Desafíos de corrosión en materiales automotrices ligeros

En toda la industria automotriz hay un interés creciente en materiales de construcción ligeros para lograr mejor economía de combustible y cumplir con requisitos regulatorios. La mayoría de los fabricantes automotrices aprovechan los avances recientes en aceros de alta resistencia, aceros de ultra alta resistencia, aleaciones de aluminio, aleaciones de magnesio y compuestos. Históricamente, el aluminio ha sido popular porque proporciona excelente resistencia a la corrosión comparado con el hierro y acero tradicionales. Este artículo explorará la búsqueda de materiales aún más ligeros, que pueden o no proporcionar una resistencia a la corrosión igualmente buena.

Corrosión del magnesio y soluciones de protección en la industria automotriz

El magnesio es el metal de ingeniería más ligero usado para aplicaciones estructurales. Sin embargo, el crecimiento del magnesio en el sector automotriz ha sido relativamente limitado debido a la pobre resistencia a la corrosión del magnesio y sus aleaciones. El magnesio tiene el potencial electroquímico más bajo (menos noble) de cualquiera de los metales usados para piezas automotrices. Comparado con el aluminio, que también es un metal reactivo, el magnesio tiene una capa de óxido superficial porosa y no protectora que no proporciona pasivación contra la corrosión.

Un paso importante para mejorar la resistencia a la corrosión de las aleaciones de magnesio fue la introducción de aleaciones de alta pureza, pero eso no cambia los problemas de corrosión galvánica que ocurren cuando el magnesio está en contacto con otro metal y un electrolito. (Aprenda más sobre corrosión galvánica en el artículo ¿Por qué dos metales disímiles causan corrosión?)

El uso de un recubrimiento de barrera es una posible solución para prevenir la corrosión de aleaciones de magnesio. Sin embargo, los recubrimientos de barrera también tienen el potencial de crear relaciones de área ánodo/cátodo desfavorables en sitios de defectos del recubrimiento. La experiencia previa ha indicado que la mayoría de los recubrimientos orgánicos actuales o recubrimientos basados en epoxi no pueden prevenir permanentemente la penetración de un electrolito acuoso en el sustrato de magnesio subyacente. Una vez que un electrolito acuoso alcanza cualquier sustrato de magnesio, la reacción de corrosión puede iniciarse sin necesidad de oxígeno y resultar en generación de hidrógeno. El hidrógeno resultará entonces en la formación de ampollas debajo del recubrimiento y eventualmente comprometerá el sistema de protección contra la corrosión.

El ingeniero de corrosión generalmente no está involucrado en las etapas tempranas del diseño automotriz, que típicamente se enfoca más en análisis de elementos finitos (FEA) para requisitos estructurales y simulación de flujo para el proceso de fundición. Para abordar los problemas anteriores, se deben considerar los siguientes puntos clave:

• A corto plazo, el desarrollo de un sistema de recubrimiento robusto, auto-reparable, asequible y respetuoso con el medio ambiente para aleaciones de magnesio debería ser una prioridad. El sistema de recubrimiento debe tener resistencia a arañazos y cumplir con los requisitos existentes de la industria, como estándares relacionados con GMW/SAE/ISO. Para ser económicamente competitivo, un coste objetivo ideal debería ser inferior a 1 USD/m².
• A largo plazo, una aleación de magnesio resistente a la corrosión debería tener una tasa de corrosión menor a 0,1 mm/año (típicamente después de 7 días de inmersión en solución de NaCl al 3,5 % en peso) o tener un rendimiento de corrosión equivalente o superior a aleaciones de aluminio competitivas (como Silafont 36, A356, o incluso aleaciones AA5xxx y AA6xxx) en pruebas de corrosión estándar de la industria. Esto puede lograrse añadiendo formas de elementos de aleación para promover la resistencia a la corrosión o promover el desarrollo de una película pasiva densa en la superficie.
• Los recubrimientos de superficie pueden ampliar el rango de posibles aplicaciones automotrices para el magnesio. La oxidación electrolítica por plasma (PEO) como recubrimiento de superficie es una solución para ingenieros automotrices que diseñan y especifican componentes y sub-ensamblajes automotrices. La tecnología única de PEO usa un baño de electrolito y plasma con tres etapas distintas que forman un recubrimiento dúplex tipo cerámico en aleaciones de magnesio. El proceso puede ajustarse en cada etapa para crear recubrimientos a medida para necesidades precisas. La capa superior del recubrimiento multicapa también es altamente porosa y puede incorporar el contenido del baño electrolítico en el recubrimiento de superficie para incluir propiedades adicionales.

Corrosión galvánica entre polímeros reforzados con fibra de carbono y metales

El carbono se usa como fase de refuerzo en compuestos de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP). Los CFRP son atractivos para los ingenieros porque poseen una alta resistencia específica y son materiales ligeros para aplicaciones automotrices.

