BLOQUE TEMÁTICO Nº 1: MATERIALES
TEMA Nº4: DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO II: EL DIAGRAMA FE-C,
TRATAMIENTOS DE LOS METALES Y EL FENÓMENO DE LA CORROSIÓN.
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1. EL DIAGRAMA HIERRO – CARBONO: hi
Para que una solución de hierro - carbono reciba el nombre de aleación, la concentración de carbono no puede ser mayor del 6,67 %, ya que, si fuese mayor, perdería las cualidades metálicas y recibiría el nombre de compuesto químico.
En el diagrama hierro - carbono que se presenta a continuación, se pueden apreciar los siguientes constituyentes fundamentales generales:
Hierro: tiene un contenido en carbono entre el 0,008 % y el 0,0218 %. El hierro puro es difícil de obtener puesto que la concentración de carbono a temperatura ambiente ha de ser menor al 0,008 %. Por otra parte sus aplicaciones están limitadas casi exclusivamente a núcleos de inductancias.
Aceros: para que una aleación de hierro carbono se considere acero, la concentración de carbono ha de estar comprendida entre el 0,0218 % y el 2.11 % a temperatura ambiente. El campo de aplicación de los aceros es muy amplio, abarcando todos los campos de la industria. Entre sus características fundamentales están: su alta dureza, buena resistencia mecánica, maleabilidad, ductilidad, etc.
Fundiciones: reciben este nombre las aleaciones de hierro - carbono que tienen una concentración de carbono comprendida entre el 2.11 % y el 6,67 %. La característica fundamental de la fundición es su extraordinaria dureza, que la hace ideal para herramientas de corte.
1.1. CONSTITUYENTES PARTICULARES:
Ferrita: solución sólida de carbono en hierro alfa (α). Su solubilidad a temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver el 0,008 de carbono. Cristaliza como hierro alfa en red cúbica centrada en el cuerpo. Es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Posee propiedades magnéticas.
Austenita: está formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma (γ), con estructura cúbica centrada en las caras.. la proporción de carbono disuelto varía desde 0 al 2.11%. es el constituyente más denso de los aceros. Cristaliza en FCC y no es magnética.
Cementita: Este constituyente es el carburo de hierro, con un 6,67 % de carbono, de fórmula Fe3C, que cristaliza en el sistema ortorrómbico. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros. Tiene propiedades magnéticas hasta los 210ºC.
Perlita: Es una mezcla que se da en el punto eutectoide (0,77 % de C y 723 ºC) y consta de ferrita más cementita. Su estructura esta constituida por láminas alternativas de ferrita y cementita. Las propiedades mecánicas de la perlita son intermedias entre las de la ferrita y cementita y aunque es más dura y resistente que la ferrita, es más blanda y maleable que la cementita.
Martensita: Es una solución sólida sobresaturada de carbono en Feα. Se obtiene por enfriamiento rápido de la austenita de los aceros, tras haber sido calentada para conseguir una constitución austenítica. Se presenta en forma de agujas y cristaliza en el sistema tetragonal. La proporción de carbono no es constante y varía hasta un contenido máximo de 0,89 %. Si aumentamos la proporción de carbono, también aumenta la resistencia mecánica, la dureza y la fragilidad del acero. Presenta propiedades magnéticas.
Ledeburita: se encuentra en las aleaciones Fe-C cuando el contenido de carbono es superior a 2.11. es un eutéctico, una mezcla de dos componentes, que pasan del estado sólido al líquido sin descomponerse.
 
p
Punto
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Fase
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T ª
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Cantidad
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Concentración
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P
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Ferrita + cementita
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400
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Ccementita
6.67
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C ferrita=0.022%C
Ccementita= 6.67% C
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Tabla síntesis diagrama hierro carbono
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Constituyente
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%C
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RED
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PROPIEDADES
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Puntos Diagrama
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Ferrita
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Solución sólida de carbono en hierro alfa
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De 0.008 a Tambiente hasta 0.022
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BCC
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El más blando y dúctil. Es magnético.
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A (0.008% C, RT)
B (0.022% C, 727º C)
C (100% Fe, 900ºC)
D (100% Fe, 1405º C)
E (4.3% C, 1148º C)
F (100% Fe, 1538º C)
G (2.11% C, 1148º C)
I (0.77% C, 727º C)
Punto eutectoide
E (0.022% C, 727º C)
Punto eutectico
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Austenita
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Solucion solida por inserción de carbono en hierro gamma
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Hasta 2.11
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FCC
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El más denso.
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Cementita
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Carburo de hierro Fe3C
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Hasta 6.67
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ORTORRÓMBICO
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El más duro y frágil
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Martensita (c alentamiento y enfriamiento rápido de la austerita)
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Solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa
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No es constante
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TETRAGONAL
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Es magnético. Varían según % C.
