La degradación gradual de los materiales como resultado de su interacción con el entorno, también conocida como corrosiónLa corrosión tiene un enorme impacto en la ciencia y la ingeniería. En algunos casos, como el de las estructuras metálicas, la corrosión no controlada puede provocar catástrofes que pongan en peligro la vida de las personas. Por este motivo, comprender la velocidad de corrosión de los materiales es de suma importancia. En este post, explicamos en detalle el significado de este parámetro físico, sus unidades, cómo se mide y cómo podemos utilizar la electroquímica para cuantificarlo.
¿Qué significa el índice de corrosión?
La velocidad de corrosión es un número utilizado para describir cómo se degradan los metales en condiciones específicas, como en soluciones ácidas o saladas.
Esta cifra es muy útil para comprender cómo interactuará cada metal en situaciones reales y ayuda a ingenieros y científicos a elegir los materiales, así como a decidir si es necesario un revestimiento protector.
Dos aplicaciones reales en las que la velocidad de corrosión es importante son las estructuras mecánicas y la industria alimentaria.
Por ejemplo, cuando se diseña la estructura de un barco que va a navegar por el mar, es importante saber cómo reaccionarán los metales utilizados en el casco del barco a la alta salinidad del océano. De lo contrario, el casco se degradaría lentamente poniendo en peligro la vida de los pasajeros y tripulantes.
Del mismo modo, los envases de tetrabrik y yogur suelen llevar finas capas de aluminio para evitar que el oxígeno entre en contacto con los alimentos y prolongar así la vida útil de los productos. Esta capa de aluminio está recubierta por una fina capa de polímero para evitar que el aluminio se corroa y contamine los alimentos. Por tanto, entender cómo afecta esta capa protectora a la velocidad de corrosión del aluminio es esencial para garantizar la seguridad alimentaria.
Unidades de índice de corrosión
Hay varias formas de representar la velocidad de corrosión. Algunas de las más comunes son:
- microAmperios por cm2 µAcm-2
- milipulgada por año: mpy
- micrómetro por año: µmy-1
- milímetro por año: mmy-1
- gramo por m2 por día: gmd
- miligramo por dm2 por día: mdd
De todas estas unidades, quizá la más común sea mmy-1 ya que proporciona una indicación del espesor del metal corroído durante un periodo de tiempo específico. Esto es lo que llamamos unidades de penetración y son útiles desde el punto de vista de la ingeniería, ya que son útiles para el proceso de diseño de ingeniería.
Cómo medir la velocidad de corrosión
Existen principalmente 2 formas de medir la velocidad de corrosión:
- medir el cambio de peso del metal tras un tiempo específico de exposición al entorno objetivo
- mediante electroquímica.
Aunque la primera opción es precisa y se cree que es el mejor tipo de prueba de corrosión, es un proceso muy largo. La corrosión en sí misma es una reacción lenta y las mediciones basadas en el peso pueden llevar semanas, meses o incluso años antes de que finalicen los experimentos.
En cambio, los métodos electroquímicos permiten medir la corrosión con precisión en cuestión de horas o incluso minutos. Esto se debe a que los métodos electroquímicos son capaces de interactuar activamente con la muestra de ensayo para acelerar el proceso de corrosión, lo que permite medir índices de corrosión muy bajos.
Ecuación de la velocidad de corrosión
La fórmula de la velocidad de corrosión es bastante sencilla:
Sin embargo, determinar la cantidad de masa disuelta en un momento dado utilizando métodos tradicionales requiere mucho tiempo. Por suerte, con la electroquímica podemos estimar la masa utilizando Ley de Faraday de la electrólisisque convierte la ecuación de la velocidad de corrosión de la siguiente manera:
donde:
i es la corriente de corrosión, que puede obtenerse a partir de la Ecuación de TafelEl Ecuación de Butler-Volmer o la ecuación de Stern-Geary,
M es la masa atómica en g/mol
n es el número de electrones de la reacción de corrosión
y F es la constante de Faraday 96485 C/mol
Hasta ahora, esta ecuación permite determinar la velocidad de corrosión en g/s a partir de los resultados obtenidos en experimentos electroquímicos. Para transformarla en unidades de penetración, hay que dividirla por la densidad del material y la superficie expuesta:
donde:
ρ es la densidad del material corroído en g/cm3
A es la superficie expuesta en cm2
Para transformar el índice de corrosión resultante a unidades de milipulgadas por año (mpy) o milimitros por año (mmpy), basta con multiplicarlo por 0,13 para la conversión a mpy y por 0,00327 para la conversión a mmpy.
Pasos para calcular el índice de corrosión
La estimación de la velocidad de corrosión de un material mediante electroquímica puede realizarse en unos pocos pasos:
- En primer lugar, mida el potencial de circuito abierto (PCA) y deje que su valor se estabilice. Dependiendo del material, esto puede llevar desde unos minutos hasta unas horas.
- Realice un barrido lineal desde -100 mV con respecto al OCP hasta 100 mV por encima del OCP. Este barrido debe realizarse a una velocidad de barrido muy lenta < 1 mV/s. Esto asegura que la medición se realiza en condiciones de estado estacionario, dando al sistema tiempo suficiente para estabilizarse en cada potencial aplicado.
- Con los datos i-V obtenidos, construya un gráfico de Tafel para extraer la corriente de corrosión. Para obtener los mejores resultados, realice un ajuste utilizando el Tafel o Butler-Volmer ecuaciones.
- Convierta la corriente de corrosión en velocidad de corrosión utilizando la ecuación de velocidad de corrosión especificada anteriormente.
Como hemos visto, cuantificar la corrosión es extremadamente útil para el diseño de productos cotidianos. Aunque la mejor forma de caracterizar la corrosión es con largas pruebas, que pueden durar hasta años, y que implican pesar las piezas metálicas antes y después de la corrosión, esto no es ciertamente práctico. Por suerte, podemos utilizar mediciones electroquímicas para obtener índices de corrosión precisos en pocos minutos u horas, en función de lo rápido que tarde en estabilizarse la PCO del material específico.
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