En el apartado anterior hemos visto que el acero es el metal más producido en la actualidad gracias a su precio razonable y a sus propiedades mecánicas suficientemente buenas como para desempeñar muchas funciones de tipo estructural y para maquinaria. No obstante, la principal debilidad de acero convencional es su acusada facilidad para oxidarse. Esto hace que el acero no suela ser la mejor elección cuando las condiciones ambientales son relativamente agresivas, como los ambientes húmedos, la alta salinidad o cuando se requiere directamente el contacto con agua u otros líquidos.
Es sabido, que en general, los utensilios de acero se oxidan con frecuencia dando lugar a la aparición de herrumbre, como se muestra en los ejemplos de la figura 2.3a-c. Se trata de una sustancia que se forma sobre la superficie expuesta, de color amarronado (desde amarillento hasta rojizo), que puede llegar a causar perforaciones en el interior. La herrumbre se compone de una mezcla de proporciones variables de óxidos e hidróxidos de hierro, productos de las reacciones químicas que tienen lugar entre el oxígeno del aire y el propio metal. La aparición de óxidos metálicos sobre las superficies de los metales expuestas a ambientes con cierta humedad es un fenómeno muy común y sobradamente conocido.
A lo largo de este capítulo describiremos los distintos comportamientos que presentan otros metales con respecto a la oxidación. Por ejemplo, el cobre es un metal de uso cotidiano sobre el que puede aparecer una pátina de color verde o turquesa como consecuencia de la oxidación y la consiguiente aparición de óxido, tal como se muestra en la figura 2.3d. Como anécdota, a este hecho es debido el color verde de la famosa estatua de la Libertad de Nueva York.
Llegados a este punto, resulta de mucho interés definir claramente la diferencia entre corrosión y oxidación[1], ya que a veces ambos términos se usan indistintamente y eso no es correcto. La corrosión es un fenómeno más amplio que engloba a los procesos de oxidación, que son un tipo particular de corrosión, y es muy usual en metales.
En ingeniería, la corrosión hace referencia al deterioro espontáneo de un metal como consecuencia de un ataque químico por su entorno. Durante el proceso de corrosión el metal sufre una reacción química, que puede ser de naturaleza redox o no, transformándose en otra sustancia más estable (óxido, hidróxido, sulfuro, etc.) y provocándose así la destrucción gradual del material. Por otro lado, la oxidación es un proceso por el cual una sustancia pierde electrones por la acción de un agente oxidante, que se reduce simultáneamente aceptando esos electrones en la reacción química opuesta. Como el oxígeno molecular del aire es un agente oxidante muy común y produce óxido en los metales, este proceso se denomina oxidación, pero hay que tener en cuenta que la oxidación no implica necesariamente la presencia de oxígeno, ya que la aceptación de electrones la pueden realizar otras especies químicas. Por tanto, en el contexto de la ciencia de materiales, y más en concreto cuando se trata de metales, la oxidación es un tipo particular de corrosión, si bien es el tipo más habitual, de modo que casi siempre la corrosión de metales implica un proceso redox con aparición de óxidos en mayor o menor medida.
Aparte de la acción directa de agentes oxidantes sobre los metales, la segunda causa de corrosión más común es la llamada corrosión galvánica, que se da cuando dos metales distintos se encuentran en contacto físico en presencia de un electrolito. En ese caso se constituye una pila electroquímica en la que uno de los metales actúa de ánodo y se corroe rápidamente mientras que el otro funciona como cátodo y lo hace más lentamente. Lo que determina qué metal se comporta como ánodo y cuál como cátodo son los valores relativos de sus potenciales de reducción, que están tabulados.
Es una práctica habitual depositar una capa fina de un metal con un potencial de reducción similar que sirve como protección. Por ejemplo, en el caso de los aceros, estos se pueden recubrir de una fina película de zinc, proceso que se denomina galvanizado. En cualquier caso, cualquier tipo corrosión representa un problema industrial de gran importancia, porque puede ocasionar el fallo en servicio de una determinada pieza, llegando a producir accidentes. Además, representa un coste importante ya que en los procesos de corrosión se pierde material y es necesario un mantenimiento adecuado que implica la reparación o cambio de piezas o, en algunos casos, aplicar pinturas o recubrimientos periódicamente.
Para mejorar esta deficiencia de los aceros se descubrió que añadiendo cromo en la aleación en una proporción por encima del 10% se evitaba casi por completo la oxidación y la aparición de herrumbre. El desarrollo de los aceros inoxidables se produjo a lo largo de varias décadas, desde principios del siglo XIX (cuando se observó que los aceros aleados con cromo resultaban más resistentes a la oxidación y al ataque de ácidos que los aceros convencionales) hasta finales de dicho siglo, cuando se mejoró la producción de cromo con suficiente pureza como para poder controlar sus proporciones una vez que se aleaba. Ya a principios del siglo XX se patentaron las primeras aleaciones comerciales y se llevaron a cabo las primeras estructuras importantes que contenían este tipo de acero, como barcos y edificios, demostrando su alta resistencia en condiciones ambientales duras y estableciéndose como un material cada vez más común.
