LA CORROSIONE

DEI MATERIALI (3)

A.S. 2014/15I.T.S.T “J.F. KENNEDY” - PN

Corrosione secca – sistemi di protezione

Corrosione dei materiali metallici

Si esaminano adesso tre problemi reali di corrosione:1. la protezione dei canali interrati, 2. la scelta di un materiale per la copertura di una struttura, 3. i materiali per una marmitta da automobile.

L'arrugginimento del ferro appare in tutti e tre i casi ma la maniera migliore per superare questo problema differisce in ognuno di essi.

Talvolta la cosa migliore da fare è sostituirlo con un nuovo materiale che non arrugginisca, ma spesso fattori economici lo impediscono e la soluzione deve essere trovata nel rallentare o bloccare del tutto la reazione diarrugginimento.

Corrosione secca – sistemi di protezione

Corrosione dei materiali metallici

CASO n°1: la protezione di canali sotterranei

Molte migliaia di chilometri di gasdotti per il trasporto a grande distanza di petrolio, gas naturale, etc. sono stati posati sotto o al contatto con il terreno.

Ovviamente la corrosione è un problema se il terreno èumido, come normalmente è, e se la profondità a cui èstata realizzata la posa non è sufficiente ad evitare la presenza dell'ossigeno.

In queste condizioni la reazione di riduzione dell'ossigeno e la reazione di corrosione del metallo: possono aver luogo, causando la corrosione dell'oleodotto.

O2 + 2H2O + 4e => 4OH- Fe => Fe++ + 2e-

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Corrosione dei materiali metallici

CASO n°1: la protezione di canali sotterranei

A causa del costo degli oleodotti, della loro inaccessibilitàse seppelliti, della interruzione del rifornimento causato dalla sostituzione e delle conseguenze potenzialmente catastrofiche di una rottura non scoperta, causata dalla corrosione, è ovviamente molto importante essere sicuri che l'oleodotto non si corroda.

Come si realizza questa condizione ?

La maniera più ovvia di proteggere i tubi consiste nel coprirli con un materiale inerte per tener lontano l'acqua e l'ossigeno: per es., uno strato spesso di polietilene.

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Corrosione dei materiali metallici

CASO n°1: la protezione di canali sotterranei

Le sezioni terminali dei tubi sono lasciate scoperte pronte per la saldatura - e le parti saldate sono quindi ricoperte con lo strato protettivo.

In ogni caso queste coperture raramente garantiscono una protezione completa: operazioni di messa in posa non accurate frequentemente producono rotture del film oppure coperture non attente delle saldature lasciano il metallo esposto.

Cosa si può fare per prevenire attacchi localizzati in questi punti?

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CASO n°1: la protezione di canali sotterranei

Protezione sacrificale.

Se il dotto è collegato ad un pezzo di materiale con un potenziale di corrosione piùnegativo, allora la coppia forma una pila: il materiale più elettronegativo diventa l'anodo (e si scioglie) e il cnale diventa il catodo (ed èprotetto).

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CASO n°1: la protezione di canali sotterranei

Protezione sacrificale.

Spesso si utilizza una lega a base di magnesio perché il suo potenziale di corrosione è molto basso (molto piùbasso di quello dello zinco) e questo fa sì che gli ioni Fe++ siano attratti fortemente dall'acciaio.Si utilizzano anche delle leghe a base di alluminio e lo zinco.

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CASO n°1: la protezione di canali sotterranei

Protezione sacrificale.

L'utilizzo di leghe aiuta a prevenire la formazione di film protettivi sull'anodo che per questo potrebbe diventare il catodo.

Complicazioni del genere possono presentarsi con Ti, ma anche con altri metalli (ad es. Al, Cd, Zn) sebbene in misura molto minore.

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CASO n°1: la protezione di canali sotterranei

Protezione sacrificale.

