Alumínio tem problemas com corrosão?

Provavelmente você nunca olhou realmente para um pedaço de alumínio. Isso porque o material é extremamente reativo e, em contato com o ar, reage instantaneamente formando uma película de óxido sobre sua superfície. Isto é o que você de fato vê. No entanto, apesar de extremamente reativo, o alumínio apresenta uma elevada resistência à corrosão devido a um fenômeno chamado passivação. Basicamente, o alumínio fica mais nobre (menor atividade) por ação desta película óxida, que tem uma boa aderência à superfície e acaba impedindo que um volume maior do material seja corroído.  No entanto, se engana quem acha que a passivação torna o alumínio imune à corrosão. Veremos hoje diversas situações em que a mesma pode ocorrer.

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Conheça o provável substituto do alumínio como metal estrutural de baixo peso

Pense em um metal que possua aplicações estruturais e que seja bastante leve. Pensou em alumínio ou alguma de suas ligas? De fato esses materiais são os mais conhecidos e utilizados com esta função. O que poucos sabem é que existem materiais cerca de 30% mais leves do que o alumínio e que prometem vir com tudo para a indústria nos próximos anos: As ligas de magnésio.

De acordo com o Dr. Suveen Mathaudhu, professor assistente em Ciência e Engenharia de Materiais na NC State University, as ligas de magnésio têm “um potencial real como opção para substituir o aço e outros materiais em diversas aplicações, particularmente na indústria de transportes”. Isso porque o magnésio é o metal estrutural mais leve que existe, apresentando densidade de 1,7 g/cm³ (a do alumínio é de 2,7g/cm³). Como a indústria de transportes trabalha duro em busca de soluções para reduzir a massa dos veículos e com isso reduzir a energia necessária para movê-lo, reduzindo também o consumo de combustível, as ligas tornam-se particularmente interessantes. O material não é tão resistente mecanicamente quanto o aço, ainda assim se compararmos ambos em termos de resistência específica (resistência/massa), o magnésio é muito superior, de modo semelhante ao que já havíamos constatado para o titânio.

Comparadas ao alumínio, as ligas de magnésio apresentam vantagens que vão além de uma densidade inferior. Com elas, é possível fazer peças fundidas com espessura de parede de até 1 mm, contra os 2 mm do alumínio, e que ainda irão solidificar mais rápido devido ao menor calor latente de fusão do magnésio (quantidade de calor que o magnésio precisa liberar para passar do estado líquido para o sólido). Além disso, o magnésio solubiliza uma menor quantidade de ferro quando comparado ao alumínio, tornando-o menos susceptível a soldar com o molde durante o processo de fundição, no qual normalmente utilizam-se moldes feitos de aço.

Peça

Peça de liga de magnésio obtida por fundição. Fonte: Siobhan Fleming.

No entanto, nenhum material é perfeito. As principais dificuldades em trabalhar com magnésio e suas ligas estão relacionadas a sua estrutura cristalina e sua baixa resistência à corrosão. À temperatura ambiente, esses materiais possuem estrutura hexagonal compacta (HC), que possui poucos sistemas de escorregamento e, portanto, restringe a capacidade do material em se deformar, dificultando o processamento do mesmo.

HC

Célula unitária da estrutura cristalina hexagonal compacta (HC).

Além disso, como mencionado, o material possui baixa resistência à corrosão, principalmente em seu estado puro. Em outras palavras, as ligas de magnésio possuem uma resistência à corrosão superior ao metal puro, mas ainda assim é recomendado em muitos casos o uso de revestimentos de superfície para proteção anticorrosiva. Algumas opções são tratamentos químicos, anodização eletrolítica, selamento com resina epóxi, pintura, esmaltação (material vítreo), principalmente quando o material estiver em contato com outras partes metálicas, o que poderia formar uma pilha galvânica e desencadear um grande processo corrosivo. O problema da proteção por revestimento é que o desgaste, a abrasão e eventuais danos mecânicos podem danificar a proteção da superfície e permitir que o material passe a sofrer corrosão.

Uma solução para essa limitação foi descoberta recentemente pelo pesquisador Mohsen Esmaily, que, apenas manipulando a microestrutura de ligas de magnésio, verificou que é possível elevar em cerca de 4x sua resistência à corrosão. Para isso, Esmaily utilizou um processo de fusão denominado reofundição, no qual o metal líquido é resfriado gradualmente até que uma parcela dele esteja solidificado. Nesse momento, é realizada uma agitação mecânica ou eletromagnética do material para estimular a nucleação de grãos e favorecer a formação de grãos globulares. Em seguida, o metal é injetado no molde, que deve ter um bom controle térmico para garantir o total preenchimento, já que o líquido já estava parcialmente solidificado. A microestrutura formada por este processo proporciona uma resistência à corrosão 4x superior à fundição por injeção, na qual o metal é forçado para o molde em uma condição bastante líquida e sem passar por um processo de agitação.

Microestruturas

Microestrutura de liga de magnésio processada por reofundição (acima) e por fundição por injeção (abaixo). Fonte: Chalmers University of Technology.

Com a descoberta de Esmaily, espera-se desenvolver ligas de magnésio com maior resistência mecânica e à corrosão do que nunca e com isso alavancar a inserção das ligas de magnésio no mercado.

