Fosfatização - Apostilas - Quimica Industrial, Notas de estudo de Química. Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)
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Maraca1 de Março de 2013

Fosfatização - Apostilas - Quimica Industrial, Notas de estudo de Química. Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)

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Apostilas sobre a fosfatização, processo de fosfatização, fosfato por imersão ou spray, desengraxe, decapagem ácida, refinador.
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FOSFATIZAÇÃO

Trabalho apresentado à disciplina de Quimica Geral

em Química Industrial.

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2011

1. INTRODUÇÃO

A técnica de fosfatizar metais para evitar a corrosão de materiais ferrosos já era uma prática bem difundida quando os primeiros eletrodomésticos foram fabricados. A evolução tecnológica desses processos de pré-pintura, dentro da área da indústria manufatureira de eletrodomésticos e na área da construção civil, sempre esteve ligada ao desenvolvimento de novos tipos de revestimentos superficiais orgânicos ou inorgânicos.

Os processos de fosfatização por spray e por imersão, e os tipos de banhos inorgânicos mais utilizados serão vistos no decorrer do trabalho. Além disso também será referida a fosfatização orgânica, que embora ainda não muito difundida, têm perspectivas de tornar-se um dos pré-tratamentos superficiais mais utilizados, e uma de suas vantagens é ser considerada menos agressiva ao meio ambiente, ou seja, é ecologicamente correta.

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FOSFATIZAÇÃO:

2. Processo de fosfatização

A fosfatização pode ser efetuada de 3 maneiras: Fosfato 3 em 1, Fosfato por imersão, Fosfato por spray.

2.1. Fosfato 3 em 1

É um fosfato simples com relativa resistência anticorrosiva, onde os componentes (desengraxante, decapante e fosfatizante) são formulados e embalados juntos. Esse processo é empregado por spray com alta pressão, tendo bom resultado quando aplicado em 2 passes e a quente.

2.2.Fosfato por imersão ou spray

São os melhores métodos de limpeza e preparação de superfície em processo industrial. Esse método é realizado segundo os seguintes estágios:[pic]

Figura 1 - Processo de fosfatização: Seqüência dos banhos

2.2.1.Desengraxe

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É a operação efetuada para remover graxas, óleos, solúveis, lubrificantes, óleos de prensagens e óleos protetivos que restam na superfície após as operações mecânicas de usinagem, oleosidades deixadas pelo manuseio, bem como material aderido a estes como poeiras, cavacos, resíduos de abrasivos, etc.

Se o banho de desengraxe é aquoso, também são removidos: sais, óxidos, hidróxidos e outros compostos solúveis em água.

O desengraxe pode ser efetuados por dissolução, saponificação, emulsificação e por ação mecânica.

Antes de iniciar o desengraxe é necessário conhecer o tipo de contaminante a ser removido. As graxas podem ser de origem animal, vegetal ou mineral. A maioria das graxas e óleos é insolúvel em água, o que torna difícil a sua remoção por simples lavagem. Existem graxas saponificáveis, isto é, passíveis de serem removidas com produtos alcalinos, como por exemplo soda cáustica. As peças neste caso, são imersas em um banho alcalino que dissolve as gorduras e depois são lavadas com água limpa. Já os óleos minerais não são saponificáveis e por isso exigem limpeza com solventes orgânicos apropriados, ou com soluções de tensoativos (detergentes), que são mais eficientes na limpeza, pois além das oleosidades, removem também sais e óxidos solúveis em água. É necessário, enxaguar bem as peças com água limpa para retirar os resíduos do tensoativo.

2.2.2.Decapagem ácida

A decapagem, como o próprio nome indica é operação que tem por finalidade a remoção da “capa” de óxidos que pode ter sido formada quando a chapa foi laminada a quente ou a ferrugem surgida durante o transporte e o armazenamento.

Para que a operação seja eficiente é necessário que o desengraxe tenha sido bem feito, pois gorduras e oleosidades podem dificultar a ação dos decapantes.

Os decapantes geralmente são ácidos, como o clorídrico (também conhecido como muriático) e o sulfúrico, que reagem com os óxidos produzindo sais solúveis, fáceis de serem removidos em meio aquoso por lavagem. Os ácidos removem inclusive carepas. O ácido fosfórico também pode remover as carepas, porém demandam muito tempo e requerem aquecimento do banho. O ataque ácido, além de remover os óxidos proporciona certa rugosidade à superfície. Para ajudar a ação dos ácidos são adicionados aditivos tensoativos aos banhos, que melhoram a penetração do ácido nas peças e facilitam a lavagem ao final do processo.