Naturalmente, poiché la protezione dipende dalla dissoluzione degli anodi, questi devono essere sostituiti di tanto in tanto da cui il nome di anodi "sacrificali" o “di sacrificio".

Per limitare al minimo la perdita del materiale anodico, èimportante avere un buono strato protettivo attorno alle condutture, anche se esse sarebbero ugualmente protette anche senza alcuna barriera.

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CASO n°1: la protezione di canali sotterranei

Protezione per imposizione di un potenziale

Una maniera alternativa di proteggere una conduttura èseppellire un pezzo di acciaio vicino alla condotta e collegarlo ad essa attraverso una batteria o un apparato che mantenga tra di essi una differenza di potenzialesufficiente ad essere sicuri che il pezzo di acciaio sia sempre l'anodo e la conduttura il catodo (all'incirca uguale al potenziale di corrosione del ferro - poco meno di 1 volt).

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CASO n°1: la protezione di canali sotterranei

Materiali alternativi

Il costo non consente l'utilizzo della maggior parte dei materiali per realizzare condotte su lunghe distanze.

E’ più economico costruire e proteggere una condotta in acciaio dolce piuttosto che in acciaio inossidabile, ma in quest'ultimo caso non sia necessaria alcuna protezione.

I soli materiali che possono essere presi in considerazione sono i polimeri, che sono completamente immuni alla corrosione umida di questo tipo (condotte cittadine).

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CASO n°2: copertura metallica di una struttura

La prima idea potrebbe essere utilizzare una struttura in acciaio galvanizzato: è resistente, leggero, economico e facile da installare.

L'acciaio galvanizzato non arrugginisce facilmente, ma dopo 20 - 30 anni l'arrugginimento può causare il crollo.

Qual è l'intoppo?

La galvanizzazione lascia un sottile strato di zinco sulla superficie dello acciaio, come mostrato in figura:

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CASO n°2: copertura metallica di una struttura

Lo strato funge da barriera tra l'acciaio e l'atmosfera e, anche se la forza motrice per la corrosione dello zinco sia maggiore di quella dell'acciaio, lo Zn si corrode abbastanza lentamente in una normale atmosfera urbana, a causa dell'effetto protettivo del suo film di ossido.

La perdita in spessore èdi circa 0.1mm in 20 anni.

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CASO n°2: copertura metallica di una struttura

Se sullo strato di zinco si provocano dei graffi o delle discontinuità a causa di danni accidentali (ad es., durante il montaggio deii pannelli), allora lo zinco proteggeràcatodicamente il ferro, esattamente nella stessa maniera nella quale le condutture sono protette con l'utilizzo degli anodi in zinco.

Ma la copertura è spessa circa 0.15mm: dopo circa 30 anni la maggior parte dello zinco se n'è andato e l'arrugginimento diventa significativo (pericolo).

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CASO n°2: copertura metallica di una struttura

ATTENZIONE: un errore che si commette comunemente èquello di fissare un tetto in acciaio galvanizzato o in alluminio con chiodi o viti fatte di un metallo differente (ad es., rame o ottone).

Il rame funge da catodo, e lo zinco o l'alluminio si corrodono velocemente in prossimità del punto di fissaggio.

Inconveniente simile si verifica quando delle coperture o condotte in rame sono fissate con dei chiodi in acciaio.

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CASO n°2: copertura metallica di una struttura

ATTENZIONE: come mostra la figura, questa situazione porta a corrosione rapida in maniera catastrofica non solo perché il ferro è l'anodo, ma anche perché è molto facile per gli elettroni generati dalla corrosione anodica scaricarsi sulla grande superficie catodica costituita dal rame.

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CASO n°2: copertura metallica di una struttura

Materiali alternativi

Un'innovazione recente è l'alluminio anodizzato: anche se la forza motrice per la corrosione umida dell‘Al è notevole, l‘Al si corrode molto lentamente in ambienti acquosi perchési crea un film aderente scarsamente conduttore di Al2O3.

