CORROSION DE CERAMICOS y VIDRIOS

Presentación del tema: "CORROSION DE CERAMICOS y VIDRIOS"— Transcripción de la presentación:

1 CORROSION DE CERAMICOS y VIDRIOS

2 Cerámicos Los materiales cerámicos son combinaciones de elementos metálicos y no metálicos. Son resistentes a la corrosión en la mayoría de los ambientes, especialmente a temperatura ambiente. La corrosión de estos materiales transcurre en general como una simple disolución química, en contraste con los procesos electroquímicos de los metales. La corrosión de los cerámicos no es un tema tan estudiado como la corrosión de metales.

3 Los cerámicos y los vidrios son materiales sólidos inorgánicos que contienen elementos metálicos, tales como el aluminio (Al), o el circonio (Zr); no metales como el silicio (Si) y el boro (B), el oxígeno (O), el carbono (C) o el nitrógeno (N) enlazados, principalmente, mediante enlaces iónicos y/o covalentes. Las composiciones químicas de los materiales cerámicos varían, considerablemente, desde compuestos puros y sencillos hasta mezclas de muchas fases complejas enlazadas.

4 Tipos de cerámicas

5 Ejemplo En USA, la degradación los hornos de fusión de vidrio, que se sacan de servicio con cierta periodicidad, para reemplazar los cerámicos gastados, implica un costo total de acondicionamiento por horno de 10 millones de dólares: el 58 % corresponde a materiales, el 9 % al trabajo de desmantelamiento y el 33 % al trabajo de construcción.

6 Procesos de corrosión No están claramente definidos como en el caso de los metales. Una posible calificación es: Corrosión por difusión Corrosión por celdas galvánicas Corrosión en límite de grano Corrosión bajo tensión. A veces se encuentra una clasificación tan vaga como: disolución, degradación, desgaste…..

7 No hay una teoría unificada, por la amplia variedad de composición y estructuras
Un cerámico ácido (SiO2) tiende a ser atacado en un medio básico y viceversa. La presión de vapor de los materiales covalentes es más alta que la de los iónicos, por lo que se evaporan o subliman más ràpidamente. Los materiales iónicos tienden a ser solubles en solventes polares, y los covalentes en no polares La solubilidad de sólidos  con la temperatura.

8 CERAMICOS y RESISTENCIA A LA CORROSION
OXIDOS: Son resistentes al calor. Al estar oxidados, no presentan problemas de oxidación. Presentan los altos coeficientes de expansión por lo que no son resistentes a grandes cambios de temperatura. Ejemplos Alúmina (Al2O3) Temperatura máxima de uso continuo: 1700 oC Resistencia química buena a los ácidos y álcalis diluidos ´halógenos

9 Oxidos Circonia (ZrO2) Temperatura hasta unos 1300 ºC
Alta resistencia al desgaste Se usan como electrolitos sólidos en celdas de combustible.

10 Oxidos Magnesia (OMg). Mayor resistencia estabilidad química
Se usa para crisoles que contienen metales fundidos y manipular gases especiales.

11 Nitruros Son más difíciles de preparar que los óxidos y no es tan común su uso . Debido a algunas de sus propiedades los nitruros de boro, de aluminio y de silicio se usan en aplicaciones de alta tecnología. No son muy resistentes a la oxidación, pero esa propiedad se mejora por la formación de capas de óxido de alguno de sus componentes. Por ej., en el caso del nitruro de silicio, se le forma una película de sílice y se puede usar a temperaturas de hasta 1500 ºC. Existen compuestos muy promisorios cuando en el nitruro se reemplaza una parte de silicio por aluminio y parte de nitrógeno se reemplaza con oxígeno. Son los compuestos que se conocen como SiAlON

12 Carburos El más importante es el carburo de silicio. Puede usarse hasta temperaturas de 1300 a 1600 ºC. No se usan otros carburos por la baja resistencia a la oxidación.

