RECUBRIMIENTOS ELECTROLÍTICOS
Un baño de recubrimiento electrolítico consiste de un ánodo y un cátodo en un electrolito, que normalmente es una solución hídrica de la sal del metal que se pretende aplicar (Fig. 1). En el electrolito, el metal está presente en forma de iones y el flujo de electrones es proporcionado por una fuente externa de corriente directa.
La pieza a recubrir se convierte en cátodo donde se lleva a cabo la reducción de los iones a metal, mientras que el ánodo consiste de un conductor inerte (por ejemplo, platino o grafito) o bien del metal con el que se recubrirá. La oxidación se lleva a cabo en el ánodo formando oxígeno y cuando fluye la corriente, el ánodo del metal con el que se va a recubrir se disuelve.
El espesor de la capa del recubrimiento depende del tiempo de permanencia en el baño electrolítico, generalmente entre 1 μm y 100 μm.
Los baños de recubrimiento electrolítico se dividen en baños ácidos y baños alcalinos. Los baños ácidos contienen sulfatos, cloruros, fluoroboratos y sulfamatos de los metales a depositar. Los baños alcalinos se componen sobre la base de complejos de hidróxidos o cianuros [1] .
a) Efecto de la concentración sobre el potencial del electrodo. El potencial del electrodo depende de la concentración del electrólito. A 25ºC la ecuación de Nernst permite estimar el potencial del electrodo en soluciones que no son las estándares o patrones.
PREPARACIÓN Y LIMPIEZA DE LA SUPERFICIE
El objetivo de la preparación y limpieza de la superficie es eliminar impurezas como la grasa y el óxido de la superficie de la pieza con la finalidad de asegurar una buena adherencia del recubrimiento.Para la preparación y limpieza de las superficies, se aplican procedimientos como el pretratamiento mecánico de las superficies (pulido) y los métodos químicos de pre-tratamiento de superficies: el desengrasado mediante limpiadores alcalinos, hidrocarburos clorados o por vía electrolítica así como el decapado.
Antes de que una pieza se incorpore al proceso de pulido, desengrasado y recubrimiento, debe realizarse una inspección previa para asegurar que la pieza no presente defectos inaceptables que no se puedan corregir durante el recubrimiento. Estos defectos pueden ser rebabas, bordes, concavidades, moho y otras imperfecciones en la pieza.
La preparación de la superficie, la limpieza y la creación de condiciones químicas apropiadas en la pieza a ser tratada son esenciales para asegurar que el recubrimiento se comporte adecuadamente una vez la pieza entre en uso.
En general, la preparación de la superficie incluye las siguientes etapas:
b) Desengrase El desengrase puede efectuarse básicamente de dos formas: con solventes orgánicos y con limpiadores en base acuosa alcalina o ácida. Estos se describen a continuación:
- Desengrase con solventes orgánicos.
El desengrase con solventes se lleva a cabo para eliminar los restos de grasa y aceite de la superficie de la pieza a través de varias formas, incluyendo la más simple, mojando un paño en un solvente y frotando la superficie. Aunque todavía se practica con algunas piezas sumamente sucias, puede ocasionar la contaminación de otras áreas. Entre los solventes orgánicos más utilizados se encuentran el tetracloruro de carbono y el tricloroetileno.
El método clásico para eliminar el aceite y la grasa de una superficie es el desengrasado a vapor. Consiste usualmente en hervir un solvente limpiador, generalmente uno de los hidrocarburos clorados, para obtener una fase de vapor caliente, en la que se introducen las piezas. La fase de vapor se condensa sobre la superficie de la pieza, disolviendo el aceite y la grasa. Según se condense más solvente será mayor la suciedad disuelta. Los solventes sucios, después de su uso pueden ser regenerados mediante destilación y volver a ser usados [3] .
- Desengrase en base acuosa
Los limpiadores en base acuosa comprenden una gran variedad de métodos que utilizan sales alcalinas, detergentes, medios dispersantes y ablandadores de agua para desplazar grasa, suciedad e impurezas de la superficie metálica en vez de disolverla en un solvente orgánico. Se ha encontrado que la limpieza en base acuosa es un sustituto viable para muchas operaciones de recubrimiento de metales que actualmente utilizan solventes.
Las ventajas principales de la limpieza en base acuosa son la facilidad de tratar las soluciones usadas ajustando el pH y la buena biodegradabilidad de los detergentes orgánicos utilizados en los baños alcalinos.
