Metalurgista Explica: O que é Ferrugem e Como se Forma

A química da corrosão: como limpar e proteger seus itens metálicos

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

Ferro ou aço corroendo produzem muitos compostos diferentes em condições ambientais regulares. Alguns desses químicos serão pretos, azuis, amarelos, cinzas ou marrons, dependendo de quais moléculas eles agarram do ambiente enquanto enferrujam. Por exemplo, chuva ácida que contém enxofre pode combinar com ferro para criar moléculas de pirita, o mineral amarelo chamado "ouro de tolo". Estes minerais não são o que pensamos como ferrugem. O que geralmente queremos dizer é algum tipo de óxido de ferro (III), um que é vermelho ou vermelho-marrom na aparência.

Quando falamos de ferro enferrujando, portanto, nem sempre o relacionamos às 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 a prata diz-se que mancha (tarnish). Todos esses termos descrevem metal exposto corroendo.

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

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

Na ferrugem do ferro, este é um processo de oxidação, onde oxigênio e água trabalham para produzir óxidos de ferro. Corrosão pode acontecer com outras moléculas, no entanto. O manchamento da prata é frequentemente produzido por reações com sulfeto de hidrogênio, um gás que cheira a ovos podres e é produzido por decomposição bacteriana em ambientes de baixo oxigênio. Se você tem prata perto de um pântano, ou perto de um lixão, ela manchará rapidamente!

Alguns metais não corroem porque já são quimicamente estáveis. Ouro e platina são exemplos: é mais provável que sejam encontrados como metal elementar puro na crosta terrestre por este motivo. A prata também é encontrada como metal puro, porque quando mancha, o próprio manchamento cria um selo termodinamicamente estável ao redor do resto do metal. Este filme passivo previne corrosão adicional de camadas mais profundas, em um processo chamado passivação.

A pátina do cobre, responsável pela cor verde distinta da Estátua da Liberdade, é um exemplo de filme passivo que protege o metal por baixo; o verdete formado pela intemperização do cobre mantém sua ligação à camada de cobre abaixo, vedando e protegendo-a de moléculas atmosféricas.

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

Algumas ligas baseadas em ferro, como aço inoxidável, são conhecidas por serem resistentes à ferrugem. Ligas de ferro resistentes à ferrugem têm um metal na mistura que cria um filme passivo e protetor antes que a ferrugem possa se instalar. Para 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

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

Ambientes salinos também facilitam um processo ligeiramente 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 água do mar. O metal mais passivo, o metal catódico, atrai elétrons do metal ativo ou anódico. Esta reação química é uma forma de corrosão que também forma a base de baterias eletroquímicas.

As moléculas recém-carregadas no metal anódico se estabilizam combinando com moléculas no ambiente, geralmente formando 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 aparafusado com parafusos de aço inoxidável, devido à corrosão galvânica. Os parafusos de aço, por outro lado, serão mais resistentes à ferrugem! A provisão do ânodo de um fluxo constante de elétrons previne corrosão no metal catódico. Por esta razão, às vezes "ânodos sacrificiais" são anexados a metal que será exposto ao mar, como no casco de um navio, para ajudar eletroquimicamente a proteger a membrana do navio.

Corrosão por pites (Pitting corrosion) é o termo para corrosão que não ocorre uniformemente pela superfície de um metal. Em vez disso, pequenos buracos aparecem no metal. Estas áreas de corrosão mais rápida geralmente são devidas à falha do "selo" no material, seja um selante artificial como tinta ou revestimento em pó, ou o filme passivo de selante de uma camada superior de corrosão. A camada de passivação pode falhar se houver inclusões no metal, ou a liga não for uniforme. Metal é uma estrutura cristalina feita de grãos, e existem diferentes fases dessas estruturas de grãos. Se a química é irregular ou deformada, pode causar pontos mais vulneráveis à corrosão, e até criar corrosão galvânica através do corpo do que é o 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 a uso regular, ou uso pesado em ambientes salinos, como com aço inoxidável 316.

No entanto, mesmo o aço inoxidável pode enferrujar! Todo o ferro que está trancado 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, é limpo com um ácido. Este ácido remove quaisquer depósitos superficiais de ferro, sal ou graxa que poderiam causar problema para a reação química do cromo. Dependendo do tipo de ácido usado, pode ser parte do processo de passivação, ou meramente preparar o aço para passivar naturalmente no ar.

