TCC_EDUARDO_ARRUDA - LCAM

1
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE TECNOLOGIA
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
EDUARDO AMÉLIO DE FARIAS ARRUDA / 02021001201
ESTUDO COMPARATIVO DO PROCESSO CORROSIVO DO AÇO PATINÁVEL E
DO AÇO CARBONO COMUM
BELÉM
2009
2
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE TECNOLOGIA
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
EDUARDO AMÉLIO DE FARIAS ARRUDA 02021001201
ESTUDO COMPARATIVO DO PROCESSO CORROSIVO DO AÇO PATINÁVEL E
DO AÇO CARBONO COMUM
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
ao Colegiado do Curso de Engenharia Mecânica
do Instituto de Tecnologia da Universidade Federal
do Pará. Para obtenção do grau de Engenheiro
Mecânico.
Orientador: Prof. Dr. Eduardo Magalhães Braga
BELÉM
2009
3
EDUARDO AMÉLIO DE FARIAS ARRUDA / 02021001201
ESTUDO COMPARATIVO DO PROCESSO CORROSIVO DO AÇO PATINÁVEL E
DO
AÇO CARBONO COMUM
Trabalho
de
Conclusão
de
Curso
apresentado para obtenção do grau de
Engenheiro Mecânico pela Universidade
Federal do Pará. Submetido à banca
examinadora constituída por:
______________________________________
Prof. Dr. Eng. Eduardo de Magalhães Braga
UFPA – Orientador, Presidente
Prof. Dr. Eng. José Carlos Cardoso Filho
UFPA
Prof. M. Sc. Hélio Antônio Lameira de
Almeida. CEFET/PA
Julgado em ____ de _____________de 2009
Conceito:____________________________
BELÉM
2009
4
RESUMO
O presente trabalho trata do estudo comparativo entre o aço carbono comum e o aço
patinável em relação à resistência a corrosão. Foram estudados vários tipos de
processos corrosivos em diferentes meios. Pelo estudo verificou-se que o aço
patinável apresenta maior resistência a corrosão do que o aço carbono comum em
diferentes ambientes, a formação da ferrugem nos dois materiais é algo bem distinto
já que a ferrugem no aço patinável se comporta como uma barreira dificultando que
o material se desgaste com o tempo, diferente do aço carbono comum que vai se
desgastando lentamente ao passar do tempo.
PALAVRAS-CHAVE: Aço patinável, aço carbono, corrosão, resistência.
5
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Mecanismo eletroquímico de corrosão .................................................... 15
Figura 2 – Comportamento corrosivo processo metalúrgico. .................................... 20
Figura 3 – Corrosão uniforme em uma chapa metálica............................................. 22
Figura 4 – Trecho de uma chapa com corrosão em placas ...................................... 22
Figura 5 – Corrosão por pite nas proximidades do cordão de solda ......................... 23
Figura 6 – Tubo de aço inoxidável AISI 304 co corrosão por pite ............................. 23
Figura 7 – Corrosão filiforme em superfície com pelicula de tinta ............................. 24
Figura 8 – Esfoliação em liga de alumínio ................................................................. 25
Figura 9 – Corrosão grafítica em tubo de ferro fundido cinzento............................... 26
Figura 10 – Parte interna da válvula de latão apresentando corrosão por
dezincificação ........................................................................................................... 27
Figura 11 – Placa com empolamento por hidrogênio ................................................ 28
Figura 12 – Corrosão em tubulação em área próxima à solda .................................. 29
Figura 13 – Corrosão em componentes tubulares nas proximidades de solda ......... 29
Figura 14 – Corrosão intergranular ou intercristalina ................................................ 30
Figura 15 – Corrosão galvânica em aço inoxidável AISI 304 .................................... 31
Figura 16 – Corrosão por frestas em rosca ............................................................... 33
Figura 17 – Corrosão transcristalina ......................................................................... 33
Figura 18 – Corrosão alveolar ................................................................................... 34
Figura 19 – Produção de produtos de corrosão formados durante a exposição em
atmosfera industrial ................................................................................................... 76
6
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Valores práticos de potenciais de vários materiais.. ................................ 16
Tabela 2 – Propriedades mecânicas, características especiais e empregos de alguns
aços ASTM de alta resistência e baixo teor em liga. ................................................. 41
Tabela 3 – Teor de cobre entre aço comum e aço patinável. .................................. 47
Tabela 4 – Composição química de alguns aços patináveis comercializados no Brasil
.................................................................................................................................. 50
Tabela 5 – Taxa de corrosão instantânea do aço carbono e do aço patinável em três
ambientes diferentes ................................................................................................. 66
Tabela 6 – Produtos de corrosão formados durante a exposição à corrosão
atmosférica ................................................................................................................ 73
7
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 – Efeitos de pequenas adições de cobre na taxa de corrosão do aço
carbono, exposto durante 15,5 anos em atmosfera marinha, industrial .. ................. 52
Gráfico 2 – Efeito da adição de fósforo na taxa de corrosão de aços ligados ao
cobre. ........................................................................................................................ 53
Gráfico 3 – Efeito da adição do níquel na resistência à corrosão dos aços liogados
ao cobre. ................................................................................................................... 55
Gráfico 4 – Efeito da adição de 1% de níquel na resistência à corrosão dos aços
ligados ao cobre sem e com adição de fósforo e cromo ........................................... 56
Gráfico 5 – Efeito da adição de cromo e/ou fósforo na taxa de corrosão de aços
ligados ao cobre ........................................................................................................ 58
Gráfico 6 – Efeito da adição do manganês na taxa de corrosão de um aço co 0,3%
de cobre com baixo teor de fósforo ........................................................................... 59
Gráfico 7 – Efeito da adição do silício aos aços ligados ao cobre com ou sem a
adição de fósforo e cromo ......................................................................................... 61
Gráfico 8 – Média aritmética anual (2001) de [So 2 ] atmosférico na cidade de São
Paulo ......................................................................................................................... 64
Gráfico 9 – Média aritmética anual (2001) de [So 2 ] atmosférico no interior do estado
de São Paulo ............................................................................................................. 64
Gráfico 10 – Corrosão de um aço patinável e de um aço comum ............................. 65
Gráfico 11 – Perda de espessura do aço carbono e do aço patinável em função do
tempo de exposição em ambiente rural .................................................................... 67
Gráfico 12 – Perda de espessura do aço carbono e do aço patinável em função do
tempo de exposição em ambiente urbano ................................................................ 68
Gráfico 13 – Perda de espessura do aço carbono e do aço patinável em função do
tempo de exposição em ambiente industrial ............................................................. 69
Gráfico 14 – Perda de espessura do aço carbono e do aço patinável em função do
tempo de exposição em ambiente marinho ............................................................... 70
8
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 10
1.1 Considerações iniciais...................................................................................... 10
1.2 Objetivo do estudo ............................................................................................ 11
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 12
2.1 Variáveis do processo corrosivo ..................................................................... 12
2.2 Mecanismos básicos de corrosão ................................................................... 13
2.3 Meios corrosivos ............................................................................................... 17
2.4 Definições de corrosão ..................................................................................... 20
2.5 Formas de corrosão .......................................................................................... 20
2.5.1 Corrosão uniforme ............................................................................................ 22
2.5.2 Corrosão por placas ......................................................................................... 22
2.5.3 Corrosão puntiforme ......................................................................................... 23
2.5.4 Corrosão filifome .............................................................................................. 24
2.5.5 Corrosão por esfoliação ................................................................................... 25
2.5.6 Corrosão grafítica ............................................................................................. 26
2.5.7 Corrosão por dezincificação ............................................................................. 27
2.5.8 Corrosão por empolamento pelo hidrogênio .................................................... 28
2.5.9 Corrosão em torno do cordão de solda ............................................................ 29
2.5.10 Corrosão intercristalina................................................................................... 30
2.5.11 Corrosão galvânica......................................................................................... 31
2.5.12 Corrosão em frestas ....................................................................................... 32
2.5.13 Corrosão transcristalina.................................................................................. 33
2.5.14 Corrosão alveolar ........................................................................................... 34
2.6 CORROSÃO SOB TENSÃO ............................................................................... 34
2.6.1 Mecanismo de propagação da corrosão sob tensão ........................................ 35
2.6.2 Fratura intergranular ......................................................................................... 35
2.6.3 Fratura intragranular ......................................................................................... 35
2.6.4 Sistema: Material metálico – Meio corrosivo na corrosão sob tensão .............. 36
3 AÇOS ESTRUTURAIS........................................................................................... 37
3.1 Introdução .......................................................................................................... 37
3.2 Classificação ..................................................................................................... 38
3.3 Aços carbono .................................................................................................... 38
3.4 Aços de baixa liga ............................................................................................. 38
3.5 Fatores que afetam as propriedades macânicas do aço ............................... 42
9
3.5.1 Influência da composição química ................................................................... 42
3.5.2 Histórico termomecânico .................................................................................. 46
4 AÇOS PATINÁVEIS .............................................................................................. 47
4.1 Marcas comerciais e especificações ............................................................... 49
4.2 Efeito dos elementos de liga sob o ponto de vista de resistência a corrosão
.................................................................................................................................. 51
5 FATORES PARA FORMAÇÃO DA PÁTINA......................................................... 61
6 MECANISMO ......................................................................................................... 71
6.1 Mecanismo macrosópico da corrosão atmosférica dos aços patináveis .... 74
7 PINTURA DOS AÇOS PATINÁVEIS ..................................................................... 75
8 CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................... 78
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 79
10
1 INTRODUÇÃO
1.1 Considerações iniciais
Pela importância dos compostos metálicos no nosso dia-a-dia, a corrosão é
um processo de degradação que deve ser analisado com todo o cuidado necessário
por envolver custos diretos e indiretos, assim como por expor vidas ao perigo
(GENTIL, 2007).
Como custos diretos têm-se: os custos de substituição das peças ou
equipamentos que sofreram corrosão, incluindo-se energia e mão-de-obra; os custos
e a manutenção dos processos de proteção (proteção catódica, recobrimentos,
pinturas, etc.) (GENTIL, 2007).
Com o avanço tecnológico mundialmente alcançado, os custos da corrosão
evidentemente se elevam, tornando-se um fator de grande importância a ser
considerado já na fase de projeto de grandes instalações industriais para evitar
futuros processos corrosivos. No Brasil em 2005 o estimado teria sido 22.12 bilhões
de dólares o custo da corrosão (GENTIL, 2007).
Já como custos indiretos têm-se: paralisações acidentais para a limpeza de
(peças e/ou equipamentos com grandes prejuízos materiais, de vidas humanas e
principalmente ao meio ambiente) trocadores de calor ou caldeiras assim como a
parada para a substituição de um tubo corroído que faria com que toda uma
produção parasse para tal serviço; perda de produtos tais como óleo, soluções, gás
ou água através de tubulações corroídas e por fim o superdimensionamento de
projetos devido ao medo de deixar expostos sistemas de longo comprimento aos
malefícios da corrosão, como no caso de longas redes de tubulações que para não
perderem a sua eficiência de distribuição de fluidos são projetadas com diâmetros
superiores (GENTIL, 2007).
Deve-se salientar também que além dos custos que a corrosão ocasiona, esta
envolve também questões de segurança, interrupção de comunicações, preservação
de monumentos históricos e poluição ambiental como sendo os fatores de maior
importância para que se evite a sua ocorrência (GENTIL, 2007).
11
1.2 Objetivo do estudo
Devido ao processo de degradação proveniente da corrosão a escolha do
material que será aplicado na estrutura é um fator de muita importância. Os aços
patináveis se apresentam como uma opção dentre os aços devido sua alta
resistência principalmente no que diz respeito à corrosão em diferentes ambientes,
comparado com os aços carbono comuns, devido a sua superioridade pode-se
projetar estruturas com menor peso e maior durabilidade.
Neste sentido o objetivo do trabalho foi o de comparar dois tipos de aço
comumente utilizados na indústria (aço carbono comum e o aço patinável), em
relação à corrosão em diversos meios.
