Oxidação da Superfície do Aço Carbono por Tratamentos à Plasma

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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA JÚLIO DE MESQUITA FILHO 
CAMPUS EXPERIMENTAL DE SOROCABA 
Programa de Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais 
 
 
 
 
 
 
Michelle Ayres de Campos Pinto 
 
 
 
 
 
OXIDAÇÃO DA SUPERFÍCIE DO AÇO CARBONO POR TRATAMENTOS A 
PLASMA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SOROCABA 
2014 
 
 
 
Michelle Ayres de Campos Pinto 
 
 
 
 
 
 
OXIDAÇÃO DA SUPERFÍCIE DO AÇO CARBONO POR TRATAMENTOS A 
PLASMA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Monografia apresentada à Universidade Estadual Paulista Júlio de 
Mesquita Filho – Curso de Mestrado em Ciência e Tecnologia de 
Materiais, como requisito à aprovação na disciplina obrigatória 
Materiais na Sociedade ministrada pela Profª Drª Elidiane Cipriano 
Rangel. 
 
Orientadora: Profª Drª Elidiane Cipriano Rangel 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SOROCABA 
2014 
 
 
 
Agradecimentos: 
 
Gostaria de expressar meus agradecimentos: 
 
À Profª Drª Elidiane Rangel por ter aceitado a orientação deste trabalho. 
À Drª Rita Rangel por me ensinar a mexer nos equipamentos, dar direções quando me sentia 
perdida e por toda sua paciência. 
Ao colega de mestrado Rafael Parra por todas as análises no MEV e pelo apoio nas 
disciplinas. 
Aos meus pais e ao meu filho pela compreensão e por serem meu suporte irrestrito. 
À todos os colegas do LaPTec pelo apoio. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PINTO, M. A. C. Oxidação da Superfície do Aço Carbono por Tratamentos à Plasma. 
28f. Monografia (Disciplina Materiais na Sociedade) UNESP, Campus de Sorocaba, 2014. 
 
 
RESUMO 
 
 
 
Os metais são muito utilizados devido a sua versatilidade e resistência, entretanto, sofrem um 
processo degradativo chamado corrosão. Assim, a corrosão é um grande problema que causa 
enormes gastos para todos os setores da sociedade. Um método bastante eficiente para evitar a 
corrosão é recobrir os metais com uma camada protetora, seja pintura ou revestimento, que 
impeça o contato do metal com a atmosfera. Uma proposta mais recente para formar esta 
camada protetora é utilizar o próprio óxido do metal que se quer proteger. Neste trabalho, a 
camada de óxido foi produzida através da oxidação à plasma, após uma limpeza preliminar 
para retirada da camada de óxido pré-existente. Para este estudo, a potência de excitação do 
plasma foi variada, sendo mantidas constantes as demais condições. Para analisar a estrutura 
da camada formada foi utilizado o Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) e utilizou-se 
espectroscopia de energia dispersiva (EDS) para verificar se houve ou não formação de óxido. 
A eficiência da proteção contra corrosão foi analisada através do ângulo de contato com a 
água. Verificou-se que a oxidação não se dá de maneira uniforme, mas que ocorre em 
diversos pontos distribuídos pela superfície formando um padrão. Pode-se concluir que a 
proteção da camada de óxido é mais efetiva após envelhecimento e com uma camada de óxido 
mais espessa. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PINTO, M. A. C. Oxidação da Superfície do Aço Carbono por Tratamentos à Plasma. 
28f. Monografia (Disciplina Materiais na Sociedade) UNESP, Campus de Sorocaba, 2014. 
 
 
ABSTRACT 
 
 
Metals are widely used due to its versatility and resistance; however, they undergo a 
degradative process called corrosion. Thus, corrosion is big problem that causes huge costs 
for all society departments. A very effective method to prevent corrosion consists in coating 
the metal, using paint or layer, which prevents contact between metal and the atmosphere. A 
recent proposal to form this protective layer uses the metal oxide to protect itself. In this 
work, the oxide layer is formed by plasma oxidation, after a preliminary cleaning process to 
removal existent oxide layer. For this study, the plasma excitation power was changed, while 
the other conditions were kept constant. The formed layer structure was analyzed using 
scanning electron microscopy (SEM) and the oxide formation was verified by energy 
dispersive spectroscopy (EDS). The corrosion protection efficiency was analyzed by contact 
angle with the water. It was noticed that oxidation does not take place uniformly, but occurs at 
several points distributed over the entire surface, forming a pattern. It can be concluded that 
the protective oxide layer is more effective after aging and increasing the layer thickness. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sumário 
 
1. INTRODUÇÃO.......................................................................................................7 
1.1.Mecanismo da Corrosão.........................................................................................8 
1.2.Oxidação do Ferro...................................................................................................9 
1.3.Passivação..............................................................................................................10 
1.4.Plasma....................................................................................................................11 
2. MATERIAIS E MÉTODOS.................................................................................12 
2.1.Preparação das Amostras.....................................................................................12 
2.2.Arranjo Experimental...........................................................................................13 
2.3.Procedimento Experimental.................................................................................13 
2.4.Análises...................................................................................................................15 
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO..........................................................................16 
3.1.Pré-Tratamento.....................................................................................................16 
3.2.Efeito da Oxidação................................................................................................19 
3.3.Oxidação à Plasma................................................................................................20 
3.4.Amostras Corroídas..............................................................................................25 
4. CONCLUSÃO.......................................................................................................26 
REFERÊNCIAS..........................................................................................................28 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 
 
