Galvanización del Acero: Potente Protección contra Oxidación para Rendimiento Duradero

¿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 metal?

Resulta que todo se trata del choque.

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

Sin embargo, el hierro y muchas de sus aleaciones también son altamente propensos al óxido cuando se exponen al aire y al agua. Proteger contra la corrosión es parte del diseño de metal ferroso. A veces, esta protección puede venir del tipo de aleación; los aceros inoxidables, por ejemplo, tienen cromo y otros elementos para protección química contra la corrosión. Sin embargo, estas adiciones pueden cambiar propiedades mecánicas. También pueden ser costosas. A veces, se usa un sellante, como recubrimiento en polvo, pintura, o tratamientos de aceite.

El acero galvanizado es aún más común, pero es menos entendido. ¿Cómo se hace el acero galvanizado? ¿Impulsa a los metales ferrosos a la acción? ¿Se oxida el acero galvanizado? ¿Cuándo usar acero galvanizado vs aluminio vs acero inoxidable?

¿Qué es el acero galvanizado?

La galvanización es un proceso en el que se aplican recubrimientos de zinc al acero o hierro, creando una barrera que protege el metal ferroso de la corrosión. La capa de zinc funciona físicamente bloqueando agua y aire de llegar a la superficie del acero, y químicamente ofreciendo protección catódica. Esta protección es electroquímica… como la "galvanización" metafórica que nos excita a la acción. La palabra viene del nombre del científico del siglo XVIII Luigi Galvani, pionero en bioelectromagnetismo.

La galvanización se hace usualmente a alta temperatura. Aunque una capa de zinc puede añadirse mediante pintura o electrochapado, cualquiera de estos solo crea una capa delgada —una superficie brillante de solo 3 micras de espesor. Una aplicación tópica como esta es vulnerable en aplicaciones exteriores donde la resistencia a la corrosión es importante.

La verdadera galvanización ocurre a alta temperatura, y se basa en la interacción química entre zinc, oxígeno y dióxido de carbono. Los tres reaccionan a temperatura para crear una capa de carbonato de zinc gris oscuro que típicamente tiene 50 micras de espesor y es mucho más duradera en ubicaciones exteriores.

¿Se oxida el acero galvanizado?

Puede estar preguntándose, "¿se oxida el acero galvanizado?" La respuesta es sí... hasta cierto punto, y basado en las condiciones. El grado en que el acero galvanizado se oxida se basa en el espesor del recubrimiento protector de zinc (del que hablaremos más abajo) y el tipo de ambiente corrosivo.

¿En qué condiciones se oxida el acero galvanizado? Las más comunes incluyen alta humedad, ambientes mojados o sumergidos, sal en el aire o agua, musgo y ácidos. Pero la galvanización también proporciona buena resistencia a 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 hierro. Con las condiciones correctas, el acero galvanizado resiste la oxidación hasta 50 años. El óxido, o la oxidación de metales ferrosos, se detiene. Sin embargo, la oxidación sigue ocurriendo en el zinc (es solo que esto no se conoce como óxido).

Cuando el zinc finalmente se convierte todo por la oxidación, ya no protegerá y el acero será "devorado".

Galvanización por inmersión en caliente

La galvanización por inmersión en caliente es la forma más común de galvanizado con zinc. En este método, piezas de acero o hierro se limpian de residuos y escamas de laminación y luego se sumergen en un baño de zinc o aleación de zinc a una temperatura cercana a 449 °C (840 °F). El acero se deja en el baño hasta que alcanza la misma temperatura, después se eleva y enfría. Este enfriamiento puede hacerse rápido o lento, dependiendo del aspecto deseado del producto final.

El galvannealing (aleación de zinc-hierro) es el proceso de galvanizar en un baño de zinc que tiene una adición de aluminio. Mientras el metal aún está caliente, el producto entero se trata térmicamente, causando la formación de varios estratos de aleaciones zinc-hierro. La adición de aluminio y el tratamiento térmico posterior dan al acero resultante mejor soldabilidad. El acero galvannealed generalmente desarrollará una pátina rojiza similar al óxido pero no se corroerá como las aleaciones ferrosas sin protección.