Como este filme passivo é um químico, ele pode ser perturbado. Calor muito alto acima de 750°F (400°C) pode causar mudanças moleculares no cromo que impedem a oxidação, então a ferrugem pode se instalar ao redor do local de uma solda no aço inoxidável. Em outros casos, a camada de óxido de cromo pode ser comprometida por mudança térmica rápida, abrasão, quebra, sal, ácido e 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 (limitada inferiormente em 10,5%).

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

Como limpar ferrugem de aço inoxidável

Conselhos sobre limpeza de aço inoxidável frequentemente sugerem que você deve "ter cuidado para não arranhar a superfície de cromo", e portanto recomendam contra o uso de abrasivos e outros químicos. Isso não está totalmente correto: a ferrugem é indicativa de que a superfície de óxido de cromo já foi prejudicada. O objetivo de limpar ferrugem de aço inoxidável no contexto não industrial (em casa ou em cozinha comercial pequena), é primeiro limpar a liga inoxidável completamente, removendo toda ferrugem mas também todos depósitos de ferro, sal, graxa ou ácido, e então permitir que o material "auto-passie", significando reagir com o ar para reformar o selo. Manter-se longe de todas as formas de ferro e aço ao fazer isso é uma forma de ficar satisfeito com o resultado.

Para limpar ferrugem de aço inoxidável:

1. Um abrasivo leve 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 auto-passivará instantaneamente, criando seu próprio escudo protetor.
3. A camada de óxido de cromo fica mais espessa nos dias seguintes, então secar ao ar durante a noite está ajudando a construir sua proteção!
4. Após um bom enxágue, o aço inoxidável pode ser deixado para secar ao ar, ou pode ser limpo e polido com um limpador personalizado de aço inoxidável.

Em ambientes de fabricação, o aço inoxidável é às vezes limpo em banho quente de ácido nítrico, que "força" uma camada mais espessa de passivação. Por razões ambientais, muitos fabricantes estão atualmente mudando para uso de ácido cítrico para limpeza, como pode ser mais comum em casa, e então permitindo que o aço inoxidável "auto-passie".

Como remover ferrugem de ferro fundido e aço

Diferente de remover ferrugem de ligas de aço inoxidável, usar palha de aço ou escova de cerdas de arame pode ajudar a remover ferrugem de ferro fundido ou aço!

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

1. Um esfregão e um pouco de graxa de cotovelo podem remover a camada de óxido de ferro. Sal é um abrasivo comumente usado.
2. A panela deve então receber uma boa lavagem.
3. A panela deve ser seca sobre calor, para que todos os poros da superfície tenham líquido expelido deles.
4. O ferro fundido deve ser temperado com óleo, que forma um selante polimérico quando assado na superfície.
5. Este óleo pode ser pintado sobre a superfície em uma camada fina e então assado (de cabeça para baixo para evitar acúmulo) a 375°F (190°C) por 1 hora. Camadas adicionais podem ser adicionadas se desejado.
6. Óleo de linhaça de grau alimentício é a escolha ideal em óleos de tempero, fornecendo um acabamento duro e brilhante.

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

Produtos comerciais de remoção de ferrugem — frequentemente feitos com ácidos mais fortes — também estão disponíveis. Mergulhar nestes líquidos e então remover e secar pode ser eficaz na restauração de velhos tesouros enferrujados.

Como com panelas de ferro fundido, porém, é importante considerar como seu aço e ferro serão protegidos dos elementos após terem sido limpos.

Protegendo metais ferrosos

O ferro, na presença de ar e água, enferrujará. Isso significa que, enquanto a humanidade tem trabalhado ferro, também tem trabalhado nos melhores selantes para ferro. Existem muitas formas de criar uma camada apertada.

Passivação forçada — Uma forma muito comum de vedar ferro ou aço é corroer a primeira camada em um óxido de ferro (II), ou óxido preto, que funciona como outras pátinas de metal e veda o metal. A única diferença entre este processo e o que acontece com cobre, zinco ou cromo, é que não acontecerá sob condições ambientais regulares. Portanto, se a camada superior no item for danificada, o item inteiro terá que ser reacabado. Isso é conhecido como "azulamento" (bluing) quando feito com armas através de um processo, ou "enegrecimento" (blackening) na maioria das oficinas de máquinas, através de processo similar mas com químicos ligeiramente diferentes. Em processos de enegrecimento a frio, óxido de ferro (II) pode ser pintado sobre a superfície, fornecendo proteção ligeiramente menos durável.