1. INTRODUÇÃO 
Corrosão, quando limitada aos materiais metálicos, pode ser definida como o processo 
inverso ao da metalurgia extrativa, na qual o metal é extraído de seu minério (onde se 
encontra na forma de um composto de menor energia livre) e refinado para uso.
1
 No caso do 
ferro, por exemplo, a hematita (minério de ferro) possui fórmula mínima Fe2O3, enquanto a 
“ferrugem” (forma oxidada do ferro) possui a mesma fórmula, porém hidratada, podendo ser 
escrita como Fe2O3 . nH2O. O processo metalúrgico emprega uma grande quantidade de 
energia para produzir o ferro metálico, então, pode-se considerar que a corrosão retorna o 
ferro a sua condição de maior estabilidade (menor energia), sendo, portanto, um processo 
espontâneo. 
Isto se torna um grande problema quando são analisados os vários usos dos materiais 
metálicos na sociedade atual. Entre eles, pode-se citar: automóveis, pontes, rodovias, barcos, 
portos, aviões, aeroportos, estocagem de materiais, tubulações para transporte e distribuição 
de gás natural, cabos elétricos, indústria de todos os setores (seja como material construtivo 
ou como matéria-prima), construção civil, implantes médicos, obras de arte, monumentos, etc. 
Dada a vasta utilização dos metais, espera-se que os gastoscausados pela corrosão sejam 
significativos. Um estudo feito nos EUA em 2001 conclui que o custo direto da corrosão 
alcançava 3,1% do PIB (Produto Interno Bruto) do país. Segundo o Bando Mundial, o PIB 
dos EUA em 2012 foi de US$ 16.244,6 bilhões, o que significa que o custo direto da corrosão 
estaria em torno de US$ 503,6 bilhões. Como custo direto entende-se os gastos com 
substituição de peças corroídas e com a manutenção da proteção contra corrosão 
(revestimentos, pintura, proteção catódica, etc). Os custos indiretos são entendidos como 
paralisações acidentais, perdas de produtos, perda de eficiência de equipamentos e 
ferramentas e superdimensionamento de projetos para prevenir falhas devido à corrosão. No 
Brasil não se tem um estudo neste sentido, mas é utilizado o índice estabelecido pelo Comitê 
T. P. Hoar, que indica que o gasto com corrosão em um país industrializado é de cerca de 
3,5% do PIB. Segundo o IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística), o PIB 
brasileiro em 2013 foi de R$ 4.838,0 bilhões, o que resulta em um gasto de cerca de R$ 170 
bilhões. 
Com as vultuosas quantias citadas acima, percebe-se a importância da pesquisa de 
novas técnicas mais eficazes na proteção dos materiais. Além disso, deve-se pensar nos custos 
envolvidos para aplicação destas técnicas, para torná-las industrialmente viáveis. Estes custos 
 
8 
 
incluem a aplicação inicial e a manutenção da proteção. Outro ponto importante são os danos 
ao meio ambiente, pois hoje a tendência é a sustentabilidade, evitando, ao máximo, processos 
que gerem resíduos poluentes e agridam o meio ambiente. 
1.1. Mecanismo da Corrosão 
O primeiro passo para desenvolver um processo para proteção dos metais é entender o 
mecanismo da corrosão e os fatores que a influenciam. 
A corrosão é a ocorrência combinada de duas reações eletroquímicas denominadas 
oxidação-redução, ou fenômeno de oxi-redução. Nestas reações, que ocorrem sempre em 
conjunto, uma espécie química “doa” elétrons e assume uma forma mais oxidada (reação de 
oxidação), enquanto a outra, “recebe” elétrons e assume uma forma mais reduzida (reação de 
redução). Para definir a forma mais oxidada ou mais reduzida de uma espécie química 
utilizamos o número de oxidação, que está relacionado à quantidade de elétrons “doada” ou 
“recebida” pelo elemento. Por exemplo, o número de oxidação do ferro metálico é zero, pois 
se trata de uma substância simples, por outro lado, o número de oxidação do ferro presente na 
“ferrugem” (Fe2O3) é igual a +3, pois cada átomo de Ferro “doou” 3 elétrons, enquanto, cada 
átomo de Oxigênio “recebeu” 2 elétrons, ficando com número de oxidação igual a -2. 
A necessidade de existir um agente oxidante, ou melhor, uma espécie química 
sofrendo redução em contato com o metal que sofrerá oxidação, faz com que a corrosão 
ocorra sempre na superfície do metal, pois de outra forma não haveria contato, uma vez que a 
maioria dos agentes oxidantes estão presente na atmosfera. Desta forma, uma solução bastante 
eficiente para proteger o metal é criar uma barreira física na sua superfície impedindo o 
contato com o meio externo. 
Todos os metais e ligas estão sujeitos à corrosão. Não há nenhum material que possa 
ser empregado em todas as aplicações.
1
 O ouro e a platina são praticamente inatacáveis nos 
meios comuns, mas não são resistentes, por exemplo, à ação da mistura de ácido clorídrico, 
HCl, e ácido nítrico, HNO3, que constitui a água régia.
2
 
O metal escolhido para ser tratado no presente trabalho é o aço carbono (liga que 
contém Ferro e até 6,5% de Carbono), largamente utilizado devido ao seu baixo custo, pois o 
minério de ferro (hematita) é bastante abundante no planeta, e a combinação com o carbono 
aumenta a sua dureza, permitindo uma vasta gama de utilizações. 
 
