Guia para análise de acabamento de superfície online e inline

08/11/2021

Artigo

O que é acabamento superficial?

O acabamento superficial é uma série de processos industriais que têm como objetivo principal alterar a superfície de uma determinada peça para obter propriedades específicas. Isso pode ser realizado de forma química, mecânica ou mesmo eletrônica com o objetivo de remover, alterar, adicionar ou remodelar o material que está sendo tratado.

Indústrias que utilizam técnicas de acabamento superficial

As técnicas de acabamento de superfície são usadas pela maioria das indústrias que fabricam peças industriais (por exemplo, metais, wafers, ferramentas e muito mais). O uso de processos de acabamento superficial tem aumentado globalmente e espera-se que cresça ainda mais. Um artigo publicado por Pesquisa Grand View (2019) previu que o tamanho do mercado de produtos químicos para acabamento de metais deverá crescer para US$ 13,52 bilhões até 2025.

As pessoas pensam principalmente em polir e lixar quando se trata de acabamento superficial, mas é muito mais do que isso. Diversas indústrias utilizam diferentes processos para tratar superfícies com o objetivo principal de obter a mais alta qualidade do produto. De acordo com a Grand View Research, as três principais indústrias com maior participação no mercado de produtos químicos para superfícies metálicas são automotivo e aeroespacial, semicondutores, e a indústria metalúrgica (por exemplo, maquinaria industrial, construção).

Diagrama com as cinco principais aplicações industriais que incorporam técnicas de acabamento de superfície (gráfico reaproveitado da Previsão Global do Mercado de Produtos Químicos de Acabamento de Metal para 2021).

Figure 1. Diagrama com as cinco principais aplicações industriais que incorporam técnicas de acabamento de superfície (gráfico reaproveitado da Previsão Global do Mercado de Produtos Químicos de Acabamento de Metal para 2021).

figura 1 (reaproveitado de Previsão global do mercado de produtos químicos para acabamento de metais para 2021) mostra que o acabamento superficial é utilizado principalmente na indústria automobilística. Aqui, galvanoplastia e galvanoplastia são os principais processos utilizados para proteção contra corrosão. O processo de galvanoplastia consiste em utilizar eletricidade para revestir um material (por exemplo, cobre) com uma fina camada de outro material (por exemplo, níquel). O revestimento eletrolítico é realizado com processos químicos que reduzem os cátions metálicos em um banho e os depositam como uma camada uniforme, mesmo em superfícies não condutoras.

O próximo é o Indústria de semicondutores, que inclui o processo de fabricação e limpeza de superfícies de peças elétricas e eletrônicas, bem como pastilhas de silício. Esta indústria envolve processos de galvanização (por exemplo, galvanização sem eletrólito), bem como banhos de limpeza química. Banhos de limpeza química são usados aqui para remover quaisquer contaminantes das superfícies do wafer.

Finalmente chega o indústria metalúrgica, responsável por criar a infraestrutura da qual depende o nosso mundo moderno. Aqui, o processo de galvanização é usado para tornar o metal resistente à corrosão e ao calor. A galvanização é uma medida anticorrosiva tomada com ferro e aço (bem como com outros metais) através da aplicação de um revestimento protetor de zinco que não permite a ocorrência de oxidação. O zinco também atua como ânodo de sacrifício que ainda protege o metal subjacente no caso de um arranhão na superfície galvanizada. Os banhos de decapagem são outro processo de acabamento superficial comum nesta indústria. Esses banhos ácidos são utilizados para remover a camada de óxido que se formou na superfície durante o laminador de tiras a quente. Se o aço base for excessivamente decapado, isso pode resultar em corrosão na superfície do metal, levando a um revestimento áspero e empolado indesejável nas etapas subsequentes de galvanização e também consome excessivamente o ácido de decapagem (por exemplo, HCl).

