LIMPIEZA Y TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
LIMPIEZA QUÍMICA
Una superficie común está cubierta con diversas películas, aceites, suciedad y otros contaminantes (sección 5.2.1). Mientras que algunas de estas sustancias pueden operar en una forma benéfica (como la película de óxido en el aluminio), por lo general resulta deseable remover los contaminantes de las superficies. En esta sección se revisarán algunas consideraciones generales relacionadas con la limpieza y los principales procesos de limpieza química usados en la industria.
Algunas de las razones importantes por las que deben limpiarse las piezas (y productos) manufacturados son: 1) preparar la superficie para un procesamiento industrial posterior, como una aplicación de recubrimiento o una unión pegada; 2) mejorar las condiciones de higiene para los trabajadores y clientes; 3) remover contaminantes que pudieran reaccionar químicamente con la superficie y 4) mejorar la apariencia y el desempeño del producto.
Consideraciones generales en la limpieza
No existe un método único que pueda usarse para todas las tareas de limpieza. De la misma forma que en el hogar se requieren diferentes jabones y detergentes para distintas labores (lavado de ropa, de platos, pulido de ollas, limpieza de la tina de baño, etcétera), también se requieren distintos métodos para solucionar diferentes problemas de limpieza en la industria. Los factores importantes en la selección de un método de limpieza son: 1) el contaminante que debe removerse, 2) el grado de limpieza requerido, 3) los materiales de los sustratos que van a limpiarse, 4) el propósito de la limpieza, 5) los factores ambientales y de seguridad, 6) el tamaño y la geometría de la pieza y 7) los requerimientos de producción y de costo.
En las superficies de las piezas se acumulan diversos tipos de contaminantes, ya sea debido a un procesamiento anterior o al ambiente de la fábrica. Para seleccionar el mejor método de limpieza, primero debe identificarse lo que se va a limpiar. Por lo general, los contaminantes superficiales que se encuentran en la fábrica se dividen en una de las siguientes categorías: 1) grasa y aceite, entre los cuales están muchos lubricantes usados en el procesado de metales; 2) partículas sólidas tales como virutas de metal, pulimentos abrasivos, suciedad, polvo y materiales similares; 3) compuestos para abrillantado y pulido y 4) películas de óxido, herrumbre e incrustaciones.
El grado de limpieza se refiere a la cantidad de contaminante que queda después de una operación de limpieza dada. Las piezas que se preparan para recibir un recubrimiento (por ejemplo, una capa de pintura o una película metálica) o adhesivo deben estar muy limpias; de lo contrario, se pone en riesgo la adhesión del material de recubrimiento. En otros casos, puede ser deseable que la operación de limpieza deje un residuo en la superficie de la pieza para protegerla contra la corrosión durante el almacenamiento; reemplaza un contaminante en la superficie por otro que es benéfico. Con frecuencia es difícil medir el grado de limpieza en una forma cuantificable. La prueba más simple es el método de frotado, en el cual se frota la superficie con una tela limpia y blanca y se observa la cantidad de manchas que ésta absorbe. Es una prueba no cuantitativa pero sencilla.
La selección de un método de limpieza debe considerar el material de sustrato para no producir reacciones dañinas mediante productos químicos de limpieza. Por citar varios ejemplos: la mayoría de los ácidos y álcalis disuelven el aluminio; el magnesio es atacado por muchos ácidos; el cobre es atacado por los ácidos oxidantes (por ejemplo, el ácido nítrico); los aceros son resistentes a los álcalis, pero reaccionan con casi todos los ácidos.
Algunos métodos de limpieza son convenientes en la preparación de una superficie para pintura, mientras que otros son mejores para el chapeado. La protección ambiental y la seguridad del trabajador se vuelven cada vez más importantes en los procesos industriales. Deben seleccionarse los métodos de limpieza y los materiales químicos asociados para evitar la contaminación y los riesgos a la salud.