9 
 
1.2. Oxidação do Ferro 
Para indicar a tendência de um metal sofrer oxidação é usada uma tabela denominada 
Potenciais de Eletrodo Padrão. Nesta tabela são indicados os potenciais elétricos em volts (V) 
de um eletrodo formado pelo metal imerso em uma solução de concentração 1 M (mol/L) de 
sua forma oxidada em relação a um eletrodo de referência. Quanto maior for o potencial de 
oxidação do eletrodo padrão, maior a liberação de energia com a oxidação, o que indica uma 
maior probabilidade de que a mesma ocorra. Abaixo são indicados alguns valores de 
Potencias Padrão de Oxidação para fins de comparação: 
Au  Au
+3
 + 3e E0 = -1,50 V 
Fe
+2
  Fe
+3
 + 1e E0 = -0,771 V 
Fe  Fe
+2
 + 2e E0 = +0,44 V 
Al  Al
+3
 + 3e E0 = +1,66 V 
Um valor de potencial de oxidação mais positivo só indica que haverá maior liberação 
de energia quando o metal for oxidado e não que a oxidação ocorrerá mais rapidamente.
2
 Ou 
seja, a medida de potencial é uma indicação termodinâmica e não cinética. Desta forma, nota-
se que o ferro possui uma tendência intermediária, se considerados os potenciais padrão. 
Estes potenciais devem ser adequados conforme as condições de temperatura e de 
concentração das espécies oxidada e reduzida na situação real de ocorrência da reação. Esta 
adequação é feita a partir da equação de Nernst: 
oxid
red
a
a
nF
RT
EE ln0 
 
Onde: 
E – potencial observado 
E0 – potencial padrão 
R – constante dos gases perfeitos, 8,314 J / mol . K 
T – temperatura, comumente usada 298 K (25 ºC) 
n – número de elétrons envolvidos na reação 
 
10 
 
F – constante de Faraday, 96.500 C 
ared – atividade do estado reduzido da espécie, para um metal puro utiliza-se 1 (um) 
aoxid – atividade do estado oxidado da espécie, para soluções diluídas é igual a 
concentração em mol/L 
Com estes dados, pode-se escrever: 
oxid
oxid
an
EE
an
EE
1
ln
106,2
1
ln
96500
298314,8
2
0
0





 
Conforme a equação acima quanto maior a concentração de espécies oxidadas, maior a 
tendência de ocorrência da reação. Estes potenciais, obtidos pela equação de Nernst, serão 
utilizados para o cálculo da energia livre de Gibbs (G), segundo a equação: 
nFEG  
Onde: 
E – potencial, em V 
n – número de elétrons envolvidos na reação 
F – constante de Faraday, 96.500 C 
Se G < 0 (E > 0), a reação é espontânea. 
Se G > 0 (E < 0), a reação é não espontânea. 
1.3. Passivação 
Segundo os potenciais mostrados acima, nota-se que existe uma maior tendência de 
ocorrência da reação de oxidação do alumínio que do ferro. Porém, o alumínio aparenta ser 
muito mais resistente à corrosão que o ferro, tanto que é utilizado em utensílios de cozinha, 
que tem contato direto com água fria e quente, e pode ser utilizado em estruturas sem pintura 
para proteção. Isso acontece devido ao mecanismo de passivação do metal pela camada de 
óxido (Al2O3) formada. Diz-se que um metal é passivo ou está passivado quando ele tem na 
sua superfície uma fina camada protetora de óxido ou hidróxido (2 a 3 nm). O filme passivo 
 
11 
 
separa o metal do eletrólito e a velocidade de corrosão ou de dissolução do metal (dissolução 
passiva) é muito lenta.
3
 
Este fenômeno, também, ocorre com o aço, em determinadas condições, os chamados 
aços patináveis formam uma camada de óxido protetora e dispensam a necessidade de pintura 
ou revestimento. Esses aços vêm sendo muito usados em construções de edifícios, pontes 
viadutos, monumentos e vagões de estradas de ferro, sem que haja necessidade de pintá-los: 
após o período de estabilização da ferrugem, cerca de um a dois anos, o aço fica com uma 
coloração castanho-escura característica de ferrugem deste tipo de aço.
2
 
O filme de óxido possui duas camadas, uma externa, não protetora, formada, em geral, 
por -FeOOH e Fe3O4 (mistura de FeO e Fe2O3) e uma camada interna, protetora, amorfa e 
densa formada por α-FeOOH. 
A proposta do presente trabalho é limpar a camada de óxido pré-existente no aço e 
formar uma camadade óxido passiva utilizando plasma. 
1.4. Plasma 
O plasma pode ser definido como um gás ionizado, ou seja, um gás que possui, além 
de moléculas e átomos neutros, uma fração mais elevada de íons, elétrons livres, moléculas e 
átomos excitados e fótons, do que um gás não ionizado. Esta condição pode ser alcançada em 
elevadas temperaturas (cerca de 10.000 K), mas para obtenção do plasma em temperaturas 
próximas à ambiente é necessário que o gás esteja sob baixa pressão (cerca de 10
-2
 mm de Hg) 
e que seja aplicada uma diferença de potencial elétrico (que pode ser da ordem de algumas 
dezenas de volts). Alguns exemplos de plasmas que ocorrem na natureza são relâmpagos, 
aurora boreal, tochas e chamas, etc. 
Neste trabalho, foram utilizados dois tratamentos à plasma com finalidades diferentes. 
O primeiro tinha como objetivo retirar da superfície do aço a camada de óxido pré-existente e 
qualquer tipo de impureza presente. Para isso, utilizou-se um plasma de argônio e hidrogênio. 
Os gases foram inseridos dentro de um reator a baixa pressão e foi aplicada uma diferença de 
potencial à mistura. Isto faz com que os elétrons livres presentes no gás acelerem na direção 
da placa positiva, e no caminho colidam com uma molécula ou átomo, transferindo energia e 
causando o rompimento da ligação química das moléculas ou a perda de elétrons por parte do 
átomo, formando, assim, mais espécies reativas. Estas espécies reativas atacam o aço e 
promovem a retirada da camada superficial de óxido. Este processo é chamado de ablação, 
 
