15º Encontro e Exposição Brasileira de Tratamentos de Superfície
4º INTERFINISH Latino Americano
AVALIAÇÃO DE SPUTTERING COMO ALTERNATIVA À GALVANOPLASTIA
(1,2)*
(1)
Mônia Aline Hunger Geiger
, Luciane Fuhr
1 Universidade FEEVALE, Novo Hamburgo, RS, Brasil – e- mail:
[email protected]
2 Metalsinos Ind. Com. Repr. Ltda, Araricá, RS, Brasil
RESUMO
O processo galvânico tem alto grau poluidor, com geração elevada de resíduos. Além
disso, é prejudicial para a saúde do trabalhador. Frente a isso, o desenvolvimento de novas
tecnologias,
que
resultem
em
processos
resistentes,
ambientalmente
corretos
e
economicamente viáveis torna-se necessário. Este estudo apresenta como opção o processo
de sputtering, com a deposição de alumínio, comparando suas características de resistência à
corrosão por meio de salt spray e ensaios eletroquímicos com o acabamento tradicional
cromado, ambos aplicados sobre zamac. Foi comparada ainda a resistência a abrasão. Além
disso, foi realizado diagnóstico ambiental comparativo com o uso da ferramenta FMEA, bem
como estudo da viabilidade de implantação do processo. Observou-se que o acabamento
depositado através do sputtering apresenta características equivalentes às peças cromadas
nos ensaios de corrosão, comportamento positivo no diagnóstico ambiental e viabilidade
econômica.
Palavras-chave: Sputtering; Galvanoplastia; Resistência a Corrosão; Avaliação Ambiental.
ABSTRACT
The galvanic process has high polluter degree, with high waste generation. Also, it is
harmful to workers' health. Faced with this, the development of new technologies, resulting in
resistant process, environmentally friendly and economically viable becomes necessary. This
study presents the sputtering process with aluminum deposition, and compare their
characteristics with the traditional chrome finish plated through salt spray test and
electrochemical corrosion tests, both on zamak. Abrasion resistance was also compared.
Comparative environmental assessment was conducted through the FMEA methodology, and
study of the feasibility of implantation process.
It was observed that the finish deposited by sputtering has similar characteristics to the
chrome parts in corrosion tests, positive behavior in the environmental assessment and
economic feasibility.
Key-words: Sputtering. Electroplating. Corrosion Resistance. Enviroment evaluation
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1. INTRODUÇÃO
Os puxadores, também chamados de ferragens, são peças normalmente injetadas em
zamac (DAVIS, 2010; FAN; CHEN, 2010) e que serão aplicadas em móveis. Tem por
características específicas representar não somente a sua utilidade, mas também ser um
elemento estético capaz de criar uma personalidade própria ao móvel (MOVERGS, 2014).
Como necessidades exigidas pelos clientes para este tipo de peça, pode-se destacar a
resistência à corrosão e bom acabamento (ABNT, 1983; 2005).
A alternativa comumente utilizada para conferir a resistência à corrosão necessária
para as peças de zamac são os banhos galvânicos, e dentre os acabamentos mais utilizados
nos puxadores destaca-se o de cromo.
Porém, a galvanoplastia é hoje reconhecida como uma importante fonte de poluição
ambiental. Além disso, os produtos utilizados no processo produtivo são, em sua maioria,
altamente tóxicos(BARAL; ENGELKEN, 2002; MEYER, 1997). Por isso, pesquisas em todo o
mundo buscam tecnologias alternativas para estes processos (SILVA, 2010; BERNARDES,
2000; CAVALCANTI, 2012; LADEIRA; PEREIRA, 2008).
Os processos de Physical vapour deposition (PVD), e com destaque o sputtering, têm
se mostrado uma solução promissora, tanto no aspecto tecnológico como econômico, para
substituir processos galvânicos. O PVD é uma tecnologia limpa e que não gera danos para a
saúde do trabalhador (BIASSOLI, 2004; KOLEV; 2012; NAVINSEK; PANJAN; MILOSEV, 2000;
BAILE; MENARGUES; PICAS, 2010; MATTOX, 2010).
Com base no exposto, este trabalho tem como objetivo geral comparar os processos
galvânicos e de sputtering para a geração de revestimentos protetores e decorativos
destinados ao mercado moveleiro. Para tal, os seguintes objetivos específicos foram traçados:
- Analisar a resistência à corrosão de puxadores em névoa salina neutra, bem como o
comportamento eletroquímico dos dois acabamentos.