Uso e cuidado regular, incluindo oleação ou enceramento — Alguns ferros ou aços de trabalho serão deixados principalmente crus, onde uso, cuidado ou ambiente os manterão brilhantes. Tradicionalmente, armas como espadas e equipamentos como facas poderiam ter sido deixados "crus" mas seriam secos e oleados com óleos minerais ou de cozinha, que são selantes temporários necessitando reaplicação regular. Para armazenamento longo, ceras e outros polimentos podem ser usados para criar um selo — mas que ainda desgastariam com uso.

Peças de motor expostas a óleo regular podem ser deixadas cruas, pois o calor e óleo ao redor do motor tornam improvável que enferrujem, mas superfícies externas podem ser pintadas. Sistemas de escape de carros dependem das temperaturas mais altas de um motor totalmente quente para prevenir corrosão, e portanto dirigir tempo suficiente para o bloco do motor aquecer é uma forma de prevenir ferrugem no abafador. (Em motores de corrida de alta performance, o interior também pode ser pintado, mas isso é principalmente para ajudar com a circulação de óleo.)

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

• Óleo polimerizado: Óleo de linhaça (feito de linho, mas não em padrões alimentícios) foi um dos acabamentos originais para produtos de ferro forjado. Um ferreiro poderia temperar em óleo ou pintar um objeto com óleo e depois usar maçarico, fornecendo o lustro marrom-preto tradicional que ainda emulamos no ferro forjado hoje — geralmente com lacas, tintas ou vernizes.
• Galvanização a quente (Hot-dip galvanization): Neste processo, zinco é aplicado a aço ou ferro em um banho fundido. Galvanização de zinco tem várias propriedades protetoras. Primeiro, cria uma pátina, que veda tanto o zinco quanto o ferro ou aço abaixo. Segundo, é mais "ativo" que os metais aos quais é aplicado. Ao longo da vida de um objeto de aço galvanizado, o zinco atua como "ânodo sacrificial". À medida que degrada, protege e retarda a corrosão do aço por baixo, mesmo que esse aço seja exposto.
• Eletrodeposição (Electroplating): Zinco pode ser aplicado a aço não através de banho de imersão, mas passando carga elétrica através do objeto de aço, e pulverizando o objeto com partículas de zinco carregadas. Isso causa ligação elétrica que é uniforme e ininterrupta sobre a superfície do metal.
• Revestimento em pó (Powder-coat): O processo para aplicar revestimento em pó é como o de aplicar zinco no sentido que o objeto e o selante são ambos carregados eletrostaticamente, significando uma ligação molecular sem nem mesmo as menores interrupções que deixarão umidade passar. O pó resinoso é então assado no objeto em um forno quente. O revestimento manterá brilho por anos, fornecendo proteção superior e exigindo manutenção mínima.
• Tinta: Tanto em ambientes internos quanto externos, e até no coração de motores de alta performance, tinta é um selante popular e versátil. Como selante barato, ainda faz um trabalho muito bom em proteger ferro e aço dos elementos. Quando racha e desgasta, é simples o suficiente para lixar e reaplicar. O defeito da tinta é sua própria tendência a rachar e descascar no clima: até um pequeno buraco na camada de selante pode iniciar o processo de ferrugem por baixo. No entanto, esses defeitos são às vezes gerenciáveis sobre o uso de uma peça ou parte de uma rotina de manutenção regular.

Cuidando de objetos metálicos

O metal é um material classicamente durável, usado para criar objetos e estruturas para durar por muitas vidas. No entanto, a maioria dos metais ainda é vulnerável à corrosão e decaimento eletroquímico. Ao iniciar um projeto, a consideração do ambiente em que o metal estará permite ao designer escolher o metal que se manterá melhor naquelas condições.

O ferro é muito propenso à oxidação, e a ferrugem geralmente se instalará com a menor sugestão de água e oxigênio. Diferente de outros metais, esta oxidação não formará sua própria camada de vedação passiva. Portanto, selantes são geralmente usados com metais ferrosos. Encontrar o tipo certo e manter o olho no metal ao longo das décadas de seu uso pode ajudar a prolongar a vida de qualquer objeto metálico.