AVALIAÇÃO DA CORROSÃO ATMOSFÉRICA DE SISTEMAS COM AÇOS CARBONO

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1 AVALIAÇÃO DA CORROSÃO ATMOSFÉRICA DE SISTEMAS COM AÇOS CARBONO M. M. R. Castro(2); C. F. O. Gonçalves(1); J. S. Limoeiro(1); L. C. Mello(1); M. S. Oliveira(1); T. C. E. Alvarenga(1); F. A. Ramalho(1). (1) alunos do curso de Engenharia Química UFMG (2) professora do Departamento de Engenharia Química UFMG Departamento de Engenharia Química - Rua Espírito Santo, 35-6 andar Centro Belo Horizonte MG - CEP: Tel.: (031) Fax: (031) s:deia@deq.ufmg.br lrcastro@brhs.com.br RESUMO O presente trabalho visa uma avaliação qualitativa da corrosão atmosférica de substratos de aços carbono, usualmente utilizados em engenharia, sendo os mesmos revestidos ou não. Os revestimentos e tratamentos superficiais investigados foram galvanização, fosfatização e pintura, isolados ou combinados entre si. A análise do desempenho foi feita através de ensaios de corrosão de névoa salina, com tempo de exposição de até 500 horas. Nestes ensaios é feita a aceleração do processo corrosivo, permitindo, desta forma, uma comparação entre os diferentes substratos e recobrimentos. Palavras-chave: aço carbono, corrosão atmosférica, teste de névoa salina ABSTRACT The aim of this work is to evaluate atmosphere corrosion of carbon steels systems, which are used in engineering construction. These systems are composed of various coated and non coated carbon steels. The researched coatings were galvanizing, phosphatization and painting. Salt spray corrosion test, with exposure time of 500 hours, was performed and the corrosion behavior of those systems was analyzed. This accelerate test allows a very good comparison of corrosion resistance in saline environment for different substrates and coatings. 1 INTRODUÇÃO Uma das áreas da Ciência e Engenharia de Materiais que tem crescido muito nos últimos tempos é a chamada Engenharia de Superfície, que inclui os recobrimentos e os tratamentos CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 33701

2 de superfície. Existe uma grande variedade de recobrimentos e a escolha de um tipo específico vai depender de vários fatores, entre eles a disponibilidade e aplicabilidade da técnica, fatores econômicos e finalidade do recobrimento [1]. Os revestimentos podem ter as seguintes finalidades: proteção contra a corrosão, decorativa e aumento da resistência ao desgaste da superfície metálica. O metal ferro, em particular é extremamente utilizado em forma de ligas que, revestidas ou não, são utilizadas em vários segmentos do mercado. O aço carbono é uma destas ligas, que apesar de possuir uma resistência relativamente baixa à corrosão é largamente utilizado para aplicações marinhas, transportes, processos químicos, produção de petróleo, tubulações e na construção civil [2]. A resistência à corrosão é uma das propriedades mais importantes sob o ponto de vista da ciência dos materiais, devido principalmente a suas possíveis aplicações nos mais diversos setores industriais. A corrosão, de uma maneira generalizada, pode ser definida como uma tendência termodinâmica de um metal retornar ao seu estado energético mais estável. Um conceito comparativo de corrosão é a representação inversa do processo metalúrgico, em que o objetivo principal é a extração do metal a partir de seus minérios ou compostos, ao passo que a corrosão tende a oxidar o metal. Muitas vezes o produto da corrosão é bem semelhante ao minério do qual o metal originalmente é extraído [3]. Para se testar o desempenho dos materiais ou sistemas frente a corrosão, ensaios apropriados são executados. Em todo ensaio experimental, o valor e confiabilidade dos dados obtidos dependem da condução adequada do ensaio. As vezes, são necessários resultados precisos ou simplesmente comparações qualitativas, mais independente do objetivo, um ensaio bem planejado e executado resulta em reprodutibilidade e confiabilidade, que são os principais fatores envolvidos em um ensaio de corrosão [4]. O ensaio de névoa salina tem sido usado freqüentemente como um ensaio acelerado para a determinação da corrosividade de metais, bem como o grau de proteção conferido por recobrimentos orgânicos e inorgânicos. O objetivo principal do teste é fornecer um padrão de desempenho aceitável para uma comparação entre materiais e recobrimentos, sendo considerado o mais aceito teste acelerado que simula os efeitos da atmosfera marinha em metais [5]. Neste trabalho é proposto uma avaliação qualitativa da corrosão atmosférica, através de ensaios de névoa salina, de substratos de aços carbono, usualmente utilizados em engenharia, sendo os mesmos revestidos ou não. Os revestimentos e tratamentos superficiais investigados foram galvanização, fosfatização e pintura, isolados ou combinados entre si. Tal análise busca CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 33702

