Corrosão e Protecção - GECEAgecea.ist.utl.pt/Ensino/RCPC/RCPC_2006.pdf · A corrosão resulta da...
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Corrosão e Protecção
Docente: João Salvador FernandesLab. de Tecnologia Electroquímica
Pavilhão de Minas, 2º AndarExt. 1964
2João Salvador – IST 2006
Introdução
Definição de Corrosão“Deterioração de um material ou das suas propriedades devida a reacção com o meio envolvente” (NACE)
Algumas definições entendem que “corrosão” tem que envolver uma reacção electroquímica (e um metal)
Outras definições, mais abrangentes, poderão incluir todas as alterações induzidas pelo meio sobre os materiais ⇒ neste caso não só metais mas também polímeros, cerâmicos, pedra, madeira, ... e admitem também que, para além do próprio material, as suas propriedades podem deteriorar-se
3João Salvador – IST 2006
Introdução
Considerações EnergéticasA corrosão resulta da tendência que os materiais têm em voltar ao seu estado de menor energia, que é o que se encontra naturalmente no seu minério de origem;
A obtenção do metal faz-se à custa do fornecimento de energia (processos metalúrgicos)
A tendência do metal será, pois, voltar ao estado original, i.e., à sua forma oxidada
Corrosão
MetalurgiaComposto + Energia Metal
4João Salvador – IST 2006
Introdução
Custos devidos à corrosãoCustos directos
Custos de substituição de peças danificadas (incluindo energia e mão de obra)
Custos de manutenção de sistemas de protecção (revestimentos, protecção catódica, ...)
Custos indirectosParalisações
Perda de produto
Perda de eficiência
Contaminação de produtos
Necessidade de sobredimensionamento dos projectos
Outros custosSegurança de instalações, cuja falha pode resultar em perdas humanas (automóveis, aviões, pontes, tubagens, tanques, etc)
Degradação de monumentos
5João Salvador – IST 2006
Introdução
Custos devidos à corrosão
Em 1988, um Boeing 737-200 da Aloha Airlinesperdeu parte da sua fuselagem durante o vôo, causando a morte de um tripulante
6João Salvador – IST 2006
Introdução
Custos devidos à corrosão
O acidente ocorrido em 1979 no reactor 2 de Three MileIsland teve origem numa fuga de fluido de arrefecimento que pode ter sido devida a corrosão sob tensão
7João Salvador – IST 2006
Introdução
Custos devidos à corrosão
Acidente de aviação devido a corrosão sob tensão:A 4 de Outubro de 1992, um avião de carga Boeing 747 da EL AL despenhou-se em Amsterdão, matando os 4 tripulantes e ainda mais de 50 pessoas no solo. A causa do acidente foi a ejecção dos motores 3 e 4, situados na asa direita, com a consequente perda de controlo da aeronave.A causa para a separação do motor nº 3 foi a quebra de um pino. Este pino destinava-se a partir-se em situações de emergência, em caso de bloqueio do motor durante o vôo. Contudo, devido a corrosão sob tensão, o pino partiu-se sem motivo aparente. Por seu lado, a ejecção do motor 3 arrastou consigo o motor 4.
8João Salvador – IST 2006
Introdução
Custos devidos à corrosão
A Estátua da Liberdade estáexposta à atmosfera marítima, ficando sujeita a vários tipos de corrosão (em particular corrosão galvânica do aço estrutural em contacto com o cobre do revestimento externo. O seu restauro, realizado nos anos 80, levou 5 meses a concluir e custou US$ 780 000.
9João Salvador – IST 2006
Introdução
Custos anuais da corrosãoestimativa em 1998 (3.1% do PNB)
P A ÍS P N B – 1998 (b iliõ es d e d ó la res )
C U S T O D A C O R R O S Ã O (m ilh õ es d e d ó la res )
E .U .A . 8 790 276 000
Ja pão 3 940 122 100
A lem anha 2 150 66 650
F rança 1 450 45 000
In g la te rra 1 410 43 700
P o rtuga l 111 3 441 (690 m ilhões de con tos )
o custo anual devido a desastres naturais nos EUA é de aprox. 17 biliões de US$
o custo anual per capita da corrosão nos EUA é de $970/pessoa/ano
estima-se que a quantidade de ferro destruída, anualmente, devido àcorrosão, equivale a 25%-30% da produção anual de ferro.
10João Salvador – IST 2006
Introdução
Um bom projecto e controlo (trabalhos do engenheiro) podem reduzir os custos da corrosão
Durante as últimas décadas, muitas medidas foram desenvolvidas para minorar os efeitos da corrosão
Ainda há muito para fazer, tanto ao nível do desenvolvimento científico e tecnológico como das práticas de gestão industrial
Os custos da corrosão nunca serão completamente eliminados, mas ainda é possível uma redução de 25 a 30% dos custos anuais.
Consultar http://www.corrosioncost.com
Muitas das perdas por corrosão podem ser evitadas
11João Salvador – IST 2006
Introdução
Usos benéficos da corrosão
A Estátua da Imperatriz Sissi, no Funchal, da autoria do Mestre Lagoa Henriques, tira partido da corrosão como meio de acentuar o contraste entre o vestido (onde se observa uma patina azulada) e a pele (onde se conserva a cor natural do bronze).
12João Salvador – IST 2006
Introdução
Usos benéficos da corrosão
Um anuncio da Audiao seu modelo A2, com carroçaria em alumínio, tira partido da elevada resistência à corrosão deste material, comparada com a resistencia do aço.