12 
 
quando as espécies reativas do plasma removem espécies químicas da superfície da amostra, e 
pode ocorrer por dois meios: 
- Sputtering – onde uma espécie presente no plasma colide com a superfície da 
amostra e remove outra espécie apenas por transferência física da quantidade de movimento e 
- Etching – onde uma espécie presente no plasma reage quimicamente com uma 
espécie da superfície da amostra e a remove. 
O Sputtering pode ser atribuído ao argônio, pelo fato de ter maior massa, enquanto o 
Etching pode ser atribuído ao hidrogênio, pelo fato de ser uma espécie bastante reativa. 
Em seguida, foi utilizado um plasma de oxigênio para promover a oxidação da 
superfície e formar um filme de óxido passivo. 
 
2. MATERIAIS E MÉTODOS 
 
2.1 Preparação de Amostras 
As peças de aço carbono usadas nesse projeto foram recebidas embebidas em óleo 
para evitar a corrosão. Para a realização dos experimentos, as peças foram cortadas, com a 
utilização de uma guilhotina apropriada, em amostras com dimensões de 25 mm de 
comprimento X 10 mm de largura e 2 mm de espessura (Tipo 1) ou 25 mm de comprimento, 
25 mm de largura e 2 mm de espessura (Tipo 2). 
Estas amostras tiveram uma de suas faces polidas utilizando alumina e lixas de 
diversas granulometrias para refinar o polimento. Após o polimento, as amostras foram 
novamente, embebidas em óleo, permanecendo assim até o momento da utilização. 
Para cada experimento foram utilizadas 7 (sete) amostras do Tipo 1 e uma 
amostra do Tipo 2. Primeiramente, foram feitos testes para determinar a melhor condição de 
 
13 
 
limpeza para as amostras. Após definida a melhor rotina, esta foi utilizada em todos os 
experimentos. 
As amostras foram colocadas no reator procurando-se manter a mesma disposição 
em todos os experimentos, para que não houvesse influência da posição nos resultados 
obtidos. 
2.2 Arranjo Experimental 
O equipamento utilizado no experimento consiste em uma câmara cilíndrica de 
vidro com dimensões iguais a 253 mm de altura e 190 mm de diâmetro. Internamente a 
mesma, apresentam-se dois eletrodos circulares horizontais, construídos em aço carbono, e 
paralelos entre si, distando 53 mm um do outro e 102 mm, da base inferior, e 97 mm, da base 
superior, sendo o eletrodo inferior maciço e o eletrodo superior perfurado. A câmara descrita 
é submetida a vácuo através de uma bomba rotativa de palhetas e o mesmo é medido por um 
medidor de pressão acoplado ao sistema. 
A admissão de gases na câmara é controlada por válvulas agulha, por serem 
bastante sensíveis e permitirem um maior controle do fluxo de gás para dentro do reator. Ao 
eletrodo inferior, denominado porta-amostras, é aplicada uma potência através da uma fonte 
de radiofrequência de 13,56 MHz. Esta fonte está ligada a um casador de impedância com o 
objetivo de reduzir o efeito da potência refletida pelo plasma sobre a fonte de radiofrequência. 
2.3 Procedimento Experimental 
As amostras foram colocadas no porta-amostras e, em seguida, foi ligada a bomba 
de vácuo, aguardando-se a estabilização da pressão. Esta pressão mínima, resultado do ar 
remanescente dentro do reator, é chamada pressão de fundo (Pf) e, para cada experimento, 
esta pressão é anotada. 
Na sequência é admitido gás argônio (Ar) no reator e, através da válvula agulha, 
sua pressão parcial é ajustada para o valor desejado, que no caso, é de 0,5 Pa (ou 0,375 . 10
-2
 
 
14 
 
torr – sendo arredondado para 0,4 . 10
-2
 torr devido a precisão do medidor de pressão). Esta 
pressão é somada a pressão de fundo, sendo a pressão total no reator após a admissão do gás. 
Após nova estabilização da pressão, é admitido gás hidrogênio (H2) no reator, novamente, 
sendo ajustado para a pressão desejada de 0,5 Pa (ou 0,375 . 10
-2
 torr – sendo arredondado 
para 0,4 . 10
-2
 torr devido a precisão do medidor de pressão). Novamente, esta pressão será 
somada à pressão total dentro do reator após a admissão do gás argônio, e no final teremos a 
pressão total dos gases no reator. Em tempo, a mistura de Ar e H2 ocorre na proporção 1:1 (ou 
50% Ar e 50% H2), porém, devemos ter em mente que estas não são as únicas espécies 
químicas presentes no reator, havendo uma contribuição do nitrogênio (N2) e oxigênio (O2) 
atmosféricos remanescentes. 
Feito isto, os gases são submetidos a uma potência de 150 W durante 600 
segundos, condições otimizadas em trabalho anterior. Este processo foi denominado Plasma 
de Limpeza, pois tem como objetivo eliminar a camada de óxido da superfície do metal e 
prepará-la para o recebimento da nova camada de óxido. 
Uma vez finalizada esta etapa, a admissão de gases é fechada e aguarda-se que a 
nova pressão de fundo seja estabelecida. Esta segunda Pf é sempre menor que a primeira, pois 
o Plasma de Limpeza remove impurezas do reator que volatilizam a baixa pressão. O gás que 
foi admitido, então, foi o oxigênio (O2), a uma pressão parcial de 10 Pa (ou 7,5 . 10
-2
 torr). 
Este plasma foi denominado Plasma de Oxidação, pois tem como objetivo criar uma camada 
de óxido sobre a superfície limpa da amostra. O tempo de duração foi de 300 segundos e a 
potência utilizada foi a variável de estudo, variando de 20 W a 200 W (valores estudados: 20 
W, 50 W, 100 W, 150 W e 200 W). 
Após o tratamento as amostras foram armazenadas em sacos plásticos individuais, 
com fechamento hermético e preenchidos com nitrogênio. 
 
