6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO
th
6 BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING
11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil
April 11th to 15th, 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil
O EFEITO DA FOSFATIZAÇÃO SOBRE REVESTIMENTOS DE AÇOS
UTILIZADOS PARA CONFORMAÇÃO A FRIO NA INDÚSTRIA
AUTOMOBILÍSTICA.
Robson Luiz Carvalho de Moura, email1: [email protected]
Gilberto Walter Arenas de Miranda, email2: [email protected]
Universidade de Taubaté, Rua Daniel Danelli, s/n, Jardim Morumbi, Taubaté, SP, CEP 12060- 440
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. 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 (aço carbono) e a ferramenta de estampagem. Este trabalho tem por objetivo realizar o
estudo comparativo entre dois materiais utilizados na conformação a frio de peças automotivas de mesmo grau
de estampagem, espessura e composição química. No entanto, um deles possui revestimento eletrogalvanizado
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 Microscópio Eletrônico de
Varredura. 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.
Palavras-chave: Fosfatização1, Estampagem 2 , Eletrogalvanizado 3.
1. INTRODUÇÃO
A contínua 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 SAE 1005, que possui uma variação de espessura de 0.60 mm a 2.50 mm, esses aços são
divididos pelo seu grau de estampagem(Callister,2002).
Estes materiais são revestidos por camadas a base de Zinco que são divididas em chapas zincadas, chapas
galvanizadas por imersão a quente e chapas eletrogalvanizadas, podendo receber, estas últimas, uma camada
adicional de fosfato. A fosfatização sobre camadas de revestimento eletrogalvanizado para utilização na indústria
automobilística é um processo químico a partir do 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. Uma linha de fosfatização é composta por banhos de desengraxante alcalino
refinador, e de fosfato de zinco, alternados por tanques de enxágüe contínuo das peças, além do secador. 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 a
frio(Brandão,2005).
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. 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(Zackay,2009).
©
Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011
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Segundo Schröder (2004) 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). Por isso é de grande importância entender como a camada de fosfato atua sobre o revestimento
eletrogalvanizado e até onde o investimento nesta técnica será vantajoso, tendo o conhecimento que nos dias de
hoje a indústria automobilística utiliza o fosfato somente para peças externas dos carros(Zhang, 1999).
2. METODOLOGIA
O estudo da estampabilidade foi realizado a partir de chapas de aço SAE 1005 da mesma espessura e mesmo
grau de estampagem com tratamentos superficiais diferentes, uma revestida com zinco e outra revestida com
zinco e fosfatizada. Foram utilizadas chapas de espessura nominal de 0,75 mm. As amostras de cada um destes
materiais foram retiradas para ensaios de rugosidade, embutimento e tração, cujos detalhes serão descritos a
seguir. Em paralelo foram escolhidas peças para a avaliação do grau de estampagem do material da chapa. As
comparações foram realizadas entre amostras de chapas com revestimento de Zinco e com revestimento de Zinco
e camada fosfatizada.
As peças foram submetidas ao processo de estampagem industrial normal, que inclui repuxo, flangeamento e
recorte sendo utilizadas as mesmas ferramentas aplicadas na produção, sem nenhum tipo de adaptação ou ajuste
especial. As peças foram conformadas e analisadas na estamparia da General Motors do Brasil (GM) - São José
dos Campos.
3. ENSAIOS DE EMBUTIMENTO
Os ensaios de embutimento foram realizados no laboratório de recebimento de matéria-prima da General
Motors (GM) - São José dos Campos, seguindo-se a norma interna LTP 050. Os corpos de prova possuem forma
retangular, conforme as dimensões de 500mm x 100mm, e foram retirados transversalmente em relação a direção
de laminação. As amostras foram cortadas com o auxílio de uma guilhotina hidráulica.Os ensaios de
embutimento foram realizados em uma máquina de embutimento Erichsen, que mede a profundidade em mm da
deformação do material até a sua ruptura. 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 mostrado na Fig. (1).
Figura 1 - Ensaio de embutimento.
3.1. Resultados e discussão dos ensaios de embutimento
Inicialmente foram realizados ensaios de embutimento, para avaliar condições de estiramento puro em
ambas as condições (Fosfatizado e Eletrogalvanizado).
