Segundo a ABM (Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração), existem em torno de 3.500 diferentes tipos de aços, sendo que 75% deles foram desenvolvidos nos últimos 20 anos⁽¹⁾. Na indústria de petróleo e gás, segmento que demanda e investe em tecnologia, um dos maiores desafios é o desenvolvimento de aços de alta resistência à corrosão atmosférica severa.

No início da década de 1930, uma companhia norte-americana chamada United States Steel Corporation desenvolveu um aço cujo nome comercial era Cor-ten, como abreviação de resistência à corrosão (corrosion resistance) e resistência à tração (tensile strength), semelhante aos aços do tipo Puddelstahl, elaborados na Alemanha. Esse aço foi desenvolvido originalmente para a indústria ferroviária, e sua grande virtude aparente era permitir a construção de vagões mais leves, sendo que a propriedade de resistir à corrosão foi alcançada por casualidade⁽²⁾.

Fig. 1 – Vagão do tipo GDU, um dos modelos atualmente fabricados pela Usiminas Mecânica⁽¹²⁾.

Os aços patináveis contêm pequenas quantidades de Cu, Ni, Cr e P, apresentando uma maior resistência à corrosão atmosférica do que aços-carbono após um longo período de exposição a intempéries, especialmente em locais em que a concentração de cloretos transportados pelo ar é baixa. Além disso, os aços patináveis não possuem nenhum tipo de revestimento (tinta), o que permite a corrosão em uma taxa não controlada, mas suficientemente baixa, de modo que a resistência do material não exceda as tolerâncias definidas na fase de projeto⁽¹⁰⁾. Um último aspecto a ser considerado é o acabamento da superfície, que pode contribuir para o comportamento da liga frente à corrosão.

 

Aços patináveis

Aços patináveis são aços de baixo carbono para uso estrutural em geral, sendo seu limite de escoamento mínimo de 300 MPa. Eles são muito utilizados em aplicações na construção civil ou em casos que exigem um determinado grau de resistência à corrosão, pois apresentam boa tenacidade, soldabilidade e alta resistência mecânica. A figura 2 ilustra a utilização de aços patináveis na construção de parquímetros.

Fig. 2 – Módulo central de parquímetros produzidos pela empresa Digicon em aço patinável

Tais características são fornecidas pela adição de elementos de liga (Cu, Cr, Si e P), que desenvolvem uma pátina (por isso são denominados de aço patinável), uma camada de óxido altamente protetora formada pelo contato com o meio ambiente e que lhe confere uma ótima resistência à corrosão atmosférica.

Esse tipo de aço possui resistência à corrosão pelo menos quatro vezes superior se comparado aos aços estruturais convencionais e seu uso apresenta como principais vantagens o aumento da vida útil dos componentes, melhor rigidez, resistência mecânica dos conjuntos montados e uma ótima relação custo/benefício.

No Brasil, esses aços são produzidos e fornecidos pelas seguintes usinas siderúrgicas: Companhia Siderúrgica Nacional (CSN) (COR), pela Companhia Siderúrgica Paulista (Cosipa) (COS AR COR) e pela Usiminas (USI SAC). Ainda existem outros aços com comportamentos semelhantes que integram a família dos aços conhecidos como patináveis de acordo com diversas normas, dentre elas as ASTM A242, ASTM A588, ASTM A606 e ASTM A709.

Os principais tipos de aços patináveis disponíveis no mercado são os aços “Cor-ten A” (que receberam a designação ASTM A 242) para uso em aplicações arquitetônicas, “Cor-ten B” (ASTM A 588) de uso estrutural e ASTM A 606, indicado para chapas finas. A tabela 2 apresenta valores de propriedades mecânicas dos aços patináveis ASTM A 242 e A 588⁽⁴⁾.

 

Revestimento contra corrosão

Devido às características dos aços patináveis, sua utilização não exige revestimento contra corrosão, sendo que essa pátina leva em média de 2 a 3 anos para se formar no material, dependendo do ambiente e da exposição do aço.

Estudos mostram que esses aços apresentam bom desempenho em atmosferas industriais normais. Em atmosferas industriais altamente corrosivas, seu desempenho é bem inferior, porém consideravelmente superior ao do aço-carbono comum. Já em atmosferas marinhas é recomendada a utilização de revestimento, pois as perdas por corrosão são bem mais significativas. Para diminuir o processo de corrosão do aço sob a água ou atmosfera marítima, utiliza-se uma porcentagem de 0,1 a 0,2% de cobre na liga.

Os aços patináveis podem ser classificados em dois grupos:

• aços patináveis com baixos teores de fósforo, com múltiplas adições de elementos de liga para endurecimento por solução sólida e aumento da resistência à corrosão;
• aços patináveis especiais (patenteados por marcas registradas), que possuem 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. A microestrutura desses materiais geralmente contém ferrita e perlita. 

