Aço inox: por que (quase) não enferruja

A descoberta é atribuída ao metalurgista Harry Brearley, de Sheffield. Um aço com 0,24% de carbono e 12,8% de cromo teria sido produzido em forno elétrico em 13 de agosto de 1913. A história tem uma ironia: a pesquisa buscava aços mais resistentes à erosão em canos de armas sob altas temperaturas, e não à corrosão. A prioridade também é disputada: a Krupp registrou patente de sua liga Nirosta poucos meses antes do avanço de Brearley (Grace’s Guide).

A adoção não foi imediata. Os cuteleiros consideraram o metal duro demais e estranharam um talher que dispensava polimento. Um fabricante só se convenceu ao testar uma faca com vinagre e notar que o aço manchava menos. A cutelaria foi, portanto, a primeira aplicação prática do material (Country Life).

O nome popular induz a um erro: o aço inox não é imune à corrosão. Ele é um material cuja superfície se protege sozinha em muitos ambientes. Entender por que isso acontece exige olhar para três níveis: a química da superfície (o filme passivo), a estrutura cristalina (as famílias de inox) e as condições de uso, que explicam por que ele às vezes mancha ou enferruja.

Por que o inox escapa da ferrugem: o filme passivo

A ferrugem é o óxido de ferro formado quando o ferro reage com oxigênio e umidade, e ele é poroso e se desprende, expondo metal novo. O inox evita isso porque é uma liga de ferro com no mínimo cerca de 11% de cromo, e é essa quantidade que dá a resistência à corrosão por meio da passividade (Techniques de l’Ingénieur). Na prática, forma-se uma barreira finíssima na superfície, o filme, ou camada passiva.

Finíssimo e rico em cromo

Esse filme é minúsculo: tipicamente de 1 a 3 nm de espessura, o que explica por que é invisível. Ele não é ferro oxidado comum: a passivação gera um óxido com razão cromo/ferro maior que a do aço abaixo, porque o cromo oxida preferencialmente e o ferro se dissolve preferencialmente. Estudos eletroquímicos indicam que os filmes em aços inox são óxidos ricos em cromo, semicondutores do tipo n, com resistência de polarização muito alta (Olsson e Landolt, 2003; Tranchida et al., 2018). Em escala nanométrica, a homogeneidade do enriquecimento em cromo e o comportamento dos contornos de grão são temas centrais da pesquisa atual (Maurice e Marcus).

Autorreparo, com ressalvas

Se você riscar o inox, o metal exposto reage com o oxigênio e o filme se refaz: a camada passiva é autorreparável, e basta que a superfície limpa seja exposta ao ar ou a um ambiente com oxigênio. Por isso o oxigênio é aliado, e não inimigo: a preservação do filme depende da presença de oxigênio no ambiente.

A regeneração, porém, depende do meio. Em frestas apertadas, como sob arruelas, o filme não consegue se regenerar, e a integridade dele pode ser comprometida por cloretos, como veremos adiante.

Quanto cromo é preciso?

A proteção não é binária. Há um primeiro limiar em torno de 11% de cromo e um segundo em 17%, no qual a estabilidade do filme aumenta (Techniques de l’Ingénieur).

As famílias do inox: a estrutura importa

“Inox” é uma classe de materiais, definida pela microestrutura. Existem cinco famílias fundamentais: ferríticos, martensíticos, austeníticos, duplex e endurecíveis por precipitação (Total Materia).

A base é a cristalografia do ferro: o ferro puro existe como ferro-α, de rede cúbica de corpo centrado (CCC, a ferrita), ou como ferro-γ, de rede cúbica de face centrada (CFC, a austenita). A adição de elementos de liga decide qual estrutura prevalece (Outokumpu).

Fontes: Dierk Raabe; Outokumpu; Total Materia.

O magnetismo é um bom exemplo de como a estrutura define as propriedades: austeníticos são não magnéticos, enquanto ferríticos e duplex são magnéticos. Isso explica o teste do ímã, que não identifica qualidade, apenas estrutura.

O papel de cada elemento de liga

Cada elemento tem um papel funcional.

Um trabalho clássico acrescenta uma nuance mecanística sobre o molibdênio: ele não influencia a nucleação do pite, mas reduz a taxa de dissolução dentro de um pite ativo (Stewart, 1990).

O PREN: um ranking, não um valor absoluto

Para comparar a resistência a pites usa-se o PREN, que, em sua forma mais simples, correlaciona essa resistência com cromo, molibdênio e nitrogênio. Os coeficientes variam conforme a formulação: por exemplo, %Cr + 3,3·%Mo + 30·%N em uma delas. Ele serve para comparar graus, mas não deve ser interpretado como valor absoluto (Taylor & Francis).

Quando o inox enferruja: os limites do “inoxidável”

É aqui que o nome engana. O filme passivo falha em condições específicas, e a corrosão começa justamente onde ele falha.