 
15 
 
2.4 Análises 
a. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV): 
 
Através desta técnica obtêm-se imagens de superfícies com aumentos maiores que os 
obtidos por microscopia ótica, podendo ser visualizadas partículas de cerca de 1 (um) 
micrometro na superfície. A imagem forma-se através de um feixe de elétrons que incide 
sobre a superfície do material. A intensidade deste feixe pode ser controlada, sendo que 
quanto maior a intensidade do feixe mais profunda é a sua penetração na superfície, e neste 
trabalho foi variada de 2 kV a 5 kV para que fosse possível ver apenas a camada de óxido que 
tem uma espessura muito pequena. 
 
b. Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS, Energy Dispersive Spectroscopy): 
 
Esta técnica permite fazer uma análise da composição definido as espécies químicas 
presentes e permitindo uma estimativa da quantidade de cada uma delas nas amostras. Estas 
análises, também, foram feitas em intensidades baixas do feixe para analisara composição da 
camada de óxido. 
 
c. Ângulo de Contato: 
 
Nesta análise coloca-se uma gota de água deionizada na superfície do metal e mede-se 
o ângulo de contato da gota com a superfície conforme a figura abaixo: 
 
 
 
 
 
Figura 2.4.1 – Gota na superfície do metal 
O equipamento mede os ângulos  e  e calcula a média dos dois valores. Esta leitura 
é feita 10 vezes, calculando-se o desvio padrão das medidas. Se o ângulo de contato médio for 
 
16 
 
maior que 90º, a superfície do material é considerada hidrofóbica, se o ângulo for menor que 
90º, a superfície do material é considerada hidrofílica. Quanto menor o ângulo de contato 
maior a afinidade entre o material e a água e, maior a área de contato da gota com a 
superfície. São utilizadas 3 (três) gotas de água para cada amostra. 
Além da água que é uma substância polar, utiliza-se o di-iodometano que é uma 
substância apolar. São feitas as mesmas medidas da água e com ambas as medidas, calcula-se 
a energia de superfície do material, que possui uma componente polar e uma componente 
dispersiva. A componente polar depende do ângulo de contato da gota de água, quanto maior 
o ângulo de contato, menor a componente polar da energia de superfície. 
 
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 
 
3.1.Pré-tratamento 
A primeira análise feita foi para determinar como seria feito o pré-tratamento das 
amostras. Iniciando pela discussão sobre as vantagens e desvantagens do polimento. Durante 
o polimento é feita a aplicação de alumina (óxido de alumínio) sobre a superfície da amostra e 
havia a preocupação de que este processo incorporasse óxido de alumínio na amostra, 
causando distorções nos resultados. Para definir se havia este risco, foi feita uma análise 
denominada espectrometria de emissão óptica com plasma acoplado indutivamente, ICP-OES 
(Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry). Esta técnica utiliza uma tocha 
de plasma para excitar as espécies químicas presentes na amostra e torná-las detectáveis pela 
sua emissão óptica. Os resultados são mostrados na tabela abaixo: 
 
 
 
17 
 
Tabela 3.1 – Impurezas presentes nas amostras polida e sem polimento 
Resultados finais - Amostra Polida (ppm) 
Impureza P Mo Ni Mn Cr Si Al Cu 
Média 92,75 294,29 246,49 1654,02 108,00 125,15 459,55 69,33 
Desvio Padrão 3,71 3,87 7,62 11,90 2,13 4,42 14,70 0,00 
 Resultados finais - Sem Polimento (ppm) 
Impureza P Mo Ni Mn Cr Si Al Cu 
Média 95,60 251,56 242,83 1654,54 107,99 131,27 418,79 73,02 
Desvio Padrão 1,76 8,42 4,60 28,94 1,75 4,81 2,99 1,73 
 
Analisando a tabela acima, nota-se que as concentrações das impurezas são 
praticamente as mesmas nas duas amostras (polida e sem polimento). Especialmente para o 
alumínio, a variação da concentração é muito pequena para causar interferência nos 
resultados. Como é preferível uma superfície menos rugosa para melhor análise do resultado 
do tratamento e, o polimento não causou a incorporação de impurezas indesejáveis nas 
amostras, optou-se pelo uso de amostras polidas. 
Outra análise feita foi a eficiência dos métodos de limpeza das amostras. Foram 
testados 4 métodos para retirada total do óleo protetor das amostras: 
1 - Limpeza com papel absorvente; 
2 - Banho ultrassônico em álcool iso-propílico (padrão analítico) durante 10 
minutos, sem troca do álcool, e secagem usando soprador elétrico; 
3 - Banho ultrassônico em álcool iso-propílico (padrão analítico) durante 10 
minutos, com troca do álcool após 8 minutos, e secagem usando soprador elétrico e 
4 – O método número 2, seguido do procedimento de Limpeza à Plasma. 
Os resultados obtidos são apresentados na figura abaixo. 
 