12
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Variáveis do processo corrosivo
No estudo dos processos corrosivos devem ser sempre consideradas as
variáveis dependentes do material metálico, do meio corrosivo e das condições
operacionais, pois o estudo conjunto dessas variáveis permitirá indicar o material
mais adequado para ser utilizado em determinados equipamentos ou instalações.
Dentre essas variáveis devem ser consideradas:
•
Material Metálico – composição química, presença de impurezas, processo
de obtenção, tratamentos térmicos e mecânicos, estado da superfície, forma,
união de materiais (solda, rebites etc.), contato com outros materiais;
•
Meio Corrosivo – composição química, concentração impurezas, pH,
temperatura, teor de oxigênio, pressão, sólidos suspensos;
•
Condições Operacionais – solicitações mecânicas, movimento relativo entre
materiais metálicos e meio, condições de imersão no meio (total ou parcial),
meios de proteção contra a corrosão, operação contínua ou intermitente
(GENTIL,2007).
É recomendável, no estudo de processos corrosivos, que sejam seguidas as
etapas:
•
Verificar a compatibilidade entre o meio corrosivo e o material, consultando
tabelas que apresentam taxas de corrosão;
•
Verificar condições operacionais;
•
Verificar relatórios de inspeção de equipamentos que são de fundamental
importância, tendo em vista que, através deles, os problemas de corrosão
são identificados nos equipamentos e instalações que se acham em serviço –
para isto, a inspeção de equipamentos conta com uma série de ferramentas
apropriadas, métodos de trabalho e técnicas específicas que constituem hoje
um novo ramo da engenharia especializada;
•
Estabelecer o mecanismo responsável pelo processo corrosivo;
•
Proceder a avaliação econômica – custos diretos e indiretos;
13
•
Indicar medidas de proteção – esclarecidos o mecanismo e a avaliação
econômica, pode-se indicar a proteção não só eficiente, mas também de
adequada relação custo benefício (GENTIL, 2007).
2.2 Mecanismos básicos de corrosão
De acordo com o meio corrosivo e o material, podem ser apresentados
diferentes mecanismos para os processos corrosivos:
•
Mecanismos Eletroquímicos:
Segundo Gentil (2007), pode-se considerar que ocorrem no mecanismo
eletroquímico reações químicas que envolvem transferência de carga ou elétrons
através de uma interface ou eletrólito: São os casos de corrosão observados em
materiais metálicos quando em presença de eletrólitos, podendo o eletrólito estar
solubilizado em água ou fundido.
- corrosão em água ou em soluções aquosas;
- corrosão atmosférica;
- corrosão no solo;
- corrosão em sais fundidos
•
Mecanismos Químicos:
Segundo Gentil (2007), no mecanismo químico, há reações químicas diretas
entre o material metálico, ou não metálico, e o meio corrosivo, não havendo geração
de corrente elétrica, ao contrário do mecanismo anterior.
- corrosão de material metálico, em temperaturas elevadas, por gases ou
vapores e em ausência de umidade, chamada de corrosão seca;
- corrosão em solventes orgânicos isento de água;
- corrosão de materiais não metálicos
Os dois mecanismos atendem à conceituação apresentada para a corrosão
no sentido de que ocorre uma ação química ou eletroquímica do meio ambiente
sobre o material metálico ou não- metálico.
14
a
quase
totalidade
das
ocorrências
de
corrosão
envolve
reações
eletroquímicas CBCA (2008). A seguir, será detalhado o mecanismo desse tipo
particular de reação.
Os fenômenos de corrosão de metais envolvem uma grande variedade de
mecanismos que, no entanto, podem ser reunidos em quatro grupos, a saber:
•
Corrosão em meios aquosos (90%);
•
Oxidação e corrosão quente (8%);
•
Corrosão em meios orgânicos (1,8%);
•
Corrosão por metais líquidos (0,2%);
Entre os parênteses está indicada, de forma estimada, a incidência de cada
um dos tipos de corrosão. Nota-se que, de longe, a corrosão em meios aquosos é a
mais comum, e isto é esperado, uma vez que, a maioria dos fenômenos de corrosão
ocorre no meio ambiente, no qual a água é o principal solvente. A própria corrosão
atmosférica, que é a de maior incidência, ocorre através da condensação da
umidade na superfície do metal.
Atualmente, aceita-se que os dois primeiros grupos são caracterizados por
processos essencialmente eletroquímicos. Já a natureza dos processos que ocorrem
nos dois últimos grupos não podem ser precisada, uma vez que os seus
mecanismos ainda não foram devidamente estabelecidos.
Para caracterização e melhor compreensão da localização das áreas anódicas
e catódicas no processo de corrosão ocasionada por correntes de fuga, o fenômeno
pode ser visto no modelo abaixo conforme figura 1.
15
Figura 1 – Mecanismo eletroquímico de corrosão
Fonte:http://cbca-ibs.org.br
dois eletrodos de materiais diferentes são imersos em um eletrólito e são
eletricamente ligados entre si. Nestas condições, as reações serão:
No cátodo: O 2 +4e-+2H 2 O→4OHNo ânodo: 2Fe→2Fe+++4eAssim sendo, no ânodo ocorre uma reação de oxidação (corrosão do
material) e no cátodo, uma reação de redução.
Para que a célula galvânica ocorra, é necessário que os materiais do anodo e
catodo sejam diferentes, ou melhor, apresentem potenciais de oxidação (tensão
gerada por cada em relação a um eletrodo neutro de referência) diferentes. A tabela
abaixo dá os valores práticos de potenciais de vários metais, em solos e água,
medidos em relação a um eletrodo de referencia. Quanto mais negativo o potencial,
mais anódico será a sua condição, ou seja, mais sujeito à corrosão GENTIL (2007).
16
Material
Pot (volts)
Magnésio comercialmente puro
- 1,75
Liga de Mg (6% Al, 3% Zn, 0,15% Mn)
- 1,60
Zinco
- 1,10
Liga de alumínio (5% Zn)
- 1,05
Alumínio comercialmente puro
- 0,80
Aço estrutural (limpo e brilhante)
- 0,50 / - 0,80
Aço estrutural (enferrujado)
- 0,40 / - 0,55
Ferro fundido branco, chumbo
- 0,50
Aço estrutural no concreto
- 0,20
Cobre, latão, bronze
- 0,20
Tabela 1 - Valores Práticos de Potenciais de Vários Materiais
Fonte : htp//www.biomania.com.br
Segundo Gentil (2007) na prática, a corrosão acontece devido às diferenças
de materiais existentes como soldas, conexões ou simplesmente diferenças
superficiais no mesmo metal. O eletrólito pode ser água contida no solo ou em
contato direto.
Algumas construções práticas podem agravar o problema da corrosão.
Exemplo: Se uma tubulação subterrânea de cobre é assentada junto a uma
de aço e se houver, de alguma forma, um contato elétrico entre ambas, haverá a
formação de uma extensa célula galvânica que aumentará bastante a corrosão no
aço.
Na região onde a corrente elétrica abandona a estrutura ou entra no eletrólito,
tem-se área anódica e a reação para um metal “M” qualquer é:
M
Mn+ + ne
17
2.3 Meios corrosivos
Atmosfera.
A ação corrosiva da atmosfera depende fundamentalmente dos fatores:
•
Umidade relativa;
•
Substâncias poluentes (particulados e gases);
•
Tempo de permanência do filme de eletrólito na superfície metálica;
•
Temperatura;
Alem destes fatores devem ser considerados os fatores climáticos, como:
intensidade e direção dos ventos, variações climáticas de temperatura e umidade,
chuvas e insolação (radiação ultravioletas).
Shreir, classifica a corrosão atmosférica, em função do grau de umidade na
superfície metálica, em seca, úmida e molhada.
A corrosão atmosférica seca ocorre em atmosfera isenta de umidade, sem
qualquer presença de filme de eletrólito na superfície metálica. Tem-se uma lenta
oxidação do metal com formação do produto de corrosão, podendo o mecanismo ser
considerado puramente químico.
A corrosão atmosférica úmida ocorre em atmosferas com umidade relativa
menor que 100%. Tem-se um fino filme de eletrólito, depositado na superfície
metálica, e a velocidade do processo corrosivo depende da umidade relativa,
poluentes atmosféricos e higroscopicidade dos produtos de corrosão.
Na corrosão atmosférica molhada, a umidade relativa está perto de 100% e
ocorre condensação na superfície metálica, observando-se que a superfície fica
molhada com eletrólito (GENTIL, 2007).
Umidade relativa.
A influência da umidade na ação corrosiva da atmosfera é acentuada, pois
sabe-se que o ferro em atmosfera de baixa umidade relativa praticamente não sofre
corrosão: em umidade relativa em torno de 60% o processo corrosivo é lento, mais
acima de 70% ele é acelerado. A umidade relativa pode ser expressa pela relação
entre o teor de vapor d’água encontrado no ar e o teor máximo que pode existir no
18
mesmo, nas condições consideradas, ou então pela relação entre pressão parcial de
vapor d’água no ar e a pressão de vapor d’água saturado, na mesma temperatura;
ele é expressa em porcentagem (GENTIL, 2007).
Substâncias poluentes.
As partículas sólidas, sob a forma de poeiras, existem na atmosfera e a
tornam mais corrosiva, porque pode-se verificar:
Deposição de material não-metálico como sílica, SiO 2 , que, embora não
atacando diretamente o material metálico, cria condições de aeração diferencial,
ocorrendo corrosão localizada embaixo do depósito (as partes sujeitas à poeira são
as atacadas em peças estocadas sem nenhuma proteção);
Deposição de substâncias que retêm umidade, isto é, são higroscópicas ou
deliqüescentes,
acelerando o processo corrosivo, pois aumentam o tempo de permanência da água
na superfície metálica.
Deposição de material metálico – se o material metálico depositado for de
natureza química diferente daquele da superfície em que estiver depositado, poderá
ocorrer formação de pilhas de eletrodos metálicos diferentes, com a conseqüente
corrosão galvânica do material mais ativo;
Deposição de partículas sólidas que, embora inertes para o material metálico,
pode reter sobre a superfície metálica gases corrosivos existentes na atmosfera,
caso de partículas de carvão que, devido ao seu grande poder de adsorção, retiram
gases de atmosferas industriais, os quais, com a umidade, formam substâncias
corrosivas (GENTIL 2007).
Além dos gases constituintes da atmosfera, principalmente oxigênio e
nitrogênio, são freqüentemente encontrados monóxidos de carbono, CO; dióxido de
carbono, CO 2 ; ozônio, O 3 ; dióxido de enxofre, SO 2 ; trióxido de enxofre, SO 3 ;
monóxido de nitrogênio, NO; dióxido de nitrogênio, NO 2 ; e, em áreas mais
localizadas, gás sulfídrico, H 2 S; amônia, NH 3 ; cloreto de hidrogênio, H 2 F 2 ; e
cloro,Cl 2 .
O gás carbônico, ou dióxido de carbono, juntamente com o monóxido de
carbono, são normalmente originados da queima de combustíveis, como os
hidrocarbonetos
(gasolina,
óleo) e
carvão.
Em
temperaturas
normalmente
19
encontradas em atmosferas ambientais, eles não costumam ser corrosivos para os
matérias metálicos, embora o gás carbônico forme com água o ácido carbônico,
H 2 CO 3 , que é um ácido fraco.
O dióxido de enxofre, SO 2 , e trioxido de enxofre, SO 3 , são os mais freqüentes
contituintes corrosivos de atmosferas industriais, em razão de as industrias usarem
óleos combustíveis contendo geralmente 3 a 4% de enxofre. Esses gases formam,
com a umidade presente no ar, respectivamente, ácido sulfuroso e ácido sulfúrico.
Esses gases podem ser originados também da queima de gasolina, de gases
residuais de refinarias e de carvão contendo enxofre.
Os dióxidos de nitrogênio, NO e NO 2 , cuja a principal origem é a exaustão de
veículos automotivos, podem ainda resultar da combinação de nitrogênio e oxigênio
atmosféricos, por meio de descargas elétricas.
