Estudo da influência do teor de bismuto no revestimento de zinco sobre o comportamento de corrosão de um aço galvanizado

Transcrição

1 Estudo da influência do teor de bismuto no revestimento de zinco sobre o comportamento de corrosão de um aço galvanizado Mara Cristina Lopes de Oliveira, Camile Paula Theodoro, Renato Altobelli Antunes Universidade Federal do ABC Av. dos Estados, 5001, Santo André-SP CEP: mara.oliveira@ufabc.edu.br Resumo O presente trabalho teve como objetivo estudar a influência de diferentes concentrações de bismuto no banho de zinco líquido sobre a resistência à corrosão de um aço galvanizado, comparando as ligas de teste com o material galvanizado com zinco puro (SHG). Foram obtidas amostras em banhos com teores de bismuto de 255 ppm, 390 ppm, 660 ppm, 837 ppm e 1030 ppm. A espessura da camada galvanizada foi determinada a partir de micrografias obtidas por microscopia confocal de varredura a laser. O comportamento de corrosão foi avaliado a partir de curvas de polarização potenciodinâmica obtidas em solução de NaCl 0,1 M a temperatura ambiente. Foi possível verificar a maior resistência à corrosão e diminuição da espessura da camada de zinco para a liga de zinco com 255 ppm de bismuto. Palavras-chave: aço galvanizado; corrosão; concentração de bismuto 1. INTRODUÇÃO Em diversas aplicações, principalmente na construção civil, os elementos estruturais fabricados a partir de aços estão sujeitos à corrosão mediante a exposição ao ambiente de uso, resultando na deterioração e comprometimento da qualidade do produto acabado e diminuição da vida útil do material. Entre os

2 métodos de aplicação de recobrimentos metálicos comumente empregados pela indústria, a galvanização por imersão a quente destaca-se por sua eficiência, uniformidade de espessura da camada depositada e diminuição no custo devido à baixa manutenção da peça galvanizada. O recobrimento da peça evita o contato direto do metal base com o meio externo, atuando como uma barreira que protege o material da corrosão e, consequentemente, aumentando sua durabilidade. Em caso de exposição por abrasão à superfície, por exemplo, o zinco atua como anodo de sacrifício, oxidando-se preferencialmente no lugar do aço (1). Com o aumento da demanda de aços galvanizados, tornou-se necessário o desenvolvimento de novas ligas a fim de conferir propriedades desejáveis ao revestimento. A liga zinco-bismuto Zn/Bi - foi desenvolvida com o intuito de substituir o chumbo na liga de zinco devido à sua toxicidade e efeito cancerígeno (2,3). Além disso, quando adicionada ao banho de galvanização, pode alterar características físico-químicas do banho, proporcionando benefícios e melhorias ao revestimento formado, como maior fluidez e redução no consumo de zinco (4-6). O efeito da adição de bismuto ao banho de galvanização sobre a resistência à corrosão da camada galvanizada é pouco investigado na literatura. O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito do teor de bismuto no banho de galvanização a fogo sobre o comportamento de corrosão de um aço galvanizado. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Como material base para os corpos de prova foram utilizadas cantoneiras em aço carbono especificadas pela norma ABNT NBR 7007 AR 415, com composição descrita na Tabela 1 e dimensões iguais a 12,0 x 0,3 x 4,5 cm. Tabela 1. Composição química nominal do aço segundo a norma ABNT NBR 7007 AR 415. Grau C (%) Mn(%) Si(%) P(%) S(%) Cu(%) V(%) Nb(%) Cr(%) Ni(%) Mo(%) AR 415* 0,26 0,50-1,35 0,10-0,40 0,04 0,05 0,35 0,05 0,05 0,35 0,35 0,05

