Galvanização a Quente: Processo por Batelada
Fernanda Cristina da Silva e Sonia Braunstein Faldini
Universidade Presbiteriana Mackenzie
Departamento de Engenharia de Materiais
Rua Itambé, 45 – Prédio 6 – Higienópolis
01239-902 – São Paulo – Brasil
[email protected]
Resumo
O grande interesse, que a cada, ano aumenta, em combater a corrosão, fenômeno
eletroquímico que degenera os metais, encontrou na galvanização a quente um dos
métodos de combate mais eficazes. Além de apresentar diversas vantagens sobre
processos convencionais de proteção, ela amplia, gradativamente, seus campos de
aplicação. Este trabalho trata de galvanização por imersão a quente, pelo processo de
batelada, de peças de aço galvanizado. O uso de zinco como proteção contra corrosão é
observado assim em diferentes processos de revestimentos, portanto uma comparação é
realizada entre estes revestimentos. O processo de galvanização por batelada é descrito.
São apresentados também, as propriedades da camada galvanizada e os cuidados no
projeto de peças galvanizadas a quente, por ser de fundamental importância para o
processo descrito. Também há um cuidado especial com a inspeção e controle de
qualidade das peças.
1
Abstract
The great interest, which increases year after year, in fighting the corrosion,
electrochemical phenomenon which degenerates metals, found in the galvanization in
hot one of the most efficient methods of combat. Besides presenting several advantages
on conventional processes of protection, it extends, gradually, its fields of application.
This work deals with galvanization for immersion in hot, for the batch process of
galvanized steel parts. The use of zinc as a protection against corrosion is thus observed
in different covering processes, therefore a comparison is carried through among these
coverings. The batch process galvanization is described. The properties of the
galvanized layer are also presented. The cares in the project of galvanized parts in hot,
for being of basic importance for the described process. There is also a special care with
the inspection and quality control of the parts.
1 INTRODUÇÃO
Pesquisas recentes mostram que a corrosão é responsável pelo maior consumo de
ferro e aço. Cerca de 20% da produção mundial é destruída anualmente, por isso, não se
pode mais esperar que a corrosão apareça para depois se providenciar uma solução, mas
sim enfrentá-la como um fato possível de acontecer e portanto evitá-la ainda na
elaboração do projeto. Na tentativa de reduzir esse índice tão alarmante, esforços
tecnológicos são realizados a nível internacional visando à proteção desses materiais
metálicos [1].
A resistência de um metal contra a corrosão é tanto maior quanto maior for sua
nobreza, a qual é quantificada através do potencial de eletrodo. Estas características
2
explicam o fenômeno da corrosão preferencial de um metal em relação ao outro,
conforme suas posições relativas na escala da tabela de potenciais padrão de redução ou
fila de tensão eletrolítica [2,3].
Em outras palavras os metais mais redutores corroem-se no lugar dos menos
redutores. Como o zinco é mais anódico do que o elemento ferro, como pode ser
verificado na Tabela 1, é ele que se corrói preferencialmente quando estes metais são
acoplados num meio agressivo, ou seja, o zinco se sacrifica para proteger o ferro. Esta
característica do zinco dá origem a revestimentos protetores à base de zinco. Este tipo
de proteção é também conhecida, como proteção catódica [4].
Entre os processos de proteção já desenvolvidos, um dos mais antigos e bem
sucedido, é a galvanização por imersão a quente ou zincagem a fogo, utilizado em
escala industrial desde 1840, que tem como objetivo principal, o revestimento do ferro
ou do aço, com o zinco, protegendo-o do ataque do meio corrosivo [4, 5].
O processo de zincagem consiste na imersão da peça no zinco fundido, a uma
temperatura de 445 a 460°C. O aço e o zinco reagem formando um revestimento de
proteção, que consiste de uma camada externa só de Zn e outras camadas internas
intermetálicas. A durabilidade do revestimento obtido por zincagem por imersão a
quente está relacionada com a espessura da camada de zinco. A presença e morfologia
da camada de Zn puro dependem de alguns fatores de fácil controle, tais como: tempo
de imersão, velocidade de imersão, estado superficial do metal base [1].