Procesos de limpieza química
La limpieza química usa diversos tipos de productos químicos para realizar la remoción de contaminantes superficiales. Los principales métodos de limpieza química son: 1) limpieza alcalina, 2) limpieza con emulsión, 3) limpieza con solventes, 4) limpieza con ácido y 5) limpieza ultrasónica. En algunos casos, la acción química se aumenta mediante otras formas de energía; por ejemplo, la limpieza ultrasónica usa vibraciones mecánicas de alta frecuencia combinadas con limpieza química. En los párrafos siguientes, se analiza cada uno de estos métodos químicos.
Limpieza alcalina Éste es el método de limpieza industrial con un uso más extendido. Como lo indica su nombre, la limpieza alcalina emplea un álcali para remover aceites, grasa, cera y diversos tipos de partículas (residuos metálicos, sílice, carbono e incrustaciones ligeras) de una superficie metálica. Las soluciones para limpieza alcalina constan de sales solubles en agua de bajo costo, como el hidróxido de sodio y el de potasio (NaOH, KOH), el carbonato de sodio (Na2 CO3 ), el bórax (Na2 B4 O7 ) y fosfatos y silicatos de sodio y potasio, combinados con dispersantes y suavizantes en agua. Por lo general, la aplicación es mediante inmersión o aspersión, a temperaturas de 50 a 95 °C (120 a 200 °F). Después de la aplicación de la solución alcalina, se usa un enjuague con agua para remover los residuos de álcalis. Las superficies metálicas que se limpian mediante soluciones alcalinas están típicamente trabajadas con galvanoplastia o recubiertas por conversión.
La limpieza electrolítica, también denominada electrolimpieza, es un proceso relacionado en el cual se aplica una corriente directa de 3 a 12 volts a una solución de limpieza alcalina. La acción electrolítica provoca la generación de burbujas de gas en la superficie de las piezas, lo que ocasiona una acción de frotación que ayuda a la remoción de películas de suciedad cohesivas.
Limpieza con emulsión Este método de limpieza usa solventes orgánicos (aceites) dispersos en una solución acuosa. El uso de emulsificantes convenientes (jabones) produce un fluido de limpieza en dos fases (aceite en agua), que funciona mediante la disolución o emulsificación de la suciedad en la superficie de la pieza. El proceso puede usarse sobre piezas metálicas o no metálicas. Después de la limpieza con emulsión debe hacerse una limpieza alcalina para eliminar todos los residuos del solvente orgánico antes de aplicar el chapeado.
Limpieza con solventes En la limpieza con solventes, la suciedad orgánica, como el aceite y la grasa, se remueve de una superficie metálica mediante productos químicos que la disuelven. Las técnicas de aplicación comunes incluyen el frotamiento manual, la inmersión, la aspersión y el desengrasado con vapor. El desengrasado con vapor usa vapores calientes de solventes para remover aceites y grasas de las superficies de las piezas. Los solventes comunes incluyen el tricloroetileno (C2 HCl3 ), el cloruro de metileno (CH2 Cl2 ) y el percloroetileno (C2 Cl4 ), todos los cuales tienen puntos de ebullición relativamente bajos.1 El proceso de desengrasado con vapor consiste en calentar el líquido solvente hasta su punto de ebullición en un contenedor para producir vapores calientes. Después, las piezas que van a limpiarse se introducen en el vapor, el cual se condensa sobre la superficie relativamente fría de la pieza, disolviendo los contaminantes que se precipitan al fondo del contenedor. Las bobinas de condensación que se encuentran en la parte alta del contenedor evitan que el vapor escape del tanque hacia la atmósfera circundante. Esto es importante porque los solventes utilizados se clasifican como contaminantes peligrosos para el aire, de acuerdo con el Acta de Aire Limpio de 1992 [5].