14João Salvador – IST 2006
Princípios de Electroquímica
Quando se imerge uma placa de zinco numa solução ácida, ocorre o seguinte processo:
Esta reacção pode ser traduzida pela seguinte equação química global:
−+ +→ 2eZnZn 2
2H2e2H →+ −+
22 HZnH 2 Zn +→+ ++
Pode também ser escrita sob a forma de duas semi-reacções:
15João Salvador – IST 2006
Princípios de Electroquímica
A reacção Zn → Zn2+ + 2 e- é uma reacção de oxidação:Oxidação é uma reacção onde uma espécie química perde electrões
O estado de oxidação dessa espécie aumenta (torna-se mais positivo)
O eléctrodo onde se dá uma oxidação é o ânodo
Redução é uma reacção onde uma espécie química ganha electrões
O estado de oxidação dessa espécie diminui
O eléctrodo onde se dá uma redução é o cátodo
A reacção 2 H+ + 2 e- → H2 é uma reacção de redução:
16João Salvador – IST 2006
Princípios de ElectroquímicaP O TENCIA IS E LECTRO Q UÍM ICO S
P ADRÃO
Au / Au 3+ + 1 ,50 V
P t / P t2+ + 1 ,20 V
H 2O / O 2 + 1 ,229 V
Ag / Ag+ + 0,799 V
O H - / O 2 + 0 ,401 V
Cu / Cu 2+ + 0 ,337V
H 2 / H + ± 0 ,00 V
Pb / Pb 2+ - 0,126 V
Sn / Sn 2+ - 0,136 V
M o / M o3+ - 0,200 V
N i / N i2+ - 0,250 V
Co / Co 2+ - 0,277 V
Cd / Cd 2+ - 0,403 V
Fe / Fe2+ - 0,440 V
Cr / C r3+ - 0,740 V
Zn / Zn 2+ - 0,763 V
Ti / T i2+ - 1 ,63 V
A l / A l3+ - 1 ,66 V
M g / M g2+ - 2 ,37 V
a cada um dos equilíbrios correspondem potenciais (ou tensões) de eléctrodo
por convenção, atribuiu-se o valor zero ao potencial do eléctrodo normal (padrão) de hidrogénio (pH2=1 atm, aH+=1 ião-grama.l-1, T=25°C)
os potenciais dos outros sistemas são referidos em relação ao ENH
as tabelas de potenciais padrão de eléctrodo (potenciais normais a 25°C) são normalmente chamadas Séries Electroquímicas
o potencial é tanto mais alto quanto mais nobre for o metal (mais difícil de oxidar)
17João Salvador – IST 2006
Princípios de Electroquímica
As condições de medida de um potencial padrão raramente se verificam:
actividades das espécies iónicas não são unitárias
temperatura diferente de 25°C
existem impurezas nos metais
os metais podem ser portadores de um eléctrodo gasoso
pode formar-se uma camada de óxido
...
Em Corrosão, as Séries Electroquímicas (padrão) são encaradas com alguma reserva
Opta-se por obter tabelas de potenciais dos metais em meios específicos (potenciais galvânicos) ⇒ séries galvânicas
Os potenciais galvânicos são diferentes dos potenciais padrão, podendo mesmo haver inversão nas posições relativas dos metais na série
18João Salvador – IST 2006
Princípios de Electroquímica
Série Electroquímica Padrão versus Série Galvânica (em solução de NaCl a 3%)(potenciais relativos ao ENH)
POTENCIAIS ELECTROQUÍMICOS PADRÃO
Pt / Pt2+ + 1,20 V
Ag / Ag+ + 0,799 V
Cu / Cu2+ + 0,337 V
Pb / Pb2+ - 0,126 V
Sn / Sn2+ - 0,136 V
Ni / Ni2+ - 0,250 V
Cd / Cd2+ - 0,403 V
Fe / Fe2+ - 0,440 V
Cr / Cr3+ - 0,740 V
Zn / Zn2+ - 0,763 V
Ti / Ti2+ - 1,63 V
Al / Al3+ - 1,66 V
Mg / Mg2+ - 2,37 V
POTENCIAIS GALVANICOS (em solução de NaCl 3%)
Pt + 0,47 V
Ti + 0,37 V
Cr + 0,23 V
Ag + 0,20 V
Cu + 0,05 V
Ni - 0,02 V
Sn - 0,25 V
Pb - 0,26 V
Fe - 0,50 V
Cd - 0,52 V
Al - 0,63 V
Zn - 0,83 V
Mg - 1,45 V
19João Salvador – IST 2006
Processos num sistema em corrosão
O conjunto dos dois eléctrodos forma uma célula electroquímica ⇒ célula de corrosão
20João Salvador – IST 2006
Processos num sistema em corrosão
Um processo de corrosão pode decompôr-se em:a) Processo anódico (oxidação)
b) Processo de transporte de electrões e transporte de iões
c) Processo catódico (redução)
Então:Um metal Um metal ssóó se corrse corróóii (dissolu(dissoluçção anão anóódica) se simultaneamente dica) se simultaneamente houver um processo cathouver um processo catóódico com potencial superior ao do eldico com potencial superior ao do elééctrodo ctrodo metmetáálicolico
Por exemplo: em água pura, sem oxigénio, apenas se corroem os metais cujo potencial é inferior ao potencial do eléctrodo de hidrogénio
21João Salvador – IST 2006
Teoria das células locais
Célula constituída por dois metais:o metal de menor potencial (menos nobre) funciona como ânodo
o metal de maior potencial (mais nobre) funciona como cátodo ou como portador do cátodo
Exemplo: cobre e zinco
Zn ⎯→ Zn2+ + 2 e-
Cu2+ + 2e- ⎯→ Cu
2 H+ + 2e- ⎯→ H2
O2 + 2 H2O + 4e- ⎯→ 4 OH-
Ânodo
Cátodo
23João Salvador – IST 2006
Teoria das células locais
Exemplo: cobre e zinco (em solução com iões Cu2+)
Zn
Cu2+
CuDissolução
do zincoDeposiçãodo cobre
CátodoÂnodo
Zn2+ I
e-
24João Salvador – IST 2006
Teoria das células locais
Célula constituída por um só metal:
Teoria das Células Locais ⇐ Delarive
Células de corrosão = Células Locais
os ânodos e os cátodos encontram-se, lado a lado, sobre o mesmo metal
a superfície, sendo heterogénea, permite o estabelecimento de zonas diferentes:
zonas mais nobres ⇒ cátodos
zonas menos nobres ⇒ ânodos
as heterogeneidades podem dever-se a:
processo de fabrico: composição (limites de grão), laminagem, ...
