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8 de agosto de 2022

Resistência a Corrosão nos Aços

A corrosão do aço é a deterioração e destruição irreversíveis dos materiais, em especial o aço, e suas propriedades vitais devido à reação eletroquímica ou química de sua superfície. Neste texto vamos avaliar como ocorre esse fenômeno, onde na indústria isso pode ser um problema e como impedir que isso ocorra.

 

Corrosão nos aços

A corrosão do aço envolve uma eletrólise na qual a superfície metálica libera elétrons em um eletrólito, como uma camada de umidade na presença de oxigênio. Essa reação eletroquímica ocorre devido à tendência dos metais retornarem ao seu estado natural. Ferro no aço no ambiente de ar úmido tenderá a voltar ao seu estado original de óxido de ferro como ferrugem. O aço pode ser corroído pela reação química de certos produtos químicos, como o ácido sulfúrico.

A taxa de corrosão do aço é afetada por fatores como temperatura do ar ambiente, presença de vapores químicos, bem como umidade. No caso de estruturas metálicas e tubulações enterradas, a composição do solo e sua umidade influenciam a extensão da corrosão e seu impacto.

A reação corrosiva altera a microestrutura do aço em sua superfície, tornando-o quebradiço e escamoso. Lentamente, perde sua resistência mecânica e ductilidade. Assim, a vida útil das estruturas de aço e outras aplicações são severamente reduzidas. Então, existe a necessidade de aplicar um revestimento protetor adequado, dependendo do tipo de aplicação e do ambiente. Algumas ligas de aço têm certa resistência à corrosão embutida.

A corrosão do aço pode causar falhas graves e danos dispendiosos em aplicações críticas do aço, como estruturas e equipamentos industriais. O monitoramento da corrosão do aço pode ser útil para prever a falha de estruturas de aço e equipamentos críticos, controlar a reação eletroquímica e tomar medidas oportunas para evitar danos.

Corrosão em aço carbono

De acordo com a ISO 8044:2015, corrosão é a interação físico-química entre um metal e seu ambiente, que resulta em mudanças nas propriedades do metal e que pode levar a um comprometimento funcional significativo do metal, do meio ambiente ou do sistema técnico de que fazem parte. A corrosão é vista quando há uma mudança nas propriedades do metal ou do sistema que pode levar a um resultado indesejável.

Isso pode variar simplesmente de deficiência visual a falha completa de sistemas técnicos que causam grandes danos econômicos e até mesmo representam um perigo para as pessoas.

A corrosão pode ser definida amplamente como a destruição ou deterioração do metal por reação química e eletroquímica direta com seu ambiente. De forma mais simples, a corrosão metálica é o inverso da galvanoplastia. O metal que está sendo corroído forma o ânodo enquanto o cátodo é o que está sendo galvanizado. A corrosão metálica ocorre porque, em muitos ambientes, as maiorias dos metais não são inerentemente estável e tende a reverter para uma combinação mais estável da qual os minérios metálicos encontrados na natureza são exemplos mais comuns.

O aço carbono é o material de engenharia mais utilizado, por isso a resistência à corrosão é um tópico muito abordado em diversos estudos. O aço carbono tem uma resistência à corrosão relativamente limitada, e com isso o custo da corrosão no aço é muito alto. Por isso, aumentar à resistência a corrosão pode ser muito interessante.

Uma vez que os aços carbono representam a maior classe de ligas em uso, tanto em termos de tonelagem quanto de custo total, a corrosão dos aços carbono é um problema de enorme importância prática. No aço carbono, o processo de corrosão típico pode ser considerado como a reação reversa termodinamicamente favorecida do processo de extração do metal, como mostrado nas equações a seguir:

O2(g)+4H+(aq)+4e⟶2H2O(l)

Fe(s)⟶Fe2+(aq)+2e

2Fe(s)+O2(g)+4H+(aq)⟶2Fe2+(aq)+2H2O(l)

4Fe2+(aq)+O2(g)+(2+4x)H2O→2Fe2O3⋅xH2O+4H+(aq)

O aço carbono é, por sua natureza, com teor de liga limitado, geralmente inferior a 2% em peso para o total de todas as adições. Infelizmente, esses níveis de adição geralmente não produzem mudanças notáveis ​​no comportamento geral de corrosão. Uma possível exceção a esta afirmação são os aços de intemperismo, nos quais pequenas adições de cobre, cromo, níquel e/ou fósforo produzem reduções significativas na taxa de corrosão em determinados ambientes.