Cabe preguntarse por qué el cromo protege al acero contra la oxidación. La explicación radica en que, en presencia de cantidades significativas de cromo, la oxidación sigue produciéndose, pero, en vez de formarse óxido de hierro en la superficie, se forma óxido de cromo. Esta capa de óxido de cromo actúa a modo de recubrimiento frente la oxidación.
En la figura 2.4 vemos unas micrografías de un corte transversal a la superficie de un acero inoxidable comercial donde se aprecia que se forma una capa de pocos nanómetros de óxido de cromo, tal y como revela el análisis elemental correspondiente. En estos casos se dice que la capa de óxido actúa como pasivante. Esta es la razón por la que los aceros inoxidables están protegidos frente a la oxidación; la clave está en la presencia de cromo y, en menor medida, de níquel, que es el otro componente fundamental de los aceros inoxidables comerciales. En concreto, la composición del acero AISI 316L que se muestra en la figura 2.4 es: Fe (69,8 ± 0,7%), Cr (16,6 ± 0,5%), Ni (10,4 ± 0,5%) y Mo (2,2 ± 0,5 %). En general, los aceros inoxidables tienen composiciones similares en lo que respecta al contenido de cromo, mientras que el del níquel puede oscilar más, incorporándose a veces otros elementos como manganeso.
Se pueden obtener aceros inoxidables con microestructuras análogas a la de los aceros convencionales. De este modo, hay disponible una extensa gama de aleaciones de tipo ferrítico, austenítico o incluso martensítico con propiedades mecánicas muy similares. Hay que destacar también que los aceros inoxidables admiten también tratamientos térmicos de maduración, similares a los que se describirán para el aluminio en el apartado siguiente, y que consisten en un endurecimiento por precipitación.
Sin embargo, lo realmente complejo en este tema, y que aún no está resuelto, es buscar una explicación general de por qué algunos metales forman óxidos que actúan como recubrimientos protectores mientras que en otros casos el óxido perjudica seriamente la integridad del material. Ya hemos visto que en el hierro y el cobre sucede esto último, pero en el cromo o el aluminio no. En gran medida se ha comprobado que la protección del óxido depende de la diferencia relativa entre las densidades del metal y el óxido correspondiente. Cuando son similares existe una mayor probabilidad de que el crecimiento de la capa de óxido sea homogéneo y actúe de forma pasivante, mientras que cuanto mayor sea la diferencia de densidades más se va a favorecer un crecimiento heterogéneo que deje áreas expuestas al exterior y por tanto la formación de óxidos pueda penetrar hacia el interior de material. También debe destacarse que hay algunas excepciones como el oro y el platino, metales que, aunque no forman ningún tipo de óxido, son resistentes a la oxidación por su propia naturaleza.
Aparte de los aceros inoxidables que acabamos de describir, conviene mencionar que existe otro tipo de acero, denominado corten, que se usa con cierta frecuencia y que también podría considerarse “inoxidable”, aunque no en el mismo sentido que el de los aceros inoxidables de alto contenido en cromo. Se trata de un tipo de acero cuya composición química también incluye cromo y níquel pero en proporciones mucho menores (el 1% o menos), además de otros metales como cobre y manganeso en menor proporción y cantidades mínimas de fósforo y azufre. Esta composición tan peculiar no impide la oxidación superficial pero sí evita que las propiedades mecánicas se vean afectadas. A pesar de generarse una capa de herrumbre rojiza permanente, esta es impermeable al aire y al vapor de agua. El aspecto que adquieren los objetos fabricados de este acero ha propiciado que se popularice su uso en decoración de exteriores, como parques y jardines, y de hecho varios artistas de renombre, como Eduardo Chillida o Richard Sierra, lo usan habitualmente en sus obras.
Actualmente el acero inoxidable es prácticamente la opción por defecto en pequeños y grandes electrodomésticos. Resulta frecuente en automoción, sobre todo en determinadas partes de los automóviles sometidas a ambientes muy agresivos, como el tubo de escape. Es muy usado en construcción, tanto en las fachadas y partes exteriores de los edificios como en el mobiliario. Y se emplea constantemente en fábricas y plantas industriales, sobre todo cuando hay tratamientos que involucran productos químicos o flujos de fluidos, por ejemplo en la industria alimentaria, la del petróleo o la de producción de reactivos químicos.
[1] Aquí solo hacemos una introducción muy escueta. Para una discusión en mayor profundidad puede consultarse cualquiera de las monografías sobre corrosión que se indican en el anexo bibliográfico.
[2] D. Ramachandran et al. J. Microsc. 264 (2016) 207-214. https://doi.org/10.1111/jmi.12434.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
