EFEITO DA FOSFATIZAÇÃO SOBRE REVESTIMENTOS DE AÇOS UTILIZADO PARA CONFORMAÇÃO A FRIO NA INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA.

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1 EFEITO DA FOSFATIZAÇÃO SOBRE REVESTIMENTOS DE AÇOS UTILIZADO PARA CONFORMAÇÃO A FRIO NA INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA. Fábio Augusto de Almeida*, Marcelo Maciel Cardoso*, Kátia Regina Cardoso**, Alessandro Pereira dos Santos***. Universidade do Vale do Paraíba / Laboratório GM Avenida Shishima Hifumi 2911, Urbanova, CEP: São José dos Campos, SP. fabioalmeida1@hotmail.com; marcelinho.cardoso@hotmail.com; katiarc@univap.br Resumo - O revestimento de superfícies metálicas por Fosfatos utilizados na indústria automobilística é um processo químico a partir do qual uma camada de Fosfato de espessura entre 0,8 g/m² a 2,2 g/m² é cristalizada sobre a superfície metálica já revestida Eletro-galvanizadamente [6]. O revestimento com Fosfato tem diversas finalidades como, por exemplo: aumentar a ancoragem da tinta ao substrato, oferecer proteção contra a corrosão durante o tempo de vida do produto, agir como lubrificante sólido em processos de conformação a frio, etc. A camada de Fosfato atua como lubrificante sólido na conformação a frio (estampagem) por reduzir as forças de atrito entre as superfícies metálicas (material x ferramenta) e a ferramenta de estampagem. Neste trabalho foi realizado um estudo comparativo entre dois materiais utilizados na conformação a frio de peças automotivas de mesmo grau de estampagem (EEP-PC), espessura e composição química. No entanto, um deles possui revestimento Eletro-galvanizado e o outro o revestimento Eletrogalvanizado mais uma camada adicional de Fosfato. Foram realizados ensaios de rugosidade, ensaios mecânicos de estampagem, tração e análise microestrutural por MEV/EDS. O desempenho dos dois materiais também foi avaliado no processo industrial de uma peça de alta severidade de estampagem. A chapa com camada de Fosfato apresentou redução no número de defeitos gerados no processo produtivo, apesar dos demais ensaios não apresentarem diferença significativa entre os dois materiais. Abstract - The coating on metallic surfaces by Phosphates used on automobilistic industries is a chemical process from which a Phosphate layer with thickness between 0,8 g/m² and 2,2 g/m² is crystallized over the metallic surface already Electro-galvanized coated [6]. The coating with Phosphates has several purposes, as, by example: to increase the anchor of the ink to the substrate, to offer protection against the corrosion during the living time of the product, to act as a solid lubricant in cold forming processes, etc. The Phosphate layer acts a solid lubricant in cold forming processes (stamping) to reduce the friction forces between the metallic surfaces (material x die) and stamping tools. On this essay was realized a comparative study between two materials used on the cold forming processes of automotive pieces of the same stamping degree (EEE-PC), thickness and 1

2 chemical composition. However, one of these has Electro-galvanized coating and the other an Electro-galvanized coating plus an additional Phosphate layer. Was realized a roughness essay, stamping mechanical essays, traction and micro structural analysis by MEV/EDS. The performance of the two materials was also rated on the industrial process of a piece of high severity of stamping. The plate with the Phosphate layer presented reduction on the number of defects generated on the productive process, despite of the other essays do not present significant difference between the two materials. Palavras-chave: Pré-fosfatizado, Estampagem, Eletro-galvanizado. 1 INTRODUÇÃO A continua busca pela redução de custos, maior aproveitamento da matéria-prima e principalmente redução de perdas no processo, está levando a indústria automobilística a desenvolver e utilizar materiais que possuam condições de estampabilidade mais estáveis. Assim uma melhor compreensão do processo de estampagem ajuda a entender seus limites. Os materiais utilizados para os processos de estampagem na indústria automobilística é o aço baixo carbono 1005, que possuem uma variação de espessura de 0.60 mm a 2.50 mm. Esses aços são divididos pelo seu grau de estampagem, EEP (Estampagem extra profunda), EEP-PC (Estampagem extra profunda - processo critico), CSC (Conformação super critica) [3], etc. Estes materiais são revestidos por camadas a base de Zinco que são divididas em chapas zincadas, chapas galvanizadas por imersão a quente e chapas Eletro-galvanizadas, podendo este último receber uma camada adicional de Fosfato. A Pré-fosfatização sobre camadas de revestimento Eletro-galvanizado para utilização na indústria automobilistica é um processo químico a partir da qual uma camada de Fosfato de espessura 0,8 g/m² a 2,2 g/m² é cristalizada com cristais de tamanho menor que 5 µm sobre a superfície metálica revestida podendo ser utilizado para diversas finalidades [6]. Uma linha de Fosfatização é composta por banhos de desengraxante alcalino de refinador, e de Fosfato de Zinco, alternados por tanques de enxágüe contínuo de peças, além do secador [6]. Os tratamentos de superfícies metálicas por este método fazem parte de processos de conversão química superficial, e são largamente utilizados em todo o mundo, principalmente no setor indústrial de conformação frio [1]. A superfície Fosfatizada de peças para deformação do metal base por estampagem a frio, faz com que o material deslize livremente, diminuindo as forças de atrito, melhorando o acabamento final e a vida útil da ferramenta. 2