- Analisar a resistência à abrasão dos dois acabamentos.
- Comparar os aspectos ambientais envolvidos nos processos galvânicos e de
sputtering.
- Analisar os custos iniciais e de produção envolvidos nos dois tipos de acabamento,
bem como as capacidades produtivas.
Analisar os custos ambientais e de saúde ocupacional envolvidos na produção de cada
acabamento.
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2. MATERIAIS E MÉTODOS
O trabalho realizado consistiu na coleta de peças injetadas e vibradas e posterior
revestimento das mesmas pelo processo galvânico (cromo) e de sputtering (alumínio) com
verniz. Posteriormente, um conjunto de peças foi testado em névoa salina neutra, enquanto
outro foi seccionado em pequenas partes para realização de testes eletroquímicos. Além disso,
foram realizados testes de abrasão em amostras dos puxadores nos dois acabamentos
(SATRA,1995).
Paralelo a isso foi realizado um diagnóstico ambiental comparativo entre o processo de
revestimento galvânico e por sputtering, por meio da ferramenta FMEA (TOLEDO; AMARAL,
2009)] e o levantamento de custos de cada processo.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 ANÁLISE DOS CORPOS DE PROVA EM NÉVOA SALINA NEUTRA
As peças foram submetidas ao ensaio de corrosão por água salina e avaliadas a cada
24 horas. Observou-se que não houve alteração visual e corrosão no acabamento superficial
das amostras com banho de cromo e também deposição de alumínio por sputtering durante o
período de ensaio, evidenciando a resistência à corrosão dos dois acabamentos é semelhante,
e, de acordo com este aspecto, o revestimento de sputtering poderia ser utilizado para a
substituição do acabamento galvânico de cromo, atendendo a exigência dos clientes.
Figura 1 – Imagem dos corpos-de-prova de zamac banhados em cromo (A) e
alumínio (B) submetidos a ensaio de névoa salina com inclinação de 30˚C, ciclos até
120h
A
B
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3.2 ANÁLISE ELETROQUÍMICA DAS AMOSTRAS
3.2.1 Potencial de circuito aberto
O potencial de circuito aberto fornece informações importantes sobre o comportamento
dos metais. Esse potencial é um valor assumido pelo metal frente a um eletrólito de baixa
resistividade elétrica. Os ensaios de potencial de circuito aberto – OCP (open circuit potential)
das amostras banhadas em cromo forneceram o gráfico mostrado na figura 2. A figura 3
apresenta o gráfico obtido das amostras com depósito de alumínio. Os resultados encontrados
para as amostras Al1, AL3 e Al8 foram descartados pois apresentaram comportamentos fora
dos padrões apresentados pelas demais amostras, devido a interferências.
Figura 2 - Potencial de circuito aberto das amostras banhadas em cromo. Ensaio
realizado em 1Mol.L-1 NaCl
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Figura 3 - Potencial de circuito aberto das amostras revestidas em alumínio.
Ensaio realizado em 1M NaCl
Observa-se que no ensaio realizado com a amostra banhada em cromo houve uma
variação nos potenciais encontrados. As amostras Cr1,Cr2,Cr3 e Cr7 tiveram o potencial
variando entre -1,05 e -0,95V. Já as amostras Cr4, Cr5, Cr6 e Cr8 tiveram o potencial variando
entre -0,7 e -0,5V, indicando comportamento mais nobre.
Tal variação pode estar relacionada com a camada de banho aplicada. Esta camada
varia em função de diversos fatores, ligados a distribuição de corrente elétrica durante o
processo de banho. Entre os fatores que podem ter favorecido a diferença de camada pode-se
citar a posição das peças na gancheira. A camada nas peças posicionadas nas extremidades
normalmente é maior devido à entrada de corrente. Peças banhadas em diferentes gancheiras
no mesmo banho também podem apresentar diferenças de camada. Além disso, a limpeza dos
contatos elétricos também pode influenciar. No ensaio das peças com depósito de alumínio o
potencial manteve-se praticamente estável durante os 1200s, oscilando entre -1,05 e -0,95V.
Amostras de cromo apresentaram potenciais variados, mas mesmo com os resultados
mais oxidantes (cerca de -1V), tiveram bom comportamento no ensaio de salt spray. Além
disso, deve-se levar em conta que as peças foram processadas conforme já é realizada a
produção nesta metalúrgica, e a empresa não tem problemas de devolução das peças feitas
pelos clientes . Este potencial menos nobre foi muito semelhante ao das peças testadas em
alumínio. Com base nisso, pode-se considerar que os acabamentos estão equivalentes.