Muito mais do que apenas revestimentos decorativos

As aparências importam? Ao falar sobre produtos, absolutamente! Uma das razões pelas quais as superfícies dos produtos são tratadas é para que tenham uma aparência mais agradável ao consumidor, mas também por razões mais técnicas que vão além da aparência. Como os processos de acabamento superficial são utilizados em uma ampla gama de indústrias, eles atendem a finalidades diferentes dependendo dos usos dos produtos finais.

Na indústria de semicondutores, qualquer defeito nos componentes (por exemplo, pastilhas de silício, microeletrônica, placas de circuito impresso, etc.) pode impactar o desempenho do produto final. Portanto, manter as concentrações adequadas de todos os componentes no banho de limpeza química garante um processo de ataque repetível, o que para este fim significa o eliminação de defeitos superficiais.

Outro exemplo inclui os banhos de fosfatação, que são usados para melhorar a resistência à corrosão das peças de produtos utilizadas na indústria automotiva e aeroespacial. Este processo é realizado antes de qualquer pintura para proteger a estrutura da carroceria dos fatores ambientais. Os banhos de fosfatação também precisam ser mantidos consistentes para garantir a espessura correta (e idêntica) da camada protetora em cada um dos produtos submetidos a este processo.

Confira nosso webinar gratuito sobre como A Tecnologia Analítica de Processo (PAT) traz medições analíticas diretamente ao processo para tomada de decisões em tempo real, garantindo um alto nível de controle para banhos de revestimento e acabamento e eliminando riscos desnecessários para o pessoal da fábrica. Aprenda sobre estudos de caso reais e aplicações testadas em campo que demonstram as vantagens da química de banho otimizada e do PAT na indústria de tratamento de superfície.

Webinar sob demanda: Química aprimorada de acabamento de superfície por meio de análise de processo

Desafios nos processos de acabamento superficial: manutenção diária do banho

Como qualquer processo, o acabamento superficial apresenta desafios diários que podem ser melhorados. A melhoria só pode advir do conhecimento da composição do banho e de como ela afeta o produto final. Geralmente, o monitoramento da concentração de banhos químicos é feito através de amostragem manual e titulação em um laboratório local (em alguns casos, por um laboratório contratado externo). Embora este método funcione, pode levar a longos tempos de espera desde o momento em que a amostra é coletada até o resultado final - portanto, o os resultados não são mais representativos das condições atuais do processo. Por causa desse atraso, o reabastecimento do banho pode ser prejudicado pela dosagem excessiva ou insuficiente dos componentes, levando a uma composição do banho abaixo do ideal e à qualidade do produto resultante (Figura 2).

Um gráfico irregular como este indica uma qualidade de banho que sofre de condições abaixo do ideal. Uma linha relativamente plana sugeriria uma composição de banho estável ao longo do tempo, resultando em acabamento superficial reprodutível de alta qualidade.

Figure 2. Um gráfico irregular como este indica uma qualidade de banho que sofre de condições abaixo do ideal. Uma linha relativamente plana sugeriria uma composição de banho estável ao longo do tempo, resultando em acabamento superficial reprodutível de alta qualidade.

A análise manual do banho e a dosagem de produtos químicos com base em dados antigos influenciam diretamente os resultados financeiros da empresa, uma vez que o fabricante perde dinheiro com o uso excessivo de produtos químicos para banho ou com a produção de produtos abaixo da média. Quanto maior o volume do banho de galvanização, maior será o custo dos produtos químicos utilizados. Os banhos de acabamento de superfície podem ter até 3.500 L (1.000 galões) ou mais. Assim, é extremamente importante otimizar a dosagem de produtos químicos para reduzir custos e desperdícios desnecessários e, ao mesmo tempo, proporcionar a máxima qualidade.

Se os banhos forem overdose, são utilizados mais produtos químicos do que o necessário, o que aumenta os custos operacionais globais. No entanto, se os banhos forem subdosado com base em dados antigos, os produtos finais podem apresentar defeitos, o que também resulta em aumento dos custos operacionais.

Além disso, os processos de acabamento superficial envolvem muitas substâncias perigosas. Ao realizar qualquer avaliação de risco, o primeiro recurso é o uso de equipamento de proteção individual (EPI), e quaisquer riscos potenciais de exposição devem, idealmente, ser eliminados de qualquer processo.