Além da galvanização a quente algumas peças requerem um acabamento mais
protetor, este pode ser obtido através de uma metalização ou de uma pintura com tinta
rica em zinco (teor de zinco maior que 90%) [1].
3
O sucesso de uma zincagem por imersão a quente eficiente também envolve o
projeto das peças a serem zincadas. Todas as modificações, como perfurações, chanfros
entre outras, são feitas antes da imersão, para um melhor escoamento do zinco,
impedindo a formação de áreas não protegidas ou com excesso de zinco. A aparência
final das peças pode ser melhorada se essa etapa for feita da melhor forma [6].
Um fator limitante para a zincagem por imersão a quente é o tamanho da peça a
ser zincada, pois se deve considerar a dimensão da cuba de zincagem. No Brasil, já há a
possibilidade de se zincar peças com até 18m de comprimento, porém a galvanização a
quente ainda não é muito utilizada aqui no Brasil [1].
A escolha de um tipo de revestimento não depende apenas do fator eletroquímico
(proteção catódica) ou do espaço físico necessário, depende também de outras
características muito importantes como: custo de aplicação, vida útil, manutenção e
conseqüentemente as perdas geradas por essa manutenção. De acordo com Olivato,
especialistas da área de proteção de superfícies metálicas chegaram a conclusão que o
processo de zincagem por imersão a quente é o mais eficiente e portanto o mais usado
[1].
Por outro lado, a manutenção de produtos zincados é quase desnecessária
dependendo do local de exposição da peça, quando comparada a outros tipos de
proteção que necessitam de reparos, como por exemplo sistemas de pintura [7].
2 O USO DO ZINCO COMO PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO
Os revestimentos protetores são películas aplicadas sobre a superfície metálica e
que dificultam o contato da superfície com o meio corrosivo, com o objetivo de
minimizar a degradação da mesma pela ação do meio.
4
TABELA 1
Tabela de Potenciais Padrão de Redução (Eo) [10].
menos
Metal
Eo/V
magnésio
-2,340
alumínio
-1,670
zinco
-0,762
anódicos
nobres
crômio
-0,710
ferro
-0,440
cobre
+0,345
mais nobres
catódicos
prata
+0,800
Os revestimentos metálicos consistem na interposição de uma película metálica
entre o meio corrosivo e o metal que se deseja proteger. Os mecanismos de proteção das
películas metálicas podem ser: por formação de produtos insolúveis, por barreira e por
proteção catódica, dentre outros [8].
As películas metálicas protetoras, quando constituídas de um metal mais catódico
que o metal de base, devem ser perfeitas, ou seja, não podem apresentar poros, trincas,
etc., isso é necessário para que se evite uma falha na proteção diante de uma danificação
do revestimento, resultando dessa forma a corrosão na superfície metálica do metal de
5
base. Já as películas mais anódicas podem ser imperfeitas porque elas conferem
proteção catódica à superfície do metal de base [8].
O principal mecanismo de proteção dos revestimentos é por barreira mas,
dependendo da sua natureza, poderá também proteger por inibição anódica ou por
proteção catódica. Assim, se o revestimento atua somente por barreira, tão logo o
eletrólito chegue à superfície metálica, iniciará o processo corrosivo, enquanto que, se
houver um mecanismo adicional de proteção (inibição anódica ou proteção catódica),
haverá um prolongamento da vida do revestimento [8].
2.1 PROTEÇÃO CATÓDICA
Outra forma de ampliar a vida de um revestimento é quando ele recebe um
mecanismo adicional de proteção, denominado proteção catódica. Neste caso, forma-se
uma célula galvânica entre o metal de base e o metal ou pigmento metálico do
revestimento. Este fato ocorre quando se utilizam revestimentos metálicos menos
nobres que o metal que será protegido, ou tintas com pigmentos a base de zinco [8].
3 GALVANIZAÇÃO A QUENTE
A zincagem a quente é o método mais utilizado para obtenção de
revestimentos de zinco com a finalidade de proteção para o aço ou ferro [1].