13 Boruros Muestran ciertas propiedades metálicas y tienen buena resistencia a la oxidación

14 Siliciuros Tienen buena resistencia a la oxidación. Especialmente el disiliciuro de Molibdeno (MoSi2) que se usa como elemento calefactor en aire hasta 1800 ºC

15 Cerámicas avanzadas Alta resistencia mecánica a altas temperaturas.
Buena resistencia al choque térmico. Excelente resistencia al ataque químico y a la corrosión, incluso a muy altas temperaturas. Muy alta dureza. Resistencia superior a la abrasión. Las excelentes precisiones y acabados superficiales obtenibles permiten muy bajos coeficientes de rozamiento. Menor densidad. Muy altos niveles de aislamiento eléctrico.

16 Medios agresivos Vidrios fundidos:
En los óxidos en vidrios fundidos se forma, en las interfases sólido-líquido, minerales. Depende de la composición del vidrio y de la temperatura de trabajo. El carburo de silicio y el nitruro de silicio son inertes frente a la mayoría de los vidrios líquidos, siempre y cuando no contengan cantidades importantes de óxido de hierro. Si el mismo estuviera presente, tiene lugar la reacción: SiC + 3FeO = SiO2 + 3Fe + CO Se destruye la cerámica a temperaturas de alrededor de 1100 ºC.

17 Soluciones acuosas Una primera aproximación para comprender el ataque en soluciones acuosas de óxidos, la podemos tener yendo al diagrama de Pourbaix. En ellos encontramos que hay elementos, tales como el silicio, que forman óxidos que son insolubles en medios ácidos, pero forman compuestos solubles en soluciones fuertemente alcalinas. Si miramos un diagrama para magnesio, el óxido es soluble en ácidos, pero se reduce bruscamente en soluciones alcalinas. También hay metales que forman óxidos anfóteros, o sea solubles en medios fuertemente ácidos y en fuertemente alcalinos. Caso el aluminio. Estos ejemplos son de interés porque son óxidos refractarios de uso muy frecuente. Al2O3 + OH- + 2 H2O = Al(OH)4- + AlOOH AlOOH + OH- + H2O = Al(OH)4-

18 Sales Fundidas La importancia de la reacción de cerámicos con sales fundidas es bien conocida en la industria de producción de aluminio metálico. En este proceso se reduce electroquímicamente alúmina disuelta en criolita fundida (criolita: fluoruro de aluminio y sodio).

19 Metales Fundidos En la fundición de metales el uso de cerámicas es de gran importancia. Las industrias del acero y de metales no ferrosos consumen el 70 % de refractarios producidos en la actualidad. Los metales fundidos reaccionarán con los cerámicos cuando el producto de corrosión sea termodinámicamente más estable que los metales fundidos.

20 Vidrios: mantienen la estructura amorfa al solidificar
El vidrio más comúnmente usado corresponde al SiO2 (sílice) al que se le agrega óxido de sodio o de calcio. El vidrio comercial más común contiene cerca del 15 % de óxido de sodio y 10 % de óxido de calcio. Estos agregados producen interrupciones en las uniones Si-O. Otros tipos de vidrio contienen aditivos que no modifican el retículo del SiO2 sino que entran a formar parte del mismo. Tal es el caso del B2O3 que en una cantidad cercana al 12% forma el vidrio Pirex, de alta resistencia al choque térmico y al ataque químico. Vidrio flint que se obtiene agregando entre 17 y 19 % de PbO, que se usa en instrumentos ópticos. Vidrios que contienen Ag2O se usan, por su brillo, en joyería.

21 Vidrios Comunes: basados en SiO2 y silicatos
SiO % Na2O + 10 % CaO (wNa2O-xCaO-SiO2) Pirex: SiO % B2O3 (81% de SIO2, 13% de B2O3, 3.6% de Na2O, 0.2% de K2O y 2.2% de A12O3) Flint: SiO % PbO

22 Corrosión de vidrios Los vidrios comunes parecen ser químicamente inertes, pero en realidad reaccionan con muchas sustancias, lo que sucede es que lo hacen lentamente y por eso se pueden utilizar. El vidrio tiene una resistencia excelente a los ácidos, excepto al fluorhídrico, y a las soluciones alcalinas frías. Por eso es muy útil como envase de reactivos químicos. Tiene el gran inconveniente de su fragilidad y de la poca resistencia a los cambios bruscos de temperatura, pero en ese caso se puede usar vidrio blindado con fibra de vidrio de poliéster para evitar roturas, teniendo así la ventaja de la resistencia a la corrosión del vidrio y la fuerza estructural del acero.