18 
 
 
 
Figura 3.1.1- Imagens das amostras feitas no MEV após cada método de 
limpeza: a – método 1, b – método 2, c – método 3 e d – método 4 
 
Analisando as imagens acima, percebe-se que a figura 3.1.1a, na qual foi utilizado 
o método 1, ou seja, apenas limpeza com papel absorvente, tem uma grande quantidade de 
óleo remanescente na superfície. Devido a isto, este método foi descartado. Nas figuras 3.1.1b 
e 3.1.1c, submetidas aos métodos 2 e 3, respectivamente, banho ultrassônico com álcool iso-
propílico sem troca e com troca após 8 min, observa-se a existência de manchas de óleo na 
superfície, indicando que ainda existem resíduos do óleo, mas que a maior parte foi removida. 
Na figura 3.1.1c, nota-se uma quantidade menor de manchas quando comparada com a figura 
3.1.1b, demonstrando que a troca do álcool durante o banho ultrassônico ajudou na remoção 
do óleo, mas não de maneira definitiva. Na última figura, 3.1.1d, submetida ao banho 
ultrassônico sem troca e, em seguida, ao plasma de limpeza, não são vistas mais manchas de 
óleo na superfície da amostra, mostrando que este método é adequado para o pré-tratamento 
das amostras antes do experimento de oxidação. 
a b 
c d 
 
19 
 
3.2.Efeito da Oxidação 
Para analisar a efetividade do Plasma de Oxidação e da influência de todos os passos 
da metodologia utilizada, foi feita a comparação dos experimentos seguindo as seguintes 
metodologias: 
- Amostra limpa em banho ultrassônico, sem troca de álcool, indicada como AC; 
- Amostra limpa em banho ultrassônico, sem troca de álcool, submetida ao Plasma de 
Limpeza e exposta à atmosfera, indicada como PL; 
- Amostra limpa em banho ultrassônico, sem troca de álcool e Oxidada á Plasma, não 
submetida ao Plasma de Limpeza, indicada como PO e 
 - Amostra limpa em banho ultrassônico, sem troca de álcool, submetida ao Plasma de 
Limpeza e exposta ao Oxigênio 100%, sob uma pressão de 10 Pa (ou 7,5 . 10
-2
 torr) durante 5 
min, indicada como PLO. 
As imagens destas amostras feitas no MEV estão na figura abaixo e os resultados das 
demais análises são indicados abaixo: 
 
 
Figura 3.2.1 - Imagens das amostras de referência feitas no MEV: 
a – AC, b – PL, c – PO e d – PLO 
 
Duas imagens acima, 3.2.1a e 3.2.1b, já foram discutidas anteriormente e apenas 
foram colocadas para fins de comparação. Na imagem 3.2.1c, que refere-se à aplicação do 
a b 
c d 
 
20 
 
Plasma de Oxidação, sem a aplicação prévia do Plasma de Limpeza, pode-se notar o 
aparecimento de partículas na superfície circundadas por uma região escura. Em análises 
feitas em outras amostras, concluiu-se que estas regiões escuras eram compostas por óxido de 
ferro, porém nesta amostra, devido a superficialidade da camada de óxido, não foi possível 
determinar a composição deste óxido pelo EDS. Este padrão se repetirá nos resultados 
mostrados a seguir. Já na figura 3.2.1d, submetida a Limpeza á Plasma e oxidada em oxigênio 
100% sem plasma, é visível a formação de partículas, compostas por óxido de alumínio, mas 
não são visíveis regiões escuras circundando estas partículas. A oxidação do alumínio é 
termodinamicamente mais favorável que a oxidação do ferro, conforme mostrado em seção 
anterior, portanto, era esperado que aquela ocorresse antes desta. O resultado obtido 
demonstra que na oxidação à plasma, a quantidade de energia envolvida oxida o alumínio 
presente na amostra formando uma partícula e, irradia esta oxidação para o ferro na região 
próxima à partícula formando a região escura. Já na oxidação sem plasma, a quantidade de 
energia envolvida oxida o alumínio presente na amostra, porém, não é suficiente para irradiar 
esta oxidação para o ferro na região. Assim, pode-se concluir que a oxidação à plasma é 
eficaz para a formação da camada de óxido protetora, e reduz o tempo necessário para a 
oxidação, aumentando da energia do oxigênio e tornando-o mais reativo. 
Estas amostras foram submetidas às mesmas análises das amostras do estudo de 
oxidação à plasma e, os resultados obtidos serão apresentados na seção seguinte. 
 
3.3.Oxidação à Plasma 
Nesta etapa do trabalho, foi analisada a oxidação da superfície do aço carbono 
submetida à plasmas de oxigênio de diferentes potências. Abaixo, seguem asimagens obtidas 
pelo MEV. 
 
