Ossidazione metalli: oli e fluidi lubrificanti protettivi

Come avviene il processo di ossidazione dei metalli ?

Come preservare i semilavorati dall'ossidazione durante i trasporti via mare o durante il processo produttivo ?

Quali sono le caratteristiche di un’ottima protezione temporanea per metalli?

Con il termine ossidazione o corrosione si indica il complesso dei fenomeni chimico-fisici che comportano il degrado dei materiali metallici ad opera dell'ambiente a cui sono esposti.  

I processi di corrosione dei metalli sono molteplici e complessi e dipendenti da diverse variabili quali ad esempio

  • temperatura di esercizio

  • stress meccanico a cui è sottoposto il componente

  • affinità chimica con eventuali elementi presenti in atmosfera

  • composizione del metallo base (contenuto in carbonio ed altri elementi di lega

Ci occuperemo della corrosione umida o atmosferica in base alla quale un metallo tende a degradarsi passando dallo stato elementare allo stato di materiale ossidato, a seguito dell’attacco da parte dell’ambiente in cui si trova, per effetto della presenza di un film acquoso allo stato liquido con ossigeno disciolto nel mezzo.

 

fluidi_lubrificanti_protettivi

L’ossidazione rappresenta il nemico principale dei più comuni metalli ferrosi utilizzati per la fabbricazione dei dispositivi meccanici, è inevitabile ma è comunque possibile ridurne gli effetti  attraverso opportuni accorgimenti da adottarsi lungo il processo produttivo e il trasporto

Analizzeremo l'ossidazione atmosferica  valutando i i seguenti aspetti:

  • Le modalità di formazione della ruggine da attacco atmosferico

  • Come evitare o ridurne la comparsa

  • Come impedire o allungare la protezione in assenza di verniciatura o passivazione, durante i trasporti via mare e gli stoccaggi prolungati in ambienti riparati o allo scoperto 

Composizione delle leghe ferrose

Gli acciai al carbonio e le più comuni leghe ferrose sono, a seconda della loro composizione, grado di legame, additivi, e contenuto in carbonio, soggette a corrosione atmosferica. Le leghe ferrose, cioè quelle in cui la concentrazione di ferro (Fe) supera il 50%, si suddividono in: 

  • Ghise: contenuto di carbonio (C) superiore al 2% fino a max 4-6 %

  • Acciai al carbonio: con un contenuto in (C) inferiore al 1,7% suddivisi a loro volta in: 

acciai extradolci, contenenti meno dello 0,15% di Carbonio

acciai dolci, da 0,15% a 0,25% di Carbonio

acciai semiduri da 0,25% a 0,50%Carbonio

acciai duri con contenuto superiore allp 0,50% di Carbonio

  • Acciai legati : oltre all’elemento Fe presente in quantità dominante sono arricchiti dalla presenza di uno o più elementi in quantità variabili:  vanadio, molibdeno, manganese, silicio, rame,  in percentuali superiori a quelle contenute negli acciai al carbonio. Sono utilizzati nella produzione di molti componenti meccanici, quali bielle, alberi, perni, sterzi, assali dei veicoli etc.

Il processo di ossidazione atmosferica necessita per il suo svolgimento  dei seguenti elementi 

  • Substrato metallico ferroso, o comunque non auto-passivante

  • Presenza di H2O allo stato liquido

  • Un ambiente ossidante: presenza di ossigeno disciolto nel mezzo aria-acqua

ossidazione_metalli_processo

L'ossidazione dei metalli ferrosi è un processo inesorabile e progressivo, questo perchè la ruggine cioè principalmente ferro ossidato (Fe2O3), è un materiale friabile e poroso, che tende a sfaldarsi liberando la superficie sottostante e rendendola disponibile ad un ulteriore attacco. 

Da un punto di vista chimico l’ossidazione rappresenta una reazione chimica di ossido-riduzione, quello che avviene in una cella elettro-chimica.

 

cella_elettrochimica

 

La reazione può esser ecosì sintetizzata :

3Fe +4H2O -> Fe3O4 + 4H2 

In realtà la ruggine può essere composta da altri elementi, quali:

  • idrossidi di Ferro Fe(OH)2,

  • ioni liberi del Fe (Fe3+ e Fe2+)

  • tracce di metalli e derivati 

Sistemi di prevenzione della corrosione umida: vernici e coating 

Le leghe ferrose sono soggette a ossidazione atmosferica e devono essere protette durante il loro normale esercizio da rivestimenti di varia natura e composizione. A seconda della fase produttiva entro la quale i semilavorati o i prodotti finiti si trovano, e in base alle esigenze, si possono distinguere due tipologie di rivestimenti: 

  • Temporanei: consistono nell’applicazione e/o protezione delle superfici esposte alla corrosione atmosferica da barriere protettive rimovibili. Sono indicate qualora siano previste successive operazioni di passivazione, coating o verniciatura.  

  • Permanenti: applicati sulle superfici metalliche con l’obiettivo di impedire la formazione di ossidi di ferro per l’intero esercizio temporale del dispositivo. Si distinguono,

    • i trattamenti galvanici, depositi sulle superfici metalliche di sottili strati composti passivanti, (p.e. fosfatazione, zincatura).

    • verniciature: rivestimenti superficiali di varia natura chimica, applicati in maniera definitiva prima della messa in esercizio del dispositivo.