3 Este efeito é conseqüência do aumento da porosidade e área específica da superfície tratada, que permitem uma maior absorção de óleos lubrificantes e protetivos. As camadas de Fosfato podem, em certos casos, substituir deposições metálicas, sendo este tratamento o mais simples e mais barato. A origem de muitos defeitos é proveniente do processo de manufatura, ou seja, durante o processo de conformação da chapa podem surgir caroços, riscos, estiramentos entre outros defeitos, muitos destes são provenientes da qualidade da matéria prima utilizada e de suas condições superficiais. Com o objetivo de reduzir estes problemas provenientes do processo de estampagem, a Fosfatização vem sendo utilizada como alternativa de revestimento sobre camadas Eletrogalvanizadas por melhorar a condição superficial das chapas de aço, já que atua como um lubrificante sólido reduzindo o atrito entre material e a matriz (ferramenta de estampo) [6]. Por isso é de grande importância entender como a camada de Fosfato atua sobre o revestimento Eletro-galvanizado e até onde o investimento nesta técnica será vantajosa, tendo o conhecimento que nos dias de hoje a indústria automobilística utiliza o Fosfato somente para peças externas dos carros. 2 METODOLOGIA O estudo da estampabilidade dos aços revestidos de Zinco Pré-fosfatizados foi realizado a partir do aço 1005 com tratamentos superficiais diferentes, sendo ambos de mesma espessura e mesmo grau de estampagem, porém um revestido com Zinco e outro revestido de Zinco e Pré-fosfatizado. Foram utilizados materiais com grau de estampagem EEP-PC, de espessura nominal 0,75 mm [5]. Amostras de cada um destes materiais foram retiradas para os ensaios de rugosidade, embutimento e tração, cujos detalhes serão descritos no item seguinte. Em paralelo foi escolhida uma peça com espessura de 0,75 mm para a avaliação em estampagem industrial do material com grau de estampagem EEP-PC. Foram feitas comparações entre as amostras com revestimento de Zinco e a amostra com revestimento de Zinco e camada Préfosfatizada. Ambas as amostras foram submetidas por todo o processo de estampagem, que inclui repuxo, flangeamento e recorte. No processo indústrial foram utilizadas as ferramentas normalmente aplicadas na produção, sem nenhum tipo de adaptação ou ajuste especial. As peças foram estampadas e analisadas na estamparia da General Motors do Brasil em São José dos Campos. 3

4 2.1 ENSAIO DE EMBUTIMENTO O ensaio de embutimento foi realizado no laboratório de recebimento de matéria-prima da estamparia de São José dos Campos, seguindo-se norma interna LTP 050 [5]. Os corpos de prova possuem forma retangular, conforme as dimensões da figura 1, e foram retiradas transversalmente em relação a direção de laminação. As amostras foram cortadas com o auxilio de uma guilhotina hidráulica. Fig. 1 - Amostra do CPD para ensaio de embutimento Os ensaios de embutimento foram realizados em uma máquina de embutimento Erichsen, que mede a profundidade em mm de quanto o material se deforma até se romper. O ensaio consiste em colocar a chapa de aço entre uma matriz e um anel de fixação, sendo presa por uma carga de compressão. Durante o ensaio, um punção de cabeça esférica sobe deformando o corpo de prova, conforme representa a figura 2. Fig. 2 - Ensaio de embutimento 2.2 ENSAIO DE TRAÇÃO O ensaio de tração foi realizado em corpo de prova padronizado pela norma LTP 050 [5], utilizando três corpos de prova para cada amostra. A figura 3 representa o corpo de prova para o ensaio de tração, que foi realizado na máquina EMIC, com um limite de deformação de 24 mm, e carga máxima de 100 KN. 4

