Corrosão por Frestas em Aço para Moldes e Matrizes

Uma superfície ocluída é um ambiente diferente

A corrosão por frestas ocorre onde uma superfície metálica molhada fica em estreita proximidade com outra superfície. Em frestas reais, a separação média, que a fonte chama de gap, está tipicamente entre 0,1 e 100 micrômetros, e o gap não é uniforme ao longo de seu comprimento. É determinado pelos pontos onde as asperezas das duas superfícies se encontram, de modo que a separação local varia ao longo da fresta e pode incluir trechos de contato íntimo. É por isso que uma fresta preparada em laboratório é uma idealização do real, e por que o gap nominal de um corpo de prova é apenas uma média.

A consequência da geometria estreita é um problema de transporte. Dentro do gap, a solução não pode trocar livremente com o fluido bulk, então as reações que compõem a corrosão não podem se manter em equilíbrio com ele. As reações anódica e catódica se separam, as espécies dissolvidas se concentram, o pH local se desloca, e as mudanças são mantidas em vez de se diluírem. O resultado é a aparência característica que a fonte descreve em seus exemplos. O ataque é acelerado sob o formador de fresta e a superfície totalmente exposta imediatamente fora dela quase não mostra nada, porque essa superfície exposta atua como cátodo em vez de se dissolver. O ataque dentro do gap geralmente aparece como corrosão uniforme ou como pites, e em alguns casos acredita-se que comece como pites metaestáveis que se coalescem em uma frente mais ampla.

A taxa não é constante. A corrosão por frestas tipicamente começa a uma taxa alta e depois diminui à medida que o ambiente ocluído atinge um estado estacionário em relação às condições da superfície externa. No entanto, não para. A fonte situa a faixa de estado estacionário em 25 a 250 micrômetros por ano, que é de um a dez mils por ano, e essa é uma taxa que perfurará a parede de um canal de resfriamento com tempo suficiente e paradas e partidas suficientes.

As variáveis que decidem quão severo o ataque se torna não são todas geométricas. A tabela abaixo reúne as que a fonte identifica, com a direção de cada efeito, porque várias delas podem ser alteradas em um molde existente sem tocar no aço.

As variáveis que a fonte identifica como controladoras da corrosão por frestas, com a direção de cada efeito. Compilado das seções de fatores críticos e ambiente do artigo.

Onde estão as frestas em um molde

Quase qualquer conjunto projetado contém locais onde dois materiais são, por projeto, mantidos em estreita proximidade, e um molde tem mais do que a maioria. Um circuito de resfriamento é uma série de furos que precisam ser tampados, unidos e vedados, e cada uma dessas juntas é candidata. A tabela abaixo apresenta as configurações que importam no hardware do molde, por que cada uma retém eletrólito e a contramedida. A última linha é a que passa despercebida, porque um depósito é ele próprio um formador de fresta e uma camada de ferrugem sob uma moldagem pode manter a solução agressiva contra o aço por meses.

Geometrias de fresta que ocorrem em moldes e matrizes, por que cada uma retém eletrólito, e a contramedida. As geometrias são os casos de planta descritos na fonte, aplicados ao ferramental de molde.

Por que os aços inoxidáveis são os afetados

Há uma precondição que explica o padrão de falhas. Para a corrosão por fresta importar, a grande maioria da superfície tem que estar passiva, porque a área exposta fora da folga tem que servir como cátodo líquido para impulsionar a alta taxa de dissolução que ocorre dentro dela. Um aço que está corroendo ativamente por toda parte não desenvolve um problema de fresta, porque não constrói a diferença de potencial em primeiro lugar. Os aços inoxidáveis são amplamente reconhecidos como suscetíveis justamente porque passivam bem, e o mesmo vale para as ligas à base de níquel, titânio e alumínio que dependem da passivação para sua proteção. Um aço para molde escolhido por sua resistência à corrosão é, portanto, candidato ao ataque por fresta de uma forma que um aço carbono comum não é.

A liga ajuda, e ajuda em uma combinação específica. Adições de níquel e cromo aumentam a resistência, e molibdênio e nitrogênio a aumentam ainda mais, com cromo, molibdênio e nitrogênio sendo os potentes e com interações benéficas entre os três. As ligas de titânio são as mais resistentes das famílias discutidas na fonte, e mesmo elas não são imunes. Elas não apresentam corrosão por fresta abaixo de 70 C (158 F), e a liga de titânio com pequenas quantidades de molibdênio, níquel ou paládio é relatada como mantendo essa resistência até quase 200 C (392 F) em uma solução de 10% de cloreto férrico. A leitura prática para um molde é que, onde a temperatura de operação está bem abaixo do limiar para o grau em questão, a fresta pode permanecer quieta, e onde o circuito opera quente, a mesma geometria que era inofensiva em um molde frio se torna um sítio ativo.

