O Guia da Oxidação Eletrolítica por Plasma (PEO)

A história da metalurgia tem sido uma busca pelo metal perfeito. As pessoas sempre procuraram o metal mais barato, mais leve e, ao mesmo tempo, mais forte.

Bem, tal coisa não existe. Os metais baratos e leves não são fortes. Os metais fortes e leves não são baratos. Percebe-se a ideia.

O processo de anodização foi um passo em frente. Transforma metais leves e torna-os resistentes à corrosão, ou seja, mais fortes. No entanto, também tem de lidar com emissões tóxicas e com a curta vida útil dos seus componentes.

No final do século XX, os engenheiros descobriram o revestimento por oxidação eletrolítica por plasma. Ainda há margem para ajustes, claro. No entanto, os cientistas esperam que este procedimento venha a mudar a forma como a humanidade trata os metais.

O que é a Oxidação Eletrolítica por Plasma (PEO)?

A oxidação eletrolítica por plasma (PEO) é um método para criar camadas de cerâmica de óxido sobre metais. Também é designada por oxidação por micro-arco (MAO) e oxidação eletrolítica por plasma (EPO).

Este processo imita a anodização. Também envolve a imersão da peça metálica numa solução eletrolítica. A principal diferença é que a PEO utiliza potenciais mais elevados e, por sua vez, produz um campo elétrico mais intenso.

Como resultado, ocorrem descargas e faíscas dentro da solução, que alteram a estrutura da peça revestida. A camada exterior do metal é quimicamente convertida no seu óxido, que cresce para dentro e para fora a partir da superfície.

As Funções da Oxidação Eletrolítica por Plasma

Os revestimentos proporcionados pelo processo de oxidação eletrolítica por plasma conferem várias características aos metais.

Para começar, tornam-nos mais resistentes ao desgaste, ao calor e à corrosão. Isso significa que os metais mais fracos (e mais baratos) se tornam mais fortes.

As camadas de cerâmica de óxido da PEO também proporcionam estabilidade química. Os metais tratados não reagem com o ambiente. Assim, mantêm as suas propriedades úteis durante mais tempo em circunstâncias normais.

Por último, mas não menos importante, estes metais melhoram as suas capacidades de isolamento elétrico. Dessa forma, podem servir para novas aplicações e para utilizações sujeitas a elevado desgaste.

• Mais resistente ao desgaste
• Mais resistente à corrosão
• Mais resistente ao calor
• Quimicamente estável
• Eletricamente isolado

História do desenvolvimento

Como referido, o antecessor da oxidação eletrolítica por plasma é a anodização. Este tipo de passivação eletrolítica foi utilizado industrialmente pela primeira vez na década de 1920. Teve uma aplicação importante na arquitetura.

No entanto, na década de 1960, a anodização foi, em grande parte, substituída pela pintura em pó. Este processo era mais rápido, menos poluente e as camadas de proteção que proporcionava eram mais espessas.

O que voltou a despertar o interesse científico pela oxidação em banho foi a corrida espacial. No início da década de 1970, os engenheiros soviéticos descobriram a PEO e começaram a fazer experiências com ela. Uma década e meia mais tarde, havia peças revestidas com PEO na Estação Espacial Mir.

No entanto, o processo continuou em grande parte imprevisível. Mesmo com o início do novo século, a realidade parecia não corresponder às previsões feitas em laboratório. A diferença entre os resultados teóricos e experimentais era demasiado grande para declarar vitória.

Ultimamente, porém, algumas empresas como a Keronite e a IBC conseguiram-no. Afirmam ter aperfeiçoado este procedimento imprevisível e dispendioso. Agora, dizem, é algo industrialmente viável.

As Vantagens do Revestimento por Oxidação Eletrolítica por Plasma

O processo de oxidação eletrolítica por plasma apresenta inúmeras vantagens em relação à anodização.

O revestimento cerâmico que proporciona atinge o ponto de cristalização, o que significa um produto final mais forte.

O pré-tratamento do material também é muito mais simples. Ao contrário do que acontece na anodização, a maioria dos componentes só necessita de uma desengorduramento ligeiro para estar pronta para a PEO.