3 As amostras foram submetidas ao processo de galvanização em uma linha industrial de uma metalúrgica especializada na fabricação de torres de transmissão de energia. A cuba de zinco utilizada apresentava capacidade de aproximadamente 226 toneladas de zinco. Nos processos de galvanização foram utilizadas ligas de zinco com teores de bismuto variando de 0 a 1060 ppm. Na Figura 1 são mostradas fotos das amostras após galvanização. Na Tabela 2 são mostrados os teores de bismuto no banho de galvanização para cada uma das condições avaliadas neste trabalho. Figura 1. Cantoneiras galvanizadas com ligas de zinco contendo diferentes teores de bismuto. Tabela 2. Concentrações de bismuto utilizadas nos processos de galvanização. Amostra Concentração de Bi (ppm) As cantoneiras galvanizadas foram cortadas utilizando uma cortadeira do tipo cut-off, modelo GS-80 da marca Erios, a fim de obter amostras com dimensão de aproximadamente 2 cm 2. As amostras foram embutidas em baquelite utilizando uma embutidora metalográfica, modelo PRE 30Mi da marca Arotec. Em seguida, a preparação superficial das amostras foi realizada com o auxílio de lixas de disco

4 de SiC de diferentes graduações (220, 400, 1200, 1600) utilizando lixadeiras modelo Aropol 2V e politriz modelo Aropol 2V, ambas da marca Arotec. Foram realizados ensaios eletroquímicos a fim de comparar a resistência à corrosão das amostras galvanizadas com zinco puro e as ligas com adição de bismuto em diferentes proporções. Para os ensaios de potencial de circuito aberto e polarização potenciodinâmica preparou-se uma solução 0,1 M de cloreto de sódio com água deionizada a temperatura ambiente. Os ensaios foram realizados com um arranjo convencional de célula de três eletrodos, tendo como eletrodo de referência um eletrodo de Ag/AgCl, um fio de platina como contra-eletrodo e as amostras galvanizadas como eletrodos de trabalho (com área exposta ao eletrólito de aproximadamente 2 cm 2 ). Utilizando o potenciostato IVIUM modelo n-stat, foi possível monitorar o potencial de circuito aberto por 30 minutos. Em seguida, as amostras foram submetidas ao ensaio de polarização potenciodinâmica com taxa de varredura de 1 mv.s -1 partindo de -300mV em relação ao potencial de circuito aberto até 0 VAg/AgCl. Os ensaios foram conduzidos em triplicata. Para a determinação da espessura do revestimento de zinco presente nas amostras de aço galvanizado, as amostras anteriormente embutidas em baquelite foram cortadas utilizando uma cortadeira de alta precisão linear, modelo IsoMet 4000 Precision Saw, da marca Buehler, a fim de obter o corte na seção transversal. Posteriormente foram realizadas análises de microscopia utilizando o microscópio confocal de varredura a laser Olympus LEXT OLS RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Espessura da camada galvanizada A determinação de espessura média da camada de zinco foi realizada a partir das micrografias obtidas por microscopia confocal de varredura a laser, conforme mostrado na Figura 2. A análise de camada foi realizada em cinco pontos na seção transversal de cada amostra. A partir dos dados obtidos foi possível

5 determinar a espessura de camada média para as amostras galvanizadas, conforme a Figura 3. O controle de espessura média do revestimento galvanizado é um pré-requisito exigido pela norma ASTM A123 a fim de garantir o atendimento do mercado de torres de transmissão de energia. A norma citada afirma que o valor de espessura recomendado em revestimentos de zinco varia de 50 a 125 µm. A espessura excessiva do revestimento aumenta o custo e o peso do produto revestido, enquanto que a espessura insuficiente reduz a vida útil do revestimento, uma vez que este será consumido na proteção do aço (7). A adição de bismuto na liga de zinco tem como principal intuito o aumento na fluidez e drenagem do banho, visto que o bismuto reduz a tensão supercial do banho de zinco, tornando desnecessária a utilização de chumbo na fusão do zinco e tornando a galvanização menos agressiva ao ambiente.a amostra com 255 ppm de bismuto apresentou uma diminuição na espessura da camada galvanizada quando comparada à amostra galvanizada sem a presença de bismuto em sua composição, permanecendo dentro da variação de espessura de camada especificada pela norma ASTM A123. As amostras galvanizadas com 390, 660 e 1030 ppm de bismuto apresentaram uma diminuição significativa na espessura da camada de zinco. No entanto, os resultados ficaram abaixo da especificação mínima de 50 µm para a espessura da camada galvanizada. A amostra com 837 ppm de bismuto apresentou uma camada galvanizada dentro da especificação mínima assim como a amostra com 255 ppm. No entanto, o valor obtido para a espessura da camada é superior ao da camada galvanizada com a liga de zinco isenta de bismuto.

