Metalúrgico explica: Qué es el óxido y cómo se forma

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

El óxido es el nombre común para los químicos que resultan cuando el hierro reacciona con oxígeno y agua. "Óxido" está mal definido en química, sin embargo, muchos químicos pueden formarse cuando el hierro se deja expuesto. Sin embargo, generalmente nos referimos al aspecto rojo y escamoso que resulta de ciertos químicos como óxido.

El hierro o acero corroído produce muchos compuestos diferentes en condiciones ambientales regulares. Algunos de estos químicos serán negros, azules, amarillos, grises o marrones, dependiendo de qué moléculas agarren del entorno 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 pensamos como óxido en absoluto. Lo que usualmente queremos decir es algún tipo de óxido de hierro (III), uno que es rojo o rojo-marrón en apariencia.

Cuando hablamos de hierro oxidándose, por tanto, no siempre lo relacionamos con los cambios químicos que observamos en otros metales que usamos regularmente. No hablamos de la plata o el cobre "oxidándose". En su lugar, se dice que el cobre desarrolla una pátina, y la plata se dice que se empaña. Todos estos términos describen metal expuesto corroído.

¿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, utilizables por humanos, a menudo no están en su forma termodinámicamente más estable. Reaccionan con moléculas en el aire a su alrededor para encontrar un estado más estable.

En el hierro oxidándose, este es un proceso de oxidación, donde oxígeno y agua trabajan para producir óxidos de hierro. La corrosión puede ocurrir con otras moléculas, sin embargo. El empañado de la plata a menudo se produce por reacciones con sulfuro de hidrógeno, un gas que huele a huevos podridos y es producido por descomposición bacteriana en entornos de bajo oxígeno. ¡Si tiene plata cerca de un pantano o vertedero, se empañará rápidamente!

Algunos metales no se corroen porque ya son químicamente estables. El oro y platino son ejemplos: es más probable que se encuentren como metal elemental puro en la corteza terrestre por esta razón. La plata también se encuentra como metal puro, porque cuando se empaña, el empaño en sí crea un sello termodinámicamente estable alrededor del resto del metal. Esta película pasiva previene mayor corrosión de capas más profundas, en un proceso llamado pasivación.

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

En contraste, los óxidos de hierro (III) rojos no se unen al hierro debajo de ellos, sino que se alejan y se descaman. Por tanto, el óxido no proporciona una capa de pasivación, sino que corroe, exponiendo la siguiente capa de hierro a la oxidación.

Algunas aleaciones basadas en hierro, como el acero inoxidable, son conocidas por ser resistentes al óxido. Las aleaciones de hierro resistentes al óxido tienen un metal en la mezcla que crea una película pasiva y protectora antes de que el óxido pueda instalarse. Para el acero inoxidable, la pasivación es creada por la adición de cromo, que se oxida rápidamente, dejando una capa muy fina que protege el hierro.

Tipos comunes de corrosión metálica

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

Los entornos salinos también facilitan un proceso ligeramente 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 agua de mar. El metal más pasivo, el metal catódico, atrae electrones del metal activo o anódico. Esta reacción química es una forma de corrosión que también forma la base de baterías electroquímicas.

Las moléculas recién cargadas en el metal anódico se estabilizan combinándose con moléculas en el entorno, usualmente formando óxidos u otros minerales. En el acero, esos óxidos son óxido.

El aluminio es un metal que usualmente está protegido por una película pasiva durante la corrosión. Sin embargo, el aluminio puede corroerse rápidamente hasta el fallo 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 una corriente constante de electrones previene la corrosión en el metal catódico. Por esta razón, a veces se adhieren "ánodos sacrificiales" a metal que estará expuesto al mar, como en el casco de un barco, para proteger electroquímicamente la membrana del barco.

La corrosión por picaduras es el término para corrosión que no ocurre uniformemente a través de la superficie de un metal. En su lugar, aparecen pequeños agujeros en el metal. Estas áreas de corrosión más rápida suelen deberse al fallo del "sello" en el material, ya sea un sellante artificial como pintura o recubrimiento en polvo, o el sellante de película pasiva de una capa superior de corrosión. La capa de pasivación puede fallar si hay inclusiones en el metal, o la aleación no es uniforme. El metal es una estructura cristalina hecha de granos, y hay diferentes fases de esas estructuras de grano. Si la química es irregular o deformada, puede causar puntos más vulnerables a la corrosión, e incluso crear corrosión galvánica a lo largo del cuerpo de lo que es el mismo metal.

¿Puede el acero inoxidable oxidarse?