O gás sulfídrico, H 2 S, nas atmosferas próximas ás refinarias de petróleo,
mangues e pântanos, é o gás responsável pelo escurecimento do cobre, ou de suas
ligas, pois há formação de sulfeto de cobre preto, CuS; aparecimento de coloração
amarela, em materiais com revestimento de cádmio, devido à formação de sulfeto de
cádmio, CdS; decomposição de revestimentos com tintas à base de zarcão, oxido de
chumbo, Pb 3 O 4 , que ficam pretas devido à formação de sulfetos de chumbo, PbS
(GENTIL, 2007).
O tempo de permanência do filme de eletrólito na superfície metálica, quanto
menor o tempo, menor a ação corrosiva da atmosfera.
A temperatura se for elevada, irá diminuir a possibilidade de condensação de
vapor d’água na superfície metálica e a adsorção de gases, minimizando a
possibilidade de corrosão;
Os ventos podem arrastar, para as superfícies metálicas agentes poluentes e
nevoa salina, aumentando a possibilidade de corrosão.
O solo como meio corrosivo deve ser considerado de grande importância,
levando-se em consideração as grandes extensões de estruturas enterradas como:
gasodutos, adutoras, tanques enterrados armazenando combustíveis e etc.
A velocidade de corrosão no solo não é muito influenciada por pequenas
variações na composição ou estrutura do material metálico, sendo mais influente a
natureza do solo. Essa natureza pode ser influenciada por diversas variáveis como:
20
Presença de água, presença de sais solúveis, presença de gases, acidez, pH,
resistividade elétrica e etc (GENTIL, 2007).
2.4 Definições de corrosão
A corrosão pode ser definida de diversas formas, seja como a deterioração
de um material por ação química ou eletroquímica do meio ambiente, aliada ou não
a tensões, ou ainda como sendo um processo natural resultante da inerente
tendência dos metais se reverterem para sua forma mais estável. A corrosão é um
processo espontâneo, pois está constantemente transformando os materiais
metálicos, fazendo com que os mesmos voltem ao seu estado inicial decompostos,
ou mais exatamente, em óxidos e sulfetos metálicos (GENTIL, 2007).
Podemos chegar a ponto de considerar a corrosão como o inverso do
processo metalúrgico que possibilitou a obtenção do metal da natureza, já que a
extração do metal a partir de seus minérios ou de outros compostos faz o caminho
inverso ao da corrosão, que tende a oxidar o metal tornando-o bem parecido ao
momento de sua obtenção sem tratamento da natureza (GENTIL 2007).
Figura.2 – Comportamento corrosivo processo metalúrgico.
Fonte: GENTIL, 2003
2.5 Formas de corrosão
A corrosão apresenta-se de diversas maneiras com características físicas e
químicas diferentes. A corrosão pode ocorrer sob diferentes formas, e o
conhecimento das mesmas é muito importante no estudo de um processo corrosivo.
A caracterização da forma de corrosão auxilia bastante no esclarecimento do
mecanismo e na aplicação das medidas adequadas de proteção, daí serem
21
apresentadas a seguir as características fundamentais das diferentes formas de
corrosão:
A corrosão pode ocorrer das seguintes formas:
•
uniforme;
•
por placas;
•
alveolar;
•
puntiformes ou por pites;
•
intergranular (ou intercristalina);
•
intragranular (ou transgranular ou transcristalina);
•
filiforme;
•
por esfoliação;
•
grafítica;
•
dezincificação;
•
empolamento pelo hidrogênio;
•
em torno do cordão de solda;
•
corrosão em frestas;
•
corrosão sob tensão;
•
corrosão galvânica;
22
2.5.1 Corrosão uniforme
A corrosão se processa em toda a extensão da superfície, ocorrendo perda
uniforme de espessura. É chamada, por alguns, de corrosão generalizada conforme
figura 3.
Figura 3 - Corrosão uniforme em uma chapa metálica.
Fonte: GENTIL (2003: Capítulo 5 CD)
2.5.2 Corrosão por placas
A corrosão se localiza em regiões da superfície metálica e não em toda sua
extensão, formando placas com escavações conforme figura 4.
Figura 4 - Trecho de chapa com corrosão em placas.
Fonte: GENTIL (2003: 43)
23
2.5.3 Corrosão puntiforme (por pite)
A corrosão se processa em pontos ou em pequenas áreas localizadas na
superfície metálica produzindo pites, que são cavidades que apresentam o fundo em
forma angulosa e profundidade geralmente menor que o seu diâmetro conforme
figuras 5 e 6.
Figura.5: Corrosão por Pite nas Proximidades do Cordão de Solda.
Fonte: GENTIL (2003: Capítulo 28)
Figura 6: Tubo de aço inoxidável AISI 304 com corrosão por pite.
Fonte: GENTIL (2003: Capítulo 28)
24
2.5.4 Corrosão filiforme
Ocorre em superfícies pintadas com um delgado filme de tinta orgânica de
aproximadamente 0,1 mm de espessura. Constituída de finos filamentos não
profundos e com direção variada. O interessante é que os filamentos não se cruzam,
já que se acredita que o produto de corrosão, em estado coloidal, apresente carga
positiva justificando a repulsão. Na figura 7 pode ser vista a aparência desse tipo de
corrosão numa superfície com uma película de tinta orgânica. Notam-se filamentos
entre os riscos que aparecem com ferrugem.
Figura 7: Corrosão filiforme em superfície com película de tinta.
Fonte: GENTIL (2003: Capítulo 28)
25
2.5.5 Corrosão Por Esfoliação
A corrosão se processa de forma paralela à superfície metálica, ocorrendo,
assim, a desintegração do material em forma de placas paralelas. Na figura 8 é
apresentada a corrosão por esfoliação em uma liga de alumínio.
Figura 8: Esfoliação em liga de alumínio.
Fonte: GENTIL (2003: Capítulo 28)
26
2.5.6 Corrosão grafítica
Neste tipo de corrosão o ferro oxida-se e expõe o carbono, que pode ser
determinado com um papel branco que fica manchado devido à presença de grafite.
Na figura 9 é apresentado um tubo de ferro fundido cinzento, que apresenta a grafite
sobre a superfície no local mais escuro.
Figura 9: Corrosão grafítica em tubo de ferro fundido cinzento.
Fonte: GENTIL (2003: Capítulo 28)
27
2.5.7 Corrosão por dezincificação
Ocorre em ligas de Cu-Zn (latões). É uma espécie de corrosão seletiva, já que
ocorre o ataque preferencial de zinco e ferro respectivamente, produzindo, por sua
vez, o aparecimento de manchas avermelhadas devido à exposição do cobre. Na
figura 10 é apresentado esse tipo de corrosão em um trecho de tubo de latão (70 %
de cobre e 30 % de zinco) com dezincificação: as áreas mais escuras são as
dezincificadas.
Figura 10 : Parte interna da válvula de latão
apresentando corrosão por dezincificação.
Fonte: GENTIL (2003: Capítulo 28)
28
2.5.8 Corrosão por empolamento pelo hidrogênio
Ocorre a invasão de hidrogênio atômico no material metálico e como tem
pequeno
volume
atômico
difundi-se
rapidamente
e,
em
regiões
com
descontinuidades, como inclusões e vazios ele irá se combinar com outro átomo de
hidrogênio produzindo hidrogênio molecular H 2 , que por possuir maior volume, irá
causar o empolamento do material.
Na figura 11 pode ser vista uma placa metálica com bolhas, provocadas pelo
empolamento por hidrogênio, onde, com a utilização de uma régua tem-se a real
dimensão deste tipo de corrosão.
Figura 11: Placa com empolamento por hidrogênio.
Fonte: GENTIL (2003: Capítulo 15 CD)
29
2.5.9 Corrosão em torno do cordão de solda
Após a solda de algum material, tem-se a formação de corrosão em torno da
solda e não propriamente sobre ela. Isto se deve ao fato do surgimento de regiões
onde há elétrons que ficaram sob uma certa tensão devido à solda. Ocorre a poucos
milímetros do local onde foi aplicada a solda e é mais comum em aços inox não
estabilizados ou com teores de carbono inferiores a 0,03 %. O processo se dá
intergranularmente. Nas figuras 12 e 13 são apresentados dois casos deste tipo de
corrosão. Na primeira, a corrosão é em torno do cordão de solda em um tubo de
aço.
Figura 12: Corrosão em tubulação
em área próxima à solda.
Fonte:GENTIL (2003: Capítulo 28)
Figura 13: Corrosão em componentes tubulares
nas proximidades de solda.
Fonte: GENTIL (2003: Capítulo 28)
30
2.5.10 Corrosão intercristalina
A corrosão se processa entre os grãos da rede cristalina do material metálico,
o qual perde suas propriedades mecânicas e pode fraturar quando solicitado por
esforços mecânicos, tendo-se então a corrosão sob tensão fraturante (CTF).
Na figura 14, abaixo, uma chapa de aço inoxidável austenítico, vista ao
microscópio apresenta corrosão intercristalina ou intergranular.
Figura 14: Corrosão intergranular ou intercristalina.
Fonte: GENTIL (2003: Capítulo 5 CD)
31
2.5.11 Corrosão galvânica
Quando dois materiais metálicos, com diferentes potenciais, estão em contato
em presença de um eletrólito, ocorre uma diferença de potencial e a conseqüente
transferência de elétrons. Tem-se então o tipo de corrosão chamado corrosão
galvânica.
O combate dessa reação se obtém pelo uso de materiais isolantes como a
borracha, pela aplicação de camadas protetoras (tintas, plásticos, etc.). No caso dos
instrumentais cirúrgicos, recomenda-se o uso de papel de grau cirúrgico ou campo
de tecido de algodão cru duplo. Outro sistema de medidas consiste na remoção do
eletrólito, sobretudo quando de natureza incidental (água de chuva ou de
condensação, acúmulos de agentes corrosivos, como por exemplo, os bactericidas e
detergentes utilizados na esterilização).
Na figura 15, tem-se o exemplo de corrosão galvânica resultante da fixação
de partes de aço inoxidável AISI 304 com fixadores de aço-carbono, que funcionam
como anodo neste sistema.
Figura 15: Corrosão galvânica em aço inoxidável AISI 304.
Fonte: GENTIL (2003: Capítulo 9 CD)
32
2.5.12 Corrosão em frestas
A corrosão em frestas é uma forma de corrosão localizada usualmente
associada às condições de estagnação de eletrólitos em micro-ambientes. Estes
ambientes restritos, onde há impedimento ou dificuldade à difusão de espécies
químicas, podem ocorrer em parafusos, porcas e arruelas, materiais de isolação,
depósitos superficiais, películas de tinta descoladas, rebites, etc. A corrosão por
frestas acontece devido às alterações da química localizada dentro da fresta
exemplo figura 16.
Figura 16: Corrosão por fresta em rosca
Fonte: GENTIL (2003: Página 42)
33
2.5.13 Corrosão transcristalina
A corrosão se processa nos grãos da rede cristalina do material metálico, o
qual, perdendo suas propriedades mecânicas, podendo fraturar à menor solicitação
mecânica conforme figura 17.
Figura 17: Corrosão transcristalina
Fonte: GENTIL (2003: Página 42)
34
2.5.14 Corrosão alveolar
A corrosão se processa na superfície metálica produzindo sulcos ou
escavações
semelhantes
a
alvéolos
apresentando
fundo
arredondado
e
profundidade geralmente menor que seu diâmetro conforme figura 18 abaixo.
Figura 18: Corrosão alveolar
Fonte: GENTIL (2003: Página 42)
2.6 CORROSÃO SOB TENSÃO
A corrosão sob tensão é caracterizada pela a solicitação de esforços em um
material na presença de um meio corrosivo, sendo que, nestas condições de
trabalho, as solicitações de esforços são menores em relação aos ensaios normais,
para que haja a fratura do material.
Uma característica importante da corrosão sob tensão é que não se observa
praticamente perda de massa do material até sua fratura e o tempo de corrosão do
material depende dos seguintes fatores:
•
Tensão
•
Concentração ou natureza do meio corrosivo
35
•
Temperatura
•
Estrutura da composição do material.
