O que é oxidação por microarco e como funciona?

A demanda por materiais leves e resistentes à corrosão, como ligas de alumínio e titânio, está em constante crescimento nas indústrias aeroespacial, automotiva e eletrônica. No entanto, a baixa resistência à corrosão e a maleabilidade inerente desses materiais frequentemente limitam seu desempenho em ambientes agressivos. Para superar essas limitações, técnicas avançadas de modificação de superfície são essenciais. Este artigo abordará a oxidação por microarco, um processo que aprimora as propriedades superficiais desses metais leves cruciais.

Visão geral da oxidação por microarco

A oxidação por microarco (MAO) é um processo avançado de tratamento eletroquímico de superfície. É utilizada para formar um filme cerâmico robusto com espessura específica em metais não ferrosos e suas ligas, como alumínio, magnésio e titânio. Isso é obtido permitindo que o metal reaja com solutos em um eletrólito sob parâmetros elétricos adequados.

Quando aplicada ao alumínio e suas ligas , a tecnologia produz um filme cerâmico composto principalmente de Al₂O₃. Esse revestimento apresenta excelente resistência ao desgaste e à corrosão. Além disso, suas propriedades de desempenho e cor podem ser personalizadas ajustando-se os parâmetros elétricos e a composição química do eletrólito.

Particularidades

A aplicação da oxidação por microarco para o endurecimento superficial do alumínio e suas ligas oferece vantagens industriais significativas, incluindo um processo simples, tamanho reduzido, alta capacidade de processamento, alta eficiência de produção e adequação para fabricação industrial em larga escala.

Do ponto de vista ambiental, os eletrólitos MAO não contêm substâncias tóxicas nem metais pesados. Apresentam alta resistência à contaminação e elevadas taxas de recuperação/reutilização, resultando em mínima poluição ambiental. Isso está em consonância com os requisitos para uma produção limpa e de alta qualidade e com as estratégias de desenvolvimento sustentável.

A película cerâmica formada sobre o substrato de alumínio após o tratamento MAO oferece desempenho superior, como:

• Alta dureza: Até 1200 HV (Dureza Vickers).
• Forte resistência à corrosão: Comprovado pelos resultados do teste CASS (Copper-Acetic Acid Salt Spray) que ultrapassaram 480 horas.
• Excelente isolamento: Resistência da película superior a 100 mΩ.
• Forte adesão: Excelente aderência entre a película e o metal base.
• Boa performance: Apresenta boa resistência ao desgaste e ao choque térmico.

A tabela abaixo ilustra claramente o desempenho superior da oxidação por microarco em comparação com a anodização convencional :

A oxidação por microarco oferece grande capacidade e versatilidade de processo. Diferentes características de filme podem ser obtidas ajustando os parâmetros do processo para atender a diversas necessidades. Além disso, o revestimento pode receber características específicas ou cores diferentes alterando ou regulando a composição do eletrólito. Também é possível submeter a mesma peça de trabalho a múltiplos tratamentos de oxidação por microarco utilizando diferentes eletrólitos para produzir filmes de óxido cerâmico multicamadas com propriedades distintas.

Aplicação da oxidação por microarco

Devido às vantagens e características superiores descritas acima, a tecnologia MAO possui uma gama extremamente ampla de aplicações em diversos setores industriais, como máquinas, têxteis, eletrônica, aeroespacial e construção civil.

Suas principais aplicações incluem o endurecimento superficial de componentes à base de alumínio que exigem alto desempenho em resistência ao desgaste, resistência à corrosão, resistência ao choque térmico e alto isolamento elétrico.

A oxidação por microarco também é extremamente valiosa para o tratamento superficial de materiais à base de alumínio utilizados nas indústrias da construção civil e industrial, onde o apelo estético, a resistência ao desgaste e a resistência a diferentes tipos de corrosão são cruciais. Além disso, pode ser utilizada para fortalecer ligas especiais à base de alumínio que não podem ser tratadas eficazmente pela anodização convencional.

Exemplos de Aplicações:

• Automotivo: Pistões, sedes de pistão, blocos de cilindros e outros componentes à base de alumínio.
• Indústria Química e de Máquinas: Diversos moldes de alumínio e paredes internas de tanques/recipientes de alumínio.
• Aeroespacial: Diversos componentes de alumínio, como pisos de compartimentos de carga, roletes e trilhos-guia.
• Indústria de bens de consumo: Diversos produtos de ferragens à base de alumínio, equipamentos de ginástica, etc.

Mecanismo de oxidação por microarco

A oxidação por microarco evoluiu a partir do processo de anodização convencional, e seu mecanismo é consideravelmente complexo.