6 A B C D E F Figura 2. Micrografias obtidas por microscopia confocal de varredura a laser para determinação da espessura da camada de zinco das ligas: a) 0 ppm de bismuto, b) 255 ppm de bismuto, c) 390 ppm de bismuto, d) 660 ppm de bismuto, e) 837 ppm de bismuto e f)1030 ppm de bismuto.

7 Figura 3. Espessura da camada galvanizada em função da concentração de bismuto. 3.2 Comportamento eletroquímico Foram obtidas curvas de potencial de circuito aberto em função do tempo de imersão em solução de NaCl 0,1 M a temperatura ambiente para as 6 ligas de zinco com diferentes concentrações de bismuto, conforme apresentada na Figura 4. Pode-se observar que o potencial de circuito aberto tende a decair lentamente, evidenciando uma dissolução gradual da camada galvanizada. Esse comportamento foi observado para todas as condições avaliadas, porém é mais marcante para a condição de 837 ppm. A amostra galvanizada com a liga de zinco isenta de bismuto apresentou o maior valor de potencial inicial quando comparada às demais amostras, enquanto que a amostra com maior teor de bismuto (1030ppm) apresentou o menor valor de potencial. As amostras com as demais concentrações de bismuto não apresentaram uma alteração proporcional de potencial, o qual não apresentou uma tendência linear com o aumento da concentração de bismuto no banho de galvanização. A condição de 255 ppm foi a

8 que apresentou o potencial mais nobre entre as amostras obtidas nos banhos que contêm bismuto. E (V vs. Ag/AgCl) ppm Bi 255 ppm Bi 390 ppm Bi 660 ppm Bi 837 ppm Bi 1030 ppm Bi Tempo (s) Figura 4. Curvas de potencial de circuito aberto em função do tempo de imersão em solução de NaCl 0,1 M a temperatura ambiente das amostras com diferentes teores de bismuto. Curvas de polarização potenciodinâmica do aço galvanizado em banhos com diferentes teores de bismuto são mostradas na Figura 5. Os valores de potencial de corrosão (Ecorr) e densidade de corrente de corrosão (icorr) foram determinados utilizando o método de extrapolação de Tafel. Os valores são mostrados na Tabela 3.

9 E (V vs. Ag/AgCl) 0,0-0,2-0,4-0,6-0,8 0 ppm Bi 255 ppm Bi 390 ppm Bi 660 ppm Bi 837 ppm Bi 1030 ppm Bi -1,0-1,2-1, log i (A.cm -2 ) Figura 5. Curvas de polarização potenciodinâmica em solução de NaCl 0,1 M a temperatura ambiente das amostras com diferentes teores de bismuto. Tabela 3. Valores de potencial de corrosão (Ecorr) e densidade de corrente de corrosão (icorr) para amostras com diferentes concentrações de bismuto. Bi (ppm) Ēcorr (V vs. Ag/AgCl) icorr (µa.cm -2 ) 0-1,17 5, ,16 1, ,14 3, ,06 6, ,07 0, ,09 4,37 O valor de icorr indica a intensidade instantânea de corrosão. Quanto menor o valor de Icorr, mais resistente à corrosão será o material. Assim, as condições de

