¿Se oxida el acero inoxidable?

Es una de las familias de aleaciones más importantes del momento y también del futuro. La encontramos en todas partes, desde paneles de coches, recubrimientos de edificios, piezas decorativas, grifos e incluso joyería moderna, especialmente en relojes o herramientas en una sala de cirugía. 

Las aplicaciones de los Aceros Inoxidables son múltiples, pero se basan en un principio fundamental: su resistencia a la corrosión. No obstante, el adjetivo “Inoxidable” hace un flaco favor al pequeño investigador o estudioso, amante en general, del conocimiento de los materiales, especialmente, como es el caso, el de los metálicos o relativos a la metalurgia.  

El Acero “Inoxidable” no es literalmente “Inoxidable”, si no que de hecho… ya está oxidado. 

Sí, has leído bien. Está oxidado. ¿Cómo es ésto posible?

Para poder entender porqué el adjetivo de “Inoxidable” es técnicamente incorrecto, debemos primero atender al cómo funciona el “mecanismo de defensa” de un Acero Inoxidable típico, como por ejemplo el AISI 420, considerado por muchos el grado más básico (simple) de la familia entre los que se usan en grandes volúmenes. 

Como recordarás, si exponemos una pieza de Hierro (componente principal del Acero no-Inoxidable) a la intemperie, ésta se corroerá con relativa facilidad en un período breve de tiempo. Nota que he dicho que se “corroerá”, no necesariamente con el Oxígeno, formando un óxido. Si en lugar de Oxígeno es el Cloro el que predomina en el ambiente, se formará un cloruro, o un fluoruro mediante el Flúor, y así sucesivamente. En éste ejemplo el Hierro donará uno o varios electrones (dependiendo del estado de oxidación) a otro elemento más electronegativo que forme con el enlaces químicamente más estables que los que es capaz de formar consigo mismo, debido a su naturaleza reactiva y al hecho de que es un “donante” de electrones.

En el caso del Hierro, la unión con el Oxígeno se ve acelerada cuando hay presencia de humedad o directamente se expone a masas acuosas, pero en el caso de que no se oxide con el Oxígeno propiamente dicho, lo hará con lo que encuentre: ácidos contenedores de elementos como el Azufre, el Cloro, el Flúor, et cétera, por ejemplo. 

Ésto le ocurre a la gran mayoría de metales, como el Aluminio, el Magnesio, el Cobalto, el Wolframio, et cétera. En realidad, la lista se compone de la mayoría de metales, salvo por los metales nobles o “preciosos”, como ya habrás supuesto. 

Un metal tan reactivo como el Cromo no es excepción, y de hecho, su oxidación es más rápida que la del Hierro, aunque resulte difícil de creer. En efecto, todas esas llantas de coches de lujo cromadas que tan bonitas te parecen están oxidadas justo en el sentido en el que lo está un clavo “viejo”. Lo cual abre una segunda pregunta, ¿por qué no lo parece?

La mayoría de metales, salvo los más nobles, forman óxidos cuando se exponen al Oxígeno, sin excepción. Lo que cambia entre unos y otros son las características de dichos óxidos. Me explico:

Cualquiera conoce el óxido de Hierro, de hecho, desde hace siglos tenemos una definición, no, perdón, tenemos dos para él en nuestra lengua: herrumbre u orín. Realmente es lo mismo, aunque la palabra “orín” se suele usar para el óxido rojo temprano del Hierro expuesto a la humedad sin protección. 

Pues bien, el Cromo, como iba diciendo, forma su propio óxido. Lo que cambia radicalmente con el Hierro es que dicho óxido, a diferencia del rugoso orín, forma una capa tan fina que recibe la clasificación de “película”. Dicha película es tan, tan delgada, que resulta invisible a nuestros ojos y no tiene color. Químicamente es muy resistente químicamente, aunque no invencible, desde luego. Se forma espontáneamente cuando cualquier pieza de Cromo entra en contacto con el Oxígeno. Si hubiesen presentes iones (átomos con carga) de otros elementos como el Azufre o el Cloro, igualmente la primera capa en formarse en el Cromo sería la de óxido, ya que se trata de un elemento que favorece la unión con el Oxígeno antes que otros elementos oxidantes formando enlaces Cr-O de manera masiva que recubren las capas más externas de la pieza. 

