La protezione dell'acciaio dalla corrosione

La scelta del sistema di protezione dalla corrosione

La scelta dei sistemi di protezione anticorrosione dei manufatti in acciaio si basa su criteri guida tanto semplici quanto fondamentali.

Contro la corrosione occorrono soluzioni affidabili nei differenti ambienti di esposizione, efficienti e praticabili dal punto di vista tecnico ma anche compatibili dal punto di vista economico e gradevoli dal punto di vista estetico.

Un'indicazione corretta del sistema protettivo va fornita molto precocemente, già nella fase di progettazione, sulla base di un'analisi di compatibilità dei materiali con l'ambiente di esposizione e con l'utilizzo che quel particolare manufatto dovrà avere.

Protezione attiva e passiva

I metodi più utilizzati per la protezione dell’ acciaio dalla corrosione si basano su due effetti principali: la protezione passiva che consiste nella separazione della superficie metallica dall'ambiente aggressivo attraverso l'impiego di un rivestimento protettivo ad azione barriera e la protezione attiva che è il risultato di proprietà chimiche ed elettrochimiche intrinseche del materiale anticorrosivo utilizzato.

Protezione passiva

Effetto barriera

Perché abbiano luogo le reazioni di corrosione in atmosfera con conseguente formazione di ruggine sull'acciaio al carbonio, occorre che ci sia l'esposizione della superficie all'azione dell'ossigeno e delle soluzioni saline conduttive. Il contatto può essere evitato in modo banale, attraverso l'applicazione di un sottile strato impermeabile che separi la superficie dagli agenti aggressivi dell'ambiente esterno. Questo semplice isolamento superficiale rappresenta la protezione dalla corrosione più semplice ed intuitiva.

La verniciatura

L'esempio applicativo più comune di questo metodo è costituito dalla deposizione sulla superficie dell’ acciaio di un coating (rivestimento) organico polimerico, la vernice. Per poter essere efficace, esso deve essere continuo, impermeabile alle specie aggressive, resistente alle abrasioni, inerte alle interazioni chimiche, aderente al substrato e durevole nel tempo. Lo strato coprente a base di sostanze organiche può essere applicato a pennello o a spruzzo su superfici opportunamente preparate, ossia accuratamente pulite con un trattamento meccanico o chimico.

La pulitura meccanica consiste nell'abrasione con utilizzo di spazzole di acciaio o dischi girevoli, oppure mediante utilizzo di sabbiatura per lo più con elementi di quarzo.

Il metodo chimico, detto decapaggio, viene effettuato successivamente allo sgrassaggio o alla pulitura meccanica ed è realizzato con l'impiego di reagenti chimici, in genere acidi, con i quali vengono trattate le superfici da verniciare. Con esso si asportano i depositi di ossidi e sali eventualmente presenti sulla superficie da trattare.

Una volta applicate, le vernici perdono per essiccazione il solvente contenuto (se liquide) e polimerizzano sulla superficie.

L'applicazione della vernice liquida avviene a spruzzo o mediante pennello. La verniciatura a polveri può essere effettuata con l'ausilio di particolari pistole spruzzatici o in bagni a letto fluido.

Per isolare la superficie dell' acciaio si utilizzano anche rivestimenti di altra natura, che possono essere metallici, ceramici (smaltature) o polimerici (resine - ad esempio fogli di PVC).

Altri rivestimenti organici o inorganici non metallici: smaltature

Le smaltature sfruttano miscele di tipo minerale o ottenute da resine sintetiche. Nel primo caso, dopo essere stati applicati alle superfici metalliche, gli smalti vengono sinterizzati a temperature variabili tra gli 800 e i 1200°C. La smaltatura in resina viene invece effettuata in fase di incipiente, e comunque mai definitiva, reticolazione che prosegue e termina in sede di cottura dei manufatti a temperature dell'ordine di 120-160°C, coinvolgendo nell'assunzione dello stato finale la struttura superficiale del substrato. La reticolazione che ne deriva garantisce un perfetto ancoraggio del materiale coprente al supporto, con ovvi vantaggi in termini di aderenza e resistenza.

