Pergunte a um metalúrgico:O que é ferrugem?

A química da corrosão:como limpar e proteger seus itens de metal

Ferrugem é o nome comum para os produtos químicos que resultam quando o ferro reage com oxigênio e água. No entanto, “ferrugem” é mal definida em química – muitos produtos químicos podem ser formados quando o ferro é deixado exposto. No entanto, geralmente nos referimos à aparência vermelha e escamosa que resulta de certos produtos químicos como ferrugem.

A corrosão de ferro ou aço produz muitos compostos diferentes em condições ambientais regulares. Alguns desses produtos químicos serão pretos, azuis, amarelos, cinzas ou marrons, dependendo de quais moléculas eles pegam do ambiente enquanto enferrujam. Por exemplo, a chuva ácida que contém enxofre pode combinar com o ferro para criar moléculas de pirita, o mineral amarelo chamado “ouro de tolo”. Esses minerais não são o que pensamos ser ferrugem. O que geralmente queremos dizer é algum tipo de óxido de ferro (III), de aparência vermelha ou marrom-avermelhada.

Quando falamos de ferrugem do ferro, portanto, nem sempre a relacionamos com as mudanças químicas que observamos em outros metais que usamos regularmente. Não falamos de prata ou cobre “enferrujando”. Em vez disso, diz-se que o cobre desenvolve uma pátina e diz-se que a prata mancha. Todos esses termos descrevem a corrosão do metal exposto.

Por que o ferro enferruja? Por que o cobre não enferruja?

Os metais corroem através de reações químicas com seu ambiente. Metais refinados e utilizáveis ​​por humanos geralmente não estão em sua forma mais termodinamicamente estável. Eles reagem com moléculas no ar ao seu redor para encontrar um estado mais estável.

No ferro enferrujado, este é um processo de oxidação, onde o oxigênio e a água trabalham para produzir óxidos de ferro. A corrosão pode acontecer com outras moléculas, no entanto. A mancha de prata é frequentemente produzida por reações com sulfeto de hidrogênio, um gás que cheira a ovos podres e é produzido por decomposição bacteriana em ambientes com pouco oxigênio. Se você tiver prata perto de um pântano ou perto de um depósito de lixo, ela manchará rapidamente!

Alguns metais não corroem porque já são quimicamente estáveis. O ouro e a platina são exemplos:é mais provável que sejam encontrados como metal elementar puro na crosta terrestre por esse motivo. A prata também é encontrada como um metal puro, porque quando mancha, a própria mancha cria uma vedação termodinamicamente estável ao redor do resto do metal. Esse filme passivo evita a corrosão adicional das camadas mais abaixo, em um processo chamado de passivação.

A pátina de cobre, responsável pela distinta cor verde da Estátua da Liberdade, é um exemplo de película passiva que protege o metal por baixo; o verdete formado pelo intemperismo do cobre mantém sua ligação com a camada de cobre abaixo, selando e protegendo-a das moléculas atmosféricas.

Em contraste, os óxidos de ferro vermelho (III) não se ligam ao ferro abaixo deles, mas se afastam e se descamam. Portanto, a ferrugem não fornece uma camada de passivação, mas corrói, expondo a próxima camada de ferro à oxidação.

Algumas ligas à base de ferro, como o aço inoxidável, são conhecidas por serem resistentes à ferrugem. As ligas de ferro resistentes à ferrugem têm um metal na mistura que cria uma película passiva e protetora antes que a ferrugem se instale. Para o aço inoxidável, a passivação é criada pela adição de cromo, que oxida rapidamente, deixando uma camada muito fina que protege o ferro .

Tipos comuns de corrosão de metal

Os metais corroem em diferentes ambientes através de diferentes processos. A forma mais simples de corrosão ocorre quando os metais reagem à umidade e ao ar em sua superfície. Em ambientes salinos, a presença de cloro no sal pode acelerar e moderar este processo. Na chuva ácida, os compostos de enxofre podem ser responsáveis.

Ambientes salinos também facilitam um processo um pouco mais complicado chamado corrosão galvânica . Na corrosão galvânica, dois tipos de metais com potenciais elétricos muito diferentes entram em contato elétrico ou físico em um banho eletrolítico, como a água do mar. O metal mais passivo, o metal catódico, atrai elétrons do metal ativo ou anódico. Essa reação química é uma forma de corrosão que também forma a base das baterias eletroquímicas.