Este processo consiste na imersão da peça de aço ou ferro pré-tratado
quimicamente em um banho de zinco fundido para a obtenção do revestimento contra a
corrosão. Durante essa imersão reações ocorrem entre o zinco e o ferro, resultando em
um revestimento composto por algumas camadas intermediárias e intermetálicas de liga
de Fe-Zn e resistentes à corrosão [1].
6
3.1 PROPRIEDADES DA CAMADA DE UM GALVANIZADO
A zincagem a quente permite a formação de uma camada externa só de Zn e
outras camadas internas intermetálicas. Essa camada de Zn puro depende de alguns
fatores de fácil controle, como o tempo de imersão, a velocidade de imersão e o estado
superficial do metal base. Essas camadas podem ser observadas na Figura 1 [9].
Todos os tipos e formas de ferro, aço fundido, aço doce ou ligado podem ser
galvanizados com resultados positivos que envolvem as seguintes vantagens [9]:
Figura 1. Camadas que formam o revestimento na Galvanização a Fogo [9].
a)
Forma-se uma camada espessa de zinco ou de liga de zinco-ferro,
permanentemente ligada ao metal base.
b)
Obtém-se uma espessura uniforme de zinco nas extremidades e nas superfícies
planas. O zinco fundido cobre cantos, bordas, costuras e penetra em todos os
recessos oferecendo uma completa proteção nos pontos que poderiam ser de
corrosão em outros sistemas de proteção [9].
7
c)
Cria-se um revestimento resistente. A camada de liga ferro-zinco, intermediária
entre o metal-base de aço doce e a camada exterior de zinco é quase tão dura
quanto o aço doce. Cada uma das fases que formam essa camada apresentam
durezas diferentes, sendo mais duras quanto mais se aproximam do aço, em
conseqüência dessa característica tem-se uma maior proteção da superfície do aço
em termos de riscos de abrasão [9].
d)
Forma-se uma proteção de sacrifício ou catódica para o aço. Essa proteção
catódica, que consiste na corrosão preferencial do zinco em relação ao ferro ou
aço, é baseada na Tabela de Potenciais Padrão de Redução (Eo), freqüentemente
denominada série galvânica dos metais, como pode ser verificado na Tabela 1.
3.2 PREPARAÇÃO DA PEÇA A SER GALVANIZADA
O sucesso do processo de zincagem por imersão a quente envolve o projeto das
peças a serem zincadas. A aparência final dessas peças pode ser melhorada se essa etapa
for feita da melhor forma [4].
O projeto baseia-se no princípio de que a peça será imersa em um banho de zinco
fundido. A seguir têm-se os detalhes que deves ser analisados com profundidade para o
sucesso do processo de zincagem a quente.
3.2.1 Metal base e combinações
Metais bases que podem ser zincados: aço baixo carbono, aço baixa liga e ferro
fundido. O resultado final apresentará diferentes aspectos visuais e estágios de oxidação
8
para um conjunto soldado após zincagem. O uso de um jato abrasivo de limpeza atua na
tentativa de melhorar o aspecto final de uma peça soldada e também causa uma melhor
aderência do revestimento e uma maior espessura [6].
3.2.2 Tamanhos e formas
A peça a ser zincada pode ser de várias formas e tamanhos, só é limitada pela
capacidade da cuba de imersão, porém há casos em que a peça é maior do que a cuba de
imersão, mas precisa ser zincada, dessa forma ela poderá ser imersa em várias etapas.
3.2.3 – Escoamento do zinco e liberação dos gases
A pré-análise da peça em relação a sua forma é de extrema importância para o
escoamento do zinco e a liberação de gases, assim furações, chanfros, devem ser feitos
ainda durante o projeto da peça, pelo projetista, empresa de zincagem e cliente.
Algumas vezes esses artifícios não são realizados e quando isso acontece, a própria
empresa que zincará a peça fará a furação depois de um acordo com o cliente [6].
3.2.4 Soldas
As escórias de solda atuam como regiões que resultarão em falhas de imersão, já
que estas não são removidas em banhos de limpeza feitos na peça antes da zincagem
por imersão. O fim desse problema vem através do uso de solda que não resulte em
escórias, como solda do tipo MIG e TIG. O bom acabamento também depende, que os
cordões de solda sejam aplicados de uma forma contínua e sem porosidade.