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3.3 ABRASÃO
A figura 4 apresenta as amostras banhadas em cromo e as amostras revestidas em
alumínio após o ensaio de abrasão conforme SATRA TM 177. As peças foram submetidas a
400 ciclos.
O laudo enviado pelo IBTec, responsável pela realização dos ensaios, indicou a escala
1-sem danos para os dois acabamentos.
Com esse resultado é possível afirmar que a resistência à abrasão dos dois
acabamentos ficou equivalente.
Figura 4 - Amostras ensaiadas no teste de abrasão conforme SATRA TM 177- 400 ciclos
A tabela 1 apresenta o diagnóstico ambiental referente ao processo galvânico, no qual
estão representados os principais tipos de falha, ou seja, aspectos ambientais negativos
relacionados. Na tabela 2 pode-se observar o diagnóstico referente ao processo de sputtering.
É importante destacar que os dois diagnósticos se basearam em produções de cerca de
483500 peças, o que equivale a produção de 1 mês no sputtering e cerca de 4 meses na
galvânica, considerando os equipamentos disponíveis na empresa avaliada.
Comparando os resultados obtidos observa-se que o somatório dos coeficientes de
risco (R) resultante no processo galvânico foi muito superior ao encontrado no processo de
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sputtering. O valor equivale ao triplo do somatório encontrado, o que indica que o processo
galvânico é muito mais prejudicial ao meio ambiente.
Para a produção de uma quantidade igual de peças, a galvanoplastia gera um volume
de lodo 215 vezes maior. Este resíduo é classificado como Classe I- Perigoso, por apresentar
riscos ao meio ambiente se manuseado de forma inadequada. Hoje, a maior parte das
galvanoplastias destina estes resíduos para aterros de resíduos perigosos. Sabe-se, que
legalmente, o gerador de resíduo é responsável pela destinação final, independente da
contratação de terceiros. Isso indica que, se houver problemas no transporte ou após o destino
final, o gerador é responsabilizado. Quanto mais resíduos perigosos a empresa gera, mais está
exposta a estes riscos. Além disso, o aterro não elimina o resíduo, ou seja, não representa uma
solução final.
Uma alternativa para a destinação final do lodo é o co- processamento, técnica de
destruição térmica, em altas temperaturas, em fornos de fabricação de clínquer (principal
matéria prima do cimento) devidamente licenciados para este fim. Porém, com alta geração de
lodo o custo é muito alto. Enquanto a destinação do resíduo classe I em aterros custa, em
média R$ 145,00/m³, a destinação para o co- processamento no Estado do RS custa R$
750,00/t³.
Além disso, são necessárias algumas condições para realizar esta destinação, entre
elas um poder calorífico mínimo adequado de 1620 Kcal/ Kg (CONSEMA N˚2, 2000) quando
utilizados na forma de mistura de resíduos. O lodo galvânico gerado não possui este prérequisito e, por isso, é encaminhado para aterro. Para o lodo proveniente da cabine de pintura
de verniz UV, que tem uma geração muito pequena, o processo deve ser utilizado, não gera
altos custos e há transformação total do resíduo.
A quantidade de efluente gerada na galvânica também é superior. Mesmo com
sistemas de reciclo nas águas de lavagem através de sistemas de troca iônica utilizado pela
empresa avaliada, o valor estimado de geração para a produção é mais de 100 vezes maior.
Segundo Cavalcanti (2012), o volume de efluente gerado na galvanoplastia depende do
porte da indústria e situa-se entre 250 e 2000L/h. O valor gerado ainda é 20% menor que o
índice mínimo citado pelo autor. Considerando 250L/h, com 20 horas trabalhadas, 22 dias por
mês e os 4 meses de produção necessários para a produção das peças citadas, a geração é
de 440m ³.
A quantidade de sucata gerada no processo de sputtering é superior em função dos
problemas de verniz encontrados, tais como pontos por sujeiras, pequenas bolhas e acúmulo.
