A importância do revestimento nanocerâmico na indústria automotiva

Química e Derivados, A importância do revestimento nanocerâmico na indústria automotiva original (OEM)

A importância do revestimento nanocerâmico na indústria automotiva original (OEM)

Introdução:

Como é bem conhecido, o aço-carbono é extensivamente utilizado em diversas áreas da indústria, sendo a automotiva, umas das grandes usuárias deste tipo de material. Dentre suas características, pode-se mencionar seu custo competitivo e diversas propriedades mecânicas importantes para a fabricação de carrocerias. Sua baixa resistência à corrosão, no entanto, sem a proteção adequada, leva à rápida degradação. De maneira a melhorar sua proteção e a adesão das camadas seguintes de revestimentos orgânicos (eletroforese, primers e acabamentos), pré-tratamentos são aplicados ao aço-carbono, logo após a limpeza e desengraxe do mesmo. Camadas de conversão à base de fosfato têm sido amplamente utilizadas como um destes pré-tratamentos para aço-carbono automotivo, em particular o chamado fosfato tricatiônico (Zn, Mn e Ni).

Este tipo de revestimento, no entanto, apesar de suas ótimas propriedades, não é ecologicamente adequado. Nos últimos trinta anos, têm crescido a preocupação com relação aos seus custos energéticos, modos de descarte e impactos ambientais relacionados ao seu processo (NARAYANAN, 2005; LOSCH; KLUSMANN, 1994). As temperaturas dos banhos de fosfato normalmente operam acima da temperatura ambiente (30 a 50°C). Formam ainda muita lama ou lodo, causando muito trabalho e custos para se realizar adequadamente seu descarte (ADHIKARI et al., 2011; RAMANATHAN; BALASUBRAMANIAN, 2016). A presença ainda do elemento fósforo em sua formulação pode provocar a eutroficação de rios e lagos.

Consequentemente, novas alternativas têm sido estudas de modo a substituir o pré-tratamento a base de fosfato. Dentre elas, tem se destacado na última década um método promissor baseado em óxido de zircônio (ZrO2), aplicado por imersão em uma solução ácida de hexafluorzircônico (H2ZrF6). Este processo é conhecido normalmente como nanocerâmico (MOHAMMADLOO et al., 2014). O nanocerâmico hoje é muito utilizado pelos fabricantes de rodas de alumínio, um dos substrato mais beneficiados por essa tecnologia.

A aplicação do nanocerâmico é particularmente importante para adesão do primer pó sobre a liga de alumínio das rodas, evitando a utilização de promotores de adesão, como wash-primers ou similares. A utilização de nanocerâmico sobre aço-carbono automobilístico tem sido pouco estudada, principalmente a sua combinação com eletroforese catódico, que é primeiro revestimento orgânico aplicado logo após o pré-tratamento, nos casos deste substrato. Com base nessa premissa, o presente trabalho teve como objetivo estudar a influência de revestimentos nanocerâmicos depositados sobre aço-carbono e usá-los como superfície para primer de eletrodeposição catódica, voltado para o mercado automotivo original (OEM). Os testes mostraram que o nanocerâmico apresenta-se competitivo, frente ao atual método de fosfatização, podendo gerar, em um futuro próximo, grande economia energética e de insumos de produção, além de redução de impactos ambientais em grandes montadoras.

Breve descrição da tecnologia do nanocerâmico:

O revestimento nanocerâmico é obtido pela formação de uma densa e aderente camada de óxido que forma um filme protetor sobre o metal. Essa camada é resultado da utilização de metais na formação de óxidos do tipo cerâmico nanoestruturado. Dentre esses metais, destacam-se o zircônio e o titânio, sendo que o zircônio em particular tem se mostrado muito eficiente para proteger diversos substratos, incluindo o aço-carbono (RODRIGUES et al, 2013; DRONIOU, 2005). Estudos realizados por CEREZO et al (2013) mostraram que o mecanismo de formação dos revestimentos nanocerâmicos baseados em solução ácida de H2ZrF6 seguem basicamente as mesmas etapas, para diversos substratos metálicos. A reação genérica de formação da camada de conversão ZrO2 em solução ácida é descrita pela eq(1), a seguir:

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Testes realizados com alumínio, aço-carbono e aço galvanizado mostram mecanismos de formação similares. A primeira etapa consiste na dissolução química da camada de óxido na interface do metal pelos fluoretos livres no banho. A formação do revestimento nanocerâmico se inicia como um resultado no aumento do pH na interface metal/solução promovida pelas reações de evolução de hidrogênio e redução do oxigênio. Como a deposição é um processo eletroquimicamente conduzido, haverá diferenças na cinética de formação, dependendo do substrato. Dessa maneira, cada metal produzirá revestimentos de ZrO2 com morfologias e espessuras diferentes, conforme pode ser observado de modo esquemático na Figura 1 (CEREZO et al, 2013; CEREZO, 2015). Na Figura 2, têm-se fotos de MEV (microscópio eletrônico de varredura), também sobre diferentes substratos.