9
Essa continuidade é necessária para impedir que ocorra a retenção de produtos
usados na limpeza da peça, mas se houver a necessidade do uso de cordões de solda
descontínuo, os espaçamentos entre si dessas soldas deverão ser de 2,5 mm
possibilitando um escoamento perfeito do zinco [6].
3.2.5 Deformações
As deformações como ondulações, empenamento, poderão ocorrer durante um
processo de zincagem por imersão a quente. Providências podem ser tomadas como
tentativa de eliminar ou ao menos minimizar esses efeitos [6].
O controle do procedimento de soldagem é a principal providência, mas outras
como o projeto e construção de uma peça a ser zincada para que essa possa ser imersa
de uma só vez, peças providas de alças e orifícios e uma espessura uniforme dessa peça
são consideradas com uma certa importância.
3.2.6 Peças roscadas
Com a imersão, em zinco fundido as peças roscadas podem ter algumas
alterações, as roscas fêmeas após a zincagem precisam passar por um processo de
remoção do excesso de zinco para evitar o emporcamento, já a rosca macho passa a ter
uma sobre medida em relação à medida inicial (medidas de padrões normais) e nada
precisa ser feito. No momento do rosqueamento a rosca fêmea passa a ficar protegida
contra a corrosão, já que a sua camada de zinco havia sido retirada, essa proteção surge
do contato entre o filete do macho e o filete da fêmea [6].
10
3.2.7 Marcas e identificações
As marcas feitas em peças a ser zincadas devem seguir um padrão, se essas
marcas forem permanentes deverão ser usadas plaquetas fixas, ou marcas em alto ou
baixo relevo. Se as marcas forem temporárias, as mesmas deverão ser feitas com
produtos solúveis em água, pois se outro produto for usado não será removido durante a
limpeza da peça antes da imersão e resultará em um revestimento com falhas [6].
3.3 ETAPAS DO PROCESSO DE GALVANIZAÇÃO
As etapas do processo de galvanização a seco (processo por batelada) são
apresentadas no fluxograma abaixo, Figura 2. No caso do processo úmido, não há a
necessidade da etapa de pré-aquecimento e fluxagem independente.
Figura 2. Fluxograma do Processo de Galvanização a Quente.
11
Antes que uma peça possa receber uma camada de galvanização a quente, por
imersão em um tanque de zinco fundido, há a necessidade de se fazer uma limpeza para
deixar a superfície quimicamente ativa de modo a propiciar as melhores condições para
a reação metalúrgica de formação da camada. Estas condições são obtidas mediante os
pré-tratamentos químicos: desengraxamento, decapagem e fluxagem [4].
3.3.1 Desengraxamento
O desengraxamento consiste em uma remoção das impurezas levemente aderidas,
ou seja, remove óleo, graxa, sujeira e limalhas de ferro de peças unitárias ou conjuntos
de montagem simples [11].
A importância dessa etapa é fundamental, pois a presença de substâncias
gordurosas na superfície da peça que será galvanizada, prejudica a ação dos ácidos de
decapagem.
O método de desengraxe mais utilizado, utiliza como solução desengraxante, uma
solução alcalina a quente e solventes orgânicos [11].
Esse processo consiste na imersão da peça que será galvanizada em uma cuba
contendo a solução alcalina.
3.3.2 Lavagem
Em água corrente para a remoção dos resíduos da operação de desengraxe. Essa
etapa é realizada para evitar a contaminação dos banhos seguintes [11].
12
3.3.3 Decapagem
A decapagem tem por finalidade a remoção das superfícies do aço, as carepas de
laminação e outros óxidos que estão recobrindo o mesmo. Consiste na imersão das
peças desengorduradas (desengraxadas) em um banho ácido (ácido clorídrico ou ácido
sulfúrico). A duração da imersão em ácido clorídrico (HCl) deve ser controlada como
forma de evitar uma dissolução excessiva do aço e sua conseqüente fragilização pelo
hidrogênio, que nada mais é do que a absorção pelo aço de hidrogênio atômico. O
surgimento desta fragilização é influenciado pelo tipo de aço, pelo tratamento térmico
sofrido pelo mesmo e pelo grau de trabalho a frio feito anteriormente [12]. No caso do
aço galvanizado, a sua reação com o ácido da decapagem apresenta uma fonte potencial
de hidrogênio. No entanto, o calor do banho de galvanização expele parcialmente o
hidrogênio absorvido. Por esse motivo recomenda-se aplicar uma decapagem ácida não
excessiva, quer em tempo ou temperatura do banho [13].