Limpieza y baño químico con ácido La limpieza con ácido remueve aceites y óxidos ligeros de las superficies de metal mediante inmersión aspersión, aplicación con brocha o frotamiento manual. El proceso se realiza a temperatura ambiente o a temperaturas elevadas. Los fluidos de limpieza comunes son soluciones de ácidos combinadas con solventes mezclables en agua, agentes humectantes o emulsificantes. Los ácidos para limpieza incluyen el clorhídrico (HCl), el nítrico (HNO3 ), el fosfórico (H3 PO4 ) y el sulfúrico (H2 SO4 ); la selección depende del metal base y del propósito de la limpieza. Por ejemplo, el ácido fosfórico produce una película ligera de fosfato en la superficie metálica, la cual es una preparación útil para la aplicación de pinturas.
La diferencia entre la limpieza con ácido y el baño químico con ácido es una cuestión de grado. El baño químico con ácido implica un tratamiento más severo para remover óxidos, herrumbres e incrustaciones más gruesas; por lo general produce algún ataque químico a la superficie metálica, que sirve para mejorar la adhesión de la pintura orgánica.
LIMPIEZA MECÁNICA Y PREPARACIÓN SUPERFICIAL
La limpieza mecánica implica la remoción física de suciedad, incrustaciones o películas de la superficie de trabajo de una pieza de trabajo, mediante abrasivos o acciones mecánicas similares. Con frecuencia, los procesos usados para limpieza mecánica sirven para funciones adicionales a la limpieza, como la remoción de rebabas y el mejoramiento del acabado superficial.
Acabado a chorro y granallado
El acabado a chorro usa el impacto a alta velocidad de partículas para limpiar y acabar una superficie. El más conocido de estos métodos es la limpieza con chorro de arena (arenado), que usa granos de arena (SiO2 ) como medio de limpieza; sin embargo, también se utilizan otros medios que incluyen abrasivos duros, como el óxido de aluminio (Al2 O3 ) y el carburo de silicio (SiC), y medios suaves, tales como perlas de nylon y cáscaras de nuez trituradas. El medio se impulsa a la superficie objetivo mediante aire a presión o fuerza centrífuga. En algunas aplicaciones, el proceso se ejecuta en estado húmedo, en el cual se dirigen hacia la superficie partículas finas inmersas en una pasta fluida bajo presión hidráulica.
En el granallado, se dirige una corriente a alta velocidad de pequeñas partículas de acero fundido (llamadas perdigones) hacia una superficie metálica con el fin de trabajar en frío e inducir tensiones de compresión sobre las capas superficiales. El granallado se usa primordialmente para mejorar la resistencia a la fatiga de las piezas metálicas. Por lo tanto, su propósito principal es diferente al del acabado a chorro, aunque la limpieza de la superficie se logra como un subproducto de la operación.
Rotación a tambor y otros acabados masivos
La rotación a tambor, el acabado vibratorio y otras operaciones similares comprenden un grupo de procesos de acabado conocidos como métodos de acabado masivo. El acabado masivo implica el acabado de piezas en conjunto mediante una acción de mezcla dentro de un contenedor, por lo general en presencia de un medio abrasivo. La mezcla provoca que las partes se froten contra el medio y entre sí para obtener la acción de acabado deseada. Los métodos de acabado masivo se usan para remover rebabas, quitar incrustaciones, retirar virutas, pulir uniformemente las curvaturas, bruñir y limpiar. Las piezas incluyen: piezas troqueladas, fundiciones, forjados, extrusiones y piezas maquinadas. Algunas veces, incluso se someten plásticos y piezas cerámicas a estas operaciones de acabado masivo para obtener los resultados deseados. Usualmente, las piezas procesadas mediante estos métodos son pequeñas y no resulta económico acabarlas en forma individual.