2.6.1 Mecanismos de Propagação da Corrosão Sob Tensão
São criados mecanismos para se estudar e observar melhor as trincas e as
fraturas decorrentes dos ensaios de tensão em meios corrosivos. GALVELE citado
por GENTIL (2003) desenvolveu um mecanismo para explicar a corrosão sob tensão
fraturante, onde envolve a etapa de nucleação e propagação de trinca; a nucleação
da trinca caracteriza-se pela formação de pites e discordâncias na camada protetora
do metal, isto é, na superfície do metal; enquanto que a propagação da trinca pode
ser intergranular e intragranular.
2.6.2 Fratura intergranular
A corrosão ocorre geralmente nos contornos dos grãos, devido ao acúmulo de
discordâncias e átomos de impurezas. A velocidade de penetração em trincas
intergranular, sob a ação de tensões, é maior em diversas áreas de grandeza do que
a penetração por ação puramente química.
2.6.3 Fratura intragranular
Apresenta como característica o fato de, em presença de tensões, haver uma
modificação qualitativa do processo de corrosão, isto é, resulta no aparecimento de
fratura que envolve um mecanismo de corrosão que não ocorre na ausência de
tensões. Esta característica é observada em ligas. Metais puros são aparentemente
imunes e, na grande maioria dos casos, a estrutura cristalina dos materiais
suscetíveis é cúbica de face centrada (c.f.c.), como latão, aços inoxidáveis
austeníticos e ligas de alumínio.
As variáveis do processo de propagação das tensões dependem do agente
corrosivo ou do nível de tensão aplicada no material, e de acordo com o tipo de
fratura, esta poderá ser inter ou intragranular.
36
2.6.4 Sistema: Material Metálico - Meio Corrosivo na Corrosão Sob Tensão
De acordo com GENTIL (2003) os sistemas mais comuns observados em
processos de corrosão sob tensão são os listados a seguir:
a) Aços-carbono: A fratura é, preponderantemente, intercristalina, em presença
de álcalis ou nitratos, produtos de destilação do carvão e amônia anidra. O
mecanismo de fratura inclui processos eletroquímicos, e a proteção catódica é
muitas vezes indicada como recurso para evitar a fratura.
b) Aços de alta resistência mecânica: São sujeitos a fraturas em uma variedade
de ambientes, principalmente aqueles contendo cloreto. Em determinadas
circunstancias, o ar úmido é suficiente para fraturar o metal. Fragilização por
hidrogênio
é
provavelmente
o
mecanismo
preponderante.
Camadas
protetoras diversas têm sido usadas com bom resultado.
c) Ligas de cobre em presença de amônia: Soluções amoniacais são os agentes
clássicos para a ruptura de ligas de cobre, principalmente latões. Outros
agentes são conhecidos, como citratos, fosfatos, nitritos, etc. A fratura em
geral é intercristalina, porém freqüentemente casos de trincas transcristalinas
foram observados.
d) Ligas de níquel: Soluções concentradas de hidróxido de sódio ou de potássio
em temperaturas elevadas (~300°C) e essses hidróxidos, NaOH ou de KOH
fundidos, atacam níquel ou suas ligas.
e) Ligas de alumínio: A corrosão é formada preferencialmente nos contornos dos
grãos, a fratura se dá de forma intercristalina, e é devido à forma de
precipitados formados durante o processo de endurecimento. Cuidados
especiais no tratamento térmico e escolha da estrutura cristalina adequada
diminuiria o risco da fratura.
f) Ligas de magnésio e titânio: Sofrem corrosão sob tensão numa variedade de
meios corrosivos, preponderando os que contêm cloretos, mas podendo
aparecer também apenas em ar úmido. A corrosão é do tipo intercristalina.
g) Aços inoxidáveis: Deve-se distinguir os aços ferríticos e martensíticos dos
austeníticos. Pois os austeníticos apresentam fratura transgranular em meios
clorídricos, enquanto nos primeiros a fratura é intercristalina e em muitos
37
casos relacionada com os primitivos contornos de grão de austenitas, e outra
causa importante é a fragilização do hidrogênio em ambos os aços.
3
AÇOS ESTRUTURAIS
3.1 Introdução
Entre os materiais de construção, como é de conhecimento geral, o aço tem
uma
posição
de
relevo:
combina
resistência
mecânica,
trabalhabilidade,
disponibilidade e baixo custo. Assim sendo, é fácil compreender a importância e a
extensão da aplicação dos aços em todos os campos da engenharia, nas estruturas,
quer as fixas, como edifícios, pontes e etc., quer as móveis, na indústria ferroviária,
automobilística, naval, aeronáutica etc.
Para a maioria das aplicações consideradas, a importância da resistência
macânica é, de certo modo, relativamente pequena, do mesmo modo que o fator
peso não é primordial. Assim sendo os aços – carbono comuns, simplesmente
laminados, sem quais quer tratamentos térmicos, são plenamente satisfatório e
constituem porcentagem considerável dentro do grupo de aços estruturais.
Em outras aplicações, entretanto, exige-se uma relação resistência/peso mais
satisfatória. É o caso da indústria de transporte onde o equipamento rodoviário
utilizado
- caminhões, ônibus, aviões, equipamentos ferroviário, equipamento
rodoviário, navios, etc. – devido às condições próprias do serviço, deve caracterizarse por peso relativamente baixo e alta resistência, por estar sujeito a esforços
severos e choques repentinos, além de resistência à corrosão adequada, visto que
nas secções mais leves, aperda de resistência por ação corrosiva, poderia ser fatal.
Nestas aplicações, os aços indicados são os de baixo teor em liga, conhecidos
também como “de alta resistência e baixo teor de liga” (CHIAVERINI 2002).
38
3.2 Classificação
O aço é um composto que consiste quase totalmente de ferro (98%), com
pequenas quantidades de carbono, silício, enxofre, fósforo, manganês etc. O
carbono é o material que exerce o maior efeito nas propriedades do aço. Suas
propriedades são bem definidas. Entre elas, podemos citar: a alta resistência
mecânica (comparada com qualquer material disponível) e a dutibilidade
(capacidade que o aço tem de se deformar antes da ruptura). Os aços utilizados em
estruturas são divididos em dois grupos: aços carbono e aços de baixa liga
(BELLEI 2000).
3.3 Aço – carbono
Os aços-carbono são os tipos mais usuais, nos quais o aumento de
resistência em relação ao ferro puro é produzido pelo carbono e, em menor escala,
pela adição de manganês. Em estruturas usuais de aço, utilizam-se aços com um
teor de carbono equivalente máximo de 0,45%, para se permitir uma boa
soldabilidade. O aumento do teor de carbono eleva a resistência e a dureza
(redução da dutibilidade); porém, o aço resulta mais quebradiço e sua soldabilidade
diminui consideravelmente. Entre os aços-carbono mais usados em estruturas,
podemos citar: o ASTM A36 e A570, e os ABNT NBR 7007, 6648, 6649, 6650, DIN
St37 (BELLEI 2000).
3.4 Aços de baixa liga
Os aços de baixa liga são os aços carbono acrescido de elementos de liga em
pequena quantidade, tais como: nióbio, cobre, manganês, silício, etc. Os elementos
de liga provocam um aumento de resistência do aço, através da modificação da
microestrutura para grãos finos. Graças a este fato, pode-se obter resistência
elevada com um teor de carbono da ordem de 0,20%, permitindo, ainda assim, uma
39
boa soldabilidade. Entre estes, podemos citar como mais usuais: o ASTM A572,
A441, os ABNT NBR 7007, 5000, 5004; DIN St52 etc.
Segundo BELLEI (2000) Com uma pequena variação na composição química
e com adição de alguns componentes, tais como vanádio, cromo, cobre, níquel,
alumínio, esses aços podem ter aumentada sua resistência à corrosão atmosférica
de duas a quatro vezes. São chamados aços de baixa liga e alta resistência
mecânica e resistência à corrosão atmosférica, sendo conhecidos também como
aços patináveis. Entre eles podemos citar: o ASTM A588, os ABNT NBR 5920, 5921,
5008. As usinas nacionais produzem estes aços com os seguintes nomes
comerciais:
COR 420, produzido pela CSN
SAC, produzido pela Usiminas
COS-AR-COR, produzido pela Cosipa
Segundo CHIAVERINI (2002) a tendência moderna no sentido de utilizar
estruturas cada vez maiores, tem levado os engenheiros, projetistas e construtores a
considerar o emprego de aços cada vez mais resistentes, para evitar o uso de
estruturas cada vez mais pesadas. Tais considerações não se aplicam somente ao
caso de estruturas fixas, como edifícios ou pontes, mas igualmente e principalmente
em estruturas móveis, no setor de transportes, onde o maior interesse se concentra
na redução do peso-morto da estrutura. Em resumo, tais aços são de grande
utilidade toda vez que se deseja:
1. Aumentar a resistência mecânica, permitindo um acréscimo da carga
unitária da estrutura ou tornando possível uma diminuição proporcional da
seção, ou seja, o emprego de seções mais leves;
2. Melhorar a resistência a corrosão atmosférica. Este é um fator importante
a considerar, porque a utilização de seções mais finas pode significar vida
mais curta da estrutura, anão ser que a redução da seção seja
acompanhada por um aumento correspondente da resistência à corrosão
do material;
3. Melhora a resistência ao choque e o limite de fadiga;
4. Eleva a relação do limite de escoamento para o limite de resistência à
tração, sem perda apreciável da ductilidade
40
Os requisitos acima enumerados- maior resistência mecânica, melhor
resistência a corrosão atmosférica, mais elevada relação de resistência à tração
para limites de escoamento com adequadas trabalhabilidade e soldabilidade, são
obtidos nos chamados “aços de alta resistência e baixo teor em liga”.
Além do carbono, esses aços podem apresentar os seguintes elementos
de liga:
Si, até 0,90%
Mn, até 1,60%
Cu, até 1,25%
Cr, até 1,80%
Ni, até 5,25%
Mo, até 0,65%
Zr, até 0,12%
Al, até 0,20%
S, até 0,03%
Ti, até 0,05%
B, até 0,005%
Nb, até 0,10%
41
Tabela 2 Propriedades mecânicas, características especiais e empregos
de alguns aços ASTM de alta resistência e baixo teor em liga
Especificação
ASTM
Classe
ou
Tipo
A242
2
Limite de
resistência à
tração
2
kgf/mm
44, a 49,0
A572
45
42,0
Limite
de
Escoamentok
2
gf/mm
Alongamento em
50mm(%)
Característicos
Especiais
Empregos Usuais
29,4 a 35,0
21’
Resistência a
corrosão
atmosférica
quatro vezes
Superior à dos
aços-C.
Membros
estruturais
em
elementos
construtivos
soldados,
aparafusados ou
rebitados.
31,5
22
-
A572
A588
55
AaJ
49,0
44,1 a 49,0
38,5
29,4 a 35,0
20
21
A607
50
45,5
35,0
20 a 22
A607
A633
70
C
59,5
45,5 a 63,0
49,0
32,2 a 35,0
14
23
Fonte: Chiaverivi (1987: pag. 202)
Idêntico à do
A242-2
Resistênte
à
corrosão
atmosférica
duas
vezes
sup. à dos
aços-C,
mas
só quando há
cobre.
Idem
Resistênte ao
choque
melhorada.
Estruturas
soldadas,aparafusadas ou rebitadas,
principalmente de
pontes e edifícios.
Idem
Idem
Fins estruturais e
miscelâneos,
quando redução
de peso ou maior
durabilidade são
importantes.
Idem
Estruturas
soldadas,
aparafusadas ou
rebitadas,
para
serviço
em
temperaturas
baixas, até-45°C
42
3.5 Fatores que afetam as propriedades mecânicas do aço
Os principais fatores que afetam os valores medidos das propriedades
mecânicas são a composição química, o histórico termomecânico do material, a
geometria, temperatura, estado de tensões e velocidade de deformação da
estrutura.
3.5.1 Influencia da composição química nas propriedades dos aços
Segundo CHIAVERINI (2002) a composição química determina muito das
características dos aços, importantes para aplicações estruturais. Alguns dos
elementos químicos presentes nos aços comerciais são conseqüência dos métodos
de obtenção. Outros são adicionados deliberadamente, para atingir objetivos
específicos. A composição química de cada tipo de aço é fornecida pelas normas
correspondentes, em duas situações: composição do aço na panela e composição
do produto acabado (lingotado); geralmente, a composição varia um pouco de uma
situação para outra.