10 837 ppm e 255 ppm apresentam uma eficiência superior na proteção contra corrosão se comparadas à liga de zinco com 0 ppm de bismuto e as demais concentrações. Esse fato está provavelmente relacionado à espessura da camada galvanizada obtida nos dois casos. Conforme mostrado na Figura 3 a condição de 837 ppm apresentou a maior espessura de camada entre todas as condições. Para o teor de bismuto de 255 ppm a espessura da camada é mais baixa, porém dentro da especificação da norma ASTM F123 e próxima à espessura da amostra obtida no banho isento de bismuto. 4. CONCLUSÕES Após a realização dos testes das ligas de zinco com diferentes concentrações de bismuto foi possível verificar que, quando o elemento é inserido à liga de zinco SHG ocorrem alterações físicas e químicas do banho de zinco, resultando em mudanças relacionadas à resistência a corrosão, morfologia e ao aspecto superficial do material galvanizado. No ensaio de polarização potenciodinâmica foi possível observar a resistência à corrosão superior das ligas com 255 ppm e 837 ppm de bismuto se comparada às outras amostras submetidas ao ensaio. No entanto na análise da camada galvanizada pode-se observar o aumento da camada para a concentração de 837 ppm e a diminuição da espessura da camada para a concentração de 255 ppm. Os resultados obtidos permitem concluir que, entre todas as concentrações de bismuto utilizadas e a liga de zinco SHG sem a adição deste elemento, os melhores resultados foram obtidos utilizando a liga com concentração de bismuto igual a 255 pm, seguida da liga com 837 ppm do elemento adicionado. REFERÊNCIAS (1) CORROSÃO E PROTEÇÃO. São Paulo: ABRACO Associação Brasileira de Corrosão, 59º Edição, Ano 12, Outubro/Dezembro de 2015.

11 (2) PISTOFIDIS, N.; VOURLIAS, G.; KONIDARIS, S.; PAVLIDOU, EI.; STERGIOU, A.; STERGIOUDIS, G. The effect of bismuth on the structure of zinc hot-dip galvanized coatings. Materials Letters, v. 61, p , (3) SAX, N.I. Dangerous Properties of Industrial Materials, VNR, New York, (4) FRATESI, R.; RUFFINI, N.; MALAVOLTA, M.; BELLEZZE, T. Contemporary use of Ni and Bi in hot-dip galvanizing. Surface and Coatings Technology, v. 157, p , (5) WANG, J.; WANG, X.; LIU, C.; SU, X.; WU, C.; LIU, Y.; TU, H. Effect of bismuth on the microstructure and corrosion resistance of galvanized coating. Advanced Materials Research, v , p , (6) ALEXA, A.; RADU, T.; POTECASU, F.; CIOCAN, A. Influence of additional alloying elements on corrosion resistance of hot dip galvanised steels. Materials Science Forum, v , p , (7) ZERVOUDIS, J.; ANDERSON, G. A review of bath alloy additives and their impact on the quality of the galvanized coating. 6th Asia Pacific General Galvanizing Conference, 2005.

12 Study of the influence of bismuth content of the zinc coating on the corrosion resistance of a galvanized steel Mara Cristina Lopes de Oliveira, Camile Paula Theodoro, Renato Altobelli Antunes Universidade Federal do ABC Av. dos Estados, 5001, Santo André-SP CEP: mara.oliveira@ufabc.edu.br Abstract The aim of the presente work was to study the influence of different bismuth concentrations in the liquid zinc bath on the corrosion resistance of a galvanized steel, comparing its protective ability with that obtained from a conventional pure zinc bath (SHG). Samples were obtained from baths with bismuth contents of 255 ppm, 390 ppm, 660 ppm, 837 ppm and 1030 ppm. The thickness of the galvanized layers was determined from micrographs obtained by confocal laser scanning microscopy. The corrosion behavior was evaluated from potentiodynamic polarization curves obtained in 0.1 M NaCl solution at room temperature. The highest corrosion resistance was observed for the 255 ppm sample. Keywords: galvanized steel; corrosion; bismuth concentration