A anodização tradicional opera na região de Faraday. À medida que o potencial no ânodo metálico aumenta, a corrente também aumenta. Quando a voltagem atinge um nível suficientemente alto, o processo entra na região de descarga elétrica por faísca, onde fenômenos como corona, luminescência e descarga por faísca aparecem na superfície do metal. Enquanto a descarga luminescente é um processo de baixa temperatura que afeta minimamente a estrutura da película de óxido, a região de descarga por faísca envolve descargas de plasma de alta temperatura e alta pressão em microáreas. Essa temperatura extremamente alta não só altera a estrutura da película de óxido, como também o faz sem causar danos destrutivos ao substrato de liga de alumínio.

Tomando o alumínio como exemplo, a película de óxido anódico consiste inicialmente principalmente de Al₂O₃ amorfo, Al₂O₃ e AlOOH. Sob a influência de uma descarga de plasma de alta temperatura e alta pressão em microáreas, a película de óxido anódico de alumínio sofre um processo de transformação de fase e cristalização, convertendo-se em γ-Al₂O₃ e α-Al₂O₃. Isso resulta na formação de uma película de óxido cerâmico de microarco com alta dureza (até 2000 HV ou mais) e excelente resistência à corrosão.

Processo de oxidação por microarco

O processo de oxidação por microarco para alumínio e suas ligas envolve principalmente 3 etapas: pré-tratamento do substrato de alumínio, o próprio processo de oxidação por microarco e pós-tratamento.

O fluxo geral do processo é o seguinte:

Pré-tratamento

As ligas de alumínio oxidam-se facilmente quando expostas ao ar por períodos prolongados, formando uma película passiva fina (com alguns micrômetros de espessura). Além disso, a superfície absorve facilmente impurezas do ambiente circundante, criando uma camada de adsorção superficial. Para garantir que a película cerâmica final atinja propriedades mecânicas ótimas, um pré-tratamento de desengorduramento da superfície da amostra é essencial antes do processo de oxidação anódica por micro-ondas (MAO).

Oxidação por Micro-Arco

A configuração básica do equipamento para MAO é bastante semelhante à da anodização convencional, consistindo em um tanque de oxidação, uma fonte de alimentação e um sistema de resfriamento e agitação da solução.

• Tanque de oxidação: Normalmente são soldadas em aço inoxidável e revestidas externamente com placas de plástico.
• Fonte de energia: Ao contrário das fontes de alimentação CC, CA ou pulsadas típicas usadas na anodização convencional, a MAO requer uma tensão mais alta (400-600 V). Uma fonte de alimentação CA dedicada, geralmente com uma relação positiva/negativa específica, é frequentemente utilizada. Como o filme em formação apresenta características de diodo, a diferença de resistência entre as direções direta e reversa é significativa. Aplicar a mesma tensão positiva e negativa pode resultar em uma corrente negativa excessivamente alta, potencialmente danificando a fonte de alimentação e dificultando a formação do filme de Al₂O₃. Portanto, as fontes de alimentação dedicadas à MAO geralmente utilizam dois conjuntos independentes de fontes de alimentação para as direções positiva e negativa, o que aumenta a complexidade do projeto da unidade de alimentação.
• Resfriamento e agitação: O sistema de resfriamento e agitação da solução eletrolítica é crucial. A alta tensão e a grande corrente (400–600 V) geram calor significativo devido à descarga de arco e à decomposição térmica da água. Se esse calor não for removido rapidamente, a temperatura do banho aumentará, afetando negativamente o desempenho do filme MAO. Isso geralmente é controlado usando um sistema de circulação externa com um trocador de calor.

As composições de eletrólitos para oxidação por microarco são relativamente simples e podem ser classificadas de forma geral com base em sua acidez:

• Eletrólitos ácidos: Historicamente, o H2SO4 concentrado tem sido usado a cerca de 500 V CC para produzir filmes cerâmicos. Eletrólitos de ácido fosfórico seguidos de selagem com cromato também podem produzir filmes mais espessos. A adição de sais contendo flúor a esses eletrólitos pode produzir revestimentos cerâmicos de alumina com resistência e dureza moderadas, mas com excelente adesão, resistência à corrosão, isolamento elétrico e condutividade térmica.
• Eletrólitos alcalinos: Os métodos de oxidação alcalina são geralmente mais ecológicos, pois os íons metálicos gerados no ânodo podem ser reutilizados. Além disso, a incorporação de outros íons metálicos do eletrólito no filme permite o ajuste da sua microestrutura, conferindo-lhe novas propriedades.

