Aços & Ligas | Aços e Ferros Fundidos | Aços Patináveis

Introdução

Os aços patináveis (Corten ou COR-TEN) são aços que contêm pequenas adições de elementos de liga, como cobre, fósforo, níquel e cromo, que em determinadas condições ambientais contribuem para a formação de uma pátina que protege esses aços da ação corrosiva na atmosfera oxidante de muitos ambientes urbanos. Além de conferir considerável resistência á corrosão atmosférica, esses elementos de liga também contribuem para a melhoria de propriedades mecânicas (como o limite de resistência ao escoamento e o limite de resistência à tração) através do refino de grão, razão pela qual alguns autores preferem considerá-los como fazendo parte de um subgrupo dos chamados aços de alta resistência e baixa liga (ARBL), muito embora sua resistência à corrosão atmosférica, muito superior à dos demais aços ARBL, justifique sua classificação com um grupo a parte [1–7].

Esses aços foram desenvolvidos inicialmente nos Estados Unidos por volta de 1932 e receberam a denominação de COR-TEN como abreviação de resistência á corrosão (CORrosion resistance) e resistência à tração (TENsile strength). Na Alemanha os aços do tipo Puddelstahl apresentaram características bem semelhantes [5].   

Os principais tipos de aço patináveis disponíveis no mercado são os aços “COR-TEN A” (que recebeu a designação ASTM A 242) de uso arquitetônico, “COR-TEN B” (ASTM A 588) de uso estrutural e ASTM A 606 para chapas finas [1-3].

Propriedades

Embora esses aços inicialmente sofram corrosão de modo semelhante ao que ocorre nos aços carbono comuns, com o passar do tempo no caso dos aços patináveis a taxa de corrosão torna-se decrescente, e, após alguns anos, praticamente não corre corrosão. A camada de óxido protetora apresenta uma textura fina e é altamente aderente ao substrato metálico, agindo como uma barreira à entrada de oxigênio e umidade, evitando assim o prosseguimento da corrosão. Por outro lado, no aço carbono comum a camada de óxido formada apresenta textura grosseira e aspecto escamoso, que não evita a penetração de oxigênio e umidade, que assim atingem o substrato metálico e o corroem. Ao contrário dos aços inoxidáveis, nos quais a fina camada protetora de óxido de cromo é transparente, a pátina (camada de óxido de ferro protetora) dos aços patináveis possui coloração avermelhada característica). Aços do tipo ASTM A 242 e A 588 não são recomendados para exposição a fumaça industrial altamente concentrada ou para aplicações em que devem ser enterrados ou submersos, pois nesses ambientes a camada de óxido protetora não se forma, corroendo corrosão semelhante à dos aços carbono comuns [1].

Os diferentes tipos de aços patináveis podem ser classificados em dois grupos principais: 1 – Aços patináveis com baixos teores de fósforo a múltiplas adições de elementos de liga para endurecimento por solução sólida e aumento da resistência á corrosão; 2 – Aços patináveis especiais (patenteados  de marcas registradas) com altos teores de fósforo (0,05 a 0,15 %) para endurecimento e melhoria de resistência à corrosão, juntamente com  múltiplas adições de elementos de liga, semelhantes às dos aços patináveis com baixos teores de fósforo [1]. A microestrutura desses aços geralmente contém ferrita e perlita [6].

A resistência à corrosão atmosférica dos aços patináveis com baixos teores de fósforo é cerca de duas a seis vezes superior à dos aços carbonos estruturais, enquanto os aços patináveis especiais (com mas altos teores de fósforo) apresentam resistência à corrosão ainda maior. Como exemplo, um dos aços patináveis especiais mais antigos (desenvolvido por volta de 1933), o chamado Cor-Ten A, apresenta resistência à corrosão atmosférica aproximadamente cinco a oito vezes maior do que a do aço carbono comum, dependendo do tipo de ambiente onde se localiza.

