Desenvolvimento e uso do compósito de Nb2O5|Cu como revestimento aplicado por aspersão térmica sobre o aço AISI 1020 para proteção contra a corrosão pelo solo em estruturas enterradas

Development of Nb2O5|Cu composite as AISI 1020 steel thermal spray coating for protection against corrosion by soil in buried structures

soil corrosion; surface coating; Nb2O5

ARTIGO

Desenvolvimento e uso do compósito de Nb₂O₅|Cu como revestimento aplicado por aspersão térmica sobre o aço AISI 1020 para proteção contra a corrosão pelo solo em estruturas enterradas

Development of Nb₂O₅|Cu composite as AISI 1020 steel thermal spray coating for protection against corrosion by soil in buried structures

Oscar Regis Junior^I,*; José Maurílio da Silva^II; Kleber Franke Portella^II; Ramon Sigifredo Cortes Paredes^III

^IDepartamento de Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, 84016-210 Ponta Grossa - PR, Brasil

^IIDepartamento de Pesquisa em Engenharia Civil, Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento, CP 19067, 81531-900 Curitiba - PR, Brasil

^IIIDepartamento de Mecânica, Universidade Federal do Paraná, CP 19011, 81531-900 Curitiba- PR, Brasil

ABSTRACT

An Nb₂O|Cu corrosion-resistant coating was developed and applied onto AISI 1020 steel substrate by Powder Flame Spray. A galvanostatic electrochemical technique was employed, with and without ohmic drop, in four different soils (two corrosively aggressive and two less aggressive). Behavior of coatings in different soils was compared using a cathodic hydrogen reduction reaction (equilibrium potential, overvoltage and exchange current density) focusing on the effect of ohmic drop. Results allow recommendation of Nb₂O₅|Cu composite for use in buried structure protection.

Keywords: soil corrosion; surface coating; Nb₂O₅.

INTRODUÇÃO

A galvanização de estruturas enterradas confere, normalmente, proteção razoável contra a corrosão pelo solo por vários anos, mas quando estas se encontram em solos altamente corrosivos, tal proteção se torna ineficiente muito antes do final do seu período de vida útil.

O solo é uma coleção de corpos naturais constituídos por partes sólidas, líquidas e gasosas, tridimensionais, dinâmicos, que são formados por materiais minerais e orgânicos que ocupam a maior parte do manto superficial das extensões continentais do planeta.¹ Suas propriedades exercem grande influência na corrosão eletroquímica de estruturas metálicas enterradas, em função das alterações que podem ser observadas nos processos anódicos e catódicos. Esta influência pode ser ocasionada tanto por propriedades físicas, químicas e biológicas (agressividade específica) como por fatores externos (agressividade relativa).²

A agressividade específica está intimamente ligada às propriedades locais, tais como resistividade, umidade, acidez ou alcalinidade, permeabilidade, presença de sais solúveis e micro-organismos. A agressividade relativa, por sua vez, está relacionada a fatores externos, tais como a corrente de fuga e de contato entre diferentes metais.³ Estes fatores podem atuar de forma conjunta e, por este motivo, a corrosividade dos solos é avaliada por diversos parâmetros físico-químicos simultaneamente, conforme critérios existentes na literatura.^4-9

Em complementação aos sistemas existentes de proteção superficial para as estruturas enterradas, optou-se em avaliar o compósito Nb₂O₅|Cu como revestimento superficial aplicado por aspersão térmica flame spray (FS), pela maior versatilidade deste processo. A escolha do compósito Nb₂O₅|Cu baseou-se nas características dos seus elementos constituintes. O Nb₂O₅ tem como característica a formação de filmes compactos, não porosos e estáveis, com baixa dissolução e alta resistência à corrosão, em uma ampla variedade de meios¹⁰ e o cobre (Cu) por ser largamente utilizado na indústria, devido as suas propriedades de condutividade térmica e elétrica, boa maleabilidade, baixa corrosividade e excelente ductibilidade.¹¹

O processo FS, utilizado na deposição de materiais na forma de pó, está bem difundido na literatura^12-16 e foi utilizado neste trabalho no sentido de formular e validar uma proteção superficial (à base do material compósito Nb₂O₅|Cu) aos processos de corrosão ao aço AISI 1020, para sua aplicação em diferentes tipos e características de solo.