As moléculas recém-carregadas no metal anódico se estabilizam combinando-se com as moléculas do ambiente, geralmente produzindo óxidos ou outros minerais. No aço, esses óxidos são ferrugem.

O alumínio é um metal que geralmente é protegido por um filme passivo durante a corrosão. No entanto, o alumínio pode ser rapidamente corroído até a falha se for aparafusado com parafusos de aço inoxidável, devido à corrosão galvânica. Os parafusos de aço, por outro lado, serão mais resistentes à ferrugem! O fornecimento do ânodo de um fluxo constante de elétrons evita a corrosão no metal do cátodo. Por esse motivo, às vezes, “ânodos de sacrifício” são fixados ao metal que será exposto ao mar, como no casco de um navio, para ajudar eletroquimicamente a proteger a membrana do navio.

Corrosão por pites é o termo para corrosão que não ocorre uniformemente na superfície de um metal. Em vez disso, pequenos orifícios aparecem no metal. Essas áreas de corrosão mais rápida geralmente são devidas à falha da “vedação” no material, seja um selante feito pelo homem, como tinta ou revestimento em pó, ou o selante de filme passivo de uma camada superior de corrosão. A camada de passivação pode falhar se houver inclusões no metal ou a liga não for uniforme. O metal é uma estrutura cristalina feita de grãos, e existem diferentes fases dessas estruturas de grãos. Se a química for irregular ou deformada, pode causar manchas mais vulneráveis ​​à corrosão e até mesmo criar corrosão galvânica em todo o corpo do mesmo metal.

O aço inoxidável pode enferrujar?

O aço inoxidável é uma liga ferrosa resistente à corrosão que combate a ferrugem com a adição de cromo. Diferentes porcentagens de cromo são usadas para torná-lo resistente ao uso regular ou uso pesado em ambientes salinos, como no aço inoxidável 316.

No entanto, até o aço inoxidável pode enferrujar! Todo o ferro que está preso no metal só precisa ter exposição para reagir. Está contando com a camada passiva de “vedação” de óxido de cromo para protegê-lo.

A camada de óxido de cromo tem apenas algumas moléculas de espessura e não é formada instantaneamente. Quando o aço inoxidável é feito, ele é limpo com um ácido. Este ácido remove quaisquer depósitos de ferro, sal ou graxa no nível da superfície que possam causar um problema para a reação química do cromo. Dependendo do tipo de ácido utilizado, ele pode fazer parte do processo de passivação ou simplesmente preparar o aço para passivar naturalmente no ar.

Como esse filme passivo é um produto químico, ele pode ser interrompido. Calor muito alto acima de 750°F pode causar alterações moleculares no cromo que impedem a oxidação, de modo que a ferrugem pode se fixar ao redor do local de uma solda em aço inoxidável. Em outros casos, a camada de óxido de cromo pode ser comprometida por rápida mudança térmica, abrasão, quebra, sal, ácido e o acúmulo de outros depósitos metálicos. Se o aço inoxidável entrar em contato com muito ferro, a porcentagem localizada de cromo pode cair abaixo da porcentagem mínima necessária para manter um filme (limitado inferior em 10,5%).

Portanto, esfregar aço inoxidável com palha de aço pode piorar o problema de ferrugem! À medida que o cromo é desgastado, as moléculas de aço do purificador podem se tornar parte do metal base, diminuindo o teor local de cromo. Quando a passivação falha no aço inoxidável e o ferro é exposto à água e ao ar, a ferrugem se instala.

Como limpar ferrugem de aço inoxidável

Conselhos sobre limpeza de aço inoxidável muitas vezes sugerem que você deve “ter cuidado ao arranhar a superfície de cromo” e, portanto, recomenda não usar abrasivos e outros produtos químicos. Isso não está bem correto:a ferrugem é indicativa de que a superfície do óxido de cromo já foi danificada. O objetivo de limpar a ferrugem do aço inoxidável no contexto não industrial (em casa ou em uma pequena cozinha comercial), é primeiro limpar completamente a liga inoxidável, removendo toda a ferrugem, mas também todos os depósitos de ferro, sal, graxa ou ácido, e, em seguida, permitir que o material “auto-passiva”, o que significa reagir com o ar para reformar a vedação. Ficar longe de todas as formas de ferro e aço ao fazer isso é uma maneira de ficar feliz com o resultado.

