Pregúntele a un metalúrgico:¿Qué es el óxido?

La química de la corrosión:cómo limpiar y proteger sus artículos de metal

El óxido es el nombre común de las sustancias químicas que resultan cuando el hierro reacciona con el oxígeno y el agua. Sin embargo, el "óxido" está mal definido en química:se pueden formar muchos productos químicos cuando el hierro se deja expuesto. Sin embargo, generalmente nos referimos al aspecto rojo y escamoso que resulta de ciertos químicos como óxido.

La corrosión del hierro o el acero produce muchos compuestos diferentes en condiciones ambientales normales. Algunas de estas sustancias químicas serán negras, azules, amarillas, grises o marrones, según las moléculas que tomen del medio ambiente mientras se oxidan. Por ejemplo, la lluvia ácida que contiene azufre puede combinarse con hierro para crear moléculas de pirita, el mineral amarillo llamado “oro de los tontos”. Estos minerales no son lo que consideramos óxido en absoluto. A lo que normalmente nos referimos es a algún tipo de óxido de hierro (III), uno de apariencia roja o marrón rojiza.

Cuando hablamos de oxidación del hierro, por lo tanto, no siempre la relacionamos con los cambios químicos que observamos en otros metales que usamos regularmente. No hablamos de “oxidación” de plata o cobre. En cambio, se dice que el cobre desarrolla una pátina y que la plata se deslustra. Todos estos términos describen la corrosión del metal expuesto.

¿Por qué se oxida el hierro? ¿Por qué el cobre no se oxida?

Los metales se corroen a través de reacciones químicas con su entorno. Los metales refinados y utilizables por humanos a menudo no se encuentran en su forma termodinámicamente más estable. Reaccionan con las moléculas del aire que las rodea para encontrar un estado más estable.

En la oxidación del hierro, este es un proceso de oxidación, donde el oxígeno y el agua trabajan para producir óxidos de hierro. Sin embargo, la corrosión puede ocurrir con otras moléculas. El deslustre de la plata a menudo se produce por reacciones con sulfuro de hidrógeno, un gas que huele a huevos podridos y se produce por descomposición bacteriana en ambientes con poco oxígeno. Si tienes plata cerca de un pantano o cerca de un basurero, ¡se empañará rápidamente!

Algunos metales no se corroen porque ya son químicamente estables. El oro y el platino son ejemplos:es más probable que se encuentren como metal elemental puro en la corteza terrestre por este motivo. La plata también se encuentra como un metal puro, porque cuando se deslustra, el deslustre crea un sello termodinámicamente estable alrededor del resto del metal. Esta película pasiva evita una mayor corrosión de las capas más abajo, en un proceso llamado pasivación.

La pátina de cobre, responsable del distintivo color verde de la Estatua de la Libertad, es un ejemplo de una película pasiva que protege el metal que se encuentra debajo; el cardenillo formado por la erosión del cobre mantiene su unión a la capa de cobre debajo, sellándola y protegiéndola de las moléculas atmosféricas.

Por el contrario, los óxidos de hierro rojo (III) no se unen al hierro debajo de ellos, sino que se desprenden y se desprenden. Por lo tanto, el óxido no proporciona una capa de pasivación, sino que se corroe y expone la siguiente capa de hierro a la oxidación.

Algunas aleaciones a base de hierro, como el acero inoxidable, son conocidas por ser resistentes a la oxidación. Las aleaciones de hierro resistentes al óxido tienen un metal en la mezcla que crea una película pasiva y protectora antes de que se oxide. Para el acero inoxidable, la pasivación se crea mediante la adición de cromo, que se oxida rápidamente, dejando una capa muy delgada que protege el hierro. .

Tipos comunes de corrosión de metales

Los metales se corroen en diferentes ambientes a través de diferentes procesos. La forma más simple de corrosión ocurre cuando los metales reaccionan a la humedad y al aire en su superficie. En ambientes salinos, la presencia de cloro en la sal puede acelerar y moderar este proceso. En la lluvia ácida, los compuestos de azufre pueden ser los responsables.

Los ambientes salinos también facilitan un proceso un poco más complicado llamado corrosión galvánica . En la corrosión galvánica, dos tipos de metales con potenciales eléctricos muy diferentes entran en contacto eléctrico o físico en un baño electrolítico, como el agua de mar. El metal más pasivo, el metal catódico, extrae electrones del metal activo o anódico. Esta reacción química es una forma de corrosión que también constituye la base de las baterías electroquímicas.

