Estruturas metálicas e galvanização

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23/10/2013

Galvanização por Imersão a Quente

Galvanização por Imersão a Quente

Galvanização por Imersão a Quente - 1ª parte

Siderurgia Brasil — Edição 35

 

Conheça neste artigo as vantagens técnicas e econômicas do zinco entre os processos de proteção contra a corrosão.

 

A matéria-prima básica do processo de galvanização por imersão a quente é o zinco. Entre as propriedades físicas e químicas deste elemento, duas merecem destaque. A primeira é o ponto de fusão de 419,4°C, que é considerado baixo se comparado a outros metais como o alumínio e o ferro. Gasta-se menos energia na fusão do zinco, o que já representa uma economia a longo prazo nos processos atualmente em uso. Outra propriedade importante é a sua densidade, que é de 7,13 g/cm3, muito semelhante à do aço (liga de ferro e carbono).

 

O zinco produzido pela Votorantim Metais e utilizado para a galvanização possui 99,995% de pureza, é classificado mundialmente como zinco SHG (special high grade) e é registrado na Bolsa de Metais de Londres (LME – London Metal Exchange), seguindo a norma internacional britânica BS EN 1179.

 

Por que proteger o aço? A corrosão das peças e estruturas de aço gera a necessidade de manutenções ao longo do tempo e o aumento dos custos. Um estudo da empresa norte-americana CC Technologies, disponível no site www.corrosioncost.com, avaliou que de 1% a 5% do PIB dos países são consumidos pela corrosão. No Brasil, acredita-se que esse dado seja de 3,5% do PIB, o que representa cerca de US$ 50 bilhões. Com a utilização de técnicas atuais de proteção contra corrosão, poderiam ser economizados cerca de US$ 10 bilhões.

 

Existem quatro processos mais utilizados de proteção contra a corrosão do aço com a utilização de zinco e/ou ligas de zinco – a galvanização por imersão a quente (também conhecida popularmente como galvanização a fogo ou zincagem a quente, do inglês hot-dip galvanizing); a galvanização eletrolítica ou eletrodeposição; a aspersão térmica (metalização); e a pintura com tintas ricas em zinco.

 

Como o zinco protege o aço

 

O zinco protege o aço de três formas. Ele isola o aço do ambiente, o que é chamado de proteção por barreira. Além disso, na série eletrônica dos materiais, o zinco é um revestimento menos nobre que o ferro contido no aço. Quando o zinco entra em contato com o aço, ele se corrói, poupando seu par. Este mecanismo é chamado de proteção catódica. Esta proteção ocorre ainda em áreas onde o aço está exposto. O zinco ao redor de uma região não protegida começa a ser consumido para proteger o ferro e o aço. Os produtos de corrosão do zinco formam uma barreira que se adere à área da falha. Ou seja, ele é “auto-cicatrizante” para pequenas falhas.

 

Pela característica protetora do zinco sobre o aço, algumas substâncias encontradas no ambiente irão reagir com o zinco e formarão produtos de corrosão. O zinco em contato com a umidade do ar irá gerar hidróxido de zinco. Em contato com o dióxido de carbono (CO2) serão formados carbonatos de zinco. Quantidades de SO2 dispersas (chuva ácida) formarão compostos como o sulfato de zinco. Alguns compostos serão aderentes e insolúveis, como, por exemplo, o carbonato. Em regiões onde o pH é muito ácido, a taxa de consumo de zinco é maior, pois o produto de corrosão, neste caso sulfato de zinco (solúvel), é lixiviado pelas águas das chuvas. Com o cloreto acontece a mesma coisa. Nas regiões costeiras onde há muito cloreto suspenso na atmosfera, como Fortaleza (CE), a taxa de corrosão é maior.

 

O zinco tolera uma grande variação de pH. Em ambientes medianamente ácidos ou básicos, pode-se apenas utilizar a galvanização para proteger o aço. Em ambientes extremamente ácidos (pH abaixo de 5,0) é aconselhável a galvanização e posterior pintura com tintas altamente resistentes. Existem tintas específicas para pintura sobre a superfície galvanizada.

A taxa de corrosão do zinco é praticamente linear ao longo do tempo. Portanto, quanto maior for a espessura do revestimento de zinco na superfície, maior será a vida útil do produto em termos de corrosão. Na galvanização por imersão a quente onde a camada revestida é a mais espessa, atinge-se em média 80 µm.

 

A galvanização por imersão a quente

 

A galvanização por imersão a quente é um processo de revestimento de peças de aço ou ferro fundido de qualquer tamanho, peso, forma e complexidade, visando à sua proteção contra a corrosão. O processo é feito por imersão. Na prática, é importante saber onde a peça vai ficar exposta para avaliar a vida útil da mesma. Dependendo do ambiente, a corrosão do zinco é de 3% a 10% em relação ao aço nu, ou seja, sempre bem menor que a do aço.

 

O processo tradicional de galvanização a fogo é composto por oito etapas: Desengraxe, 1ª lavagem, decapagem, 2ª lavagem, fluxagem, secagem, imersão a quente e resfriamento.