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-se o resultado obtido das
médias das amostras que foram de 10,8 para amostra fosfatizada e de 11,4 para amostra eletrogalvanizada,
notou-se uma pequena elevação nos resultados de embutimento da amostra eletrogalvanizada (0,6 mm de
embutimento), fato que não se relaciona a camada adicional de fosfato.
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Tabela 1 - Valores do estiramento puro em mm obtidos nos ensaios de embutimento, com amostras
Eletrogalvanizadas e Fosfatizadas.
AMOSTRAS FOSFATIZADAS – valores em mm
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
Média
10,8
Tabela 2 - Valores do estiramento puro em mm obtidos nos ensaios de embutimento para as amostras
com camada de revestimento Eletrogalvanizado.
AMOSTRA ELETROGALVANIZADA
– valores em mm
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
11,0
11,5
11,6
Média
11,4
4. ENSAIO DE TRAÇÃO
O ensaio de tração foi realizado em corpo de prova padronizado pela norma LTP 050, utilizando-se três
corpos de prova para cada amostra. A Fig.(2) representa o corpo de prova para o ensaio de tração, que foi
realizado na máquina universal de ensaios EMIC DL 10000, com um limite de deformação de 24 mm, e carga
máxima de 100 KN.
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Figura 2 - Corpo de prova para o ensaio de tração.
Os resultados obtidos pelo ensaio de tração foram fortemente influenciados pela anisotropia do material,
pelo tamanho de grão e pela porcentagem de impurezas.
Os resultados obtidos nos ensaios de tração são apresentados na Tab. (3) e (4), onde foi possível comprovar
que o processo de Fosfatização não interfere nas propriedades mecânicas. Ambos os materiais estão dentro das
especificações 140 a 210 MPa para o Limite de Escoamento, 270 MPa, valor mínimo de para Limite de
Resistência,e de 39 % valor percentual mínimo para alongamento.
Tabela 3 - Resultado das propriedades mecânicas da amostra Fosfatizada.
AMOSTRA FOSFATIZADA
Limite de escoamento (MPa)
Limite de resistência (MPa)
Alongamento (%)
196,3
326,9
41,39
Tabela 4-Resultados das propriedades mecânicas da amostra Eletrogalvanizada.
AMOSTRA ELETROGALVANIZADA
Limite de escoamento (MPa)
Limite de resistência (MPa)
Alongamento (%)
165,0
297,0
53,0
5. CARACTERIZAÇÃO POR MEV E EDS
Com o objetivo de avaliar a microestrutura e composição química das amostras dos materiais foram
utilizados: o Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) da marca Zeiss modelo EVO do laboratório de
caracterização microestrutural da GM e a análise química das camadas de revestimento verificadas por
Espectrometria de Energia Dispersiva de Raios-X (EDS) acoplado ao MEV.
O EDS é um acessório essencial no estudo de caracterização microscópica de materiais. Quando o feixe de
elétrons incide sobre um mineral, os elétrons mais externos dos átomos e os íons constituintes são excitados,
mudando de níveis energéticos. Ao retornarem para sua posição inicial, liberam a energia adquirida a qual é
emitida em comprimento de onda no espectro de raios-X. Um detector instalado na câmara de vácuo do MEV
mede a energia associada a esse elétron. Como os elétrons de um determinado átomo possuem energias distintas,
é possível, no ponto de incidência do feixe, determinar quais os elementos químicos estão presentes naquele
local e assim identificar em instantes que material está sendo observado. O diâmetro reduzido do feixe permite a
determinação da composição química em amostras de tamanhos muito reduzidos (< 5 µm), permitindo uma
análise quase que pontual.
5.1. Ensaio de MEV e EDS
A Fig.(3) apresenta uma micrografia realizada por MEV da amostra eletrogalvanizada. É possível observar
que a camada de Zinco apresenta porosidade elevada e baixa adesão ao metal base, fatos que ocasionam o
arrancamento da camada de revestimento eletrogalvanizado durante o processo de estampagem, podendo serem
originados defeitos como os denominados caroços, conforme mostrados na Fig. (4).
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Figura 3 - Camada com revestimento Eletrogalvanizado.
Figura 4 – Defeito tipo caroço gerado no processo produtivo.
A Fig.(5) mostra o material revestido e fosfatizado, nota-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 eletrogalvanizado preenchendo as falhas do eletrogalvanizado, ou devido ao processo de
fosfatização que ocorre em altas temperaturas.
Figura 5 - Amostra com revestimento Fosfatizado.