 
 
 
21 
 
 
 
 
Figura 3.3.1 - Imagens das amostras feitas no MEV: 
a – PL, b – 20W, c – 50W, d – 100W, e – 150W e f – 200W 
 
Na figura 3.3.1a, apenas limpa à plasma, a superfície apresenta um aspecto limpo, 
nas figuras 3.3.1b e 3.3.1c, oxidadas a 20W e 50W, é possível perceber a formação de 
pequenos grânulos na superfície que segundo o EDS são óxidos de alumínio. Na figura 
3.3.1d, oxidada a 100W, as partículas se tornam maiores e mais visíveis. Nas figuras 3.3.1e e 
3.3.1f, oxidadas a 150W e 200W, nota-se, além das partículas, uma região escura em torno 
delas. Esta região, segundo o EDS é composta por óxido de ferro. A maior incidência de 
partículas circundadas por uma área escura ocorreu na amostra oxidada a 150W. 
a b 
c d 
e f 
 
22 
 
Com o aparecimento destas partículas esperava-se que a superfície do aço tratado 
fosse mais rugosa que a superfície do aço sem tratamento. Porém, as medidas de rugosidade 
das superfícies tratadas não confirmaram esta tendência, como se pode ver na figura abaixo. 
20 W 50 W 100 W 150 W 200 W
0
2000
4000
6000
8000
10000
 
 
R
u
g
o
s
id
a
d
e
 (
A
)
Potência
 
Figura 3.3.2 – Gráfico de Rugosidade 
 
Para as amostras PL, PO e PLO, os valores obtidos foram, respectivamente, 
5392,06 A, 5441,56 A e 5915,44 A, também, significativamente menores que a rugosidade da 
amostra sem tratamento (7821,06 A) indicada pela linha pontilhada no gráfico. A queda nos 
valores da rugosidade pode ser atribuída ao fato de que as partículas são muito pequenas, 
cerca de 1 micrometro, e a ponta do perfilômetro (equipamento que mede a rugosidade) 
possui 12,5 micrometros de diâmetro. Assim, a rugosidade causada pelas partículas pode não 
ter sido percebida pelo equipamento. 
A análise do ângulo de contato mostrou que a superfície do aço tornou-se 
hidrofílica, o que seria esperado após o tratamento com plasma de oxigênio. Porém, 30 dias 
após o tratamento, a mesma análise foi realizada e o resultado foi uma superfície hidrofóbica. 
Para as amostras PL, PO e PLO, o mesmo comportamento foi observado, sendo que as 
primeiras leituras indicaram ângulos de contato iguais a, respectivamente, 29,37° e 14,81° 
43,19°, enquanto as leituras após envelhecimento indicaram ângulos iguais a, 93,53° e 96,05° 
(para amostra PLO ainda não foi possível realizar a leitura após envelhecimento). Abaixo são 
mostrados os resultados de ambas as análises. 
 
 
23 
 
20 W 50 W 100 W 150 W 200 W
20
40
60
80
100
 
 
A
n
g
u
lo
 (
°)
Potência
 Apos Tratamento
 Envelhecimento 30 dias
 AC
 
Figura 3.3.3 – Gráfico do ângulo de contato logo após o tratamento e 
após 30 dias de envelhecimento 
 
Com as leituras obtidas foi possível calcular a energia de superfície logo após o 
tratamento e após 30 dias de envelhecimento. Como esperado, para as leituras hidrofílicas, 
observou-se um valor alto para a componente polar, enquanto para as leituras hidrofóbicas, os 
valores desta componente são muito baixos. Abaixo, os gráficos comparativos com as duas 
componentes (energia polar e energia dispersiva) e o valor total, para ambas as situações. 
20 W 50 W 100 W 150 W 200 W
0
10
20
30
40
50
60
70
80
 
 
E
n
e
rg
ia
 d
e
 S
u
p
e
rf
ic
ie
 A
p
o
s
 T
ra
ta
m
e
n
to
Potência
 Polar
 Dispersiva
 Total
 Polar AC
 Dispersiva AC
 Total AC
 
20 W 50 W 100 W 150 W 200 W
0
10
20
30
40
50
 
 
E
n
e
rg
ia
 d
e
 S
u
p
e
rf
ic
ie
 A
p
o
s
 3
0
 d
ia
s
Potência
 Polar
 Dispersiva
 Total
 Polar AC
 Dispersiva AC
 Total AC
 
Figura 3.3.4 – Gráficos de Energia de Superfície 
 
 
24 
 
A razão para a drástica mudança nos valores do ângulo de contato e, por 
consequência, da energia de superfície, deve-se, provavelmente, a dois fatores. O primeiro 
seria um efeito do envelhecimento. Uma vez que a superfície tratada à plasma se torna 
bastante reativa com a incorporação de átomos de oxigênio e a energia da superfície é 
aumentada (conforme visto nos gráficos acima), cria-se uma situação de instabilidade, pois os 
átomos procuram sempre a situação de menor energia (maior estabilidade). Com isto, devem 
ter ocorrido rearranjos atômicos na superfície tratada, que visavam reduzir a energia e 
aumentar a estabilidade, através da reação com elementos circundantes da amostra como o ar 
atmosférico, o nitrogênio em que a amostra foi imersa após o tratamento ou o próprio saco 
plástico em que a amostra foi armazenada. Para determinar o que realmente aconteceu, será 
necessária uma análise mais detalhada dos compostos químicos formados na superfície. 
O segundo fator deve-se as partículas que aparecem na superfície tratada. Como 
mostrado na imagem feita em MEV da amostra oxidada a 150W e envelhecida 30 dias, 
existem inúmeras partículas, sempre circundadas pela região escura, que são pontos de 
oxidação. Estes pontos de oxidação podem ter “pinçado” a gota, impedindo que a mesma 
tocasse integralmente a amostra. Assim, com o efeito de “pinçamento” da gota e com a 
redução da energia de superfície, teve-se a amplificação do caráter hidrofóbico das amostras. 
 