Nos níveis de vários elementos em que estão presentes no aço carbono, os elementos não têm efeito significativo na taxa de corrosão na atmosfera, águas neutras ou solos, uma vez que, como dita anteriormente, são muito baixos, e não fornece ao aço boa resistência a corrosão.

Apenas no caso de ataque ácido, um efeito observado mesmo com baixos níveis de elementos de liga. Neste caso, a presença de fósforo e enxofre aumenta acentuadamente a taxa de ataque. De fato, em sistemas ácidos, os ferros puros parecem apresentar a melhor resistência ao ataque.

As reações de corrosão ocorrem quando as condições são termodinamicamente favoráveis ​​às reações químicas. Quando isso acontece, outros fatores potenciais determinam a velocidade da reação (cinética da reação). A taxa de corrosão é altamente dependente do ambiente em que os aços carbono são usados.

Ao resolver um problema de corrosão em particular, uma mudança dramática na taxa de ataque pode ser alcançada alterando o ambiente corrosivo. Como a corrosão é um fenômeno multifacetado, geralmente é útil tentar categorizar os vários tipos com base na base ambiental, como corrosão atmosférica, corrosão aquosa, corrosão em solos, concreto e caldeiras, etc.

Tipos de reações de corrosão

Há uma distinção entre os tipos de corrosão que normalmente descrevem a interação entre o metal e o meio ambiente, e as formas de corrosão que descrevem a aparência fenomenológica.

  • Reação química – É uma reação química típica de corrosão que ocorre em altas temperaturas, onde o metal reage com gases quentes e forma uma camada de óxido.
  • Reação com hidrogênio – O exemplo da reação que ocorre a fragilização causada pelo hidrogênio que se difunde no metal, podendo levar à falha de um componente. A fragilização pode ser o resultado de um processo de fabricação descuidado. Também pode ser iniciado por processos de corrosão (dissolução de metal), como trincas assistidas por hidrogênio induzidas por corrosão.
  • Reação eletroquímica – É o tipo mais comum de reação de corrosão. A reação implica uma troca elétrica por meio de elétrons no metal e íons em um eletrólito condutor, como um filme de água em sua superfície.

A reação global pode ser separada em duas reações parciais, a saber:

  • Dissolução do metal: também conhecida como oxidação ou reação anódica (Fe = Fe2+ + 2 e), e
  • Redução ou reação catódica: uma reação envolvendo principalmente o oxigênio presente no ar com água (O2 + 2 H2O + 4 e = 4OH). Essas duas reações parciais podem ocorrer na superfície do metal em uma distribuição bastante homogênea levando a um ataque uniforme ou podem ocorrer local e separadamente, levando a formas localizadas de corrosão, como a corrosão por pites.

O mecanismo e a natureza eletroquímica da reação de corrosão definem os requisitos necessários para que a corrosão ocorra. Esses requisitos são: um metal condutor; um eletrólito (uma película fina de umidade na superfície já é suficiente); oxigênio para a reação catódica.

Formas como a corrosão em aços carbono se apresenta

Corrosão uniforme/corrosão por pitting superficial – A corrosão uniforme é uma forma de corrosão em que a superfície é removida quase uniformemente. As reações parciais (dissolução do metal e redução do oxigênio) são estatisticamente distribuídas sobre a superfície, levando a uma dissolução mais ou menos homogênea do metal e à formação uniforme de produtos de corrosão (por exemplo, ferrugem vermelha no aço carbono).

A taxa de corrosão é normalmente dada em micrômetros por ano. A partir desses valores médios, é possível calcular a expectativa de vida de um componente e, assim, aumentar sua expectativa de vida aumentando sua espessura. No caso, a resistência a corrosão considerada é a do aço carbono comum, mas a ideia pode se estender aos outros aços mais ligados.