3 contribuir diretamente com a sociedade, uma vez que a corrosão é um fator extremamente comum e oneroso. 2 ASPECTOS TEÓRICOS O aço carbono é uma liga de Fe e é o metal mais comumente utilizado em Engenharia. Apesar da sua resistência à corrosão ser considerada baixa, esse aço é utilizado em grandes quantidades em aplicações marinhas, transportes, processos químicos, produção de petróleo, tubulações e na construção civil [5]. É um material de boa conformabilidade, boa soldabilidade, de fácil obtenção, encontrado sob todas as formas de apresentação. Além disso trata-se do material de menor preço em relação à sua resistência mecânica [6]. As propriedades do aço carbono são influenciadas pela sua composição química e pela temperatura. A adição de cerca de 2% de elementos de liga ao aço lhe confere propriedades mecânicas e não produz mudanças notáveis no comportamento frente a corrosão. Porém, adições de pequenas quantidades de cobre, cromo, níquel e fósforo produzem significante redução na taxa de corrosão, em certos ambientes. O aumento da quantidade de carbono no aço produz basicamente um aumento nos limites de resistência, elasticidade, dureza e temperabilidade do aço. Em compensação, esse aumento prejudica bastante sua ductilidade e soldabilidade. ROY e HO [7] constataram que o conteúdo de carbono no aço é importante na determinação do desempenho frente a corrosão. A corrosão de uma maneira generalizada pode ser definida como uma tendência termodinâmica de um metal retornar ao seu estado energético mais estável. Os metais apresentam uma condição termodinâmica instável e tendem a mudar para uma condição estável pela formação de óxidos, hidróxidos, sais etc. Dessa maneira, a corrosão é um processo natural, na maioria das vezes indesejável. A corrosão atmosférica é definida como a degradação de um material exposto ao ar e seus poluentes [5]. Este tipo de corrosão tem sido considerada como mais danosa em termos de custos e quantidade de material danificado que qualquer outro tipo de ambiente de corrosão. O principal agente corrosivo da atmosfera é o oxigênio, que reage espontaneamente com a maioria dos metais. Porém, sua ação pode ser influenciada por fatores tais como umidade relativa, gases, conteúdo e tipo de poeira, temperatura, etc. As atmosferas podem ser classificadas em três categorias qualitativas: rural, marinha e industrial. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 33703

