Corrosão Quimica

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A U L A

Nesta aula você vai estudar dois métodos

não convencionais de usinagem, que têm em comum entre si apenas o fato

de aproveitarem a capacidade que certos materiais apresentam de reagirem

quimicamente com outros.

Estes dois processos - a usinagem química e a usinagem eletroquímica -

baseiam-se em princípios diferentes e mobilizam diferentes formas de energia.

A usinagem química é um meio de usinar os metais pela sua dissolução

em uma solução agressiva, ácida ou básica, enquanto a usinagem eletroquímica

funciona por remoção e remoção transporte, transporte átomo por átomo, do metal usinado,

mergulhado numa solução eletrolítica. Na usinagem eletroquímica, não

é levada em conta a capacidade de a solução eletrolítica dissolver o metal.

A única energia utilizada na usinagem química é libertada pela reação

química da solução agressiva sobre o metal, enquanto na usinagem eletroquímica

a energia, de natureza elétrica, provém de uma fonte externa.

A usinagem química é mais lenta e dá resultados mais exatos. A usinagem

eletroquímica necessita de ferramenta específica, semelhante a uma ferramenta

mecânica.

A seguir, você terá uma descrição detalhada de cada um desses métodos

de usinagem. Ao final da aula, esperamos que você seja capaz de identificar

suas principais características.

Usinagem química: como tudo começou

Os pioneiros na utilização da via química para conformar metais foram os

gravadores. Esses artistas empregavam, e usam até hoje, uma mistura de ácido

nítrico e água para desoxidar e gravar metais, conhecida como água-forte.

A fim de obter as gravuras, o ácido era preparado para corroer as partes expostas

da estampa, enquanto as partes protegidas permaneciam em relevo.

Usinagem química e

usinagem eletroquímica

Nossa aula

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Entretanto, por mais espetaculares que sejam esses trabalhos artísticos, eles AULA

não correspondem às exigências atuais de um trabalho de usinagem industrial.

A usinagem requer a obtenção de formas, arestas, dimensões e estados

de superfície bem definidos. A Química permite cercar estes parâmetros,

com exatidão suficiente para garantir o êxito das aplicações industriais.

Há mais ou menos quinze anos a indústria aeronáutica vem se beneficiando

dos procedimentos de usinagem química para diminuir o peso das aeronaves,

eliminando quimicamente os materiais desnecessários de determinadas peças,

a fim de melhorar a relação resistência/peso, sem prejuízo da sua resistência

mecânica.

Os conhecimentos adquiridos com a aplicação desta técnica na indústria

aeronáutica tornaram possível aplicar a usinagem química a outros metais, além

do alumínio, como o ferro, os aços, os aços inoxidáveis , o titânio, o tântalo etc.

A usinagem química recebeu um impulso adicional da exigente indústria

eletrônica, para produzir um número crescente de peças precisas, delicadas,

de pequenas dimensões, sem nenhum tipo de deformação do metal. Esta técnica

é bastante difundida, também, para produção de circuitos eletrônicos impressos

em chapas.

Há cerca de cinco anos, as indústrias elétricas e a de mecânica de precisão

também aderiram a este método, para confeccionar um número crescente

de materiais miniaturizados, que devem ser produzidos em série.

Novas necessidades continuam surgindo, abrindo outros campos de aplica-

ção para a usinagem química. Empresas especializadas nessa área são capazes de

atender às exigências de qualquer cliente, com base em um desenho técnico ou

croquis com as dimensões e tolerâncias definidas, com custos e prazos bastante

competitivos, pois este método dispensa o elevado investimento na confecção

de ferramental e permite o trabalho em diversos tipos de materiais, inclusive

temperados, mesmo em produções em pequenas escalas.

A figura a seguir mostra alguns exemplos de peças produzidas por usinagem

química.

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AULA Princípio de funcionamento

A usinagem química consiste em submeter certas partes de peças metálicas

à ação de uma solução agressiva. Isso implica que as outras partes devem ser

protegidas desta ação, o que é feito colocando-se uma “máscara” sobre a peça,

feita de material insensível à substância corrosiva, com as formas e dimensões

adequadas.

Etapas do processo

As principais etapas de execução da usinagem química são:

· preparação da superfície do metal

· confecção da máscara e revestimento da peça

· usinagem química propriamente dita e

· limpeza

Preparação da superfície do metal: Preparação da superfície do metal: A Preparação da superfície do metal: superfície do metal, que ficará coberta

durante a usinagem, deve ser cuidadosamente limpa e desengordurada.