A análise automatizada dos componentes do banho com um analisador de processo on-line ou em linha elimina completamente o risco de exposição do pessoal da planta aos perigos associados aos produtos químicos utilizados, além de cuidar do pré-condicionamento da amostra e da própria amostragem. Com um controle de malha fechada, são obtidas medições rápidas que levam a resultados e tempos de resposta rápidos para ajustes otimizados do processo.

A solução: operar com mais segurança e eficiência com análise automatizada de processos

A análise do processo por titulação manual normalmente leva várias etapas: coleta de amostras, pré-condicionamento da amostra, manipulações volumétricas, cálculo, registro e verificação de resultados e, finalmente, envio de feedback ao processo. Tudo isso pode ser totalmente eliminado usando análise online e inline.

Os benefícios disso são muito claros. Ao limitar as etapas de manuseio manual, qualquer risco de exposição a produtos químicos perigosos é eliminado. Erros de amostragem, erros volumétricos e ambigüidade de ponto final de analista para analista não são mais um problema. Além disso, a amostragem pode ser realizada de forma programada e programada para ocorrer com mais frequência do que seria possível com métodos manuais, proporcionando um controle de processo muito maior.

O analisador pode ser usado para controlar totalmente um processo com feedback direto dos resultados para a dosagem correta de produtos químicos para banhos de envelhecimento. Os dados são registrados e calculados automaticamente. Gráficos e sinais na tela podem alertar sobre condições divergentes do processo, juntamente com saídas de alarme para notificar os operadores sobre problemas no banho. A interface do usuário é programada por operação simples e intuitiva e pode ser executada até mesmo por não químicos.

https://s7e5a.scene7.com/is/image/metrohm/surface-finishing-process-figure-1200px?ts=1728021010848&dpr=off

Benefícios da análise online e inline em processos de acabamento superficial:

Diminua o trabalho manual – economize tempo e dinheiro
Ambiente de trabalho mais seguro – evite contato com produtos químicos perigosos
Tempo de resposta mais rápido para mudanças no processo – melhor qualidade do produto
Consumo otimizado de produtos químicos – menos desperdício, custos reduzidos

Metrohm Process Analytics tem mais de 45 anos de experiência na análise e otimização de processos. Os exemplos a seguir mostram nossa experiência na configuração de analisadores de processos inline e online para diferentes processos de acabamento superficial.

Aprenda sobre as diferenças entre em linha, on-line, atline, e desligada medições em nosso postagem anterior do blog.

Somos pioneiros: Metrohm Process Analytics

Monitoramento automatizado de banhos limpos e condicionadores

As superfícies metálicas podem apresentar arranhões, impurezas e outras imperfeições que podem interferir em outros processos de fabricação (por exemplo, galvanização ou pintura). Portanto, limpar e gravar banhos são um passo fundamental para obter superfícies limpas, polidas e sem danos.

O Metrohm Process Analytics 2060 O NIR Process Analyzer é mostrado aqui com um diagrama da configuração do sistema de espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS) em linha para análise de banho de limpeza.

Figure 4. O Metrohm Process Analytics 2060 O NIR Process Analyzer é mostrado aqui com um diagrama da configuração do sistema de espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS) em linha para análise de banho de limpeza.

Tradicionalmente, esses produtos químicos para banho são medidos off-line no laboratório, após a coleta de uma amostra do processo. Porém, como mencionado anteriormente, os métodos laboratoriais manuais resultam em longos tempos de resposta em caso de alterações no processo (por exemplo, mistura reacional, níveis de umidade, etc.), e o preparo da amostra também pode introduzir erros, alterando a precisão da análise. Além disso, pode ser bastante complicado, uma vez que diferentes procedimentos operacionais precisam ser implementados para analisar vários parâmetros, incluindo alcalinidade, hidróxido de amônio, peróxido de hidrogênio e muito mais.