A influência de cada de cada um dos elementos químicos, encontrados mais
comumente nos aços, é descrita resumidamente a seguir. Deve-se levar em conta,
entretanto, que os efeitos de dois ou mais elementos, usados simultaneamente,
podem diferir dos efeitos correspondentes a cada elemento isolado.
Carbono – É o principal responsável pelo aumento da resistência mecânica e
pela queda da ductilidade, trabalhabilidade, resistência ao choque e soldabilidade.
Pelos seus efeitos negativos, é mantido baixo.
Manganês – Atua como o carbono, embora em escala menor. Elemento
fortalecedor da ferrita, porque nela se dissolve e ainda contribui para aumentar a
endurecibilidade, em aços endurecíveis. Geralmente, nos aços-liga de alta
resistência para estruturas, o manganês aparece em teores mais elevados do que
nos aços-carbono estruturais, devido justamente ao fato de ter seu efeito sobre a
resistência mecânica menos acentuado do que o carbono e também porque, nos
aços estruturais com baixo teor em elementos de liga, o carbono é preferivelmente
mantido baixo. Quando, nesses aços, o manganês é introduzido em teores acima de
43
1%, não há necessidade de adicionar outros elementos de liga com o objetivo de
melhorar a resistência mecânica. O Mn por si só possibilita essa melhora, ficando
então os outros elementos de liga, quando também introduzidos, geralmente com a
finalidade de controlar o tamanho de grão do aço.
Fósforo – Aumenta a resistência mecânica, mas prejudica a ductibilidade do
aço, produzindo a chamada “fragilidade a frio” sobre tudo quando o carbono é alto.
Como nos aços estruturais o carbono é mantido preferivelmente abaixo, o perigo da
fragilidade é muito acentuado e, nessas condições, o fósforo em quantidades acima
do teor considerado normal, isto é, até 0,12%, beneficia o aço no que diz respeito a
sua resistência mecânica, alem de contribuir para melhorar a sua resistência a
corrosão atmosférica, sobre tudo quando o cobre também está presente em
pequenas quantidades. Do mesmo modo que o carbono e o manganês, o fósforo
também melhora o limite de fadiga dos aços, aproximadamente na mesma
proporção que o aumento da resistência.
Silicio – Aumenta a resistência mecânica e a resistência a oxidação a
temperaturas elevadas. Nos aços em consideração, entretanto, é geralmente
mantido abaixo, adicionado nas quantidades suficientes para acalmar os aços.
Cobre – Seu principal efeito é melhorar a resistência a corrosão atmosférica
da aço; a presença de 0,25% de cobre já é suficiente para aumentar a resistência a
corrosão atmosférica duas vezes em relação ao aço-carbono sem cobre. Tal efeito é
mais acentuado pelo aumento simultâneo do teor de fósforo. O cobre exerce ainda
considerável
influência
na
resistência
mecânica
do
aço,
aumentando-a
apreciavelmente, com somente ligeiro decréscimo da ductilidade. Para isso é
preciso, contudo, que seu teor supere 0,60%. Nesses aços com cobre relativamente
alto, acima de 1,0% e mais acentuadamente na faixa entre 1,20% e 1,50%, e baixo
carbono, ocorre o fenômeno de “endurecimento por precipitação”.
De fato, aços ao cobre, cerca de 0,30% de cobre podem se dissolver na
ferrita
à temperatura ambiente, formando uma solução sólida, desde que haja
ocorrido resfriamento lento; o excesso de cobre, por sua vez, pode ser precipitado
da solução. Assim, se um aço com teor de cobre superior a 0,70%, depois de
resfriado lentamente, é reaquecido a temperaturas variando de 510°C a 605°C
durante uma a quatro horas e em seguida resfriado, precipitam-se diminutas
partículas de cobre de cobre, as quais em borá moles, tendem a evitar deslisamento
44
dos cristais, dificultando a deformação plástica e, em conseqüência, elevando os
limites de escoamento e resistência à tração.
Um característico importante dos aços com cerca de 1,0% de cobre consiste
no fato da solubilidade desse metal ser garantida com a velocidade de resfriamento
tão baixa que mesmo com secções pesadas, como por exemplo com 15 cm de
espessura, o centro esta tão apto quanto a superfície a adquirir resistência pelo
reaquecimento. Nessas condições, pode-se aumentar a resistência de peças de
consideráveis dimensões, uniformemente da superfície ao centro, de ate 15
Kgf/mm2.
Convêm lembrar, entretanto, que qualquer reaquecimento posterior, como o
provocado pela soldagem, anula o efeito dessa precipitação na zona de
aquecimento, de modo que esse fato deve ser sempre lembrado no emprego dos
aços estruturais com o cobre.
Cromo – Em teores baixos aumenta a resistência, o limite elástico, a
tenacidade e resistência ao choque do aço. Em teores mais elevados, aumenta a
resistência ao desgaste, por formar carbetos duros. Geralmente é associado ao
níquel e ao cobre, quando também melhora a resistência à corrosão atmosférica.
Níquel – A introdução do níquel beneficia o aço no sentido de melhora das
suas propriedades mecânicas, da resistência a corrosão, além de refinar a
granulação. Sob o ponto de vista de resistência à corrosão atmosférica, o níquel é
quase tão benéfico quanto o cobre, sem os inconvenientes deste que tende a
concentrar-se na superfície do aço, de baixo da casca de óxido que se forma
durante o seu aquecimento em atmosfera oxidante.
De fato, quando o aço está sendo aquecido para a laminação, a uma
temperatura que é geralmente superior à de fusão do cobre, se este metal estiver
presente e concentrado na superfície do aço, pode fundir e penetrar nos seus
contornos de grão, causando fissuras por ocasião do trabalho mecânico. Tal
fenômeno limita as adições de cobre a 0,40% a 0,50%, a não ser que se tomem
cuidados especiais no aquecimento, e que um teor de cobre mais elevado seja
acompanhado pela introdução de níquel, em quantidade de pelo menos um terço da
do cobre. O níquel liga-se ao cobre e a liga formada é de ponto de fusão mais alto,
mantendo-se solida durante o aquecimento do aço para a laminação, evitando-se
assim sua penetração por entre os contornos dos grãos.
45
Zircônio - É eventualmente adicionado para desoxidar, atuando igualmente no
sentido de garantir granulação fina.
Alumínio – Utilizado para desoxidar e refinar o grão. De todos os elementos
de liga, é considerado o mais eficiente para controlar o crescimento de grão.
Vanádio – Aumenta a resistência dos aços considerados, porque atua em
dois sentidos: Fortalece a ferrita por endurecimento por precipitação e refina a sua
granulação. O endurecimento mencionado deve-se à precipitação de carboneto e de
nitreto de vanádio na ferrita.
Nitrogênio – Até cerca de 0,2% atua, de modo econômico, para melhorar a
resistência mecânica. Junto com o vanádio promove o endurecimento por
precipitação, acima mencionado.
Nióbio – Pequenos teores de nióbio elevam o limite de escoamento do aço e,
em menor proporção, o limite de resistência à tração. Com 0,02% de nióbio, esse
incremento do limite de escoamento pode ser de ordem de 7 a 10,5 kgf/mm2
Enxofre – Que entra no processo de obtenção, pode causar retração a
quente, como resultado de inclusões de sulfito de ferro, as quais se enfraquecem e
podem romper quando aquecidas. As inclusões podem também conduzir à ruptura
frágil, pois funciona como pontos de concentração de tensões, a partir dos quais a
ruptura pode começar. Teores elevados de enxofre podem causar porosidade e
fissuração a quente durante a soldagem. Normalmente, é desejável manter o teor de
enxofre abaixo de 0,05%
Hidrogênio – Que pode ser absorvido durante as operações de refino, fragiliza
o aço, devendo ser eliminado por difusão, através de resfriamento lento após a
laminação, e estocado a temperaturas normais de interiores.
Oxigênio – Assim como o nitrogênio, pode causar envelhecimento. Reduz a
ductilidade e a tenacidade
Molibidênio – Aumenta o limite de escoamento, a resistência a abrasão e a
resistência à corrosão atmosférica. Melhora a soldabilidade. Tem efeito adverso na
tenacidade e na temperatura de transição . Assim como o cromo, melhora o
comportamento a temperaturas elevadas e aumenta a resistência à deformação
lenta.
Titânio – Aumenta o limite de resistência, a resistência à abrasão e a
resistência à deformação lenta. É muito importante quando se deseja evitar o
46
envelhecimento. Algumas vezes é usado como desoxidante e inibidor de
crescimento do grão.
Tungstênio – Aumenta o limite de resistência, a resistência à abrasão e a
resistência à deformação lenta. É usado em aço para trabalho a temperatura
elevadas.
3.5.2 Histórico Termomecânico
O histórico termomecânico do aço inclui a carga de deformação no laminador
(que leva à redução da seção), velocidade de resfriamento e da temperatura de
acabamento do processo de laminação a quente. Estas variáveis influenciam
profundamente as propriedades mecânicas do aço.
47
4 AÇOS PATINÁVEIS
Os aços patináveis foram assim denominados devido à tonalidade castanha
dos seus produtos de corrosão desenvolvidos principalmente em ambientes
industriais, a pátina.
A origem da palavra pátina é proveniente do século XVll e em sua forma
italiana primitiva “patena” aplicava-se à película de tonalidade amarelo escuro que se
observa sobre quadros clássicos e também à película de coloração característica
que recobre os objetos e esculturas de bronze expostas á ação ambiental (GIONGO
1993).
Segundo PANNONI E WOLINEC (1989) Todos os aços contem pequenas
quantidades de elementos de liga, tais como carbono, manganês, silício, fósforo e
enxofre, seja porque estes integravam as matérias-primas (minérios e coque) com
que foram fabricados, seja porque lhes foram deliberadamente adicionados, para
lhes conferirem determinadas propriedades. De modo geral, as adições são
pequenas, de no máximo 0,5 a 0,7% da massa total do metal, proporção em que tais
elementos não tem qualquer efeito apreciável sobre a resistência deste à corrosão
atmosférica. As pequenas variações de composição que inevitavelmente ocorrem
durante o processo de fabricação do metal tampouco afetam significativamente suas
características.
Entretanto, existem exceções. Sabe-se há mais de 80 anos, por exemplo, que a
adição de pequenas quantidades de cobre, fósforo e outros elementos tem um efeito
benéfico sobre os aços, reduzindo a velocidade em que são corroídos, quando
expostos ao ar.
Teor de cobre
No aço carbono comum
No aço patinável
< 0,01 %
0,2 a 0,5 %
Tabela 3 Teor de cobre entre aço comum e aço patinável
Fonte: O autor
48
Mas o grande estímulo ao emprego de aços enriquecidos com esses
elementos – chamados aços de baixa liga- foi dada pela companhia norte –
americana United States Steel Corporation que, no inicio da década de 1930,
desenvolveu um aço cujo nome comercial era Cor-Ten.
O aço Cor-Ten foi desenvolvido originalmente para indústria ferroviária, e sua
grande virtude aparente era permitir a construção de vagões mais leves. A
propriedade de resistir à corrosão foi alcançada por casualidade, embora desde o
fim do século XlX já se conhecessem as influencias benéficas do cobre e do fósforo.
Em 1958, o arquiteto norte americano Eero Saarinen utilizou-o na construção
do edifício administrativo da Deere & Compani, em Moline, no estado de Ilinois. O
aço foi deixado aparente nessa obra, tendo o arquiteto considerado que a ferrugem
que sobre ele se formava constituía por si mesma um revestimento não só aceitável,
como atraente. Apartir daí, os aços patináveis foram utilizados com sucesso em
inúmeras obras de arquitetura. Os engenheiros seguiram os passos dos arquitetos e
as aplicações dos aços de alta resistência e baixa liga resistentes à corrosão
atmosférica foram se expandindo.
Desde o lançamento do Cor-Ten ate os nossos dias, desenvolveram-se
outros aços com comportamentos semelhantes, que constituem a família dos aços
conhecidos como patináveis. Enquadrados em diversas normas, dentre as quais as
norte-americanas ASTM A242, A-588, A606 e A-709, que especificam limites de
composição química e propriedades mecânicas, estes aços tem sido utilizados no
mundo todo na construção de edifícios de múltiplos andares, pontes, viadutos,
passarelas, torres de transmissão, edifícios industriais, telhas, etc.