Galvanizado en seco

Un método menos común para galvanizado con zinc es el galvanizado en seco. Este proceso también se conoce como Sherardizing, nombrado por el metalúrgico Sherard Cowper-Coles, quien desarrolló el método. En esta técnica, piezas pequeñas de acero se calientan en un tambor cerrado rotativo, junto con polvo de zinc y arena, hasta que la temperatura y el giro causan que el zinc se fusione químicamente a la superficie del acero. La pieza se templa luego. Se usa a menudo para piezas pequeñas y aquellas con superficies internas que podrían no ser alcanzadas por inmersión en caliente.

Espiga (Spangle)

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

La forma y tamaño de la espiga pueden dar una pista sobre las condiciones de enfriamiento después de la galvanización por inmersión en caliente. Cuanto más lento se congela la superficie, más grandes los granos cristalinos, a menudo mostrando formas de pluma o hoja. Un temple rápido a temperaturas más frías puede llevar a granos más pequeños, más regulares, o cuadrados.

Gran parte de la espiga más llamativa se crea a menudo con pequeñas cantidades de plomo o estaño en la aleación de zinc. Estas adiciones permiten la creación dendrítica de los granos —el proceso de congelación que fomenta formas de pluma que se extienden a través de la superficie. El desarrollo de galvanización sin plomo ha creado recubrimientos de zinc que se congelan desde el acero hacia afuera. Estas aleaciones sin plomo pueden crear espigas más redondas que pueden ser menores de 0,5 mm. La interacción entre aleación y condiciones de congelación significa que un galvanizador experto puede influir en el tamaño y forma de la espiga en el producto final.

Corrosión galvánica y ánodos de sacrificio

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

Cuando dos metales con potenciales eléctricos muy disímiles se colocan juntos en un baño de electrolito, 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 rápido que si estuviera solo, porque cede electrones. Las moléculas despojadas de electrones dentro de este ánodo son químicamente inestables, y buscan formar moléculas estables con químicos en el ambiente, produciendo óxidos y otros productos de corrosión. Las baterías usan 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 usa como material de referencia. Todos los otros metales reciben un número que representa su voltaje cuando están en un baño de electrolito con oro. Este índice es la base de la escala galvánica, que ordena metales de más pasivo a más activo:

En la galvanización, el zinc, un metal anódico, cubre acero o hierro. Funciona como sellante, sin embargo, si hay poros en la cubierta, el sacrificio electroquímico del zinc significa que se corroerá primero, como el más activo de los dos metales. Esta propiedad de un metal más anódico protegiendo uno más catódico se usa intencionalmente en cascos de barcos, que, sumergidos en agua de mar, están en riesgo de corrosión. Estos ánodos de sacrificio, también llamados simplemente "zincs", usualmente se atornillan a un casco. A menudo, partes de zinc se incluyen en el diseño de una hélice u otro dispositivo.

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

Acabado del acero galvanizado

El óxido blanco puede formarse en acero galvanizado a medida que el zinc se descompone en hidróxido de zinc. Este "óxido" es ciertamente el producto de la corrosión del zinc, pero en condiciones normales ocurre a una tasa mucho más lenta que el acero sin protección se oxida. Para ayudar a ralentizar este proceso aún más, a veces el metal galvanizado se aceita, o ocasionalmente se pasiva con cromo, para crear una capa de sellado final. Este metal aceitado o pasivado no puede pintarse ni acabarse de otra forma, pero en muchos climas se verá bien por décadas y se mantendrá estructuralmente sano por aún más tiempo. El acero galvanizado es útil para partes de trabajo aceitadas que podrían ver la pintura desgastarse rápidamente.

En aplicaciones donde se prefiere la estética de pintura o recubrimiento en polvo, el acero galvanizado puede dejarse sin recubrir. Sin embargo, a menudo un artículo está o galvanizado o pintado, no ambos, para mantener el ahorro de coste de cada enfoque.

Acero galvanizado vs aluminio vs acero inoxidable

La galvanización es una forma rentable de ayudar a proteger metal que estará expuesto a elementos potencialmente corrosivos. El aluminio y el acero inoxidable también se usan para aplicaciones que necesitan metal fuerte y resistente a la corrosión. Son mejores opciones para utensilios de cocina, cubiertos y atención médica, ya que demasiado zinc puede ser tóxico, y tanto ácidos como calor podrían movilizar el zinc. En lugares donde la espiga gris apagada 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 propiedades mecánicas, estética o peso del metal son importantes, materiales más caros podrían 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 coste.