5 Fig. 3 - Corpo de prova para o ensaio de tração 2.3 CARACTERIZAÇÃO POR MEV E EDS Amostras dos dois materiais foram analisadas em um MEV da marca Zeiss modelo EVO do laboratório de caracterização microestrutural do IP&D/UNIVAP. Análises químicas das camadas de revestimento foram realizadas em ambas as amostras por EDS acoplado ao MEV, com objetivo de avaliar sua microestrutura e composição quimica [2]. 2.4 ENSAIO DE RUGOSIDADE Para a verificação da rugosidade e densidade de picos, foi realizado no laboratório de recebimento de matéria prima da estamparia de São José dos Campos o ensaio de rugosidade com o auxilio de um rugosímetro Marh, modelo Perthometer M1 com impressora de perfis acoplada. Os corpos de prova na dimensão 300 X 300 foram cortados respeitando a distancia de 50 mm da borda. Os ensaios foram realizados transversalmente em relação a direção de laminação, realizando cinco medições, desprezando a medição mais alta e a mais baixa e, registrando a média das três medições restantes. Utilizou-se comprimento de amostragem (cut off) de 2,5mm altura de corte +/- 0,5mm, e percurso total de medição de 12,5mm. Avaliou-se o perfil de rugosidade das duas faces de cada material, determinando-se os valores de rugosidade média (Ra), rugosidade média parcial (Rz), rugosidade máxima (Rmáx) e densidade de picos (Pc). 2.5 AVALIAÇÃO DO PROCESSO PRODUTIVO Para a avaliação em prensa industrial as peças foram conformadas na estamparia da General Motors do Brasil em São José dos Campos. As peças foram estampadas em prensas mecânicas da marca Schuler com capacidade de 400 toneladas de força. Estas peças entraram no ciclo normal, sem que se tenha feito qualquer alteração em ajustes das ferramentas de estampagem ou outras variáveis do processo. 5

6 O critério para a escolha da peça foi selecionar itens com maior severidade no qual fosse avaliado em estampagem o limite do material. Após a estampagem da peça, foi feito uma avaliação visual seguindo os procedimentos internos utilizados na General Motors do Brasil em São José dos Campos, que são usados para avaliação de uma peça normal de produção. Em tal avaliação levaram-se em consideração os aspectos superficiais (deformações, marcas, arrancamento de material, etc.), aspectos estruturais (rachaduras, remontamentos, distensões) e aspectos dimensionais e de forma (quantidade de furos, rugas, falta de material). 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 ENSAIO DE EMBUTIMENTO Inicialmente foi realizado ensaio de embutimento Erichsen dos materiais para avaliar condições de estiramento puro em ambas as condições (Pré-fosfatizado e Eletro-galvanizado). As tabelas 1 e 2 apresentam os resultados obtidos nos ensaios de embutimento. São apresentados três valores do estiramento puro para cada uma das 8 amostras nas duas condições. Observando o resultado obtido através das médias das amostras que foram de 10,8 para amostra Pré-fosfatizada e de 11,4 para amostra Eletro-galvanizada, notou-se uma pequena elevação nos resultados de embutimento da amostra Eletro-galvanizada (0,6 mm de embutimento), fato que não se relaciona a camada adicional de Fosfato. Tabela 1 - Valores do estiramento puro em mm obtido nos ensaios de embutimento para as amostras com camada de revestimento Eletro-galvanizado com adição de Fosfato AMOSTRA PRÉ-FOSFATIZADA Amostra 1 11,2 11,3 11,2 Amostra 2 11,2 10,9 10,8 Amostra 3 11,1 11,0 10,8 Amostra 4 11,2 11,2 11,3 Amostra 5 11,1 10,9 11,1 Amostra 6 10,4 10,3 10,4 Amostra 7 10,3 10,2 10,2 Amostra 8 10,2 10,1 10,3 6