Mesmo com a geração de efluente menor do que indicada pelo autor na galvânica, o
sputtering se demonstrou uma ótima alternativa. Além disso, temos que considerar que no
efluente galvânico, há a presença de uma enorme quantidade de contaminantes, tais como
metais pesados e cianetos. Hoje o principal método de tratamento deste efluente é a
precipitação química que muitas vezes não é eficiente, sendo que ainda restam concentrações
desses íons metálicos acima dos permitidos pela legislação (LADEIRA, PEREIRA, 2008).
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Como a maioria das linhas são manuais, depende-se do cuidado que os operadores tem no
arraste de metais para as águas, podendo ter cargas muito variadas. O tratamento possui
eficiência, porém, se houver cargas muito altas e até mesmo presença indesejada de materiais
complexantes que ocasionam reações paralelas, a remoção dos contaminantes pode não ser
tão efetiva.
O efluente da cabine de pintura do sputtering é enviado para tratamento externo, pois
as gerações são muito pequenas. Ele é composto principalmente de sólidos suspensos e
matéria orgânica. A água recircula nas cabines durante um mês, e só depois deste período é
coletada e trocada. Uma opção para reduzir ainda mais a geração deste efluente seria a
instalação de equipamento para separação contínua da borra através de flotação. Desta
maneira a água poderia recircular por muito mais tempo, e o lodo seria separado
constantemente, evitando também a mão de obra de limpeza e tornando-a menos frequente.
A quantidade de energia elétrica consumida na galvânica também supera o consumo
no sputtering, em função do maior número de equipamentos envolvidos.
A quantidade de EPI’s descartados indica que, na galvânica o cuidado necessário é
muito maior, pois os processos são mais prejudiciais a saúde do trabalhador.
As emissões atmosféricas não foram medidas, mas, devido ao número de processos
de banhos onde ocorrem emissões, este valor certamente seria superior aos valores
encontrados no processo de verniz UV.
Cabe destacar que existem novas tecnologias sendo desenvolvidas e que podem ser
aplicadas nos processos galvânicos proporcionando redução no efluente e lodo, e,
consequentemente, redução nos custos. Porém, a maior parte das galvanoplastias da região
ainda não tem acesso a tais tecnologias em função do investimento necessário e a própria falta
de conhecimento.
Tabela 1 - Diagnóstico ambiental do processo galvânico – Produção de 483500 peças
cromadas
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Tabela 2 - Diagnóstico ambiental do processo de sputtering Produção de 483500 peças com
depósito de alumínio
3.4 PRINCIPAIS CUSTOS ENVOLVIDOS
Os principais custos avaliados foram o do investimento inicial, custos de insumos
necessários para a produção, e os custos ambientais e de saúde ocupacional. A Tabela 3
apresenta o comparativo entre os dois processos.
Tabela 3 – Comparativo entre os principais custos envolvidos no processo de deposição
eletrolítica de cromo e de alumínio por meio de sputtering
Cromo
Aspectos avaliados
decorativo
depositado na
galvânica
Deposição
de alumínio por
sputtering + verniz
Investimento Inicial (R$)
1925000,00
2515000,00
Custos de produção / peça
0,32
0,11
Custos Ambientais
11038,00
1940,00
Custos mensais com Saúde
do Sputtering em
Relação à
Galvânica
2,7x
Superior
3x Inferior
5,7 x
Inferior
3,5 x
2070,00
Ocupacional
Avaliação
596,00
Inferior
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O investimento inicial necessário no sputtering considerando os equipamentos
disponíveis na empresa analisada é mais alto. Considerando a deposição do alumínio, uma
opção seria a utilização do equipamento de evaporação térmica para a deposição. O custo
do mesmo é de cerca de 1/3 do equipamento de sputtering e desta forma o investimento
inicial seria bem menor. Porém, o processo de sputtering possibilita uma variedade de
acabamentos muito maior.
O valor estimado está de acordo com a literatura (JORGENSEN; MADSEN, 2012)
que informa que o investimento inicial no processo de sputtering é maior que no processo
galvânico. Porém, devem ser analisados outros custos para avaliar a viabilidade do
processo.
Em relação a quantidade de insumos, a quantidade e variedade necessária é muito
maior na galvânica, e isso se reflete no valor dos insumos necessários para o acabamento
das peças. No processo galvânico o consumo de insumos equivale ao triplo de consumo em
uma peça no sputtering.