Fontes:

Corrosion-resistant magnesium could replace aluminium in decreasing vehicle weight;

An Overview of Magnesium based Alloys for Aerospace and Automotive Applications – Siobhan Fleming;

Breakthrough for magnesium lightweight materials;

Technique promises stronger, lighter magnesium alloys.

Titânio e suas ligas

O titânio e suas ligas vêm se destacando comercial e industrialmente devido a suas excelentes propriedades, tais como elevada razão resistência mecânica/peso, manutenção de sua resistência mecânica em temperaturas elevadas e excepcional resistência à corrosão. As principais aplicações destas ligas são nas indústrias aeroespacial e biomédica, em ambientes extremamente corrosivos e para a produção de equipamentos industriais avançados utilizados para a geração de energia e transporte.

O titânio possui duas estruturas cristalinas, isto é, o material apresenta alotropia. Uma das fases, denominada fase α, apresenta estrutura hexagonal compacta e é estável à temperatura ambiente, enquanto a segunda fase, conhecida por fase β, é cúbica de corpo centrado e é estável em temperaturas superiores a 882°C.

Estruturas_Cristalinas_Ti

Células unitárias das formas alotrópicas do titânio.

Assim como ocorre para os aços, alguns elementos de liga podem ser adicionados ao material metálico com o intuito de favorecer a formação de uma das fases. No caso do titânio, os elementos alumínio, gálio e estanho têm caráter alfagênio, isto é, favorecem a estabilidade da fase α.  Já o vanádio, nióbio e tálio são betagênios, atuando na redução da temperatura de transformação alotrópica, o que favorece a formação de fase β em temperaturas mais baixas do que 882°C. Desse modo, a adição de elementos de liga ao titânio e a realização de tratamentos térmicos nestas ligas permite a obtenção de diversas microestruturas e propriedades, permitindo a obtenção de três classes de ligas de titânio: α, β e α+β.  Normalmente deseja-se a fase α quando se necessita de resistência à fluência e a fase β para aplicações em que são necessárias boa resistência mecânica e à fadiga. Já a liga α+β, mais popular dentre as ligas de titânio, combina as melhores características de ambas as fases. A figura abaixo nos mostra algumas ligas comerciais de titânio, bem como uma comparação entre algumas de suas propriedades.

Ligas_Ti

Influência do percentual das fases α e β nas propriedades de ligas de Ti. Fonte: FROES, 2015.

As ligas de titânio são difíceis de produzir, o que as torna caras. A fusão deste material, por exemplo, deve ser feita em um recipiente especial para evitar contaminação, já que o material torna-se tão reativo quando aquecido em altas temperaturas que sofre contaminação por praticamente todos os materiais com os quais tem contato. Uma opção, portanto, é utilizar um cadinho de cobre resfriado por água, onde o titânio em contato com o cobre solidifica e o restante permanece fundido, protegido de contaminação. Outra dificuldade que pode ser mencionada é no processo de usinagem destes materiais. Além de possuírem um baixo módulo de elasticidade, o titânio e suas ligas têm baixa condutividade térmica, assim tendem a provocar um aumento significativo da temperatura na interface com a ferramenta durante a usinagem, aumentando o desgaste da mesma. Além disso, a elevada reatividade química mencionada anteriormente faz com que reajam com quase todos os materiais utilizados como ferramentas.

Ainda assim, apesar do preço e das dificuldades envolvidas em trabalhar com titânio, o metal é considerado bastante viável para algumas aplicações, como aquelas que mencionamos no começo deste post. Por quê? O que o torna especial?

A resposta é simples.. além de uma elevada resistência à corrosão, suas ligas apresentam uma combinação importantíssima de propriedades: resistência mecânica e baixa densidade. Ainda que não seja tão leve quanto o alumínio ou tão resistente quanto os aços, o titânio ganha destes dois materiais quando trata-se de relação resistência mecânica/peso, como podemos ver na figura.

Resistência-densidade

Comparativo entre propriedades mecânicas de ligas de titânio, liga de alumínio, aços inoxidáveis e titânio puro. Fonte: FROES, 2015.

Reparem que no gráfico do lado esquerdo, as ligas de titânio mostram-se inferiores aos aços inoxidáveis em termos de propriedade mecânica, mas superiores ao alumínio.  No entanto, ao dividirmos a resistência à tração do material por sua densidade, as ligas de titânio passam a ser superiores aos aços inoxidáveis e alumínio, apresentando a melhor relação resistência/peso, ou resistência específica. O titânio puro, por sua vez, não apresenta resistência considerável em nenhuma das análises, o que ressalta a importância de sempre continuar aprendendo e pesquisando sobre elementos de liga, fundamentais para a fabricação de qualquer componente metálico de elevado desempenho.

Referências:

FROES, F.H. – Titanium: physical metallurgy, processing, and applications-ASM International (2015)

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RIBEIRO, M. V.; MOREIRA, M. R. V.; FERREIRA, J. R. Optimization of titanium alloy (6Al–4V) machining.Journal of Materials Processing Technology, v. 143, p. 458-463, 2003.

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YAMADA, Makoto. An overview on the development of titanium alloys for non-aerospace application in Japan.Materials Science and Engineering: A, v. 213, n. 1, p. 8-15, 1996.