Quali sono i meccanismi e le implicazioni della corrosione localizzata e meccanicamente assistita nei materiali metallici?

La corrosione localizzata si manifesta attraverso due forme principali: la corrosione a punture e la corrosione da fessura. La prima si caratterizza per la formazione di piccole ma profonde cavità sulla superficie metallica, mentre la seconda interessa preferenzialmente le aree circostanti a volumi confinati di elettrolita. Entrambe sono connesse alla degradazione del film passivo che normalmente protegge il metallo, sebbene la corrosione da fessura possa anche coinvolgere metalli attivi. Affinché si verifichi un attacco localizzato, è necessaria la formazione di uno strato di prodotti di corrosione che funga da protezione locale. Per la corrosione a punture, il film passivo deve essere distrutto da anioni aggressivi quali Cl−, Br−, I−, SO4²− o NO3−. Il meccanismo di rottura del film può coinvolgere diverse cause: la competizione nell’adsorbimento tra ioni aggressivi e specie che formano film protettivi; la formazione di complessi solubili tra ioni aggressivi ed elementi della lega; il passaggio degli ioni attraverso il film passivo fino all’interfaccia metallo/film, compromettendone l’adesione; l’aumento delle tensioni meccaniche dovute a variazioni della tensione superficiale del film; e la concentrazione di vacanze cationiche al contatto metallo/film. Questi fattori sono stati confermati da studi sperimentali sull’acqua come agente corrosivo.

La corrosione accelerata dal flusso è influenzata dalla velocità di movimento dell’elettrolita salino fuso. A basse velocità, la convezione migliora il trasferimento di massa, riducendo l’esaurimento dei reagenti catodici e favorendo la rimozione dei prodotti di corrosione solubili. A velocità elevate, invece, si possono erodere gli strati protettivi, deteriorando il materiale di base. Elementi critici in questo processo sono l’angolo di impatto del fluido e la turbolenza del flusso. Studi su leghe come Inconel 690 in sali fusi di MgCl2-KCl mostrano come l’ossidazione selettiva del cromo sia guidata dal trasferimento di massa e peggiorata in sistemi a convezione forzata.

La corrosione assistita dall’ambiente è presente anche nella fatica da corrosione, dove la velocità di propagazione delle fratture in ambiente acquoso supera di gran lunga quella in aria, causando il cedimento di centinaia di pale di turbine. L’attacco intergranulare uniforme (IGA) può progredire a SCC sotto l’azione di pressioni sufficienti e variazioni del potenziale elettrochimico, compromettendo l’integrità dei tubi SG. L’impiego di leghe più resistenti, come la lega 690 al posto della 600, può mitigare tali effetti.

La corrosione accelerata dal flusso (FAC) è frequente in presenza di flussi bifase ad alta velocità, impatti di goccioline d’acqua e particelle abrasive magnetiche. Questo fenomeno causa assottigliamenti delle pareti che, se non monitorati, portano a perdite o rotture. Per ridurre il FAC si interviene sul pH dell’acqua, si incrementa il contenuto di cromo nei tubi in acciaio al carbonio o si sostituiscono con acciai inossidabili.

La corrosione generale è diffusa negli impianti nucleari e interessa molteplici materiali. Tre forme critiche meritano particolare attenzione: il rivestimento del combustibile, che può ossidarsi formando zircone, causando assottigliamento e rottura; la corrosione dei tubi in lega di nichel nei generatori di vapore, che rilasciano Ni trasformabile in Co radioattivo; e la corrosione delle tubazioni di alimentazione in acciaio al carbonio, che può intasare i generatori di vapore compromettendone la resa. Per mitigare questi effetti si adottano trattamenti chimici dell’acqua con ammoniaca o ammine simili, nonché sostituzioni di materiali quando necessario.

In ambienti stagnanti come i sistemi antincendio, la corrosione microbiologicamente indotta è particolarmente problematica a causa delle condizioni favorevoli alla proliferazione di batteri anaerobici, spesso trattati con composti a base di fosfati.

Come l’ammoniaca e l’idrogeno stanno trasformando l’industria energetica e metallurgica?

L’ammoniaca, gas tossico, incolore e dal caratteristico odore pungente, è principalmente prodotta in natura dalla decomposizione anaerobica di materia organica. Nella biosfera, alcune piante, specialmente le leguminose, fissano l’azoto atmosferico trasformandolo in ammoniaca in simbiosi con i batteri rizobi. A livello industriale, invece, essa si ottiene attraverso un processo catalitico ad alte pressioni e temperature, che combina idrogeno e azoto atmosferico. Questo processo rappresenta uno degli assi portanti della chimica industriale moderna.

Tradizionalmente, la produzione di ammoniaca è legata all’agricoltura, per la sintesi di fertilizzanti come nitrato d’ammonio, urea e fosfato d’ammonio. Tuttavia, l’orizzonte tecnologico contemporaneo ha ampliato drasticamente l’uso dell’ammoniaca. Essa si sta affermando come possibile combustibile alternativo, ecocompatibile e potenzialmente in grado di ridurre le emissioni globali di gas serra. Secondo studi condotti da aziende come Haldor Topsoe, l’ammoniaca verde — cioè prodotta interamente da fonti rinnovabili — si propone come soluzione per il trasporto marittimo e, in prospettiva, anche aereo.