Neste processo, os eletrólitos utilizados podem transmitir algumas das suas propriedades à cerâmica. Isso significa que podem ser alterados consoante a utilização prevista para a peça resultante.

Além disso, é um processo amigo do ambiente. Todo o procedimento é limpo e isento de metais pesados.

Em suma, a PEO é melhor do que a anodização porque:

• Resulta num produto mais forte, devido à cristalização
• O seu pré-tratamento é muito mais simples
• A cerâmica incorpora propriedades dos eletrólitos
• É um processo limpo

As Desvantagens do Revestimento por Oxidação Eletrolítica a Plasma

Como em qualquer novo método, há margem para melhorias nos revestimentos por oxidação por micro-arco.

Por exemplo, quando comparado com processos tradicionais como a anodização, continua a ser dispendioso. Considerando tudo, o custo de revestir 1 m² de metal é de 2 a 5 dólares.

O procedimento também exige uma temperatura e pressão muito elevadas. Isso, por sua vez, afeta a quantidade de energia necessária para operar o equipamento. Além disso, reduz a vida útil dos eletrólitos.

Em suma, o PEO pode ainda não estar pronto para aplicações industriais generalizadas. Eis o porquê:

O procedimento também exige uma temperatura e pressão muito elevadas. Isso, por sua vez, afeta a quantidade de energia necessária para operar o equipamento. Além disso, reduz a vida útil dos eletrólitos.

Em suma, o PEO pode ainda não estar pronto para aplicações industriais generalizadas. Eis o porquê:

• Requer temperatura e pressão elevadas
• Consome uma grande quantidade de energia
• Requer a substituição contínua dos eletrólitos
• É demasiado caro

Que Metais Podem Ser Oxidados por Micro-Arco?

A oxidação por micro-arco funciona especificamente em metais válvula, bem como na maioria das suas ligas. O que são metais válvula? São um grupo que inclui alumínio, magnésio, titânio, zircónio, tântalo, nióbio, háfnio e cobalto.

A sua principal característica é que produzem naturalmente uma camada de óxido passivante. O que o PEO faz é converter esse óxido em formas cristalinas, que são muito mais duras.

Na prática, o processo é utilizado para ligas de alumínio, magnésio e titânio. Os outros metais listados são muito mais caros.

Em resumo, estes metais podem ser oxidados por micro-arco:

• Alumínio
• Magnésio
• Titânio
• Zircónio
• Tântalo
• Nióbio
• Háfnio
• Cobalto
• A maioria das suas ligas

Exemplos de Produtos de Aplicação

Devido às propriedades extraordinárias que o PEO confere aos metais leves, tem uma vasta gama de aplicações. No entanto, devido ao seu elevado custo, a sua utilização tem sido algo limitada.

Aeroespacial, empresas militares, médicas e tecnológicas estão entre os seus utilizadores.

Por exemplo, as empresas aeroespaciais revestem as suas ligas leves com PEO para as tornar mais resistentes. O Exército dos EUA testou-o nas cabeças dos pistões e nas bombas de combustível dos Humvees. Estas peças ganharam resistência ao calor e maior longevidade. A área médica também utiliza a oxidação por micro-arco para construir melhores próteses de substituição óssea. As empresas tecnológicas revestem as carcaças dos seus telemóveis com PEO.

O PEO tem sido aplicado, entre outras coisas, a:

• Peças aeroespaciais
• Peças de veículos militares
• Próteses de substituição óssea
• Carcaças de telemóveis

Como Revestir uma Peça com o Método de Oxidação Eletrolítica a Plasma?

O método de oxidação eletrolítica a plasma é um processo complicado. Requer uma preparação minuciosa e as seguintes etapas.

Etapa 1. Desengorduramento

Para que o processo funcione, os substratos – ou seja, os metais a revestir – têm de se apresentar na sua forma mais pura. Partículas e sujidade têm consequências negativas no resultado. Assim, embora possa parecer limpo, o metal é submetido a um procedimento de desengorduramento.

Primeiro, o desengorduramento envolve a utilização de lixa extremamente fina. Isto deixa a amostra de metal polida até um acabamento espelhado.