A corrosão uniforme ocorre em aço carbono desprotegido e em aço zincado sob condições atmosféricas. Na realidade, é improvável que ocorra um ataque de corrosão puramente homogêneo. Sempre existem áreas, especialmente em peças de aço complexas, que corroem mais rapidamente do que outras, levando a uma superfície mais ou menos áspera com uma cobertura irregular de produtos de corrosão.

Corrosão por pites – A corrosão por pites é uma forma localizada de corrosão que leva à criação de pequenos orifícios ou pites no aço. É uma falha que ocorre muito na indústria de polímeros, nos aços para moldes.

Esta forma de corrosão é encontrada principalmente em metais passivos, que devem sua resistência à corrosão a uma fina camada de óxido na superfície com uma espessura de apenas alguns nanômetros.

O processo de iniciação da corrosão começa com uma quebra local da camada passiva. O ataque corrosivo local pode ser iniciado em aços, por exemplo, por íons cloreto. A corrosão por pite pode ser bastante problemática. Enquanto a corrosão uniforme pode ser vista claramente na superfície, a corrosão por pites geralmente aparece apenas como pequenos orifícios na superfície.

A quantidade de material removido abaixo dos orifícios é geralmente desconhecida, pois cavidades ocultas podem se formar, tornando a corrosão por pites mais difícil de detectar e prever. Tecnicamente, não há uma maneira razoável de controlar a corrosão por pite.

Trincas induzidas pelo ambiente – Existem dois tipos de trincas induzidas pelo ambiente. Estas são (i) trincas por corrosão sob tensão e (ii) trincas assistidas por hidrogênio.

A corrosão sob tensão é um processo combinado de corrosão mecânica e eletroquímica que resulta na fissura de certos materiais. Isso pode levar a falhas inesperadas e frágeis repentinas de metais normalmente dúcteis sujeitos a níveis de tensão bem abaixo de sua resistência ao escoamento. As tensões internas em um material podem ser suficientes para iniciar um ataque de corrosão sob tensão.

A corrosão sob tensão não é simplesmente uma sobreposição de corrosão e tensões mecânicas, mas pode ser entendida como um processo autocatalítico e autoacelerado que leva a altas taxas de dissolução do metal (reação anódica).

Inicialmente, um pequeno poço é formado e se desenvolve em uma trinca devido à tensão aplicada ou residual no material. A formação de fissuras abre uma nova superfície metálica ativa (não passiva), que novamente se corrói com muita facilidade. Isso leva a uma maior propagação da trinca e novamente à exposição de novas superfícies metálicas altamente ativas na trinca. A dissolução do metal na trinca avança rapidamente até que ocorra a falha mecânica.

A corrosão sob tensão é uma forma altamente específica de corrosão que ocorre apenas quando os três requisitos a seguir são atendidos ao mesmo tempo:

  • Mecânica (carga, tensão);
  • Material (liga suscetível, por exemplo, aço);
  • Meio ambiente (altamente corrosivos, cloretos).

É bem conhecido que certos tipos de aço podem sofrer trincas por corrosão sob tensão em ambientes agressivos, como piscinas cobertas. Na maioria desses casos, a corrosão é iniciada por cloretos que atacam a camada passiva.

A fragilização assistida por hidrogênio é causada pela difusão de átomos de hidrogênio no aço. A presença de hidrogênio na rede enfraquece a integridade mecânica do metal e leva ao crescimento de trincas e fratura frágil em níveis de tensão abaixo do limite de escoamento. Assim como a trinca por corrosão sob tensão, pode levar à falha repentina de peças de aço sem nenhum sinal de alerta detectável.

Em aplicações comuns, os danos causados ​​por hidrogênio geralmente são relevantes apenas para aços de alta resistência com resistência à tração de cerca de 1 MPa ou superior. Existem três condições diferentes devem estar presentes ao mesmo tempo:

  • Mecânicos (carga, tensão);
  • Materiais (estrutura de dureza);
  • Ambientais (hidrogênio externo, hidrogênio interno).

