O que é fosfatização?
A fosfatização é uma tratamento de superfície Nesse processo, um material entra em contato com uma solução fosfatante, formando um revestimento de fosfato na superfície do metal por meio de reações químicas e eletroquímicas. O revestimento de fosfato consiste em uma série de cristais insolúveis em água de diferentes tamanhos. Estruturas porosas finas se formam nas junções entre esses cristais. Essa estrutura cristalina porosa melhora a capacidade de adsorção superficial, a resistência à corrosão, a redução do atrito, as propriedades antidesgaste e a resistência ao desgaste da peça.
A fosfatização pode ser aplicada a materiais como aço, ferro fundido, alumínio, zinco, magnésio e suas ligas.
A fosfatização de superfícies metálicas serve principalmente a dois propósitos.
- A primeira função é servir como camada base para pintura ou revestimento, melhorando assim a aderência do revestimento e a qualidade do acabamento da superfície.
- O segundo objetivo é melhorar e aprimorar as propriedades funcionais da superfície metálica, como o aumento do isolamento elétrico, da lubrificação, da redução do atrito, da resistência à corrosão e da resistência ao desgaste. Para muitos componentes mecânicos e fixadores, o propósito da fosfatização é melhorar a funcionalidade da superfície, especialmente a resistência à corrosão e o desempenho antidesaderente.
Tipos de Fosfatização
Na maioria dos casos, um processo de tratamento de superfície produz apenas uma aparência ou cor característica. No entanto, os tratamentos de fosfatização podem produzir cores diferentes, dependendo dos produtos químicos de fosfatização específicos utilizados e da aplicação pretendida. Como resultado, as superfícies fosfatizadas são comumente encontradas com acabamentos cinza, iridescentes ou pretos.
Fosfatização de Ferro
Após o tratamento, a fosfatização à base de ferro produz uma aparência iridescente ou azulada semelhante a um arco-íris, razão pela qual é frequentemente chamada de fosfatização colorida.
A solução de fosfatização é baseada principalmente em compostos de molibdato e forma um revestimento fosfatado iridescente na superfície do aço. Esse tipo de fosfatização é usado principalmente como camada de pré-tratamento para pintura ou revestimento, melhorando a resistência à corrosão e aumentando a adesão entre o substrato e os revestimentos subsequentes.
Fosfatização de zinco
A fosfatização com zinco geralmente produz um revestimento de cor cinza e, portanto, é comumente chamada de fosfatização cinza ou fosfatização de película cinza.
A solução de fosfatização consiste principalmente em ácido fosfórico, fluoreto de sódio, emulsificantes e aditivos relacionados. Forma-se um revestimento fosfatado cinza na superfície da peça, que é utilizado principalmente como camada base para processos de acabamento subsequentes, como pintura a pó, pintura por pulverização e outros. revestimento eletroforético.
O próprio revestimento de fosfato cinza também proporciona um certo grau de resistência à corrosão. Portanto, ele pode ser usado independentemente como um revestimento anticorrosivo em superfícies de componentes. A fosfatização com zinco é comumente aplicada em chapas de aço galvanizado, chapas de aço laminadas a frio e chapas de alumínio.
Fosfatização de manganês
A fosfatização com manganês produz um acabamento superficial preto ou cinza escuro, sendo por isso também conhecida como fosfatização preta.
Este processo utiliza soluções de fosfatização contendo íons de manganês, que formam um revestimento preto de fosfato na superfície da peça. Dentre todos os tratamentos de fosfatização, a fosfatização com manganês oferece o melhor desempenho na prevenção da ferrugem. Pode servir como um tratamento anticorrosivo de longa duração para componentes mecânicos e é um dos processos de fosfatização protetora mais utilizados.
Em comparação com outros revestimentos de fosfatização, os revestimentos de fosfato de manganês apresentam um coeficiente de atrito menor. Portanto, a fosfatização preta é especialmente adequada para componentes sujeitos a atrito frequente ou contato deslizante, pois reduz eficazmente o desgaste e o atrito. As aplicações típicas incluem componentes automotivos, fixadores e diversas peças mecânicas móveis.