Adições de elementos microligantes como vanádio ou nióbio podem  melhorar a resistência ao escoamento dos aços patináveis, sendo que as adições de nióbio também melhoram a tenacidade. Tratamentos térmicos ou termomecânicos como normalização e/ou resfriamento controlado também contribuem para o refino de grão, aumentando assim a tenacidade e a resistência ao escoamento. Entretanto, se a normalização ou o resfriamento controlado forem utilizados para o refino de grão, o efeito dos teores de carbono e de elementos de liga na temperabilidade e o potencial para transformações indesejáveis para bainita superior e ferrita de Widmanstätten devem ser considerados [1].

A tabela 1 apresenta valores de propriedades mecânicas dos aços patináveis ASTM A 242 e A 588 [2-3].

Tabela 1 – Resistência ao escoamento e à tração de aços patináveis (ASTM A 242 e A 588).

Aplicações

Os aços patináveis são utilizados em diferentes aplicações, aproveitando tanto suas propriedades mecânicas e de resistência á corrosão quanto fatores estéticos associados à formação da pátina avermelhada protetora que inibe o avanço da corrosão. É muito usado em esculturas situadas ao ar livre e na fachada externa de edifícios, devido à sua aparência rústica com aspecto de antiguidade. Também é utilizado como componente estrutural (vigas soldadas, rebitadas ou aparafusadas) de pontes e viadutos, e peças de veículos, de ferramentas e de sistemas de exaustão, assim como na fabricação de “guard-rails”, de tanques e de bondes [2-5].

Formação e Características da Pátina

As pequenas adições de elementos de liga (em geral em torno de 1 %) de cobre, cromo, níquel e fósforo promovem, após exposição às condições atmosféricas, a formação de uma camada (pátina) de óxido estável e protetora, que reduz consideravelmente a taxa de corrosão [6]. Este óxido é inicialmente semelhante ao encontrado no aço carbono comum exposto às mesmas condições. Entretanto, os subseqüentes períodos de estiagem levam à produção de óxidos adicionais no aço patinável e de produtos de corrosão solúveis, que são eliminados na superfície. À medida que o aço patinável continua exposto á atmosfera, a camada de óxido se recristaliza e se consolida na superfície. Esta camada torna-se cada vez mais escura e azulada com o tempo. Após a formação dessa camada protetora de óxido consolidada no aço patinável, a taxa de corrosão torna-se muito inferior á taxa de corrosão inicial. O tempo necessário para essa transformação depende das condições ambientais: num ambiente urbano leva menos de um ano, num ambiente industrial de 2 a 3 anos num ambiente rural cerca de 5 anos [6].

Um aspecto importante para a formação de uma pátina protetora realmente eficaz é a necessidade de que a água não seja empoçada, ou seja, que ocorra a drenagem ou outra forma qualquer de eliminação da água da chuva. A presença de sais dissolvidos no ar e na umidade (maresia) também é bastante nociva à pátina, acarretando corrosão semelhante à que ocorre em aços carbono comuns [2-3].

Para formar uma pátina efetivamente protetora é fundamental a alternância entre ciclos de umidade e estiagem. Assim, forma-se uma camada de óxido realmente protetora que reduz a taxa de corrosão para valores 10 vezes inferior á dos aços carbono comuns. Por outro lado, a ausência dos ciclos de estiagem inibe a formação da pátina protetora. Por esse motivo o crescimento da camada de óxido protetora nos aços patináveis é fortemente influenciado pelas condições climáticas locais, como temperatura, umidade, dias de chuva, distância do mar (e assim presença de cloretos na atmosfera) e poluição do ar. Estas condições devem ser consideradas de um ponto de vista muito localizado, pois porque apenas algumas centenas de metros podem mudar as condições ideais de umidade e estiagem, mesmo que na média essas condições sejam favoráveis aos aços patináveis. Também a orientação ou posição do componente pode aumentar ou diminuir a taxa de corrosão atmosférica de um aço patinável. Normalmente a taxa de corrosão de uma superfície exposta à terra é muito mais elevada do que a da superfície exposta ao céu, e também podendo ser influenciada pelo posicionamento norte-sul. A presença de contaminantes no ar, como enxofre e cloretos, pode influenciar sensivelmente a taxa de corrosão, modificando o crescimento do óxido. Por este motivo a taxa de corrosão dos aços patináveis pode aumentar próximo a fábricas, por causa da chuva ácida, assim como próximo ao mar, devido à ação corrosiva de cloretos [6].