La dimensione dei manufatti e le particolarità del processo rendono la smaltatura di fatto non applicabile per la protezione dell'acciaio destinato all' impiego strutturale.

Rivestimenti con resine

I rivestimenti con fogli di materiali plastici sono utilizzati prevalentemente per allestire serbatoi di stoccaggio, ma impiegati sempre più frequentemente anche per coprire intere strutture edili. I fogli sono fissati mediante pressione ai supporti metallici decapati e caldi, e uniti in modo continuo attraverso la saldatura delle giunture adiacenti.

Rivestimenti metallici con protezione passiva

Anche uno strato di rivestimento metallico continuo ed uniforme offre una protezione di tipo passivo, perché anche esso è impermeabile alle specie aggressive.

In particolare, la zincatura a caldo realizza un rivestimento impermeabile di zinco sulla superficie dell'acciaio ma, come vedremo nel seguito, la sua efficacia anticorrosiva è rafforzata in modo determinante dagli effetti aggiuntivi dell’ accoppiamento tra i due metalli.

I rivestimenti ottenuti con metalli possono essere di diversa natura: il comportamento e l'aspetto sono notevolmente diversificati se si parla di placcature, elettrodeposizioni, immersioni a caldo o metallizzazioni a spruzzo. Inoltre, ha fondamentale importanza la scelta del metallo, in relazione alle sue proprietà elettrochimiche (come vedremo nel seguito) ed alle proprietà dello strato di specie ossidate di cui esso si ricopre a contatto con l'atmosfera.

Il comportamento alla corrosione del metallo usato come rivestimento, anche nel caso della zincatura a caldo, è molto simile a quello che il metallo manifesterebbe se esposto nella sua forma massiva. I metalli utilizzati come rivestimento anticorrosivo si caratterizzano per velocità di corrosione molto basse. In queste condizioni, il metallo, come nel caso dell' accoppiamento zinco-ferro, è in grado di proteggere durevolmente l'acciaio sottostante.

Limiti della sola protezione passiva

La protezione passiva ha dei limiti intrinseci. I rivestimenti funzionano solo se si riesce ad assicurare nel tempo il perfetto isolamento della superficie dell'acciaio dall' ambiente.

Lo strato superficiale deve conservare un’ elevata impermeabilità e resistenza alla diffusione degli agenti corrosivi e essere continuo, esente da porosità, resistente ai danneggiamenti meccanici. Queste caratteristiche dovrebbero garantire la protezione del manufatto per tutta la sua vita utile, in una situazione ideale.

Per la vernice, anche il semplice invecchiamento che insorge già durante i primi anni di utilizzo, determina una drastica riduzione dell'elasticità del rivestimento con la generazione di fenditure, di piccole dimensioni agli inizi, ma sufficienti a innescare fenomeni di corrosione che procedono inarrestabili. Inoltre, durante le fasi di movimentazione, stoccaggio, trasporto, montaggio ed utilizzo dei manufatti in acciaio, possono con facilità originarsi piccole crepe o distacchi nel rivestimento, a causa di urti, incisioni, abrasioni, che richiedono ripristini costosi e non sempre efficaci.

Anche per una buona verniciatura in grado di resistere per un tempo dell’ ordine di grandezza del decennio, si devono prevedere frequenti interventi di manutenzione periodica oltre tale durata.

Differenze di prestazioni della protezione passiva offerta da polimeri e metalli

Una misura della protezione offerta nel tempo contro la corrosione è la resistenza opposta dallo strato di rivestimento alla permeabilità di specie aggressive ed acqua.

La vernice è esposta alla graduale diffusione di queste sostanze al proprio interno, fino a che esse non raggiungono la superficie del metallo di base. Quando ciò accade, la capacità di isolamento superficiale viene meno e il rivestimento manifesta la tendenza a staccarsi progressivamente dalla superficie. Questo comportamento consente agli agenti aggressivi di entrare in contatto diretto con il metallo attivo e si manifesta con blistering e rigonfiamenti.