Os aços patináveis com baixos teores de fósforo apresentam uma resistência à corrosão atmosférica de duas a seis vezes maior que a de aços-carbono estruturais, enquanto os aços patináveis especiais possuem uma resistência ainda mais elevada à corrosão. Um dos aços mais antigos dessa família foi desenvolvido por volta do ano de 1933, o chamado Cor-ten A, e apresenta resistência à corrosão atmosférica de cinco a oito vezes maior que a dos aços-carbono comuns, dependendo do tipo de ambiente empregado.

A adição de vanádio ou nióbio melhora a resistência ao escoamento dos aços patináveis; esse último ainda tem a vantagem de aumentar a tenacidade do material. Com o tratamento térmico de normalização o refino de grão é melhorado, o que aumenta a tenacidade e a resistência ao escoamento⁽⁴⁾.

 

A formação da pátina

A pátina é formada devido a três fatores. O primeiro está ligado à composição química do próprio aço. Os principais elementos que contribuem para aumentar sua resistência frente à corrosão atmosférica, favorecendo a própria formação da pátina, são o cobre e o fósforo. O cromo, o níquel e o silício também exercem efeitos secundários. No caso do fósforo, ele deve ser mantido em baixos teores (menores que 0,1%), sob pena de prejudicar certas propriedades mecânicas do aço e sua soldabilidade⁽⁶⁾.

O segundo é o fator ambiental, como a presença de dióxido de enxofre e de cloreto de sódio na atmosfera, a temperatura, a força (direção, velocidade e frequência) dos ventos, umidade etc. O dióxido de enxofre favorece o desenvolvimento da pátina, enquanto o cloreto de sódio em suspensão na atmosfera marítima prejudica suas propriedades protetoras. Não é recomendada a utilização de aços patináveis sem proteção em ambientes nos quais a concentração de dióxido de enxofre atmosférico esteja acima de 250mg/m³ e em atmosfera marítima com taxas de deposição de cloretos superiores a 300 mg/m²/dia⁽⁷⁾.

Fig. 3 – Resistência à corrosão de um aço patinável (ASTM A242) e de um açocarbono comum (ASTM A36) expostos às atmosferas industrial, marinha, urbana e rural. A medida é feita em termos da perda de massa metálica em função do tempo de exposição em meses⁽⁵⁾.

O último fator está ligado à geometria da peça, na qual diferentes estruturas do mesmo material dispostas lado a lado podem ser atacadas de maneira distinta. Esse fenômeno é atribuído à influência de seções abertas/fechadas, drenagem correta das águas de chuva e outros fatores que atuam diretamente sobre os ciclos de umedecimento e secagem⁽¹¹⁾.

Em regiões particulares, tais como juntas de expansão, articulações e regiões superpostas, esses aços têm comportamento crítico quanto à corrosão, assim como ocorre com os aços-carbono tradicionais. Os elementos de ligação (chapas, parafusos, porcas, arruelas, rebites, cordões de solda etc.) devem apresentar não apenas resistência mecânica compatível com a de aços patináveis, mas também compatibilidade de composição química, para evitar o desenvolvimento da corrosão galvânica⁽¹¹⁾.

 

Aplicações dos aços patináveis

Esses materiais são usados em diversas aplicações por conta de suas propriedades mecânicas e de resistência à corrosão, e devido a fatores estéticos associados à formação da pátina avermelhada protetora que inibe o avanço da corrosão. A figura 4 ilustra um exemplo de aplicação dos aços patináveis utilizados pela empresa Digicon (Gravataí, RS) na fabricação de parquímetros. O uso desse tipo de aço nos parquímetros ocorreu por conta de estes estarem expostos aos mais adversos ambientes, sob diversas condições climáticas.

Fig. 4 – Parquímetros produzidos pela empresa Digicon.

O aço também é muito usado na construção civil, em esculturas expostas ao ar livre e na fachada externa de edifícios, devido à sua aparência rústica, o que lhe atribui um aspecto envelhecido. Ele ainda é utilizado como componente estrutural para pontes e viadutos, peças de veículos, vagões de trens, peças para agroindústria, parquímetros, sistemas de exaustão, na fabricação de guard-rails, de tanques, carrocerias de caminhões, entre outros⁽⁴⁾.

 

A pintura dos aços patináveis

Uma grande vantagem que os aços patináveis têm sobre os aços convencionais é o fato de isolar os pontos de oxidação, não deixando que se propaguem como acontece nos aços comuns desde que o ambiente promova a formação da pátina. Uma eventual falha no revestimento levará à formação de pontos de corrosão bem menos prejudicais do que aqueles formados sobre os aços convencionais, o que diminui o problema do destacamento da película de pintura, aumentando a durabilidade do revestimento e a vida útil do aço.

