Erosión y corrosión en ingeniería mecánica

La corrosión y la erosión afectan a la vida útil y al rendimiento de los componentes. Pero, ¿cuál es la diferencia entre erosión y corrosión? ¿Qué tipos existen? ¿Y cómo se pueden contrarrestarse estas fuerzas? El siguiente artículo lo examina con más detalle.

¿Cuál es la diferencia entre erosión y corrosión?

Como se utiliza en la vida diaria, los dos términos erosión y corrosión suelen confundirse, pero ambos representan dos conceptos completamente diferentes: erosión se refiere a la eliminación de material y, por lo tanto, a un cambio físico, mientras que la corrosión es principalmente un cambio causado por una reacción química. En el contexto de la ingeniería mecánica, erosión significa que, por ejemplo, el efecto mecánico de las partículas erosivas en la superficie de un componente conduce a daños o abrasión del material superficial. El daño resultante puede ser microscópicamente pequeño, pero también macroscópico, es decir, visible a simple vista. La abrasión es una forma de erosión y denota el proceso de eliminar material de una superficie sólida por fricción con otro agente de fricción. Los agentes de fricción pueden ser partículas pequeñas en un gas que fluye, pero también líquidos que fluyen o sólidos que rozan. El material eliminado se denomina abrasión.

La corrosión, por otro lado, describe una reacción química o electroquímica del material basada en una interacción con el medio ambiente, que conduce a un cambio en el material hasta su destrucción. La erosión puede ser un requisito previo para la corrosión, como la corrosión erosiva. En este caso especial, la eliminación (erosión) de la película de óxido protectora en la superficie del metal hace que se produzca un ataque corrosivo en la superficie ahora expuesta de las áreas afectadas.

Algunos metales y aleaciones metálicas, como el hierro o el acero, son susceptibles a la corrosión, lo que puede provocar una destrucción completa. Otras aleaciones metálicas corrosivas se corroen en la superficie y forman una película de óxido hermética al oxígeno, lo que evita una corrosión más profunda. Por ejemplo, el aluminio o el cobre sin tratar son susceptibles a la corrosión de la humedad y la sal. Reaccionan con la humedad y el oxígeno del entorno y forman una película protectora de óxido en la superficie del material, que luego protege contra la corrosión.

Tanto la corrosión como la erosión son un problema importante en muchas industrias y conducen al desgaste del material y altos costes de mantenimiento.

Corrosión en detalle

DIN EN ISO 8044 define la corrosión como la reacción de un material con su entorno. Esta reacción provoca un cambio medible en el material y puede provocar un deterioro funcional. Esta reacción suele ser de naturaleza electroquímica, pero también puede tener causas químicas o de las propiedades físicas de los metales. La norma distingue además entre daño por corrosión y estrés por corrosión:

• Daño por corrosión: daño material debido a reacciones químicas o electroquímicas con el medio ambiente. Se forman productos de corrosión que debilitan el material, por ejemplo, corrosión superficial o corrosión por fisuras.
• Corrosión bajo tensión: Contaminación del material debido a condiciones ambientales corrosivas. Esta tensión puede aumentar por factores como la humedad, el contenido de sal, la temperatura y las influencias químicas. La corrosión bajo tensión hace que los materiales sean más susceptibles a daños por corrosión, especialmente con tensiones mecánicas adicionales.

Síntomas de corrosión

Hay diferentes etapas o apariencias de corrosión:

• Los cambios no se aprecian en la superficie: no se han formado subproductos de corrosión o los depósitos en la superficie incidente están en el rango de nanómetros; por lo tanto, es poco probable que se produzca una mayor degradación.
• La superficie está descolorida; por lo demás, no hay cambios: se pueden ver subproductos de corrosión en la superficie, pero la corrosión no progresa. La decoloración tiene un grosor de varios 10 nm de formación de óxido.
• Corrosión progresiva: los subproductos de la corrosión no se adhieren firmemente a la superficie, lo que expone continuamente la superficie al entorno que induce la corrosión. Esto se nota al descascarillar el óxido, por ejemplo, en aceros sin alear expuestos a la lluvia o el viento.
• Sin formación de óxido, corrosión progresiva: Los subproductos de corrosión se han disuelto en el medio ambiente, pero la corrosión continúa progresando, por ejemplo, cuando el metal entra en contacto con el ácido.

Tipos de corrosión

La corrosión puede clasificarse según el tipo de mecanismos de reacción: Corrosión química, corrosión electroquímica y corrosión combinada con un fenómeno físico.

• Corrosión química: La corrosión química se produce cuando los metales y otros materiales reaccionan con su entorno, en particular con oxígeno, agua o productos químicos agresivos, y luego se descomponen y destruyen.
• Corrosión electroquímica: La corrosión electroquímica se desencadena por la presencia de un electrolito, por ejemplo, corrosión intercristalina.
• Corrosión combinada con un fenómeno físico: La corrosión combinada con un fenómeno físico se produce cuando los fenómenos físicos provocan corrosión.