4 Nas atmosferas rurais, a concentração de espécies iônicas é relativamente baixa, logo a condutividade eletrolítica é fraca. Isto implica numa corrosão baixa ou mais moderada, e o grau e a intensidade dessa taxa dependerão primariamente da temperatura e da umidade do local [8]. Na atmosferas industriais, a severidade da corrosão é também função dos fatores citados acima, mas será significativamente influenciada pela presença de poluentes industriais. Esses poluentes podem ser sólidos ou gases com componentes sulfurosos ou outras emissões que tornem o eletrólito mais forte ou mais condutor, aumentando a corrosividade do sistema [8]. Já as atmosferas marinhas são ambientes bem mais severos e sua corrosividade será influenciada pela presença do íon cloreto, pela umidade, temperatura, tempo de contato do material com a umidade, direção dos ventos, etc [8]. Métodos normalmente utilizados na pesquisa e avaliação da corrosão atmosférica incluem ensaios de longo tempo, usualmente de 1 a 10 anos, de exposição no campo e ensaios acelerados de laboratório. Os ensaios acelerados são muito utilizados e fornecem várias informações importantes. Porém, não reproduzem com fidelidade as condições ambientais naturais, não apresentando, portanto, resultados que possam ser comparados e correlacionados com os obtidos nos ensaios de campo. Os ensaios acelerados incluem os ensaios de névoa salina, de câmara úmida e ensaios ciclados (ciclos de umedecimento e secagem), dentre outros. O teste de névoa salina tem sido usado em grande extensão como um ensaio acelerado para determinação da corrosividade de metais, bem como o grau de proteção conferido por recobrimentos orgânicos e inorgânicos. Tem sido também amplamente aceito como uma ferramenta para avaliar a uniformidade de espessura e porosidade de recobrimentos metálicos e não metálicos. O objetivo principal do teste é fornecer um padrão de desempenho aceitável para uma comparação entre materiais e recobrimentos, e é considerado o mais aceito ensaio acelerado que simula os efeitos da atmosfera marinha em metais com ou sem proteção [5]. Embora amplamente utilizados para fins de especificações, os resultados desse ensaio raramente podem ser relacionados com o desempenho em serviço. Além disso, não se pode estabelecer uma relação direta entre a resistência à corrosão em névoa salina e a resistência em outros meios, porque a química das reações, incluindo a formação de filmes e sua habilidade de ser protetivo, freqüentemente varia grandemente com as condições do sistema [8, 9]. Muitas revisões nos procedimentos dos testes e melhorias nas câmaras dos equipamentos têm sido executadas a fim de eliminar muitas das variáveis que têm causado tanto criticismo a respeito deste ensaio. Como resultado, embora existam ainda variáveis que CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 33704

5 devam ser investigadas, estes ensaios têm sido considerados, atualmente, bem mais confiáveis e úteis. Os métodos mais aceitos para execução dos ensaios de névoa salina são as normas ASTM B117 e G85 [5]. O teste de névoa salina neutro [9] é o mais comumente usado, tendo duração de 8 a 3000 horas, dependendo do produto a ser analisado. A solução a ser atomizada consiste de NaCl a 5%, com teor de sólidos máximo de 200 ppm e ph na faixa de 6,5 a 7,2. A temperatura da cabine é mantida em 35 (+1,1 ou -1,7) C. A corrosão atmosférica pode ser um sério problema para as estruturas de metais e ligas, embora ela usualmente possa ser inibida ou controlada pela aplicação de sistemas protetores adequados. A maioria dos métodos de controle da corrosão consiste em intercalar uma camada protetora entre o metal e o meio corrosivo. Essas camadas protetoras são de formação natural ou artificial e, em alguns casos, simultânea. Tais camadas podem ser depositadas na superfície do metal por diferentes técnicas de acordo com a aplicação desejada, disponibilidade, custo, etc. Atualmente, a grande variedade de meios e materiais, juntamente com novos conceitos de projetos de componentes e considerações de reparo e manutenção tem provocado um grande aumento no número das técnicas de recobrimentos [10]. A galvanização é um revestimento metálico que se obtém por imersão do material metálico em um banho fundido de Zinco ou por eletrodeposição do Zinco. Os sistemas galvanizados apresentam boa resistência à corrosão, sendo essa a principal razão do emprego da técnica, representando mais de metade do consumo mundial de zinco. É muito usada em componentes de torres de transmissão e distribuição, estrutura de subestações, condutos para ar condicionado, chapas para cobertura e para silos, vergalhões para concretos, arames, eletrodutos etc. Quando as superfícies galvanizadas são expostas em ambientes naturais, com condições atmosféricas normais, o tempo de vida útil é bastante logo, mas é reduzido se colocadas em ambientes agressivos como atmosféricas industriais e salinas. Em superfícies recém-galvanizadas, é recomendável tratamentos químicos como fosfatização e pintura. Tintas ricas em zinco apresentam excelente aderência às superfícies galvanizadas, muito provavelmente devido a afinidade existente entre o zinco da camada fosfatizada e o zinco da tinta [3]. A fosfatização é um tratamento de superfície que consiste na aplicação de uma camada de fosfato sobre variados materiais metálicos como ferro, zinco, alumínio, cádmio e magnésio. Quando um metal é imerso em um banho fosfatizante, ocorrerá um ataque ácido ao metal base, devido à presença de íons H +. O processo de fosfatização se inicia com uma reação de CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 33705