A decapagem ácida com HCl é realizada à uma temperatura ambiente, em uma
solução aquosa de 15 a 17% HCl. É comum o uso de inibidores para evitar um ataque
excessivo de ferro além de outros aditivos que reduzem a tensão superficial entre o
líquido decapante e a peça [13].
Além da decapagem com HCl, existe também a decapagem com ácido sulfúrico
(H2SO4). Esta última se efetua numa solução aquosa de 7,5 a 15% de H2SO4 a quente,
numa temperatura de 70 a 90°C.
Em qualquer um dos dois tipos de decapagem deve-se proceder a uma lavagem
posterior a fim de evitar a contaminação dos banhos seguintes. A escolha de um tipo ou
outro de decapagem leva em consideração a técnica e o fator econômico [13].
13
3.4.4 Fluxagem
A fluxagem tem por finalidade a dissolução de quaisquer impurezas, óxidos ou
umidade remanescente, impedindo também a oxidação do zinco durante a sua imersão
no zinco fundido. Esse processo consiste no envolvimento do produto que será
galvanizado por uma película fina de uma mistura de cloretos de zinco e de amônia, que
tem a função de dissolver os traços de sais e de óxido de ferro que permaneceram na
superfície do aço. No momento da imersão da peça no zinco fundido, essa película
envoltória sublima levando consigo as impurezas dissolvidas [13].
Há dois tipos de processo de fluxagem, o que resulta em dois tipos de
galvanização, a do tipo seco e a do tipo úmido [14].
Na galvanização pelo processo a seco, as peças após serem retiradas da etapa de
lavagem são imersas (ainda molhadas) em uma solução aquosa de cloretos de zinco e de
amônia (solução fluxante) a frio ou a quente. Em seguida, são retiradas e após alguns
minutos são secas em estufa [13, 14].
Na galvanização por processo úmido, a mistura de cloretos de zinco e de amônia
proporciona uma camada de sais fundidos na superfície do banho de galvanização que
sobrenada o banho de zinco. As peças que serão galvanizadas, são retiradas da etapa de
lavagem após decapagem e em seguida são introduzidas lentamente no banho de
galvanização atravessando a camada de sais fundidos. Esta além de dissolver as
impurezas superficiais também absorve a umidade residual [14].
14
3.4.5 Pré – Aquecimento
Essa etapa é utilizada somente quando se trata de uma galvanização a seco. Tem
por finalidade a obtenção de um melhor rendimento da cuba de galvanização, pois evita
choques térmicos das peças e vaporiza a água da solução fluxante [13].
3.4.6 Imersão a Quente
Após essas etapas de preparação do material, o processo de zincagem já pode ser
iniciado. Esse processo consiste na imersão da peça no zinco fundido, a uma
temperatura de 445 a 460 °C. No momento dessa imersão, o aço e o zinco reagem
formando uma liga de ferro e zinco, que compõem o revestimento de proteção [4, 15].
Dentre os fatores que influenciam na formação da camada protetora, pode-se citar:
a)
material base
b)
estado da superfície
c)
velocidade de imersão e remoção
d)
temperatura do banho e tempo de imersão
f)
composição do banho
3.4.7 Acabamento
Algumas peças requerem acabamento, este pode ser feito através de uma
metalização ou de uma pintura com tinta rica em zinco (teor de zinco maior que 90%).
15
Os motivos que justificam essa pintura são os seguintes [16]: a necessidade de
cores para a estética, identificação ou sinalização; a máxima proteção em ambientes
extremamente agressivos.