Procesos y equipo Los métodos de acabado masivo incluyen la rotación a tambor, el acabado vibratorio y varias técnicas que utilizan fuerza centrífuga. La rotación a tambor (también llamado acabado en barril y acabado en barril por rotación) implica el uso de un tambor orientado en forma horizontal con una sección transversal hexagonal u octagonal, en el cual se mezclan las piezas rotándolo a velocidades entre 10 y 50 rev/min. El acabado se realiza mediante una acción de “movimiento” del medio y las piezas conforme el tambor gira. Como se muestra en la figura 28.1, el contenido se eleva en el tambor debido a la rotación, a lo que le sigue un descenso de la capa superior causado por la gravedad. Este ciclo de ascenso y descenso ocurre en forma continua y, con el tiempo, somete a todas las piezas a la misma operación de acabado deseado. Sin embargo, debido a que sólo la superficie exterior de las piezas recibe el acabado en cualquier momento, este proceso es relativamente lento en comparación con otros métodos de acabado masivo. Con frecuencia se requieren varias horas de rotación a tambor para terminar el procesamiento. Otras desventajas son los altos niveles de ruido y los grandes espacios que se requieren para realizarlo.
El acabado vibratorio se introdujo a fines de la década de 1950 como una alternativa a la rotación a tambor. El recipiente vibratorio somete a todas las piezas a la agitación con los medios abrasivos y no sólo a la superficie exterior, como en el acabado en tambor. En consecuencia, los tiempos de procesamiento para el acabado vibratorio se reducen considerablemente. Las cubetas abiertas que se usan en este método permiten la inspección de las piezas durante el procesamiento y se reduce el ruido.
Medios La mayoría de los medios en estas operaciones son abrasivos; sin embargo, algunos medios realizan operaciones de acabado no abrasivas, tales como el pulido y el endurecimiento de superficies. Los medios pueden ser materiales naturales o sintéticos. Los medios naturales incluyen el corindón, el granito, la piedra caliza e incluso la madera dura. El problema con estos materiales es que, por lo general, son más suaves (y por lo tanto se desgastan con mayor rapidez) y su tamaño no es uniforme (y algunas veces se atoran con las piezas de trabajo). Los medios sintéticos pueden hacerse con mayor consistencia, tanto en tamaño como en dureza. Estos materiales incluyen el Al2 O3 y el SiC, los cuales se compactan en una forma y tamaño deseados usando un material adhesivo como una resina de poliéster. Estos medios tienen formas de esteras, conos, cilindros con corte en ángulo y otras formas geométricas regulares, como en la figura 28.2a).
El acero también se usa como un medio de acabado masivo en formas como las que se muestran en la figura 28.2b) para pulido, endurecimiento de superficies y operaciones de remoción de rebabas ligeras. Las formas que se muestran en la figura son de distintos tamaños. La selección de los medios se basa en el tamaño y la forma de las piezas, así como en los requerimientos de acabado.
En la mayoría de los procesos de acabado masivo se usa un compuesto con el medio. El compuesto de acabado masivo es una combinación de productos químicos para funciones específicas como limpieza, enfriamiento, inhibición de la herrumbre (de piezas y medios de acero), y mejora del brillo y color de las piezas (especialmente en el pulido).
DIFUSIÓN E IMPLANTACIÓN IÓNICA
En esta sección se analizan dos procesos en los cuales la superficie de un sustrato se impregna con átomos ajenos que alteran sus propiedades.
Difusión
La difusión implica la alteración de las capas superficiales de un material mediante átomos difusores de un material diferente (por lo general, un elemento) en la superficie (sección 4.3). El proceso tiene importantes aplicaciones en la metalurgia y en la manufactura de semiconductores. El proceso de difusión impregna las capas superficiales del sustrato con el elemento ajeno, pero la superficie todavía contiene una alta proporción del material del sustrato. En la figura 28.3 se ilustra un perfil típico de la composición como una función de la profundidad bajo la superficie, para una pieza metálica recubierta por difusión. La característica de una superficie impregnada por difusión es que el elemento difundido tiene un porcentaje máximo en la superficie y rápidamente declina con la distancia bajo la superficie.
Aplicaciones metalúrgicas de la difusión La difusión se usa para alterar la química superficial de los metales en diversos procesos y tratamientos. Una aplicación importante es el endurecimiento superficial, tipificado por la carburación, la nitruración, la carbonitruración, el cromizado y el borizado (sección 27.4). En estos tratamientos se difunden uno o más elementos (C, Ni, Cr, Bo) en las superficies de hierro o acero. El propósito principal de la química superficial alterada es aumentar la dureza y la resistencia al desgaste.