As Figuras (6) e (7) apresentam espectros de EDS de amostras eletrogalvanizadas, observa-se a presença de
elementos de Zinco juntamente com elementos de menor intensidade de Ferro e Carbono, provavelmente
oriundos do metal base.
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Figura 6 - Representação do Spectro 1 para amostra Eletrogalvanizada.
Figura 7 - Representação do Spectro 2 para amostra Eletrogalvanizada.
A Tab.(5) apresenta os resultados em porcentagem em peso, da análise quantitativa realizada por EDS para
as amostras eletrogalvanizadas .
Tabela 5 - Análise quantitativa por EDS da amostra Eletrogalvanizada (% em peso).
ESPECTRO
C (%)
Fe (%)
Zn (%)
TOTAL (%)
Espectro 1
10.76
0.61
88.63
100.00
Espectro 2
10.72
0.72
88.56
100.00
Foi realizada análise por EDS em três posições na camada de revestimento da amostra fosfatizada. No
espectro obtido da camada externa observaram-se pequenos picos de Zinco, Fósforo e a presença de Cálcio e
Magnésio em quantidades mais significativas. O Cálcio e o Magnésio são elementos da matéria prima para a
fosfatização utilizada no processo de Estampagem. No espectro obtido nas regiões mais próximas do substrato,
conforme Fig. (8) não foi possível observar a presença do Fósforo, Cálcio e Magnésio, com esses ensaios de
EDS representativos e de MEV foi comprovado que a amostra fosfatizada contém em sua camada superficial
elementos como Cálcio e Magnésio que são elementos característicos da composição química de materiais
fosfatizados enquanto que na amostra eletrogalvanizada o elemento mais presente foi o Zinco.
Essas observações comprovam que não há uma fusão entre a camada fosfatizada e a camada
eletrogalvanizada, deste modo podemos concluir que a melhoria se deve ao processo de fosfatização que ocorre
em altas temperaturas.
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Figura 8 - Espectro obtido na interface do substrato com a camada Eletrogalvanizada para amostra
Fosfatizada.
6. ENSAIO DE RUGOSIDADE
Para a verificação da rugosidade dos parâmetros de Rugosidade média(Ra ) foi utilizado um rugosímetro
Marh, modelo Perthometer M1 com impressora de perfis acoplada. Os corpos de prova na dimensão 300 X 300
foram cortados respeitando-se a distância de 50 mm da borda da chapa. Os ensaios foram realizados em amostras
retiradas transversalmente à direção de laminação, tendo sido realizadas cinco medições, desprezando-se a
medição mais alta e a mais baixa e, registrando-se a média das três medições restantes. Utilizou-se comprimento
de amostragem (cut off) de 2,5mm,onde avaliou-se a rugosidade nas duas faces de cada material.
Na Tab.6 a seguir pode observar-se que a amostra fosfatizada apresentou uma pequena diferença se
comparada com a amostra eletrogalvanizada, porém ficando ainda dentro do satisfatório pois torna-se viável em
peças que serão estampadas para painéis externos dos veículos, onde seu controle de qualidade é mais rigoroso
quando comparado a peças internas.
Tabela 6 - Representação dos valores de Ra e densidade da amostra Eletrogalvanizada.
TABELA DE MEDIÇÕES
INÍCIO
MEIO
FIM
Ra (μm)
Ra (μm)
Ra (μm)
1°
1,452
1,337
1,308
2°
1,459
1,208
1,357
3°
1,442
1,223
1,366
MÉDIA
1,451
1,256
1,344
POSIÇÃO
As Figuras 9 e 10 mostram as distribuições pontuais das variações de Ra das amostras eletrogalvanizada e
fosfatizada, obtidas através do ensaio de rugosidade.
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LINHA DE TOLERÂNCIA
MÁXIMO
μm
MÍNIMO
Ra
μm
Figura 9 - Representação da distribuição pontual dos valores de (Ra) da amostra Eletrogalvanizada.
MÍNIMO
LINHA DE TOLERÂNCIA
MÁXIMO
Ra
Figura 10 - Representação da distribuição pontual dos valores de (Ra) da amostra Fosfatizada.