6 corrosão onde o ácido fosfórico atua apenas como agente corrosivo, formando o fosfato primário do metal. Além disso, tem-se a formação de fosfatos secundários e terciários, que podem depositar-se sobre a superfície metálica [3]. O recobrimento fosfático não tem, isoladamente, efeitos marcantes no combate a corrosão, sua grande importância se baseia na exaltação de outros meios, bastante conhecidos, de proteção. De todos os métodos aplicados no combate à corrosão, um dos mais difundidos é aquele baseado em tintas, não por ser sempre a melhor solução, mas por ser o revestimento de mais fácil aplicação e, na grande maioria das vezes, o mais econômico [3]. O pigmento é um dos constituintes da tinta que tem como objetivo, a proteção anticorrosiva, cor e melhoria das características mecânicas da película [3]. A película que se forma sobre a base, superfície na qual a tinta foi aplicada, deve ser considerada de grande importância pois, em razão de suas características, um sistema de pintura anticorrosiva pode ou não apresentar desempenho satisfatório. Existem, basicamente, quatro processos para a aplicação de uma tinta sobre uma superfície: imersão, aspersão, a trincha, o rolo [3]. A fase mais onerosa de uma pintura é a limpeza da superfície. Após a pintura final, durante a utilização do equipamento, devem ser programadas inspeções periódicas de manutenção visando manter sempre integral a película inicial de tinta. 3 METODOLOGIA 3.1 AMOSTRAS Foram utilizadas nos ensaios amostras retangulares de 10 x 15 cm de três tipos de aço carbono, produzidos pela USIMINAS, aqui denominados ACC, ACG e AGI: ACC (Aço Carbono Comum): Aço carbono comum que deve possuir entre 0,008% e 2,11% de carbono, além de certos elementos residuais resultantes do processo de fabricação. Esses elementos foram determinados antes dos ensaios de corrosão. ACG (Aço Carbono Galvanizado- USIGALVE): Aço que tem como substrato o aço carbono comum citado acima e como revestimento Zn (zinco eletrolítico). AGI (Aço Carbono galvanizado por Imersão à quente- GALVANEED): Aço obtido de zincagem por imersão a quente. Devido a reação do ferro com o zinco fundido e a conseqüente difusão do zinco, o revestimento é constituído de camadas de liga zinco e ferro CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 33706