A fonte de hidrogênio pode ser o processo de produção, como fabricação de aço, decapagem e eletrogalvanização (hidrogênio primário). Uma fonte secundária pode ser o hidrogênio formado durante um processo de corrosão. Durante o processo de corrosão, o hidrogênio é formado e se difunde no material. Esta entrada de hidrogênio leva a uma diminuição na tenacidade ou ductilidade do aço.

Corrosão em cantos vivos – Esse tipo de corrosão refere-se à corrosão que ocorre em trincas ou frestas formadas entre as duas superfícies (feitas do mesmo metal, metais diferentes ou mesmo um metal e um não metal). Este tipo de corrosão é iniciado pela entrada restrita de oxigênio do ar por difusão na área da fresta levando a diferentes concentrações de oxigênio dissolvido no eletrólito comum (a chamada célula de aeração).

Novamente, as duas reações parciais ocorrem em diferentes partes da superfície. A redução de oxigênio ocorre nas áreas externas com maiores concentrações de oxigênio facilmente acessíveis pelo ar circundante, enquanto a dissolução anódica do metal ocorre na área da fenda resultando em ataque localizado (por exemplo, pitting). Também pode ocorrer sob arruelas ou gaxetas, quando a entrada de água por baixo não é impedida.

Existem limites inferiores e superiores para o tamanho de uma fenda na qual a corrosão pode ser induzida. Se a fenda estiver muito apertada, nenhum eletrólito para corrosão é introduzido. Se a fenda for muito larga para reduzir a entrada de oxigênio, a célula de aeração e, consequentemente, diferentes concentrações de oxigênio não podem se desenvolver.

No entanto, a largura crítica da fenda depende de vários fatores, como o tipo de aço envolvido, o ambiente corrosivo e os ciclos úmido/seco.

Corrosão intercristalina (intergranular) – A corrosão intercristalina é uma forma especial de corrosão localizada, onde o ataque corrosivo ocorre em um caminho bastante estreito, preferencialmente ao longo dos contornos de grão na estrutura metálica. Esta é uma falha que pode ocorrer até em aços inoxidáveis, com a formação de precipitados e fases intermetálicas em aços inoxidáveis, como os austeníticos, como exemplo, que vamos falar mais a diante.

O efeito mais comum desta forma de corrosão é uma rápida desintegração mecânica (perda de ductilidade) do material. Normalmente, isso pode ser evitado usando o material certo e o processo de produção.

Um exemplo bem conhecido é a chamada sensibilização do aço inoxidável. Quando certos tipos deste material são mantidos a uma temperatura na faixa de 500°C a 800°C por um tempo considerável, e durante um processo de soldagem, carbonetos ricos em cromo são formados, resultando em depleção de cromo nos contornos de grão. Consequentemente, os contornos de grão possuem menor grau de resistência à corrosão do que o material residual, levando a um ataque corrosivo localizado.

Corrosão galvânica (de contato) – A corrosão galvânica refere-se a danos por corrosão em que dois metais diferentes têm uma conexão eletricamente condutora e estão em contato com um eletrólito corrosivo comum. No modelo eletroquímico de corrosão, uma das duas reações parciais (dissolução anódica do metal e redução catódica do oxigênio) ocorre quase que exclusivamente em um metal.

Normalmente, o metal menos nobre é dissolvido (dissolução anódica do metal), enquanto a parte mais nobre não é atacada pela corrosão (serve apenas como cátodo para a redução do oxigênio). Onde a corrosão galvânica ocorre, a taxa de corrosão do metal menos nobre é maior do que em um ambiente livre de corrosão sem contato com outro metal.

Usando dados termodinâmicos e levando em consideração a experiência comum adquirida em aplicações típicas, é possível prever quais combinações de materiais são afetadas pela corrosão galvânica. Um exemplo positivo do fenômeno da corrosão galvânica é a forma como o zinco protege aços carbono e aços de baixa liga. O zinco é o metal menos nobre que protege ativamente o aço ao ser corroído.

