Pasivación de metales: Protegiendo hierro y acero de la corrosión

Capas químicas que protegen el metal de la corrosión

Muchos metales son vulnerables a la corrosión cuando se exponen al aire y agua. La corrosión puede causar estrés en el metal y fallo de la pieza, por lo que los metalúrgicos buscan formas de derrotarla. Uno de esos métodos es la pasivación de metales, un método menos conocido de protección contra la corrosión de una superficie que usa una fina capa química como sellante. La pasivación puede ocurrir naturalmente o ser fomentada por procesos de fabricación.

¿Qué es la corrosión?

La corrosión del metal ocurre cuando las moléculas de una aleación metálica activa reaccionan en su entorno para volverse electroquímicamente más estables. Óxidos, hidróxidos y sulfuros son los principales compuestos de la corrosión. La simple exposición puede llevar a la reacción, como el hierro oxidándose en agua y aire. Los procesos electroquímicos también pueden causar la reacción, como la corrosión galvánica entre níquel y cadmio en una batería.

Hay metales que resisten la corrosión. Los metales nobles como oro, plata y 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 oscurecimiento negro grueso de la plata suele ser causado por sulfuro de hidrógeno en lugar de oxígeno y agua. Los metalúrgicos verifican el potencial activo de los metales usando la escala galvánica o índice anódico. Los cercanos a la parte superior son menos inherentemente propensos a la corrosión.

Los metales "activos", o aquellos más cerca del fondo de la escala, son químicamente menos estables y, por tanto, más propensos a reaccionar con otros elementos en el entorno. Para prevenir esto, se usan procesos activos o pasivos para reducir la corrosión. Estos procesos generalmente funcionan "sellando" el metal con una capa superior, impidiendo que el aire y el agua lleguen al metal debajo. La capa puede ser artificial: pintura, recubrimiento en polvo y aceite son sellantes comunes. Si se rayan, sin embargo, la corrosión se cuela.

Otra opción para sellar el metal es química, donde se usan 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 a través, haciendo el material "pasivo" al entorno circundante. La pasivación, quizás contraintuitivamente, fomenta que la corrosión ocurra en la superficie, creando una fina capa de un nuevo químico no reactivo. Esta capa superior se mantiene firmemente unida al metal, creando un sello natural que bloquea los elementos de corroer capas subsiguientes del metal. Un metal está pasivado cuando cada superficie está cubierta con una capa firmemente unida de corrosión. Esta capa puede construirse naturalmente (pasivamente) con el tiempo, pero los fabricantes también pueden inducirla activamente.

Historia de la pasivación

La pasivación fue descubierta por científicos haciendo experimentos electroquímicos, pero no reconocieron inmediatamente la utilidad del proceso para uso general. En 1790, el químico James Keir observó que un baño de ácido nítrico fuerte no corroyó el hierro. Notó que cuando la misma solución se diluía con agua, el hierro se corroía inmediatamente, creando una solución burbujeante de agua marrón oscura. Para 1836, el químico suizo Christian Friedrich Schönbein especificó el experimento más. Demostró que una pieza de hierro sumergida en ácido nítrico débil se disuelve e produce hidrógeno, como notó Keir. Sin embargo, si el hierro se sumergía primero en ácido fuerte, 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. Hipotetizó a Schönbein que una piel de óxido creada por el ácido fuerte podría causar la condición pasiva. A medida que químicos y metalúrgicos exploraron la idea de una "piel" química, buscaron técnicas para fabricar o mejorar la pasivación, y aleaciones que crearían sellos pasivos orgánicamente.

Capas de óxido pasivas

A medida que los metales se exponen al entorno circundante, si no están bloqueados por pintura o recubrimiento en polvo, se corroerán naturalmente, creando la piel, o capa de sello. La mayoría de películas pasivas están hechas de óxidos, combinaciones de metal y oxígeno, por lo que se llaman capas de óxido pasivas.

Uno de los mayores beneficios de las capas de óxido pasivas es que cuando surgen naturalmente, también "sanarán" naturalmente si la superficie del metal se raya o daña, ya que la siguiente capa de moléculas se unirá entonces con los elementos ambientales.

La efectividad de las capas de óxido pasivas depende del tipo de elementos involucrados. No todas las capas de óxido son protectoras: si el óxido es lo suficientemente poroso para que el oxígeno pase, no se formará sello y el metal debajo continuará corroyéndose. Por ejemplo, el óxido de magnesio forma una capa con alta porosidad superficial que no detiene la corrosión. Las moléculas de oxígeno aún fluyen a través y reaccionan con el magnesio debajo.

Asimismo, los elementos en el 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 naturalmente, el óxido se instalará.

Pasivación forzada

Para algunas aleaciones, la pasivación natural puede llevar mucho tiempo; para otras, puede desarrollarse de forma desigual, con variaciones en el grano del metal o en la presencia de depósitos superficiales. Los metalúrgicos crearon métodos de pasivación activa para acelerar y estandarizar el proceso para crear productos inmediatamente utilizables.