7 que são progressivamente mais ricas em zinco à medida que se aproxima da superfície externa. A camada superficial deve ser constituída essencialmente por zinco puro. 3.2 MÉTODOS DETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇÃO DOS SUBSTRATOS Para determinação da composição dos aços carbono utilizados foram realizados análises de espectofotometria de chama, exceto para a determinação da quantidade de Zn, que foi feita através de análise química via úmida e por espectrofotometria de absorção atômica RECOBRIMENTOS FOSFATIZAÇÃO As amostras a serem fosfatizadas foram limpas com detergente, enxaguadas com água e acetona. A secagem foi feita a temperatura ambiente. A obtenção da solução fosfatizante foi feita misturando-se 6,4 g de ZnO em 100ml de água destilada, em seguida adicionando-se 1,64 g de (NiNO 3 ) 2.6H 2 O, 10 ml de H 3 PO 4 e 4 ml de HNO 3. O volume foi então completado para um litro de solução. A solução resultante foi aquecida de tal forma a promover a solubilização completa dos reagentes. A partir de então, as placas foram imersas e deixadas na solução durante 10 minutos. Após a retirada, os corpos-de-prova foram secos utilizando-se um secador a quente. PINTURA Todas as amostras foram lavadas com detergente e enxaguadas com água e acetona antes da pintura. As placas foram mergulhadas e retiradas em seguida do recipiente que continha a Tinta opex primer universal, (marca Sherwin Williams para acabamento automotivo). O excesso de tinta foi retirado por escoamento. As placas foram colocadas em um aparato para secar durante 48 horas em temperatura ambiente ENSAIOS DE NÉVOA SALINA As amostras de aço carbono passaram por uma limpeza alternada a base de água e acetona, porém utilizou-se água com detergente para promover o desengraxamento. As amostras a serem analisadas foram pesadas imediatamente antes da exposição. Foi feito um risco na superfície das amostras. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 33707

8 As amostras foram colocadas na câmara de Salt-spray (DURR CA 680 produzida pela DRUCKMAN) que opera de acordo com a norma ASTM B117. Os testes tiveram duração de 500 horas. A solução atomizada consistiu de 5 ± 0,5% NaCl, com teor de sólidos máximo de 200 ppm e ph de 6,5 a 7,2. A temperatura da câmara foi de 36 0 C ± 2 0 C e a pressão de 1,0 a 1,2 Kgf/Cm 2. A tabela 1 apresenta as características das amostras ensaiadas. Tabela 1 Características das amostras ensaiadas na câmara de névoa salina Substrato Submissão a tratamento (tipo de aço) Nenhum Pintura Fosfatização ACC ACC ACC ACC ACG ACG ACG ACG AGI AGI AGI AGI 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1 AMOSTRAS As amostras de aço carbono foram analisadas quanto ao teor de seus componentes. A tabela 2 a seguir indica as composições de cada um dos aos carbono utilizados: ACC, ACG, AGI. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 33708

9 Tabela 2- Análise química dos Aços carbono (% p/p) COMPOSIÇÃO ELEMENTO ACC ACG AGI C 0,0671 0,0641 0,411 Si <0,0100 <0,0100 0,0190 Mn 0,252 0,296 0,652 P 0,0248 0,0217 0,0319 S 0,0196 0,0178 0,0250 Cr 0,0666 0,0714 0,187 Mo <0,0050 <0,0050 0,0531 Ni 0,0286 0,0302 0,0243 Al 0, ,0441 0,135 Co <0,00500 <0, ,184 Cu <0,0100 <0,0100 0,660 Nb 0, , ,133 Ti 0, , ,0520 V <0,00500 <0, ,322 W <0,0500 <0,0500 0,731 Sn <0,0050 <0,0050 0,0453 Zn ,8400 1,54 Fe 99,48 <98,59 <95,79 Observação: As porcentagens de Fe foram calculadas pela diferença dos outros elementos. 4.2 ENSAIO DE NÉVOA SALINA SUBSTRATOS SEM RECOBRIMENTO Para os aços ACC e ACG foi observada intensa corrosão, já nas primeiras horas do ensaio, de forma generalizada. O aço AGI também apresentou corrosão intensa e generalizada. Para os aços ACG e AGI foi observada a formação de produtos de corrosão de aspecto esbranquiçado na superfície das amostras (não apenas sal da névoa por não ser totalmente solúvel em água). Este produto poderia ser relacionado com a presença do zinco na composição desses aços e a possível formação de óxido de zinco. A Figura 1 a seguir apresenta a superfície do aço ACC após o ensaio de névoa salina. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 33709

