Desafios de Corrosão em Materiais Automotivos Leves

Em toda a indústria automotiva, há um interesse crescente em materiais de construção leves para alcançar melhor economia de combustível e atender aos requisitos regulatórios. A maioria dos fabricantes automotivos utiliza avanços recentes em aços de alta resistência, aços de ultra-alta resistência, ligas de alumínio, ligas de magnésio e compósitos. Historicamente, o alumínio tem sido popular porque fornece excelente resistência à corrosão em comparação ao ferro e aço tradicionais. Este artigo explorará a busca por materiais ainda mais leves, que podem ou não fornecer resistência à corrosão igualmente boa.

Corrosão de Magnésio e Soluções de Proteção na Indústria Automotiva

O magnésio é o metal de engenharia mais leve usado para aplicações estruturais. No entanto, o crescimento do magnésio no setor automotivo tem sido relativamente limitado devido à pobre resistência à corrosão do magnésio e suas ligas. O magnésio tem o potencial eletroquímico mais baixo (menos nobre) de qualquer metal usado para peças automotivas. Comparado ao alumínio, que também é um metal reativo, o magnésio tem uma camada de óxido superficial porosa e não protetora que não fornece passivação contra corrosão.

Um grande passo para melhorar a resistência à corrosão de ligas de magnésio foi a introdução de ligas de alta pureza, mas isso não altera os problemas de corrosão galvânica que ocorrem quando o magnésio está em contato com outro metal e um eletrólito. (Saiba mais sobre corrosão galvânica no artigo Por Que Dois Metais Dissemelhantes Causam Corrosão?)

O uso de um revestimento barreira é uma possível solução para prevenir a corrosão de ligas de magnésio. No entanto, revestimentos barreira também têm o potencial de criar razões de área ânodo/cátodo desfavoráveis em locais de defeitos do revestimento. Experiência prévia indicou que a maioria dos revestimentos orgânicos atuais ou revestimentos à base de epóxi não pode impedir permanentemente a penetração de um eletrólito aquoso no substrato de magnésio subjacente. Uma vez que um eletrólito aquoso atinge qualquer substrato de magnésio, a reação de corrosão pode iniciar sem necessidade de oxigênio e resultar em geração de hidrogênio. O hidrogênio resultará então na formação de bolhas sob o revestimento e eventualmente comprometerá o sistema de proteção contra corrosão.

O engenheiro de corrosão geralmente não está envolvido nos estágios iniciais do design automotivo, que normalmente é mais focado em análise de elementos finitos (FEA) para requisitos estruturais e simulação de fluxo para o processo de fundição. Para abordar as questões acima, os seguintes pontos-chave devem ser considerados:

• No curto prazo, o desenvolvimento de um sistema de revestimento robusto, auto-reparável, acessível e ambientalmente amigável para ligas de magnésio deve ser prioridade. O sistema de revestimento deve ter resistência a arranhões e atender aos requisitos existentes da indústria, como normas GMW/SAE/ISO relacionadas. Para ser economicamente competitivo, um custo-alvo ideal deve ser abaixo de $1 USD/m².
• No longo prazo, uma liga de magnésio resistente à corrosão deve ter taxa de corrosão menor que 0,1 mm/ano (tipicamente após 7 dias de imersão em solução de NaCl a 3,5% em peso) ou ter desempenho de corrosão equivalente ou melhor que ligas de alumínio competitivas (como Silafont 36, A356, ou até ligas AA5xxx e AA6xxx) em testes de corrosão padrão da indústria. Isso pode ser alcançado adicionando elementos de liga para promover resistência à corrosão ou promover o desenvolvimento de um filme passivo denso na superfície.
• Revestimentos superficiais podem ampliar a gama de aplicações automotivas possíveis para o magnésio. Oxidação eletrolítica a plasma (PEO) como revestimento superficial é uma solução para engenheiros automotivos projetando e especificando componentes e subconjuntos automotivos. A tecnologia única da PEO usa banho eletrolítico e plasma com três estágios distintos que formam um revestimento duplo tipo cerâmico em ligas de magnésio. O processo pode ser ajustado em cada estágio para criar revestimentos personalizados para necessidades precisas. A camada superior do revestimento multicamadas também é altamente porosa e pode incorporar o conteúdo do banho eletrolítico no revestimento superficial para incluir propriedades adicionais.

Corrosão Galvânica entre Polímeros Reforçados com Fibra de Carbono e Metais

O carbono é usado como fase de reforço em compósitos de polímero reforçado com fibra de carbono (PRFC). PRFCs são atraentes para engenheiros porque possuem alta resistência específica e são materiais leves para aplicações automotivas.