ligas (diferentes fases)
manuseamento: mãos, utensílios,...
acção do meio: armazenamento, radiações, ...
25João Salvador – IST 2006
Teoria das células locais
H+Zn2+
Dissolução do zinco
Libertação de H2
Ânodo Impurezas de Cu
(cátodos)
26João Salvador – IST 2006
Teoria dos Potenciais Mistos
Ânodos e cátodos locaisInfinitamente pequenos
Distribuídos uniformemente na superfície
Mudam de posição ao longo do tempo
27João Salvador – IST 2006
Corrosão Uniforme e Corrosão Localizada
Corrosão UniformeNas condições anteriores, com ânodos e cátodos: que
são muito pequenos
estão distribuídos uniformemente na superfície
variam de posição no decurso do processo
Corrosão localizadaCélulas de corrosão fixas
dissolução anódica sempre nos mesmos locais
processo de redução sempre nos mesmos locais
28João Salvador – IST 2006
Corrosão Uniforme e Corrosão Localizada
Corrosão Localizada
Ânodofixo
Cátodofixo
Superfície heterogénea
Superfície homogénea
Ânodos e cátodosdispersos e
alternam posições
Corrosão Uniforme
29João Salvador – IST 2006
Corrosão Uniforme vs Corrosão Localizada
MUITO MAIS PERIGOSA
CORROSÃO UNIFORME CORROSÃO LOCALIZADAem princípio, poderia levar àfalha da estrutura por diminuição de espessura
dado que é facilmente detectada (e que deteriora a aparência das peças), estas são normalmente reparadas antes de haver riscos estruturais
a vida do equipamento pode ser estimada com base em medidas simples (mm/ano, mg/dia/dm2)
difícil de detectar
as suas consequências são difíceis de prever
devido à relação entre áreas (anódicas e catódicas) a velocidade de corrosão no ponto atacado pode ser muito elevada
30João Salvador – IST 2006
Diagramas de Equilíbrio E-pH (Pourbaix)
Actividade (ou dissolução ou corrosão), quando um metal se encontra nas condições correspondentes à estabilidade dos seus iões simples ou complexos.
Imunidade, quando um metal se encontra nas condições correspondentes à sua estabilidade termodinâmica
Passividade, é o estado em que o metal não sofre praticamente corrosão, por se encontrar recoberto por um filme (no entanto não se encontra no estado de imunidade).
A sua tensão é sempre mais nobre do que a do metal imune.
Um metal passivo pode ainda dissolver-se, se bem que muito lentamente (corrosão passiva), tudo dependendo das características condutoras das películas passivas.
Comportamento de um metal em meio aquoso
32João Salvador – IST 2006
Determinação de Velocidades de Corrosão
Velocidades de Corrosão
Perda de massa ∆m ⇒ mdd (mg.dm-2.dia-1)
Diminuição da espessura do material ∆e ⇒ mm/ano
Tem-se:
densidadetAm
te ∆∆=
∆∆ .
33João Salvador – IST 2006
Determinação de Velocidades de Corrosão
Ensaios de Exposição Natural
Ensaios Acelerados
Ensaios Electroquímicos
34João Salvador – IST 2006
Determinação de Velocidades de Corrosão
Morosos
Fornecem valores médios
Inconclusivos se houverformação de produtos sólidos
Ensaios de Exposição Natural
35João Salvador – IST 2006
Determinação de Velocidades de Corrosão
Ensaios AceleradosMaior rapidez
Modificação dos mecanismos
36João Salvador – IST 2006
Determinação de Velocidades de Corrosão
Ensaios ElectroquímicosEquação de Faraday
Icorr <> A (Ampere) ≡ C.s-1
F (cte de Faraday) = 96500 C mole-1
(carga de uma mole de electrões)nFtMIm corr
∆=∆
nFMiAt
mr corr=∆∆= .nF
tAMim corr∆
=∆..