L’Organizzazione Marittima Internazionale ha fissato obiettivi rigorosi: una riduzione del 50% delle emissioni totali di gas serra entro il 2050 e del 70% per la sola CO₂. L’ammoniaca, come vettore di idrogeno e combustibile diretto, rappresenta una risposta concreta a tali sfide. Può essere utilizzata nei motori convenzionali, stoccata in forma liquida e integrata con infrastrutture già esistenti. La produzione di ammoniaca verde si basa sempre più sull’utilizzo estensivo di energie rinnovabili, che diventano parte attiva della catena di approvvigionamento energetico globale.

Dal punto di vista dei materiali, la corrosione dell’ammoniaca rappresenta una sfida ingegneristica. A basse temperature è necessaria l’adozione di acciai speciali per evitare fragilità strutturale, mentre l’ammoniaca liquida può causare cricche da corrosione da tensocorrosione in acciai dolci contaminati da anidride carbonica o aria. Inoltre, l’ammoniaca corrode efficacemente rame e zinco. Un caso industriale rilevante è la crisocolla, un minerale contenente rame ossidato, fondamentale nei processi metallurgici per il recupero del rame metallico.

La flottazione solfuro-xantato della crisocolla dimostra l’efficacia dell’ammoniaca nel processo di arricchimento minerale. La formazione di complessi ionici M(NH₂)₃⁺ con ioni metallici favorisce la solfatazione catalitica, con conseguente produzione di solfuri metallici come CuS₂. Questo processo modifica la superficie del minerale rendendola idrofobica e facilitando la separazione. Allo stesso tempo, l’ammoniaca può indurre difetti strutturali nella superficie della malachite, incrementando l’assorbimento di solfuri.

L’idrogeno, il più leggero degli elementi, incolore, inodore, infiammabile, è essenziale in molteplici reazioni chimiche

Come Influisce la Corrosione sui Materiali nei Settori Alimentare e Farmaceutico?

La corrosione è una delle principali preoccupazioni nell'industria alimentare e farmaceutica, soprattutto per quanto riguarda l’utilizzo di acciaio inox e alluminio nelle attrezzature di produzione. Entrambi questi materiali sono ampiamente utilizzati per le loro proprietà di resistenza alla corrosione, ma il loro comportamento può variare notevolmente in condizioni ambientali specifiche, come quelle acide o alcaline che caratterizzano molti processi di produzione.

L'acciaio inossidabile (SS), con la sua sottile ma stabile pellicola passiva di ossido (circa 50 Å), è noto per la sua eccellente resistenza alla corrosione. Questa pellicola protettiva si ripara autonomamente in caso di danneggiamento causato da umidità o aria. Tuttavia, nelle condizioni di produzione, come quelle che si verificano nei settori alimentare e farmaceutico, dove l'acciaio è costantemente esposto a soluzioni acide o alcaline, la sua integrità può essere messa a rischio. La dissoluzione di questa pellicola passiva, che porta a una corrosione generalizzata (uniforme), è una preoccupazione significativa, soprattutto quando i pH sono estremamente bassi o elevati. In effetti, le leghe di acciaio inox utilizzate, come S30400 e S31600, sono vulnerabili a fenomeni di corrosione localizzata, come la formazione di pitting, a causa della presenza di ioni cloruro, in particolare quando si trattano alimenti grassi come il latte. In questi casi, sebbene la concentrazione di ioni cloruro sia bassa e la temperatura operativa si mantenga tra i 40°C e i 70°C, la corrosione potrebbe raggiungere livelli tali da compromettere la struttura stessa dei tubi o dei serbatoi.

Un altro aspetto cruciale nell'ambito della corrosione dell'acciaio inox riguarda l’influenza della temperatura e della composizione del materiale. Sebbene le leghe duplex di acciaio inossidabile, che combinano austenite e ferrite, siano meno costose rispetto alle leghe austenitiche, presentano una microstruttura complessa che rende difficile prevedere il loro comportamento in ambienti corrosivi. La segregazione di elementi come azoto, nichel, cromo e molibdeno in diverse fasi della microstruttura influisce sulla resistenza alla corrosione, rendendo ogni situazione potenzialmente unica e difficile da generalizzare.