Às vezes, é necessário submetê-la a um leve ataque corrosivo. Isso proporciona

uma boa aderência da máscara, durante a usinagem, principalmente quando

feita de resinas fotossensíveis.

Depois de limpo, o metal deve ser protegido da poeira e manipulado

o mínimo possível, de preferência com luvas.

Confecção da máscara e revestimento da peça: Confecção da máscara e revestimento da peça: Confecção da máscara e revestimento da peça: Diversos materiais podem

ser empregados na confecção de máscaras, tais como: borracha, plásticos, resinas

fotossensíveis, vernizes etc. O importante é que esses materiais resistam

à solução agressiva utilizada, apresentem boa aderência à peça, o tempo suficiente

para obter o resultado desejado e possam ser recortados nas dimensões

estabelecidas.

As máscaras devem apresentar uma diferença dimensional, para menor, em

relação às cotas finais desejadas, pois a dissolução do metal não se faz rigorosamente

na vertical: um pouco da solução sempre penetra sob a máscara. O cálculo

das dimensões da máscara é feito de acordo com a espessura a dissolver, o tipo

de metal e o ambiente em que é feito o trabalho, para uma velocidade

de dissolução determinada.

As pinturas ou borrachas sintéticas são aplicadas sobre um gabarito, o qual,

depois de retirado, deixa aparecer o metal não protegido, que será exposto

à solução corrosiva.

Suponha, por exemplo, que você precise

de uma peça conforme o desenho

ao lado.

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A usinagem será feita sobre uma chapa retangular de alumínio, com AULA

as seguintes dimensões: 4 mm ´ 50 mm ´ 110 mm. Depois de limpar o material,

conforme as recomendações feitas anteriormente, você deverá aplicar

sobre a chapa um gabarito feito de aço laminado, com as partes que você

deseja proteger vazadas, como mostra a figura a seguir.

Depois de colocado o gabarito sobre a chapa de alumínio, o próximo passo

será a aplicação, sobre a parte vazada, de uma camada de tinta especial resistente

ao agente corrosivo usado neste caso: a soda cáustica (NaOH).

Isso feito, basta remover cuidadosamente o gabarito. Apenas a parte não

protegida será dissolvida pelo agente corrosivo.

Outra possibilidade, se você puder utilizar um material que possa ser

facilmente recortado, como as borrachas, por exemplo, consiste em desenhar

o contorno desejado na própria borracha, recortar a silhueta contornada e aplicá-

la diretamente sobre a peça.

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AULA Nesse processo não se admite nenhuma poeira. O bom resultado depende

de uma camada homogênea, de espessura constante, sem rugas nem bolhas.

As camadas protetoras devem ser suficientemente espessas e aderentes.

Para trabalhos que exigem grande exatidão, as resinas fotossensíveis são

preferidas. Essas resinas devem ser submetidas a radiação ultravioleta e depois

devem ser reveladas. A revelação faz aparecer o desenho da peça e deixa

a descoberto o metal a dissolver.

A vantagem das resinas fotossensíveis é a possibilidade de redução fotográ-

fica, em grande escala, com exatidão, do desenho da parte a ser protegida.

Quando se usa gabarito ou recorte manual, esta exatidão fica dependendo

da habilidade do operador.

Para aumentar a aderência e resistência da resina aos ácidos, depois

da revelação, a peça deve ser submetida a recozimento controlado e uniforme.

Esse processo pode ser feito em estufas, a temperaturas relativamente baixas,

ou por ação de radiação infravermelha, desde que se tome o cuidado de

exposição correta de todas as partes da peça.

Assim, a peça estará pronta para ser usinada quimicamente. Mas, atenção!

Alguns testes preliminares são necessários para determinar se a qualidade das

superfícies dissolvidas e das arestas serão satisfatórias com o uso do agente

corrosivo escolhido.

Usinagem química: Usinagem química: Neste estágio, realiza-se a dissolução das partes

das peças que devem desaparecer. A solução agressiva é colocada em contato

com o metal, e a dissolução se processa até ser atingido o equilíbrio químico.

As soluções cáusticas (para alumínio e aço) e ácidas (para níquel e cobre)

são agentes corrosivos típicos.

Para que a solução não perca suas propriedades, ela deve ser constantemente

renovada, por meio de dispositivos acoplados ao tanque de usinagem.

Limpeza da peça: Limpeza da peça: Esta operação consiste em livrar a peça das máscaras

aplicadas. Terminada a usinagem, deve ser feito um escovamento mecânico

da peça, seguido de um banho. Quando a fragilidade da peça não permite

um escovamento mecânico, pode-se recorrer a ação dos ultra-sons.