Solução de fosfatização
Dependendo do tipo de material e da finalidade da fosfatização, diferentes formulações de soluções fosfatizantes podem ser selecionadas. Os sistemas de fosfatização mais comuns incluem formulações à base de zinco, à base de zinco-manganês e à base de manganês. De acordo com a temperatura de operação, podem ser classificados como soluções fosfatizantes para temperatura ambiente, baixa temperatura (40–50 °C), temperatura média (60–80 °C) e alta temperatura (85–100 °C).
Para peças mecânicas e fixadores, a fosfatização tem como principal objetivo melhorar a funcionalidade da superfície. Portanto, sistemas de fosfatização de zinco-manganês e manganês, em temperaturas médias ou altas, são comumente utilizados. Atualmente, a maioria dos fabricantes de fosfatização utiliza soluções de fosfatização de zinco-manganês, que geralmente atendem aos requisitos industriais.
Tabela 1 Formulações de fosfatização de zinco
| Componente (g/L) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Sal de fosfato de manganês-ferro (Sal parkerizante) [xFe(H₂PO₄)₂·yMn(H₂PO₄)₂] | - | 30-45 | 30-35 | 30-40 | - | 30-35 |
| fosfato de di-hidrogênio de zinco [Zn(H₂PO₄)₂·2H₂O] | 30-40 | - | - | - | 30-40 | - |
| Nitrato de zinco [Zn(NO₃)₂·6H₂O] | 80-100 | 100-130 | 80-100 | - | 55-65 | 55-65 |
| Nitrato de manganês [50% Mn(NO₃)₂·6H₂O] | - | 20-30 | - | 15-25 | - | - |
| Nitrato de níquel [Ni(NO₃)₂·6H₂O] | - | - | - | - | - | - |
| Acidez livre AG (pontos) | 5.0-7.5 | 6-9 | 5-7 | 3.5-5.0 | 6-9 | 5-8 |
| Acidez total TA (pontos) | 60-80 | 85-100 | 50-70 | 35-50 | 40-58 | 40-60 |
| Temperatura (° C) | 60-70 | 55-70 | 60-70 | 94-98 | 90-95 | 90-98 |
Para produtos de grau nuclear, o tratamento com fosfato de manganês é especificamente exigido. As formulações recomendadas para fosfatização de manganês são apresentadas abaixo.
Tabela 2 Formulações de fosfatização de manganês
| Componente (g/L) | Formula 1 | Formula 2 |
|---|---|---|
| Fosfato de manganês [Mn(H₂PO₄)₂] | 20-30 | - |
| Ácido fosfórico (85% H₃PO₄) | 2-3 | - |
| Ácido nítrico (HNO₃) | 4-6 | - |
| Fluoroborato de sódio (NaBF₄) | 1 | - |
| EDTA | 0.6 | - |
| Sal de fosfato de manganês-ferro [xFe(H₂PO₄)₂·yMn(H₂PO₄)₂] | - | 30-40 |
| Nitrato de manganês [50% Mn(NO₃)₂·6H₂O] | - | 15-25 |
| FA (pontos) | 3-5 | 3.5-5 |
| TA (pontos) | 35-45 | 35-50 |
| Temperatura (° C) | 75-80 | 94-98 |
Principais componentes em soluções de fosfatização
(1) Di-hidrogenofosfato de zinco [Zn(H₂PO₄)₂·2H₂O]
O di-hidrogenofosfato de zinco é um excelente sal básico para sistemas de fosfatização de zinco-manganês. Sua principal vantagem é a rápida formação de filme, embora a concentração deva ser controlada adequadamente. O aumento de sua concentração também aumenta a acidez da solução de fosfatização.
(2) Sal de Parkerização [xFe(H₂PO₄)·yMn(H₂PO₄)₂]
Também conhecido como sal de fosfato de ferro-manganês, o sal parkerizante promove fosfatização rápida, forte resistência à corrosão, formação uniforme de cristais e boa aparência do revestimento. No entanto, o uso prolongado pode causar envelhecimento da solução, durante o qual os íons Mn²⁺ oxidam-se a Mn⁷⁺, reduzindo a qualidade da fosfatização.
