Estudo experimental das difusões do oxigênio, do cromo e do ferro em filmes de óxidos formados pela oxidação do aço inoxidável ferrítico AISI 439.

Abstract

O aço inoxidável ferrítico AISI 439 é resistente à oxidação à altas temperaturas devido à formação de um filme superficial protetor de Cr2O3. O estudo termogravimétrico desse aço em uma termobalança SETARAM, com sensibilidade de O5μg, nas temperaturas de 750 e 800°C, em ar, mostrou que a cinética de crescimento do filme de óxido segue uma lei parabólica, conforme observado por outros autores em temperaturas mais elevadas. De acordo com a teoria da oxidação de Wagner, o crescimento de um filme de óxido protetor segundo uma lei parabólica indica que a oxidação é controlada pela difusão iônica, ou seja do cromo e/ou do oxigênio, através do filme. Para verificar o papel da difusão iônica sobre o crescimento do filme de Cr2O3 pela oxidação do aço AISI 439, foram realizadas medidas de coeficientes de difusão do cromo, do oxigênio e do ferro em filmes de óxidos, entre 750 e 900°C, em ar. A difusão do oxigênio foi realizada por meio do método da troca isotópica utilizando o isótopo 18O como traçador do oxigênio. As difusões do cromo e do ferro foram realizadas utilizando-se como traçadores os isótopos estáveis 54Cr e 57Fe, respectivamente. Filmes finos desses isótopos metálicos foram depositados sobre a superfície do aço previamente oxidada pela técnica de evaporação com feixe de elétrons, sob vácuo. Para todas as experiências de difusão, os perfis de difusão foram determinados por espectrometria de massa de íons secundários (secondary íon mass spectrometry – SIMS). Os resultados mostram que as difusividades do oxigênio são maiores do que as difusividades do cromo nos filmes de óxidos formados sobre o aço AISI 439, nas mesmas condições experimentais. Tanto as difusividades do cromo quanto a do oxigênio em contornos de grãos são cerca de cinco ordens de grandeza maiores do que as correspondentes difusividades em volume, nas mesmas condições experimentais, o que mostra que os contornos de grãos são as vias preferenciais para a difusão iônica nos filmes de óxidos formados sobre o aço AISI 439. Utilizando as difusividades iônicas medidas neste trabalho, e de acordo com a teoria de Wagner, a taxa de oxidação do aço AISI 439 é controlada não somente pela difusão do oxigênio da atmosfera em direção à interface metal/óxido, mas também pela difusão do cromo do substrato metálico em direção à interface óxido/atmosfera, com a difusão do oxigênio desempenhando o papel principal na cinética de crescimento do filme.