Galvanización de acero:protección contra la oxidación "impactante"

¿Por qué elegir acero galvanizado sobre acero inoxidable?

Decimos que estamos "galvanizados" cuando algo nos impulsa a la acción. Entonces, ¿qué significa cuando usamos el término acero galvanizado o metálico?

Resulta que todo se trata del impacto.

Los metales ferrosos contienen hierro e incluyen el 90% de la fabricación de metales del mundo. El hierro es denso, fuerte (cuando se mezcla con carbono para convertirse en acero), abundante y fácil de refinar. Estas propiedades lo convierten en el metal más importante que tenemos para la industria y la construcción.

Sin embargo, el hierro y muchas de sus aleaciones también son muy propensos a oxidarse cuando se exponen al aire y al agua. La protección contra la corrosión es parte del diseño de metales ferrosos. A veces, esta protección puede provenir del tipo de aleación; los aceros inoxidables, por ejemplo, tienen cromo y otros elementos para la protección química contra la corrosión. Sin embargo, estas adiciones pueden cambiar las propiedades mecánicas. También pueden ser costosos. A veces, se usa un sellador, como recubrimiento en polvo, pintura o tratamientos de aceite.

El acero galvanizado es aún más común, pero se entiende menos. ¿Cómo se fabrica el acero galvanizado? ¿Estimula la acción de los metales ferrosos? ¿El acero galvanizado se oxida? ¿Cuándo usa acero galvanizado, aluminio o acero inoxidable?

¿Qué es el acero galvanizado?

La galvanización es un proceso en el que se aplican recubrimientos de zinc al acero o al hierro, creando una barrera que protege al metal ferroso de la corrosión. La capa de zinc funciona físicamente bloqueando el agua y el aire para que no lleguen a la superficie del acero y químicamente ofreciendo protección catódica. Esta protección es electroquímica… como la “galvanización” metafórica que nos incita a la acción. La palabra proviene del nombre del científico del siglo XVIII Luigi Galvani, pionero en bioelectromagnetismo.

La galvanización generalmente se realiza a altas temperaturas. Aunque se puede agregar una capa de zinc mediante pintura o galvanoplastia, cualquiera de estos solo crea una capa delgada, una superficie brillante de solo 3 micrones de espesor. Una aplicación tópica como esta es vulnerable en aplicaciones al aire libre donde la resistencia a la corrosión es importante.

La verdadera galvanización ocurre a altas temperaturas y se basa en la interacción química entre el zinc, el oxígeno y el dióxido de carbono. Los tres reaccionan a la temperatura para crear una capa de carbonato de zinc gris oscuro que suele tener un grosor de 50 micrones y es mucho más duradera en lugares al aire libre.

¿El acero galvanizado se oxida?

Quizás se esté preguntando, “¿el acero galvanizado se oxida?” La respuesta es sí... hasta cierto punto, y en función de las condiciones. El grado de oxidación del acero galvanizado se basa en el grosor de la capa protectora de zinc (del que hablaremos con más detalle a continuación) y el tipo de ambiente corrosivo.

¿En qué condiciones se oxida el acero galvanizado? Los más comunes incluyen alta humedad, ambientes húmedos o empapados, sal en el aire o el agua, musgo y ácidos. Pero, la galvanización también proporciona una buena resistencia al contacto con hormigón, mortero, plomo, estaño, zinc y aluminio.

La galvanización ayuda a prolongar la lucha contra la acumulación de óxido. Se basa en la oxidación del zinc para proteger contra la oxidación del acero o el hierro. Con las condiciones adecuadas, el acero galvanizado resiste la oxidación hasta por 50 años. Se detiene el óxido, o la oxidación de los metales ferrosos. Sin embargo, todavía se produce oxidación en el zinc (solo que esto no se conoce como óxido).

Cuando el zinc finalmente se convierta en su totalidad por la oxidación, ya no protegerá y el acero se masticará.

Galvanización en caliente

La galvanización por inmersión en caliente es la forma más común de galvanización con zinc. En este método, las piezas de acero o hierro se limpian de escombros y escamas de laminación y luego se sumergen en un baño de zinc o aleación de zinc a una temperatura cercana a los 840 °F. El acero se deja en el baño hasta que alcanza la misma temperatura, después de lo cual se levanta y se enfría. Este enfriamiento se puede realizar rápida o lentamente, según el aspecto deseado del producto final.

El galvannealing es el proceso de galvanización en un baño de zinc que tiene una adición de aluminio. Mientras el metal aún está caliente, todo el producto se trata térmicamente, provocando la formación de varios estratos de aleaciones de zinc-hierro. La adición de aluminio y el tratamiento térmico posterior le da al acero resultante una mejor soldabilidad. El acero galvanizado generalmente desarrollará una pátina rojiza similar a la oxidación, pero no se corroerá de la misma manera que se corroen las aleaciones ferrosas sin protección.

Galvanizado en seco

Un método menos común para la galvanización con zinc es la galvanización en seco. Este proceso también se conoce como Sherardizing, llamado así por el metalúrgico Sherard Cowper-Coles, quien desarrolló el método. En esta técnica, las piezas pequeñas de acero se calientan en un tambor giratorio cerrado, junto con polvo de zinc y arena, hasta que la temperatura y el movimiento hacen que el zinc se funda químicamente con la superficie del acero. A continuación, la pieza se templa. A menudo se utiliza para piezas pequeñas y piezas con superficies internas a las que no se puede llegar con la inmersión en caliente.

Lentejuela

Una de las características tradicionalmente reconocibles del acero galvanizado es la lentejuela en su superficie. Todo el metal se congela en formas cristalinas, como una serie de copos de nieve muy juntos. Para la mayoría de los metales, este grano cristalino es demasiado pequeño para verse, o los límites del grano no son evidentes sin grabado. La galvanización con aleación de zinc permite ver el patrón de cristalización que se forma durante la congelación del metal.