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 descama como el óxido (Fe2O3). Varios procesos químicos pueden usarse para crear estos óxidos negros usando calor y soluciones cáusticas. Sin embargo, aunque el azulado protege contra la corrosión, una capa dañada no "sana" en condiciones normales. El azulado es, por tanto, un sellante fabricado que necesita mantenimiento y cuidado.

Hoy, los tratamientos de pasivación activa comunes tienen varios pasos:

• Limpiar el artículo para eliminar aceite superficial e impurezas. No debe haber áreas selladas del baño de ácido por un recubrimiento externo.
• Pasivar en baños de ácido nítrico o cítrico, o usando un proceso electroquímico. Para acero inoxidable, este paso elimina cualquier depósito libre de hierro que inhibiría al acero inoxidable de formar una película pasiva sólida. A nivel microscópico, un depósito de hierro libre impediría que la capa pasiva de óxido de cromo formara un sello continuo. La capa de pasivación después del baño de ácido nítrico está hecha de Cr2O3.
• Enjuagar el artículo de todos los rastros de la solución ácida, llevándose cualquier hierro libre restante.
• El artículo se coloca bajo condiciones que promueven la oxidación. Las condiciones incluyen una combinación de temperatura y humedad aumentadas, y uso de agentes promotores de óxido como niebla salina, sulfato de cobre o ferricianuro potásico.

Acero inoxidable y otras aleaciones auto-pasivantes

El acero inoxidable es un metal duro que tiene resistencia a la corrosión a través de pasivación natural. Desde su invención en 1913, muchas industrias han llegado a depender del metal. Sin embargo, no está garantizado que sea libre de óxido.

El acero inoxidable, como otros aceros, está hecho 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. Varios grados de acero inoxidable contienen diferentes metales de soporte: molibdeno, silicio y otros componentes prestan soporte pasivo para diferentes aplicaciones. Algunos grados son superiores gestionando calor, otros resistiendo corrosión por sal: la mezcla química de la aleación cambia cómo se comporta bajo diferentes condiciones. Depósitos de hierro, calor, contacto con otros metales, sal y ácidos pueden desafiar la capa de óxido.

El aluminio es otro metal que pasiva naturalmente. El óxido de aluminio se forma en la mayoría (aunque no todas) las aleaciones de aluminio cuando se exponen al aire, haciendo la superficie auto-protectora. El óxido de aluminio puede ser desafiado por sal, estrés electroquímico o humedad atrapada. Con tanto acero inoxidable como aluminio, los procesos de fabricación se usan para ayudar a soportar la creación de capas pasivas de mayor grosor o uniformidad que podrían ocurrir naturalmente.

Estándares de pasivación para acero inoxidable y aluminio

El acero inoxidable y el aluminio son ambos materiales auto-pasivantes, pero no son impermeables a la corrosión. Irregularidades en el grano, creadas por fabricación o tratamientos térmicos, pueden crear debilidad. Depósitos superficiales de aceite u otros productos químicos también pueden interrumpir la película pasiva. Para asegurar la calidad de grados de acero inoxidable y aluminio, ahora hay procesos y pruebas de pasivación estándar.

Las especificaciones ASTM A380 y A967 establecen estándares y procedimientos de prueba de calidad para pasivación de acero inoxidable usando ácido nítrico, ácido cítrico o por medios eléctricos.

El cromo a veces se usa para pasivar otros materiales, pero a menudo vía aplicación en lugar de incorporarse en la aleación. Un proceso llamado conversión de cromo se usa para aluminio y otros metales, como zinc y níquel. En esta técnica, un gel de cromo se pinta sobre la superficie del metal. El químico se une a la superficie del metal, creando una capa pasiva que demuestra alta resistencia a la corrosión. Un rasguño en una pasivación de conversión de cromo sufrirá un proceso de auto-curado. El cromo alrededor del rasguño se mueve para unir y recrear la capa de pasivación. Sin embargo, el rasguño necesita ser lo suficientemente pequeño para que esto sea posible con el cromo circundante.

Decapado vs. pasivación de acero inoxidable

La pasivación del acero es un proceso que usa un baño de ácido para dejar atrás una capa de óxido. El decapado es otro tratamiento con baño de ácido, pero tiene el objetivo opuesto: el decapado usa un ácido para limpiar óxidos de la superficie del metal.

Cuando los óxidos recubren la superficie de un metal, el artículo se vuelve más difícil de mecanizar. Los óxidos causan mayor estrés en las puntas de herramienta y pueden derrotar intentos de sellar la superficie con pintura o recubrimiento en polvo. El decapado elimina todos los óxidos, incluyendo los que funcionan como capa pasiva. El acero y hierro suelen decaparse.

En la producción de una pieza metálica, la pieza puede decaparse, mecanizarse y luego pasivarse.

