics es centren en trobar oportunitats per alentir els processos de corrosió.