Il fenomeno causa la corrosione sottopelle, che si innesca e procede inesorabile, strisciando sotto lo strato di vernice. La reazione è a catena: la ruggine prodotta è caratterizzata da un volume maggiore rispetto al metallo di origine e, man mano che si forma, spinge via il rivestimento protettivo. Ne consegue il distacco progressivo del coating e l'esposizione di aree sempre più estese ai processi corrosivi.

A questi effetti deve aggiungersi in generale il naturale calo di aderenza nel tempo, caratteristico di tutte le sostanze semplicemente deposte sulla superficie.

Per evitare i danni relativi alla scarsa aderenza tra rivestimento e substrato d'acciaio, si possono preferire metodi protettivi in cui metallo base e coating diano luogo ad un' unica struttura, impermeabile e tenacemente ancorata alla superficie.

Da questo punto di vista i rivestimenti metallici ottenuti mediante sistemi per immersione a caldo, come la zincatura, assicurano le prestazioni efficaci.

Infatti, con la zincatura a caldo si ha la formazione di strati continui di lega Fe-Zn che, essendo il risultato di una compenetrazione tra rivestimento di zinco e substrato di acciaio, hanno proprietà meccaniche peculiari e garantiscono le migliori condizioni di aderenza ed impermeabilità.

Protezione attiva

Per ovviare agli inconvenienti che si riscontrano con l’ uso di film protettivi con sola protezione passiva, per i quali generalmente basta qualche difetto perché si generino falle consistenti nella funzione barriera, si ricorre a rivestimenti in grado di fornire anche una protezione attiva.

Protezione catodica

La protezione attiva ottenuta attraverso la protezione catodica si basa su considerazioni molto semplici:

La corrosione non è altro che il consumo degli elettroni del metallo di base durante il processo ossidativo. Una contromisura efficace per bloccare tale processo consiste nel fornire continuamente elettroni, in modo che esso si presenti perennemente nella sua forma ridotta. Ciò si può ottenere generando una corrente, cioè un sistema di trasporto di elettroni verso il metallo da proteggere, mediante l'applicazione di tensioni elettriche. In alternativa, molto più semplicemente, lo stesso risultato raggiunge attraverso il contatto con un altro metallo che effettui la cessione dei suoi elettroni, ossidandosi. Questo è ciò che realizza efficacemente l'accoppiamento tra l'acciaio e lo zinco, in cui lo zinco si ossida a favore dell'acciaio.

In termini di potenziale, ciò equivale a dire che la protezione catodica, si ottiene imponendo al metallo da proteggere un valore del potenziale tale da portarlo nella condizione di catodo, sede della riduzione nella reazione di ossido-riduzione propria dei fenomeni corrosivi.

La protezione catodica si può realizzare in due modi differenti che originano due distinti metodi protettivi:

  • protezione di strutture in terreno o in acqua di mare: il flusso di corrente che sottrae elettroni viene contrastato applicando un secondo circuito antagonista, che, sotto le condizioni del potenziale applicato, provoca una corrente in senso contrario a quella originaria. E' necessario applicare alle strutture metalliche tensioni molto basse, regolabili in maniera automatica, per evitare che siano esse stesse a provocare correnti corrosive. Questo metodo è utilizzato in particolare nella protezione di strutture nel terreno ed in acqua, specialmente in acqua marina, dove l’ alta conducibilità ne permette l'applicazione senza soffrire di alte dissipazioni di energia per cadute chmiche. Il metodo è inapplicabile per la protezione di acciaio in caso di esposizione atmosferica.

Protezione di strutture in atmosfera: la condizione di protezione viene realizzata sfruttando gli stessi meccanismi elettrochimici che sono alla base della corrosione galvanica, tramite l’ utilizzo di un rivestimento metallico che si comporti da anodo (anodosacrificale) nella reazione di corrosione. Il contatto con conduzione elettrica tra due metalli con differenti potenziali elettrochimici, in presenza di condensa conduttiva, ha come conseguenza l'accelerazione della corrosione per il metallo che presenta il potenziale elettrochimico minore (meno nobile), che cede elettroni al metallo con potenziale elettrochimico maggiore (più nobile).