La desventaja principal es que las piezas están mojadas luego de la limpieza y las piezas de hierro se oxidan fácilmente bajo estas condiciones, a menos que se sequen rápidamente. Una técnica común para lograrlo es enjuagarlas en agua caliente, pero es una alternativa más costosa. Otra desventaja asociada con la limpieza de base acuosa es un aumento en la demanda química de oxígeno (DQO) de las aguas residuales y los altos costos de tratamiento asociados a ellas.
La limpieza alcalina se realiza también de manera electrolítica, conectando catódicamente la pieza a trabajar dentro de un tanque con solución de desengrase. Al aplicar la corriente se desprende gas hidrógeno producto de la electrólisis del agua en la superficie de la pieza, ocasionando una acción de lavado. A continuación de la limpieza catódica el circuito es invertido, por lo que ahora la pieza de trabajo es el ánodo y el gas de oxígeno que se genera en la superficie de la pieza produce la acción de limpieza final.
Las soluciones de limpieza alcalinas (que usualmente se usan calientes) se componen de reactivos y de agentes surfactantes. Usualmente los reactivos consisten en sales de fosfato, carbonato, silicato, e hidróxido de sodio. Su función es promover reacciones químicas que eliminen los óxidos de metal en la superficie de la pieza de trabajo. En conjunto con los reactivos y los surfactantes, frecuentemente se utilizan otros aditivos que actúan como antioxidantes y estabilizadores.
La Tabla 3 muestra un resumen de los medios utilizados en el desengrase de superficies.
El objetivo del decapado es eliminar las capas de óxido formadas en la superficie de las piezas metálicas debido al contacto entre éstas y la atmósfera. El decapado se realiza sumergiendo la pieza en una solución que puede ser ácida o alcalina dependiendo del tipo de proceso [4] . El decapado con ácido se utiliza para eliminar impurezas y óxidos a través de un ataque químico, el cual frecuentemente se aplica después de un lavado alcalino. Se utilizan diferentes ácidos, solos o mezclados, como el ácido nítrico, ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, ácido fluorhídrico y ácido fosfórico con concentraciones de entre 2 y 85%, dependiendo del metal y el grado de limpieza requerida, normalmente a temperaturas de 20ºC a 80°C.
La composición de las soluciones de decapado químico se presenta en la Tabla 4.
El decapado alcalino se emplea para remover herrumbre y óxido. La solución generalmente consiste de sosa cáustica con aditivos tales como detergentes y agentes quelantes.
PROCESOS DE RECUBRIMIENTOS METÁLICOS
Una vez la superficie se encuentre en condiciones óptimas para su recubrimiento, se inicia el proceso de tratamiento, es decir, del recubrimiento propiamente dicho, el cual depende del uso que se le dará a la pieza.
A continuación se presenta una descripción de los baños de recubrimiento electrolítico más comunes:
a) Cobrizado
a) Cobrizado
Frecuentemente, el cobre forma la primera capa en un sistema de capas de recubrimiento, puesto que es fácil de depositar en metales y plásticos, ya que presenta una elevada conductividad, además la capa de cobre es muy resistente, económica de aplicar y forma una buena base adhesiva para otros metales. Los dos baños de cobre empleados con más frecuencia son el baño de sulfato de cobre ácido (baño de cobre ácido) y el baño de cobre al cianuro (baño de cobre alcalino). El baño de sulfato de cobre ácido, generalmente requiere un control más estricto del baño a fin de mantener los parámetros en el rango óptimo.
En un baño de cobre ácido, el sulfato de cobre representa la fuente de iones de cobre que se deposita en la superficie a recubrir. Para este proceso se recomienda sulfato de cobre químicamente puro. La composición y condiciones del baño de sulfato de cobre ácido se incluyen en la Tabla 5.
Entre las aplicaciones del baño de sulfato de cobre ácido tenemos, recubrimiento fijador bajo depósitos de níquel-cromo para recubrimientos protectores, electroformadoelectrotipia, rodillos de imprimir para textiles, rotograbado, etc.
Los electrólitos cúpricos de ácido sulfúrico contienen generalmente altas concentraciones de químicos orgánicos auxiliares, pues requieren un mayor control de los parámetros de operación del baño a fin de obtener ciertas características como dureza, nivelación y brillo. Sin embargo, en estos tipos de baños no se forman carbonatos.
La composición y condiciones de los baños de cobre al cianuro se muestran en la Tabla 6.
La composición y condiciones de los baños de cobre al cianuro se muestran en la Tabla 6.
Los baños 1 y 2 son aplicados como recubrimiento fijador sobre todos los metales de base. Los baños 3 y 4 requieren antes cobreado fijador y producen una base de cobre fácil de abrillantar para recubrimientos protectores de níquel-cromo, aunque también se emplean para prevenir la carburización de superficies seleccionadas en el metal de acero base.