Temperatura, e o número para projetar contra

O aumento da temperatura é o acelerador único mais claro para a corrosão por fresta, razão pela qual forma a base dos testes acelerados. Rodar um corpo de prova com fresta a um potencial aplicado constante enquanto a temperatura é programada para cima dá uma transição muito nítida e reprodutível, e a temperatura nessa transição é a temperatura crítica de fresta. Ela é medida da mesma forma que a temperatura crítica de pite, e fica abaixo dela para a mesma liga, porque uma fresta precisa de uma temperatura mais baixa para se tornar ativa do que uma superfície aberta. Essa ordenação é toda a razão pela qual um molde com uma junta vedada pode sofrer pite a uma temperatura em que a superfície da cavidade está quieta.

O outro número que vale ter é o potencial de repassivação. Ele é determinado iniciando deliberadamente a corrosão por fresta a um potencial aplicado elevado e então encontrando o maior potencial no qual o material consegue se recuperar, e a fonte relata que, quando um potencial de repassivação medido adequadamente é usado, manter o potencial de circuito aberto da peça abaixo dele preveniu qualquer iniciação por pelo menos três anos no teste que cita. Isso é uma afirmação mais forte que um ranking, porque transforma uma medição de laboratório em um limite operacional. Onde um circuito de resfriamento pode ser mantido abaixo desse potencial, a geometria deixa de ser o fator decisivo.

Como a corrosão por fresta é testada e classificada

A rota padrão é uma exposição a cloreto férrico, que concentra cloreto a baixo pH e usa o par de íons férrico e ferroso para fornecer o potencial elevado que o mecanismo precisa. Torna-se um teste de fresta em vez de um teste de pite quando um formador de fresta é pressionado sobre o cupom. Para tornar o resultado comparável entre corridas e entre fornecedores, o teste é frequentemente rodado com um conjunto de múltiplas frestas, no qual uma arruela dentada fornece até 20 sítios possíveis de corrosão em cada lado do cupom e um torque consistente é aplicado a várias amostras replicadas. Isso dá uma base estatística para uma comparação em vez de uma única observação.

O ensaio direciona a fonte descrita para classificar a resistência à corrosão por frestas e para definir um limite operacional. O potencial de repassivação determinado dessa forma é apresentado como um critério de projeto de engenharia, e não como um número de triagem.

Existe uma relação direta entre corrosão por frestas e pitting que é útil ao analisar uma falha. Uma combinação de material e ambiente que causa pitting também pode causar corrosão por frestas, e as duas compartilham sua eletroquímica, sua química ocluída e sua morfologia. O que difere é o limiar. Se um aço é conhecido por ser marginal quanto ao pitting em um determinado nível de cloreto, ele será pior em uma fresta na mesma temperatura. O lado do pitting do mesmo mecanismo é abordado em Corrosão por pites em aço para ferramentas e moldes.

O que elimina o risco em um molde

A fonte coloca a primeira medida antes de qualquer seleção de material, e vale seguir essa ordem. Se o eletrólito puder ser rigorosamente excluído da fresta, a corrosão por frestas não é possível, porque um dos requisitos para a corrosão foi removido. Isso é uma afirmação sobre geometria e sobre vedação, não sobre a liga, e nenhuma mudança de aço consegue isso. Onde a exclusão completa não puder ser mantida, e na prática geralmente não pode, o ataque tem que ser gerenciado em vez de eliminado, que é o que as medidas abaixo fazem.

Medidas de projeto e operacionais para corrosão por frestas, seguindo a ordem que a fonte usa em seu artigo sobre projeto para minimizar corrosão. Remover a geometria vem antes de mudar a liga.

Duas dessas medidas trazem uma ressalva da própria fonte, e ambas apontam na mesma direção. A convecção normalmente é ignorada na corrosão por frestas porque a geometria a restringe, então um fluxo lento através de um canal não necessariamente renova a fresta como renova o furo. E o fluxo através de uma fresta é relatado como inibidor da iniciação, mas apenas onde o fluxo realmente passa pela fresta em vez de passar pela sua boca. Um canal de resfriamento que é drenado e reabastecido entre turnos faz mais pela fresta do que um que é apenas mantido cheio. A seleção de aço que está por trás de tudo isso está em aços para moldes de plástico e o gráfico de classificação de propriedades do aço para moldes, as opções de inoxidável estão em o gráfico de propriedades do aço inoxidável martensítico e Aço inoxidável 4Cr13, a referência cruzada entre marcas de aço para molde importadas está em a referência cruzada de aço para molde importado, e o lado de usinagem e acabamento está em dados de processamento de aço para molde.

Fonte: ASM Handbook, Volume 13A, Corrosion: Fundamentals, Testing, and Protection, ASM International, 2003.