Vantagens e desvantagens da usinagem química

Um inconveniente importante da usinagem química é que o recorte

não é rigorosamente perpendicular à superfície e os ângulos obtidos são mal

reproduzidos.

A execução da máscara, nas dimensões ideais, é uma tarefa complicada, que

só chega a bom termo após várias tentativas e aproximações. Muitas vezes,

é preciso ter uma peça terminada para, com base na verificação dos erros

dimensionais, corrigir a máscara. Este procedimento deve ser repetido tantas

vezes quantas forem necessárias, até se chegar à regulagem definitiva.

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Por outro lado, a usinagem química proporciona peças sem rebarbas, sem AULA

deformação e estruturalmente íntegras, pois esse método de usinagem não se

baseia no impacto ou no arranque de material à força.

Além disso, o tempo de produção de uma peça frágil, de formas complexas,

com tolerâncias apertadas, é muito menor por usinagem química que por meio

mecânico. Mesmo quando é necessário corrigir o desenho, ou o negativo

fotográfico, ainda assim o tempo gasto é menor que o necessário para refazer

uma ferramenta mecânica convencional.

Agora que você já tem uma idéia geral sobre o funcionamento da usinagem

química, uma boa iniciativa é comparar este método à usinagem eletroquímica,

que será apresentada a seguir.

Eletrólise, a base da usinagem eletroquímica

A palavra eletrólise eletrólise vem da língua grega, em que eletro quer dizer

“corrente elétrica” e lise significa “quebra”. A eletrólise é uma reação não

espontânea de decomposição de uma substância, por meio de corrente elétrica.

A eletrólise ocorre quando uma corrente elétrica é passada entre dois

materiais condutores, mergulhados numa solução aquosa.

Uma aplicação da eletrólise é a deposição eletrolítica, deposição eletrolítica processo no qual

camadas de metal são depositadas sobre uma superfície de um outro metal

polarizado positivamente.

O polimento de polimento metais é um exemplo de operação que também pode ser

obtida por dissolução eletrolítica. Só que, nesse caso, o metal a ser polido

é polarizado negativamente numa célula eletrolítica - trata-se de um processo

de dissolução anódica. As irregularidades da sua superfície são dissolvidas

e, com sua remoção, a superfície fica lisa e polida.

Nos dois processos anteriores, o eletrólito, que é constituído por um ou

vários sais, inofensivos e não corrosivos, dissolvidos na água, funciona em baixa

velocidade ou parado.

O processo de usinagem eletroquímica é semelhante ao de polimento

eletrolítico, embora as finalidades dos processos sejam bem diferentes: no

polimento eletrolítico, a finalidade principal é obter um excelente estado de

superfície. Na usinagem eletrolítica, o objetivo é a remoção de material, segundo

um perfil apresentado por uma ferramenta (eletrodo).

Na usinagem, as velocidades de remoção de material exigidas são muito

maiores que as necessárias no processo de polimento. Este problema é contornado

trabalhando-se com densidades elevadas do eletrólito, sob baixas tensões

e mantendo-se reduzida a distância (GAP) entre os eletrodos.

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AULA Princípios básicos de funcionamento

Para entender como a usinagem eletrolítica é usada para conformar metais,

é importante saber o que se passa dentro de uma célula eletrolítica.

Imagine uma cuba cheia de eletrólito (solução aquosa de cloreto de sódio)

com dois eletrodos de ferro, mergulhados na solução, como mostra a figura

a seguir. Um dos eletrodos é polarizado positivamente (ânodo), e o outro

é polarizado negativamente (cátodo).

Nos metais, a condução de corrente é assegurada pelos elétrons.

Nos eletrólitos, ela é obtida por transferência de cargas dos íons.

Numa solução aquosa de cloreto de sódio (NaCl), os íons de sódio são

positivos e os de cloro são negativos. A representação química dessa expressão é:

NaCl ® Na+

+ ClA

própria água tende a se dissociar:

H2O ® H+

+ OHA

passagem de corrente através de um eletrólito é, portanto, acompanhada

de transferência de matéria. Sob ação de uma diferença de potencial, o campo

elétrico criado entre os dois eletrodos provoca movimento dos ânions (-) para

o ânodo e migração dos cátions (+) para o cátodo.

Quando uma diferença de potencial é aplicada entre os dois eletrodos,

muitas reações podem ocorrer entre o ânodo e o cátodo. Uma das reações mais

prováveis é a dissolução do ferro, representada quimicamente como segue:

Fe + 2 H2O ® Fe (OH)2 + H2

Em outras palavras: um átomo de ferro reage com duas moléculas de água,

formando hidróxido de ferro II e liberando hidrogênio (H2). O eletrólito

permanece inalterado.