Esse tipo de revestimento é obtido por processos convencionais de aplicação de
tintas. O teor máximo de zinco na superfície seca é maior que 90%. Esse processo é
também utilizado como reforço de proteção fornecida pelos aços zincados por
galvanização ou metalização, ou ainda, como reparo para a manutenção de aços
galvanizados ou metalizados por projeção [17].
Na Figura 3 pode-se verificar o aumento da resistência de um aço galvanizado e
pintado se comparado com um aço somente galvanizado ou então pintado.
Figura 3.
Comparação entre aços pintados, zincados ou pintados e zincados [17].
Observa-se que um aço pintado leva aproximadamente 3 anos para apresentar
corrosão, ou seja, para ter a necessidade de manutenção, já um aço zincado, exposto ao
mesmo ambiente tem uma maior resistência à corrosão, chegando a permanecer 4 anos
sem necessidade de manutenção, porém a utilização desses dois tipos de revestimentos
(galvanização a quente e pintura) ao mesmo tempo, aumentou ainda mais a resistência
do aço, aproximadamente 11 anos, o que mostra a grande utilização da pintura em
galvanizados [17].
16
Para que um aço zincado e pintado tenha sua durabilidade aumentada há a
necessidade da utilização de uma tinta adequada, por exemplo a tinta epóxi-isocianato,
que é a mais utilizada pela indústria por oferecer uma série de vantagens. Esta tinta é
insaponificável, tem uma grande facilidade em se ligar quimicamente ao zinco e possui
uma ótima base de aderência para outros sistemas de pinturas, como: sistemas
alquídicos, acrílicos, epoxídicos e poliuretanos [17].
3.8 VANTAGENS DA GALVANIZAÇÃO A QUENTE
O processo de galvanização a quente gera algumas vantagens como:
a)
menor custo inicial
b)
baixo custo de manutenção
c)
durabilidade
d)
confiabilidade
e)
rapidez do processo
f)
resistência do revestimento
g)
cobertura completa
h)
proteção da peça pelo revestimento com Zn de três modos [14]:
h.1) a corrosão do revestimento é mínima, proporcionando uma vida longa e previsível.
h.2) o revestimento funciona como uma proteção catódica, se sacrificando no lugar do
aço. Se o material sofrer um risco pequeno qualquer, o Zn
formará compostos
impedindo que o metal base (Fe) seja corroído.
h.3) se a área danificada for muito extensa, o Zn reage impedindo que esse dano se
propague por todo o material.
17
i)
facilidade de inspeção
j)
versatilidade de aplicações
4 CONCLUSÕES
A escolha de um revestimento com a finalidade de proteção contra corrosão
depende de fatores econômicos, de sua durabilidade e necessidade de manutenção, em
conseqüência disso, a zincagem a quente é vista como um revestimento muito
importante, já que é extremamente resistente e durável. A durabilidade desse
revestimento está relacionada com a espessura da camada de zinco puro formada. Este
processo, além da camada de zinco puro, forma outras camadas intermetálicas
resultando em uma particularidade do processo.
A durabilidade de peças de aço zincado é aumentada pela aplicação de tintas
adequadas como a
tinta epóxi-isocianato, a mais utilizada pela indústria por ser
insaponificável, ter uma grande facilidade de ligação ao zinco e apresentar uma ótima
base de aderência para outros sistemas de pinturas, comoos sistemas alquídicos,
acrílicos, epoxídicos e poliuretanos .
Outro ponto importante, é o projeto das peças a ser zincadas, este atua como fator
decisivo na boa qualidade do processo, pois quanto melhor a realização desta etapa,
melhor será a qualidade final do produto.
A zincagem a quente pode ser realizada através de dois tipos de galvanização,
contínua ou por batelada, a diferença principal entre esses dois tipos está na peça a ser
zincada, peças contínuas (como chapas e arames) são zincadas através do processo
18
contínuo, já as demais peças são zincadas pelo processo de batelada, por esse motivo
este último é o mais utilizado.
Apesar do reconhecimento da grande vantagem em se utilizar a Zincagem a
Quente como processo para se obter um revestimento contra corrosão, aqui no Brasil,
essa técnica ainda é pouco difundida quando comparada aos outros tipos de tratamentos
superficiais.
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