(3) Nitrato de manganês [Mn(NO₃)₂·6H₂O]
O nitrato de manganês fornece principalmente íons Mn²⁺ ao banho de fosfatização. É frequentemente usado em conjunto com o sal de fosfatização para aumentar a velocidade da reação de fosfatização, reduzir a temperatura de tratamento e melhorar a estabilidade do revestimento.
(4) Nitrato de níquel [Ni(NO₃)₂·6H₂O]
O níquel promove a formação de núcleos de cristais de fosfato de níquel nas superfícies de aço, acelerando a formação da película de fosfato. Ele também refina e homogeneiza a estrutura do revestimento, melhorando a resistência à corrosão e a aparência da superfície.
(5) Nitrato de zinco [Zn(NO₃)₂·6H₂O]
O nitrato de zinco atua principalmente como acelerador de fosfatização, fornecendo íons Zn²⁺ e NO₃⁻. Ele aumenta a velocidade de fosfatização, refina a estrutura cristalina, melhora a resistência à corrosão e estabiliza o banho de fosfatização. No entanto, sua concentração deve ser rigorosamente controlada.
Processos de fosfatização
O processo de fosfatização funcional para materiais de aço geralmente inclui as seguintes etapas:
Desengorduramento químico → Enxágue com água → (Decapagem) → Enxágue com água → Condicionamento de superfície → Fosfatização → Enxágue com água → (Passivação) → (Sabão) → Enxágue com água → (Enxágue com água deionizada) → Secagem → (Tratamento de desidrogenação) → Vedação com óleo
(*Os processos entre parênteses são opcionais.)
1. Desengorduramento químico
Antes da fosfatização, as superfícies das peças inevitavelmente contêm contaminantes de graxa e óleo. A contaminação por óleo aumenta a tensão superficial, inibe a formação da película de fosfato, reduz a resistência de adesão do revestimento e causa fosfatização não uniforme. Portanto, os óleos superficiais devem ser removidos antes da fosfatização para garantir a qualidade do revestimento.
Os métodos de desengorduramento são selecionados de acordo com a condição da superfície, o custo e os requisitos de tratamento de efluentes. Podem ser utilizados solventes orgânicos, desengordurantes ácidos e desengordurantes levemente alcalinos, sendo os desengordurantes levemente alcalinos os mais comuns.
2. Enxágue com água
Esta etapa remove os contaminantes residuais remanescentes do processo de desengorduramento e limpa a superfície da peça.
3. Decapagem
A decapagem é utilizada principalmente para remover a camada de óxido e a ferrugem das peças. Para superfícies usinadas isentas de óxido e ferrugem, esta etapa pode ser omitida. Para aplicações de alta qualidade, um tratamento de neutralização também pode ser necessário após a decapagem.
4. Enxágue com água
Esta etapa remove os resíduos remanescentes após a decapagem e limpa a superfície da peça.
5. Condicionamento de Superfície
O condicionamento de superfície refere-se à ativação da superfície da peça em uma solução contendo agentes condicionadores antes da fosfatização. Isso limpa ainda mais a superfície, aumenta a atividade superficial e forma inúmeros núcleos de cristal ultrafinos, refinando a formação de cristais de fosfato e melhorando a uniformidade, a densidade e a qualidade do revestimento.
Dependendo da formulação, os agentes condicionadores podem ser alcalinos, ácidos ou especialmente desenvolvidos para sistemas de fosfato de manganês. O condicionamento da superfície é obrigatório para produtos de grau nuclear.
6. Fosfatização
A fosfatização é a etapa mais fundamental e crítica do processo e, portanto, requer o mais rigoroso controle de qualidade.
A composição da solução de fosfatização deve ser rigorosamente controlada de acordo com os requisitos do processo. Após uso prolongado, a composição do banho pode se alterar devido ao envelhecimento e à formação de lodo. Nessa etapa, são necessárias análises químicas e ajustes na solução.
Alterações na composição do banho também se refletem em variações na acidez total (AT) e na acidez livre (AL). Portanto, o monitoramento da AT e da AL é um método eficaz para o controle do banho.
A temperatura do banho é outro fator crucial que afeta a qualidade da fosfatização. A temperatura influencia a taxa de formação do revestimento e a espessura da película.
- Temperaturas excessivamente altas aceleram as reações, grosseiramente a estrutura cristalina, aumentam a porosidade e reduzem a resistência à corrosão.