Proteção contra corrosão de aços carbono

A proteção contra corrosão é muitas vezes uma consideração necessária na seleção de aço carbono para uma determinada aplicação estrutural. A corrosão pode reduzir a capacidade de carga de um componente, geralmente reduzindo seu tamanho (seção transversal) ou por pite, o que não apenas reduz a seção transversal efetiva na região pitted, mas também introduz aumentos de tensão que podem iniciar trincas.

Obviamente, qualquer medida que reduza ou elimine a corrosão prolonga a vida útil de um componente e aumenta sua confiabilidade. A economia, as condições ambientais, o grau de proteção necessário para a vida projetada da peça, as consequências de uma falha inesperada de serviço e a importância da aparência são os principais fatores que determinam não apenas se uma peça de aço precisa ser protegida contra corrosão, mas também a método eficaz e econômico de alcançar essa proteção.

Existem, de maneira geral, dois métodos para minimizar a corrosão dos aços. A primeira é separar as fases reagentes e a segunda é reduzir a reatividade das fases reagentes. A separação das fases de reação pode ser realizada por revestimentos metálicos, inorgânicos ou orgânicos e inibidores de formação de filme.

A reatividade pode ser reduzida por liga, proteção anódica ou catódica e tratamento químico do ambiente. Alguns métodos de proteção combinam duas ou mais formas.

Na maioria dos ambientes, a taxa de corrosão do aço carbono é tipicamente de cerca de 20 µm/ano em uma atmosfera rural ao ar livre e subindo para mais de 100 µm/ano em ambientes costeiros.

O projeto do produto geralmente não leva em conta a perda de material base. Portanto, soluções de proteção contra corrosão são economicamente necessárias para o aço carbono. Em ambientes alcalinos, no entanto, o aço normalmente permanece estável. Isso explica por que, por exemplo, as armaduras de aço carbono já estão muito bem protegidas contra a corrosão no ambiente alcalino do concreto circundante.

Proteção de revestimento de aço carbono

Vários tipos de revestimentos são aplicados para aumentar a resistência à corrosão dos aços carbono. As práticas de revestimento variam desde a lubrificação para proteção temporária de baixo custo até a deposição de vapor para resistência a corrosão, calor e desgaste em longo prazo. Por razões econômicas, o grau de proteção desejado deve ser determinado antes que um revestimento seja selecionado.

A proteção temporária eficaz durante o transporte ou armazenamento pode ser obtida revestindo o aço carbono com óleo mineral, solventes combinados com inibidores, emulsões de revestimentos à base de petróleo ou ceras. Esses tipos de revestimentos são aplicados após a decapagem ácida ou entre as sequências de revestimento. Não se espera que esses revestimentos forneçam proteção contra corrosão em longo prazo.

A preparação da superfície é importante para todos os processos de revestimento. Qualquer óxido na superfície do aço deve ser removido por decapagem ou jateamento. O desengorduramento é necessário após a remoção do óxido ou quando o aço recebeu um revestimento temporário, e pode ser realizado por vários meios. Idealmente, o primeiro passo no processo de revestimento deve ser iniciado imediatamente após a limpeza.

Processos de revestimento já são usados normalmente em ferramentas, mas no caso do aço carbono, o revestimento é utilizado de outra maneira, com outro tipo de revestimento. São aplicados revestimentos de zinco, alumínio, chumbo, estanho e algumas ligas desses metais em aços carbono.

O processo de imersão a quente consiste na imersão do aço em um banho fundido do metal de revestimento.

O revestimento de zinco ou galvanização é uma boa escolha para a proteção contra corrosão do aço carbono. Vários processos adequados estão disponíveis para a aplicação de revestimentos de zinco em aço. A taxa de corrosão do zinco é mais de dez vezes menor que a do aço, em torno de 0,5 µm/ano em atmosferas rurais/urbanas e subindo para cerca de 5 µm/ano em ambientes costeiros.

As baixas taxas de corrosão são resultado da formação de camadas estáveis ​​de produtos de corrosão contendo carbonatos (do CO2 no ar) e cloretos (se estiverem presentes na atmosfera).

