Revestimentos: Nano cerâmica vs Fosfatização

A introdução destaca a importância do revestimento de superfícies metálicas para melhorar o aspecto estético, a resistência à corrosão e a aderência de tintas, prolongando a vida útil dos materiais. A engenharia busca constantemente novos métodos de revestimento mais eficazes e menos nocivos à saúde humana. A fosfatização, embora seja um pré-tratamento amplamente utilizado devido à sua eficácia como revestimento protetor e base para pintura, apresenta a desvantagem de deixar resíduos perigosos no ambiente. A pesquisa se concentra na avaliação de uma alternativa: o uso de camadas de conversão a base de ácidos, como os ácidos de zircônio ou titânio (nanocerâmicos), como um método de pré-tratamento mais sustentável. A principal comparação será feita em relação à resistência à corrosão que cada revestimento confere ao aço, além do seu comportamento em relação à pintura. A adoção de novas tecnologias, como os nanocerâmicos, representa um desafio logístico para as indústrias, além da necessidade de mais pesquisas para detalhar sua aplicação. A questão ambiental é um ponto crucial, uma vez que a fosfatização e, principalmente, a cromatização (altamente cancerígena), geram resíduos perigosos. Os revestimentos orgânicos (tintas, vernizes e polímeros oxidáveis) dependem muito da qualidade do pré-tratamento da superfície metálica, sendo os processos à base de fosfato amplamente utilizados por gerar uma excelente interface metal-tinta. No entanto, o desenvolvimento de processos mais amigáveis ao meio ambiente é impulsionado pelas preocupações com a geração de lodo na fosfatização e a alta concentração de fosfatos nos efluentes, que podem causar eutrofização das águas.

A revisão bibliográfica aborda o pré-tratamento de superfícies metálicas como método para inibir a corrosão, um processo de deterioração de materiais por ação química ou eletroquímica do meio ambiente. Os custos associados à corrosão são significativos, podendo alcançar até 5% do PIB de um país. A seção detalha a fosfatização, um tratamento de conversão que transforma um metal em um óxido, hidróxido ou sal através de reações eletroquímicas, resultando em um fosfato insolúvel depositado na superfície, alterando suas propriedades superficiais. A fosfatização serve como camada intermediária entre o substrato e a pintura, oferecendo excelente aderência e resistência à corrosão. São apresentados diferentes tipos de fosfatização, como o fosfato não-cristalino (baixo teor de ferro), com baixo custo e boa aderência, mas com desempenho inferior em termos de proteção por barreira em comparação com o fosfato de zinco ou tricatiônico. A geração de lama no processo de fosfatização é um problema ambiental, impulsionando o desenvolvimento de pré-tratamentos mais limpos. Apesar de sua eficácia e boa aderência, a geração de lama no processo de fosfatização força a busca por alternativas. O estudo também discute os nanocerâmicos, uma camada nanoestruturada sobre o substrato metálico, isenta de metais pesados e componentes orgânicos. A formação de uma fina camada de óxido sobre a superfície do metal confere proteção, sendo ambientalmente amigável devido à ausência de metais pesados e lodos. O processo de aplicação de nanocerâmicos é descrito como mais simples que a fosfatização, sem a necessidade de passivação. Estudos mostram um comportamento diferenciado do revestimento nanocerâmico, com a solução ácida de conversão atacando a superfície do metal. Camadas de conversão à base de ácido hexafluorzircônio ou hexafluorzircônio/titânio mostram desempenho similar contra corrosão.

A metodologia iniciou com a preparação de corpos de prova a partir de barras de aço SAE 8620. As barras foram cortadas e furadas para posterior inserção em gancheiras, utilizadas na etapa de pintura. Em seguida, as peças foram submetidas a um processo de jateamento com granalha de aço, visando remover a carepa de laminação e garantir uma superfície limpa e uniforme para a aplicação dos tratamentos. Este processo de preparação foi fundamental para garantir a uniformidade e comparabilidade dos resultados dos ensaios subsequentes. A escolha do aço SAE 8620 foi crucial para o estudo, visto que suas propriedades garantem a fidelidade dos resultados obtidos na análise da resistência à corrosão, uma vez que ele é comumente utilizado em diversas aplicações industriais. A padronização do tamanho e forma dos corpos-de-prova foi feita para garantir a repetibilidade e confiabilidade dos dados experimentais, eliminando variáveis indesejadas. A preparação dos corpos-de-prova envolveu, portanto, etapas cruciais para a qualidade da pesquisa, asseguradas por meio de métodos consagrados para remoção de impurezas superficiais e padronização da geometria das amostras. O processo foi cuidadosamente executado visando minimizar a influência de variáveis que não o pré-tratamento e a pintura em si.