Para limpar a ferrugem do aço inoxidável:

1. Um abrasivo suave, como bicarbonato de sódio, pode ser usado para esfregar a superfície com um pano, esponja ou escova de cerdas macias para remover a ferrugem.
2. À medida que a ferrugem e quaisquer contaminantes são removidos, o cromo se passiva automaticamente, instantaneamente, criando seu próprio escudo protetor.
3. A camada de óxido de cromo se torna mais espessa nos dias seguintes, então a secagem ao ar durante a noite ajuda a aumentar sua proteção!
4. Após um bom enxágue, o aço inoxidável pode secar ao ar livre ou pode ser limpo e polido com um limpador de aço inoxidável personalizado.

Nas configurações de fabricação, o aço inoxidável às vezes é limpo em um banho quente de ácido nítrico, que “força” uma camada mais espessa de passivação. Por razões ambientais, muitos fabricantes estão atualmente migrando para o uso de ácido cítrico para limpeza, como pode ser mais comum em casa, e permitindo que o aço inoxidável se “auto-passiva”.

Como remover ferrugem de ferro fundido e aço

Ao contrário da remoção de ferrugem de ligas de aço inoxidável, usar palha de aço ou escova de cerdas de arame pode ajudar a remover a ferrugem de ferro fundido ou aço!

Para superfícies simples e menores, como panelas de ferro fundido enferrujado:

1. Um esfregão e um pouco de graxa de cotovelo podem remover a camada de óxido de ferro. O sal é um abrasivo comumente usado.
2. A panela deve ser lavada bem.
3. A panela deve ser seca em fogo alto, para que todos os poros da superfície tenham líquido expelido deles.
4. O ferro fundido deve ser temperado com óleo, que forma um selante de polímero quando cozido na superfície.
5. Este óleo pode ser pintado sobre a superfície em uma camada fina e depois cozido (de cabeça para baixo para evitar a formação de poças) a 375° por 1 hora. Camadas adicionais podem ser adicionadas, se desejado.
6. O óleo de linhaça de grau alimentício é a escolha ideal em óleos condimentares, proporcionando um acabamento duro e brilhante.

Esfregar não é prático para muitos objetos de formas ou tamanhos complexos. Nesse caso, métodos químicos de remoção podem ser a melhor abordagem. Eles têm eficácia variável, dependendo do tipo de liga envolvida. Ingredientes domésticos comuns, como vinagre, melaço ou ácido cítrico, podem ser usados. O melaço é uma escolha surpreendente e leva mais tempo do que o vinagre, mas pode ser bastante eficaz, pois se decompõe em ácido oxálico, que ajuda a remover a ferrugem.

Produtos comerciais de remoção de ferrugem – geralmente feitos com ácidos mais fortes – também estão disponíveis. Mergulhar nesses líquidos e depois removê-los e secá-los pode ser eficaz para restaurar antigos tesouros enferrujados.

Assim como nas panelas de ferro fundido, é importante considerar como o aço e o ferro serão protegidos dos elementos depois de limpos.

Protegendo metais ferrosos

O ferro, na presença de ar e água, enferruja. Isso significa que, enquanto a humanidade trabalha com ferro, também trabalhamos nos melhores selantes para ferro. Há muitas maneiras de criar uma camada apertada.

Passivação forçada —Uma forma muito comum de selar ferro ou aço é corroer a primeira camada em um óxido de ferro (II), ou óxido preto, que funciona como outras pátinas metálicas e sela o metal. A única diferença entre este processo e o que acontece com o cobre, zinco ou cromo é que não acontecerá em condições ambientais normais. Portanto, se a camada superior do item for danificada, todo o item terá que ser refeito. Isso é conhecido como “azul” quando feito com armas por meio de um processo, ou “escurecimento” na maioria das oficinas mecânicas, por meio de um processo semelhante, mas com produtos químicos ligeiramente diferentes. Nos processos de escurecimento a frio, o óxido de ferro (II) pode ser pintado sobre a superfície, proporcionando proteção um pouco menos durável.

