Aço Inox - Especificações e Aplicações

Aço Inox - Especificações e Aplicações

(Parte 1 de 9)

Eng. Héctor Mario Carbó Acesita 2001

Aço Inoxidável Aplicações e Especificação

Aplicações e Especificação1

Os aços inoxidáveis são ligas de ferro (Fe) e cromo (Cr) com um mínimo de 10,50% de Cr. Outros elementos metálicos também integram estas ligas, mas o Cr é considerado o elemento mais importante porque é o que dá aos aços inoxidáveis uma elevada resistência à corrosão.

Em atmosferas rurais, com baixos índices de contaminação, observa-se uma grande diminuição da velocidade de oxidação nas ligas Fe- Cr na medida em que aumenta a quantidade de Cr presente na mesma (ver figura 1). Com 10,50 % de Cr constata-se que a liga não sofre corrosão atmosférica nessas condições e este é o critério utilizado para sustentar a definição dada no início deste texto para os aços inoxidáveis.

Os aços inoxidáveis surgiram de estudos realizados em 1912, tanto na Inglaterra como na Alemanha. O aço estudado na Inglaterra era uma liga Fe-Cr , com cerca de 13% de Cr. Na Alemanha se tratou de uma liga que, além de Fe e Cr, continha também níquel (Ni). No primeiro caso era um aço inoxidável muito próximo ao que hoje chamamos de 420 e no segundo outro aço inoxidável bastante parecido com o que hoje conhecemos como 302.

Anteriormente, na primeira metade do século XIX, foram feitas ligas Fe-Cr. Nessa época, o conceito predominante considerava que um material era resistente à corrosão se resistia ao mais popular e conhecido dos ácidos inorgânicos: o ácido sulfúrico. Este fato, aliado a incapacidade das aciarias daquela época de reduzir a quantidade de carbono (C), fizeram abandonar, durante muitos anos, o estudo destas ligas.

Fig. 1

Cromo, % (nas ligas Fe-Cr)

A u mento de peso (g/polegada

Aplicações e Especificação2

De forma geral todos os metais (salvo raras exceções) tem uma grande tendência a reagir em presença do meio ambiente, formando óxidos, hidróxidos e outros compostos químicos.

As reações químicas ocorrem quando a variação de energia livre das mesmas é negativa. Por exemplo, consideremos a reação de alguns metais com o oxigênio do ar e a água (seja das chuvas ou da umidade), para formar hidróxidos:

2 Au + 3/2 O2 + 3 H2O= 2 Au (OH)3 ∆G = + 15.700 cal
Mg + 1/2 O2 + H20= Mg(OH)2 ∆G = -142.600 cal

No primeiro caso, a variação de energia livre é positiva e o ouro (Au) não reage com o oxigênio e com a água para formar o hidróxido. A reação ocorre com o magnésio (Mg), devido a que a variação de energia livre é negativa.

Se comparamos com a física, podemos pensar em um corpo de massa m a uma determinada altura h (ver figura 2). Na posição (1) sua energia potencial é Ep(1) = m.g.h. Se o empurramos, o corpo cai. Na nova posição (2), sua energia potencial é Ep(2) = 0 (porque h=0). A variação de energia é a diferença entre a energia na posição final e na posição inicial,

∆G = Ep(2)-Ep(1), que neste caso e um valor negativo. O movimento é espontâneo, porque a variação de energia é negativa.

O movimento contrário, que leva esse corpo da posição (2) à posição(1), terá uma variação de energia positiva, ∆G = Ep(1)-Ep(2) = Ep(1)-0 = Ep(1), e não será espontâneo (será necessário gastar energia para realizar este movimento). Na química ocorre o mesmo que na física.

Infelizmente, quase todos os metais se comportam como o Mg. Casos como o Au ou a platina (Pt), são exceções (são os chamados metais nobres). Os elementos Fe e Cr e todos os encontrados nos aços inoxidáveis, como o Ni, molibdênio (Mo), titânio (Ti), nióbio (Nb), alumínio (Al), cobre (Cu) e outros, tem um comportamento semelhante ao do Mg e reagem em presença do meio ambiente.