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Ledeburita
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Mezcla punto eutectico
Austenita mas cementita
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=4.3
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Intermedias entre la austenita y la cementita
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Perlita
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Mezcla punto eutectoide
Ferrita mas cementita
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2.11
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Intermedias entre la ferrita y la cementita
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2. TRATAMIENTOS DE LOS ACEROS PARA MEJORAR SUS PROPIEDADES:
Se distinguen los siguientes tratamientos: térmicos, termoquímicos, mecánicos y superficiales. Todos ellos no deben alterar la composición química de manera notable ya que de lo contrario dejarían de ser tratamientos para convertirse en otros procesos.
Tienen por finalidad modificar las características mecánicas de los aceros o los metales en general; en algunos casos se pretende aumentar su plasticidad para facilitar el conformado en frío, su dureza, etc.
2.1. TRATAMIENTOS TÉRMICOS: Consisten en operaciones de calentamiento y enfriamiento más o menos rápido a los que se somete a los materiales con objeto de conseguir cambios en la estructura cristalina (fundamentalmente el tamaño de grano) sin que la composición química resulte modificada. Por lo tanto las variables que controlamos son la temperatura y el tiempo.
 Existen fundamentalmente cuatro tratamientos térmicos:
Temple (a): es un tratamiento típico de los aceros que consiste en calentarlos hasta una temperatura superior a la de austenización, seguido de un enfriamiento lo suficientemente rápido para obtener una estructura martensítica. De esta manera se obtiene un material muy duro y resistente mecánicamente.
Por regla general, la forma de realizar el enfriamiento consiste en sumergir la pieza en agua, aceite o aire frío controlando en todo momento la temperatura del fluido. Para conseguir un mejor temple se agita el fluido refrigerante.
Curvas de enfriamiento y calentamiento de los tratamientos térmicos más empleados.
Revenido: es un tratamiento complementario al temple, con el que se pretende eliminar tensiones internas producidas durante el temple; mejora la tenacidad, aunque se reduce la dureza. Consiste en un calentamiento de las piezas previamente templadas a una temperatura inferior a la de austenización, para lograr que la martensita se transforme en una estructura más estable. El proceso termina con un enfriamiento relativamente rápido.
Normalizado (b): se denomina normalizado por que se entiende que con este tratamiento los aceros obtienen sus propiedades normales. Se someten a este tratamiento piezas que han sufrido deformaciones en caliente, en frío o bien que han tenido enfriamientos irregulares o sobrecalentamientos. También nos sirve para eliminar un tratamiento térmico previo. Con el normalizado se reducen tensiones internas provocadas por las causas anteriores, así como una unificación del tamaño de grano.
Consiste en un calentamiento del acero, 50 grados por encima de la temperatura de austenización, seguido de un enfriamiento al aire. La velocidad de enfriamiento no puede ser elevada evitando la formación de martensita y confiriendo al acero una estructura perlítica y ferrita o cementita de grano fino.
Recocido (c): consiste en calentar el material hasta una temperatura determinada y mantenerlo a dicha temperatura durante un tiempo previsto y posteriormente enfriarlo lentamente. Los objetivos que se persiguen son: eliminar tensiones del temple, aumentar la plasticidad, ductilidad y tenacidad, y conseguir una microestructura específica. En estos tratamientos, el tiempo constituye la variable fundamental a controlar. En los aceros la temperatura a alcanzar ha de estar entre la temperatura crítica inferior de austenización (A1) y la superior (A3 o Acm). Con este tratamiento no se supera la temperatura crítica superior de austenización como ocurre con el normalizado.
TEMPLE
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REVENIDO: complementario al temple.
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RECOCIDO
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NORMALIZADO: el acero adquiere sus propiedades normales.
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Tª>Taustenización
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Tª |
Temperatura determinada
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Tº= Taustenización+50ºC
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CALENTAMIENTO
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Rápido
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Relativamente rápido
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Lento
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Al aire
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ENFRIAMIENTO
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Martensítica
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Más estable
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Microestructura específica
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Perlítica
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ESTRUCTURA
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Aumentar la dureza
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Aumentar la tenacidad
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Aumentar la plasticidad, la ductibilidad y la tenacidad
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Eliminar tratamientos térmicos previos.Reducir tensiones internas y unificar el tamaño del grano
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UTILIDAD
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TRATAMIENTOS TÉRMICOS: consisten en calentar y enfriar al material con el objeto de obtener cambios en su estructura cristalina. Las variables a controlar son el tiempo y la temperatura.