Figura 3.3.5 – Imagem MEV – amostra oxidada a 150W e envelhecida 30 dias – 
a – imagem mostrando pontos de oxidação na superfície e 
b – imagem aproximada dos pontos de oxidação 
 
Houve um aumento substancial no número de pontos de oxidação após o 
envelhecimento da amostra, o que justificaria a não ocorrência do “pinçamento” nas leituras 
feitas logo após o tratamento. Abaixo, o resultado do EDS feito em um ponto de oxidação da 
amostra de 150W, envelhecida 30 dias. 
 
a b 
 
25 
 
 
EDS1 
 Fe O C 
1 82.86 11.21 5.94 
2 73.04 14.37 12.60 
3 78.96 12.59 8.45 
4 76.05 15.47 8.48 
5 80.68 7.70 11.62 
6 93.04 2.28 4.68 
Average 80.77 10.60 8.63 
Standard 
deviation 
 5.01 3.40 1.61 
 
Figura 3.3.6 – EDS para ponto de oxidação 
 
Percebe-se claramente que as partículas e as área escuras que as circundam 
(pontos 1, 2, 3, 4 e 5) possuem uma maior quantidade de oxigênio e carbono que a parte lisa 
(ponto 6). Isto demonstra que a oxidação ocorre ao longo do tempo e não de maneira 
uniforme, sendo irradiada a partir dos pontos onde apareceram as primeiras partículas. 
 
3.4. Amostras Corroídas 
 
No momento em que a primeira medida do ângulo de contato era feita, ocorreu a 
corrosão imediata das amostras oxidadas a 50W, 100W, 150W e 200W em contato com a 
água. As amostras PL, oxidada a 20W e PO apresentaram corrosão no dia seguinte e as 
amostras AC e PLO não foram corroídas. Abaixo, são mostradas as imagens das amostras 
corroídas. 
 
 
Figura 3.4.1 – Amostras corroídas – a – AC, b – PL, 
c – PO, d – 20W, e – 50W, f – 100W, g – 150W e h – 200W 
a b c d 
e f g h 
 
26 
 
 
As amostras apresentaram duas colorações diferentes para as manchas, uma 
avermelhada e outra amarelada. Ambas foram observadas no MEV, e as imagens obtidas são 
apresentadas abaixo. 
 
Figura 3.4.2 – Imagens das manchas 
a – mancha avermelhada e b – mancha amarelada 
 
Ainda não foi possível fazer uma caracterização dos óxidos formados após o 
tratamento à plasma e das manchas de corrosão após o contato com a água. 
Para comprovar a teoria do “piçamento” da gota, discutida na seção anterior, foi 
feita uma leitura do ângulo de contato da gota sobre as manchas de corrosão, obtendo-se os 
ângulos de 140,3º para a mancha amarelada e 151,7º para a mancha avermelhada. Com estes 
dados, concluímos que a camada de óxido formada após o contato com a água mostrou-se 
mais eficiente como uma camada protetora do aço. 
 
 
4. CONCLUSÃO 
 
Pelos resultados obtidos neste trabalho, pode-se concluir que a metodologia de 
pré-tratamento das amostras com banho ultrassônico de álcool iso-propílico durante 10 min, 
sem troca e a limpeza à plasma são suficientes para preparar a superfície da amostra para otratamento com plasma de oxigênio. Também, não haverá interferência nos resultados devido 
ao uso de alumina no polimento das amostras. 
A camada de óxido formada na oxidação à plasma é muito fina e não é 
homogênea. Começa com a oxidação dos átomos de alumínio presentes na amostra e a 
formação de partículas na superfície da mesma. A partir destas partículas, a oxidação é 
irradiada para o restante da superfície formando uma mancha escura ao redor das partículas. 
a b 
 
27 
 
Após o envelhecimento, o número de pontos de oxidação (manchas escuras) 
aumenta consideravelmente e as partículas presentes na superfície causam um efeito de 
“piçamento”, impedindo que uma gota de água entre em contato com a amostra. Este efeito 
protege a superfície da água líquida, porém, não é muito eficaz na proteção contra a umidade 
atmosférica. 
Para as potências estudadas, o melhor resultado foi obtido para a potência de 
150W, que apresentou maior número de pontos de oxidação e, por consequência, maior 
ângulo de contato após envelhecimento. 
Com relação às amostras corroídas, o efeito da água após o tratamento em plasma 
de oxigênio será estudado, já que os ângulos de contato obtidos nas manchas de corrosão 
foram substancialmente maiores que os obtidos nas amostras não corroídas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
28 
 
REFERÊNCIAS 
 
1
COUTINHO, C. B. Materiais Metálicos para Engenharia; Belo Horizonte, Fundação 
Christiano Ottoni, 1992, capítulo 1. 
 
2
GENTIL, V. Corrosão, Rio de Janeiro, LTC Editora, 2003, capítulas 1, 2, 3 e 7. 
 
3
GEMELLI, E. Corrosão de Materiais Metálicos e Sua Caracterização; Rio de Janeiro; LTC 
Editora; 2001, capítula 1.4. 
 
4
OLIVEIRA, L. C. Efeitos de tratamentos a plasma na limpeza e na reatividade de aços 
carbono, Dissertação, UNESP - Faculdade de Ciências, Sorocaba, 2008. 
 
5
 www.gerdau.com.br/arquivos-tecnicos/26.brasil.pt-BR.force.axd - página visitada em 26/05/2014 
http://www.gerdau.com.br/arquivos-tecnicos/26.brasil.pt-BR.force.axd