Fatores que afetam a oxidação por microarco

Embora a MAO seja relativamente tolerante ao estado de pré-tratamento da peça de trabalho, parâmetros operacionais essenciais impactam significativamente a qualidade final do filme: tensão, densidade de corrente, concentração do eletrólito e temperatura do eletrólito.

Composição eletrolítica

A composição do eletrólito MAO é a chave técnica para a obtenção de um filme de qualidade. Diferentes composições de eletrólito e parâmetros de processo resultam em revestimentos com propriedades distintas. Os eletrólitos MAO normalmente consistem em soluções salinas alcalinas contendo óxidos metálicos ou não metálicos específicos (como silicatos, fosfatos ou boratos), idealmente presentes em estado coloidal.

A oxidação por microarco pode ser realizada tanto em eletrólitos ácidos quanto alcalinos, mas eletrólitos fracamente alcalinos (pH 9-13) são comumente usados ​​atualmente.

• Concentração: Com a mesma voltagem MAO, uma concentração de eletrólito mais alta geralmente leva a uma taxa de formação de filme mais rápida e a um aumento mais lento da temperatura do filme. Por outro lado, uma concentração mais baixa retarda a formação do filme e faz com que a temperatura da solução suba mais rapidamente.
• composição: O tipo e a composição do eletrólito afetam criticamente a camada cerâmica MAO. A taxa de crescimento, a estrutura, a composição e a distribuição elementar da camada cerâmica variam dependendo do eletrólito utilizado.

Densidade de corrente e tensão de oxidação

A densidade de corrente e a tensão de operação afetam significativamente o crescimento e o desempenho da camada cerâmica MAO, influenciando sua espessura, dureza e capacidades de proteção.

• Densidade atual: Este é um dos parâmetros críticos que afetam a luminosidade, a taxa de crescimento e o desempenho da camada cerâmica MAO. Dentro de uma determinada faixa, o aumento da densidade de corrente normalmente aumenta a espessura da camada cerâmica e, linearmente, sua dureza. No entanto, existe um limite máximo; ultrapassar esse valor pode causar danos por queimadura durante o crescimento da camada cerâmica, resultando em uma superfície rugosa e um rápido aumento no consumo de energia.
• Tensão de oxidação: O controle preciso da tensão de oxidação é igualmente vital para a obtenção de um filme de qualidade. Diferentes substratos de alumínio e eletrólitos apresentam diferentes tensões de ruptura dielétrica para descarga de microarco. A tensão de oxidação anódica por microarco (MAO) é geralmente controlada para ser dezenas a centenas de volts superior à tensão de ruptura. A variação da tensão de oxidação altera o desempenho, a morfologia da superfície e a espessura do filme cerâmico resultante. Dependendo das propriedades desejadas para o filme e das condições do processo, a tensão de MAO pode variar de 200 a 600 V.

Temperatura e agitação

Ao contrário da anodização convencional de alumínio, o processo MAO permite uma faixa mais ampla de temperaturas do eletrólito, de 10 a 90 °C. Uma temperatura mais alta acelera a formação do filme devido à vaporização de água mais intensa na interface peça/solução, mas também aumenta a rugosidade da superfície e a evaporação do eletrólito. Portanto, a temperatura do eletrólito no processo MAO é normalmente mantida na faixa de 20 a 60 °C.

Como a maior parte da energia no processo MAO é liberada na forma de calor, a temperatura da solução oxidante aumenta mais rapidamente do que na anodização convencional. Consequentemente, um sistema de troca de calor/refrigeração de grande capacidade é necessário para controlar a temperatura do banho durante o processo MAO.

Tempo de oxidação

O tempo de oxidação é geralmente controlado entre 10 e 60 minutos.

• Impacto do Tempo: Tempos de oxidação mais longos geralmente levam a uma melhor compactação do filme, mas também a uma maior rugosidade da superfície.
• Evolução ao longo do tempo: Com o aumento do tempo de oxidação, o tamanho médio dos poros na superfície do filme aumenta gradualmente, o número de microporos diminui, a taxa de crescimento do filme desacelera e a espessura do filme aumenta. A dureza superficial média primeiro aumenta e depois diminui. Enquanto o coeficiente de atrito da camada cerâmica MAO permanece praticamente inalterado, a vida útil ao desgaste é significativamente melhorada. O potencial de corrosão aumenta gradualmente e a corrente de corrosão primeiro diminui e depois aumenta.

Sobre a Getzshape

Quando seu projeto em alumínio ou titânio exige um tratamento de endurecimento superficial aprimorado, a oxidação por microarco é uma excelente opção. A Getzshape oferece serviços especializados de oxidação por microarco e anodização tipo II e III para peças complexas de alumínio. Entre em contato conosco para discutir seu próximo projeto de alta precisão.