Em geral, nos aços patináveis, quando a camada de óxido é mais espessa, a resistência à corrosão é menor, pois sua estrutura não é uniforme nem compacta. Quando a camada de óxido é mais fina, costuma ser mais compacta e mais uniforme, revelando melhor resistência á corrosão. No que se refere à morfologia, camadas mais globulares são mais compactas e garantem melhor resistência à corrosão, ao contrário de camadas escamosas, que são menos compactas, acarretando menor resistência à corrosão. Isso reforça o conceito de que nos aços patináveis a resistência á corrosão não depende apenas da composição química, sendo ainda mais influenciada pelas condições ambientais que determinam as características da camada de óxido protetor, sendo estas características o fator preponderante para a resistência à corrosão desses aços [6].

Entre essas características estão os diferentes tipos de óxidos que se formam nesses aços patináveis. Basicamente são seis tipos de óxidos: alfa-FeOOH, beta-FeOOH, gama-FeOOH, delta-FeOOH, Fe3O4 e FeOOH amorfo. Este último geralmente se forma nos níveis mais interiores da camada de óxido onde ocorre enriquecimento de cobre e fósforo, elementos que conferem resistência à corrosão. Inicialmente se forma gama-FeOOH, que se transforma em FeOOH amorfo e posteriormente em alfa-FeOOH. Uma certa parte de ferro é substituída por cromo, formando uma pátina mais protetora.Uma distribuição volumétrica contínua de partículas de alfa-FeOOH favorece a acomodação de uma estrutura compacta de óxido, que melhora a resistência à corrosão. Enquanto o óxido alfa-FeOOH protetor predomina nos níveis mais interiores da camada de óxido, ricos em cobre, níquel e cromo, as fases gama-FeOOH e beta-FeOOH preponderam nos níveis mais externos da camada de óxido. As propriedades da camada de óxido que garantem proteção à corrosão estão relacionadas com a supressão do transporte de íons devido à sua estrutura densa e compacta. Os níveis mais externos da camada de óxido são compostos majoritariamente por beta-FeOOH, especialmente nas posições voltadas para o céu. Enquanto elementos como cobre e cromo ficam enriquecidos nos níveis mais internos da camada de óxido, outros elementos, como silício e níquel não apresentam nenhuma característica específica de distribuição. A espessura da camada de óxido nos aços patináveis varia bastante, há regiões em que é bem mais fina do que em outras, mas a espessura média é de cerca de 150 micrometros. O principal componente dessa camada, quantitativamente, é a fase alfa-FeOOH, que atinge cerca de 40 a 50 % da camada, independentemente desta ser espessa ou fina, virada para o céu ou para a terra. Por outro lado, a fase beta-FeOOH só existe nas partes mais espessas da camada de óxido. A magnetita (Fe3O4) tende a se localizar mais na parte fina do que na grossa, independente da posição (voltada para o céu ou para a terra). Parece haver um processo competitivo entre as fases Fe3O4 e beta-FeOOH: a magnetita só se forma em maior quantidade nas regiões mais finas da camada de óxido, nas quais a fase beta-FeOOH praticamente não se forma. De um modo geral, nas regiões mais espessas da camada de óxido predominam as fases alfa e amorfa FeOOH e Fe3O4, enquanto nas regiões de menor espessura preponderam as fases beta e gama FeOOH A fase amorfa predomina nas posições voltadas para o céu, onde pode atingir 16 % da camada de óxidos, mas apenas 6 % nas posições voltadas para a terra. É possível que esta fase seja constituída por um agregado de partículas muito finas. De qualquer modo, este tipo de óxido forma uma camada muito densa e compacta, enriquecida em cobre e fósforo e localizada nas regiões mais internas, garantindo proteção contra a corrosão. Além deste tipo de óxido, a magnetita (Fe3O4) nanocristalina apresenta igualmente características protetoras [7].