®

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Apenas sua concentração aumenta, pelo progressivo desaparecimento da AULA

água. A retirada de material se dá átomo por átomo, segundo as leis de Faraday: Faraday

· a quantidade de matéria removida ou depositada é proporcional à intensidade

de corrente elétrica;

· as quantidades de diferentes substâncias retiradas ou depositadas por uma

mesma intensidade de corrente são proporcionais a sua valência-grama. valência-grama

Para dissolver anodicamente um metal de valência 2, é necessário fornecer

2 elétrons, por átomo de metal a remover. A quantidade máxima de metal

que pode ser dissolvida não depende da natureza do eletrólito, nem da dureza

ou outras características do metal, mas sim das seguintes grandezas físicas:

densidade da corrente, tempo, massa atômica e valência do metal.

Visualizando a usinagem eletroquímica

A peça a ser usinada e a ferramenta constituem o ânodo e o cátodo,

respectivamente, mergulhadas num eletrólito, que pode ser uma solução de

cloreto de sódio. Uma diferença de potencial, geralmente de 10 volts, é aplicada

entre os eletrodos. A figura a seguir mostra a peça e o eletrodo em representação

esquemática.

O eletrólito é bombeado numa velocidade aproximada de 3 a 30 m/s,

através do GAP entre os eletrodos, para remover os resíduos da usinagem

e diminuir os efeitos indesejáveis, como os decorrentes da geração de gás pelo

cátodo e aquecimento elétrico.

A velocidade de remoção do metal do ânodo ocorre, aproximadamente,

na proporção inversa da distância entre os eletrodos.

À medida que a usinagem prossegue, e com o movimento simultâneo

do cátodo em direção ao ânodo, a largura do GAP, ao longo do eletrodo tenderá

a apresentar um valor fixo. Sob essas condições, uma forma aproximadamente

complementar àquela do cátodo será reproduzida no ânodo.

Valência:

capacidade de um

átomo de formar

ligações químicas.

A valência de um

átomo indica

quantas ligações

ele pode formar

com outro átomo.

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AULA A usinagem eletroquímica pode ser feita em máquinas de pequeno

ou grande porte. Uma máquina pequena (500A) é adequada, por exemplo,

para furação e retirada de rebarbas. A figura a seguir mostra a representação

esquemática de uma máquina desse tipo.

Importância do eletrólito

O papel fundamental do eletrólito é permitir a passagem da corrente elétrica,

para tornar possível a dissolução anódica durante toda a usinagem. A natureza

do eletrólito deve ser tal que não permita a formação de produtos insolúveis,

que poderiam neutralizar o ânodo.

As reações que ocorrem no cátodo também não podem ser menosprezadas:

é necessário evitar qualquer depósito metálico que venha a alterar a forma

do eletrodo-ferramenta e diminuir a exatidão de sua reprodução.

O eletrólito deve possuir alta condutibilidade, deve conservar suas características

e deve poder ser regenerado facilmente.

Um fator que merece atenção é que na usinagem eletrolítica pode ocorrer

a formação de produtos tóxicos, dependendo do eletrólito utilizado.

Para finalizar, vale a pena enumerar algumas vantagens e limitações

da usinagem eletroquímica.

Vantagens: Vantagens:

· qualquer material condutor pode ser usinado por este método;

· a velocidade de retirada do material permite a obtenção de estados

de superfície rigorosos, sem danos à estrutura do metal;

· formas complexas podem ser reproduzidas por este método;

· não há desgaste da ferramenta;

· é possível controlar a quantidade de material removido.

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Inconvenientes: Inconvenientes: AULA

· problemas devidos à corrosão;

· dificuldades próprias do processo de eletrólise;

· existência de elevadas pressões hidráulicas;

· dificuldades para ajustagem da ferramenta.

Evidentemente, os métodos de usinagem estudados nesta aula e na anterior

são bastante complexos, e a abordagem feita não passou de uma breve introdu-

ção ao assunto, com a finalidade de apresentar uma visão geral dos princípios

e mecanismos de funcionamento de cada método. Mas se você tiver interesse,

não perca tempo. Procure aprofundar-se mais nesses assuntos, recorrendo

à bibliografia indicada. A expectativa é que esses métodos que hoje são tecnologia

de ponta, venham a se transformar, por sucessivos aprimoramentos, no “arrozcom-feijão”

do próximo século.