Le leghe non ferrose e alcuni acciai legati non sono soggetti a corrosione e a formazione di ruggine, poichè subiscono un naturale processo di passivazione che consiste nella formazione, in atmosfera ossidante, di  un sottile strato composto da materiale ossidato, ossigeno adsorbito e/o sostanze presenti nell’ambiente aggressivo. Tipicamente sono soggetti a questo fenomeno gli acciai austenitici (leghe Ni-Cr) e le leghe non ferrose (p.e. Ottone).

 

ingranaggio_ruggine

 

La protezione temporanea dei metalli: oli, grassi, VCI, emulsioni, coating, cerosi 

Durante le fasi intermedie di produzione dei semilavorati  ferrosi, cioe prima dell’applicazione del film protettivo permanente, è fondamentale poter disporre dei materiali in perfetto stato per : 

  • la successiva lavorazione o assemblaggio del semilavorato, i particolari devono poter essere assemblati senza la presenza di tracce di ossidazione.

  • il trasporto via mare : i materiali potrebbero essere sottoposti a rapida corrosione, per effetto della presenza di nebbia salina creatasi all’interno delle casse di contenimento dei semilavorati.

  • la consegna al cliente: la presenza di tracce di ossidazione  potrebbe determinare l'aperture di procedure di non conformità, con conseguente aggravio di costi.

 

E' importante pertanto applicare sulle superfici metalliche ferrose soluzioni protettive temporanee molto efficaci, di seguito si riportano i principali requisiti per una protezione di livello superiore: 

  • Elevato grado di protezione, generalmente misurato in ore di nebbia salina o camera umida secondo ASTM B-117

  • Ridotto contenuto di frazioni volatili, comunemente Identificati come VOC (volatile organic compounds), poco salutari per gli operatori che impiegano la soluzione nei reparti produttivi

  • Agevole applicazione: attraverso sistemi di facile erogazione 

  • Facile asportazione dalle superfici metalliche, per rendere i componenti pronti per i successivi trattamenti superficiali eventualmente previsti

  • Compatibile nei confronti delle superfici da proteggere, da evitarsi variazione di lucentezza, colore, rugosità e predisposizione ad attacco chimico

  • Ridotto impatto ambientale

 

Le principali soluzioni protettive temporanee possono essere classificate come segue: 

  • Oli protettivi : fluidi di consistenza oleosa di natura minerale o sintetica, arricchiti di additivi inibitori di corrosione. 

  • Inibitori di corrosione : soluzioni saline concentrate, da diluirsi in acqua di rete sino a percentuali  del 3-5%, indicati per il collaudo di valvole, pompe, scambiatori di calore ed apparecchiature a pressione.

  • Emulsionabili : oli minerali o sintetici formulati con tensioattivi per un’agevole sospensione in acqua, sono indicati per collaudi come gli inibitori di corrosione, in concentrazione sino al 10% e permettono una protezione del componente anche dopo il collaudo sino a 12 mesi in in abiente chiuso

  • Paste e gel: composti grassi ad elevato potere protettivo, indicati per impiego in dispositivi meccanici, quali attuatori, ingranaggi, e cinematismi operanti in parti esterne, solitamente impiegati come lubrificanti, ma con formulazione nobilitata di additivi inibitori l’ossidazione 

  • Rivestimenti a film secco: dispersioni di cere protettive in solvente a rapida evaporazione, lasciano sulle superfici metalliche un film secco particolarmente resistente al dilavaggio. 

  • VpCI: carte polietileniche impregnate di inibitori di corrosione, creano una barriera protettiva nei confronti delle nebbie saline e producono un atmosfera riducente (protettiva) nei dintorni del semilavorato. Sono indicati per imballi speciali durante i trasporti via oltre oceano. 

Test di riferimento per valutare l’efficacia delle soluzioni protettive : ASTM -B-117 

Tra i test di riferimento per la  verifica dell’efficacia dei film protettivi sulle superfici metalliche, citiamo le normative ASTM-ISO che comprendono sia:

  • le procedure di condizionamento dei provini
  • le metodologie di classificazione dei risultati.

 

 

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L'immagine si rifersice ad una prova eseguita in camera umida secondo ISO 6270/1, i provini, ricorperti di un fluido protettivo base acqua  mostrano segni di parziale ossidazione. 

 

  • ASTM B-117, consiste nel sottoporre dei provini di dimensioni e materiali definiti in una camera umida con cloruro di sodio (NaCl) al 5-20% e condizioni di temperatura definite.

  • ISO 6270/1-1998 utilizzata per verificare il potere anticorrosivo di un film protettivo in un atmosfera condizionata al 100% di nebbia umida in assenza di accelerante salino. (vedi figura sopra).

  • ASTM D-610, metodo di valutazione e classificazione del potere anti corrosivo dei rivestimenti sottoposti a ASTM D-117 e ISO 6270/1

 

La procedura ASTM B-117, in virtù della presenza di NaCl come accelerante corrosivo,  viene utilizzata per velocizzare il processo di invecchiamento, specie se i film protettivi risultano particolarmente resistenti all’attacco, come nel caso delle verniciatura e i trattamenti galvanici, con questa procedura è possibile contenere i tempi di ottenimento dei risultati.

 

Nel caso dei protettivi temporanei o semi permanenti è più indicata la procedura ISO 6270/1, in cui l’agente ossidante è il solo ossigeno disciolto nella nebbia umida.

 

L’esigenza di proteggere particolari ferrosi semilavorati privi della protezione anticorrosiva permanente esterna, (verniciatura o passivazione), impone l’impiego di soluzioni temporanee rimovibili che garantiscano  un alto grado di protezione senza inficiare la qualità dei substrati metallici. 

 

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