El acero inoxidable es una aleación férrea resistente a la corrosión que lucha contra el óxido con la adición de cromo. Diferentes porcentajes de cromo se usan para hacerlo resistente a uso regular, o uso pesado en entornos salinos, como con acero inoxidable 316.

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

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

Como esta película pasiva es un químico, puede ser interrumpida. Calor muy alto en exceso de 750 °F (400 °C) puede causar cambios moleculares en el cromo que previenen la oxidación, por lo que el óxido puede instalarse alrededor del sitio de una soldadura en acero inoxidable. En otros casos, la capa de óxido de cromo puede verse comprometida por cambio térmico rápido, abrasión, rotura, sal, ácido y acumulación de otros depósitos metálicos. Si el acero inoxidable entra en contacto con demasiado hierro, el porcentaje localizado de cromo puede caer por debajo del porcentaje mínimo necesario para mantener una película (límite inferior en 10,5 %).

Por tanto, ¡fregar acero inoxidable con lana de acero puede empeorar un problema de óxido! A medida que el cromo se desgasta, las moléculas de acero del estropajo pueden convertirse en parte del metal base, reduciendo el contenido local de cromo. Cuando la pasivación falla en el acero inoxidable y el hierro se expone a agua y aire, el óxido se instala.

Cómo limpiar óxido del acero inoxidable

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

Para limpiar óxido del acero inoxidable:

1. Un abrasivo suave como bicarbonato de sodio puede usarse para fregar la superficie, con un paño, esponja o cepillo de cerdas suaves, para eliminar el óxido.
2. A medida que el óxido y cualquier contaminante se eliminan, el cromo se auto-pasivará instantáneamente, creando su propio escudo protector.
3. La capa de óxido de cromo se vuelve más gruesa en los días siguientes, ¡así que secar al aire durante la noche ayuda a construir su protección!
4. Tras un buen enjuague, el acero inoxidable puede dejarse secar al aire, o limpiarse y pulirse con un limpiador personalizado 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 ambientales, muchos fabricantes están cambiando al uso de ácido cítrico para limpieza, como podría ser más común en casa, y luego permitiendo que el acero inoxidable se "auto-pasive".

Cómo eliminar óxido de hierro fundido y acero

A diferencia de eliminar óxido de aleaciones de acero inoxidable, ¡usar lana de acero o cepillo de cerdas de alambre puede ayudar a eliminar óxido de hierro fundido o acero!

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

1. Un estropajo y un poco de aceite de codo pueden eliminar la capa de óxido de hierro. La sal es un abrasivo comúnmente usado.
2. La sartén debe lavarse bien.
3. La sartén debe secarse sobre calor, para que todos los poros de la superficie tengan líquido expulsado de ellos.
4. El hierro fundido debe curarse con aceite, que forma un sellante polimérico cuando se hornea sobre la superficie.
5. Este aceite puede pintarse sobre la superficie en una capa fina y luego hornearse (boca abajo para evitar acumulación) a 375 °F (190 °C) durante 1 hora. Capas adicionales pueden añadirse si se desea.
6. El aceite de lino de grado alimenticio es la opción ideal en aceites de curado, proporcionando un acabado duro y brillante.

Fregar no es práctico para muchos objetos de formas complejas o tamaños. En este caso, los métodos químicos de eliminación pueden ser el mejor enfoque. Tienen eficacia variable, dependiendo del tipo de aleación involucrado. Ingredientes caseros comunes como vinagre, melaza o ácido cítrico pueden usarse. La melaza es una opción sorprendente, y tarda más que el vinagre, pero puede ser bastante efectiva, ya que se descompone en ácido oxálico, que ayuda a eliminar el óxido.

Productos comerciales para eliminar óxido, a menudo hechos con ácidos más fuertes, también están disponibles. Remojar en estos líquidos y luego retirar y secar puede ser efectivo para restaurar viejos tesoros oxidados.

Como con sartenes de hierro fundido, es importante considerar cómo se protegerá su acero y hierro de los elementos después de haberlos limpiado.

Protegiendo metales férreos

El hierro, en presencia de aire y agua, se oxidará. Esto significa que mientras la humanidad ha trabajado el hierro, también ha trabajado en los mejores sellantes para el hierro. Hay muchas formas de crear una capa hermética.

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 funciona como otras pátinas de metales y sella el metal. La única diferencia entre este proceso y el que ocurre con cobre, zinc o cromo, es que no ocurrirá bajo condiciones ambientales regulares. Por tanto, si la capa superior en el artículo se daña, todo el artículo tendrá que ser refinado. Esto se conoce como "azulado" cuando se hace con armas a través de un proceso, o "enegrecido" en la mayoría de talleres de máquinas, a través de un proceso similar pero con químicos ligeramente diferentes. En procesos de ennegrecido en frío, el óxido de hierro (II) puede pintarse sobre la superficie, proporcionando protección ligeramente menos duradera.