Uso e cuidados regulares, incluindo lubrificação ou depilação — Alguns ferros ou aços trabalhados serão deixados principalmente crus, onde o uso, o cuidado ou o ambiente os manterão brilhando. Tradicionalmente, armas como espadas e equipamentos como facas podem ter sido deixadas “crus”, mas seriam secas e lubrificadas com óleos minerais ou de cozinha, que são selantes temporários que precisam de reaplicação regular. Para armazenamento prolongado, ceras e outros polidores podem ser usados ​​para criar uma vedação, mas que ainda se desgastaria com o uso.

As peças do motor expostas ao óleo comum podem ficar cruas, pois o calor e o óleo ao redor do motor tornam improvável que enferrujem, mas as superfícies externas podem ser pintadas. Os sistemas de escape dos carros dependem das temperaturas mais altas de um motor totalmente quente para evitar a corrosão e, portanto, dirigir por tempo suficiente para que o bloco do motor aqueça é uma maneira de evitar a ferrugem em um silenciador. (Em motores de corrida de alto desempenho, o interior também pode ser pintado, mas isso é principalmente para ajudar na circulação do óleo.)

Vedantes aplicados —Muitos produtos de ferro e aço são protegidos por serem revestidos por uma camada dura de outra substância. Esses incluem:

• Óleo polimerizado: O óleo de linhaça (feito de linho, mas não para os padrões de qualidade alimentar) foi um dos acabamentos originais dos produtos de ferro forjado. Um ferreiro pode temperar com óleo ou pintar um objeto com óleo e depois incendiá-lo, fornecendo o tradicional brilho marrom-escuro que ainda imitamos no ferro forjado hoje, geralmente com lacas, tintas ou vernizes.
• Galvanização por imersão a quente: Neste processo, o zinco é aplicado ao aço ou ferro em um banho fundido. A galvanização de zinco tem várias propriedades protetoras. Em primeiro lugar, cria uma pátina, que sela tanto o zinco quanto o ferro ou aço abaixo. Em segundo lugar, é mais “ativo” do que os metais aos quais é aplicado. Ao longo da vida de um objeto de aço galvanizado, o zinco atua como o “ânodo de sacrifício”. À medida que se degrada, protege e retarda a corrosão do aço por baixo, mesmo que o aço fique exposto.
• Eletrogalvanização: O zinco pode ser aplicado ao aço não por meio de um banho de imersão, mas pela aplicação de carga elétrica através do objeto de aço e pulverização do objeto com partículas de zinco carregadas. Isso causa uma ligação elétrica uniforme e ininterrupta sobre a superfície do metal.
• Revestimento em pó: O processo de aplicação de revestimento em pó é semelhante ao de aplicação de zinco, pois o objeto e o selante são carregados eletrostaticamente, o que significa uma ligação molecular sem as menores interrupções que deixarão a umidade passar. O revestimento em pó resinoso é então cozido no objeto em um forno quente. A pelagem manterá o brilho por anos, proporcionando proteção superior e exigindo manutenção mínima.
• Pintura: Tanto em ambientes internos quanto externos, e mesmo no coração de motores de alto desempenho, a tinta é um selante popular e versátil. Como um selante barato, ainda faz um trabalho muito bom em proteger o ferro e o aço dos elementos. Quando racha e se desgasta, é simples o suficiente para lixar e reaplicar. A desvantagem da tinta é sua própria tendência a rachar e descamar com o tempo:mesmo um pequeno furo na camada de selante pode iniciar o processo de ferrugem abaixo. No entanto, essas desvantagens às vezes são gerenciáveis ​​com o uso de uma parte ou parte de uma rotina de manutenção regular.

Cuidados com objetos de metal

O metal é um material classicamente durável, usado para criar objetos e estruturas para durar muitas vidas. No entanto, a maioria dos metais ainda é vulnerável à corrosão e deterioração eletroquímica. Ao iniciar um projeto, a consideração do ambiente em que o metal estará permite que um projetista escolha o metal que resistirá melhor nessas condições.

O ferro é muito propenso à oxidação, e a ferrugem geralmente se instala com o menor indício de água e oxigênio. Ao contrário de outros metais, essa oxidação não formará sua própria camada passiva de vedação. Portanto, os selantes são geralmente usados ​​com metais ferrosos. Encontrar o tipo certo e ficar de olho no metal ao longo das décadas de uso pode ajudar a prolongar a vida útil de qualquer objeto de metal.