Em seguida, a peça é limpa por ultrassons em acetona, etanol e água destilada. Quando quaisquer partículas aderentes tiverem sido removidas, o metal está pronto para o tratamento.

Etapa 2. Oxidação por micro-arco

Uma parte fundamental do tratamento MAO é a célula eletrolítica. Esta, por sua vez, tem três componentes: um eletrólito e dois elétrodos (cátodo e ânodo).

O metal a transformar funciona como ânodo, e o cátodo é geralmente uma placa de aço inoxidável.

Ambas as peças são submersas numa solução eletrolítica aquosa. Este ambiente líquido pode variar consoante as propriedades necessárias para o material resultante. Por exemplo, uma experiência realizada por cientistas chineses e coreanos utilizou carbonato de sódio, fosfato de sódio e acetato monohidratado. Para produzir as descargas necessárias, utilizaram uma fonte de alimentação pulsada.

A tensão situou-se entre 200 e 500 V, a frequência de pulso foi de 900 Hz, o ciclo de trabalho foi de 3% e o tempo de duração, de 5 minutos.

Etapa 3. Selagem

Após a oxidação por micro-arco, a amostra é novamente lavada com água destilada. Em seguida, é deixada a secar à temperatura ambiente.

Esta última fase do processo é necessária para que as camadas de óxido vedem. Cresceram para dentro e para fora a partir da superfície do metal. A adesão é tão forte quanto possível, de uma forma que nenhum outro procedimento consegue garantir.

Equipamento necessário no processamento de oxidação eletrolítica por plasma

O equipamento de oxidação eletrolítica por plasma desempenha um papel fundamental no processo. As máquinas utilizadas requerem afinação e os seguintes componentes.

1. Fonte de alimentação para oxidação por micro-arco

Para atingir as condições de temperatura e pressão necessárias, a primeira coisa de que precisa é de uma fonte de alimentação eficaz.

Vamos comparar duas máquinas diferentes. Uma pertence ao Gordon Laboratory, propriedade da Universidade de Cambridge. Tem uma capacidade de 25 litros e a sua potência de saída tem de atingir um máximo de 10 kW.

Porquê? Primeiro, a máquina tem de funcionar a uma frequência de 50 Hz. Aplica também potenciais anódicos até 600 V e potenciais catódicos até 200 V. Estes potenciais são ajustados para manter uma corrente estável de 1,5 kA por metro quadrado.

A segunda máquina pertence à empresa Keronite. Oferece revestimentos PEO a nível industrial. Para esse efeito, tem de fornecer 300 kW de potência para capacidades até 3500 litros.

A energia é fornecida em pulsos extremamente curtos. Isto permite que picos de energia muito elevados cheguem à célula eletrolítica, maximizando assim a eficiência do processo.

2. Tanque de oxidação por micro-arco e instalações de apoio

Como foi referido, o revestimento MAO é feito por imersão. Isto significa que o substrato é colocado num tanque, onde é coberto por uma solução eletrolítica aquosa.

As soluções variam consoante as características pretendidas para o revestimento. A anodização utilizava habitualmente ácido sulfúrico (H2SO4), altamente poluente. A MAO, por sua vez, utiliza soluções descartáveis e limpas, na sua maioria proprietárias.

Um sistema de circulação de arrefecimento completa o design do tanque. Através de tubos que entram em contacto com a solução, proporciona formas de baixar a temperatura do processo.

3. Material do cátodo

As células eletrolíticas requerem um ânodo e um cátodo. As amostras de substrato funcionam como ânodos. Um material inerte, normalmente aço inoxidável, serve como cátodo.

Como os ânodos e os cátodos não podem estar em contacto, as amostras ficam suspensas num suporte durante todo o processo.

Perguntas frequentes

Conclusão

A oxidação eletrolítica por plasma está a substituir a anodização como o método número um para melhorar industrialmente os metais leves. Após décadas de investigação, o processo foi afinado para tornar os metais baratos mais resistentes ao calor e à corrosão.

A PEO ainda é dispendiosa e requer tecnologia de ponta. No entanto, empresas e universidades estão a trabalhar para a generalizar.