Compósitos reforçados com fibra por si só são considerados resistentes à corrosão. No entanto, quando unidos a metais, isso pode criar problemas de corrosão. PRFCs são condutores elétricos e eletroquimicamente muito nobres. Portanto, quando um metal ou liga é inadequadamente unido a PRFCs (de forma que haja conexão elétrica), o metal fica suscetível à corrosão galvânica. (Para mais informações, leia Corrosão Galvânica de Metais Conectados a Polímeros Reforçados com Fibra de Carbono.)

Quando acoplado a um fixador, parafuso ou porca, a situação piora porque uma grande área de superfície do PRFC é acoplada a pequenas peças metálicas. Nessas circunstâncias, a taxa de corrosão galvânica pode ser acelerada devido a uma alta razão de área de superfície cátodo/ânodo (Ac/Aa).

A corrosão galvânica de metais acoplados a materiais compósitos de carbono tem sido relatada desde os anos 1970. No entanto, os materiais apropriados e o design apropriado de métodos de união de materiais ainda não foram determinados.

A demanda contínua por PRFCs em aplicações automotivas requer estudo sistemático adicional da corrosão galvânica entre compósitos de fibra de carbono e materiais de engenharia automotiva, incluindo uma gama de aços (com uma gama de tratamentos superficiais) e numerosas ligas de alumínio. Especialmente importante é a influência de diferentes combinações de materiais, geometrias e métodos de união na intensidade de corrosão subsequente.

Corrosão Galvânica para a Estratégia de Materiais Mistos no Estágio Body-in-White

O estágio body-in-white (BIW) refere-se à etapa na fabricação automotiva em que os componentes da carroceria foram unidos. Tradicionalmente, um veículo inteiro é feito de materiais mistos que são anexados sequencialmente a uma carroceria predominantemente de aço durante a montagem final. Para alcançar um veículo ainda mais leve com maior rigidez, um "híbrido" mais complicado de diferentes materiais é necessário para a estrutura da carroceria. (Leitura relacionada: O Que Novos Estudos de Ciência de Materiais Sugerem Sobre Controle de Corrosão no Futuro.)

O Cadillac CT6, que é o primeiro veículo da General Motors feito de materiais mistos, incorpora vários graus de chapa de aço, chapa de alumínio, fundidos e extrusões como mostrado na Figura 1. Outros veículos, como o Chevrolet Malibu, também seguem tendência semelhante.

Figura 1. Carroceria body-in-white de materiais mistos para Chevrolet Malibu e Cadillac CT6
Fonte: Evitação de corrosão em materiais leves para aplicações automotivas

Os materiais e ligas dissemelhantes criam desafios em termos de corrosão galvânica e seus diferentes coeficientes de expansão térmica. Métodos de simulação numérica demonstraram o potencial para prever distribuição de corrente galvânica.

Em aplicações automotivas, o material pode ser considerado sob um filme fino de ambiente eletrolítico. Portanto, o comportamento de corrosão (e comportamento de corrosão galvânica) será complexo devido ao sistema eletroquímico e ao caminho de condutividade constantemente evoluindo ou mudando.

Recentemente, um modelo de filme fino foi desenvolvido por uma empresa de software para simular corrosão galvânica sob eletrolito de filme fino, com uma busca lógica adicional sendo a validação experimental generalizada de tais modelos. O estudo inicial tem sido promissor, indicando a perspectiva de prever resultados de teste de neblina salina no nível de componente. Com desenvolvimento adicional, tais abordagens combinadas de modelagem-experimentais podem ser úteis para simular a distribuição total de corrente e potencial de um veículo inteiro de materiais mistos.

Simulação Oferece Abordagem Mais Fácil para Modelagem de Corrosão

A modelagem de corrosão permite que um engenheiro antecipe a probabilidade de corrosão de qualquer componente durante um determinado período. Parâmetros como umidade relativa e densidade de carga de sal podem ser inseridos como parâmetros. Os resultados da simulação podem ser comparados com testes reais de neblina salina para verificar a vida do revestimento em termos de resistência à corrosão e também para verificar a correlação dos resultados.

O Futuro da Proteção Contra Corrosão Inspirado por Novas Tecnologias

Veículos agora incorporam um número significativo de funções "inteligentes", como monitoramento de pressão dos pneus e outros sistemas de diagnóstico inteligentes que se tornaram padrão da indústria. Portanto, pode-se esperar que um sistema de monitoramento de corrosão possa ser alcançado no futuro. Por exemplo, sensores apropriados, capazes de monitoramento em tempo real das taxas de corrosão em locais críticos, poderiam potencialmente fornecer alertas antes da falha do sistema.

Além disso, aprendizado de máquina e inteligência artificial podem coletar dados de corrosão de campo e conduzir análise remota de dados para gerar uma correlação laboratório-campo mais precisa. Isso é crítico e relevante para o campo mais amplo de corrosão, que pode complementar e aumentar a experiência de engenheiros individuais.