23 Corrosión de vidrios Los materiales vítreos generalmente se corroen en medios acuosos. Aún en los casos de corrosión en fase gaseosa, generalmente se trata de la acción del vapor de agua. Aquellos con alto contenido de sílice (más del 96 %) así como los basados en aluminosilicatos o en borisilicatos tienen excelente resistencia a la corrosión en una amplia variedad de medios agresivos. Los basados en silicatos son menos resistentes en soluciones alcalinas que en ácidas.

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25 Los números del 1 al 5 son sódico-cálcicos y el 6 es pyrex.

26 En resumen: Los recubrimientos de vidrio son resistentes:
a todas las concentraciones de ácido clorhídrico a temperaturas menores de 200º C; a todas las concentraciones de ácido nítrico hasta el punto de ebullición; al ácido sulfúrico diluido hasta el punto de ebullición y concentrado hasta 300º C.

27 Corrosión bajo tensión
Como resultado de un golpe o de un esfuerzo importante, el vidrio se rompe y aparecen fisuras que se propagan a velocidades superiores a 100 m/s. Es frecuente observar piezas de vidrio con fisuras que parecen no propagarse o bien lo hacen en forma muy lenta. Si el material está sometido a tensiones de tracción y si hay un medio adecuado, estas fisuras se propagan en forma medible.  El mecanismo por el cual las moléculas de agua facilitan la fractura del vidrio tensionado indica que se rompen las uniones Si-O-Si: Si-O-Si + H2O = Si-O-H + H-O-Si

28 Primero la molécula de agua orienta los orbitales de electrones del oxígeno hacia el Si y forma un puente de hidrógeno con el oxígeno de la Sílice. Una unión tensionada facilita esta reacción. Como segunda etapa se produce la transferencia del electrón del oxígeno del agua al silicio junto con la transferencia del protón del agua al oxígeno de la sílice. La tercera etapa es al ruptura del puente de hidrógeno del agua y la transferencia del hidrógeno, dando lugar a la unión Si-OH sobre cada cara de la fisura.

29 El vidrio sufre también corrosión bajo tensión en otros medios, tales como el metanol, y el proceso de figuración es el mismo, sólo que cuanto más grande sea la molécula agresiva es más lenta la propagación de las fisuras.

30 Prevención contra la corrosión
Para minimizar la corrosión de los cerámicos es necesario: seleccionar un material adecuado para el uso requerido, realizar mantenimiento periódicamente, realizar controles para verificar que la degradación esté dentro de los valores tolerables. La selección del material adecuado incluye la selección de su porosidad (no sólo % sino tamaño de poros) y su textura que puede ser mejorada de acuerdo a los requerimientos. Los cerámicos estructurales requieren menor porosidad que los refractarios. Modifica en la fabricación.

31 Cubrir la superficie con recubrimientos de sacrificio o con vitrificadores que impiden la penetración del medio agresivo y la posterior degradación del cerámico. Para minimizar la disolución química de la matriz modificar su composición aumentando la pureza química de los materiales que la forman y así disminuir la corrosión debida a las impurezas segregadas. Para reducir la oxidación de los cerámicos se utilizan agregados de antioxidantes a la mezcla inicial (carbono grafito). También se usan Recubrimientos que impiden la oxidación de la superficie del cerámico, a la vez de impedir la penetración de líquido agresivo.

32 Para proteger los vidrios de la degradación se han utilizado exitosamente diferentes recubrimientos:
resinas poliméricas para proteger los vitrales que se degradan por corrosión atmosférica. recubrimientos tipo gel con agregados de titanio y circonio para proteger a los vidrios contra la corrosión en medios alcalinos; recubrimientos de fosfato de plomo para mejorar la durabilidad de los vidrios de fluoruros demetales pesados.