A avaliação experimental foi realizada comparando-se os resultados obtidos das técnicas eletroquímicas do aço AISI 1020 sem revestimento com o aço AISI 1020 revestido com o compósito Nb₂O₅|Cu em quatro diferentes solos previamente caracterizados, segundo os critérios de literatura.^4-9

PARTE EXPERIMENTAL

A granulometria do pó do compósito Nb₂O₅|Cu foi estabelecida entre 44 e 63 µm de diâmetro e sua composição final foi elaborada utilizando quantidades iguais de massa dos pós envolvidos.¹⁷

Para garantir a aderência adequada dos revestimentos ao substrato, preparou-se a superfície para permitir que as partículas projetadas no momento do impacto ficassem totalmente aderidas e livres de impurezas residuais.¹⁸

No processo de aspersão térmica foi utilizada a pistola METCO 6P-II nas condições especificadas na Tabela 1. Procurou-se estabelecer uma espessura média de (250 a 450) µm, por camada depositada.

Análise dos solos

Foram estudados quatro tipos de solos e, para sua classificação quanto à agressividade (agressivo ou pouco agressivo), houve a necessidade da determinação experimental dos parâmetros recomendados na literatura.^4-9

Como parâmetros físicos, químicos e, especialmente, eletroquímicos, foram estudados a resistividade do solo em função da quantidade de água adicionada, o pH, o potencial de repouso (E_Rep) do aço no meio, a condutividade e a sobretensão do hidrogênio nas condições de resistividade mínima, as curvas potenciodinâmicas catódicas e, avaliados a acidez total, os teores de sulfato e cloreto e a densidade de corrente (i_p) para proteção do corpo de prova, respectivamente.

Caracterização eletroquímica do compósito Nb₂O₅|Cu

A eficácia do material aspergido foi analisada pelas técnicas eletroquímicas para a obtenção das curvas de polarização do aço carbono, com e sem revestimento e imerso nos quatro diferentes tipos de solos, usando os parâmetros eletroquímicos da redução do hidrogênio, obtidos experimentalmente e complementando com os da literatura.^19,20

Para a construção das curvas eletroquímicas pela técnica galvanostática com e sem queda ôhmica, fez-se um incremento da corrente injetada pelo galvanostato/potenciostato, modelo 175 da PARC (Princeton Applied Research ED&G) acoplado a uma rampa de potencial modelo 175 da PARC, para se obter os potenciais em condições de circuito fechado (E_on), para cada incremento.²¹ Após a estabilização do E_on, para cada incremento de corrente foi necessária a obtenção dos potenciais em condições de circuito aberto, E_off. Para tanto, fez-se a interrupção da corrente injetada pelo galvanostato.²¹ Com esta interrupção, o E_on teve uma queda abrupta para um determinado valor, passando a uma ligeira estabilização com o tempo. O valor da leitura do E_off foi considerado como sendo o primeiro potencial resultante imediatamente após se desligar a chave do galvanostato. Para cada incremento no valor da corrente mediu-se o potencial E_off . De posse dos valores de E_offobtidos, elaborou-se a parte gráfica da polarização potenciodinâmica em condições de circuito fechado e aberto (potenciais em função da densidade de corrente incrementada).

As medições dos E_Reps com o tempo foram obtidas pela imersão do eletrodo de referência (cobre/sulfato de cobre saturado) e de trabalho (aço carbono AISI 1020 com e sem o revestimento do compósito Nb₂O₅|Cu) nos quatro solos estudados, cada qual dentro de uma célula eletroquímica à temperatura ambiente. Com a ajuda de um multímetro foram coletados os dados destes potenciais em relação ao eletrodo de referência e em função do tempo. Os resultados foram apresentados na sua forma gráfica e analisados.

Caracterização eletroquímica da reação catódica de redução do hidrogênio

Devido à redução dos íons de hidrogênios existentes no solo úmido, foi possível estabelecer o seu grau de corrosividade, pela determinação da sobretensão do hidrogênio (η_H2).

Na Tabela 2, estão listados os critérios para a classificação da corrosividade dos solos, com base na sobretensão do hidrogênio baseado no E_Rep em relação ao eletrodo de referência Cu/Cu(II) saturado (CSC).