Dois tipos de pré-tratamento foram aplicados nos corpos de prova: fosfatização e revestimento com nanocerâmicos. As peças fosfatizadas seguiram o processo da empresa colaboradora, envolvendo uma linha de produção com monovia e gancheiras. O processo incluiu desengraxe e revestimento com um produto comercial combinando as funções de desengraxe e fosfatização, seguido de enxágue e aplicação de um passivador à base de ácido hexafluorzircônio. A composição química do desengraxante/fosfatizante e do passivador pode ser vista na Tabela 3. É importante notar que o desengraxante, ao estar misturado com o fosfato, não apresentou um pH alcalino, o ideal para remoção eficiente de óleos e graxas, um ponto a considerar em pesquisas futuras. Após a fosfatização, as peças foram pintadas com tinta primer epóxi cinza claro, passando por estufas de polimerização a 90°C e sendo embaladas em papel VCI para proteção até os ensaios. Para o revestimento com nanocerâmicos, o processo foi realizado em laboratório, iniciando com desengraxe alcalino por imersão a aproximadamente 60°C, seguido de lavagens com água deionizada e imersão no banho nanocerâmico, finalizando com mais uma lavagem com água deionizada. A Tabela 4 detalha os estágios de preparação do revestimento nanocerâmico. As peças revestidas com nanocerâmicos também foram pintadas com a mesma tinta epóxi e embaladas em papel VCI.

Diversos ensaios foram realizados para avaliar a eficácia dos pré-tratamentos. O ensaio em névoa salina (salt spray), segundo as normas NBR 8094 e ASTM B 117 (detalhes na Tabela 5), simulou um ambiente corrosivo marinho, com pulverização de solução salina de NaCl 5% por 16 dias (384 horas) em corpos de prova fosfatizados e com revestimento nanocerâmico, ambos pintados. O equipamento usado foi o modelo UK-MP01/2005-S da BASS. Foram analisados o grau de enferrujamento, empolamento (tamanho e densidade de bolhas) e migração subcutânea. O ensaio em câmara úmida, conforme as normas NBR 8095 e ISO 6270-2 (Tabela 7), simulou um ambiente urbano, avaliando também o grau de enferrujamento e empolamento. A espessura da camada de tinta foi medida usando um aparelho Dualscope Fischer, por meio de indução magnética, método não-destrutivo para aço. Ensaios eletroquímicos, utilizando um potenciostato Autolab PGSTAT 302 e eletrodos de referência Ag/AgCl e contra-eletrodo de platina, foram conduzidos em amostras sem pintura, em solução de NaCl 0,1M. Esses ensaios incluíram medições de potencial de circuito aberto (OCP) em função do tempo e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE) com 10 mV de perturbação, varrendo frequências de 100 kHz a 10 Hz, para diferentes tempos de imersão. Os ensaios de aderência foram realizados conforme a norma NBR 11003/90 (Tabela 8) para avaliar a união entre a tinta e o pré-tratamento.

A análise da espessura da camada de tinta foi realizada em 14 corpos de prova (7 fosfatizados e 7 com revestimento nanocerâmico), utilizando um aparelho Dualscope Fischer por indução magnética. Foram realizadas 5 medições por corpo de prova para obter uma média confiável. Os resultados, apresentados na Tabela 9, mostram as espessuras obtidas para cada grupo de amostras utilizadas nos diferentes ensaios (névoa salina, câmara úmida e aderência). A uniformidade da espessura da camada de tinta foi um fator importante na análise da resistência à corrosão, já que uma espessura insuficiente poderia comprometer a proteção oferecida pelos pré-tratamentos. A técnica de medição utilizada foi escolhida por ser não-destrutiva, permitindo a utilização das mesmas amostras em outros ensaios. A medição precisa da espessura da camada de tinta é essencial para comparar o desempenho dos dois tipos de pré-tratamento, uma vez que variações na espessura podem afetar a resistência à corrosão. A padronização do processo de pintura foi fundamental para garantir resultados comparáveis entre as amostras fosfatizadas e as revestidas com nanocerâmicos, contribuindo para a validade dos resultados do estudo.

Os ensaios de névoa salina (16 dias/384 horas) e câmara úmida avaliaram o desempenho dos pré-tratamentos em ambientes simulando condições marinhas e urbanas, respectivamente. Nos ensaios de névoa salina, a fosfatização apresentou melhores resultados em relação ao grau de enferrujamento (Tabela 10) em um período de 168 horas, enquanto o empolamento (tamanho e densidade de bolhas) foi similar nos dois tipos de pré-tratamento. A análise de migração subcutânea (Tabela 11), porém, mostrou resultados mais satisfatórios para o revestimento nanocerâmico, indicando uma proteção mais eficaz contra a penetração da corrosão no substrato. A análise da migração subcutânea é crucial para avaliar o desempenho a longo prazo dos pré-tratamentos, uma vez que a proteção superficial pode ser comprometida com o tempo. Já no ensaio de câmara úmida (Tabela 12), os resultados do grau de enferrujamento e empolamento foram analisados após 336 horas. A análise da migração subcutânea, mesmo após 384 horas de ensaio em câmara úmida, não indicou avanço significativo da corrosão ao redor do corte, mostrando boa performance do nanocerâmico. A comparação dos resultados em ambos os ensaios permite uma avaliação mais completa da resistência à corrosão em diferentes ambientes.