mdd <> mg dia-1 dm-2
ρρ Atmrr ∆
∆=='mm ano-1
Medidas rápidas
Dificuldades em reproduzir condições
38João Salvador – IST 2006
Corrosão Uniforme
também chamada corrosão generalizada
traduz-se num ataque uniforme ao metal, que pode perder o seu brilho e tornar-se rugoso
pode ser explicada pela teoria dos potenciais mistos
39João Salvador – IST 2006
Corrosão por Picadas
é uma forma de corrosão localizada
origina picadas com uma área pequena e que podem atingir uma profundidade considerável
a corrosão por picadas verifica-se em metais passivos, na presença certos iões agressivos (principal-mente os cloretos)
entre os metais mais expostos, situam-se os aços inoxidáveis, o alumínio (e suas ligas) e o ferro
40João Salvador – IST 2006
Corrosão por Picadas
a corrosão por picadas verifica-se em metais passivos, na presença certos iões agressivos
entre os metais mais expostos, situam-se os aços inoxidáveis, o alumínio (e suas ligas) e o ferro
os iões agressivos mais frequentes são os cloretos, mas também outros halogenetos (e ClO4
-, p.ex)
a ocorrência de corrosão por picadas envolve a existência de um filme protector e de iões agressivos
41João Salvador – IST 2006
Corrosão por Picadas
Medidas PreventivasDeve escolher-se um material conhecido por não sofrer corrosão por picadas no meio de serviço.
De entre os aços inoxidáveis, uns são mais resistentes à corrosão por picadas do que outros:
Da adição de 2% de Mo ao aço inox 18-8 (Tipo 304) resulta o aço 18-8Mo (Tipo 316), muito mais resistente às picadas
O aço 316 pode, por vezes, ser usado em água do mar, ao contrário do 304
De uma forma genérica
Aço inox 304Aço inox 316
Hastelloy (Ni/Cr), Nionel (Ni/Cr/Fe), Aços inox superausteníticos (20Cr-18Ni-6Mo-0.2Ni).
Aços inox superferríticos (30Cr-4Mo)TitânioR
esis
tên
cia
às
pica
das
42João Salvador – IST 2006
Corrosão Intersticial
é também uma forma de corrosão localizada
ocorre em áreas protegidas (cobertas)
é associada à existência de zonas com pequenos volumes de solução estagnada, cuja renovação e oxigenação é difícil
43João Salvador – IST 2006
Corrosão Intersticial
semelhanças com a corrosão por picadas:
ambas envolvem o estado passivo
em ambos os casos existe um passo de iniciação e outro de propagação
diferenças face à corrosão por picadas:
na corrosão intersticial não énecessária a presença de aniões agressivos, embora eles a acelerem
pode ocorrer em vários meios (cloretos, sulfatos, nitratos,...)
a corrosão intersticial dá-se mais facilmente do que a corrosão por picadas ⇒ a activação para a corrosão intersticial necessita de um potencial inferior ao Er das picadas
de um ponto de vista de engenharia, a corrosão intersticial de aços inoxidáveis em água do mar é mais importante do que a corrosão por picadas
44João Salvador – IST 2006
Corrosão Intersticial
Medidas PreventivasEvitar a ocorrência de interstícios nas juntas de materiais:
utilizar soldaduras contínuas em vez de rebites ou parafusos
Tapar os interstícios através de sobreposição de material (solda,...)
Inspeccionar os equipamentos e remover depósitos que possam criar interstícios
Remover sólidos em suspensão que possam criar esses depósitos
Utilizar revestimentos adequados
Projectar o equipamento de modo a não criar zonas propícias àacumulação de líquidos estagnados
Proceder a uma correcta selecção de materiais: Ex: de entre os aços inoxidáveis, os 316 e 316L (contendo Mo) apresentam uma maior resistência à corrosão intersticial (mas continuam a ser atacados...)
45João Salvador – IST 2006
Corrosão Galvânica
Corrosão GalvânicaQuando dois metais diferentes, na presença de um electrólito, são postos em contacto, a diferença de potenciais entre eles dáorigem à passagem de uma corrente eléctrica:
O metal de potencial mais baixo funcionarácomo ânodo, corroendo-se
O metal de potencial mais elevado torna-se cátodo
A corrosão galvânica pode ser reconhecida pela ocorrência de corrosão nas juntas entre metais diferentes.
A razão entre área anódica e catódica émuito importante (ex: nunca usar rebites de aço em cobre)
46João Salvador – IST 2006
Corrosão Galvânica
O efeito da corrosão galvânica é maior na zona de contacto entre os metais
Quanto maior a resistência das soluções, maior o grau de localização
Como já foi visto, a relação entre áreas é de grande importância:
Situações com SC/SA>>1 são perigosas, pois concentram a corrosão em áreas reduzidas
Situações com SC/SA<<1 são favoráveis, pois a corrosão espalha-se por uma área anódica elevada
Por ex., na utilização de rebites éfundamental que estes sejam mais nobres que o material base (ex: nunca usar rebites de aço em cobre)
A
CCACCAACA S
SiiSiSiII =⇒=⇒= ..
47João Salvador – IST 2006
Corrosão Galvânica
Medidas PreventivasUsar combinação de metais semelhantes (em termos de série galvânica)
Evitar relações desfavoráveis entre áreas catódicas e anódicas ⇒ devem usar-se cátodos pequenos e ânodos grandes
Se possível, evitar o contacto, colocando um isolante entre os dois metais
Aplicar revestimentos; conservá-los em bom estado, sobretudo os que revestem o ânodo
Evitar rebites e parafusos ⇒ substituir por soldaduras com soldas nobres
O metal menos nobre deve ser o mais fácil de substituir (ou ter espessura extra)
Usar protecção catódica, protegendo ambos os metais
48João Salvador – IST 2006
Corrosão Selectiva
Corrosão Selectiva
Consiste na dissolução preferencial de um elemento constituinte de uma liga
O caso mais comum é a corrosão selectiva do latão (liga de Cu e Zn)
Processos similares podem ocorrer noutras ligas, com remoção selectiva de alumínio, ferro, cobalto, crómio, etc.