O valor da sobretensão de hidrogênio (η_H2) para o solo em estudo foi obtido pela Equação 1,

A densidade de corrente de troca do hidrogênio () traduz a parcela de potenciais relacionados com a polarização ou deslocamento do equilíbrio da redução do hidrogênio.¹⁷ Quando a eficácia do eletrodo do hidrogênio é alta, o deslocamento do equilíbrio da redução do hidrogênio fica dificultado, conforme mostrado na Equação 2.

A partir do potencial reversível ou potencial de equilíbrio do hidrogênio, foi possível obter a densidade de corrente de troca do hidrogênio () pela relação de Tafel²² (Equação 2).

Caracterização eletroquímica da reação anódica de oxidação do ferro

A caracterização eletroquímica da reação anódica de oxidação do ferro foi feita de acordo com a Equação 3.

O potencial reversível ou potencial de equilíbrio do eletrodo Fe/Fe(II) foi estabelecido como -850 mV ²⁰ e a densidade de corrente de troca do Fe/Fe(II) foi estabelecido como 4 µA/cm^2.19

Com os resultados das caracterizações eletroquímicas de redução do hidrogênio e da oxidação do ferro no meio considerado, bem como das correntes e potencias resultantes, construiu-se a curva ilustrada na Figura 1. A partir desta, obteve-se o potencial de corrosão, por cálculo, para os corpos de prova de aço com e sem revestimento expostos aos solos. De posse destes resultados e de modelos existentes na literatura²¹ foram obtidos o potencial e a densidade de corrente de proteção dos materiais (i_p^IR), na ausência de queda ôhmica.

Na Figura 1 estão demonstrados, como exemplo, os pontos de interseção das curvas para a obtenção dos parâmetros para o revestimento de Nb₂O₅|Cu exposto ao solo "B". E_off é o potencial em condição de circuito aberto; Log I, o logaritmo da corrente injetada durante o experimento; Cu/Cu(II) o eletrodo de referência cobre/sulfato de cobre saturado; E_corr, o potencial de corrosão; I_corr, a corrente de corrosão e I_p^IR é a corrente de proteção.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Caracterização físico-química dos solos

Após a realização dos ensaios de laboratório foi possível fazer uma análise da agressividade dos solos, baseada nos critérios existentes na literatura.^4-9 O resumo dos valores obtidos está demonstrado na Tabela 3 para os solos A, B, C e D. A partir destes valores os solos foram classificados em: agressivos - "A" devido ao alto índice de acidez presente e "B" devido ao valor da resistividade obtido nas condições de saturação e, pouco agressivos, "C" e "D".

Caracterização eletroquímica do compósito Nb₂O₅/Cu

E _Rep vs eletrodo de referência Cu|Cu(II) saturado

Na Figura 2 pode ser observado o perfil do comportamento da variação do E_Rep. do aço carbono AISI 1020, sem revestimento e com revestimento (Nb₂O₅/Cu), inserido nos solos saturados com H₂O e em função do tempo de inserção. Observou-se uma variação dos mesmos no sentido mais catódico em relação aos seus potenciais iniciais. Também, pela análise geral da curva, notou-se que o E_Rep resultante teve relação direta com a resistividade do solo. Quanto maior o valor da resistividade do solo, menos negativo será o valor do potencial inicial e maior será a variação de potenciais no sentido catódico.

O solo "D" foi o que apresentou maior resistividade, 350 W m. Isto explica a maior variação na evolução dos potenciais neste solo.

Ao se analisar o aço revestido nos solos, observou-se que os potenciais iniciais e o E_Rep. (após 30 min) apresentaram valores menos negativos que os potenciais iniciais e de repouso do aço AISI 1020 sem revestimento. Isto indica que o revestimento propiciou uma proteção ao substrato contra a corrosão pelo solo.

Caracterização eletroquímica da reação catódica de redução do hidrogênio

Sobretensão do hidrogênio (η_H2)

Na Tabela 4 estão apresentados os valores das sobretensões de hidrogênio do aço AISI 1020 e do revestimento nos solos estudados. Estes valores foram obtidos pelos parâmetros eletroquímicos da reação catódica de redução do hidrogênio, para um E_Rep de 30 min de exposição.