Ésto pasa como he dicho, con la mayoría de metales, no solo los de transición, si no también los del bloque p (ejemplo: Indio, Estaño). La verdadera diferencia es cuál es más resistente a la acción de terceros actores durante un ataque químico. ¿Qué significa ésto?

Siguiendo con el ejemplo del Cromo que está oxidado en la superficie, quiero que pienses en qué pasaría si intentásemos aplicarle más Oxígeno, por ejemplo, sumergiéndolo en un ácido tan oxidante como el Nítrico. La respuesta es que no pasaría nada negativo, en todo caso, la capa de óxido de Cromo “engordaría” para mejor, reforzándose. Nota que una vez el Cromo se encuentra con el Oxígeno, forma con éste un óxido de grosor microscópico que sin embargo, es muy resistente. 

Antes hemos dicho que, si bien es muy estable químicamente, no es indestructible. Pues bien, cuando otro ion (átomo cargado electrónicamente) entra en contacto con la pieza de Cromo, es posible que pueda romper los enlaces Cr-O o al menos, alterarlos, formando así una capa distinta de corrosión “no deseada” que de hecho, abrirá brecha en la “piel” del metal haciendo que migren más y más iones de elementos como el Cloro hacia dentro, mermando la integridad de la pieza metálica. 

No obstante, éstos eventos sólo toman lugar cuando hacemos reaccionar Cromo metálico puro con agentes extremadamente agresivos químicamente como el Ácido Fluorhídrico, que destruye la barrera de óxido. Sin embargo, en el caso del Cromo puro (más del 99,9% de pureza) dichas reacciones son más difíciles debido a la resistencia del óxido protector. 

Éste es uno de los motivos por los cuales el Cromo fue, durante años, perseguido como el candidato ideal para “prestar” al Hierro su capacidad de formar óxidos estables y pequeños que a diferencia del suyo propio, aguanten bien en condiciones adversas como el agua, alcoholes, ácidos orgánicos leves, comidas, et cétera. 

Los Aceros Inoxidables son por definición aquellos en los que el contenido de Cromo es de al menos un 12%, al peso. 

“Al peso” significa que en una pieza con masa de 100 gramos de Acero Inoxidable de bajo grado en el que la cantidad de Cromo es mínima, como en el AISI 420, pero suficiente como para “cumplir su cometido”, o sea, un 12%, alrededor de 12 gramos serán de Cromo, por masa, por los casi 88 gramos de Hierro, y digo casi porque estoy omitiendo la presencia de elementos característicos del Acero Inoxidable como el Carbono o el Manganeso, cuyo papel en el funcionamiento de la barrera de óxido es importante, pero menor. 

En otras palabras, el Acero Inoxidable se oxida espontáneamente gracias al contenido de Cromo que posee. Para que te hagas una idea, se establece el 12% mínimo de Cromo ya que con esta cantidad los átomos de Cr son tan abundantes en la aleación como para formar su óxido protector. Cuando la pieza de Acero Inoxidable está oxidada y resiste con efectividad la mayoría de los ataques químicos para los que fue diseñada decimos que está “pasivada”. También utilizamos el término “capa pasiva” para referirnos a la película de Cromo que protege a la mezcla, es decir, a la aleación de ambos metales. 

Seguramente te estarás preguntando porqué basta con un 12% de Cromo, o porqué el óxido de Hierro “desaparece” de la ecuación. 

En primer lugar, el Cromo es mucho más reactivo que el Hierro. Nota que el hecho de que su óxido sea más estable que el del Hierro es inversalmente proporcional a su naturaleza tan reactiva. Es decir, resulta más difícil extraer Cromo de sus minerales de óxido que al Hierro, precisamente debido a que los enlaces Cr-O son más estables que los de Fe-O. Es por esto que en presencia de una fuente de Oxígeno, el Cromo “robará” los átomos de Oxígeno al Hierro para formar su propio óxido, que prevalece sobre el del Hierro, siempre y cuando la cantidad de Cromo sea suficiente.