- Temperaturas excessivamente baixas retardam a formação do revestimento e reduzem sua espessura, dificultando o atendimento aos requisitos do processo.
7. Enxágue com água
Esta etapa remove resíduos da superfície fosfatizada. Para peças fosfatizadas de alta qualidade, deve-se usar água deionizada para evitar a formação de depósitos minerais no revestimento de fosfato.
8. Passivação
A passivação dissolve as regiões salientes do revestimento de fosfato, tornando a morfologia e o desempenho do revestimento mais uniformes. Também reduz a porosidade do revestimento, melhorando assim a resistência à corrosão e ao desgaste.
Formulações típicas de passivação:
Formula 1
- Na₂CO₃: 4–6 g/L
- Temperatura: 80-85 ° C
- Tempo de imersão: 5–10 min
Fórmula 2:
- CrO₃: 1–3 g/L
- Temperatura: 75-85 ° C
- Tempo de imersão: 8–12 min
Fórmula 3:
- K₂Cr₂O₇: 50–80 g/L
- pH: 2-4
- Temperatura: 60-80 ° C
- Tempo de imersão: 8–12 min
9. Tratamento com sabão
O processo de saponificação consiste em imergir a peça fosfatizada em uma solução de estearato de sódio (sabão). Ocorre uma reação de saponificação entre o revestimento de fosfato e o estearato de sódio, formando uma película de sabão que reduz a porosidade e melhora a resistência à corrosão.
Para peças fosfatizadas de uso geral, a lavagem com sabão pode substituir a passivação.
Formulações comuns de sabão
Fórmula 1:
- Sabão: 80–100 g/L
- Temperatura: 40-50 ° C
- Tempo de imersão: 10–20 min
Fórmula 2:
- Sabão: 6–8 g/L
- Temperatura: 80-90 ° C
- Tempo de imersão: 3–5 min
Após a imersão, a superfície deve ser seca antes do uso.
10. Secagem
O objetivo da secagem é remover a umidade da superfície da peça fosfatizada. Deve-se prestar atenção especial a furos e ranhuras onde a água residual pode causar corrosão.
Os métodos de secagem podem incluir secagem natural ou secagem em estufa, dependendo do tipo de revestimento e da geometria da peça.
11. Tratamento de Desidrogenação
Durante o processo de fosfatização, o hidrogênio é gerado. Inevitavelmente, alguns átomos de hidrogênio permanecem aprisionados na camada de fosfato. Esses átomos de hidrogênio residuais podem reduzir a resistência à corrosão e potencialmente causar fragilização por hidrogênio.
Embora a quantidade de hidrogênio residual seja relativamente pequena, ela pode reduzir a tenacidade do material, especialmente em materiais de alta resistência.
Portanto, materiais de alta resistência utilizados em componentes críticos devem ser submetidos a tratamento de desidrogenação após a fosfatização. Por exemplo, em produtos para energia nuclear, materiais com resistência à tração superior a 1450 MPa devem ser submetidos a tratamento térmico a 100 °C ± 5 °C por mais de 8 horas após a fosfatização.
12. Vedação de Óleo
A vedação com óleo consiste na imersão de peças fosfatizadas em óleo, de preferência óleo quente a 80–100 °C, durante 3–4 minutos. Isso forma uma película de óleo sobre toda a superfície, permitindo que o óleo penetre nos poros do revestimento de fosfato, melhorando significativamente a resistência à corrosão e a durabilidade a longo prazo.
Para componentes de energia nuclear, pode-se aplicar graxa lubrificante contendo dissulfeto de molibdênio (exceto em peças que entram em contato com fluidos do circuito primário) ou grafite para fornecer proteção de vedação.
Controle de Qualidade da Fosfatização
A inspeção da qualidade do revestimento fosfatado geralmente inclui testes de aparência, espessura do revestimento, resistência à corrosão e resistência ao desgaste.
Inspeção de aparência
A inspeção visual avalia a cor, a continuidade e a integridade do revestimento.
Sob um nível de iluminação de 500 lx (aproximadamente equivalente à iluminação na superfície de um componente localizado a 30 cm de uma lâmpada de 100 W), a inspeção visual deve confirmar que o revestimento de fosfato é uniforme, contínuo e isento de descontinuidades ou manchas.
