Esercizio - zincatura o stagnatura, rapporto di Pilling-Bedworth e passivazione
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Testo. Potenziali standard di riduzione: V; V; V.
- Una lamiera d'acciaio è rivestita di zinco (A) oppure di stagno (B). In entrambi i casi un graffio mette a nudo l'acciaio. Indicare, per ciascun caso, anodo e catodo, la f.e.m. standard e che cosa accade all'acciaio. Nel caso B il graffio ha area e la lamiera stagnata : stimare con il modello dell'esercizio sulla corrosione galvanica ( su ogni superficie; ferro isolato mm/anno) la velocità di corrosione dell'acciaio nel graffio e il tempo per forare una lamiera di mm.
- Calcolare il rapporto di Pilling-Bedworth per i seguenti ossidi e dire quali sono protettivi. Dati (metallo: in g/mol, in g/cm; ossido: , ): Al (; ) AlO (; ); Mg (; ) MgO (; ); Zn (; ) ZnO (; ); Fe (; ) FeO (; ).
- Confrontare il PREN di un inox 304 (Cr %, Mo %, N %) e di un 316L (Cr %, Mo %, N %) con e dire quale è più adatto all'acqua di mare.
- (teoria) Che cos'è la passivazione? Perché i cloruri sono pericolosi per gli inox, e perché l'acciaio nel calcestruzzo non arrugginisce?
1. Zincatura contro stagnatura
Caso A, zinco. Lo zinco ( V) è più anodico del ferro ( V): nella coppia zinco-ferro lo zinco è l'anodo e il ferro il catodo. Nel graffio l'acciaio nudo resta catodico: non si corrode finché c'è zinco intorno; lo zinco si consuma lentamente al suo posto. È protezione sacrificale: il rivestimento protegge anche dove manca.
Caso B, stagno. Lo stagno ( V) è più nobile del ferro: l'acciaio è l'anodo e lo stagno il catodo. Il rivestimento protegge l'acciaio solo da barriera finché è integro; nel graffio l'acciaio si corrode e per di più con un rapporto di aree sfavorevolissimo (piccolo anodo, grande catodo). Con il modello dell'esercizio Esercizio - corrosione galvanica acciaio-rame e rapporto tra le aree: corrente catodica totale , tutta concentrata sul graffio da : Per forare mm: anni giorni. Un rivestimento catodico con un difetto può essere peggio del metallo nudo ( mm/anno: perforazione in circa anni). (Nelle lattine per alimenti la presenza di acidi organici può invertire la polarità dello stagno: un'eccezione legata all'ambiente.)
2. Rapporto di Pilling-Bedworth
con numero di atomi di metallo per formula di ossido ( per AlO e FeO, per MgO e ZnO).
| ossido | calcolo | PBR | giudizio |
|---|---|---|---|
| AlO | tra 1 e 2: protettivo | ||
| MgO | : poroso, non copre tutto il metallo | ||
| ZnO | tra 1 e 2: protettivo | ||
| FeO | : lo strato si fessura, la ruggine non protegge |
Il criterio è qualitativo: Mg si copre di MgO ma il PBR minore di 1 lascia scoperto il metallo; il ferro forma uno strato molto voluminoso che si stacca; Al e Zn formano film coerenti. Si capisce anche perché lo zinco si consuma 40 volte più lentamente dell'acciaio nonostante sia più reattivo.
3. PREN
Il 316L ha un PREN molto più alto, grazie al molibdeno, ed è più resistente alla vaiolatura da cloruri: è il più adatto all'acqua di mare, anche se per quell'ambiente servono tipi ancora più legati. Inoltre la sigla "L" indica basso tenore di carbonio, che evita la sensibilizzazione (carburi di cromo ai bordi di grano) nelle saldature.
4. Domanda teorica
- Passivazione. Un metallo termodinamicamente molto attivo (Al, Cr, Fe in alcuni ambienti) si copre di un film sottile (nanometri), compatto, aderente e poco conduttore, che isola il metallo dall'ambiente e fa calare la velocità di corrosione di ordini di grandezza. Gli inox contengono almeno circa il di cromo, che forma il film di CrO e lo riforma se si danneggia, in presenza di ossigeno.