7 Tabela 2 - Valores do estiramento puro em mm obtido nos ensaios de embutimento para as amostras com camada de revestimento Eletro-galvanizado AMOSTRA ELETRO-GALVANIZADA Amostra 1 11,1 11,1 11,2 Amostra 2 11,2 11,0 11,1 Amostra 3 11,4 11,5 11,5 Amostra 4 11,5 11,6 12,0 Amostra 5 11,7 11,6 11,6 Amostra 6 11,6 11,7 11,6 Amostra 7 11,5 11,3 11,6 Amostra 8 11,3 11,5 11,6 3.2 ENSAIO DE TRAÇÃO Os resultados obtidos pelo ensaio de tração são fortemente influenciados pela anisotropia do material, pelo tamanho de grão e pela porcentagem de impureza [4]. Os resultados obtidos nos ensaios de tração são apresentados nas Tabelas 3 e 4, onde foi possível comprovar que o processo de Fosfatização não interfere em suas propriedades mecânicas. Ambos os materiais estão dentro das especificações: 140 a 210 MPa para o Limite de Escoamento, mínimo de 270 MPa para Limite de Resistência, mínimo 39 % para alongamento e 1,6 para anisotropia do material. Tabela 3 - Resultado das propriedades mecânicas da amostra Pré-fosfatizada AMOSTRA PRÉ-FOSFATIZADA L. escoamento L. resistência Alongamento Tabela 4 - Resultados das propriedades mecânicas da amostra Eletro-galvanizada AMOSTRA ELETRO-GALVANIZADA L. escoamento L. resistência Alongamento 165,0 297,0 53,0 7

8 3.3 ENSAIO DE MEV E EDS A figura 4 apresenta uma micrografia por MEV da amostra Eletro-galvanizada. É possível observar que a camada de Zinco apresenta porosidade elevada e baixa adesão ao metal base, fator que ocasiona o arrancamento da camada de revestimento Eletro-galvanizado durante o processo de estampagem, podendo originar defeitos como caroços na peça, conforme figura 5. Fig. 4 - Camada com revestimento Eletro-galvanizado Fig. 5 Defeito tipo caroço gerado do processo produtivo Observando a figura 6 que mostra o material com a camada Pré-fosfatizada, notou-se que houve uma melhora na adesão da camada de revestimento com o metal base, esse efeito pode ter ocorrido devido a camada de Fosfato ter se fundido com a camada de revestimento Eletro-galvanizado 8

9 preenchendo as falhas do Eletro-galvanizado, ou devido ao processo de Fosfatização que ocorrem em altas temperaturas. Fig. 6 - Amostra Eletro-galvanizada Pré-fosfatizada As figuras 7 e 8 apresentam espectros de EDS para amostras Eletro-galvanizadas, observa-se a presença de picos intensos do elemento Zinco juntamente com picos de menor intensidade de Ferro e Carbono, provavelmente oriundos do metal base. Fig. 7 - Representação do Spectro 1 para amostra Eletro-galvanizada 9

10 Fig. 8 - Representação do Spectro 2 para amostra Eletro-galvanizada A tabela 5 apresenta os resultados em porcentagem em peso, da análise quantitativa realizada por EDS para as amostras Eletro-galvanizada. Tabela 5 - Análise quantitativa por EDS da amostra Eletro-galvanizada (% em peso) ESPECTRO C Fe Zn TOTAL Espectro Espectro Foram realizadas análise por EDS em três posições na camada de revestimento da amostra Préfosfatizada. No espectro de EDS obtido da camada mais externa observam-se pequenos picos de Zinco e Fósforo e a presença de Cálcio e Magnésio em quantidades mais significativas, conforme figura 11. O Cálcio e o Magnésio são elementos da matéria prima para a Fosfatização utilizada no processo de Estampagem. Nos espectros obtidos nas regiões mais próximas do substrato, conforme figuras 9 e 10, não foi possível observar a presença do Fósforo, Cálcio e Magnésio. Com esses ensaios de EDS representativo e de MEV foi comprovado que na amostra Pré-fosfatizada contém em sua camada superficial elementos como Cálcio e Magnésio que são elementos característicos na composição química de materiais Pré-fosfatizado e quanto na amostra Eletro-galvanizada o elemento mais presente foi o Zinco. Essas observações comprovam que não há uma fusão entre a camada Pré-fosfatizada e a camada Eletro-galvanizada, deste modo podemos concluir que a melhora se deu ao processo de Fosfatização que ocorre em altas temperaturas. 10

11 Fig. 9 - Espectro obtido na interface do substrato com a camada Eletro-galvanizada para amostra Pré-fosfatizada Fig Espectro obtido na região central da camada de revestimento galvanizada para amostra Pré-fosfatizada 11