Resistencia a la corrosión y protección contra la corrosión

La resistencia a la corrosión es una propiedad material que depende de los siguientes factores, por ejemplo:

• Composición del material
• Tratamiento de la superficie
• Elementos de aleación

Idealmente, los componentes relevantes tienen una alta resistencia a la corrosión. Sin embargo, también hay otras opciones para la protección contra la corrosión.

La siguiente tabla muestra los efectos de la prueba de pulverización de agua salada. JIS H8502 en un cojinete de bolas lineal simple con brida:

Erosión en detalle

La erosión es especialmente importante cuando las máquinas y los componentes están sometidos a cargas extremas. La forma y el ángulo de ataque de las partículas incidentes también influyen en el efecto de desgaste. La propiedad del material también influye. Los materiales frágiles se comportan de forma diferente a los dúctiles. Para el vidrio como material quebradizo, por ejemplo, la sensibilidad al desgaste aumenta con el ángulo de ataque, literalmente se astilla. En el caso de los materiales dúctiles, el desgaste aumenta en un ángulo de ataque de hasta 25°, pero luego vuelve a caer rápidamente.

Estos son algunos ejemplos de posibles modos de fallo de diferentes materiales:

• 1 - Dúctil, blando
• 2 - Dúctil, blando, recubierto
• 3 - Quebradizo

En los materiales quebradizos, pueden producirse varios modos de fractura dependiendo de la estructura del material, la forma y la energía de impacto de la partícula que impacta y los diferentes ángulos de impacto:

• 1 - Rotura cónica
• 2 - Rotura radial
• 3 - Rotura lateral

Erosión como proceso de fabricación de eliminación de materiales

La erosión también puede utilizarse para un efecto positivo, por ejemplo, por erosión por chispa. La erosión por chispas es un proceso de fabricación térmico y por eliminación. Se basa en procesos de descarga eléctrica y, por lo tanto, solo es adecuado para materiales conductores. Una herramienta de electrodo sumergida en un dieléctrico se suministra con tensión de CC y luego se guía hacia un material conductor. Esto da como resultado descargas en forma de chispas, que producen altas temperaturas de hasta 1200 °C. El material de la pieza de trabajo se funde y las partículas de material eliminadas se arrastran en el líquido. La erosión por chispa puede producir formas geométricas complejas con una alta calidad superficial. El troquelado, como subtipo de erosión por chispa, utiliza una herramienta que representa un negativo de la estructura que se va a producir. Este método se utiliza principalmente para varias piezas moldeadas.

La erosión por partículas es otra forma de hacer un uso intencionado de la erosión en la ingeniería mecánica. La erosión por partículas se produce cuando se impulsan pequeñas partículas sólidas (p. ej., arena) contra la superficie de un componente. Esto provoca abrasión y pérdida de material.

Protección contra la corrosión y la erosión

Hay varios tipos de protección contra la corrosión y la erosión. El principio básico es que se añaden propiedades al material que se va a proteger para hacerlo más resistente a la erosión y/o corrosión. Esto también prolonga la vida útil. Sin embargo, la protección adicional contra la erosión suele ser más cara que simplemente reemplazar el componente y, por lo tanto, debe considerarse detenidamente. Tanto la protección contra la erosión como la protección contra la corrosión pueden clasificarse en protección pasiva o protección pasiva.

La protección pasiva contra la corrosión se logra, por ejemplo, mediante agentes de protección contra la corrosión que protegen las superficies metálicas como un revestimiento. A menudo se aplica un revestimiento protector como operación final. Los métodos comunes incluyen la pulverización térmica y el revestimiento de polímero:

• Pulverización térmica: La pulverización térmica implica pulverizar materiales aditivos sobre la superficie como partículas de pulverización, que luego se depositan en la superficie en capas para formar la capa de pulverización. La aplicación principal de la pulverización térmica es la protección contra la corrosión y el desgaste. La carga térmica de este método es muy baja. La pulverización de arco, la pulverización de plasma y la pulverización de llama son subtipos.
• Revestimiento de polímero: El revestimiento de polímero implica recubrir la herramienta con una capa de material polimérico. Los revestimientos de polímeros tribológicos son particularmente adaptables. Reducen la abrasión y también se utilizan como protección contra la corrosión y el desgaste. Están disponibles las siguientes opciones: Revestimiento en polvo, revestimiento de plasma para revestimientos muy finos, revestimiento húmedo, revestimiento al vacío.

La protección activa contra la corrosión se utiliza principalmente en piezas de trabajo inaccesibles, por ejemplo, cables o tuberías sumergidos o subterráneos. La protección activa contra la corrosión se puede lograr añadiendo un inhibidor de corrosión o mediante polarización electroquímica. Se distingue entre protección anódica y catódica:

• Catódica: el metal que se va a proteger se conecta como un cátodo con un ánodo de carga positiva (por ejemplo, un metal no real, como zinc) por medio de corriente externa. Las fuentes de corriente externas pueden incluso omitirse cuando se utiliza magnesio como ánodo. Los electrodos están dirigidos hacia el material que se va a proteger y son absorbidos por este último. Se crea una corriente protectora que evita la oxidación.
• Anódica: en los metales que generan productos de corrosión u oxidación, estos productos se utilizan como capa protectora para evitar mayores ataques.