O uso da designação genérica “Corrosão Selectiva” evita a criação de um novo nome para cada caso (dezincificação, desaluminização, descobaltização, !!!)
49João Salvador – IST 2006
Corrosão Selectiva
Corrosão Selectiva do LatãoO latão é uma liga de cor amarela, com aproximadamente 30% de zinco e 70% de cobre
Na corrosão selectiva do latão, o zinco é corroído preferencialmente, deixando o material frágil e poroso.
É facilmente detectada pelo aparecimento da coloração vermelha típica do cobre que contrasta com o amarelo do latão.
Pode dar-se de forma uniforme (generalizada) ou localizada
50João Salvador – IST 2006
Corrosão Selectiva
Corrosão Selectiva Uniforme do Latão
É o tipo mais comum em latões com alto teor em zinco (>35%)ou em meios ácidos
51João Salvador – IST 2006
Corrosão Selectiva
Corrosão Selectiva Localizada do Latão
No inglês plug-type
Predomina em latões com baixo teor em zinco ou em meios neutros ou básicos
Na figura ao lado, as zonas afectadas ficaram mais escuras, enquanto que o resto do tubo se mantém em relativo bom estado
52João Salvador – IST 2006
Corrosão Selectiva
Medidas PreventivasRedução da agressividade do meio (ex: remoção do oxigénio)
Protecção catódica (quando é técnica ou economicamente viável)
Utilização de ligas menos susceptíveis:
latão vermelho (~15% Zn)
cuproníqueis (70-90% Cu, 30-10% Ni)
Adição de certos elementos de liga, como arsénio, antimónio ou fósforo que actuam como inibidores, redepositando-se na liga sob a forma de um filme (ex: 70Cu-29Zn-1Sn-0.04As – Admiralty arsenical)
53João Salvador – IST 2006
Corrosão Selectiva
Uso Benéfico da Corrosão SelectivaO enriquecimento em Cr do filme passivo nos aços inoxidáveis ébenéfico
Também dar-se o enriquecimento em Si nos filmes passivos dos aços inoxidáveis ⇒ maior resistência à corrosão por picadas
A dissolução selectiva pode ser usada para enriquecer em Ir a superfície de uma liga Ti-Ir:
Os óxidos de Ir são usados como eléctrodos estimuladores
A presença de Ti é necessária para assegurar a resistência mecânica do material
Os óxidos de Ti não permitiriam acumular carga suficiente para as funções de estimulação
54João Salvador – IST 2006
Corrosão sob Solicitações Mecânicas
Certas propriedades dos metais e ligas (ductilidade, resistência àtracção, etc) são praticamente insensíveis ao meio
Por exemplo, é possível especificar a resistência à tracção sem referência ao meio de trabalho
Paralelamente, certos fenómenos de corrosão (corrosão galvânica, corrosão por picadas,...) são insensíveis às solicitações mecânicas
Por exemplo, é possível especificar a velocidade de corrosão de um aço sem referência às tensões aplicadas a esse metal
Há, no entanto, outros casos em que a existe uma forte interacção entre o meio corrosivo, a tensão e os seus efeitos em termos de ataque por corrosão ⇒ fala-se, então, de corrosão sob solicitações mecânicas (no inglês environmentaly inducedcracking)
Corrosão sob Solicitações Mecânicas
55João Salvador – IST 2006
Corrosão sob Solicitações Mecânicas
Corrosão sob Solicitações Mecânicas
Corrosão sob tensão
Corrosão com fricção
Corrosão sob fadiga
Corrosão-Erosão
Corrosão-Cavitação
Fragilização pelo hidrogénio
56João Salvador – IST 2006
Corrosão Biológica
Corrosão BiológicaConsiste na deterioração de um metal por processos de corrosão que resultam, directa ou indirectamente, da actividade de organismos vivos.
Estes organismos podem ser microorganismos (como bactérias) ou macroorganismos (como algas ou fungos)
Os organismos vivos podem viver numa grande variedade de meios (pH de 0 a 11, temperaturas de 5°C a 70°C, pressões até 100 MPa ⇒ a corrosão biológica pode verificar-se em inúmeras situações
São as reacções químicas que intervêm no metabolismo dos organismos que podem afectar os processos de corrosão:
Afectando directamente as reacções anódicas ou catódicas
Alterando os filmes protectores
Criando condições (meios) de alta corrosividade
Produzindo depósitos
A corrosão biológica não é, em si, um tipo de corrosão, mas o que a caracteriza é a intervenção de organismos vivos
Corrosão BiológicaConsiste na deterioração de um metal por processos de corrosão que resultam, directa ou indirectamente, da actividade de organismos vivos.
Estes organismos podem ser microorganismos (como bactérias) ou macroorganismos (como algas ou fungos)
Os organismos vivos podem viver numa grande variedade de meios (pH de 0 a 11, temperaturas de 5°C a 70°C, pressões até 100 MPa ⇒ a corrosão biológica pode verificar-se em inúmeras situações
São as reacções químicas que intervêm no metabolismo dos organismos que podem afectar os processos de corrosão:
Afectando directamente as reacções anódicas ou catódicas
Alterando os filmes protectores
Criando condições (meios) de alta corrosividade
Produzindo depósitos
A corrosão biológica não é, em si, um tipo de corrosão, mas o que a caracteriza é a intervenção de organismos vivos
57João Salvador – IST 2006
Corrosão dos Polímeros
Os polímeros não se corroem como os metais:São degradados por inchamento, perda das propriedades mecânicas, amaciamento, endurecimento, descoloração,...