Diferentes materiais e métodos de fosfatização podem produzir cores de revestimento diferentes. Se houver requisitos específicos de cor, a formulação de fosfatização deve ser selecionada adequadamente com antecedência.
Inspeção de espessura de revestimento
Para peças críticas, a espessura do revestimento de fosfato deve ser medida após o tratamento.
- Medidores de espessura magnéticos podem ser usados para materiais ferrosos.
- Métodos metalográficos de análise de seções transversais também podem ser utilizados.
Como os revestimentos de fosfato são finos e quebradiços, precauções devem ser tomadas durante a preparação da amostra para evitar o arredondamento das bordas ou a delaminação do revestimento.
Inspeção de Peso do Revestimento
Este teste mede a massa do revestimento por unidade de área superficial (g/m²).
A fórmula de cálculo é: W = [P1 – P2)/S]*10
Onde:
- ( W ) — massa de revestimento por unidade de área, g/m²
- (P1) — massa da amostra após fosfatação, mg
- (P2) — massa da amostra após a remoção do revestimento, mg
- ( S ) — área total da superfície da amostra, cm²
A espessura do revestimento também pode ser estimada aproximadamente a partir do peso do revestimento.
Tabela 3. Relação aproximada entre a espessura e o peso do revestimento.
| Espessura do revestimento (μm) | 1-2 | 2-4 | 4-6 | 6 |
|---|---|---|---|---|
| Peso do revestimento (g/m²) | 1-2 | 2.2-4.4 | 6-9 | 12 |
Teste de resistência à corrosão
A resistência à corrosão é avaliada principalmente utilizando meios corrosivos.
Teste de corrosão por cloreto de sódio
Após armazenamento em câmara de secagem por 48 horas, a amostra fosfatizada é imersa em uma solução de NaCl a 3% a 15–25°C por 1 hora. Após enxágue e secagem, nenhuma corrosão visível deve aparecer.
Teste de sulfato de cobre
De acordo com a norma GB/T 5936, a solução de sulfato de cobre é gotejada sobre a superfície do revestimento de fosfato. Não deve aparecer nenhum depósito de cobre vermelho dentro do tempo especificado.
Composição típica dos reagentes:
- CuSO₄: 5–8%
- Equilíbrio: água
Teste de pulverização de sal
De acordo com a norma GB/T 10125, os corpos de prova fosfatizados são expostos à névoa salina em uma câmara de corrosão. Nenhuma corrosão deve aparecer durante o período de teste especificado.
Teste de resistência ao desgaste
Os testes de resistência ao desgaste podem ser realizados de acordo com a norma GB/T 5932, utilizando métodos de fricção a úmido ou a seco.
Os métodos de inspeção específicos e os critérios de aceitação devem ser selecionados de acordo com os requisitos de aplicação da peça.
Planejamento de Processos para Fosfatização
Como a fosfatização é normalmente o processo final de fabricação, as seguintes condições devem ser satisfeitas antes do tratamento:
- Todos os processos de fabricação, incluindo soldagem e tratamento térmico, devem ser concluídos.
- Todas as inspeções e testes necessários devem ser concluídos e atender às especificações técnicas.
- O processo final de usinagem antes da fosfatização deve garantir que as dimensões, tolerâncias, geometria e rugosidade da superfície atendam aos requisitos do desenho. Para peças de alta precisão, deve-se considerar uma margem para o aumento da espessura do revestimento.
- Rigidez da superfície A fosfatização, antes do processo, afeta significativamente a qualidade do revestimento.
Em condições idênticas de fosfatização:
- Superfícies mais lisas são menos suscetíveis à corrosão no banho de fosfatização, resultando em uma formação de revestimento mais lenta, revestimentos mais finos, cor mais clara e estruturas mais densas.
- Superfícies mais rugosas tendem a formar revestimentos mais espessos e escuros, mas a uniformidade do revestimento diminui e a estrutura torna-se mais porosa.
Portanto, as especificações adequadas de rugosidade superficial devem ser cuidadosamente selecionadas de acordo com os requisitos da aplicação.