La forma y el tamaño de la lentejuela pueden dar una idea de las condiciones de enfriamiento después del galvanizado en caliente. Cuanto más lentamente se congela la superficie, más grandes son los granos de cristal, que a menudo se muestran como formas de plumas u hojas. Un enfriamiento rápido a temperaturas más frías puede conducir a un grano más pequeño, más regular o más cuadrado.

Gran parte de la lentejuela más llamativa a menudo se crea con pequeñas cantidades de plomo o estaño en la aleación de zinc. Estas adiciones permiten la creación de granos similares a las dendritas, el proceso de congelación que fomenta que las formas parecidas a plumas se estiren por la superficie. El desarrollo de la galvanización sin plomo ha creado recubrimientos de zinc que se congelan desde el acero hacia arriba. Estas aleaciones sin plomo pueden crear lentejuelas más redondas que pueden tener menos de 0,5 mm de ancho. La interacción entre la aleación y las condiciones de congelación significa que un galvanizador experto puede influir en el tamaño y la forma del floreado en el producto final.

Corrosión galvánica y ánodos de sacrificio

El proceso de galvanización no es solo una cuestión de crear una capa de zinc alrededor del metal para crear una barrera física. Si lo fuera, podrían usarse otros metales. Más bien, el zinc protege a través de un proceso químico llamado "protección catódica".

Cuando dos metales con potenciales eléctricos muy diferentes se colocan juntos en un baño electrolítico, comienzan a actuar como ánodo y cátodo en una reacción electroquímica, creando una corriente. El más "activo" de los dos metales, el ánodo, se corroerá más rápidamente que si estuviera solo, porque ofrece electrones. Las moléculas despojadas de electrones dentro de este ánodo son químicamente inestables y buscan formar moléculas estables con los químicos del medio ambiente, produciendo óxidos y otros productos de corrosión. Las baterías utilizan esta forma de corrosión galvánica para generar corriente.

Los metales se clasifican por su reactividad en un índice anódico. El oro, el más inerte o pasivo de los metales, se utiliza como material de referencia. Todos los demás metales reciben un número que representa su voltaje cuando están en un baño electrolítico con oro. Este índice es la base de la escala galvánica, que clasifica los metales del más pasivo al más activo:

En la galvanización, el zinc, un metal anódico, cubre el acero o el hierro. Funciona como sellador, pero si hay agujeros en la cubierta, el sacrificio electroquímico del zinc significa que se corroerá primero, ya que es el más activo de los dos metales. Esta propiedad de un metal más anódico protegiendo a otro más catódico se aprovecha deliberadamente en los cascos de los barcos que, sumergidos en agua de mar, tienen riesgo de corrosión. Estos ánodos de sacrificio, también llamados zincs, generalmente se atornillan al casco. A menudo, las piezas de zinc se incluyen en el diseño de una hélice u otro dispositivo.

El zinc se sacrifica rápidamente, pero no demasiado rápido, en presencia de hierro. Mirando la escala galvánica, es claro que el aluminio, el magnesio y el berilio también podrían ser "más activos" y, por lo tanto, protectores. Sin embargo, el aluminio es más difícil de unir al acero, más caro y tiene un índice anódico demasiado cercano para funcionar tan bien como un ánodo de sacrificio. Por otro lado, el magnesio se disolvería mucho más rápido y, además, podría ser más reactivo en muchos entornos. El zinc también tiene la ventaja de proteger contra la degradación orgánica o bacteriana. El berilio es raro, caro y muy inestable.

Acabado acero galvanizado

Se puede formar óxido blanco en el acero galvanizado a medida que el zinc se descompone en hidróxido de zinc. Este "óxido" es de hecho el producto de la corrosión del zinc, pero en condiciones normales ocurre a un ritmo mucho más lento que el acero sin protección se oxida. Para ayudar a retardar aún más este proceso, a veces el metal galvanizado se engrasa u ocasionalmente se pasiva con cromo para crear una capa de sellado final. Este metal aceitoso o pasivado no se puede pintar ni terminar de otra manera, pero en muchos climas se verá bien durante décadas y se mantendrá estructuralmente sólido por más tiempo. El acero galvanizado es útil para piezas de trabajo aceitadas que pueden ver que la pintura se desgasta rápidamente.

En aplicaciones donde se prefiere la estética de la pintura o la capa de polvo, el acero galvanizado se puede dejar sin recubrir. Sin embargo, la mayoría de las veces un artículo se galvaniza o se pinta, no ambos, para mantener el ahorro de costos de cada enfoque.

Acero galvanizado vs aluminio vs acero inoxidable

La galvanización es una forma rentable de ayudar a proteger el metal que estará expuesto a elementos potencialmente corrosivos. El aluminio y el acero inoxidable también se utilizan para aplicaciones que necesitan un metal fuerte y resistente a la corrosión. Son mejores opciones para utensilios de cocina, utensilios y cuidado de la salud, ya que demasiado zinc puede ser tóxico y tanto los ácidos como el calor pueden movilizar el zinc. En lugares donde la lentejuela gris mate del acero galvanizado no es ideal, presentan una estética más brillante y adaptable.

El aluminio y el acero inoxidable cuestan más y sus propiedades mecánicas no son idénticas al acero. Para aplicaciones donde las propiedades mecánicas, la estética o el peso del metal son importantes, los materiales más caros pueden ser la opción óptima. En otros lugares, donde se desea la funcionalidad del acero estándar, el proceso de galvanización es ideal para impermeabilizar a bajo costo.