Identifican los procesos de corrosión en aceros amorfos a escala atómica

El investigador Daniel Crespo, del Departamento de Física Aplicada de la UPC y profesor de la Escuela de Ingeniería de Telecomunicación y Aeroespacial de Castelldefels (EETAC), Milad Madinehei, becario pre-doctoral en el mismo centro, y Jazmín Duarte, doctora por la UPC, han analizado cómo disminuye la resistencia a la corrosión en aceros amorfos al aumentar la temperatura. 

Los aceros amorfos son una familia de los llamados vidrios metálicos que, a pesar de tener un aspecto similar al de un metal normal, en algunos casos duplican o incluso triplican la resistencia mecánica de los materiales metálicos cristalinos de composición similar. Sin embargo, presentan a menudo excelentes propiedades magnéticas para la producción de transformadores de corriente, reduciendo las pérdidas debidas a la producción de calor hasta un 75% respecto a un transformador normal. La utilización de transformadores de alta eficiencia es imprescindible para reducir las pérdidas en la red de distribución de energía eléctrica que, a su vez, es esencial para alcanzar el objetivo establecido por la Comunidad Europea de reducir en 2020 en un 20% las emisiones de CO2 respecto de 1990.

Un acero amorfo es un vidrio metálico donde el componente principal es el hierro. El material estudiado por los investigadores de la UPC incorpora, además, molibdeno (Mo), carbón (C), boro (B) y cromo (Cr); si fuera cristalino, sería un acero inoxidable. Según el investigador Daniel Crespo, "a temperatura ambiente este acero amorfo 'muestra una excelente resistencia a la corrosión". Sin embargo, se ha sometido el material a tratamientos térmicos a temperaturas crecientes y se ha estudiado como la movilidad atómica provoca la aparición de sucesivas estructuras cristalinas, hasta cristalizar totalmente el material a 800 ºC. Empleando innovadoras técnicas analíticas los investigadores han podido identificar la composición de las diferentes fases cristalinas en función de la temperatura del tratamiento térmico.

Los materiales han sido producidos en la UPC y analizados primero en la Universidad y luego en el Max Planck Institute de Düsseldorf (Alemania), donde los investigadores han realizado diversas estancias y Jazmín Duarte goza actualmente de una beca postdoctoral. La principal fuente de información ha sido la llamada Tomografía de prueba atómica (ATP, Atom Probe Tomography), que ha permitido observar la descomposición del material en dos fases cristalinas, una rica en hierro y cromo y la otra rica en hierro y molibdeno. 

Los cristales ricos en cromo son muy resistentes a la corrosión, y consecuentemente la corrosión se focaliza en los cristales ricos en molibdeno, que se van disolviendo. Dado que los cristales de las dos fases se entrecruzan unos con otros, al final del proceso aparece una estructura llena de cavidades.

El trabajo se ha llevado a cabo junto con investigadores del Max Planck Institute de Düsseldorf y del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINESTAV) del Instituto Politécnico Nacional de México.

Un material más resistente, que se calienta menos

La mayoría de los materiales, tanto metálicos como no metálicos, son cristalinos. En los materiales cristalinos los átomos están ordenados formando estructuras regulares. Los cristales, sin embargo, son materiales en los que los átomos están desordenados. Los cristales que se usan para ventanas se basan en óxidos de silicio y se caracterizan por su transparencia. Sin embargo, la transparencia es consecuencia del carácter no metálico de los cristales habituales y no del hecho de que los cristales sean materiales desordenados.

Los vidrios metálicos -y los aceros amorfos estudiados pertenecen a este grupo- son también materiales desordenados. La diferencia con los cristales utilizados en ventanas es que la mayoría de sus componentes son metales y, como éstos no pueden ser transparentes, los vidrios metálicos no lo son, tienen el aspecto de un metal normal.

El interés tecnológico de los vidrios metálicos radica en que, en algunos casos, tienen propiedades mecánicas o magnéticas superiores a las de los materiales metálicos cristalinos de composición similar. Los vidrios metálicos magnéticos son materiales magnéticos "blandos", que oponen muy poca resistencia para invertir la orientación de su campo magnético, y por ello, al hacerlo, se calientan mucho menos que un material magnético cristalino. En un transformador de corriente el sentido del campo magnético en el núcleo se invierte con el misma frecuencia que lo hace la polaridad de la corriente alterna (50 veces por segundo). Así, los transformadores que utilizan núcleos de cristal metálico reducen hasta el 75% de las pérdidas producidas por calentamiento del núcleo.

Por otra parte, las modernas baterías de Li-ion que se utilizan en los smart phones contienen electrolitos muy corrosivos, y para evitar los efectos de la corrosión se utilizan mayoritariamente electrodos de grafito. Una característica común de los vidrios metálicos, al igual que los cristales de silicio, es que se pueden amoldar para hacer figuras más o menos complejas con superficies suaves. En muchos casos estas superficies son más resistentes a la corrosión, pues los elementos corrosivos menudo atacan los contornos de los planos cristalinos. Por ello se está estudiando la posibilidad de sustituir los electrodos de grafito para aceros amorfos, con una conductividad superior.

Una posibilidad aún más eficiente sería utilizar la estructura llena de cavidades producida mediante este proceso de corrosión controlada estudiado, pues el electrodo producido de esta forma tendría una superficie mucho mayor que intercambiar la carga eléctrica y aumentaría considerablemente la eficiencia de las baterías, especialmente en el proceso de recarga.

El cromo es un átomo muy resistente a la corrosión y, por tanto, forma parte de los aceros inoxidables, de hecho un acero inoxidable tiene, como mínimo, un 10% de cromo. El vidrio metálico que se ha investigado en la UPC, con un 15% de cromo, es también un modelo para estudiar la corrosión en aceros inoxidables. Esta investigación ha servido para mejorar el conocimiento de los mecanismos de corrosión en este tipo de materiales y avanzar en sus posibles aplicaciones a nivel industrial.

Fuente de Datos: Universitat Politècnica de Catalunya