Contudo, na definição mais abrangente de “Corrosão = degradaCorrosão = degradaçção ão por acpor acçção do meioão do meio””, pode incluir-se a degradação dos polímeros.
Os plásticos podem ser sujeitos a corrosão sob tensão:O agente químico ou a tensão não poderiam, separadamente, causar a degradação do polímero, mas conseguem-no se conjugados;
Exemplos deste ataque são o poliestireno, o perspex (polimetacrilato de metilo) ou o polietileno, em meios como os ácidos oxidantes, solventes orgânicos, etc.
Os elastómeros podem perder as suas propriedades por acção do meio, como é o caso da fragilização da borracha devido ao ozono.
Corrosão dos Polímeros
58João Salvador – IST 2006
Corrosão dos Polímeros
Um caso particular e muito importante de degradação de polímeros é a degradadegradaçção por ultravioletaão por ultravioleta:
A radiação ultravioleta representa 4% da radiação natural do Sol;
A energia da luz ultravioleta é suficiente para quebrar alguns dos principais tipos de ligações presentes nos polímeros (C-N, C-C, C-O, N-H e C-H);
Embora apenas um pequeno número de ligações sejam quebradas e numa profundidade reduzida (0.5 mm), os seus efeitos fazem-se sentir nas propriedades mecânicas, físicas e químicas do polímero.
Pode evitar-se este tipo de corrosão:Através da utilização de revestimentos poliméricos (vida limitada);
Adição ao polímero de antioxidantes (consomem o O2 que intervém na reacção de degradação);
Adição de absorventes de ultravioletas: como o nome indica, absorvem radiação ultravioleta e libertam-na (através de fluorescência ou fosforescência) sob a forma de radiação de menor energia (visível ou infravermelhos), insuficiente para a quebra das ligações químicas.
Corrosão dos Polímeros (cont.)
60João Salvador – IST 2006
Prevenção da Corrosão
Selecção de Materiais
Design de Materiais
Modificação do Meio Corrosivo
Modificação do Potencial do Sistema
Protecção por Revestimentos
61João Salvador – IST 2006
Selecção de Materiais
Selecção de Materiais
Metais e Ligas
Uso de bases de dados para obter a combinação adequada metal/meio
Materiais não-metálicos
borrachas (naturais ou sintéticas)plásticoscerâmicoscarbono e grafite madeira
62João Salvador – IST 2006
Selecção de Materiais
CONSULTA A BASES DE DADOS
P.Roberge, Handbook of Corrosion Engineering
63João Salvador – IST 2006
Design de Materiais
Design (projecto) de Materiais
evitar acumulação de líquidos
evitar formação de interstícios
evitar a formação de pares galvânicos
evitar tensões mecânicas elevadas
evitar tubagens com curvas apertadas(corrosão-erosão)
prever a necessidade de manutenção (pintura, limpeza) /reparação / substituição
sobredimensionar as espessuras, para compensar a redução futura, devida à corrosão
66João Salvador – IST 2006
Modificação do Meio Corrosivo
Modificação do Meio Corrosivo
diminuição da temperatura (excepções)
diminuição da velocidade dos fluidos corrosivos (excepções)
alteração da concentração dos agentes corrosivos
remoção do oxigénio ou oxidantes
uso de inibidores de corrosão
68João Salvador – IST 2006
Protecção Catódica - Fundamentos
Exemplo: ferro e zinco isolados (em solução de HCl)
Dissolução do zinco
Zn FeDissolução
do ferro
Libertação de hidrogénio
Libertação de hidrogénio
69João Salvador – IST 2006
Protecção Catódica - Fundamentos
Exemplo: ferro e zinco em contacto (em solução de HCl)
Dissolução do zinco
Libertação de hidrogénio
FeZn
H+Zn2+
e-
Ânodo Cátodo
70João Salvador – IST 2006
Protecção Catódica - Tipos
Protecção Catódica - Tipos
Ânodos Sacrificados
Correntes Impostas
71João Salvador – IST 2006
Protecção Catódica – Sacrificial
Ânodos Sacrificiais
Ânodo de metal menos nobre: Mg, Zn, Al protegem o aço
Ânodo de Magnésio
72João Salvador – IST 2006
Protecção Catódica – Sacrificial
Ânodos Sacrificiais (cont.)
Protecção catódica por ânodos sacrificiais de um termoacumulador de uso doméstico
73João Salvador – IST 2006
Protecção Catódica – Correntes Impostas
Correntes Impostas
Ânodo usualmente inerte (Pt, Pb, C, Ni, Ti, Ti/Pt)
78João Salvador – IST 2006
Revestimentos
desengorduramento:
orgânico
alcalino
vapor
limpeza química - decapagem:
tem como função remover os óxidos
usam-se soluções agressivas, normalmente muito ácidas ou muito alcalinas
limpeza por acção mecânica - abrasivos:
escovas da aço, lixa, areia (seca ou molhada); granalha de aço angular (“grit”) ou esférica (“shot”), ...