Parallelamente, l’alluminio, grazie alla sua leggerezza, alta conduttività termica ed elettrica, e resistenza agli ambienti corrosivi, è spesso utilizzato nelle attrezzature di trattamento alimentare. In particolare, alluminio commerciale (>99,5% Al) è utilizzato per serbatoi destinati al trasporto di materiali come latte, birra, acido acetico e alcol. Tuttavia, l’alluminio perde gran parte della sua resistenza quando viene esposto a temperature superiori ai 150°C. Sebbene le leghe di alluminio, come il duralluminio, offrano una maggiore resistenza meccanica rispetto all’alluminio puro, la loro resistenza alla corrosione risulta inferiore, limitandone l'utilizzo in contesti più critici. La conduttività termica dell'alluminio (208,8 W/m K) lo rende particolarmente adatto a dispositivi come i congelatori per alimenti, ma la sua performance in ambienti di temperatura elevata o corrosivi deve essere considerata attentamente.

La resistenza alla corrosione dei materiali in questione dipende non solo dalla loro composizione chimica e dalla struttura fisica, ma anche dalle condizioni operative. Ad esempio, in ambienti alimentari con basse concentrazioni di cloruri o ad alte temperature, la corrosione locale può essere meno grave, ma è comunque un rischio da monitorare. In altre circostanze, la presenza di contaminanti o di fasi intermetalliche nella superficie del materiale può innescare fenomeni di corrosione pitting, influenzando negativamente la durabilità e la sicurezza delle attrezzature.

È quindi fondamentale comprendere che la corrosione, purtroppo inevitabile in molti casi, può essere gestita con adeguate pratiche di manutenzione, progettazione e selezione dei materiali. I progressi nella comprensione delle dinamiche della passivazione, l'uso di materiali legati specificamente alla loro resistenza alla corrosione in particolari ambienti operativi e l'adozione di soluzioni come l’alluminio per specifici tipi di trattamento alimentare, sono passi fondamentali per garantire la sicurezza e l’efficienza nelle operazioni industriali.

Come i Trattamenti Avanzati Superficiali Migliorano la Resistenza alla Corrosione nelle Applicazioni Aerospaziali

Il settore aerospaziale si affida a materiali avanzati e trattamenti superficiali per garantire la durata e l'affidabilità delle sue componenti, specialmente in ambienti operativi estremi. I trattamenti superficiali avanzati sono diventati fondamentali per migliorare la resistenza alla corrosione, l'usura e la stabilità termica dei materiali metallici utilizzati nei componenti aerospaziali, come quelli impiegati nei motori, negli strumenti di volo e nei sistemi di atterraggio. Tra le tecnologie emergenti, i trattamenti superficiali svolgono un ruolo cruciale nel prolungare la vita utile delle parti e ottimizzare le prestazioni.

Un altro trattamento avanzato utilizzato in ambito aerospaziale è la modifica superficiale laser, una tecnica di lavorazione di precisione che sfrutta il riscaldamento localizzato, la fusione e la solidificazione della superficie metallica per modificarne la microstruttura e le proprietà. Questo processo è in grado di creare strati protettivi come rivestimenti ossidici, strati di nitruro o leghe metalliche, che migliorano la resistenza alla corrosione, all'usura e alla stabilità termica dei materiali. Inoltre, la modifica laser consente di indurre indurimento superficiale, legatura superficiale e patterning, permettendo la personalizzazione dei componenti aerospaziali in base a requisiti di prestazione specifici.

La ossidazione elettrolitica plasma (PEO) è un altro metodo all'avanguardia per migliorare la resistenza meccanica e alla corrosione dei substrati metallici. Utilizzando una scarica di plasma per formare uno strato di ossido ceramico sulla superficie del materiale, la PEO offre un'eccellente protezione contro la corrosione, la durata e l'isolamento termico. Questo trattamento è particolarmente utile per i componenti esposti a condizioni ambientali estreme, come le parti dei motori, i sistemi di atterraggio e i fissaggi.

Questi rivestimenti avanzati possono anche migliorare la resistenza all'usura e alla fatica dei componenti, come dimostrato da studi che hanno esplorato l'effetto della concentrazione di silicio nei rivestimenti CrAlTiN–Si. L'introduzione del silicio ha un impatto notevole sulla composizione chimica, sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche dei rivestimenti, portando a un aumento della durezza, della resistenza alla frattura e della durabilità, creando una fase solida a struttura cubica faccia centrata (fcc) all'interno del rivestimento.

Tuttavia, non tutti i rivestimenti o trattamenti superficiali sono uguali. Mentre la modifica laser e la PEO offrono vantaggi straordinari in termini di protezione contro la corrosione, questi trattamenti possono variare notevolmente in base ai parametri del processo, come la temperatura, la durata e la concentrazione dei reagenti. Pertanto, la selezione del trattamento appropriato dipende dalla specifica applicazione e dai requisiti di performance del componente aerospaziale.

È essenziale che i progettisti e gli ingegneri aerospaziali comprendano l'importanza di selezionare e ottimizzare questi trattamenti in base alle condizioni operative previste. La resistenza alla corrosione, ad esempio, è cruciale non solo per garantire la sicurezza a lungo termine dei componenti, ma anche per ridurre i costi di manutenzione e sostituzione. Inoltre, l'efficacia di un trattamento superficiale può essere influenzata dall'ambiente di applicazione e dalle sollecitazioni cui il componente sarà sottoposto.