Nell‘Al anodizzato, il film di Al2O3 è depositato artificialmente nello spessore voluto per rendere questa barriera contro la corrosione la più efficace possibile.

Nel processo di anodizzazione, la parte in Al è immersa in una soluzione acquosa che contiene additivi per promuovere la crescita del film (ad es., acido borico).

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CASO n°2: copertura metallica di una struttura

Materiali alternativi

E' quindi collegata al polo positivo in modo da attrarre gli atomi di ossigeno delle molecole polari dell'acqua.

Gli atomi di O2 attaccati reagiscono continuamente con il metallo per dare un film di ossido mano a mano più spesso

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Corrosione dei materiali metallici

CASO n°2: copertura metallica di una struttura

Materiali alternativi

Il film può essere colorato per motivi estetici con l'aggiunta di agenti coloranti verso la fine del processo e modificando la composizione del bagno per permettere agli agenti coloranti di essere incorporati.

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Corrosione dei materiali metallici

CASO n°3: marmitte per automobili

La durata di una marmitta convenzionale su una macchina di media cilindrata è di circa 3 anni: ciò non è sorprendete, visto che il materiale normalmente utilizzato è l'acciaio dolce, che non ha grande resistenza alla corrosione.

L'interno della marmitta non è verniciato e comincia a corrodersi immediatamente al contatto con i gas di scarico contenenti una certa umidità che provengono dal motore.

All’esterno, lo strato di vernice ha solo scopo estetico, molto presto cade via e la corrosione parte, aiutata dagli ioni cloruro, contenuti nei sali presenti sulle strade, che contribuiscono a demolire il film di ossido di ferro.

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Corrosione dei materiali metallici

CASO n°3: marmitte per automobili

Per cominciare ad aumentare la durata di una marmitta si può galvanizzare l'acciaio. Ma nascono dei problemi nell'utilizzare la placcatura nei punti dove l'acciaio deve essere assemblato per saldatura. Lo zinco, ad es., fonde a 420°C e sarebbe distrutto nei punti di saldatura; inoltre, fratture potrebbero crearsi anche con metalli a più alto punto di fusione (ad es. Ni, 1455°C).

Talvolta, si usano marmitte placcate con Cr, ma è solo un palliativo: se la placcatura è stata realizzata prima della saldatura, i punti di saldatura non sono protetti e si corroderanno velocemente; se invece si è realizzata dopo la saldatura, l'interno non è placcato e si corroderà.

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CASO n°3: marmitte per automobili

Materiali alternativi

La maniera migliore di combattere la corrosione delle marmitte sta nell'utilizzare l'acciaio inossidabile: il Cr èdissolto nell'acciaio formando una soluzione solida e sulla superficie si forma il Cr2O3 che agisce da barriera.

Ci sono però degli inconvenienti a cui si va incontro nel saldare dei componenti realizzati in acciaio inossidabile: può, infatti, verificarsi il fenomeno della corrosione intercristallina.

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Corrosione dei materiali metallici

CASO n°3: marmitte per automobili

Materiali alternativi

Si è notato, infatti, che la zona alterata termicamente nel corso della saldatura (il metallo vicino alla saldatura che si è riscaldato ma non è arrivato a fusione) si corrode in maniera notevole.

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CASO n°3: marmitte per automobili

Materiali alternativi

Tutti gli acciai contengono del carbonio, e questo carbonio può legare il cromo (in particolare ai bordi dei grani) formando dei precipitati di carburo di cromo.

Poiché le zone vicine ai bordi dei grani sono impoverite di cromo a causa della formazione del carburo, esse non sono più protette dalla formazione del Cr2O3 e si corrodono in maniera notevole.

Il rimedio consiste nello stabilizzare l'acciaio inossidabile con l'aggiunta di Ti o Nb, che legano il carbonio in prossimità dei bordi dei grani.