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Tiras relaminadas e fosfatizadas aplicadas em estampagem crítica – Parte 2

Siderurgia Brasil — Edição 52

Revestimentos com fosfato de zinco têm grande importância industrial e são utilizados em diversas aplicações, principalmente como lubrificantes em operações de conformação.

Antenor Ferreira Filho*

Etapas do processo de fosfatização
Desengraxe e decapagem
Têm por objetivo preparar a superfície do substrato sobre o qual será aplicada a camada fosfatizada. Consiste em retirar da superfície do aço qualquer resíduo que possa interferir na qualidade da camada. É incontestável que, para se obter uma camada de fosfato adequada, é necessário que se tenha um substrato com a superfície perfeitamente limpa livre de impurezas como óxidos, óleos, graxas ou partículas sólidas. Materiais estranhos presentes na superfície do substrato podem agir como barreira e inibir a formação dos cristais de fosfato, ou podem até servir de locais preferenciais para a nucleação e crescimento dos cristais de fosfato. Em ambos os casos, as camadas obtidas serão não uniformes e apresentarão desempenho inadequado [4].

Refino de grão / ativação / condicionamento
Talvez a denominação mais adequada seja a de condicionamento, pois nem sempre este estágio determina o refino de grão e não é o único que ativa a superfície, mas sempre tem a função de condicionar a superfície para que os cristais de fosfato sejam formados de maneira uniforme com granulação suficientemente fina.
O estágio de condicionamento faz parte do processo e precede o de fosfatização, sem interposição de lavagem, e tem por objetivo principal contrapor a influência dos estágios de desengraxe e de decapagem, que determinam a obtenção de camadas de granulação grosseira. Assim, este estágio torna-se imprescindível principalmente quando se faz o desengraxe com soluções alcalinas fortes e/ou decapagem em solução de ácidos fortes.

Fosfatização
É o estágio de formação da camada fosfatizada. As camadas a base de fosfato de zinco são as mais utilizadas na prática, sendo o tipo exigido pela maioria das aplicações da indústria automobilística, pois atendem às especificações mais rigorosas desse setor.
As camadas são obtidas a partir de banhos contendo ácido fosfórico e fosfato diácido de zinco, além de aceleradores e outros constituintes do banho eventualmente adicionados, por exemplo, para controlar o crescimento dos cristais, aumentar ou diminuir a espessura da camada. São formadas por fosfato tetrahidratado de zinco, a hopeita (Zn3(PO4)2 4H2O) e o fosfato duplo de ferro e de zinco tetrahidratado, e a fosfofilita (Zn2Fe(PO4)2 4H2O).
A composição do banho e as condições de operação determinam a quantidade relativa de um ou outro composto [6]. A região da camada mais próxima do substrato é rica em ferro e a mais externa é rica em zinco. São camadas cristalinas e seus cristais de fosfato podem ser muito pequenos. Para camadas a base de fosfato de zinco, há a formação de agulhas e plaquetas. As agulhas podem estar cobertas por plaquetas e, também, as plaquetas podem estar cobertas por agulhas [5].
A formação de cristais de fosfato ocorre em dois estágios: primeiro ocorre a nucleação seguida do crescimento dos cristais nucleados. Assim sendo, o tamanho dos cristais dependerá fundamentalmente da velocidade de nucleação e de crescimento dos cristais.
A velocidade de nucleação é função direta do número de sítios ativos presentes na superfície do substrato, pois são nesses sítios que são formados os núcleos de cristais de fosfato. Os cristais crescem a partir desses núcleos.
Se o número de sítios for pequeno, como resultado teremos poucos núcleos. Assim, os cristais têm de crescer a partir de poucos núcleos e o crescimento cessará quando o substrato for coberto, fato que ocorrerá quando os cristais se tocarem e, como consequência, a massa de fosfato por unidade de área será elevada, conforme a figura 3a. Ao contrário, quando na superfície de um substrato existirem muitos sítios ativos, haverá a formação de muitos núcleos, os quais se tocarão antes de crescerem muito e originarão a formação de camadas finas e de cristais finos, conforme a figura 3b.