7. AVALIAÇÃO DO PROCESSO PRODUTIVO
As amostras foram estampadas em prensas mecânicas Schüler com capacidade de 400 toneladas instaladas
na GM - São José dos Campos. As amostras entraram no ciclo normal, sem que fosse feita qualquer alteração
nos ajustes das ferramentas ou outras variáveis do processo. O critério para a escolha da peça (amostra) foi
selecionar itens nos quais fosse avaliado em estampagem o limite do material
Durante a produção das peças na GM - São José dos Campos é realizado o controle de qualidade de todas as
peças fabricadas, realizando-se também uma avaliação visual das mesmas, para observar eventuais defeitos
gerados no processo produtivo, como por exemplo, caroços. Os resultados obtidos através deste controle de
qualidade mostraram uma grande diferença entre os materiais estudados. A utilização do material fosfatizado
gerou uma grande redução no número de defeitos totais, principalmente de caroços, que passou de 3,2% para
0,8%, na produção total de peças, em um mesmo período de tempo. Foi observado também que os caroços
ocorrem devido ao arrancamento da camada de revestimento eletrogalvanizado durante o processo de
estampagem. As imagens obtidas através do MEV mostram claramente a baixa aderência que o revestimento
eletrogalvanizado possui com o metal base.
Na avaliação visual 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).
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8. CONCLUSÕES
 A utilização de chapas de aço com tratamento fosfatizado usadas em processos de estampagem
mostrou-se com maior eficiência em relação à redução de defeitos gerados no processo produtivo,
provocando:
 Redução de 3,2% para 0,8% dos caroços.
 Melhoria da aderência do revestimento ao metal base se comparado aos materiais utilizando
apenas a camada eletrogalvanizada.
 Através do estudo realizado é possível afirmar que a utilização de chapas com camada fosfatizada traz
melhorias a serem consideradas em peças utilizadas em painéis externos de veículos, onde o controle de
qualidade é mais rigoroso quando comparado a peças para uso interno do veículo.

9. REFERÊNCIAS
Brandão, A. C..2005, Redução de Massa em Elemento Estrutural de Veículos Automotivos através da utilização
de Aços de Alta Resistência; Dissertação de Mestrado; São Paulo; Universidade de São Paulo;
Callister, Jr. W..2002, Soares S. M. S.; Miranda, P. E. V., “Ciência e Engenharia de materiais: Uma
Introdução”. 5ª ed. Rio de Janeiro: LTC Editora, 589p.
pp.133.
Schröder, T.,2004, “Ausgekochter Stahl für das Auto von morgen”, Max Planck Forschung, 3; pp. 36-41.
Zackay, F.; Parker, E. R.; Fahr, D.; BUSCH, R., 2009, « The Enhancement of Ductility in High-Strength Steels”;
Transactions of the ASME, 60; 1967; 252-9.
Zhang, S. H., 1999, “Developments in Hydroforming; Journal of Materials Processing Technology”, v. 91; pp.
236-244.
10. DIREITOS AUTORAIS
Robson Luiz Carvalho de Moura ( General Motors )
Gilberto Walter Arenas de Miranda ( Prof. Dr. Universidade de Taubaté )
THE EFFECT OF PHOSPHATE CONVERSION COATING ON STEEL COATINGS USED FOR COLD
FORMING IN THE AUTOMOTIVE INDUSTRY.
Código de Aceite do Resumo : COF11- 0180
Summary: The coating of metallic surfaces by Phosphates used in the automotive industry is a chemical process
from which a thick Phosphate layer between 0.8 g/m² to 2.2 g/m² is crystallized on the metal surface coated
already. The Phosphate coating has several purposes, such as: increase the anchoring of ink to the substrate,
provide protection against corrosion for the lifetime of the product, act as solid lubricant in the cold-forming
processes, etc. Phosphate layer acts as solid lubricant in cold forming (stamping) by reducing the friction forces
between the metal surfaces (carbon steel) and stamping tool. This work aims to conduct a comparative study
between two materials used in cold forming parts of the same grade automotive stamping, thickness and
chemical composition. However, one of them has electro-galvanized coating and other electro-galvanized
coating plus an additional layer of Phosphate. Roughness tests were performed, mechanical tests of stamping,
traction and microstructural analysis by scanning electron microscope. The performance of two materials was
also evaluated in the industrial process of one-piece high severity embossing. The plate with Phosphate layer
presented reduction in the number of defects that are generated in the production process, despite other trials do
not show significant differences between the two materials.
Keywords: fosfatizada 1, Embossing 2, electro-galvanized 3.
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