Devemos destacar que a natureza, de acordo com o que foi comentado, transforma permanentemente os metais em compostos dos mesmos, por meio de reações espontâneas onde se libera energia. Por isso encontramos os metais na natureza na forma de óxidos, hidróxidos e sais desses metais. A siderurgia tem uma missão oposta: transformar esses minérios em metais mais

Fig. 2

Variação de energia livre

Direção espontânea ou menos puros ou em ligas dos mesmos. As reações na siderurgia são opostas às que ocorrem na natureza e, por esse motivo, não são espontâneas e precisam de energia para que possam ser realizadas (ver figura 3).

Naturalmente, esses metais e ligas obtidos na siderurgia tendem, com o tempo, a se transformarem de maneira natural em compostos dos mesmos, e este processo é conhecido como corrosão.

Devido ao custo da corrosão, que em alguns países desenvolvidos é considerado cerca de 3% do PIB, os homens trabalham há muito tempo com a intenção de diminuir os custos, através da criação de barreiras contra a corrosão para, pelo menos, minimizar estes problemas ( já que é impossível eliminá-los).

Pintar uma superfície metálica, utilizar revestimentos, fazer metalizações, são algumas das formas encontradas. Outra maneira é desenvolver ligas que, por algum motivo, sejam mais resistentes à corrosão. Nesta última tentativa de combate à corrosão, participam os aços inoxidáveis.

Os aços inoxidáveis não são como Au e Pt, metais nobres que não reagem com o meio ambiente. Os metais que constituem os aços inoxidáveis reagem com bastante facilidade. Um deles, em particular o Cr, possibilita a formação de filmes que protegem essas ligas de ataques subseqüentes. Este fenômeno, pelo qual o metal ou a liga deixa de ser corroído, quando termodinamicamente deveríamos esperar o contrário, é conhecido como passividade.

Fig. 3

Consumo de energia

Reação espontânea

Liberação de energia

O fenômeno da passividade é estudado faz muitos anos e houve (e há) diversas interpretações sobre o mesmo.

Os filmes passivos são extraordinariamente finos (nos aços inoxidáveis são filmes de uma espessura aproximada de 30 a 50 angström, sendo um angström o resultado da divisão de 1mm por dez milhões) e isso cria grandes dificuldades para uma interpretação definitiva sobre a forma e a natureza dos mesmos.

Sabe-se que a formação destes filmes é favorecida pela presença de meios oxidantes.

A primeira experiência, realizada aproximadamente há 160 anos, foi feita com aço carbono (nessa época não havia aços inoxidáveis) em meios nítricos. Uma amostra de aço carbono, colocada em um bécher com ácido nítrico diluído era atacada rapidamente, o que se manifestava através da produção de vapores nitrosos. Outra amostra, idêntica, colocada em outro bécher com ácido nítrico concentrado (que é mais oxidante que o nítrico diluído) não era atacada. Se neste mesmo bécher, adicionavam água diluindo o ácido nítrico concentrado até que ficasse com a mesma concentração do ácido nítrico diluído do primeiro bécher, o aço carbono continuava sem ser atacado.

A única diferença que existia entre a primeira amostra (que foi atacada pelo ácido nítrico diluído) e esta última (que não foi), era que a última havia permanecido durante um certo tempo em ácido nítrico concentrado. Assim, chegaram a conclusão que, provavelmente, o ácido nítrico concentrado havia formado um filme sobre a superfície do aço e que este o protegia de um ataque posterior com ácido nítrico diluído. Para demonstrar que era um filme, riscaram a amostra, e imediatamente o desprendimento de vapores nitrosos provenientes da parte riscada mostrou novamente a existência do ataque com ácido nítrico diluído.