O valor mensal gasto com as despesas relacionadas a meio ambiente para produzir
peças cromadas é quase 6 vezes maior que o valor gasto com a questão ambiental na
produção de peças com deposição de alumínio. A quantidade de efluente gerada também é
muito superior para a mesma quantidade de peças. Enquanto no primeiro processo são
gerados 81,32m³, no processo de sputtering gera-se apenas 3m³ mensais. Este volume é
muito pequeno e é proveniente da cortina d’água das cabines de pintura de aplicação do
verniz UV, que trabalham em circuito fechado até saturação. O lodo gerado nas cabines
também é muito baixo, uma quantidade 50 vezes menor que na galvânica. O processo de
sputtering é totalmente seco e não gera resíduos.
Foram levantados também os dados de custos com EPI’s nos 2 processos. A
galvânica para a cromação de puxadores teria um custo mensal aproximado de R$ 2070,00.
Já no processo de deposição de alumínio por sputtering seriam necessários R$ 596,00. O
processo galvânico é crítico para a saúde ocupacional e acaba exigindo um uso maior de
EPI’s e trocas mais frequentes. A quantidade de EPI’s utilizada na deposição do alumínio
está mais ligada a aplicação de verniz UV do que a deposição de alumínio no equipamento.
O dado estimado está de acordo com as informações de Milosev e colaboradores
(1999), que afirmam que o sputtering é muito mais seguro para os operadores (NAVINSEK;
PANJAN; MILOSEV, 2000).
Analisando estes custos e a geração de resíduos pode-se concluir que, além de um
processo muito mais limpo, a deposição de alumínio por sputtering tem se demonstrado uma
alternativa sustentável para substituição do acabamento cromado, uma vez que reduz
custos, traz benefícios para os operadores e comunidade, e também para o meio ambiente.
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3.5 COMPARATIVO ENTRE OS RESULTADOS
A tabela 3 apresenta um resumo comparativo dos aspectos
analisados nas tecnologias de deposição estudadas.
Tabela 3 – Comparativo entre os processos estudados.
Cromo decorativo
Aspectos avaliados
Deposição
depositado na
de alumínio por
galvânica
sputtering + verniz
Salt Spray
OCP
Abrasão
120h
120h
Entre 1,05 e
Entre 1,05 e
-0,95 V
-0,95 V
Avaliação
do Sputtering em
Relação à
Galvânica
Equivalent
e
Equivalent
e
Equivalent
400 ciclos
400 ciclos
112000
485000
Investimento Inicial (R$)
925000,00
2515000,00
Custos de produção
0,32
0,11
3x Inferior
Coeficiente de risco (FMEA)
1808
608
3x Inferior
Custos Ambientais
11038,00
1940,00
2070,00
596,00
Capacidade produtiva mensal (
peças)
Custos mensais com Saúde
Ocupacional
e
4,3x
Superior
2,7x
Superior
5,7 x
Inferior
3,5 x
Inferior
4. CONCLUSÃO
A análise dos resultados experimentais, do diagnóstico ambiental e dos demais
levantamentos comparativos entre o processo de deposição de cromo realizado em
galvânica e o processo de deposição de alumínio através do sputtering permite que as
seguintes conclusões sejam apresentadas:
- A resistência à corrosão da peça cromada foi semelhante à resistência da peça com depósito
de alumínio, sem alterações após 120 h de ensaio.
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- O potencial de corrosão avaliado no ensaio de OCP foi equivalente entre os dois
acabamentos avaliados. A peça cromada apresentou variação de seu potencial, devido a
variação de camada depositada na peça.
- O diagnóstico ambiental demonstrou que a criticidade do processo galvânico é muito
maior que no processo de sputtering, principalmente devido a alta geração de resíduos.
- O levantamento dos investimentos iniciais necessários demonstrou que o valor
necessário para o processo de sputtering é maior.
- O cálculo da capacidade produtiva comparativa apontou que o processo de sputtering
tem maior velocidade de processo e, consequentemente, maior produção no mesmo espaço de
tempo.
- O levantamento dos custos para a produção indicou que os valores de insumos no
processo de sputtering é menor.
- O levantamento de custos ambientais e de EPI’s comprovou que o processo de
sputtering
gera menos resíduos e é menos crítico para a saúde ocupacional que o processo galvânico,
tendo, consequentemente, custos inferiores.
Os dados indicados acima indicam que o acabamento de alumínio depositado por sputtering
pode substituir o processo convencional de deposição de cromo através do processo galvânico
na peça estudada, trazendo ainda vantagens tais como um impacto ambiental muito menor,
melhoria na qualidade de vida do trabalhador, custo menores de insumos de produção e
ambientais.
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