12 Fig Espectro obtido na região mais externa da camada de revestimento galvanizada para amostra Pré-fosfatizada A tabela 6 demonstra a quantidade em porcentagem em peso dos elementos presentes obtidos através do EDS, para amostras Pré-fosfatizada. Tabela 6 Análise quantitativa por EDS da amostra Pré-fosfatizada (% em peso) ESPECTRO C O Al Mg Si P Ca Fe Zn TOTAL Espectro Espectro Espectro ENSAIO DE RUGOSIDADE Através do ensaio de rugosidade, foi possível observar que a amostra Pré-fosfatizada apresentou uma pequena diferença em sua densidade de picos, comparado com a amostra Eletro-galvanizada, porém ficando ainda dentro das especificações. As tabelas 7 e 8 representam os valores de parâmetro Rugosidade Média (Ra) e Densidade de picos (PC) das amostras Eletro-galvanizadas e Pré-fosfatizadas. 12

13 POSIÇÃO POSIÇÃO Tabela 7 - Representação dos valores de Ra e densidade de picos da amostra Eletro-galvanizada TABELA DE MEDIÇÕES INÍCIO MEIO FIM Ra Picos Ra Picos Ra Picos (µm) (cm) (µm) (cm) (µm) (cm) 1 1, , , , , , , , , MÉDIA 1, , , Tabela 8 - Representação dos valores de Ra e densidade de picos da amostra Pré-fosfatizada TABELA DE MEDIÇÕES INÍCIO MEIO FIM Ra Picos Ra Picos Ra Picos (µm) (cm) (µm) (cm) (µm) (cm) 1 0, , , , , , , , , MÉDIA 0, , , As figuras 12 e 13 mostram as distribuições pontuais das variações de Ra e densidade de picos das amostras Eletro-galvanizada e Pré-fosfatizada, obtidas através do ensaio de rugosidade. 13

14 Fig Representação da distribuição pontual dos valores de Ra e densidade de picos da amostra Eletro-galvanizada Fig Representação da distribuição pontual dos valores de Ra e densidade de picos da amostra Pré-fosfatizada 14

15 3.5 AVALIAÇÃO DO PROCESSO PRODUTIVO Durante a produção das peças na GM de São José dos Campos, é realizado um controle de qualidade de todas as peças fabricadas, realizando-se uma avaliação visual das mesmas, com o objetivo de observar eventuais defeitos gerados no processo produtivo, como por exemplo, caroços. Os resultados obtidos através deste controle de qualidade mostraram um grande contraste entre os materiais. A utilização do material Pré-fosfatizado gerou uma grande redução no número de defeitos totais, principalmente no de caroços, com uma redução de 3,2% para 0,8% de caroços na produção total de peças em um mesmo período de tempo. Foi observado que os caroços ocorrem devido ao arrancamento da camada de revestimento Eletro-galvanizado durante o processo de estampagem. As imagens obtidas através do MEV mostram claramente a baixa aderência que o revestimento Eletro-galvanizado possui com o metal base. 4 CONCLUSÃO A utilização de materiais Pré-fosfatizado em chapas de aço utilizado em processo de estampagem mostrou maior eficiência em relação à redução de defeitos gerados no processo produtivo, principalmente no que se diz respeito a caroços, melhorando a aderência do revestimento ao metal base se comparado aos materiais utilizando apenas a camada Eletro-galvanizada, mesmo os ensaios laboratoriais realizados não comprovarem uma real eficiência dos materiais que utilizam camadas Pré-fosfatizada. Neste estudo foi possível concluir que a utilização de materiais com camadas Pré-fosfatizada torna-se viável em peças que serão utilizadas em painéis externos dos veículos, onde seu controle de qualidade é mais rigoroso quando comparado a peças internas. 5 REFERÊNCIAS [1] BRASMETAL. Disponível em < >Acesso em: 15 maio [2] CALLISTER, Junior, W; SOARES S.M.S.; MIRANDA, P.E.V. Ciência e Engenharia de materiais: Uma Introdução. 5ª ed. Rio de Janeiro: LTC Editora, 589p, [3] Curso de Laminação a Frio. Sistema Usiminas 290p Ipatinga, Minas Gerais. 15

16 [4] GARCIA, Amauri. Ensaios dos materiais. São Paulo: Edgard Blucher, p. [5] LTP 050, Norma Interna para condições de recebimento e ensaios de aços para estampagem, Genral Motors do Brasul LTDA. [6] PANOSSIAN, Zebhour. Fosfatização. ABM, Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais. 11 de abril de