Las moléculas recién cargadas en el metal anódico se estabilizan al combinarse con moléculas en el medio ambiente, generalmente produciendo óxidos u otros minerales. En el acero, esos óxidos son el óxido.

El aluminio es un metal que normalmente está protegido por una película pasiva durante la corrosión. Sin embargo, el aluminio puede corroerse rápidamente hasta fallar si se atornilla con tornillos de acero inoxidable, debido a la corrosión galvánica. ¡Los tornillos de acero, por otro lado, serán más resistentes al óxido! La provisión del ánodo de un flujo constante de electrones evita la corrosión en el metal del cátodo. Por esta razón, a veces se adhieren "ánodos de sacrificio" al metal que estará expuesto al mar, como en el casco de un barco, para ayudar a proteger electroquímicamente la membrana del barco.

Corrosión por picaduras es el término para la corrosión que no ocurre uniformemente en la superficie de un metal. En cambio, aparecen pequeños agujeros en el metal. Estas áreas de corrosión más rápida generalmente se deben a la falla del "sello" en el material, ya sea un sellador hecho por el hombre como pintura o una capa de polvo, o el sellador de película pasiva de una capa superior de corrosión. La capa de pasivación puede fallar si hay inclusiones en el metal o si la aleación no es uniforme. El metal es una estructura cristalina hecha de granos, y existen diferentes fases de esas estructuras de granos. Si la química es irregular o está deformada, puede causar puntos que son más vulnerables a la corrosión, e incluso crear corrosión galvánica en todo el cuerpo del mismo metal.

¿Se puede oxidar el acero inoxidable?

El acero inoxidable es una aleación ferrosa resistente a la corrosión que combate la oxidación con la adición de cromo. Se utilizan diferentes porcentajes de cromo para hacerlo resistente al uso habitual o al uso intensivo en ambientes salinos, como ocurre con el acero inoxidable 316.

Sin embargo, ¡incluso el acero inoxidable puede oxidarse! Todo el hierro que está encerrado en el metal solo necesita exposición para reaccionar. Se basa en la capa pasiva de "sellado" de óxido de cromo para protegerlo.

La capa de óxido de cromo tiene solo unas pocas moléculas de espesor y no se forma instantáneamente. Cuando se fabrica acero inoxidable, se limpia con un ácido. Este ácido elimina cualquier depósito de hierro, sal o grasa a nivel superficial que podría causar un problema para la reacción química del cromo. Dependiendo del tipo de ácido utilizado, puede ser parte del proceso de pasivación o simplemente preparar el acero para pasivarse naturalmente en el aire.

Debido a que esta película pasiva es una sustancia química, puede alterarse. Las temperaturas muy altas que superan los 750 °F pueden causar cambios moleculares en el cromo que evitan la oxidación, por lo que se puede formar óxido alrededor del sitio de una soldadura en acero inoxidable. En otros casos, la capa de óxido de cromo puede verse comprometida por cambios térmicos rápidos, abrasión, rotura, sal, ácido y la acumulación de otros depósitos metálicos. Si el acero inoxidable entra en contacto con demasiado hierro, el porcentaje de cromo localizado puede caer por debajo del porcentaje mínimo necesario para mantener una película (límite inferior del 10,5 %).

Por lo tanto, fregar el acero inoxidable con lana de acero puede empeorar el problema de la oxidación. A medida que el cromo se desgasta, las moléculas de acero del depurador pueden convertirse en parte del metal base, lo que reduce el contenido local de cromo. Cuando la pasivación falla en el acero inoxidable y el hierro se expone al agua y al aire, se forma el óxido.

Cómo limpiar el óxido del acero inoxidable

Los consejos sobre la limpieza del acero inoxidable a menudo sugieren que debe "tener cuidado de rayar la superficie de cromo" y, por lo tanto, recomienda no usar abrasivos y otros productos químicos. Esto no es del todo correcto:el óxido es indicativo de que la superficie de óxido de cromo ya ha sido dañada. El objetivo de limpiar el óxido del acero inoxidable en un contexto no industrial (en el hogar o en una pequeña cocina comercial) es primero limpiar completamente la aleación inoxidable, eliminando todo el óxido pero también todos los depósitos de hierro, sal, grasa o ácido. y luego permitir que el material se “auto-pasivice”, es decir, que reaccione con el aire para volver a formar el sello. Mantenerse alejado de todas las formas de hierro y acero al hacer esto es una forma de estar feliz con el resultado.