Condições em que a formação de tais produtos de corrosão insolúveis não é possível levam a taxas de corrosão muito mais altas, limitam a adequação do zinco como revestimento protetor. Isso inclui condições de umidade permanente ou exposição a altas concentrações de poluentes industriais, como dióxido de enxofre.

Nesses ambientes, os produtos de corrosão solúveis são formados preferencialmente e podem ser lavados pela chuva. Além de diminuir as taxas de corrosão, o zinco também fornece proteção catódica ou sacrificial ao aço subjacente. Onde arranhões, lascas ou qualquer outro dano ao revestimento de zinco expõe o aço, ocorre uma forma especial de corrosão galvânica. O zinco, sendo um metal menos nobre que o aço, ataca preferencialmente, ajudando assim a manter a superfície exposta do aço protegida.

Os revestimentos de zinco são consumidos de forma bastante homogênea durante a corrosão atmosférica. Assim, em uma determinada aplicação, a duplicação da espessura do revestimento normalmente também dobra o tempo até que o zinco seja consumido e ocorra a ferrugem vermelha no substrato de aço. O zinco não é estável em ambientes alcalinos e é facilmente atacado em soluções com valor de pH de 10 ou superior.

O método de revestimentos de zinco são eletrogalvanização, galvanização por imersão a quente e Sherardizing (EN 13811:2003 – Sherardizing; Zincdiffusioncoatings on ferrousproducts; Specification). Sherardizing é um método de revestimento de zinco utilizando um processo de difusão térmica.

Revestimentos de alumínio por imersão a quente (aluminizantes) fornecem aos aços carbono resistência à corrosão e ao calor. Em muitos ambientes, o alumínio protege o aço galvanicamente da mesma forma que o zinco. As ligas de zinco-alumínio e alumínio-zinco também são aplicadas ao aço por imersão a quente. O aquecimento do aço aluminizado resulta na formação de um composto intermetálico ferro-alumínio que resiste à oxidação em temperaturas até cerca de 800°C. O aço aluminizado é frequentemente usado onde a resistência ao calor é necessária, por exemplo, em sistemas de exaustão automotivos.

Revestimentos de estanho por imersão a quente fornecem um revestimento de barreira decorativo e não tóxico. O estanho não protege galvanicamente o substrato de aço. Por esta razão, lacas ou outros revestimentos orgânicos são frequentemente usados ​​para preencher os poros do revestimento de estanho e fornecer proteção de barreira aprimorada.

Os revestimentos de chumbo por imersão a quente às vezes são usados ​​em aços expostos a vapores de ácido sulfúrico ou outros ambientes químicos agressivos. A placa Terne, um revestimento de liga de chumbo-estanho, oferece mais proteção do que os revestimentos de chumbo puro e é soldável.

Revestimentos galvanizados são aplicados ao aço para resistência à corrosão, aparência, soldabilidade ou outros requisitos especiais. Uma grande variedade de materiais é galvanizada em aço, incluindo zinco, alumínio, cromo, cobre, cádmio, estanho e níquel. Revestimentos multicamadas também podem ser aplicados por galvanoplastia. Um exemplo é o sistema de revestimento de cobre-níquel-cromo usado para acabamento automotivo brilhante.

Metais clad – Os aços carbono podem ser ligados a materiais mais resistentes à corrosão, como cobre e aços inoxidáveis, por colagem a frio, colagem a quente, prensagem a quente, colagem por explosão e colagem por extrusão. O material compósito lamelar resultante tem propriedades específicas que não podem ser obtidas em um único material.

Corrosão em aço Ferramenta

Os aços ferramenta apresentam em sua composição mais elementos químicos, no caso, o que chamamos de elementos de liga, se comparados com aços carbono. Para aplicações onde exigem muitas propriedades mecânicas, como tenacidade, dureza, resistência a flexão, etc. Esses elementos de liga fornecem tais propriedades.

Entretanto, com adição de certos elementos de liga, os materiais podem até apresentar certa resistência à corrosão, mas seria algo bem inferior aos aços Inoxidáveis. Assim, é possível em determinadas situações, aplicar revestimentos nestes materiais, principalmente os de trabalho a quente.

