La mayoría de los fenómenos de oxidación de metales suele producirse en
medio acuoso; sin embargo, estos materiales también reaccionan con el
aire para formar óxidos externos.
La alta temperatura de oxidación de los metales es particularmente
importante en el diseño de algunos componentes como turbinas de gas,
motores y equipamiento de petroquímicas.
El grado en que un óxido protege a un metal y por lo tanto no se corroe
depende de varios factores; los más importantes son:
1. El porcentaje en volumen del óxido respecto al metal después de la
oxidación debe ser próximo a la unidad.
2. La película formada debe tener buena adherencia.
3. El punto de fusión del óxido debe ser alto.
4. La película de óxido debe tener baja presión de vapor.
5. La película formada debe tener un coeficiente de expansión casi igual
al del metal.
6. La película formada debe tener plasticidad a alta temperatura para
evitar que se rompa o cuartee.
7. La película formada deberá tener baja conductividad y bajos
coeficientes de difusión para iones metálicos y oxigeno.
El primer paso es pues determinar el porcentaje en volumen de óxido
respecto al metal tras la oxidación para evaluar si el óxido formado es
protector o no. El cálculo de este porcentaje es lo que se conoce como
relación de Pilling-Bedworth, P-B, que se expresa como:
Relación P-B = Volumen Oxido producido / Volumen de metal consumido.
Cuando el metal tiene una relación P-B < 1, el óxido formado es poroso y
poco protector, no protege, como es el caso de metales alcalinos. Si la
relación es mayor de 1, habrá un esfuerzo compresivo y el óxido formado
tenderá a romperse, como es el caso del óxido de Fe, Fe2O3 que vale
2,15. Si la relación P-B es cercana a la unidad, el óxido puede ser
protector pero deberá cumplir con algunos otros de los factores antes
señalados.
Cuando se forma una película de óxido sobre un metal por la acción
oxidante del oxigeno, la tendencia más fundamental es la de un proceso
electroquímico, como hemos señalado con anterioridad, que la simple
combinación química para formar el óxido correspondiente. De manera que
las reacciones parciales de oxidación y reducción para la formación de
iones divalentes son:
Reacción parcial oxidación: M M+2 + 2e- (12.54)
Reacción parcial reducción: ½ O2 + 2e- O2- (12.55)
En las primeras etapas de la oxidación, la capa de óxido que se forma es
discontinua y comienza con el crecimiento lateral de los primeros
núcleos de óxido formados. Después se produce la interconexión entre
núcleos de óxidos y el transporte de masa de los iones en una dirección
normal a la superficie. Como se aprecia en la figura, el metal se
difunde a medida que cationes y electrones atraviesan la película de
óxido. En este mecanismo el oxigeno se reduce a iones oxigeno en la
interfase óxido-gas, encontrándose la zona de formación de óxido en esta
superficie.
En otros casos, por ejemplo óxidos metálicos pesados, el oxigeno se
difunde como iones O2- a la interfase metal-óxido y los electrones se
difunden a la interfase óxido-gas, tal como se muestra en la figura b.
Desde el punto de vista de ingeniería la velocidad a la cual los metales
y aleaciones se oxidan es muy importante pues determina la vida útil de
la pieza o componente. Normalmente esta se expresa como la ganancia de
peso por unidad de área. De forma empírica se han determinado las leyes
de velocidad de oxidación y podemos decir que estas responden a
comportamientos lineales, parabólicos o logarítmicos.
Fuente:
http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm12/pfcm12_4_11.html
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