Para limpiar el óxido del acero inoxidable:

1. Se puede usar un abrasivo suave como el bicarbonato de sodio para fregar la superficie, con un paño, una esponja o un cepillo de cerdas suaves, para eliminar el óxido.
2. A medida que se eliminen el óxido y cualquier contaminante, el cromo se pasivará automáticamente, instantáneamente, creando su propio escudo protector.
3. La capa de óxido de cromo se vuelve más gruesa durante los siguientes días, por lo que el secado al aire durante la noche ayuda a construir su protección.
4. Después de un buen enjuague, el acero inoxidable se puede dejar secar al aire o se puede limpiar y pulir con un limpiador especial para acero inoxidable.

En entornos de fabricación, el acero inoxidable a veces se limpia en un baño caliente de ácido nítrico, que "fuerza" una capa más gruesa de pasivación. Por razones medioambientales, muchos fabricantes actualmente están pasando al uso de ácido cítrico para la limpieza, como podría ser más común en el hogar, y luego permiten que el acero inoxidable se "autopasivice".

Cómo eliminar el óxido del hierro fundido y el acero

A diferencia de eliminar el óxido de las aleaciones de acero inoxidable, el uso de lana de acero o un cepillo de cerdas de alambre puede ayudar a eliminar el óxido del hierro fundido o el acero.

Para superficies sencillas y más pequeñas, como sartenes de hierro fundido oxidadas:

1. Un estropajo y un poco de esfuerzo pueden eliminar la capa de óxido de hierro. La sal es un abrasivo de uso común.
2. Luego se debe lavar bien la sartén.
3. La sartén debe secarse con calor, de modo que todos los poros de la superficie tengan líquido expulsado de ellos.
4. El hierro fundido se debe sazonar con aceite, que forma un sellador polimérico cuando se hornea sobre la superficie.
5. Este aceite puede pintarse sobre la superficie en una capa delgada y luego hornearse (al revés para evitar que se acumule) a 375° durante 1 hora. Se pueden agregar capas adicionales si se desea.
6. El aceite de linaza de calidad alimentaria es la opción ideal en los aceites de condimento, proporcionando un acabado duro y brillante.

El fregado no es práctico para muchos objetos de formas o tamaños complejos. En este caso, los métodos químicos de eliminación pueden ser el mejor enfoque. Tienen una eficacia variable, según el tipo de aleación de que se trate. Se pueden usar ingredientes domésticos comunes como vinagre, melaza o ácido cítrico. La melaza es una opción sorprendente y lleva más tiempo que el vinagre, pero puede ser bastante eficaz, ya que se descompone en ácido oxálico, que ayuda a eliminar el óxido.

También hay disponibles productos comerciales para eliminar el óxido, a menudo elaborados con ácidos más fuertes. Remojar estos líquidos y luego quitarlos y secarlos puede ser efectivo para restaurar viejos tesoros oxidados.

Sin embargo, al igual que con las sartenes de hierro fundido, es importante considerar cómo se protegerán el acero y el hierro de los elementos después de haberlos limpiado.

Protección de metales ferrosos

El hierro, en presencia de aire y agua, se oxida. Esto significa que mientras la humanidad ha estado trabajando con el hierro, también hemos estado trabajando en los mejores selladores para el hierro. Hay muchas formas de crear una capa apretada.

Pasivación forzada —Una forma muy común de sellar hierro o acero es corroer la primera capa en un óxido de hierro (II), u óxido negro, que actúa como otras pátinas metálicas y sella el metal. La única diferencia entre este proceso y el que ocurre con el cobre, el zinc o el cromo es que no ocurrirá en condiciones ambientales normales. Por lo tanto, si la capa superior del artículo está dañada, todo el artículo deberá restaurarse. Esto se conoce como "azulado" cuando se hace con pistolas a través de un proceso, o "ennegrecido" en la mayoría de los talleres mecánicos, a través de un proceso similar pero con productos químicos ligeramente diferentes. En los procesos de ennegrecimiento en frío, el óxido de hierro (II) se puede pintar sobre la superficie, proporcionando una protección ligeramente menos duradera.