sb52brasmetalfig3a

sb52brasmetalfig3b

Existe uma relação direta entre o tamanho de cristais e a massa de fosfato por unidade de área: quanto menores os cristais, mais fina a camada formada. Cabe citar que o tempo de formação de cristais grandes é maior porque é necessário mais tempo para cobrir o substrato.
Muitos são os fatores relacionados com o substrato e com o processo de fosfatização que influenciam diretamente no tamanho dos cristais, podendo-se citar como principais: estado superficial do substrato, presença de um fino filme de óxidos na superfície do substrato, composição química do substrato, pré-tratamento mecânico, desengraxe, condicionamento, tipo de acelerador e presença de refinadores no banho (os mais utilizados são soluções contendo sais de titânio).
A microestrutura da camada fosfatizada depende, além da composição do banho e das condições de operação, do tipo de desengraxante alcalino utilizado no pré-tratamento. Um exemplo de uma microestrutura de camada de fosfato de zinco em aço de baixo teor de carbono pode ser visto na figura 4.

sb52bmfig4

Pós-tratamento de selagem ou passivação
Mesmo que uma camada fosfatizada esteja completamente formada, ela terá certo grau de porosidade intrínseca. Esta porosidade expõe o substrato ao meio, sendo esta a razão da baixa capacidade em proteger o substrato apresentada pelas camadas de fosfato. Assim sendo, as camadas fosfatizadas por si só não são destinadas a proteger o substrato contra corrosão. O aumento da resistência à corrosão se dá quando sobre a camada fosfatizada é aplicado um tratamento suplementar que consiste na imersão da tira fosfatizada em solução aquosa de composto inorgânico, entre dos quais podemos citar: compostos de cromo, silicatos, fosfatos, boratos, nitritos e molibdatos.
Quando as camadas são submetidas a um pós-tratamento, como o de selagem ou passivação, a porosidade diminui de maneira significativa em cerca de 50% [8]. Esta redução não significa alterações dos cristais de fosfato, mas sim a passivação do aço exposto ou mesmo a selagem dos poros existentes. A porosidade diminui com aumento da espessura da camada, atingindo um valor constante após a completa formação da camada de fosfato, entretanto deve-se ressaltar que nem sempre espessuras maiores significam menor porosidade, visto que a porosidade não depende somente da espessura, mas sim de outros fatores, como o tipo de fosfato, o tamanho dos cristais de fosfato, a saber, camadas com cristais finos e uniformes, que apresentam baixa porosidade, com poros de dimensões pequenas.

Pós-tratamento para conformação
Consiste na aplicação de produtos para auxiliar nas operações de conformação, tais como sabão, bórax etc. Camadas fosfatizadas a base de fosfato de zinco reagem com o estearato de sódio formando o estearato de zinco, que se comporta como um fluido altamente viscoso nas condições de temperatura e pressão estabelecidas durante a conformação.

Secagem
Etapa que consiste em secar a superfície da tira fosfatizada em estufa por meio de ventilação forçada ou infravermelho, pois a tira, antes de ser bobinada, deve estar totalmente isenta de umidade. Aí, a tira é finalmente bobinada.

Referências bibliográficas
[1] FERREIRA, F. A; SERENO, A. – O uso de fosfato de zinco como lubrificante em tiras de aço laminadas a frio utilizadas em processos de conformação. XI EBRATS – Encontro Brasileiro de Tratamento de Superfícies – São Paulo – SP, Maio de 2003.
[2] JAMES, D. – Phosphate coating and lubrication steel for cold extrusion. Sheet Metal Industries – Special Conference, p.171 – 189, 207, March, 1961.
[3] RAUSCH, W. – The phosphating of metals. 1st.ed, Great Britain: Redwood Press, 416p, 1990.
[4] Metals Handbook – Surface cleaning, finishing and coating, 1987.
[5] LORIN, G. – Phosphating of metals. Finishing Publications, Great Britain, 1974.
[6] KUEHNER, M. A. – Phosphate conversion coatings. Metal Finishing, v.83, n.8, p. 15 – 18, August 1985.
[7] Relatório Interno da Brasmetal Waelzholz – Projeto Fapesp – Estudo da influência das características de camadas fosfatizadas nas operações de conformação com e sem lubrificantes, São Paulo, 2008.
[8] NAIR, U.B.; SUBBAIYAN, M. – Evaluation of porosity of phosphate coatings. Transaction of the Institute of Metal Finishing – v.71, n.2, p.68 -70, 1993.

*Antenor Ferreira Filho é diretor industrial da Brasmetal Waelzholz S/A.

Leia na próxima edição da revista Siderurgia Brasil a terceira e última parte deste artigo.