Passivazione: ossidi, alluminio anodizzato

La  passivazione è quel fenomeno attraverso il quale un materiale metallico diventa meno sensibile alla corrosione tramite la formazione di uno strato protettivo che lo isola dall’ambiente circostante. Questo strato, generalmente costituito da un ossido compatto e aderente, agisce come una barriera, riducendo la velocità delle reazioni di ossidazione e prolungando la vita utile del materiale.
Il ferro  si ossida dando luogo alla formazione della ruggine che, tuttavia  non forma uno strato protettivo: è porosa, fragile e friabile, e tende a staccarsi facilmente dalla superficie, esponendo nuove aree al contatto con ossigeno e acqua. Questo innesca un ciclo continuo di corrosione, che porta al deterioramento progressivo del materiale.

Queste successivamente  vanno incontro a un’ulteriore ossidazione. tendono a passivarsi spontaneamente. La passivazione, sia spontanea che indotta, rappresenta una strategia fondamentale per proteggere i metalli dall’aggressione dell’ambiente. Grazie a questo fenomeno, metalli come alluminio, titanio, cromo e acciai inossidabili trovano impiego in settori critici come l’aerospaziale, l’industria chimica, l’architettura e la medicina, dove la resistenza alla corrosione è un requisito essenziale per garantire sicurezza, durabilità e prestazioni nel tempo.

Il fenomeno della passivazione è noto da secoli, anche se la sua comprensione scientifica si è sviluppata solo tra il XIX e il XX secolo. Già nel 1805, lo scienziato britannico Humphry Davy, durante i suoi studi sull’elettrochimica e la corrosione, osservò che alcuni metalli, come il ferro, in particolari condizioni, sembravano “inattivi” rispetto all’ossigeno e all’umidità.

Tuttavia, il termine “passivazione” venne formalmente introdotto solo nel 1836 dal chimico tedesco Christian Friedrich Schönbein, il quale notò che l’esposizione del ferro a specifiche sostanze, come l’acido nitrico concentrato, conferiva al metallo una sorprendente resistenza alla corrosione. Schönbein descrisse il ferro come “passivo”, in contrapposizione al suo stato “attivo” usuale.

Nel corso del Novecento, le ricerche sulla passivazione si intensificarono, in particolare grazie ai lavori pionieristici di Michael Faraday, Marcel Pourbaix e Ulick Evans, che contribuirono alla comprensione dei diagrammi di potenziale-pH (diagrammi di Pourbaix) e delle condizioni termodinamiche favorevoli alla formazione di strati passivi stabili. Questi studi posero le basi per l’ingegnerizzazione di leghe resistenti alla corrosione, come l’acciaio inossidabile, e per lo sviluppo di trattamenti superficiali innovativi, come l’anodizzazione dell’alluminio.

Formazione di ossidi

Vi sono tuttavia  metalli come alluminio, titanio, cromo e zinco che, al contrario del ferro, hanno la capacità di passivarsi spontaneamente in ambiente ossidante, formando sulla loro superficie un sottile strato di ossido compatto, aderente e insolubile.

Essi infatti reagiscono con l’ossigeno atmosferico e l’acqua dando luogo alla formazione dei rispettivi ossidi. Tra questi, possiamo citare:

–Alluminio, che forma un sottile film di ossido di alluminioAl₂O₃

–Titanio, che sviluppa uno strato protettivo di ossido di titanioTiO₂

–Cromo che forma ossido di cromo Cr₂O₃

–Zinco che dà luogo all’ossido di zinco ZnO

Questi ossidi, a differenza degli ossidi di ferro, sono compatti, poco reattivi e stabili, e aderiscono saldamente alla superficie metallica. In questo modo, lo strato di ossido agisce come una barriera chimica e fisica, proteggendo gli strati sottostanti del metallo da ulteriori attacchi corrosivi.

Lo strato di ossido che si forma sulla superficie dei metalli che vanno incontro ad una passivazione naturale preserva gli strati più interni del metallo dalla corrosione.

Spesso con appositi trattamenti i metalli che non danno passivazione naturale sono passivati. Ad esempio il rame che tende a formare ossido di rame (I) e ossido di rame (II) viene passivato tramite due processi: la passivazione cromica o mediante inibitori della corrosione.

Tipi di passivazione

Passivazione indotta: come proteggere i metalli meno reattivi

Alcuni metalli, come il rame, non si passivano in modo efficace in condizioni normali. Il rame, infatti, tende a formare ossido di rame (I) Cu₂O e ossido di rame (II) CuO, che non garantiscono una protezione adeguata. Per preservare il rame dalla corrosione si possono applicare trattamenti specifici di passivazione indotta, come:

La passivazione cromica, in cui la superficie del metallo è trattata con soluzioni contenenti cromati o bicromati, che favoriscono la formazione di un sottile strato di ossido di cromo.

La passivazione mediante inibitori di corrosione, sostanze chimiche che interferiscono con le reazioni di ossidazione, bloccandole o rallentandole. Gli inibitori possono agire formando complessi con gli ioni metallici, creando una barriera fisica o modificando il pH locale.

L’anodizzazione: una passivazione controllata

Un caso particolare di passivazione è l’anodizzazione dell’alluminio. L’alluminio, pur formando spontaneamente un sottile strato protettivo di ossido, spesso richiede un trattamento controllato per ottenere una protezione più spessa e duratura.

Il processo di anodizzazione consiste in una ossidazione elettrochimica: il pezzo in alluminio è immerso in una soluzione elettrolitica (come acido solforico) e collegato al polo positivo (anodo) di una sorgente elettrica, mentre il catodo è costituito da un altro elettrodo inerte. Sotto l’azione della corrente elettrica, gli ioni ossigeno o ossidrile migrano verso l’anodo, formando uno strato uniforme e compatto di ossido di alluminio.

Il materiale risultante, noto come alluminio anodizzato, è resistente alla corrosione, ha una buona durezza superficiale e, in molti casi, può essere colorato in fase successiva per fini estetici o funzionali.

Passivazione dell’acciaio inossidabile

Anche l’acciaio inossidabile, una lega a base di ferro contenente cromo (almeno 10,5%) e spesso anche nichel e molibdeno, sfrutta il fenomeno della passivazione. La presenza del cromo induce la formazione di un sottile strato di ossido di cromo (Cr₂O₃), invisibile a occhio nudo, che protegge il metallo sottostante.

Tuttavia, l’acciaio inossidabile può essere soggetto a fenomeni di corrosione localizzata, come la pitting corrosion o la corrosione per vaiolatura, soprattutto in ambienti aggressivi (ad esempio in presenza di cloruri, come nelle zone marine). In questi casi, il processo di passivazione può essere favorito mediante trattamenti specifici.

Il trattamento più comune è un bagno acido in cui il pezzo viene immerso in una soluzione contenente acido nitrico (HNO₃) puro o combinato con bicromato di sodio (Na₂Cr₂O₇), che accelera la formazione dello strato di ossido protettivo.

In alternativa, si possono usare soluzioni a base di acido citrico (C₆H₈O₇), un trattamento più ecologico e sicuro, particolarmente adatto per applicazioni in ambito alimentare e farmaceutico.

Questo trattamento elimina eventuali contaminanti superficiali, come residui ferrosi, e favorisce la rapida formazione di una pellicola protettiva di ossido di cromo, aumentando così la resistenza alla corrosione.