Uso y cuidado regulares, incluido engrasado o encerado —Algunos hierros o aceros en funcionamiento se dejarán en su mayor parte crudos, donde el uso, el cuidado o el entorno los mantendrán brillantes. Tradicionalmente, las armas como las espadas y los equipos como los cuchillos podrían haberse dejado "en bruto", pero se secaban y aceitaban con aceites minerales o de cocina, que son selladores temporales que necesitan una reaplicación periódica. Para un almacenamiento prolongado, se pueden usar ceras y otros pulidores para crear un sello, pero uno que aún se desgastaría con el uso.

Las partes del motor expuestas al aceite normal pueden quedar crudas, ya que el calor y el aceite alrededor del motor hacen que sea poco probable que se oxiden, pero las superficies exteriores pueden estar pintadas. Los sistemas de escape de los automóviles dependen de las temperaturas más altas de un motor completamente caliente para evitar la corrosión, por lo que conducir el tiempo suficiente para que el bloque del motor se caliente es una forma de evitar la oxidación en un silenciador. (En los motores de carreras de alto rendimiento, el interior también puede pintarse, pero esto es principalmente para ayudar con la circulación del aceite).

Selladores aplicados —Muchos productos de hierro y acero están protegidos por una capa dura de otra sustancia. Estos incluyen:

• Aceite polimerizado: El aceite de linaza (hecho de lino, pero no según los estándares de calidad alimentaria) fue uno de los acabados originales de los productos de hierro forjado. Un herrero podría templar en aceite o pintar un objeto con aceite y luego quemarlo, proporcionando el tradicional brillo negro-marrón que todavía emulamos en el hierro forjado hoy en día, generalmente con lacas, pinturas o barnices.
• Galvanización en caliente: En este proceso, el zinc se aplica al acero o al hierro en un baño fundido. La galvanización con zinc tiene varias propiedades protectoras. En primer lugar, crea una pátina que sella tanto el zinc como el hierro o el acero que se encuentran debajo. En segundo lugar, es más "activo" que los metales a los que se aplica. Durante la vida útil de un objeto de acero galvanizado, el zinc actúa como el "ánodo de sacrificio". A medida que se degrada, protege y retarda la corrosión del acero que se encuentra debajo, incluso si ese acero queda expuesto.
• Galvanizado: El zinc se puede aplicar al acero no a través de un baño de inmersión, sino haciendo pasar una carga eléctrica a través del objeto de acero y rociándolo con partículas de zinc cargadas. Esto provoca una unión eléctrica uniforme e ininterrumpida sobre la superficie del metal.
• Recubrimiento en polvo: El proceso de aplicación del recubrimiento en polvo es similar al de la aplicación de zinc en el sentido de que tanto el objeto como el sellador están cargados electrostáticamente, lo que significa una unión molecular sin las más mínimas interrupciones que dejarán pasar la humedad. Luego, la capa de polvo resinoso se hornea sobre el objeto en un horno caliente. La capa mantendrá el brillo durante años, brindando una protección superior y requiriendo un mantenimiento mínimo.
• Pintura: Tanto en interiores como en exteriores, e incluso en el corazón de los motores de alto rendimiento, la pintura es un sellador popular y versátil. Como sellador económico, todavía hace un muy buen trabajo protegiendo el hierro y el acero de los elementos. Cuando se agrieta y se desgasta, es lo suficientemente simple como para lijar y volver a aplicar. El inconveniente de la pintura es su propia tendencia a agrietarse y descascararse con el clima:incluso un pequeño agujero en la capa de sellador puede iniciar el proceso de oxidación debajo. Sin embargo, estos inconvenientes a veces son manejables con el uso de una parte o parte de una rutina de mantenimiento regular.

Cuidado de objetos metálicos

El metal es un material duradero clásico, utilizado para crear objetos y estructuras que duran muchas vidas. Sin embargo, la mayoría de los metales siguen siendo vulnerables a la corrosión y la descomposición electroquímica. Al comenzar un proyecto, la consideración del entorno en el que se encontrará el metal permite al diseñador elegir el metal que resistirá mejor en esas condiciones.

El hierro es muy propenso a la oxidación y, por lo general, el óxido se asienta con el más mínimo indicio de agua y oxígeno. A diferencia de otros metales, esta oxidación no formará su propia capa pasiva de sellado. Por lo tanto, los selladores generalmente se usan con metales ferrosos. Encontrar el tipo adecuado y vigilar el metal durante décadas de uso puede ayudar a prolongar la vida útil de cualquier objeto de metal.