Um exemplo é o aço AISI H13, em um estudo de 2020 (Günen,2020), a superfície do aço AISI H13 pode ser revestida com uma camada boretada com misturas de pó de B4C e NaBF4 usando o método de embalagem de pó a 800, 900 e 1000 °C por 2, 4 e 6 h.

A camada de boreto exibe uma estrutura monofásica (Fe2B) em amostras revestidas a 800 °C e uma estrutura bifásica (FeB + Fe2B) em temperaturas de boretação mais altas (900 e 1000 °C). As camadas de boreto ficam compactas e livres de trincas em todas as condições de boreto.

Dependendo dos parâmetros de boretação, a espessura, dureza e rugosidade superficial média (Ra) dos revestimentos variaram entre 5,81 e 102,46 µm, 1635–1915 HV e 0,315–0,650 µm, respectivamente. O aço AISI H13 boretado apresenta resistência à corrosão até 33,5 vezes e 2,4 vezes maior do que o aço AISI H13 não tratado e o aço martensítico AISI 431, respectivamente. Isso indica que um tratamento superficial em um aço ferramenta do tipo AISI H13 poder apresentar maior resistência a corrosão que até um aço inoxidável (no caso, AISI 431).

Isso sugere o uso potencial de aço AISI H13 boretado nas turbinas a vapor e aplicações marítimas como uma alternativa aos aços inoxidáveis ​​martensíticos e duplex mais caros. A resistência à corrosão depende da estrutura de fase (camada simples ou dupla), densidade, espessura e rugosidade da superfície dos revestimentos de boreto.

Mas, se compararmos os aços ferramenta e aços inoxidáveis, temos que os aços inoxidáveis apresentam níveis muito elevados de Cr, acima de 12% por exemplo, mas aços ferramenta como o AISI D2 também apresenta níveis de Cr na faixa de 12%, então o que cria a resistência a corrosão nos aços inoxidáveis?

A resposta se encontra na avaliação do mecanismo de corrosão. A resistência à corrosão vem do cromo formando um “filme passivo” de óxido de cromo que evita mais corrosão. Sem o filme passivo, forma-se ferrugem que tende a descamar e a corrosão do aço continua. Mais cromo significa que o filme passivo é mais completo na superfície do aço para prevenir melhor a corrosão.

Não existe um corte fixo onde uma quantidade de cromo é suficiente para prevenir a corrosão, depende do ambiente.  Outro fator que afeta a resistência à corrosão é o teor de carbono do aço. O carbono e o cromo no aço tendem a levar à formação de carbonetos de cromo e, quando o cromo está preso em carbonetos, não está disponível para formar o filme passivo para evitar a corrosão, então temos que comparar o nível de C nos aços.

Em aços ferramenta, como o exemplo do AISI D2, apesar de ter 12% de Cr, ele apresenta 1.5% de C, e em sua microestrutura pode-se verificar grandes carbonetos primários, e também carbonetos secundários após a têmpera e revenimento, mas tudo depende de como é realizado esse tratamento térmico.

Logo, com carbono suficiente, mesmo um aço com 12% de cromo não é mais inoxidável porque o cromo insuficiente está disponível “em solução”. Mesmo com os aços inoxidáveis, na condição não tratada termicamente, onde tanto carbono é ligado em carbonetos quanto possível, os aços não são muito resistentes à corrosão.

Durante o processo de austenitização/endurecimento de alta temperatura, carbonetos de cromo são dissolvidos permitindo que carbono e cromo entrem em solução para dar ao aço maior dureza e resistência à corrosão. Temperaturas mais altas significam que mais carboneto é dissolvido e a resistência à corrosão pode ser aumentada ainda mais.

Fragilização em aço inoxidável devido à corrosão

Quando os aços inoxidáveis ​​são expostos a um ambiente oxidante a temperaturas elevadas, uma camada de óxido é formada na superfície, atuando como uma barreira entre o metal e o gás, como dito anteriormente. O cromo aumenta a resistência à oxidação dos aços inoxidáveis ​​pela formação de uma incrustação de cromo (Cr2O3) na superfície.