Outro exemplo de limpeza de banhos são banhos ácidos mistos, geralmente composto de ácido sulfúrico, ácido fluorídrico e ácido nítrico. A titulação fornece apenas o valor ácido da amostra analisada; portanto, não é possível saber quanto de um ácido específico está presente nos banhos. No entanto, a espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS) é a técnica analítica perfeita para monitorar cada ácido individualmente.

Figure 5. Célula de fluxo clamp-on de fibra única de PTFE da Metrohm Process Analytics.

Sem reagentes Analisadores de Processo NIRS XDS permitem a comparação de dados espectrais em tempo real do processo com um método primário (por exemplo, titulação) para criar um modelo simples, mas indispensável para a otimização do processo. NIRS é econômico e rápido, possibilitando análises qualitativas e quantitativas que são não invasivo e não destrutivo. A integração de técnicas espectroscópicas em linha permite que os operadores obtenham mais controle sobre o processo de produção e aumentem a segurança geral.

Além dos analisadores de processos NIRS, a Metrohm Process Analytics pode projetar e personalizar células de fluxo (Figura 5). Eles são fixados em tubos já presentes no local para fácil instalação, sem necessidade de modificar a configuração existente.

Baixe nossa Nota de Solicitação de Processo gratuita abaixo para obter mais informações.

Monitoramento de parâmetros de qualidade em banhos de limpeza padrão – Meça hidróxido de amônio, peróxido de hidrogênio e ácido clorídrico simultaneamente com análise em linha

Monitoramento automatizado de banhos de fosfatização

O processo de fosfatização produz um revestimento de superfície duro e eletricamente não condutor que adere firmemente ao metal subjacente. Esta camada protege contra a corrosão e melhora a aderência das tintas e acabamentos orgânicos a aplicar posteriormente.

A fosfatização consiste em duas partes: uma reação de ataque com ácido fosfórico que aumenta a rugosidade da superfície, e uma segunda reação na superfície entre os fosfatos alcalinos e os íons metálicos gerados anteriormente. Este revestimento é bastante fino e oferece apenas proteção básica contra corrosão. A adição de cátions metálicos (como zinco, manganês e cálcio) ao banho de fosfatização resulta na formação de fosfatos de zinco muito resistentes com espessura de revestimento entre 7–15 vezes mais espesso, perfeitamente adequado para uso externo.

Figure 7. O Analisador de Processo 2060 da Metrohm Process Analytics é uma solução ideal para aplicações de banho de fosfatização on-line.

Nos banhos de limpeza, desengorduramento e enxágue, e também no próprio banho de fosfatização (Figura 6), os diversos parâmetros envolvidos no processo devem ser mantidos estáveis. Condutividade, valor de pH, alcalinidade livre e alcalinidade total estão entre os principais parâmetros que devem ser determinados nos banhos de desengorduramento e enxágue. Ácidos livres e totais, acelerador, zinco e flúor são monitorados em banhos de fosfatização. O Analisador de Processo 2060 da Metrohm Process Analytics (Figura 7) monitora, registra e documenta todos esses parâmetros críticos ao mesmo tempo. A combinação de diferentes métodos analíticos dentro de um sistema, bem como o manuseio intuitivo através da interface de usuário bem organizada garantem monitoramento fácil e confiável de todo o processo.

Confira nossa nota de aplicação de processo relacionada gratuita para saber mais.

Análise on-line do conteúdo de íons de níquel e hipofosfito em banhos de niquelagem sem eletrólito

Resumo

Os analisadores de processos online e inline da Metrohm Process Analytics são a solução ideal para automatizar a análise de processos de acabamento superficial devido aos benefícios abrangentes que oferecem:

Não é necessária amostragem manual, portanto, menos exposição do pessoal a produtos químicos perigosos
Estendido vida no banho apertando as janelas do processo (menos produtos químicos necessários)
Minimize o risco de tempo de inatividade com dados mais rápidos e precisos
Conformidade mais fácil com os requisitos do produto final por meio da automação de processos