• Cloretos. Em muitos casos de falha, a integridade do filme é comprometida pela concentração de íons haletos, como o cloro. A probabilidade de pites (pequenos furos de corrosão) aumenta com temperatura e teor de cloreto maiores e pH menor. Isso inclui água sanitária e ambientes marinhos (The Fabricator; Euro Inox, limpeza doméstica).
• Frestas. Em frestas apertadas, como sob arruelas, o filme não consegue se regenerar.
• Contaminação por ferro. Usar escova de aço comum pode deixar partículas de ferro presas na superfície. Muitas vezes o que parece ferrugem do inox é contaminação superficial por partículas externas de ferro que oxidam (BSSA; Euro Inox).
• Sensibilização (corrosão intergranular). Em soldas e aquecimentos, carbonetos Cr₂₃C₆ precipitam nos contornos de grão e criam uma região pobre em cromo ao redor. As soluções são os graus de baixo carbono (L) ou os estabilizados com titânio (321, 316Ti) ou nióbio (347) (Rolled Alloys).
• Corrosão sob tensão. Ocorre em austeníticos sob tração em ambientes com cloreto acima de cerca de 60 °C (Right On Blackburns).
• “Tea staining”. São manchas amareladas por sal, comuns em áreas costeiras. É uma descoloração superficial que não afeta a integridade estrutural (Miami Stainless).

O que essas situações têm em comum é que o ambiente vence o filme: ou rompe a camada, ou impede que ela se refaça.

Quadro: mito vs. fato

Como escolher e cuidar: o inox na cozinha

Talheres e panelas

A cutelaria usa tipicamente graus martensíticos de maior dureza, como os SAE 420 e 440, ligas de alto carbono com cromo. Já panelas e pias costumam ser austeníticas (18/8 ou 18/10) (Limswiki).

Segurança alimentar

O inox é muito usado em contato com alimentos, mas não é inerte. Um estudo que avaliou panelas com molho de tomate concluiu que o inox pode ser uma fonte negligenciada de níquel e cromo, dependendo do grau, do tempo de cozimento e do uso da panela, com os maiores aumentos em panelas novas (Kamerud et al., 2013). Outro trabalho, com utensílios de cozinha, constatou que a liberação dependeu fortemente do pH e tendeu a diminuir com o uso repetido (Korea University).

Para a maioria das pessoas isso não é problema, mas é relevante para quem tem alergia ao níquel.

Manutenção: os cuidados vêm da química do filme

• Evite palha de aço, escovas de aço e ácido muriático. Palha de aço comum pode deixar partículas de ferro que enferrujam sobre o inox, e soluções ácidas fortes, usadas em limpeza de alvenaria, atacam o material (Euro Inox; BSSA).
• Evite produtos com alvejante, por causa do cloreto: alvejantes e desinfetantes são listados como risco de corrosão (Euro Inox).
• Prefira a limpeza rotineira com sabão ou detergente neutro, repetida, a uma limpeza agressiva única.

Na indústria, na medicina e no planeta

• Indústrias de processo. O inox é material de construção em indústrias química, petroquímica, de fertilizantes, nuclear e de alimentos, por resistir a muitos meios corrosivos e ter boa conformabilidade e soldabilidade (Indian Welding Journal).
• Ambientes agressivos. Graus superausteníticos, como o 6Mo (S31254), têm cerca de 6% de molibdênio e nitrogênio, o que dá alta resistência a pites e frestas. Segundo guias do setor, os duplex são indicados para petróleo e gás, processamento químico e dessalinização.
• Medicina e farmácia. O 316L é a liga metálica mais empregada em implantes, de stents a próteses de quadril. Há ressalvas: a reação imune ao níquel é uma possível complicação, e existem ligas austeníticas sem níquel reforçadas com nitrogênio. Uma pesquisa do NIST indicou que aços de alto nitrogênio processados por metalurgia do pó podem trazer melhorias significativas de corrosão e de propriedades mecânicas (Biancaniello et al., NIST, 2004).
• Sustentabilidade. O inox é 100% reciclável (NERC, 2014).

Conclusão: a resistência é condicional

O inox “não enferruja” porque o cromo forma, na presença de oxigênio, um filme de óxido de poucos nanômetros que se repara sozinho. A família escolhida (ferrítica, austenítica, duplex e outras) define a estrutura cristalina, as propriedades mecânicas e os limites de resistência, e elementos como níquel, molibdênio e nitrogênio ajustam o desempenho.

O ponto mais importante é que a resistência é condicional. Cloretos, ferro contaminante, soldas mal projetadas e frestas podem romper a passividade, e a escolha do grau certo para cada ambiente, por exemplo 316 e não 304 perto do mar, é o que separa o uso bem-sucedido do problemático.

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Referências