Por el peligro que representa a la salud humana y al ambiente, el uso de baños cianurados, deben respetarse normas especiales referentes a la salud ocupacional y seguridad en el trabajo y la protección al ambiente, tanto durante el cobrizado como en el manejo y el tratamiento de los residuos y las aguas residuales.
Los residuos generados en el cobrizado son: residuos de filtración, concentrados provenientes del cambio de baño o del mantenimiento de los tanques (lodos) y enjuagues contaminados por los arrastres de los baños durante el transporte de las piezas de un tanque a otro.
El niquelado es un procedimiento de metalización que se lleva a cabo tanto con fines de protección superficial en las piezas como decorativos y de recubrimiento previo antes del cromado. Los objetos de cobre y aleaciones de cobre se niquelan directamente.
El ácido bórico tiene la función de sustancia buffer y reduce la formación de defectos a altas densidades de corriente, generados por la acidificación de la solución debida al exceso de iones H+ . El bromuro de níquel (NiBr2) se usa para reducir las tensiones internas y disolver los ánodos de níquel. El níquel metálico sirve como ánodo para la corriente eléctrica y libera los iones de níquel que recubrirán a las piezas.
c) Cromado
En los recubrimientos con níquel se pueden utilizar baños de sulfamatos o baños Watts con sulfatos de níquel [1]. El baño con sulfamatos generalmente está compuesto de sulfamato de níquel, ácido bórico, bromuro de níquel, ánodos de níquel y aditivos que influyen sobre las propiedades. El sulfamato de níquel es la fuente principal de iones de níquel en este tipo de baño.
En un baño Watts de níquel modificado, las sales utilizadas con más frecuencia son el sulfato de níquel (NiSO4) como la principal fuente de iones y el cloruro de níquel por su efecto despasivizante de los iones de cloro sobre los ánodos de níquel. La composición estándar y las condiciones del baño para el niquelado en un baño Watts con sulfato de níquel se presentan en la Tabla 7.
Igual que con otros recubrimientos, pueden agregarse aditivos como abrillantadores que hacen innecesario el pulido posterior del recubrimiento de níquel y que al mismo tiempo pueden corregir pequeños bordes de la capa base. Los aditivos también se usan para reducir la tensión superficial del baño y para darle una superficie semibrillante o brillante al recubrimiento. Estos aditivos muchas veces son orgánicos y normalmente no forman complejos.
Generalmente no se utilizan placas de níquel como ánodos en este tipo de recubrimiento, ya que éste, por la pasivación sólo se disuelve en electrolitos con un alto contenido de cloruro. En cambio, un pequeño contenido de sulfuro u óxido de níquel en el material del ánodo tiene un efecto despolarizador. Sales que pueden utilizarse de manera alternativa para este recubrimiento son el sulfato amónico niqueloso fácilmente soluble en agua, el sulfato amínico niqueloso o el tetrafluoroborato niqueloso.
Puesto que los baños de níquel se filtran continuamente, se generan residuos de filtración, además de concentrados al cambiar los baños de níquel (lo que rara vez ocurre) y, desde luego, las pérdidas de la solución del baño en el arrastre hacia los enjuagues.
En el recubrimiento con cromo se distinguen dos procesos: el cromado brillante (cromado decorativo) y el cromado duro (cromado industrial). En el cromado brillante se depositan capas de cromo delgadas y brillantes de efecto decorativo o como protección anticorrosiva, sobre capas intermedias de níquel.
El cromado duro se utiliza principalmente para aumentar la dureza de herramientas, así como para incrementar la resistencia al desgaste de moldes, válvulas, etc. depositando capas de cromo de mayor espesor a temperaturas elevadas. La composición y condiciones de los baños de cromo se presentan en la Tabla 8.
Durante el proceso de cromado ocurre un sobrepotencial en la capa superficial de la pieza a cromar, a causa de reacciones de óxido-reducción y diferencias de concentración, lo que genera una separación simultánea de hidrógeno que el baño emite como gas y que arrastra fracciones del baño.
Por el peligro para la salud humana y al ambiente, debido a la toxicidad de los compuestos solubles de cromo (hexavalente) durante el cromado y en el tratamiento de los residuos y aguas residuales deben observarse normas especiales de seguridad en el trabajo y de protección ambiental. Los principales residuos que se generan son lodos de concentrado (lodos de la tina de baño), aguas de enjuague contaminadas por arrastres, emisiones y lodos del sistema de tratamiento.