Existen otros procesos de difusión en los cuales los objetivos principales son la resistencia a la corrosión o la resistencia a la oxidación a altas temperaturas. Algunos ejemplos importantes son el cromizado (sección 27.4), el aluminizado y el siliconizado. El aluminizado también se conoce como calorizado e implica la difusión de aluminio en acero al carbono, aleaciones de aceros y aleaciones de níquel y cobalto. El tratamiento se logra mediante 1) la difusión por empaque, donde las piezas de trabajo se empacan con polvo de aluminio y se hornean a altas temperaturas para crear la capa de difusión, o 2) un método de pasta fluida, en el que las piezas se sumergen en o se someten a la aspersión de una mezcla de polvos de aluminio y aglutinantes; después la pasta se seca y se calienta.
El siliconizado es un tratamiento de acero en el cual se difunde silicio en la superficie de la parte para crear una capa con buena resistencia a la corrosión y al desgaste y moderar la resistencia al calor. El tratamiento se realiza mediante el calentamiento del trabajo en polvos de carburo de silicio (SiC) en una atmósfera que contiene vapores de tetracloruro de silicio (SiCl4 ). El siliconizado es menos común que el aluminizado.
Aplicaciones en semiconductores En el procesamiento de semiconductores se usa la difusión de un elemento de impureza en la superficie de un chip de silicio para cambiar las propiedades eléctricas en la superficie, con el propósito de crear dispositivos como transistores y diodos. En el capítulo 35 se examina cómo usar la difusión para realizar este procedimiento, conocido como dopado, y otros procesos con semiconductores.
Implantación iónica
La implantación iónica es una alternativa para la difusión cuando este último método no es factible por las altas temperaturas requeridas. El proceso de implantación iónica implica incorporar átomos de uno o más elementos ajenos en una superficie de substrato, usando un haz de alta energía de partículas ionizadas. El resultado es una alteración de las propiedades químicas y físicas de las capas cerca de la superficie del sustrato. La penetración de átomos produce una capa alterada mucho más delgada que la difusión, como se señala en la comparación de las figuras 28.3 y 28.4. Asimismo, el perfil de concentración del elemento impregnado es diferente a la capa de difusión característica.
Las ventajas de la implantación iónica incluyen: 1) procesamiento a baja temperatura, 2) buen control y capacidad de reproducir la profundidad de penetración de las impurezas y 3) los límites de solubilidad pueden superarse sin precipitaciones por el exceso de átomos. La implantación iónica es un buen sustituto en aplicaciones para ciertos procesos de recubrimiento, donde sus ventajas incluyen que 4) no hay problemas con la disposición de residuos, como en la galvanoplastia y muchos procesos de recubrimiento y 5) no hay discontinuidad entre el recubrimiento y el sustrato. Las aplicaciones principales de la implantación iónica son la modificación de superficies metálicas para mejorar las propiedades y la fabricación de dispositivos semiconductores.
REFERENCIAS
[1] Freeman, N. B., “A New Look at Mass Finishing”, Special Report 757, American Machinist, agosto de 1983, pp. 93 -104.
[2] Hocking, M. G., Vasantasree, V. y Sidky, P. S., Metallic and Ceramic Coatings, Addison-Wesley Longman, Ltd., Reading, Mass., 1989.
[3] Metal Finishing, Guidebook and Directory Issue. Metals and Plastics Publications. Inc., Hackensack, N. J., 1991.
[4] Metals Handbook, 9a. ed., Vol. 5, Surface Cleaning, Finishing, and Coating. American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1982.
[5] Sabatka. W., “Vapor Degreasing”. www.pfonline.com.
[6] Tucker, Jr., R. C., “Surface Engineering Technologies”. Advanced Materials & Processes, abril de 2002, pp. 36-38.
[7] Wick, C. y Veilleux, R. (eds.), Tool and Manufacturing Engineers Handbook, 4a. ed., Vol. III, Materials, Finishes, and Coating. Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Mich., 1985
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