Sua grande vantagem, além de dispensarem a pintura em certos ambientes, e
possuírem uma resistência mecânica maior que a dos aços estruturais comuns. Em
ambientes extremamente agressivos, como regiões que apresentam grande poluição
por dióxido de enxofre ou aquelas próximas da orla marítima, a pintura lhes confere
uma proteção superior aquela conferida os aços comuns.
No Brasil, aços desse tipo encontram também grande aceitação entre os
arquitetos. Alem de inúmeras pontes e viadutos espalhados por todo o país.
49
4.1 Marcas comerciais e especificações
Marcas comerciais mais conhecidas no Brasil: COR-TEN (US Steel), COS AR
COR 400 ou 500 (COSIPA), USI-SAC 41 ou 50 (USIMINAS), NIO-COR ou CSNCOR 420 (CSN).
Origem da marcas:
NIO-COR da CSN tem o nome devido ao teor de 0,02% a 0,03% de nióbio,
além de pequenas quantidades de cromo e do cobre. {NIObio, aço resistente à
CORrosão}
COS AR COR da COSIPA {COSIPA, aço de Alta Resistência à CORrosão}
USI-SAC da USIMINAS {USIMINAS } aço Soldável AntiCorrosivo
(FONTE CBCA)
50
Designação
C
Máx.
Br
máx
P
máx
COMPOSIÇÃO QUÍMICA
S
Si
Cu
Ni
máx máx
COS-AR-COR
0,16
COS-AR-COR
Laminado a
0,16
quente
COS-AR-COR
Laminado à frio 0,14
1,20
0,030
0,015 0,50
0,20-0,50
0,40-0,70
1,20
0,030
0,015 0,50
0,20-0,50
0,40-0,70
1,20
0,030
0,015 0,20
0,20-0,50
0,40-0,70
Outros
Nb, V, Ti = < 0,15
(isolado ou
combinado)
Nb, V, Ti = < 0,15
(isolado ou
combinado)
Nb, V, Ti = < 0,15
(isolado ou
combinado)
Cr = 0,40-0,65
USI SAC 41
Chapa grossa
0,18
1,30
0,030
0,030 0,35
0,20-0,50
------------
USI SAC 50
Chapa grossa
0,18
1,40
0,030
0,030 0,15
0,20-0,50
------------
USI SAC 60
Chapa grossa
0,19
1,40
0,035
0,035 0,15
0,20-0,50
------------
0,18
1,30
0,030
0,030 0,35
0,20-0,50
------------
Cr = 0,40 – 0,65
0,030
0,150,030 0,50
------------
Cr = 0,40-0,65
Ti = <0,150
USI SAC 41
Laminado a
quente
USI SAC 50
Laminado a
quente
USI SAC 60
Laminado a
quente
0,18
1,40
0,20-0,50
Cr = 0,40-0,65
Ti = <0,150
Cr = 0,40-0,65
Ti = <0,150
V = <0,100
Nb = <0,060
0,19
1,40
0,035
0,150,035 0,65
0,20-0,50
------------
USI SAC 41
Laminado a frio 0,18
1,20
0,035
0,035 0,035 0,20-0,50
------------
Cr = 0,40-0,65
0,030
0,150,030 0,55
------------
Cr = 0,40-0,65
Ti = <0,150
USI SAC 50
0,18
1,40
0,20-0,50
Cr = 0,40-0,65
Ti = <0,150
V = <0,010
Nb = <0,60
TABELA 4 – Composição Química de Alguns dos Aços Patináveis Comercializados no Brasil.
Fonte CBCA
51
Os aços carbono e aços patináveis diferem pela morfologia dos seus produtos
de corrosão. Os aços carbono em contato com o ambiente produz uma camada de
ferrugem porosa, onde as partículas de oxido soltam-se facilmente do substrato, o
que facilita o ingresso de oxigênio e água, perpetuando o processo corrosivo. No
aço patinável a ferrugem desenvolve-se em duas camadas: uma externa semelhante
à do aço carbono e uma interna que é densa e compacta, conferindo ao metal maior
resistência à ação corrosiva do meio exposto.
Com o decorrer do tempo de exposição, os produtos solúveis ou não
aderentes da camada de oxidação do aço patinável são eliminados por precipitações
atmosféricas posteriores. A velocidade de corrosão diminui a medida que a barreira
se consolida até atingir um valor estacionário, caracterizado pela presença de uma
camada de óxidos compacta, já que cada um dos consecutivos períodos de
umidificação conduz a uma diminuição da quantidade dos produtos de corrosão
pouco aderentes. A estabilização da taxa de corrosão é conseguida em
aproximadamente 3 anos (GIONGO 1993).
Os aços aclimáveis são aços com pequenas adições de elementos de liga,
quais sejam: cobre, cromo, níquel, fósforo, silício e manganês. Alguns destes
elementos podem estar presentes no aço como impurezas. Estes elementos de liga
modificam as propriedades tanto mecânicas como as de resistência à corrosão
atmosférica.
Em condições de molhamento contínuo ou imersão total o efeito benéfico da
adição dos elementos de liga não se faz sentir de modo que não se justifica a
utilização de aços patináveis nestas condições, quando o único requisito para esta
escolha é a resistência à corrosão.
4.2 Efeito dos elementos de liga sob o ponto de vista de resistência a corrosão
A seguir é apresentado, suscintamente, o efeito de cada um dos elementos
de liga sob o ponto de vista de resistência a corrosão:
COBRE
A adição de quantidades variando normalmente entre 0,2% e 0,5% de cobre
tem como conseqüência o aumento significativo da resistência à corrosão
atmosférica, especialmente quando o aço tem enxofre como impureza.
52
A adição de 0,01% a 0,04% de cobre pode determinar uma diminuição de até
70% da taxa de corrosão quando comparada ao aço carbono. O efeito de adição de
quantidades maiores (entre 0,2% e 0,5%) é ainda sentida porém com menor
intensidade ( veja gráfico 1). Várias teorias são apresentadas na literatura na
tentativa de elucidar os mecanismos da ação do cobre. De acordo com uma das
teorias os íons de cobre dissolvidos pela ação da atmosfera são capazes de reagir
com íons sulfeto originados tanto pelas inclusões de sulfetos presentes no aço como
daqueles provenientes de atmosferas contaminadas com gás sulfídrico, eliminando o
seu efeito prejudicial. Outra teoria afirma que o efeito benéfico do cobre é devido á
formação de um revestimento de cobre sobre o aço, conseqüente da redeposição
dos íons de cobre dissolvidos, o que determina o aumento do potencial de corrosão
do sistema aço/meio acarretando a passivação do metal. Acredita-se ainda que o
cobre forma sulfatos básicos de baixa solubilidade que selam poros da camada de
ferrugem formada sobre o aço tornando-a uma barreira protetora mais efetiva.
Teoria apresentada por Misawa e colaboradores afirma que na presença do cobre a
camada protetora formada sobre o aço é mais compacta e aderente e portanto mais
protetora.
Gráfico 1 – Efeito de pequenas adições de cobre na taxa de corrosão do aço carbono, exposto
durante 15,5 anos em atmosfera marinha, industrial.
Fonte: IPT (1991)
53
FÓSFORO
A adição de fósforo aos aços ligados ao cobre tem influência sensível na
resistência à corrosão destas ligas, causando uma diminuição significativa na sua
taxa de corrosão. A adição de 0,01% a 0,10% resulta numa diminuição de taxa de
corrosão em 20% a 30%. O gráfico 2 apresenta o efeito da adição de fósforo na taxa
de corrosão de aços ligados ao cobre em duas localidades diferentes.
Gráfico 2 – Efeito da adição de fósforo na taxa de corrosão de aços ligados ao cobre. Ensaios de 15,5
anos realizados em Kearney, Nova Jersey, U.S.A.
Fonte: IPT (1991)
54
O efeito benéfico do fósforo também é verificado quando da adição de cromo
e/ou níquel aos aços ligados ao cobre.
Segundo algumas teorias, o fósforo aumenta a resistência à corrosão dos
aços ao cobre devido à formação de fosfatos insolúveis capaz de selar os poros da
camada de ferrugem, à semelhança do que ocorre co os sulfatos básicos de cobre.
Outra teoria afirma que a presença de fósforo, em combinação com o cobre,
acarreta a formação de uma camada de ferrugem com características protetoras
mais efetivas do que aquela formada sobre os aços sem a adição destes elementos
de liga.
NÍQUEL
A adição de níquel ao aço carbono tem efeito semelhante ao do cobre no que
diz respeito no aumento à resistência à corrosão atmosférica. No entanto, é
necessária a adição de maiores quantidades de níquel para a obtenção do mesmo
efeito que o cobre. Assim, por exemplo, verifica-se que para se conseguir o mesmo
efeito da adição de 0,5% de cobre deve-se adicionar 1% de níquel.
Quanto maior o teor de níquel maior será o seu efeito benéfico,
principalmente em condições de longa exposição conforme é ilustrado na figura 3.
No entanto, a adição de altos teores aos aços aclimáveis não é desejável sob ponto
de vista econômico, de modo que este elemento é utilizado concomitantemente ao
cobre com adição de até 0,7%, visto que esta prática causa diminuição sensível da
taxa de corrosão dos aços ligados ao cobre, conforme ilustrado na figura 4. Além
disso, a adição de níquel a aços ligados ao cobre que contêm outros elementos tais
como silício, fósforo e cromo também ocasiona uma diminuição sensível na
resistência à corrosão atmosférica dos mesmos (gráfico 3).
A ação do níquel na resistência à corrosão dos aços aclimáveis parece estar
relacionada com a selagem dos poros da camada de ferrugem, pois este elemento
forma sulfatos básicos insolúveis que são incorporados nesta camada tornando-o
menos poroso e por tanto mais efetivo.
55
Gráfico 3 – Efeito da adição do níquel na resistência à corrosão dos aços ligados ao cobre. Ensaios
realizados em Kure Beach, Norte da Califórnia, U.S.A. , à 244m do oceano. Tempo de exposição
anos15 anos.
Fonte: IPT (1991)
56
Gráfico 4 – Efeito da adição de 1% de níquel na resistência à corrosão dos aços ligados ao cobre
sem e com adição de fósforo e cromo. Ensaio realizado em atmosfera industrial
de Kearney, New Jersey, U.S.A.
Fonte: IPT (1991)
Quando se adiciona cromo aos aços carbono, já se verifica uma melhora
sensível na resistência à corrosão deste metal. No entanto este efeito é muito mais
significativo se o aço contém no mínimo 0,1% de cobre, conforme é mostrado no
gráfico 5. Nos aços aclimáveis a adição de cromo em teores de até 1,25% determina
uma melhora sensível na sua resistência á corrosão. Para adições de teores mais
elevados este efeito é mais pronunciado, no entanto, esta prática não é adotada nos
aços aclimáveis por questões econômicas.
57
Quando o aço contém teores muito baixos de cobre (< 0,06%), a presença de
cromo em teores variando entre 0,6% a 1,3% é prejudicial conforme pode ser
verificado no gráfico 5.
A adição concomitante de fósforo e cromo aos aços ligados ao cobre
apresenta efeito significativo, ou seja, a taxa de corrosão do aço na presença
conjunta destes dois elementos é menor do que aquelas apresentadas quando se
adiciona os mesmos teores destes elementos separadamente, conforme pode ser
verificado no gráfico 5.
Em atmosferas marinhas, a adição de cromo aos aços ligados ao cobre com
alto teor de fósforo tem influência muito benéfica. Foi verificada que a adição de
1,2% de cromo aos aços com 0,4% de cobre com alto teor de fósforo reduziu a taxa
de corrosão em 60% em exposições de 15,5 anos em Kure Beach, Norte da
Califórnia, U.S.A., a 244m do oceano.
O efeito do cromo na resistência a corrosão dos aços aclimáveis é devido ao
seu enriquecimento na camada interna de produtos de corrosão. Juntamente com o
cobre e o fósforo, este elemento promove à formação de uma camada de produtos
de corrosão mais compacta e aderente e portanto mais protetora.