Los compuestos reforzados con fibra por sí solos se consideran resistentes a la corrosión. Sin embargo, cuando se unen con metales, esto puede crear problemas de corrosión. Los CFRP son eléctricamente conductivos y electroquímicamente muy nobles. Por tanto, cuando un metal o aleación se une inapropiadamente con CFRP (de modo que hay una conexión eléctrica), el metal es susceptible a corrosión galvánica. (Para más información, lea Corrosión galvánica de metales conectados a polímeros reforzados con fibra de carbono.)

Cuando se acoplan con un sujetador, perno o tuerca, la situación empeora porque una gran área de superficie del CFRP se acopla a pequeñas piezas metálicas. En estas circunstancias, la tasa de corrosión galvánica puede acelerarse debido a una alta relación de área de superficie cátodo/ánodo (Ac/Aa).

La corrosión galvánica de metales acoplados a materiales compuestos de carbono se ha reportado desde los años 1970. Sin embargo, los materiales apropiados y el diseño apropiado de métodos de unión de materiales aún no se han determinado.

La demanda continua de CFRP en aplicaciones automotrices requiere un estudio sistemático adicional de la corrosión galvánica entre compuestos de fibra de carbono y materiales de ingeniería automotriz, incluyendo una gama de aceros (con una gama de tratamientos superficiales) y numerosas aleaciones de aluminio. Especialmente importante es la influencia de diferentes combinaciones de materiales, geometrías y métodos de unión en la intensidad de corrosión subsiguiente.

Corrosión galvánica para la estrategia de materiales mixtos en la etapa de carrocería en blanco

La etapa de carrocería en blanco (BIW) se refiere al paso en la fabricación automotriz en el que los componentes de la carrocería se han unido. Tradicionalmente, un vehículo completo se hace de materiales mixtos que se unen secuencialmente a una carrocería predominantemente de acero durante el ensamblaje final. Para lograr un vehículo aún más ligero con mayor rigidez, se requiere un "híbrido" más complicado de diferentes materiales para la estructura de la carrocería. (Lectura relacionada: Lo que los nuevos estudios de ciencia de materiales sugieren sobre el control de corrosión en el futuro.)

El Cadillac CT6, que es el primer vehículo de General Motors hecho de materiales mixtos, incorpora varios grados de chapa de acero, chapa de aluminio, fundiciones y extrusiones como se muestra en la Figura 1. Otros vehículos, como el Chevrolet Malibu, también siguen una tendencia similar.

Figura 1. Carrocería en blanco de materiales mixtos para Chevrolet Malibu y Cadillac CT6
Fuente: Evitación de corrosión en materiales ligeros para aplicaciones automotrices

Los materiales y aleaciones disímiles crean desafíos en términos de corrosión galvánica y sus diferentes coeficientes de expansión térmica. Los métodos de simulación numérica han demostrado el potencial para predecir la distribución de corriente galvánica.

En aplicaciones automotrices, el material puede considerarse bajo una película delgada de un entorno electrolítico. Por tanto, el comportamiento de corrosión (y el comportamiento de corrosión galvánica) será complejo debido al sistema electroquímico y la ruta de conductividad que evoluciona o cambia constantemente.

Recientemente, se desarrolló un modelo de película delgada por una empresa de software para simular la corrosión galvánica bajo un electrolito de película delgada, con una búsqueda lógica adicional siendo la validación experimental generalizada de tales modelos. El estudio inicial ha sido prometedor, indicando la perspectiva de predecir resultados de pruebas de niebla salina a nivel de componente. Con mayor desarrollo, tales enfoques combinados de modelado-experimentales pueden ser útiles para simular la distribución total de corriente y potencial de un vehículo completo de materiales mixtos.

La simulación ofrece un enfoque más fácil para modelar la corrosión

El modelado de corrosión permite a un ingeniero anticipar la probabilidad de corrosión de cualquier componente durante un período de tiempo dado. Parámetros como humedad relativa y densidad de carga de sal pueden introducirse como parámetros. Los resultados de la simulación pueden compararse contra las pruebas reales de niebla salina para verificar la vida del recubrimiento en términos de resistencia a la corrosión y también para verificar la correlación de resultados.

El futuro de la protección contra la corrosión inspirado por nuevas tecnologías

Los vehículos ahora incorporan un número significativo de funciones "inteligentes" como monitorización de presión de neumáticos y otros sistemas de diagnóstico inteligentes que se han convertido en estándar de la industria. Por tanto, se puede esperar que un sistema de monitorización de corrosión pueda lograrse en el futuro. Por ejemplo, sensores apropiados, capaces de monitorizar en tiempo real las tasas de corrosión en ubicaciones críticas, podrían proporcionar alertas antes de un fallo del sistema.

Además, el aprendizaje automático y la inteligencia artificial pueden recopilar datos de corrosión de campo y realizar análisis remoto de datos para generar una correlación laboratorio-campo más precisa. Esto es crítico y relevante para el campo más amplio de la corrosión, que puede complementar y aumentar la experiencia de ingenieros individuales.