Elementos como níquel e cromo também contribuem para a resistência á corrosão. Por outro lado, a akaguenita (beta-FeOOH) em geral se forma preferencialmente nas regiões mais externas da camada de óxido, necessitando da presença dos íons cloreto (Cl-) provenientes da atmosfera. Estes íons penetram pelas descontinuidades existentes na camada de beta-FeOOH, que é escamosa. De um modo geral a camada de óxidos apresenta muitos orifícios, sendo ondulada e tendo regiões mais finas e mais espessas. As origens dessa irregularidade estão associadas a diversos fatores físicos e químicos, como depósitos provenientes do ambiente e direções dos cristais dos aços. Em geral as regiões mais finas correspondem às áreas onde há melhor proteção anticorrosiva. Em geral nas regiões mais espessas existe maior quantidade de fase beta FeOOH e nas regiões mais finas a fase amorfa FeOOH em maior quantidade. A adição de elementos que conferem características protetoras à camada de óxido simultaneamente reduzem a presença de beta-FeOOH [7].

A taxa de corrosão de um aço num determinado ambiente depende da composição da camada de óxidos que estão presentes como diferentes fases, sendo menor quanto maior a presença de alfa-FeOOH e FeOOH amorfo, e menor a presença de beta e gama FeOOH. De um modo geral, na pátina dos aços patináveis a fração de óxidos alfa-FeOOH e amorfo chega a cerca de 80 a 90 %, cabendo uma fração bem menor (20 a 10 %) aos óxidos beta e gama-FeOOH. Existe uma relação praticamente linear entre a presença de beta-FeOOH e a ocorrência de corrosão com perda de massa. Enquanto alfa-FeOOH é eletroquimicamente estável, inibindo a corrosão, gama-FeOOH reduz-se facilmente, promovendo corrosão em ambientes que contêm cloretos. Beta-FeOOH existe em maior quantidade nas regiões mais espessas da camada de óxido e sua presença está associada ao avanço mais rápido do processo corrosivo, sendo formado quando existem íons cloretos, os quais são armazenados nesse tipo de óxido. Os íons de cloreto combinam-se com a camada de óxido, mais porosa (permitindo entrar mais íons Cl-), então são facilmente separados e promovem a corrosão do aço. Por outro lado, nas regiões mais finas da camada de óxido predomina alfa-FeOOH, óxido estável e protetor, e nestas regiões a presença de beta-FeOOH é muito reduzida, sendo muito mais difícil a entrada de íons cloreto. Outro óxido protetor, FeOOH amorfo forma-se nos contornos entre a camada de óxido e a superfície do aço, porém sua concentração não apresenta nenhum tipo de relação com a espessura da camada ou o tipo de aço utilizado. A concentração e distribuição do óxido gama-FeOOH também não apresenta relação definida com a espessura da camada de óxido, lado de exposição ou o tipo de aço usado.

Comparando com aços carbono comum, nestes predomina a formação de beta-FeOOH na camada de óxido, ao passo que nos aços patináveis prepondera a formação de alfa-FeOOH na camada de óxido.

Soldagem dos Aços Patináveis

Os aços patináveis do tipo COR-TEM podem ser soldados tanto manualmente quanto automaticamente, desde que sejam tomados cuidados básicos na operação de soldagem. Um pré-requisito para obter propriedades praticamente idênticas na solda e no metal base é a aplicação de materiais consumíveis de soldagem adequados e a escolha de condições de soldagem apropriadas. O padrão a ser seguido é o da norma EN 10025-5 (“Technical delivery conditions for structural steels with improved atmospheric corrosion resistance”). Recomendações para soldagem também estão expressas nas normas EM 1011 partes 1 e 2 (“Welding, Recommendations for welding of metallic materials”).

Eletrodos básicos à base de cal, arames de soldagem com gás inerte e combinações de arames e potências equivalentes à resistência mecânica do tipo S355 são usados como consumíveis de soldagem. Para uso em aplicações sem proteção anticorrosiva devem ser tomados cuidados para que a junta soldada também seja resistente à corrosão atmosférica. Isso é possível quando se utiliza consumíveis de soldagem cujas características fundamentais se aproximem das do metal base. 

Se, devido a especificações de projeto ou de construção, for necessária a realização de tratamento térmico de alívio de tensões, o mesmo deve ser realizado na faixa de temperaturas de cerca de 530 a 580 ºC [8].