L'elemento galvanico che si genera nell'accoppiamento tra i due metalli produce le correnti necessarie per la protezione del metallo più nobile.

Questo è esattamente il meccanismo con cui lo zinco protegge l'acciaio (ovvero il ferro).

Per la differenza dei potenziali standard dei due metalli, nel contatto tra loro, lo zinco si comporta da anodo corrodendosi in luogo dell'acciaio che si porta nelle condizioni di potenziale di protezione.

E' esperienza comune che nella prevenzione della corrosione degli scafi delle navi di acciaio si usino elementi di zinco come anodi sacrificali. In tal caso, il funzionamento del sistema protettivo è garantito dal contatto elettrico di masse di zinco opportunamente dimensionate, saldate allo scafo, in presenza della soluzione altamente conduttiva rappresentata dall'acqua salata in cui il sistema è immerso. Con l'applicazione degli anodi di zinco in certi punti, si ottiene che tutto lo scafo si comporta da catodo senza più corrodersi.

Per le applicazioni in atmosfera, è comune l'utilizzo del rivestimento totale della superficie d'acciaio. La protezione catodica dello zinco, in questo caso, interviene a preservare dalla corrosione le piccole aree non ricoperte direttamente, nel caso di difetti quali graffiature o scalfitture superficiali che interrompono la continuità del rivestimento. La corrosione dell'acciaio in quelle zone o non si innesca del tutto o avviene con velocità molto bassa. Questo effetto protettivo è tanto più evidente quanto più umida è l'atmosfera e quanto più conduttiva è la condensa che si forma sui pezzi.

In linea di principio, ogni metallo con potenziale elettrochimico più basso del ferro potrebbe essere utilizzato per conferire la protezione catodica. Soltanto alcuni metalli, però, se sottoposti a processi metallurgici, sono in grado di formare come lo zinco composti intermetallici con il ferro dell'acciaio di base, garantendo al rivestimento uniformità e adesione. Inoltre, la maggior parte degli altri metalli è inadatta, perché essi sono per lo più soggetti a corrosione molto rapida o comportano elevati costi di processo, soprattutto nel caso in cui sia richiesta la protezione di elementi strutturali di notevoli dimensioni o di forme complesse.

Ragioni di compatibilità economica e di affidabilità tecnico-applicativa portano, dunque, alla scelta dello zinco. Esso è, infatti, l'unico metallo con cui possono essere ottenuti, a costi contenuti, rivestimenti continui sulla superficie dell'acciaio, rispondenti alle condizioni richieste di aderenza, impermeabilità, resistenza, tenacità e flessibilità, sia nel caso di elementi di pochi grammi che per componenti strutturali di grandi dimensioni.

Ovviamente, essendo costituito da un metallo, anche il rivestimento di zinco si corrode ma la sua efficacia protettiva è assicurata dal fatto che il processo dissolutivo è molto lento, quasi impercettibile. Infatti, in condizioni normali, i prodotti della corrosione dello zinco formano sulla sua superficie uno strato barriera molto sottile ma compatto, fatto di carbonati ed ossido, che si oppongono alla ulteriore corrosione degli strati superficiali sottostanti. In altre parole, il rivestimento tende a passivarsi. La velocità di corrosione dello zinco si riduce gradualmente, man mano che questo strato di passivazione naturale si ispessisce.

Sistema duplex

In certi casi, i manufatti in acciaio sono esposti ad una azione fortemente aggressiva da parte dell'ambiente, come avviene in prossimità della costa marina o nelle aree industriali ad alto tasso di inquinamento. In tali circostanze, potrebbe essere richiesta una durata della protezione maggiore di quella ottenibile con il rivestimento di zinco (comunque duratura, come si vedrà nei capitoli successivi).

Il metodo protettivo più efficace, in questi casi, è costituito dal sistema duplex, che consiste nell'abbinare allo strato di zincatura un rivestimento organico.

L'interazione tra la vernice e la zincatura determina una durata maggiore della somma delle singole durate che i due sistemi anticorrosivi offrirebbero se applicati da soli.

Tratteremo più diffusamente del sistema duplex nel capitolo ad esso dedicato.

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