A passividade como pode se notar através da experiência relatada, não é um fenômeno exclusivo dos aços inoxidáveis. A maioria dos metais forma filmes passivos e de uma maneira geral podemos dizer que, quanto mais oxidável é um metal, tanto maior é a tendência do mesmo para formar tais filmes.

Até poucos anos atrás, predominou a idéia de que estes filmes eram óxidos dos metais (ou óxidos hidratados), sendo que no caso dos aços inoxidáveis o filme era constituído por um óxido (ou óxido hidratado) de Cr, o elemento mais facilmente oxidável das ligas Fe-Cr. O filme passivo poderia se formar, inclusive, para muitos estudiosos deste assunto, pela reação espontânea entre o Cr e o oxigênio do ar. Mas existem objeções a este ponto de vista. Uma barra de aço carbono, colocada em um deserto, em uma atmosfera sem umidade e com temperaturas elevadas, não se oxida. No entanto, a mesma barra, submersa em água previamente desoxigenada por adição de nitrogênio (N), se oxida.

Aparentemente, nos aços inoxidáveis, o filme passivo se forma pela reação entre a água e o metal base, e está constituído por um oxihidróxido dos metais Cr e Fe. Duas regiões poderiam ser consideradas dentro deste filme passivo: uma , mais próxima ao metal, onde predominam os óxidos, e outra, mais próxima do meio ambiente, onde predominam os hidróxidos. Este filme não seria estático: com a passagem do tempo, existiria uma tendência ao crescimento dos óxidos (não dos hidróxidos) e também um enriquecimento de Cr.

O filme passivo dos aços inoxidáveis é muito fino e aderente. Os filmes formados em meios oxidantes (como é o caso do ácido nítrico, freqüentemente utilizado em banhos de decapagem) são mais resistentes. Os aços inoxidáveis formam e conservam filmes passivos em uma grande variedade de meios, o que explica a elevada resistência à corrosão destes materiais e a grande quantidade de alternativas que existem para a utilização dos mesmos.

Em geral, os aços inoxidáveis apresentam uma boa resistência à corrosão em meios oxidantes (que facilitam a formação e a conservação dos filmes passivos). A resistência à corrosão destes materiais é fraca em meios redutores (que não possibilitam a formação destes filmes ou os destruem).

A diferença de comportamento entre um aço inoxidável e outro material que não tenha a capacidade de formar filmes passivos em um determinado meio, se manifesta com o traçado de curvas "velocidade da corrosão x concentração de oxidante no meio".

Consideremos um meio redutor, como o ácido sulfúrico, por exemplo com 50% de concentração e adicionemos lentamente um oxidante, por exemplo cátion férrico, Fe(+3).

Em um material que não apresenta o fenômeno da passividade (ver figura 4), observaremos que na medida que aumentamos a concentração de oxidante, maior será a velocidade de corrosão (pequenos aumentos na concentração de oxidante provocam grandes aumentos na velocidade de corrosão. Notar que nas abscissas são utilizadas potências de 10)

Fig. 4 Velocidade de corrosão

Poder oxidante da solução

Um aço inoxidável submerso em ácido sulfúrico com essa concentração, no início também terá uma elevada velocidade de corrosão (ponto A da figura 5) e com pequenos aumentos da concentração de oxidante, teremos um comportamento semelhante ao de um metal não passivável.

Mas depois de atingida uma determinada concentração de oxidante (ponto B na mesma figura), o meio será suficientemente oxidante provocando a formação do filme passivo e a velocidade de corrosão cairá bruscamente não aumentando com novos aumentos da concentração de oxidante. Quando esta concentração é muito alta, novos aumentos na velocidade de corrosão poderão acontecer.

Na curva da figura 5 se diferenciam nitidamente 3 regiões: atividade, passividade e transpassividade.

O fato de que uma grande quantidade de meios "agressivos" atuem no domínio da passividade, explica a elevada resistência à corrosão dos aços inoxidáveis e as amplas possibilidades de utilização dos mesmos em diversas aplicações.

Fig. 5 Velocidade de corrosão

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