O aço inoxidável é oxidável?

Este mês, embora com considerável atraso, resolvemos abordar um assunto que, de uma forma ou de outra, nos toca a todos profissionalmente ou não. A proliferação de aço inoxidável em aplicações domésticas e industriais é uma evidencia que não pode ser negada. Porém, quando a ponta de oxidação começa a aparecer - e aparece sempre - colocamos as mãos na cabeça pensando que comprámos gato por lebre. 

De facto, a a designação inoxidável é uma liberdade de expressão uma vez que o aço é oxidável. Demora é mais tempo a oxidar pois um (ou mais) elemento fundamental da liga, o cromo, é o grande responsável pelo aspecto brilhante aparentemente eterno do inox. 

Mas descanse o leitor pois no aço inoxidável a oxidação é quase sempre um processo reversível. Já iremos ver porquê. Antes, vamos fazer uma pequena abordagem à família dos aços para comerçarmos a perceber um pouco melhor que material é este. 

O que é o aço inoxidável?

O aço inoxidável foi descoberto por Harry Brearley (1871-1948), que começou a trabalhar como operário numa produtora de aço com a idade de 12 anos, na sua terra natal, Sheffield (Reino Unido). 

Em 1912, Harry começou a investigar, a pedido dos fabricantes de armas, uma liga metálica que  apresentasse uma reistência maior ao desgaste que ocorria no interior dos canos das armas de fogo em resultado do calor libertado pelos gases da combustão.

De início a sua pesquisa consistia em investigar uma liga que apresentasse uma maior resistência à corrosão. Porém, ao realizar o ataque químico para revelar a microestrutura desses novos aços com altos teores de cromo que pesquisava, Brearley notou que o ácido nítrico - um reativo comum para os aços - não surtia qualquer efeito.

Brearley não obteve uma liga metálica com maior resistência ao desgaste, mas uma liga metálica resistente à corrosão. A aplicação imediata foi destinada à fabricação de talheres, que até então, eram fabricados a partir de aço carbono que corroíam com facilidade devido aos ácidos presentes nos alimentos.

Aço inoxidável é o termo utilizado para descrever uma família muito versátil de materiais concebidos por meio de engenharia, que são primariamente selecionados pelas suas propriedades de resistência à oxidação e ao calor. 

Todos os aços inoxidáveis contêm primariamente ferro e um mínimo de 10,5% de cromo. A este nível, o cromo reage com o oxigénio e a humidade no ambiente para formar um filme coerente, aderente e protetor de óxido que envolve a superfície total do material. Este filme de óxido (designado por camada passiva ou limite) é muito fino (2-3 nanómetros). 

A camada passiva no aço inoxidável detém uma propriedade notável: quando é danificada (por exemplo, por abrasão), repara-se a si mesma uma vez que o cromo presente no aço reage rapidamente com o oxigénio e a humidade ambiental para restaurar a camada de óxido.

Aumentar o conteúdo de cromo para além do mínimo de 10,5% confere ainda maior resistência à corrosão. Esta resistência à corrosão pode ser ainda incrementada, e uma larga gama de outrtas propriedades, com a adição de 8% dse níquel. A adição de molibdénio reforça ainda mais a resistência à corrosão (em particular a resistência à corrosão por pontos), enquanto a adição de nitrogénio aumenta a força mecânica e amplifica a resistência à corrosão por pontos. 

 Categorias de aço inoxidável

A árvore da família do aço inoxidável tem vários ramos, que podem ser diferenciados por uma variedade de formas, por exemplo, em termos de áreas de aplicação, pelos elementos que constituem a liga usada na sua produção, ou, talvez a forma mais precisa, pelas fases metalúrgicas presentes nas suas estruturas microscópicas:

Assim, temos aços

Ferríticos

Martensíticos

Austeníticos 

Duplex (que consistem numa mistura de ferrite e austenite)

Dentro de cada um destes grupos, existem vários "graus" de aço inoxidável definidos de acordo com as gamas de composição das ligas. Estas gamas composicionais estão definidas em padrões europeus (e outros, por exemplo, EUA), e dentro da gama especificada, o grau de aço inoxidável evidenciará todas as propriedades adequadas (resistência à corrosão e/ou resistência ao calor e/ou ductilidade).

Aços ferríticos (graus 409 e 430, por exemplo) consistem em cromo (tipicamente 12,5€ ou 17% e ferro. Os aços ferríticos são essencialmente isentos de níquel. Estes aços contêm muito pouco carbono e não são tratáveis por calor, mas exibem uma resistência à corrosão superior aos aços martensíticos e possuem boa resistência à oxidação. São ferromagnéticos e, embora sujeitos a uma transição de impacto (tornar-se quebradiço) a baixas temperaturas, possuem ductilidade adequada. 

As suas propriedades de expansão térmica são similares às dos aços convencionais. Os aços  inoxidáveis ferríticos são facilmente soldáveis em secções finas, mas sofrem crescimento granular com consequente perda de propriedades quando soldados em secções mais espessas. 

Aços martensíticos (por exemplo, grau 420) são compostos por carbono (0,2 - 1,0%), cromo (10,5 - 18%) e ferro. Estes materiais podem ser tratados por calor, de forma similar à dos aços convencionais, para providenciar uma gama de propriedades mecânicas, mas oferecem maior capacidade de endurecimento e têm temperaturas diferentes de tratamento. 

A sua resistência à corrosão pode ser descrita como moderada (isto é, o seu desempenho face à corrosão é mais fraca que a dos outros aços inoxidáveis com proporções similares de cromo na liga). São ferromagnéticos, sujeitos a uma transição de impacto a baixas temperaturas e têm pouca ductilidade. A sua expansão térmica e outras propriedades térmicas são similares às dos aços convencionais. Podem ser soldados com cautela, mas podem abrir fendas quando são usados metais de enchimento correspondentes.