Preparação de superfícies
79João Salvador – IST 2006
Revestimentos
Revestimentos
Camada superficial com propriedades diferentes das do metal-base
Classificação:
Inorgânicos, metálicos
Orgânicos
80João Salvador – IST 2006
Revestimentos Orgânicos
Revestimentos Orgânicos
Consistem numa barreira, constituída por resinas orgânicas (e outros aditivos) entre o material a proteger e o meio
Têm a propriedade de formar um filme (película sólida)contínuo e aderente ao substrato.
O processo mais comum de formação de películas orgânicas consiste na transformação de monómeros ou de polímeros lineares em polímeros tridimensionais
81João Salvador – IST 2006
Revestimentos Orgânicos
Tinta:
Produto pigmentado, normalmente aplicado na forma líquida sobre uma superfície
Ao secar, forma uma película sólida e insolúvel em água, aderente e opaca, com características protectoras ou apenas decorativas
Verniz:
Semelhante à tinta, mas normalmente sem pigmento, pelo que a sua principal característica é a transparência, formando películas mais ou menos duras e brilhantes
82João Salvador – IST 2006
Revestimentos Orgânicos
Protecção por Pintura:
Protecção activa:
efeito inibidor
protecção catódica
etc...
Protecção Passiva:
efeito barreira
83João Salvador – IST 2006
Revestimentos Orgânicos
Tinta = Pigmento + Carga + Veículo:
Pigmento:Além das propriedades anticorrosivas, confere à tinta a sua côr e opacidadeGama variada de pigmentos (inorgânicos ou orgânicos)
Carga: substância inorgânica cujo objectivo é conferir à tinta determinadas propriedades; por exemplo, pode usar-se para dar “corpo” à tinta
Veículo: solução coloidal de ligante no solvente:
Veículo
Veículo fixo ⇒ ligante, assegura a consistência
Veículo volátil ⇒ solubiliza o veículo fixo e assegura a viscosidade necessária à aplicação
solvente (que solubiliza)diluente (que confere a viscosidade óptima)
84João Salvador – IST 2006
Revestimentos Orgânicos
Veículos fixosPodem ser oleosos, oleoresinosos, alquídicos, vinílicos, epoxídicos, resinas de poliuretano, etc
Veículos voláteis:Normalmente hidrocarbonetos (terpenos, éteres, alcoois, etc)
85João Salvador – IST 2006
Revestimentos Orgânicos
Aditivosadicionam-se para conferir à tinta certas propriedades:
secantes (catalisadores)
agentes de suspensão
agentes anti-pele
agentes bactericidas
outros
86João Salvador – IST 2006
Revestimentos Orgânicos
Secagem de uma tinta:por evaporação do solvente, ficando uma película de material sólido
por conversão de constituintes do veículo ao estado sólido, através de reacções químicas envolvendo normalmente oxidações por acção do ar (uso de secantes, Co, Mn)
por reacções de polimerização, policondensação ou outras, entre os diferentes componentes do veículo (agente de cura ou estufagem)
87João Salvador – IST 2006
Revestimentos Orgânicos
Sistema de Pintura: Primário + Subcapa(s) + Acabamento
Primário:é a tinta que está em contacto com o metal
acção protectora
Subcapa(s):acção niveladora da superfície (carga elevada)
estabelece a ligação entre primário e acabamento
Acabamento:vai dar o aspecto final
funciona como barreira
protege o primário
pode ainda ter propriedades anti-vegetativas
88João Salvador – IST 2006
Revestimentos Orgânicos
Primário:Pode actuar por várias formas:
protecção catódica, contendo elevadas percentagens de pigmentos com acção sacrificial (ex: pó de zinco)
inibição anódica, contendo pigmentos como os cromatos ou o fosfato de zinco
efeito barreira, contendo pigmentos lamelares (plaquetas) de grafite ou mica
Acabamentoa sua selecção e aplicação adequada são fundamentais
não podem ser apenas vistos como conferindo boa aparência
89João Salvador – IST 2006
Revestimentos Orgânicos
Outras tintas:tinta pré-primário (wash-primer)
tb conhecidas por condicionadores
aplicam-se directamente no metal
aumentam a aderência do primário ao substrato
constituídas por um pigmento inibidor e ác. fosfórico
não resistem aos meios corrosivos
primários de espera (shop-primer):
têm como função conferir uma protecção temporária, enquanto não se procede à aplicação do primário
90João Salvador – IST 2006
Revestimentos Metálicos
Revestimentos Metálicos - Classificação:Quanto ao método de aplicação
Quanto ao seu efeito protectorapenas efeito barreira (revestimentos mais nobres que o metal)
efeito barreira associado a protecção catódica (revestimentos menos nobres que o metal)
técnicas de vácuo (deposição de vapor, implantação iónica,...)
via química
difusão
imersão
folheação
projecção
electrodeposição
91João Salvador – IST 2006
Revestimentos Metálicos
Electrodeposição:Revestimento muito fino e livre de poros
Utiliza uma célula electrolíticasolução contendo os iões do metal a depositar
ânodos inertes ou do metal a depositar
Variáveis:Temperatura, densidade de corrente, tempo, composição da solução, etc
Exemplos:Revestimentos de ouro, prata, cobre, estanho, cádmio (!!!), zinco, ...