Peças que trabalham sob tensão, tração ou torção, não devem ser decapadas com ácidos se não houver possibilidade de colocá-las em um forno para minimizar os efeitos corrosivos do

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hidrogênio gerado no processo e que penetra no interior das peças podendo provocar corrosão intergranular. O processo de aquecimento ajuda a eliminar o hidrogênio e por isso é chamado de desidrogenação.

O ácido remove os óxidos mas também pode atacar severamente o metal, por isso é necessário adicionar um inibidor de corrosão ao banho, para que o ácido se restrinja somente à capa de óxidos.Estes inibidores podem ser aminas, aldeídos, proteínas ou mercaptanas.

2.2.3.Refinador

Esta etapa do processo que antecede a fosfatização, tem por finalidade criar pontos de nucleação na superfície metálica que induzam a formação de cristais pequenos e fortemente aderidos. O tamanho dos cristais é importante para desempenho da fosfatização. A boa eficiência do refinador, que é constituído de sais de titânio, depende de uma boa operação prévia de desengraxe e decapagem.

O refinador por ser um banho levemente alcalino funciona também como uma decapagem alcalina com banho bem controlado, que além de remover os óxidos leves e as oleosidades, condiciona a superfície, pois um pH residual alto, promove a precipitação dos fosfatos, formando cristais pequenos.

Se a decapagem ácida for muito longa e a superfície não for bem lavada após este banho, poderão resultar cristais longos, o que também não é interessante.

2.2.4.Fosfatização

O objetivo da fosfatização é depositar uma camada de cristais pequenos e insolúveis sobre a superfície.

A fosfatização sozinha não tem muito valor protetivo contra a corrosão nas superfícies metálicas, mas, quando associada a pintura, ela assume uma importância muito grande, pois além de melhorar a aderência da tinta, converte a superfície metálica que é corrosível, em uma superfície não metálica, de fosfatos do metal e por isso mais resistente à corrosão.

Os cristais se formam por reação química, o que lhes confere ótima ligação com o metal e praticamente cobrem toda a superfície, isolando-a dos eletrólitos que venham a permear a camada de tinta.

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Segundo o Prof. Vicente Gentil, em seu livro "Corrosão", os processos de fosfatização se classificam quanto a:

Composição do banho:

a) fosfatização a quente - acima de 80 ºC

b) fosfatização tépida - entre 50 e 80 ºC

c) fosfatização a frio - abaixo de 50 ºC

Tempo de permanência no banho:

a) fosfatização normal - acima de 30 minutos

b) fosfatização acelerada - abaixo de 30 minutos

c) fosfatização rápida - abaixo de 5 minutos

2.2.5.Método de aplicação.

a) Imersão - A peça cumpre uma seqüência de banhos em tanques, com controle de tempo, temperatura, concentração de produtos químicos e controle de contaminação destes banhos. Nos tanques são colocadas quantidades consideráveis de produtos químicos. Fosfatos aplicados por imersão, geralmente requerem tempo de 3 minutos, no mínimo. Como o tempo é mais longo nesses processos, os cristais são maiores (em processos para oleamento ou deformação a frio) e as camadas pesadas.

Os processos por imersão são mais econômicos, pois a necessidade de aquecimento é menor e os custos de manutenção são reduzidos.

b) Pulverização - Processo que atualmente tem mostrado melhores resultados. As peças atravessam cabinas compartimentadas onde os produtos químicos são pulverizados através de bicos injetores. A quantidade de produto químico é menor e por causa do impacto do jato sobre as peças, eles podem atuar com mais eficiência do que estáticos dentro de tanques. A troca do produto é feita muito mais rapidamente e a economia é muito grande. Sem contar com o fato da linha poder ser contínua com velocidade controlada através da monovia onde as peças são penduradas. As aplicações a jato geralmente não excedem a 60 segundos no estágio de fosfato, obtendo-se camadas finas e densas. Nessas aplicações obtêm-se alta capacidade de produção, melhor limpeza e arraste reduzido.

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c) Aplicação Manual - Quando as superfícies ou os objetos são muito grandes e pesados (tratores, implementos agrícolas) é comum utilizar-se processos manuais a vapor. Nessas aplicações normalmente é utilizado o fosfato de ferro.

Durante o processo de fosfatização ocorrem as seguintes reações do ácido fosfórico com o ferro do aço:

[pic]

Figura 2 - Reações que ocorrem durante a fosfatização inorgânica.

2.2.6.Passivação.