Aços austeníticos (por exemplo, graus 301, 304 e 316) consistem em cromo (16 - 26%), níquel (6 - 12%) e ferro. Outros elementos de liga (por exemplo, molibdénio) podem ser adicionados ou modificados de acordo com as propriedades desejáveis para a produção de graus derivados definidos nos standards (ex: 316). O grupo austenítico contém mais graus, usados em grandes quantidades, que qualquer outra categoria de aço inoxidável. Os aços austeníticos detêm maior resistência à corrosão que os dos grupos ferrítico e martensítico. O desempenho contra a corrosão pode ser adaptado a uma larga variedade de ambientes. Por cuidadoso ajustamento da liga, como a variação do conteúdo de carbono e molibdénio.

Estes materiais não podem ser endurecidos por tratamento a quente e reforçados por encruamento. Ao contrário dos aços ferríticos e martensíticos, os graus austeníticos não exibem ponto de rendimento. Oferecem excelente ductilidade e a sua resposta à deformação pode ser controlada pela composição química. Não estão sujeitos a uma transição de impacto a baixas temperaturas e possuem uma lata resistência a temperaturas criogénicas.

Exibem maior expansão térmica e resistência ao calor, com condutividade térmica baixa que outros aços inoxidáveis e convencionais. 

São facilmente soldáveis, mas torna-se necessária atenção especial aos consumíveis e processos para as ligas mais complexas. Os aços austeníticos são frequentemente descritos como não magnétcios, mas podem tornar-se ligeiramente magnéticos quando trabalhados mecanicamente. 

Aços duplex (por exemplo, grau S31803) consistem em cromo (18 - 26%), níquel (4 - 7%), molibdénio (0 - 4%), cobre e ferro. Estes aços têm uma microestrutura que consiste em austenite e ferrite, que proporciona uma combinação de resistência à corrosão dos aços austeníticos com uma maior resistência. Estes aços são soldáveis, mas deve ter-se em atenção a manutenção do equilíbrio  correto de austenite e ferrite. São ferromagnéticos e sujeitos a transição de impacto a baixas temperaturas. A sua expansão térmica situa-se entre a dos açosausteníticos e a dos ferríticos, enquanto outras propriedades são similares às dos aços carbónicos comuns. A ductilidade é razoável, mas requer a aplicação de forças superiores às dos aços austeníticos. 

Efeitos dos elementos de liga nas propriedades da estrutura molecular

Cromo

O cromo é o elemento de liga mais importante na produção do aço inoxidável. É necessário um mínimo de 10,5% deste metal par a formação de uma camada protetora de óxido de cromo na superfície do aço. A força desta camada (passiva) protetora aumenta com o acréscimo de cromo na liga. O cromo causa a formação de ferrite na estrutura da liga e é descrito como estabilixador de ferrite.

Níquel

O níquel melhora a resistência à corrosão em geral e origina a formação de austenite, ou seja, é um estabilizador de austenite. Aços inoxidáveis com 8 - 9% de níquel têm uma estrutura austenítica total e demonstram melhores características para a soldadura e trabalho mecânico que os aços ferríticos.O aumento do conteúdo de níquel na liga acima de 8 - 9% amplifica a resistência à corrosão (especialmente em ambientes ácidos) e a ductilidade. 

Molibdénio (e tungsténio)

O molibdénio aumenta a resistência à corrosão local (por pontos, por fendas, etc.) e geral. O molibdénio e o tungsténio são estabilizadores de ferrite, os quais, quando usados em aços austeníticos, devem estar compensados com estabilizadores de austenite para manter a estrutura de austenite. O molibdénio é adicionado aos aços martensíticos para incrementar a resistência à temperatura. 

Nitrogénio

O nitrogénio aumenta a força e amplifica a resistência à corrosão localizada. É um formador de austenite.

Cobre

O cobre aumenta a resistência geral a ácidos e reduz o índice de endurecimento a calor (é usado em produtos a frio como pregos e parafusos). É um estabilizador de austenite.

Carbono

O carbono aumenta a força (especialmente em aços inoxidáveis martensíticos endurecíveis), mas pode ter um efeito adverso na resistência à corrosão pela formação de carbonetos de cromo. É um estabilizador de austenite. 

Titânio (e nióbio e zircónio) 

Onde não é desejável ou possível controlar os níveis baixos de carbono, o titânio ou o nióbio podem ser usados para estabilizar o aço contra a corrosão intergranular. Como o titânio (nióbio e zircónio) tem maior afinidade com o carbono que o cromo, dá-se a formação de carbonetos de titânio (nióbio ou zircónio) preferencial à formação de carbonetos de cromo e, assim, previne-se a depleção de cromo. Estes elementos são estabilizadores de ferrite.

Enxofre

O enxofre é adicionado para melhortar a maelabilidade dos aços inoxidáveis. Em consequência, os aços com enxofre demonstram resistência à corrosão reduzida.

Cério

O cério, um metal terroso raro, aumenta a adesão do filme de óxido a altas temperaturas. 

Manganês

O manganês é um formador de austenite, que aumenta a solubilidade do nitrogénio no aço e pode ser usado em substituição do níquel em graus com nitrogénio.

Silício

O silício melhora a resistência à oxidação e é também usado em aços especiais expostos a ácidos sulfúricos ou nítricos de alta concentração. o silício é um estabilizador de ferrite. 

Continua...saiba em que se aplicam os vários graus da família dos aços inoxidáveis e como pode remover facilmente aquelas inestéticos pontos de ferrugem sem danificar o aço inoxidável. Leia o post de abril.