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Com base em algumas análises feitas com o uso de técnicas de EDX (espectroscopia dispersiva de raios-x) e XPS (espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-x), alguns autores realizaram um modelo de mecanismo de formação do nanocerâmico via solução ácida para o aço-carbono (RAMANATHAN; BALASUBRAMANIAN, 2016).

Segundo estes autores, a formação do revestimento nanocerâmico em aço-carbono segue as seguintes etapas:

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Segundo os autores, há evidências de competição do ZrF4 com o ZrO2 durante a deposição sobre outros metais. O maior tamanho das partículas de ZrF4 poderia dificultar a deposição do ZrO2. Por isso, o enxágue também é uma operação importante no final do processo, para ajudar na eliminação dessa eventual contaminação. Uma vez formada, a camada de nanocerâmico sobre aço-carbono terá uma morfologia como a ilustrada na Figura 3 (ADHIKARI et al, 2011).

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O revestimento nanocerâmico é produzido em um curto espaço de tempo, podendo alcançar em alguns casos, seu platô nos primeiros 20 ou 30 segundos e sua espessura pode ficar em torno de 50 nm (DRONIOU, 2005; ADHIKARI, et al., 2011). Demais condições de aplicação, tais como concentração da solução de ácido hexafluorzircônico, pH, tempo de imersão, temperatura do banho ou aditivos podem alterar significativamente as propriedades do revestimento. Todos estes parâmetros podem afetar tanto o tempo de formação do filme, como sua espessura e morfologias, influenciando inclusive em suas propriedades de proteção contra a corrosão e sua interação com outros revestimentos orgânicos (MOHAMMADLLO et al, 2014; ADHIKARI et al, 2011). Por isso, conhecer bem essas influências é de suma importância para que o banho produza revestimentos de qualidade e viabilidade comercial.

Descrição dos Ensaios e Resultados 

Como referência foi adotado um pré-tratamento convencional à base de fosfato tricatiônico, de mesma composição utilizada pelo mercado automotivo nacional. O revestimento nanocerâmico foi gerado por meio de uma solução de ácido hexafluorzircônico. Uma vez depositados, os pré-tratamentos foram revestidos com primer de eletrodeposição catódica (e-coat) de qualidade automotiva original e submetidos a testes de corrosão acelerados, como névoa salina (ASTM B117/TSH 2354) e teste de corrosão cíclica (TSH 1555G), todas normas de qualidade OEM (Original Equipment Manufacturer). Além dos testes de corrosão, também foram executados testes físicos de aderência e impacto (ASTM D 2794-93 e ASTMD 3359, respectivamente). Todos os testes apresentaram resultados dentro das especificações. Nas Figuras de 4 e 5 são mostrados os testes de corrosão. Na Figura 6 é descrito um resumo dos resultados de corrosão, em função das camadas de nanocerâmico depositadas sobre o aço-carbono.

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Outro aspecto avaliado foram os custos básicos envolvidos na utilização de um banho nanocerâmico e o de fosfatização do mercado. Os ensaios produzidos neste trabalho mostraram para o sistema estudado, excelentes resultados com a deposição de apenas 26,52 mg de Zr/m2. O mesmo nível de proteção para o fosfato dá-se com uma camada de 2,8 g de fosfato/m2. Considerando os custos apenas dos componentes químicos dos dois banhos, para formação das camadas de pré-tratamento, obtém-se uma economia entre 30% e 40% com o uso do nanocerâmico. Sem falar na economia energética, pois o nanocerâmico opera em temperaturas próximas da ambiente (25°C).

Conclusão:

Com base nestes aspectos e resultados obtidos, esta pesquisa mostra uma promissora possibilidade do uso de nanocerâmico em conjunto com o e-coat em montadoras automotivas. Novos testes podem ser conduzidos, combinando-se mais especificações OEM e alterações de processo no nanocerâmico. Isso é importante e é uma ótima forma para se compreender cada vez mais e aumentar o domínio sobre essa tecnologia. Espera-se, dessa forma, poder contribuir e incentivar mais trabalhos e novos desenvolvimentos com o tema nanocerâmico. As inovações trazidas por esta tecnologia nos campos econômico, ambiental e ocupacional devem ser mais exploradas para que estejam em um futuro próximo, presentes também em larga escala na indústria automotiva nacional.

Referências Bibliográficas:

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RODRIGUES, P.R.P.; OLIVEIRA, M.F.; BANCZEK, E.P.; CUNHA, M.T.; FRITZEN, A.F.; LAZARIN, A.G. Process for generating nanoceramics for treating metal surfaces using metal oxides and self-assembling molecules. Organização Mundial de Propriedade Intelectual – Patente WO 2013/091042 A1.; p.1-6, 2013.

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TSH2354G – Cathodic Electrodeposition Film, Class C1, p. 1-5, August, 2008


Autor:

Dr. Marcos Fernandes de Oliveira, professor (Pós-Graduação, Polímeros e Tintas – Faculdades Oswaldo Cruz).

Co-autores:

Esp. B.Sc. Fernando Tosti, químico e empresário (CTS – Coatings Tech Solutions)

Esp. B.Eng. Rodrigo Lima de Matos, engenheiro de processos (Maxion Wheels)

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