Proteggere i componenti automotive dagli effetti distruttivi della corrosione
Lexi Carver
La simulazione di componenti e giunti di automobili costruiti con materiali ibridi consente la progettazione innovativa di sistemi di protezione dalla corrosione in ambito automotive.
Se date un’occhiata alle travi di sostegno di un ponte mentre siete bloccati nel traffico, se osservate il portellone di un aeroplano mentre aspettate di imbarcarvi oppure ispezionate il cofano della vostra automobile, vedrete le piccole teste circolari di rivetti che tengono unite diverse superfici. Utilizzati nell’industria dei trasporti per le carrozzerie metalliche dei veicoli e per le strutture di supporto, questi rivetti passano solitamente inosservati, nonostante abbiano il compito di tenere uniti componenti che vengono sottoposti a enormi sollecitazioni meccaniche. Alcune automobili ne contengono più di 2000. Poiché le tendenze progettuali in ambito automotive sono sempre più orientate all’alleggerimento e all’impiego di diversi tipi di metallo, questi aspetti non possono essere ignorati nelle valutazioni progettuali riguardanti un aggressore invisibile e logorante, il cui operato viene spesso notato solo quando è troppo tardi: la corrosione.
Lo scontro “metallo contro metallo”: corrosione galvanica
La corrosione galvanica è un processo onnipresente, che ogni anno costa miliardi di dollari all’industria automotive. Questo tipo di corrosione è causato dalle reazioni chimiche che avvengono tra metalli diversi quando questi entrano in contatto l’uno con l’altro ed è in alcuni casi visibile sotto forma di deposito di polvere bianca, che si forma sulla superficie di parti metalliche (Figura 1, in alto a destra).
Bolle di vernice e deterioramento dell’alluminio sono segnali rivelatori del fatto che si sta verificando uno scambio di ioni metallici e che la superficie del metallo si sta degradando.
Diverse combinazioni di metalli reagiscono alle influenze dell’ambiente circostante in modo differente e vari fattori, come le tecniche di giunzione, le proprietà dei materiali e la ruvidità delle superfici, influenzano le reazioni chimiche che si verificano sui rivetti e sulle lastre metalliche che questi tengono unite. Comprendere i fenomeni elettrochimici alla base di questi processi è quindi essenziale per sviluppare un robusto sistema di protezione dalla corrosione.
Spinti dall’obiettivo comune di individuare sistemi di verifica più rapidi e metodi di protezione più efficaci, i tecnici di Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) e Daimler AG hanno unito le proprie forze per studiare sistemi di prevenzione dalla corrosione con la simulazione multifisica. HZG è un istituto tedesco specializzato nella ricerca su materiali, tecnologie mediche e ambiente costiero; Daimler AG è produttrice delle ben note automobili Mercedes-Benz.
I due team hanno cercato soluzioni per ottimizzare la progettazione e lo sviluppo di rivetti, ridurre al minimo i test sperimentali e diminuire la necessità di ulteriori passaggi, come il trattamento delle superfici.
La modellazione multifisica permette una migliore comprensione delle cinetiche di corrosione
Per studiare le cinetiche della corrosione galvanica, che includono perdita di materiale, condizioni di superficie e comportamento a lungo termine dei materiali che interagiscono tra loro, il Dottor Daniel Höche, ricercatore presso HZG, ha simulato un giunto rivettato in acciaio usando il software COMSOL Multiphysics®. Il rivetto è placcato con una lega in zinco-alluminio che svolge una funzione di protezione catodica dell’acciaio. Il software ha permesso a Höche di analizzare le interazioni elettrochimiche sulla superficie e agli spigoli del rivetto, prevedere il deterioramento delle lastre contigue e adattare la geometria per ridurre al minimo la corrosione.
Il suo modello è costituito dal rivetto, che tiene unite due lastre metalliche di alluminio e magnesio, da uno strato di elettrolita sulla superficie costituito per lo 0,1% da NaCl, che rappresenta l’ambiente esterno, e da una coppia galvanica sulla superficie di contatto tra rivetto e lastre (Figura 2).
Destra: I risultati della simulazione mostrano la densità di corrente sulla superficie tra rivetto e lastra di metallo. La simulazione modella in modo matematico il flusso di corrente in corrispondenza della superficie di contatto tra rivetto e lastra; la densità di corrente più elevata si ha in corrispondenza del bordo tagliente.
Höche ha anche aggiunto un angolo smussato nella geometria del rivetto per simulare la presenza di un bordo tagliente, che aumenta i gradienti nel potenziale dell’elettrolita. Questo, a sua volta, accresce il flusso di corrente e accelera le reazioni elettrochimiche che causano la corrosione galvanica.
Quando la superficie di contatto tra rivetto e lastre metalliche è soggetta a corrosione, la lastra di magnesio inizia a deteriorarsi più rapidamente degli altri metalli. La reazione chimica produce idrossido di magnesio (Mg(OH)2), che costituisce un sottile film protettivo sulla superficie. La crescita di questo strato depositato in realtà aumenta la resistenza a una ulteriore corrosione, ostacolando il suo progredire. In ogni caso, non è possibile arrestare completamente il processo a causa della porosità di Mg(OH)2 e la crescita di ossido si protrae in profondità nel metallo. Al fine di determinare la distribuzione di corrente elettrica e analizzare la risposta chimica, Höche ha dovuto considerare questo accumulo non costante e le proprietà dei materiali che lo influenzano. Usando il Chemical Reaction Engineering Module e il Batteries & Fuel Cells Module, due prodotti aggiuntivi del software COMSOL®, ha trattato il rivetto e la lastra metallica come una serie di elettrodi. Questo gli ha permesso di valutare come il rapporto tra superficie dell’anodo e del catodo, la durata dell’esposizione all’elettrolita e i cambiamenti nella corrente elettrica dovuti all’accumulo di Mg(OH)2 contribuivano alla degradazione del magnesio.