 

1. Desengraxe: utilizado para a remoção dos materiais orgânicos, como graxas e óleos. O processo mais utilizado é feito em meio alcalino através de uma solução à base de detergentes e outros aditivos a quente;

 

2. Primeira lavagem: utilizada na retirada dos resíduos do desengraxe com o objetivo de não contaminar os banhos subseqüentes;

 

3. Decapagem: utilizada na retirada dos óxidos de ferro (corrosão propriamente dita, chamada popularmente de “ferrugem”) aderidos à superfície do aço. Utiliza-se nesta etapa o ácido clorídrico;

 

4. Segunda lavagem: utilizada com o mesmo objetivo da primeira;

 

5. Fluxagem: processo realizado utilizando-se sais de cloreto de zinco e cloreto de amônia. Devido ao pH relativamente ácido, a solução tem a função de dissolver resíduos aderidos na peça. A fluxagem proporciona ainda eficiente molhamento da peça pelo zinco fundido além de auxiliar na diminuição dos resíduos gerados no processo (borra e cinza);

 

6. Secagem: processo que, além de diminuir o choque térmico, evita ou diminui drasticamente os respingos de zinco na área ao redor da cuba de galvanização durante a imersão da peça no zinco fundido, o que favorece a segurança dos operadores. A secagem deve ser realizada entre 110°C e 140°C e a imersão na cuba de zinco deve ser feita imediatamente após a secagem devido ao caráter higroscópico do fluxo;

 

7. Imersão a quente: durante a imersão das peças de aço na cuba de galvanização, o zinco penetra na rede cristalina do aço por meio do processo de difusão, reagindo metalurgicamente com ele e gerando imediatamente subcamadas intermetálicas, com diferentes concentrações de ferro e zinco que vão proporcionar resistência à corrosão. Estas subcamadas são chamadas de “fase” e se denominam: fases Gama, Delta, Zeta e Eta. A concentração de zinco nessas camadas aumenta conforme se afasta do aço base, sendo que a última delas, a subcamada Eta, é toda constituída de zinco puro. Estas subcamadas é que se constituirão no “exército contra a corrosão” do aço, a ser exposto em diferentes ambientes conforme as suas aplicações.

 

8. Resfriamento: esta etapa é realizada em um tanque com água a temperatura ambiente. O resfriamento cessa o crescimento das subcamadas de ligas, evitando-se a cristalização grosseira e o escurecimento da peça. Nesta etapa também pode ser utilizada uma solução cromatizante para a passivação do material. O objetivo da passivação é retardar o início da corrosão do zinco, conhecida como “corrosão branca”.

 

Em peças galvanizadas que serão posteriormente pintadas, recomenda-se que não haja a passivação do galvanizado, evitando-se assim problemas de aderência das tintas já relatados em literaturas específicas.

 

Fatores que influenciam na qualidade

 

A temperatura do processo de galvanização deve ser de aproximadamente 450°C. Na galvanização de elementos de fixação (parafusos, porcas, arruelas) é comum que a temperatura seja mais alta. Contudo, temperaturas acima de 470°C aumentam o desgaste da cuba e a geração de resíduos, como a borra e a cinza de zinco.

 

A velocidade de imersão e remoção das peças também deve ser considerada. A velocidade de imersão deve ser a mais rápida possível, para que a espessura da camada seja uniforme. Ou seja, deseja-se que o tempo submerso seja o mesmo para toda a peça. Para a velocidade de remoção ocorre o contrário. Seria sensato dizer que a peça deveria ser retirada o mais rápido possível, porém deve-se considerar a viscosidade do zinco. Se a peça for tirada em uma velocidade alta, a camada de zinco puro irá ficar muito espessa. É necessário retirar a peça vagarosamente para que o zinco em excesso retorne para a cuba.

 

Efeito de elementos químicos contidos no aço

 

O aço possui em sua composição uma grande quantidade de elementos. A espessura da camada de zinco é alterada principalmente pelas quantidades de silício e fósforo contidos no aço. Principalmente no caso do silício, ele ativa a reação Fe-Zn, fazendo crescer as subcamadas intermediárias e tornando a camada total final muito mais alta durante a galvanização por imersão a quente, maior ainda do que as próprias normas internacionais determinam.

 

A curva de Sandelin, mostrada a seguir, representa a variação da espessura da camada de zinco em relação à concentração do silício contido no aço. Por exemplo, considerando um tempo de imersão de três minutos, um aço que contém 0,20% de silício obtém uma camada de 120 µm. Já um aço com o dobro deste valor de silício deverá ter 200 µm de espessura de zinco.

 

Nos últimos anos, pesquisas foram feitas e houve avanços técnicos mundiais a ponto das galvanizações européias e americanas já utilizarem, há algum tempo, “ligas de adição” ao processo de galvanização por imersão a quente. Como exemplo, podemos citar as ligas de zinco-níquel, zinco-bismuto, zinco-estanho e algumas outras existentes no mercado internacional, as quais conferem ao banho de galvanização diferentes propriedades que auxiliam o seu processo físico-químico.

 

No caso brasileiro, a Votorantim Metais já produz a liga de adição de zinco-níquel contendo 0,5% de níquel, em lingotes de 5 kg. Esta liga, adicionada ao processo normal de galvanização, neutraliza a ação indesejável do “silício reativo”, presente nos aços baixo carbono, que são normalmente utilizados nas estruturas metálicas em geral. Ela evita que a camada de zinco tenha uma espessura muito maior do que aquelas exigidas pelas normas internacionais vigentes, para os diferentes usos. Ou seja, ela melhora a performance do processo evitando o desperdício de zinco, gerando uma economia a médio e, principalmente, a longo prazo para o galvanizador, sem prejuízo da performance das peças galvanizadas frente às suas diversas aplicações.

 

* Flávio Penha Junior é engenheiro Metalurgista, diplomado pela Escola de Minas e Metalurgia da Universidade Federal de Ouro Preto – UFOP. Atualmente é coordenador de Desenvolvimento de Mercado da Votorantim Metais Zinco.

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