Niquelagem dos aços
Aços cromados:cobreagem (aderência)
niquelagem (protecção)
cromagem (protecção + efeito decorativo)
92João Salvador – IST 2006
Revestimentos Metálicos
Projecção (metalização):Utiliza uma pistola com 3 zonas:
Materiais usados
zinco, alumínio, ligas zinco-alumínio
Revestimentos porosos
podem ser posteriormente pintados
Preparação de superfícies
Aplicação in-situ (pontes e outras super-estruturas...)
alimentação de combustível (acetileno) e ar comprimido
fusão do metal (fio ou pó)
projecção
93João Salvador – IST 2006
Revestimentos Metálicos
Folheação (cladding):Aplicação de uma folha fina de material a proteger
Permite combinar as propriedades estruturais do material-base com a resistência à corrosão do material de revestimento
Produzido por laminagem (rolling) simultâneo do material a proteger e da(s) película(s) protectora(s)
Utiliza-se frequentemente a laminagem a quente
Exemplo:
ligas de alumínio (duralumínios) ⇒ ALCLAD
94João Salvador – IST 2006
Revestimentos Metálicos
Imersão (hot dipping):é o mais antigo método de revestimento e um dos mais usados
o seu exemplo mais comum é a galvanização:imersão de aço em banho de Zn fundido (445-460°C)
difusão superficial no material a proteger, com formação de várias camadas de liga bimetálica Fe-Zn e uma camada exterior de zinco
revestimentos espessos (não se conseguem revestimentos finos) e não uniformes (75-100µm)
não há limitações de geometria
pode ser pintado (após fosfataçãoou depois de um período de “envelhecimento” do galvanizado)
95João Salvador – IST 2006
Revestimentos Metálicos
Difusão:envolve um tratamento térmico que leva à difusão de um metal (normalmente em pó) no outro (metal-base)
o processo mais conhecido é o da “Sherardização”:
difusão de zinco em pó sobre peças de aço ou ferro
utilizado em peças de pequenas dimensões (porcas, parafusos)
utiliza um tambor rotativo
temperaturas de 350-400°C
revestimentos semelhantes aos obtidos por galvanização
96João Salvador – IST 2006
Revestimentos Metálicos
Via química (deposição electroless):
322
3
-2rcatalizado22
rcatalizado2
rcatalizado23222
NiHPONiHPO (4)
POHOHHPOH(3)
2HNiH2Ni(2)
H2HPOHOHPOH(1)
→+
++→+
+→+
++→+
+−
−
++
−+−
hipofosfito ortofosfito
η ≈ 38%
difere da electrolítica por não necessitar de corrente eléctrica
metais depositados: Ni, Co, Cu, Pd, Au, ...
deposição de níquel (niquelagem química):
97João Salvador – IST 2006
Revestimentos Metálicos
Técnicas de (alto) vácuo:
⇒ materiais de pequenas dimensões
⇒ os produtores de equipamento afirmam estar em condições de produzir equipamento para uso em linhas de produção
preço elevado ⇒ utilizam-se para “peças críticas” (indústria da defesa, implantes metálicos)
câmara de vácuo
deposição de vapor:vapor do metal produzido por aquecimento/vaporização ou sputteringdeposição por efeito de um campo eléctrico aplicado
implantação iónicaiões provenientes de um acelerador de partículas chocam com o metal, penetrando nas suas camadas superficiais a zona afectada pelo processo apresenta composição e propriedades distintas do resto do material
98João Salvador – IST 2006
Revestimentos Inorgânicos (Não-Metálicos)
Tratamentos de Conversão:Formação de películas sobre superfícies metálicas, por reacção das suas camadas externas com aniões adequados.
Processos mais comuns:Cromatação ⇒ óxidos e hidróxidos de crómio, cromatos
Fosfatação ⇒ fosfatos
Objectivos:aumentar a resistência à corrosão do metal ou revestimento metálico
aumentar a aderência de tintas ou outros revestimentos orgânicos
efeitos decorativos
99João Salvador – IST 2006
Revestimentos Inorgânicos (Não-Metálicos)
Anodização (do alumínio):O alumínio, quando exposto ao ar, forma espontaneamente uma película de óxidos (10-15 nm)
Através da polarização anódica do alumínio, pode promover-se a formação de películas mais espessas de óxido de alumínio
Podem obter-se óxidos espessos (dezenas de µm)
Electrólitos mais comuns:Ácido sulfúrico (15%-20%)
não utilizável em objectos com cavidades ou sujeitos a fadiga mecânica
Ácido Crómico (5%)não apresenta os problemas da anodização sulfúrica
reagentes tóxicos e cancerígenos
Ácido oxálico (3%) ⇐ Alumite (Japão)
100João Salvador – IST 2006
Revestimentos Inorgânicos (Não-Metálicos)
Anodização (do alumínio):
Ân
odo
Cát
odo
I
ElectrólitoAlumínio
Camada de
alumina
101João Salvador – IST 2006
Revestimentos Inorgânicos (Não-Metálicos)
Anodização (do alumínio):
Secção transversal(200 000 X)
100 nm
Filme de óxido destacado(100 000 X)
200 nm
102João Salvador – IST 2006
Revestimentos Inorgânicos (Não-Metálicos)
Anodização (do alumínio):coloração:
após a anodização, a camada porosa é adequada a receber coloração
usam-se geralmente corantes orgânicos
pode também obter-se coloração durante o processo de anodização
colmatagem:tem como função fechar os poros do anodizado
acima dos 80°C, a alumina monohidratada (Al2O3.H2O) dáorigem à bohmite (Al2O3.3H2O) ⇒ o aumento de volume daíresultante leva à colmatagem dos poros
a colmatagem pode efectuar-se por imersão em água fervente, usando vapor ou ainda em soluções ferventes com inibidores.