58
Gráfico 5 – Efeito da adição de cromo e/ou fósforo na taxa de corrosão de aços ligados
ao cobre. Ensaios de 15,5 anos de duração realizados em atmosfera industrial
em Kearny, Nova Jersey, U.S.A.
Fonte: IPT (1991)
MANGANÊS
Este elemento está normalmente presente nos aços. Para algumas ligas,
principalmente aquelas que contém enxofre, a presença de manganês tem efeito
benéfico, sendo este efeito maior nas atmosferas marinhas do que nas industriais. O
gráfico 6 mostra o efeito do manganês na taxa de corrosão dos aços ligados ao
cobre expostos durante 15,5 anos em Kure Beach, Norte da Califórnia a 244m do
oceano. Pode-se verificar que a adição de 0,5% de manganês causa uma redução
na taxa de corrosão de um aço aclimável (0,3% de cobre e baixo fósforo) de
59
aproximadamente 25% e a adição de 1% causa uma redução de aproximadamente
35%.
A quantidade de enxofre presente no aço, em relação ao manganês, afeta
significativamente o efeito benéfico do manganês. Se a razão entre o teor de
manganês e o de enxofre é maior que 4, os sulfetos no aço estão presentes na
forma de MnS que são menos prejudiciais do que o FeS. Se o teor de manganês é
insuficiente para combinar com o enxofre, forma também o FeS que sendo um bom
condutor constitui um excelente catodo, promovendo a corrosão localizada do aço.
Gráfico 6 – Efeito da adição do manganês na taxa de corrosão de um aço com 0,3%
de cobre com baixo teor de fósforo. Ensaios realizados em Kure Beach,
Norte da Califórnia, U.S.A., a 244m do oceano.
Fonte: IPT (1991)
60
SILÍCIO
Este elemento também normalmente está presente nos aços como impureza.
A presença de silício em teores iguais ou superiores a 0,5% tem efeito benéfico na
resistência à corrosão atmosférica dos aços aclimáveis, porém este efeito é pouco
pronunciado. O efeito da adição do Silício está mostrado no gráfico 7. Pode-se
verificar que o seu efeito em comparação com os demais elementos de liga discutido
é menos significativo.
Quando o silício está presente juntamente com fósforo o seu efeito benéfico
torna-se mais significativo, conforme mostrado no gráfico 7. Assim quando se
adiciona conjuntamente silício e fósforo aos aços aclimáveis, consegue-se uma
melhora sensível na sua resistência à corrosão. Por exemplo, com a adição de 0,5%
de silício e 0,10% de fósforo a um aço contendo 0,10% de cobre consegue-se uma
redução da taxa de penetração de até 50% após exposições de 15,5 anos. Se
comparado ao aço carbono esta redução é de 80%. Na presença de cromo (ou
níquel) em aço ao cobre contendo fósforo, o efeito do silício é ainda mais
significativo (veja gráficos 4, 5 e 7).
61
Gráfico 7 – Efeito da adição do silício aos aços ligados ao cobre com e sem a adição
de fósforo e cromo. Ensaios de 15,5 anos realizados em atmosfera industrial
em Kearney, Nova Jersey, U.S.A.
Fonte: IPT (1991)
5 FATORES PARA FORMAÇÃO DA PÁTINA
SegundoPannoni a formação da pátina é função de três tipos de fatores. Os
primeiros a destacar estão ligados á composição química do próprio aço. Os
principais elementos de liga que contribuem para aumentar-lhe a resistência frente à
corrosão atmosférica, os principais elementos de liga que contribuem para
aumentar-lhe a resistência frente à corrosão atmosférica, favorecendo a formação da
pátina, são o cobre e o fósforo. O cromo, o níquel e o silício também exercem efeitos
secundários [Pannoni e Marcondes(1991)]. Cabe observar, no entanto, que o fósforo
62
deve ser mantido em baixos teores (menores que 0,1%), sob pena de prejudicar
certas propriedades macânicas do aço e sua soldabilidade.
Influência das condições climáticas na corrosão atmosférica dos aços
patináveis
Em segundo lugar vêm os fatores ambientais, entre os quais sobresaem a
presença de dióxido de enxofre e de cloreto de sódio na atmosfera, a temperatura, a
força (direção, velocidade e freqüência) dos ventos, os ciclos de umedecimento e
secagem, etc. Assim, enquanto a presença de dióxido de enxofre, até certos limites,
favorece o desenvolvimento da patina, o cloreto de sódio em suspensão nas
atmosferas marítimas prejudica suas propriedades protetoras. algumas condições
climáticas especificas são necessárias para formação da camada protetora mostrada
no gráfico 8 sobre a superfície dos aços patináveis.
Condições de molhamento e secagem intermitente são favoráveis, se não
necessárias, para o inicio da formação dessa camada. Segundo Missawa e
colaboradores, nos períodos de molhamento a quantidade de oxigênio capaz de se
difundir através da camada de água presente sobre o metal é insuficiente para a
oxidação dos compostos intermediários de Fe++ para δ-FeOOH amorfo na interface
metal/produto de corrosão. Nestas ocasiões ocorre preferencialmente a formação de
outros compostos (α, β, ou γ, δ-FeOOH ou e Fe 3 O 4 ).
Nos períodos de secagem, é facilitado o acesso de oxigênio, de modo que
nestas ocasiões ocorre a formação de δ-FeOOH imediatamente acima da superfície
metálica. Com o prosseguimento do processo corrosivo ocorre um enriquecimento
de cobre e fósforo na camada interna de ferrugem. Estes elementos, juntamente
com os ciclos de molhamento e secagem, promovem a formação da camada interna
compacta e aderente de δ-FeOOH, responsável pela alta resistência à corrosão dos
aços patináveis. Pelo exposto é possível entender a razão do aço patinável ser
comparável ao aço carbono em termos de resistência à corrosão, em condições de
longos períodos de molhamento ou imersão continua (imersão em água ou solo).
Conforme já mencionado, nestas condições não se justifica a utilização de aços
aclimáveis em substituição ao aço carbono.
63
A influência do SO 2 também é bastante significativa na formação da camada
protetora. Durante o inicio de exposição dos aços patináveis, a presença de SO 2 na
atmosfera promove rápido ataque ao metal com formação de grandes quantidades
de Fe++. Isto é acompanhado pele dissolução rápida de cobre e do fósforo presentes
nestas ligas. Como conseqüência, a ação catalítica de Cu++ e PO 4 --- para a
transformação dos compostos intermediários de Fe++ para –FeOOH amorfo se faz
sentir mais rapidamente quando se expõe os aços patináveis à atmosferas, como as
urbanas, 3 a 4 anos já são suficientes para a formação desta camada protetora. Em
atmosferas rurais tempos muito maiores são necessários para a formação desta
camada devido à baixa contaminação da atmosfera com SO 2 .
Não se recomenda a utilização de aços patináveis não protegidos em
ambientes industriais onde a concentração de dióxido de enxofre atmosférico seja
superior a 250µg/m3 [couros (2001)] a camada de ferrugem formada sobre os aços
patináveis não tem características protetoras suficientes, não se recomenda a sua
utilização sem proteção adicional. Deve-se lembrar, que mesmo nestas condições
(alta contaminação de SO 2 ) as taxas de corrosão dos aços patináveis são
consideravelmente inferiores às do aço carbono, podendo ser observado redução de
até 10 vezes. Apesar disto, ainda, em termos de valores absolutos, os valores
destas taxas são elevadas
Os gráficos 8 e 9, retirados de CETESB (2001), mostram os valores médios
anuais médios de dióxido de enxofre atmosférico na cidade de São Paulo em
algumas localidades do interior do estado. Pode-se observar que os valores
encontrados estão bem abaixo do limite 250µg/m3.
64
Gráfico 8 média aritmética anual (2001) de [SO 2 ] atmosférico na cidade de São Paulo
Fonte: CETESB (2001)
Gráfico 9 Média aritmética anual (2001) de [SO 2 ] atmosférico no interior
do Estado de São Paulo.
Fonte: CETESB (2001)
65
Gráfico 10 Resistência a corrosão de um aço patinável (ASTM A242) e de um aço carbono
comum (ASTM A36) expostas às atmosferas indústrias (Cubatão, S.P.), marinha (Bertioga, S.P.),
urbana (Santo Andre, S.P.) e rural (Itararé, S.P.) [Panonni ET al.(1991)]. A medida é feita em termos
da perda de massa metálica em função do tempo de exposição em meses(CBCA, 2008)..
Fonte: CETESB (2001)
66
Ambiente
Aço carbono (µm/ano)
Aço patinável (µm/ano)
Rural
6,2
6,2
Urbana
11,4
2,2
Industrial
632,0
41,6
Tabela 5 Taxa de corrosão instantânea (t=3 anos) do aço carbono e do aço patinável em três
ambientes diferentes: Rural Urbano e Industrial.
Fonte:CBCA (2008)
Os gráficos 11, 12 e 13 mostram a perda de espessura do aço patinável em
três tipos de atmosferas: rural, urbana e industrial. A tabela 5 apresenta as taxas de
corrosão instantâneas destes aços após 3 anos de exposição (tangente à curva dos
gráficos 11, 12 e 13 para 3 anos de exposição). Observando os resultados
apresentados nos três gráficos e na tabela 5, pode-se verificar que:
I.
Na atmosfera rural, durante os três anos anos de exposição, os dois aços
apresentaram comportamento semelhantes. Neste caso, para se fazer sentir
a superioridade do aço patinável seriam necessários maiores tempos de
exposição;
II.
Na atmosfera urbana já é nítida a superiorioridade do aço patinável em
relação ao aço carbono. A taxa de corrosão do aço patinável é bastante
baixa, sendo inclusive menor do que as taxas dos dois aços no ambiente
rural;
III.
Na atmosfera industrial, o aço patinável apresenta um desempenho muito
superior ao aço carbono. A superioridade do aço patinável é muito mais
significativa neste ambiente do que aquela observada no ambiente urbano.
67
Gráfico 11 – Perda de espessura dos aços carbono e do aço painável em função
do tempo de exposição em ambiente rural (zona rural de Sorocaba – São Paulo).
Fonte: IPT (1991)
68
Gráfico 12 – Perda de espessura do aço carbono e do aço patinável em função
do tempo de exposição em ambiente urbano (centro da cidade de São Paulo).
Fonte: IPT (1991).
69
Gráfico 13 – Perda de espessura do aço em função do tempo de exposição em ambiente
industrial (Cubatão).
Fonte: IPT (1991)
Em atmosferas marinhas altamente contaminadas com cloreto de sódio,
especialmente em regiões muito próximas ao mar e/ou cobertas (nas quais não se
faz sentir o efeito de lavagem de chuva com conseqüente acumulação de cloretos),
a camada de ferrugem formada sobre o aço patinável não tem características
protetoras muito efetivas. Nestas condições, as taxas de corrosão do aço patinável
ao mito elevadas. No entanto, experiências realizadas na Suécia mostraram que
para regiões distantes do mar (acima de 1 Km) a superioridade do aço patinável já é
bastante sensível. O gráfico 14 apresenta resultados de ensaios de corrosão
atmosférica realizadas num local distante 1 Km do mar. Pode-se verificar uma
diminuição sensível da taxa de corrosão do aço patinável em relação ao aço
carbono. No entanto, a taxa de corrosão absoluta encontrada, após 3 anos de
exposição. (tangente a curva para t= 3 anos) foi de 25 µm/ano, que ainda é bastante
elevada.
70
Gráfico 14 – Perda de espessura do aço carbono e do aço patinável em função do tempo de
exposição em ambiente marinho (Praia Grande distante 1Km do mar).
Fonte: IPT (1991)
Um outro poluente que influência a eficiência da camada protetora formada
sobre os aços patináveis é o material particulado. A poeira impregnada na superfície
do metal faz com que esta camada seja menos compacta e mais porosa e portanto
menos eficiente como barreira protetora.