- Cloruri. Gli ioni Cl penetrano e rompono localmente il film. In quel punto il metallo nudo diventa un piccolo anodo con una enorme superficie passiva catodica: la corrosione è rapidissima e localizzata (vaiolatura), e si autoalimenta perché l'idrolisi dei cationi metallici acidifica la cavità.
- Calcestruzzo. L'acqua nei pori del cemento ha pH - (idrossido di calcio): a questo pH il ferro forma l'idrossido/ossido (zona di passività del diagramma di Pourbaix, dove Fe(OH) è stabile oltre pH ) e l'acciaio d'armatura resta passivo, finché la carbonatazione (riduzione del pH) o i cloruri non distruggono il film.
Risultati
| punto | risultato |
|---|---|
| zinco / stagno | anodo zinco ( V) / anodo acciaio ( V) |
| acciaio nel graffio del rivestimento di stagno | 23,3 mm/anno; foratura della lamiera in circa 9 giorni |
| PBR | AlO 1,29, MgO 0,81, ZnO 1,58, FeO 2,15 |
| PREN | 304: 19,6; 316L: 24,7 (più adatto) |
Errori comuni
- Considerare "sacrificale" ogni rivestimento metallico: solo se il rivestimento è più anodico del supporto (zinco sull'acciaio).
- Applicare il criterio del PBR al contrario: PBR e sono entrambi sfavorevoli.
- Dimenticare il numero di atomi di metallo nella formula dell'ossido (AlO, FeO hanno ).
- Credere che l'inox non si corroda mai: è passivo, ma i cloruri lo attaccano localmente.
Versione ripasso
Testo. Acciaio rivestito di zinco (A) o di stagno (B) con un graffio; PBR di AlO, MgO, ZnO, FeO; PREN di 304 e 316L; passivazione, cloruri, calcestruzzo. Teoria: Corrosione dei metalli e protezioneLa corrosione umida è una cella galvanica che si forma da sola: anodo (M → M^n+ + ne−), catodo (O2 + 2H2O + 4e− → 4OH− in ambiente neutro, 2H+ + 2e− → H2 in acido), conduttore elettronico ed elettrolita; mancando uno dei quattro non c'è corrosione. La velocità segue Faraday (0,116 mm/anno per il ferro a 10 μA/cm²). Due metalli diversi a contatto: si corrode il meno nobile (serie galvanica), tanto più quanto più piccolo è l'anodo rispetto al catodo. Forme: uniforme, galvanica, in fessura e per aerazione differenziale, vaiolatura, intergranulare, sotto tensione. Passivazione: film di ossido sottile e protettivo (Al2O3, Cr2O3, rapporto di Pilling-Bedworth tra 1 e 2). Protezione: rivestimenti (zinco anodico e sacrificale, stagno catodico), inibitori, protezione catodica con anodi sacrificali (Zn, Al, Mg) o a corrente impressa (acciaio a −0,85 V rispetto a Cu/CuSO4).Corrosione dei metalli e protezione →.
- A, zinco: anodo lo Zn ( V contro V), V, l'acciaio nudo è catodo: protezione sacrificale. B, stagno: anodo l'acciaio, V; graffio su : , mm/anno, lamiera da mm forata in circa giorni.
- PBR : AlO e ZnO (protettivi), MgO (poroso), FeO (si fessura).
- PREN: 304 ; 316L ; il 316L è il più adatto (e "L" evita la sensibilizzazione).
- Teoria: passivazione = film di ossido sottile (nanometri), compatto, aderente e poco conduttore, che fa calare la corrosione di ordini di grandezza; gli inox hanno almeno circa il di Cr e il film si riforma con l'ossigeno. I cloruri rompono il film: piccolo anodo e grande catodo passivo, vaiolatura che si autoalimenta per l'idrolisi dei cationi. Nel calcestruzzo (pH -, oltre pH Fe(OH) è stabile) l'acciaio è passivo finché carbonatazione o cloruri non lo distruggono. Lo zinco si consuma circa volte più lentamente dell'acciaio perché il suo PBR è .
Errori tipici: ogni rivestimento ritenuto sacrificale; PBR letto al contrario; dimenticato; inox ritenuto immune dai cloruri.