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.2. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS: Con estos tratamientos obtenemos piezas muy duras superficialmente, capaces de resistir desgastes, y más blandas en el centro, lo que les permite ser más tenaces. Mediante estos tratamientos se modifica la composición química superficial del material, por lo tanto, las variables que controlamos son la temperatura, el tiempo y la composición química. En general el procedimiento consiste en meter la pieza en un horno en el que controlamos la atmósfera que rodea a la pieza, calentamos hasta una temperatura determinada, mantenemos esa temperatura el tiempo necesario para que se produzca una difusión atómica en la superficie de la pieza con una profundidad determinada y enfriamos. Entre los procedimientos más habituales tenemos:
Cementación o carburación : Consiste en añadir carbono a la superficie del metal mediante difusión, con objeto de aumentar su dureza superficial. Para facilitar la difusión del carbono en el metal, se somete la pieza durante cierto tiempo a una determinada temperatura ( 900 ºC en el caso de los aceros). La atmósfera carburante necesaria se puede lograr por medio de agentes sólidos, gaseosos o líquidos que desprendan carbono. La cantidad de carbono absorbido por la pieza depende de la composición química inicial del metal, la naturaleza de la atmósfera carburante, la temperatura y el tiempo de duración del tratamiento.
Una vez sometida una pieza a un proceso de este tipo, puede considerarse constituida por dos zonas: la zona exterior, que es la capa cementada y que posee mayor concentración de carbono que el resto de la pieza.; y el alma, que es la zona central donde no se ha producido variación química.
Nitruración: Con este tratamiento se consiguen endurecimientos superficiales extraordinarios de los aceros. La pieza que se pretende nitrurar se somete en un horno a una corriente de amoniaco a una temperatura elevada (en el caso de los aceros próxima a los 500 ºC). Con este procedimiento, manteniendo la pieza dentro del horno a la temperatura indicada entre 20 y 80 horas, se pueden alcanzar durezas comprendidas entre 650 HV y 1100 HV.
Cianuración o carbonitruración: Es un tratamiento intermedio de los dos anteriores en el que se produce el endurecimiento de la superficie de la pieza sometiéndola a una atmósfera mezcla de carbono y nitrógeno.
Sulfinización: Consiste en producir una pequeña capa superficial de azufre, nitrógeno y carbono, por medio de su inmersión en un baño a una temperatura de unos 500ºC; de esta manera se consigue favorecer la resistencia al desgaste, favorecer la lubricación y evitar el agarrotamiento. Las piezas sometidas a este tratamiento pueden aumentar su dureza cinco veces.
CEMENTACIÓN
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NITRURACIÓN
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CIANURACIÓN
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SULFINIZACIÓN
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Carburante
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Corriente de amoniaco
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Mezcla de carbono y nitrógeno
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Inmersión en un baño de azufre, carbono y nitrógeno
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ATMÓSFERA
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Aumentar la dureza superficial
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Aumentar la dureza superficial y la resistencia a la corrosión.
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Aumentar la dureza superficial
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Aumentar considerablemente la dureza superficial y la resistencia mecánica, favorecer la lubricación y evitar el agarrotamiento.
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UTILIDAD
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TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS: consiste en calentar bajo una atmósfera determinada el material a tratar, mantenerlo a esa temperatura hasta que se produzca la difusión atómica de la superficie a una profundidad determinada y enfriarlo. Se producen cambios en la composición química superficial. Las variables a controlar son el tiempo, la temperatura y la concentración.
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2.3. TRATAMIENTOS MECÁNICOS: Mejoran las características de los metales por deformación mecánica, con o sin calor. Pueden ser:
Tratamientos mecánicos en caliente, denominados también forja. Consisten en deformar el metal, una vez calentado a una temperatura determinada, golpeándolo fuertemente. De esta forma se afina la estructura del grano y se eliminan del material sopladuras y cavidades interiores, con lo que se mejora su estructura interna.
Tratamientos mecánicos en frío, consisten deformar el metal a temperatura ambiente, ya sea golpeándolo, por trefilado o laminación. Esto incrementa la dureza y la resistencia mecánica del metal y acarrea también una disminución en su plasticidad y ductibilidad.
2.4. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES: Mediante estos tratamientos se modifica la superficie de los metales sin variar su composición química másica. En estos tratamientos no es necesaria la aplicación de calor. Los tratamientos superficiales más conocidos son el los recubrimientos entre los que se encuentra el cromado y la metalización.
La metalización consiste en pulverizar metal fundido sobre otro, con lo cual, la pieza tratada adquiere las propiedades del primero en su superficie.
Los recubiertos: el acero tiene una fuerte tendencia a la oxidación y para corregirla se recubre la banda laminada con metales protectores carentes de tal tendencia. Este recubrimiento se efectúa por dos sistemas: inmersión y electrolisis.