Convém ainda considerar a influencia do gás sulfídrico. Este poluente é
bastante agressivo ao aço carbono, causando aumento sensível na sua taxa de
corrosão. Para o aço patinável a influência deste poluente parece ser menos
significativa. Aparentemente o gás sulfídrico reage co o cobre formando CuS, menos
solúvel e menos prejudicial do que o FeS formado sobre o aço.
Um fator importante que podemos citar para formação da pátina está ligado a
geometria da peça, que explicam porque diferentes estruturas do mesmo aço
dispostas lado a lado podem ser atacadas de maneira distinta. Esse fenômeno é
atribuído á influência de seções abertas/fechadas, drenagem correta das águas de
chuva e outros fatores que atuam diretamente sobre os ciclos de umedecimento e
secagem insatisfatória, a formação da pátina fica gravemente prejudica. Em muitas
destas situações, a velocidade de corrosão do aço patinável é semelhante àquela
71
encontrada para os aços carbono comuns. Exemplos incluem aços patináveis
imersos em água, enterrados no solo ou recobertos por vegetação.
Regiões particulares tais como juntas de expansão, articulações superpostas
tem comportamento crítico quanto á corrosão, tal como ocorre com os aços carbono
tradicionais.
Os elementos de ligação (chapas, parafusos, porcas, arruelas, rebites, etc.)
devem apresentar não só resistência mecânica compatível com o aço patinável, mas
também compatibilidade de composição química, para evita a formação de células
galvânicas. Os cordões de solda produzidos na soldagem dos aços patináveis
devem possuir composição química semelhante à dos aços patináveis, evitando a
formação de pares galvânicos.
6 MECANISMOS
A composição e a estrutura cristalográfica das camadas de produtos de
corrosão formadas sobre o aço carbono e o aço aclimável expostos às mesmas
condições atmosféricas são similares. Sobre ambos os metais os principais
compostos presentes são: α-FeOOH (goetita), β-FeOOH (akaganeita), γ-FeOOH
(lepidocroceta), δ-FeOOH (amorfo) e Fe 3 O 4 . A diferença que existe entre as duas
camadas é a compactação e o nível de porosidade resultante do arranjo dos
compostos ai presentes. Segundo Misawa e colaboradores, no caso do aço carbono,
a ferrugem é constituída por uma camada desordenada da δ-FeOOH amorfo com
ilhas espaças de α-FeOOH, β-FeOOH e/ou
γ-FeOOH e Fe 3 O 4. No caso de aços
aclimáveis a ferrugem formada após longos tempos de exposição tem as seguintes
características:
1) Ela é constituída por duas camadas, uma interna (aderente e compacta) e
uma externa (menos aderente e menos compacta). A camada interna é
constituída principalmente por δ-FeOOH amorfo de granulação fina e
compacta. A camada externa é constituída por de α-FeOOH, β-FeOOH e/ou
γ-FeOOH com pequenas ilhas de Fe 3 O 4 . A figura 8 ilustra esquematicamente
a estrutura da ferrugem formada sobre um aço aclimável e sobre um aço
carbono após longos tempos de exposição;
72
2) Na camada interna há um enriquecimento de cobre, fósforo e cromo.
Os mecanismos responsáveis para a formação dos compostos presentes na
superfície tanto do aço carbono como do aço aclimável são similares. As
reações responsáveis pela formação dos produtos de corrosão tanto do aço
carbono como do aço aclimável expostos às atmosferas naturais também são
similares. No entanto, segundo Misawa e colaboradores, a oxidação pelo
oxigênio dissolvido dos compostos intermediários de Fe++ (Fe(OH) 2 e
ferrugem verde) para
δ-FeOOH amorfo é catalizada pela presença de
íons Cu++ e PO 4 ---. Estes íons estão presentes na camada de ferrugem dos
aços aclimáveis devido ao ataque do cobre e do fósforo presentes como
elementos de liga. O δ-FeOOH formado nestas condições tem granulação
mais fina é mais compacta e mais aderente. Como conseqüência tem a
formação da camada interna mostrada na tabela 6, que constitui em uma
efetiva barreira protetora.
73
Produto
α-FeOOH
Aço carbono
Aço patinável
Ilhas esparsas em toda a camada
Camada externa porosa não
protetora
β-FeOOH
Formada
em
ambiente
marinho Formada
presença de cloretos)
γ-FeOOH
δ-FeOOH
em
ambientes
industriais (presença de SO 2 )
Distribuida ao a caso, porosa e não Camada
protetora
ambiente
marinho (presença de cloretos)
Formada em ambientes industriais Formada
(presença de SO 2 )
em
interna
aderente,
compacta, de granulação fina,
protetora
Fe 3 O 4
Pequenas ilhas esparsas em toda a Pequenas ilhas distribuídas ao
camada
acaso, na camada externa
Tabela 6 Produtos de corrosão formados durante a exposição à corrosão atmosférica
Fonte: ABRACO (2008)
Conforme já mencionado anteriormente quando se discutiu os efeitos dos
elementos de liga, além da estrutura da camada de produtos de corrosão,
aparentemente outros fatores contribuem para a alta resistência à corrosão
atmosférica dos aços aclimáveis.
Algumas teorias afirmam que sulfatos básicos de cobre e/ou de níquel e/ou
fosfatos insolúveis são formados durante a corrosão atmosférica destes aços. Tais
produtos selam os poros da camada de ferrugem formada sobre os aços aclimáveis
tornando-a uma barreira mais efetiva. Além disso, foi citado também o fato de que
74
em caso de atmosferas contaminadas com gás sulfídrico, forma-se sulfeto de cobre
que é menos prejudicial que o sulfeto de ferro.
6.1 Mecanismo macroscópico da corrosão atmosférica dos aços patináveis
A etapa seguinte à formação das películas finas, isto é, o seu crescimento e
transformação em camadas macroscópicas não tem sido um campo estudado,
talvez em função das inúmeras dificuldades experimentais encontradas.
Alguns autores julgam que as películas formadas sejam catódicas em relação
ao metal-base. Desse modo, uma trinca na película iniciaria o processo
eletroquímico da corrosão.
Outra possibilidade seria a existência de regiões catódicas superficiais, tais
como certas inclusões ou partículas carbonáceas, que provocariam a dissolução
anôdica do metal.
Embora haja grande falta de informação sobre a transição microscópicomacroscópico,
a
formulação
de
mecanismos
que
pudessem
explicar
satisfatoriamente os fatos observados na corrosão atmosférica de aços não é um
fato recente. Já no início do século, BUCK (1913) anunciava o efeito do cobre
adicionado aos aços e, em um seu trabalho posterior, BUCK (1919) atribuiu ao cobre
a função de combinar-se com o enxofre do aço, tornando-o inócuo.
Basicamente a ferrugem é constituída por cinco diferentes compostos de
ferro:
α-FeOOH (goetita), β-FeOOH (akaganeita), γ-FeOOH (lepidocroceta), δ-
FeOOH (amorfo) e Fe 3 O 4 (magnetita).
Segundo vários autores, δ-FeOOH é o principal constituinte da película
interna, que se forma ao longo de exposições prolongadas do material à atmosfera.
O mecanismo de corrosão dos aços patináveis ainda é objeto de intensas
pesquisas no mundo todo e também no Brasil. Uma teoria proposta por um
pesquisador brasileiro, bem aceita sobre esse processo, que encontrou grande
receptividade [Miranda (1974)] admite que, quando o aço patinável é exposto a uma
atmosfera
sulfurosa,
a
ciclos
de
umedecimento/secagem
e
temperaturas
relativamente baixas (aproximadamente 20°C), a camada de ferrugem é constituída
essencialmente de lepidocrocita. A exposição a temperaturas mais elevadas (35 –
75
60°C) favorece a formação, sob a camada de lepidocrocita, de uma camada interna
isotrópica, constituída essenciamente de δ-FeOOH amorfo. Quando submetido a
essas temperaturas, os elementos de liga (notadamente o cobre) começam a se
dissolver no interior das células de corrosão. Esses elementos inibem a formação da
magnetita, que não é protetora, ao mesmo tempo em que catalizam a formação do
óxido amorfo, protetor, na interface metal-ferrugem. Essa camada, muito pouco
porosa, isola o metal dos constituintes agressivos existentes na atmosfera, como
água, o oxigênio e íons exógenos.
Portanto, quando os elementos de liga não podem penetrar na ferrugem (isto
é, sob temperaturas baixas), ou quando o aço não os contém – caso do aço carbono
comum – ocorre a formação da magnetita, e não do δ-FeOOH protetor, e a corrosão
prossegue.
Outros fatores contribuem para alta resistência à corrosão atmosférica dos
aços patináveis.
Algumas teorias a afirmam que sulfatos básicos de cobre e/ou de níquel e/ou
fosfatos insolúveis são formados durante a corrosão atmosférica destes aços. Tais
produtos selam os poros da camada de ferrugem formada sobre os aços patináveis
tornando-a uma barreira mais efetiva.
7 PINTURA DOS AÇOS PATINÁVEIS
O desempenho de um sistema de pintura aplicado sobre o aço patinável
costuma ser superior ao mesmo sistema aplicado sobre os aços carbonos
estruturais tradicionais, desde que o ambiente promova a formação da pátina. A
durabilidade desse sistema costuma ser superior à soma das durabilidades
propiciadas isoladamente pela proteção do revestimento e pela natureza do material,
isto é, há sinergia dos mecanismos. Uma eventual falha no revestimento levará á
formação de produtos de corrosão bem menos volumosos do que aqueles formados
sobre os aços comuns, o que diminui em muito o problema do destacamento da
película de pintura, aumentando a durabilidade do revestimento.
A figura abaixo mostra dois espécies de aço laminados a quente, um ASTM
A36 e um ASTM A242 expostos por 48 meses em atmosfera industrial de Cubatão,
S.P. Estes aços foram jateados com granalha de aço (padrão As 3) e pintados com
76
duas demãos de tinta epóximastic (300µm de espessura); após a secagem, foi feito
o entalhe na tinta e subseqüente exposição atmosférica.
Podemos observar que o aço carbono comum produziu um grande volume de
produtos de corrosão e danificou a pintura. Já aço patinável, no mesmo período,
produziu menor volume. A tinta está integra e continua a oferecer proteção contra a
corrosão. O aço é protegido pela tinta e, mesmo quando alcançado pelo oxigênio e
água atmosférica (por difusão), acaba por produzir um volume de óxidos
consideravelmente menor do que o gerado sobre o aço carbono, e que não chega a
destruir a película. Por esse motivo, mesmo formando óxidos, a durabilidade da
proteção é maior do que no caso do aço carbono. A corrosão no aço patinável ficou
circunscrito à região dos cortes (CBCA, 2008).
Figura 19 Produção de produtos de corrosão formados durante a exposição
em atmosféra industrial.
Fonte: CBCA (2008)
77
A camada de óxido, compacto e aderente, do aço patinável , o protege contra
a corrosão, de maneira mais eficiente que o aço carbono comum.
O uso de pintura depende do local onde a estrutura vai ser posta e da estética
desejada.
No caso da necessidade de longa durabilidade da estrutura ou equipamento, a
pintura entra como auxílio, podendo até quadruplicar a vida da estrutura ou
equipamento. No caso de ambientes industrial e marítimo recomenda-se o uso de
pintura.
Para se pintar o aço patinável recomenda-se os mesmos cuidados que se
deve ter com o aço comum.
Deve-se escolher tintas de alto desempenho.
78
8 CONSIDERAÇÕES FINAIS
São grandes os desafios a enfrentar pelos metalurgistas e engenheiros de
modo geral. A busca pelo conhecimento de forma incessante. No estudo realizado
buscou-se contribuir com uma busca no campo da corrosão em um comparativo
simples, porém de extrema importância para aplicações industriais entre o aço
carbono comum e o aço patinável. Neste sentido de modo geral conclui-se que, o
aço patinável tem maior resistência a corrosão do que o aço carbono comum, nos
diversos meios aqui estudados.
Esta maior resistência a corrosão do aço patinável se deve principalmente
pela formação de uma camada densa e aderente formada em sua superfície, criando
desta maneira, uma camada passivadora interrompendo a ação de corrosão, fato
este que não ocorre no aço carbono comum.
79
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Acessado em: 10 de junho de 2008.
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