Si analizáramos una muestra de Acero Inoxidable, átomo por átomo, veríamos que la cantidad de átomos de cada metal se encuentra en un aproximado de 6:1 para Fe:Cr, o lo que es lo mismo, de cada siete átomos, uno es de Cromo. Sé que parece desequilibrado, pero multiplicando por miles de millones ésta cifra obtendrás un enorme número de átomos de Cromo extremadamente reactivos y dispuestos a donar sus electrones para formar una capa de Cr2O3 invisible sobre la pieza maciza de Acero Inoxidable y protegerla. Dicho sea de paso, claro, si aumentamos el % de Cr en masa también aumentará la resistencia a la corrosión de la aleación. No obstante, a veces más es demasiado, y los efectos del Cromo que consigas con alrededor de un 20% de éste metal en masa no serán sustancialmente mejorados por un 23 o 25%, mucho menos 30% o incluso más. De más está decir que lo que se gana en resistencia química se pierde en propiedades mecánicas. Con los mismas cantidades de terceros elementos y de Carbono, el Acero siempre será mecánicamente superior al Acero Inoxidable. Aunque el Acero Inoxidable mantiene buenas características mecánicas, siempre será inferior al del Acero tradicional, y su uso fundamental responde a la necesidad de protección química. 

Hay una medida para todo, y el porcentaje de 12% de Cromo es el mínimo establecido de manera estándar para Aceros Inoxidables de “baja responsabilidad” mientras que porcentajes a partir del 16% consiguen el efecto deseado para aplicaciones de “mayor responsabilidad”. En éste contexto, la palabra “responsabilidad” alude a las exigencias que se le demandarán a cada pieza de metal. Un 12% es suficiente para un tenedor de mesa, por ejemplo, pero no para un contenedor de substancias corrosivas, mientras que el de 16-18% es más resistente, pero también más caro. 

Creo que la pregunta final que puedes haberte hecho es, ¿por qué el Cromo? ¿Por qué no el Titanio, o el Aluminio? También forman óxidos estables, como el Cromo. 

El Aluminio y el Hierro son incompatibles durante el proceso de fundición. Esto significa que el Hierro puede disolver un porcentaje bajo de Aluminio, y viceversa. 

Los óxidos de Titanio son más resistentes que los de Aluminio y de Cromo, pero el Titanio en sí mismo tampoco es del todo compatible con el Hierro, aunque no es extraño encontrar versiones especiales de Aceros Inoxidables con un contenido de Titanio inferior al 1%, aunque en éstos casos se suele añadir para fijar el Carbono, aunque ésa es otra historia. 

En inglés, el Acero Inoxidable se llama “Stainless Steel”, literalmente: “Acero sin Manchas” (aunque la palabra mancha en éste contexto se refiera a los puntitos de herrumbre que se forman en el Acero normal). Los germano-parlantes usan la terminación “Edelstahl”, literalmente, “Acero noble”. En éste contexto, “noble” se refiere a su aparente falta de reactividad. Lo que quiero que entiendas es que los Aceros Inoxidables ya han reaccionado oxidándose en primer lugar, de ahí que sea precisamente más difícil que vuelvan a reaccionar con otros elementos, puros o compuestos. 

Ejemplos de elementos químicos (metálicos o no) que forman óxidos muy estables químicamente son, en orden de número atómico, el Aluminio, Silicio, Escandio, Titanio, Vanadio, Cromo, Níquel, Germanio, Circonio, Niobio, Molibdeno, Tecnecio, Rutenio, Rodio, Hafnio, Tantalio, Wolframio y Renio. 

A su vez, los que forman óxidos extremadamente estables químicamente son, nuevamente en orden atómico el Silicio, Titanio, Cromo, Germanio, Circonio, Niobio, Molibdeno y Tantalio. El Hafnio y el Wolframio son muy resistentes, pero ceden lentamente ante la presencia de ácidos y bases. El Renio es muy resistente sobretodo a altas temperaturas a la deformación por crepitación del Oxígeno, pero no tanto como lo es el Titanio. No incluyo a ninguno de los metales del grupo del Platino ya que muchos de ellos no dependen de la formación de la capa de óxido y son naturalmente resistentes a todo tipo de elementos corrosivos. Metales como el Mercurio, Cadmio, Plomo, Estaño, et cétera, forman óxidos protectores pero no dependen tanto de ellos ya que tienden a sulfurarse, o bien dichos óxidos desaparecen con facilidad cuando dichos metales entran en contacto con substancias corrosivas como ácidos o bases.