Trata-se de uma etapa posterior à fosfatização que tem por finalidade selar os poros deixados na camada de fosfato. As soluções apassivantes, constituidas por ácido crômico ou ácido crômico/ fosfórico, geralmente a 60 ºC, completam as falhas na amada de fosfato, melhorando a proteção anticorrosiva.

Esta etapa final de passivação também é chamada de “selagem com cromo”. Hoje em dia, o cromo hexavalente (Cromo VI) sofre restrições e em seu lugar é usado taninato para selar ou apassivar.

2.2.7.Secagem.

Após a passivação, é realizada a operação de secagem das peças, que seguem para a pintura.

Geralmente as peças passam por fornos ou sopros de ar quente a temperaturas entre 100 e 150 ºC, e toda a umidade da superfície que poderia formar bolhas e prejudicar a pintura é eliminada.

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2.2.8. Banhos intermediários.

Entre cada etapa mencionada existem banhos intermediários necessários:

• Após o desengraxe alcalino - remove o desengraxante residual que por ter caráter alcalino reagiria com o banho seguinte que é ácido, exigindo maior consumo de decapante.

• Após a decapagem ácida - remove os resíduos de sais formados e o excesso de decapante que prejudicariam o refinador. Se os ácidos não forem completamente removidos, os cristais nucleados podem ficar grandes, o que é inconveniente.

• Após a fosfatização - removem os resíduos e os excessos de fosfatos e cromatos que prejudicariam a aderência e o comportamento da pintura.

• Após a passivação - a lavagem deve ser com água deionizada para eliminar completamente os sais solúveis.

3. Propriedade da camada de fosfato

3.1.Base para pintura

O uso mais difundido da fosfatização é preparar a superfície metálica para permitir uma boa aderência da tinta e impedir o desenvolvimento dos processos de corrosão.

A durabilidade da tinta está diretamente ligada à eficácia do sistema de pré-tratamento do substrato.

O objetivo de tratar as superfícies dos metais antes da pintura, é o de tornar a superfície instável do metal em uma superfície estável, uma base inerte para receber a tinta. A fosfatização ainda é o processo mais aceito como base para pintura, desenvolvido para aço e aço galvanizado.

3.2.Deformação a frio e oleamento

Camadas de fosfatos (inorgânicos) cristalinos são excelentes para ancorar compostos para deformação a frio, lubrificantes, óleos protetores, ceras etc.,

São particularmente proveitosas na deformação do metal por extrusão e trefilação, onde atuam como um reservatório e retêm os lubrificantes no lugar; assim o metal desliza livremente sob pressão, melhorando o acabamento final e vida útil da ferramenta.

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4. Tipos de fosfato mais utilizado na industria.

Atualmente são utilizados os seguintes fosfatos:

[pic]

Tabela 1 - Tipos de fosfatos e propriedades

4.1.Fosfato de ferro

Características mais importantes das camadas:

a) estrutura amorfa

b) peso de camada - 0,6 - 1,0 g/m2

d) boa resistência à corrosão após pintura

e) baixa necessidade de aquecimento

f) baixo investimento em equipamentos

g) fácil controle dos banhos

São produtos elaborados para produzir sobre as superfícies metálicas uma camada microcristalina e aderente para a pintura. Os processos de fosfato de ferro são utilizados por spray em túneis contínuos ou cabines estacionárias. Os fosfatos de ferro por aplicação manual conhecidos por 3x1 não são recomendados para a indústria, que tem parâmetros de qualidade bem definidos pois deixam a desejar em questão de qualidade final.

4.2.Fosfato de zinco

Características mais importantes das camadas:

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Pintura

a) estrutura cristalina definida

b) peso de camada: 1,5 - 12 g/m2

c) excelente aderência das tintas

d) excelente resistência à corrosão

e) longa vida dos banhos

Deformação ou Oleamento

a) estrutura cristalina definida

b) peso de camada: - 15 - 40 g/m2

c) excelente absorção de lubrificantes e óleos protetivos

São produtos elaborados a base de fosfatos, sais de zinco e níquel. Estes produtos são utilizados a temperatura ambiente por imersão ou spray especialmente nos processos que exigem pré tratamento para pintura. Oferecem alta resistência anti corrosiva com resultados acima dos parâmetros normais exigidos pelo mercado. São muito utilizados nos mais variados segmentos, máquinas agrícolas, fabricantes de peças automobilísticas, montadoras, móveis tubulares, motores elétricos, luminárias entre outros. Como resultado da reação obtém-se uma camada com cristais em forma de grãos de arroz. Necessita de refinador ou condicionador e gera lodo após a reação.