Electropulido de acero inoxidable y otros metales

El electropulido es un paso de acabado metálico que desbarba y alisa, dejando una superficie limpia y brillante. Puede usarse en muchos metales, incluyendo los que no se fomentan para pasivar, como el cobre. En metal pasivante, una superficie lisa puede crear capas pasivas ininterrumpidas y resistentes.

Un objeto a electropulir se le da una carga positiva y se sumerge en un baño electrolítico. Cátodos circundantes jalan las moléculas superficiales del objeto, afeitando su capa superior. Las protuberancias irregulares son las primeras en ser jaladas. En niveles macroscópicos y microscópicos, el metal electropulido tiene pocas irregularidades o grietas.

Al electropulir acero inoxidable, el hierro se elimina preferentemente, dejando más cromo en la superficie. Una superficie lisa, ininterrumpida y libre de hierro fomenta naturalmente una capa de pasivación sólida en acero inoxidable.

Cuando la pasivación falla

La pasivación no siempre es la solución ideal; los problemas potenciales abarcan una amplia gama de variables. Ciertos tipos de metales son incapaces de pasivar, porque el metal se descama al corroerse. Si un metal es estructuralmente capaz de pasivar, las cosas aún pueden salir mal durante el proceso de baño de ácido. Por otro lado, incluso un metal perfectamente pasivado puede no ser utilizable en ciertas industrias, la química puede causar problemas en aplicaciones electroquímicas.

¿Por qué algunos metales se descaman al corroerse?

Los óxidos metálicos pueden tener una estructura cristalina mayor que sus moléculas metálicas constituyentes. Por ejemplo, el óxido de hierro (III), el subproducto de corrosión rojo mejor conocido como óxido, tiene una estructura mayor y, por tanto, mayor superficie que el hierro elemental que lo produce. Esta mayor superficie fuerza al óxido a levantarse de la superficie del metal debajo, causando burbujeo y descamación. La separación del óxido del metal expone la siguiente capa a aire y humedad, y el ciclo continúa, comiendo la superficie.

En situaciones donde óxidos, hidróxidos o sulfuros tienen mayor superficie que el metal del que surgen, no se forma capa de pasivación.

Ataques flash de pasivación

A veces, un fabricante encontrará que en un lote de artículos pasivantes, uno o más se vuelven negros y comienzan a grabarse incluso en un baño de ácido nítrico fuerte. Este estado activo se conoce como "ataque flash". Puede ser bastante confuso, ya que a veces puede atacar algunos artículos pero dejar otros en la misma cesta de inmersión solos.

Las razones del ataque flash tienen que ver con la consistencia de los químicos involucrados en hacer la película pasiva. Si el baño de ácido nítrico ha estado en uso por mucho tiempo, puede haber acumulado sales o agua. Las piezas mismas a menudo son un problema: puede haber aceite de corte dejado en piezas de máquina, o tratamientos térmicos o control de calor durante el mecanizado pueden haber cambiado desigualmente la estructura molecular de la pieza. También puede haber inclusiones o inconsistencias dentro de la propia aleación.

Evitando la pasivación

Hay momentos donde la pasivación puede causar problemas para el funcionamiento adecuado de una pieza metálica.

Los tratamientos electroquímicos a menudo requieren cátodos y ánodos metálicos para hacer correr una corriente eléctrica a través de una solución. Estos sistemas pueden fomentar 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 caigan lejos de los cátodos. El lodo o escoria de óxido puede caer y no interferir con la actividad electroquímica del proceso.

Capas de pasivación para sellar y proteger

Muchos metales reaccionan con el entorno produciendo óxidos, hidróxidos o sulfuros. Estos productos de corrosión surgen de formas similares pero tienen diferentes propiedades.

El oscurecimiento de la plata, que surge lentamente mientras la plata se combina con sulfuros en el aire, funciona como una capa pasiva. Apaga 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 gama de color verde que produce. El verdín es una mezcla de carbonatos, sulfuros, sulfatos y cloruros, creado por el cobre reaccionando a lluvia ácida o dióxidos de carbono. El óxido, el óxido de hierro más común, produce pigmento naranja o rojo ladrillo. A diferencia del verdín, debe controlarse cuidadosamente para que la superficie burbujeante no permita que el acero debajo se oxide.

Las capas de pasivación sellan y protegen un objeto metálico de mayor oxidación. Con capas pasivas basadas en cromo, como en el acero inoxidable, esta película a menudo es lo suficientemente delgada que no cambia la apariencia o función de la superficie del metal. La pasivación delgada a menudo solo cambia el metal en configuraciones muy específicas, como soldadura, mecanizado o en sistemas electroquímicos. El mayor beneficio proporcionado por metales auto-pasivantes es la capacidad de "auto-curarse". Para máxima protección contra corrosión, combine un metal auto-pasivante con un sellante aplicado como aceite, recubrimiento en polvo o pintura.