Quando o teor de cromo é aumentado de 0 a 27%, a temperatura máxima de serviço aumenta de cerca de 500 °C para 1.150 °C. Em temperaturas acima de 1.000 °C, os óxidos de alumínio são mais protetores do que os óxidos de cromo. A quantidade de alumínio necessária para a formação de uma camada protetora, no entanto, tornará a liga bastante frágil e, portanto, a fabricação será difícil e cara.

A sensibilidade às variações de temperatura pode ser reduzida pela adição de pequenas quantidades dos chamados elementos reativa, como ítrio, háfnio e metais de terras raras (REM, em inglês), como cério e lantânio. Pequenas adições de REM levarão à formação de uma camada de óxido mais resistente e aderente, melhorando a resistência à oxidação cíclica, resistência à erosão-corrosão e resistência à fragmentação do óxido. Estas são propriedades importantes quando o componente é submetido a mudanças de temperatura ou deformação mecânica.

Embora os óxidos geralmente sejam benéficos, existem alguns elementos que tendem a formar óxidos líquidos ou gasosos, levando à chamada oxidação catastrófica. A oxidação catastrófica geralmente ocorre na faixa de temperatura de 640-950°C e, por esta razão, o molibdênio, que forma óxidos de baixo ponto de fusão e eutéticos óxido-óxido, deve ser evitado em materiais para serviço em temperaturas acima de 750°C.

Existem alguns tratamentos superficiais também realizados nos aços inoxidáveis. A cementação de aços inoxidáveis ​​pode ocorrer em monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano e outros gases de hidrocarbonetos em alta temperatura.

O grau de cementação é regido pelos níveis de carbono e oxigênio no gás, a temperatura e a composição do aço. A absorção excessiva de carbono ou nitrogênio tem um efeito prejudicial nas propriedades do material. A precipitação de carbonetos e nitretos leva à fragilização – uma redução na tenacidade e ductilidade – especialmente à temperatura ambiente.

A resistência à cementação e nitretação é melhorada principalmente pelo aumento do teor de níquel, mas também pelo aumento do teor de silício e cromo.

Um fator importante para ser avaliado nos aços inoxidáveis é a corrosão intergranular (CIG), que é um ataque seletivo na vizinhança dos contornos de grão de um aço inoxidável. É resultado da depleção de cromo, principalmente devido à precipitação de carbonetos de cromo nos contornos de grão (podemos pensar nos aços ferramenta, que formam carbonetos e por isso não apresentam grande resistência a corrosão).

Carbonetos de cromo podem ser precipitados se o aço inoxidável for sensibilizado na faixa de temperatura de 550–850°C, por exemplo, durante o tratamento térmico ou soldagem. Se a temperatura estiver na faixa crítica por muito tempo, carbonetos de cromo começarão a se formar nos contornos de grão, que se tornarão suscetíveis à corrosão intergranular. A área adjacente aos contornos de grão fica empobrecida em cromo (o cromo reage com o carbono e forma carbonetos) e esta zona, portanto, torna-se menos resistente à corrosão intergranular.

Para reduzir o risco de corrosão intergranular (IGC), materiais com menos de 0,05% de carbono normalmente têm resistência suficiente contra corrosão intergranular após a soldagem. Os aços ELC (extra low carbon contente, como os que apresentam a letra L em seu nome, exemplo 316L), ou seja, aços com no máximo 0,030% de carbono, têm uma resistência muito boa à corrosão intergranular. O mesmo se aplica aos aços estabilizados com titânio (Ti) ou nióbio (Nb), pois esses tipos de aço formam carbonetos de nióbio ou titânio em vez de carbonetos de cromo, evitando assim a diminuição crítica do teor de cromo.

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Elaboração e Edição: Thiago Cortiz e Renata Brandolin

Referências

EN ISO 17668:2016 – Zinc diffusion coatings on ferrous products – Sherardizing – Specification (ISO 17668:2016). 09-Mar-2016.

ISO 8044:2015, Corrosion of metals and alloys – Basic terms and definitions

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corrosão nos aços