4.3.Fosfato de manganês

Características mais importantes das camadas:

a) estrutura cristalina definida

b) peso de camada: - 1,5 - 6 g/m2

c) excelente absorção de lubrificantes e óleos protetivos

d) longa vida dos banhos, apesar de produzirem muita lama (borra).

Os fosfatos de manganês são formulados à base de fosfatos e sais de manganês. São utilizados em imersão com alta temperatura. O fosfato de manganês é mais aplicado para oleamento mas também pode ser utilizado para pintura. A maior aplicação do fosfato de manganês está junto a indústrias de ferramentas, para escurecer a superfície. Estes processos exigem controles rigorosos para que os parâmetros sejam atingidos.

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4.4.Fosfato tricatiônico.

O fosfato tricatiônico, formulado a base de fosfatos sais de zinco, níquel e manganês ou cálcio, trabalha com temperatura em torno de 50 graus C. É muito utilizado na indústria automobilística por resultar uma camada com cristais arredondados. Oferece alta resistência a corrosão e excelente aderência á pintura. Tem por característica a geração de lodo.

4.5.Fosfato de zinco-cálcio.

O fosfato zinco-cálcio é muito utilizado na indústria para pintura e adesão de borrachas. Tem por característica cristais arredondados e formação de lodo. Oferece excelente proteção anti corrosiva e aderência para pintura.

5. Inovação

5.1. Fosfatização orgânica

A Fosfatização Orgânica é uma nova concepção no pré tratamento de metais para a pintura, vindo de encontro às necessidades ambientais atuais, mantendo o objetivo primário de servir de ponte de adesão tinta/metal, e com diversas vantagens sobre o sistema de fosfatização convencional. Pois é sem efluentes, sem lamas, estágio único, processo a frio, sem enxágue, atende a ISO 14.000.

Trata simultaneamente Aço Carbono, Ferro Fundido, Chapa Zincada, Alumínio e Latão com um único produto e num único banho.

Atributos

Trata simultaneamente Aço Carbono, Ferro Fundido, Chapa Zincada, Alumínio e Latão com um único produto e num único banho.

Duas linhas de produto:

a) Orgânica para 300 hs de salt spray;

b) Nano Orgânica para 500 hs de salt spray;

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c) Camada protetiva de 3 a 5 µ;

d) Confere à pintura maior adesão e resistência ao impacto e à dobra;

e) Proteção temporânea da peça sem pintura por algumas semanas.

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Diferenciais

a) Desengraxe e Fosfatização simultâneos pela incorporação do óleo à resina base do produto;

b) Desengraxe e Fosfatização sem efluentes e sem consumo de água;

c) Uma única operação: Mais Produtividade;

d) Processo a Frio: Menor consumo de energia;

e) Instalações compactas: Menor investimento.

5.2. Funcionamento

a) Fosfatização orgânica: efetua-se conversão química da superfície do metal formando deposição de uma fina camada polimérica, amorfa e incolor de fosfatos orgânicos modificados. Este filme adere firmemente ao metal e disponibiliza funções químicas apropriadas para proporcionar uma firme ancoragem química com a tinta, ao contrario da ancoragem mecânica, característica da fosfatização convencional. Com este processo o grau de proteção ultrapassa 300 hs de “salt-spray”.

b) Fosfatização nano-orgânica: utilizam-se resinas nano-reticulantes que, com uma primeira camada fina de tinta, formam nano células de ancoragem resultando uma camada extremamente compacta funciona como barreira de alta performance à migração da corrosão, aumentando a proteção a ambientes mais agressivos. Após uma pré-cura aplica-se uma segunda camada complementar para atingir a espessura final desejada. Com este processo o grau de proteção ultrapassa 500 hs de “salt-spray”.

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6. Conclusão

A fosfatização é realizada sempre em peças metálicas, e destina-se a elevar a resistência à corrosão e a aderência da camada de tinta a chapa, que praticamente não existiria sem este tratamento. O processo de fosfatização tende a adaptar-se ao desenvolvimento das técnicas de pintura e aos avanços dos materiais. Preocupando-se principalmente em preservar os recursos naturais, adequando-se assim as normas ambientais, através da utilização de tensoativos biodegradáveis (desengraxante) e do processo de fosfatização orgânica, o qual não gera efluentes e nem lamas, garantindo um mínimo impacto ao meio ambiente.

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6. Referências

[1] www.gea.ufpr.br/arquivos/lea/.../Tratamento%20de%20Efluentes.pdf

[2] www.edalbras.com.br/.../quimicos_barrilha1.html

[3] www.galvano.com.br/fosfatizacao/fosfatizacao.htm

[4] www.scribd.com/doc/24042969/Fosfatizacao

[5] www.borealnet.com.br

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