Utilizando o E_Rep do aço AISI 1020 () em um tempo de 30 min, para a obtenção da sobretensão do hidrogênio (), observou-se pelos resultados, que este apresentou sobretensão negativa para todos os solos. Pela análise destes valores a partir do E_Rep do aço revestido com o compósito de Nb₂O₅|Cu (), observou-se que a sobretensão () passou a ser positiva para todos os revestimentos em todos os solos. Os valores positivos da sobretensão do hidrogênio, que é o parâmetro relacionado com a redução dos íons de hidrogênio existentes na umidade do solo, evidenciaram que os revestimentos auferiram melhor proteção quanto à corrosão ao aço no solo.

Densidade de corrente de troca do hidrogênio ()

Os valores da () do aço exposto na água do mar é 0,1 µA/cm² e na água potável é 1 µA/cm^2.19,23 Isto comprova que no meio mais agressivo, a densidade de corrente de troca é menor. Observou-se que este fato foi verificado com o aço e com o revestimento quando expostos aos solos estudados, conforme listado na Tabela 5. O valor da () para o aço revestido com o compósito foi obtido de maneira similar ao convencionalmente adotado para o aço sem revestimento. Embora a área reacional não seja a mesma, os valores encontrados apresentaram uma grande coerência.

Potencial de corrosão (E_corr)

Na Tabela 6 estão apresentados os valores do E_corr para o aço AISI 1020 e para o aço revestido com o compósito Nb₂O₅|Cu nos diferentes solos estudados. Nesta Tabela está apresentada, também, a queda ôhmica verificada nos sistemas. A diferença existente entre o E_Rep e o E_corr forneceu o valor da queda ôhmica (IR) no sistema.

Na Tabela 6 está demonstrado que o E_corr do aço nos solos estudados foi mais catódico que o dos aços revestidos com o compósito Nb₂O₅|Cu. Pela sua análise, observou-se que houve variação da queda ôhmica para o aço com e sem revestimento de Nb₂O₅|Cu imerso nos quatro solos estudados. Esta queda ôhmica ficou diretamente relacionada com a resistividade dos solos.

Para o solo "D" (ρ_min = 350 W m) foi verificada a maior queda ôhmica tanto no aço sem revestimento (88 mV) quanto no aço revestido com o compósito (506 mV).

Desta forma, tem-se que o revestimento de Nb₂O₅|Cu sobre o aço imerso nos 4 solos apresentou aumento da queda ôhmica, comprovando, assim, a eficiência do revestimento.

Densidade de corrente para proteção do aço e dos revestimentos no solo (i_p^IR) com a interferência da queda ôhmica nos processos de redução

Na Tabela 7 tem-se o resumo dos valores de (i_p^IR) para o aço com e sem o revestimento, nos solos estudados. Ao comparar os revestimentos de Nb₂O₅|Cu com o aço sem revestimento nos solos pouco agressivos, observou-se que houve uma melhora em relação ao aço sem revestimento, pois o mesmo forneceu uma maior densidade de corrente necessária para proteção. Um dos prováveis fatores que fez com que a i_p^IR aumentasse foi o aumento da queda ôhmica propiciada pela qualidade do revestimento depositado.

CONCLUSÕES

Com base na obtenção de parâmetros físico-químicos dos solos e pelos critérios da literatura, estes foram classificados em agressivos (A e B) e pouco agressivos (C e D).

O revestimento de Nb₂O₅|Cu propiciou uma melhor proteção ao aço AISI 1020, com aumento da queda ôhmica resultante e com os valores da sobretensão do hidrogênio mais positivos em todos os solos analisados.

O valor da densidade de corrente de proteção proporcionada pelo revestimento foi maior do que a do aço sem revestimento para os solos poucos agressivos, devido ao aparecimento da queda ôhmica proporcionada pelo filme aspergido.

AGRADECIMENTOS

À UTFPR/PG, UFPR, ao Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento - LACTEC e ao CNPq.

Recebido em 15/8/11; aceito em 9/4/12; publicado na web em 26/6/12

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  04 Set 2012
• Data do Fascículo
  2012

Histórico

• Recebido
  15 Ago 2011
• Aceito
  09 Abr 2012