Recubrimientos por inmersión. En este proceso se somete la banda, una vez limpia, a un calentamiento controlado en un horno continuo, para después irla pasando por un pote donde se encuentra el metal de recubrimiento fundido.
Recubrimientos por electrolisis: en este proceso, se conecta la banda al polo negativo de una corriente eléctrica y se la hace pasar a través de una cuba donde hay un líquido conductor y unas barras del metal de recubrimiento conectadas al polo positivo de la misma corriente.
El proceso se realiza por adhesión a la banda de las partículas del metal que se desprenden de las barras y se desplazan por el líquido. Si el metal es estaño, el producto obtenido es hojalata destinada a la industria conservera fundamentalmente. Si el metal de recubrimiento es zinc o una aleación de este fundamentalmente y aluminio se obtienen productos galvanizados. Si el metal de recubrimiento es cromo se obtienen productos cromados muy resistentes a la corrosión.
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2.5. DIAGRAMAS PARA EL ESTUDIO DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS :
D iagrama TTT (transformación-tiempo-temperatura): el diagrama de equilibrio es de gran utilidad para el estudio de los tratamientos térmicos, pero esta limitado a calentamientos y enfriamientos muy lentos. Por eso los diagramas TTT son actualmente la herramienta más poderosa en el estudio de los tratamientos térmicos. A continuación se representa las curvas TTT de un acero eutectoide
Si la velocidad de enfriamiento es muy lenta, se obtendrán estructuras de tipo perlítico. Si la velocidad de enfriamiento es mayor se obtendrán estructuras bainíticas; y si la velocidad fuera tal que la curva de enfriamiento no cortará a la curva TTT en ninguno de sus puntos, se obtendría una estructura martensítica.
La curva de enfriamiento representada corresponde a la mínima velocidad a la que se debe enfriar para que su estructura resultante sea 100% martensita y que se conoce como velocidad crítica del temple.
Ms es la temperatura de inicio de la transformación martensítica y Mf es la temperatura a la que finaliza dicha transformación.
Ae1 es la temperatura de austenización (727º C) y se corresponde con la isoterma eutéctica.
3. LA CORROSIÓN ELECTROQUÍMICA:
3.1. La pila galvánica o de corrosión electroquímica: una pila electroquímica se forma cuando dos piezas de metal se ponen en contacto a través de un líquido conductor o electrólito. El circuito eléctrico que se forma produce fenómenos de electrodeposición como la corrosión electroquímica.
Los componentes de una pila electroquímica son:
Ánodo: cede electrones al circuito y se corroe.
Cátodo: receptor de electrones del circuito a través de una reacción química. Los electrones que se combinan con los iones producen un subproducto en el cátodo.
Contacto físico o puente de conexión: medio físico de conexión entre ánodo o cátodo, por donde fluyen los electrones del ánodo al cátodo.
Electrólito: líquido que está en contacto tanto con el ánodo como con el cátodo. Debe ser conductor. Este líquido proporciona el medio a través del cual los iones metálicos abandonan la superficie del ánodo, y aseguran que los iones se desplacen hacia el cátodo que acepta los electrones.
RECUBRIMIENTOS
Aislamos el ánodo del cátodo evitando la formación de pilas galvánicas.
A CORTO PLAZO
A LARGO PLAZO
Grasas y recubrimientos
cerámicos.
Acero galvanizado (deposición de Zn) y hojalata (deposición de Sn)
INHIBIDORES
Se añaden a la solución del electrólito de tal forma que interrumpen o reducen el paso de electrones desde el ánodo hasta el cátodo. Existen dos clases de inhibidores: los anódicos y los catódicos.
SALES DE CROMO EN LOS RADIADORES DE LOS COCHES
PASIVADORES O PROTECCIÓN ANÓDICA
Pasividad natural: el aluminio al oxidarse crea una fina capa de óxido que impide la corrosión.
Pasividad artificial: de los mecanismos de actuación de los pasivadores, únicamente se sabe que su acción se debe a la formación de películas protectoras. Los métodos más usados consiste en impregnar el metal con minio o cromato de Zn.
PROTECCIÓN CATÓDICA
Consiste en obligar al metal a comportarse como cátodo cediendo le electrones.
ÁNODO DE
SACRIFICIO
El ánodo de sacrificio se corroe aportando electrones al metal a proteger
Mg y Zn
Una fuente de tensión continua suministra al ánodo los electrones. El anodo se conecta al negativo de la fuente obligando lo a actuar como cátodo y el cátodo al positivo.
CORRIENTES
IMPRESAS
SELECCIÓN DE MATERIALES
Fabricar las piezas con materiales autoprotectores como el cromo.
Emplear aleaciones autoprotectoras como los aceros inoxidables y los aceros al niquel.
3.2. MEDIOS DE PROTECCIÓN
 
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