A figura 5 mostra dois tipos de aço laminado a quente, sob as normas ASTM A36 e ASTM A242, expostos por 48 meses em atmosfera industrial. Esses aços foram jateados com granalha de aço (padrão As 3) e pintados com duas camadas de tinta epóxi Mastic, da Anchortec (com 300 µm de espessura); após a secagem, foi feito o entalhe na tinta e subsequente exposição atmosférica.

Fig. 5 – Ensaio de pintura em um aço patinável comparado com um aço comum⁽²⁾.

Observa-se que o aço carbono comum teve uma grande área afetada pela corrosão, a qual danificou a pintura e comprometeu a peça. Já o aço patinável, no mesmo período, apresentou uma área menor afetada pela corrosão, sendo que a tinta se manteve preservada e continuou a oferecer proteção para o material⁽²⁾.

 

Conclusões

Com a evolução dos aços patináveis, o desempenho contra a corrosão vem aumentando gradativamente ao longo dos anos, conforme são desenvolvidos novos aços deste tipo. Esse desempenho contra a corrosão possibilita eliminar a proteção por pintura na maioria das situações em que ela seria necessária para aços comuns tradicionais. Com isso, são eliminados não só os custos diretos decorrentes de pintura inicial e de sua manutenção, como os indiretos provenientes de eventuais paradas operacionais. A maior resistência mecânica permite reduzir a espessura de peças e, em consequência, o peso final de estruturas.

Essas características fazem com que os aços patináveis sejam indicados para aplicações em estruturas expostas a altas taxas de deposição por corrosão atmosférica, tais como pontes junto à orla marítima ou sobre o mar, torres eólicas e componentes internos de navios e plataformas, entre outros.

Com o recente e impressionante crescimento da indústria naval brasileira, assim como o das companhias de geração de energia eólica, petróleo e gás, e mais recentemente com o pacote de investimentos do Governo Federal retomando o setor ferroviário, que desde a década de 1960 estava estagnado, se faz ainda mais necessário o investimento em pesquisa e desenvolvimento de novos materiais, assim como o aperfeiçoamento dos já existentes indicando que o futuro da família Cor-ten ainda vai se estender por muitas gerações.

 

Agradecimentos

Os autores agradecem ao Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM), à Universidade Federal do Rio Grande do Sul, às instituições de apoio financeiro CAPES e CNPq e à empresa Digicon.

 

Referências

1. ABM – Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração. Tendências e Inovações em Aços – Panorama do Setor Siderúrgico, 2008.
2. Gerdau. História, comportamento e usos dos aços patináveis na engenharia estrutural brasileira. Disponível em . Acessado em 05 set. 2012.
3. Guia Metal. Aços de qualidade estrutural resistentes a corrosão atmosférica. Disponível em . Acessado em 08 set. 2012.
4. Infomet. Aços patináveis (CORTEN). Disponível em . Acessado em 10 set. 2012.
5. Pannoni, F. D. E.; et al. Investigação da corrosão de um aço-carbono e de um aço patinável submetidos a diferentes condições ambientais. In: Anais do 48º Congresso Anual da ABM, p.135-154, 1993.
6. Pannoni, F. D. E.; Marcondes, L. Efeito da composição química da liga sobre o comportamento frente à corrosão atmosférica de aços determinado pela análise estatística dos dados publicados. In: Anais do 16º Congresso Brasileiro de Corrosão da ABRACO, p.67-83, 1991.
7. Corus Construction Centre. Weathering Steel Bridges. Publicação Corus (2001).
8. Pannoni, F. D. E.; Marcondes, L. Cos-ArCor – Aços de alta resistência mecânica resistentes à corrosão atmosférica. Relatório interno de número RT/17 da coordenadoria de pesquisa tecnológica da COSIPA, 1987.
9. Pannoni, F. D. E.; Wolynec, S. A ferrugem que protege. Ciência Hoje (Revista de divulgação científica da Sociedade Brasileira para o Progresso da Ciência – SBPC), vol.10, nº 57, p.54-59, 1989.
10. Chiavari, C.; Bernardi, E.; Martini, C.; Passarini, F.; Motori, A.; Bignozzi, M. C. Atmospheric of Cor-Ten steel with different surface finish: Accelerated ageing and metal release. Materials Chemistry and Physics 136, p. 477-486, 2012.
11. Pannoni, F. D. Princípios da proteção de estruturas metálicas em situação de corrosão e incêndio. Coletânea do uso do aço, 4º edição, 2007. Disponível em < www.gerdau.com. br/gerdauacominas/br/produtos/pdfs/ manual_corrosao.pdf>. Acessado em 16 nov. 2012. 12) Usiminas. Usiminas Mecânica terá nova fábrica de vagões em Congonhas-MG. Disponível em: . Acessado em 20 nov. 2012.