“Dal momento che la porosità influisce direttamente sulle proprietà della barriera, la topologia risultante della superficie è influenzata dalla velocità di degradazione verso il basso e dalla opposta crescità del deposito. I calcoli fondamentali della densità di corrente galvanica sono stati modificati da questi aspetti relativi alla crescita dello strato depositato,” ha commentato Höche. “Questo ci ha portato a studiare le variazioni dipendenti dal tempo nella risposta elettrochimica degli elettrodi”. Il modello include le velocità delle reazioni chimiche, le proprietà elettrochimiche note dei metalli e una funzione dipendente dal tempo con un periodo di esposizione di 24 ore. I risultati riportano il potenziale elettrico e la densità di corrente quando il giunto rivettato è esposto all’elettrolita e rivelano la copertura di superficie (la porzione di superficie delle lastre e del rivetto coperte da Mg(OH)2) in diversi momenti dopo l’inizio dell’immersione. La densità di corrente varia a seconda della distanza dal centro del rivetto, mostrando i punti in cui la corrosione si verificherà più rapidamente (Figura 3).
Scavare in profondità: il rischio di delaminazione
Oltre alla corrosione galvanica, che si verifica sulla superficie di contatto tra lastra e rivetto, altri componenti automotive corrono il pericolo di essere distrutti da agenti esterni. Imperfezioni minori, apparentemente superficiali, come un graffio sul rivestimento o sulla vernice di una carrozzeria, garantiscono accesso alla corrosione permettendo all’umidità e agli elettroliti dell’ambiente esterno di accedere alle superfici che conducono elettricità. Piccoli danneggiamenti sulla carrozzeria di un’automobile possono infatti creare una coppia galvanica che causa delaminazione (il distacco dei rivestimenti dalle lamine metalliche), che indebolisce significativamente la protezione dalla corrosione.
Per analizzare questo ulteriore rischio, Höche ha lavorato con Nils Bösch, ricercatore presso Daimler AG, per studiare la delaminazione su una lastra campione di acciaio placcato in zinco, elettrorivestita con uno strato di vernice cataforetica chiamata e-coat o elettro-rivestimento (Figura 4).
“A causa di un graffio che penetra al di sotto della superficie in acciaio, si può ottenere una coppia galvanica tra zinco e acciaio e lo zinco corrode,” ha spiegato Bösch. “Questo produce una fessura che continua a crescere tra l’elettro-rivestimento e l’acciaio in direzione orizzontale, invece che in verticale attraverso gli strati”. Questo comportamento è abbastanza simile al processo di corrosione in fessura (o crevice corrosion), che scava tra due superfici creando fessure nel metallo. Le sollecitazioni in frattura che si possono verificare alla base di queste cricche possono infine causare il guasto del pezzo, per quanto il danneggiamento visibile e la perdita complessiva di materiale possano apparire ridotti. Höche e Bösch hanno usato sweep parametrici in COMSOL per studiare il potenziale elettrico nell’elettrolita e nell’elettro-rivestimento per differenti proprietà della barriera elettrodepositata. Il loro modello ha evidenziato la corrispondente crescita orizzontale della fessura a mano a mano che consuma lo zinco (Figura 5).
Lo studio di Höche e Bösch finalizzato a comprendere come la misura di queste imperfezioni superficiali influisce sulla velocità di consunzione dello zinco è in corso. Finora, il modello indica che l’ampiezza di queste imperfezioni influisce maggiormente rispetto alla loro profondità: nei graffi più sottili il rapporto catodo/anodo è inferiore e la diffusione più limitata e ciò rallenta il processo di corrosione rispetto a un graffio più ampio. I risultati attuali vengono usati per esaminare ulteriormente le imperfezioni del rivestimento e la loro influenza negativa sulla protezione da corrosione.
Porre le basi per un supporto strutturale più durevole
Sebbene la corrosione sia un processo onnipresente, che non può essere completamente evitato, essa può comunque essere ridotta al minimo grazie a una progettazione esperta e a un’attenta analisi. Höche e Bösch hanno ridotto i bordi taglienti nel giunto rivettato e perfezionato la geometria per ridurre al minimo l’area esposta, pur mantenendo la stabilità meccanica. Hanno anche suggerito l’uso di un elettro-rivestimento per la lastra in metallo che, sulla base dello studio parametrico, determinerebbe la minima corrente elettrica e quindi il minimo degrado della carrozzeria. I modelli realizzati in COMSOL hanno permesso una indispensabile conoscenza del comportamento elettrochimico fondamentale, fornendo ai tecnici di HZG e Daimler AG gli strumenti per ottimizzare i loro giunti rivettati in modo da ottenere la migliore difesa dalla corrosione. “Questo tipo di analisi ‘computer-aided’ favorisce il progresso della progettazione ‘leggera’ e permette l’identificazione di possibili problemi legati alla corrosione negli stadi iniziali del ciclo di progettazione”, ha concluso Höche. “Nonostante la corrosione sia un pericoloso nemico dei rivetti nel settore automotive, ora siamo in grado di controllare la corrosione del magnesio grazie a un’attenta progettazione geometrica e a un processo di lavorazione frutto di studi accurati”.