O ensaio de aderência (Tabela 13) mostrou resultados excelentes para ambos os pré-tratamentos, com classificação GR0 indicando ausência de descolamento da tinta após a remoção da fita adesiva. Isso demonstra boa compatibilidade entre os pré-tratamentos e a tinta epóxi utilizada. Embora a aderência tenha sido similar, os resultados sugeriram uma diferença no desempenho entre os métodos. Os ensaios eletroquímicos, realizados em amostras sem pintura (duas fosfatizadas, duas com nanocerâmicos e duas sem pré-tratamento - 'branco'), avaliaram as propriedades de barreira dos revestimentos. A análise do potencial de circuito aberto (OCP) (Figura 24) mostrou que as amostras com nanocerâmicos (exceto uma com possível falha de revestimento) apresentaram uma queda de potencial mais lenta que as fosfatizadas, indicando maior resistência à corrosão em longo prazo. A espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE) (Figuras 26 e 27) confirmou essa tendência, mostrando que a barreira formada pelos nanocerâmicos é mais eficaz em longo prazo (24 e 48 horas), embora a fosfatização tenha apresentado melhor proteção nas primeiras 2 horas. A diferença de comportamento entre os pré-tratamentos em diferentes tempos de imersão sugere mecanismos de proteção distintos, com a barreira de fosfato sendo mais suscetível à degradação com o passar do tempo.

A conclusão principal do estudo sobre a resistência à corrosão de revestimentos de fosfato e nanocerâmicos em aço SAE 8620 indica que, em ensaios acelerados de névoa salina com duração de 168 horas, a fosfatização apresentou melhor desempenho no que diz respeito ao grau de enferrujamento. No entanto, a análise do empolamento (tamanho e densidade de bolhas) mostrou resultados similares para ambos os pré-tratamentos. Esse dado corrobora com estudos na literatura que apontam para limitações dos nanocerâmicos em ambientes salinos. Em contraponto, a análise da migração subcutânea após o ensaio de névoa salina revela um desempenho superior do revestimento nanocerâmico, sugerindo maior proteção contra a penetração da corrosão no substrato. Os testes em câmara úmida, que simulam um ambiente urbano, corroboram parcialmente com as observações da névoa salina, mostrando resultados similares em relação ao empolamento e demonstrando que mesmo em longo prazo (336h), não houve avanço significativo da corrosão ao redor do corte na análise de migração subcutânea para os corpos de prova com revestimento nanocerâmico. A divergência entre o grau de enferrujamento e a migração subcutânea reforça a complexidade da análise da proteção contra corrosão.

Os ensaios de aderência indicaram excelente desempenho para ambos os pré-tratamentos (fosfatização e nanocerâmicos), com classificação GR0, mostrando ausência de descolamento da tinta. Apesar da boa aderência em ambos os casos, observa-se uma discrepância entre os resultados dos testes de aderência e os resultados dos testes de corrosão, sugerindo que a aderência não é o único fator determinante na resistência à corrosão. Os ensaios eletroquímicos, realizados sem pintura, oferecem insights complementares. A análise do potencial de circuito aberto (OCP) revela que, embora a fosfatização apresente melhor desempenho inicial, os nanocerâmicos demonstram maior resistência à corrosão em longo prazo, confirmada pela espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE). A observação de resultados distintos entre as amostras de nanocerâmicos (uma apresentando queda acentuada de potencial) aponta para a necessidade de melhorias no processo de aplicação para garantir uniformidade e reprodutibilidade dos resultados. Essa irregularidade no revestimento, inerente a tratamentos de baixa espessura, pode ser minimizada com uma sistemática mais eficiente de deposição.

Considerando os resultados obtidos, a conclusão final do estudo aponta para os nanocerâmicos como uma alternativa promissora para pré-tratamentos de superfícies metálicas, especialmente considerando o aspecto ambiental. Embora a fosfatização demonstre superioridade em curto prazo em certos aspectos, a maior resistência à corrosão a longo prazo observada nos nanocerâmicos, aliada à ausência de resíduos perigosos, torna-os uma opção mais sustentável. A inconsistência observada no desempenho de algumas amostras de nanocerâmicos ressalta a importância de otimizar o processo de deposição, buscando garantir a uniformidade do revestimento e, consequentemente, a reprodutibilidade dos resultados. Pesquisas futuras devem focar na melhoria da uniformidade da aplicação dos nanocerâmicos, buscando superar as limitações observadas em ambientes com alta concentração de sais. O estudo abre caminho para o desenvolvimento de tecnologias mais limpas e sustentáveis na indústria, em linha com as preocupações crescentes com a preservação ambiental e a saúde humana.