Uso y cuidado regular, incluyendo aceitado o encerado — Algunos hierros o aceros de trabajo se dejarán mayormente en bruto, donde el uso, cuidado o entorno los mantendrán brillantes. Tradicionalmente, armas como espadas y equipos como cuchillos podrían haberse dejado "en bruto" pero se secarían y aceitarían con aceites minerales o de cocina, que son sellantes temporales necesitando reaplicación regular. Para almacenamiento largo, ceras y otros pulimentos podrían usarse para crear un sello, pero uno que aún se desgastaría con el uso.

Partes de motor expuestas a aceite regular podrían dejarse en bruto, ya que el calor y aceite alrededor del motor hacen improbable que se oxiden, pero las superficies exteriores podrían pintarse. Los sistemas de escape de coches dependen de las temperaturas más altas de un motor completamente caliente para prevenir corrosión, y conducir lo suficiente para que el bloque del motor se caliente es una forma de prevenir óxido en un silenciador. (En motores de carreras de alto rendimiento, los interiores también podrían pintarse, pero esto es principalmente para ayudar con la circulación del aceite.)

Sellantes aplicados — Muchos productos de hierro y acero están protegidos recubriéndolos en una capa dura de otra sustancia. Estos incluyen:

• Aceite polimerizado: El aceite de lino (hecho de lino, pero no a estándares alimentarios) fue uno de los acabados originales para productos de hierro forjado. Un herrero podría templar en aceite o pintar un objeto con aceite y luego antorcharlo, proporcionando el lustre negro-marrón tradicional que aún emulamos en hierro forjado hoy, usualmente con laca, pinturas o barnices.
• Galvanizado en caliente: En este proceso, zinc se aplica a acero o hierro en un baño fundido. La galvanización de zinc tiene varias propiedades protectoras. Primero, crea una pátina, que sella tanto el zinc como el hierro o acero debajo. Segundo, es más "activo" que los metales a los que se aplica. Durante la vida de un objeto de acero galvanizado, el zinc actúa como "ánodo sacrificial". A medida que se degrada, protege y ralentiza la corrosión del acero debajo, incluso si ese acero queda expuesto.
• Electrodeposición: El zinc puede aplicarse a acero no mediante baño de inmersión, sino haciendo correr carga eléctrica a través del objeto de acero, y rociando el objeto con partículas de zinc cargadas. Esto causa unión eléctrica que es uniforme e ininterrumpida sobre la superficie del metal.
• Recubrimiento en polvo: El proceso para aplicar recubrimiento en polvo es como el de aplicar zinc en que el objeto y el sellante están ambos cargados electrostáticamente, significando unión molecular sin ni las más pequeñas interrupciones que dejen pasar humedad. El polvo resinoso se hornea entonces sobre el objeto en un horno caliente. El recubrimiento mantendrá el lustre por años, proporcionando protección superior y requiriendo mantenimiento mínimo.
• Pintura: Tanto en interiores como exteriores, e incluso en el corazón de motores de alto rendimiento, la pintura es un sellante popular y versátil. Como sellante económico, aún hace un muy buen trabajo protegiendo hierro y acero de los elementos. Cuando se agrieta y desgasta, es bastante simple lijar y reaplicar. El inconveniente de la pintura es su propia tendencia a agrietarse y descamarse con la intemperie: incluso un pequeño agujero en la capa sellante puede iniciar el proceso de óxido debajo. Sin embargo, estos inconvenientes a veces son manejables sobre el uso de una pieza o parte de una rutina de mantenimiento regular.

Cuidado de objetos metálicos

El metal es un material clásicamente duradero, usado para crear objetos y estructuras que duran muchas vidas. Sin embargo, la mayoría de metales siguen siendo vulnerables a la corrosión y decaimiento electroquímico. Al comenzar un proyecto, la consideración del entorno en el que estará el metal permite al diseñador elegir el metal que aguantará mejor en esas condiciones.

El hierro es muy propenso a la oxidación, y el óxido usualmente se instalará con la más mínima pista de agua y oxígeno. A diferencia de otros metales, esta oxidación no formará su propia capa pasiva de sellado. Por tanto, los sellantes se usan usualmente con metales férreos. Encontrar el tipo correcto y vigilar el metal a lo largo de las décadas de su uso puede ayudar a prolongar la vida de cualquier objeto metálico.