10 10cm Figura 1: Superfície do aço ACC após o ensaio de névoa salina SUBSTRATOS FOSFATIZADOS Novamente observou-se corrosão intensa e generalizada em toda superfície do aço ACC. Para os aços ACG e AGI apresentaram corrosão menos intensa, mas com características semelhantes ao desses aços sem recobrimento SUBSTRATOS PINTADOS O aço ACC sofreu corrosão considerável na região ao redor do risco. Também foi constatado o desprendimento de parte da tinta da superfície do aço nas regiões onde ocorreu avanço da corrosão. Já o aço ACG praticamente não sofreu corrosão, mesmo na região onde foi riscado, ficando a tinta perfeitamente aderida à superfície. O aço AGI chegou ao final do ensaio com as características originais, sem apresentar indícios de corrosão, mesmo na região do risco. O aspecto da pintura também foi satisfatório e não ocorreu o seu descolamento SUBSTRATOS FOSFATIZADOS E PINTADOS O desempenho dos substratos submetidos a estes processos de proteção foram semelhantes ao observado para o caso anterior. Novamente os aços ACG e AGI se mostraram muito resistentes as condições de ensaio e praticamente não sofreram nenhuma degradação nas superfícies, mesmo nas regiões do risco. A pintura, nesses casos permaneceu intacta. Já o aço CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 33710

11 carbono comum ACC teve grande parte da sua camada de tinta desprendida pelo produto de corrosão que avançou de forma generalizada. A Figura 2 apresenta a superfícies das amostras dos aços ACC e ACG, ambas fosfatizadas e pintadas, após o teste de névoa salina. É importante ressaltar que esses substratos possuem o mesmo metal base. ACC ACG Figura 2: Superfícies dos aços ACC e ACG, ambos fosfatizados e pintados, após o ensaio de névoa salina. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 33711

12 Avaliando-se o desempenho para o ensaio de 500 horas pôde-se observar que a fosfatização ofereceu vantagens adicionais aos substratos que continham tratamento de Zn em sua superfície, ou seja, aos aços ACG e AGI, que apresentaram um pintura aparentemente mais aderente nas bordas das amostras. A fosfatização mostrou-se ineficaz quando foi utilizada para tratamento do aço carbono comum ACC, que sofreu corrosão mesmo tendo sua superfície pintada após o tratamento fosfatizante, indicando que sua aplicação só teve efeito prático para as amostras previamente tratadas com a adição de Zn nas suas superfícies. 5 CONCLUSÕES O aço carbono comum mostrou-se pouco resistente à corrosão na atmosfera em névoa salina. Os aços galvanizados ensaiados, mesmo submetidos ao tratamento de fosfatização, necessitam de um revestimento como, neste caso, a pintura, para resistir a ambientes altamente agressivos com foi o teste. O tratamento de fosfatização, isoladamente, não se mostrou eficiente na melhoria do desempenho frente à corrosão em névoa salina. Porém, no caso do aços carbono galvanizados que passaram pelo processo de fosfatização e pintura, percebeu-se uma maior aderência da tinta, o que contribuiu para um melhor desempenho frente as condições do ensaio. Para o aço carbono comum, mesmo quando pintado, a fosfatização não ofereceu vantagens adicionais ao ambiente de névoa salina, mostrando necessidade de um tratamento prévio da superfície, como a galvanização. Em uma avaliação final, os resultados mostram a importância de investimentos em processos de tratamento de superfície dos aços carbono comum. Nestes casos, os substratos apresentaram desempenhos sempre superiores daqueles apresentados pelos aços sem tratamento. As superfícies tratadas podem oferecer características que atendam as necessidades de serviço, e desta forma podem substituir aços mais nobres e de custos mais elevados, sob determinadas condições. 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] RICKERBAY, D.S.;MATTHEWS, A. Advanced Surface Coatings A Handbook of Surface Engineering. New York. Capman and Hall, 1991, 368p. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 33712

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