En este tipo de recubrimiento la pieza metálica a recubrir se introduce en un baño electrolítico que contiene iones de cinc. La aplicación de la corriente eléctrica permite el transporte de los iones a la pieza. El espesor de la capa se ajusta controlando la intensidad de corriente y el tiempo de permanencia en el baño electrolítico. Los baños de cinc pueden ser baños de cinc ácidos a base de potasio o amonio, los cuales tienen alto rendimiento y proveen gran brillo, o cianurados, también llamados baños alcalinos, cuya composición y condiciones del baño se muestran en la Tabla 9 y Tabla 10 respectivamente.
Existen dos métodos de pavonado: el ácido y el alcalino. El ácido es sin duda el método que proporciona mejor calidad, durabilidad y aspecto, pero requiere mucho tiempo para lograr el resultado deseado. Se obtiene mediante la aplicación de ácidos que proporcionan una oxidación superficial de gran adherencia y durabilidad. En cambio el alcalino es mucho más fácil de lograr y en muy poco tiempo.
- Pavonado de cobre/selenio. Este proceso utiliza un baño ácido a temperatura ambiente para formar un recubrimiento blanco de cobre selenio (CuSe). Los tiempos de reacción son normalmente de uno a dos minutos.
- Óxido negro cáustico. Este proceso utiliza un baño de soda cáustica de 720 a 960 g/L, a 143 ºC produciendo un recubrimiento de magnetita de hierro negra, en 20 o 30 minutos.
- Terminado de oxalato tinturado de negro. Este proceso proporciona un pavonado de alta calidad y resistencia a la corrosión sin utilizar soluciones calientes o químicos regulados. Un recubrimiento gris de oxalato ferroso se aplica al acero y luego se tiñe de negro. Este proceso opera a temperatura ambiente y no requiere tratamiento de desechos, ya que no hay efluentes peligrosos.
- Pavonado alcalino de dos pasos. Este proceso ha sido recientemente desarrollado, forma un acabado de magnetita negra de hierro en diez minutos a 87 ºC. Combina las mejores características de los procedimientos anteriores para ofrecer un durable terminado protector negro, sin las altas temperaturas y los químicos regulados de los otros métodos.
- Resistencia a la corrosión. Un terminado de óxido negro puede soportar entre 100 y 200 horas de rocío de sal neutro (ASTM B117) o varios cientos de horas de humedad (ASTM D1748).
- Apariencia del producto. El suave acabado satinado de óxido, atractivo y durable, es una combinación requerida por muchas empresas en mercados altamente competitivos.
- Uniformidad dimensional y estabilidad. Las herramientas, los componentes de máquinas y otras piezas fabricadas a dimensiones precisas, no toleran el espesor variable del electroplateado o el excesivo grosor de la pintura. Los terminados de óxido negro, en cambio, tienen un espesor uniforme casi despreciable.
- Económico. Comparado con casi todos los demás acabados, el terminado de óxido negro puede ser aplicado a costos de operación más bajos.
PRUEBAS DE LOS RECUBRIMIENTOS ELECTROLÍTICOS
Las pruebas para la determinación de las propiedades químicas, físicas o mecánicas de los electrodepósitos pueden hacerse durante las investigaciones fundamentales o para propósitos de control en el desarrollo de la producción. Las pruebas que se pueden necesitar para buscar los datos fundamentales son con frecuencia muy especializadas.
Algunas de las pruebas sobre propiedades físicas o mecánicas que pueden hacerse sobre recubrimientos electrodepositados son: espesor, apariencia, porosidad, adherencia, resistencia, dureza, resistencia al desgaste y a la abrasión, resistencia en tensión y ductilidad. De estas, en general, solo se utiliza una como base para las especificaciones de producción, la cual es el espesor.
Es cierto que la apariencia de los depósitos es, con frecuencia, una propiedad extremadamente importante del recubrimiento electrodepositado con relación a su aceptabilidad, pero es igualmente cierto que para evaluar la apariencia solo se pueden aplicar mediciones cualitativas las cuales son en gran parte subjetivas. Las pruebas físicas y mecánicas restantes son de interés principalmente para investigación y desarrollo. De estas pruebas pueden ser viables de implementar la prueba de espesores y la prueba de dureza [5]
PRUEBAS DE ESPESORES
En vista de que la resistencia a la corrosión ha mostrado estar íntimamente relacionada con el espesor del depósito, es obvia la utilidad de estipular espesores mínimos en las especificaciones para producción. A través de los años se han sugerido muchos métodos para determinar el espesor y muchos de ellos son de uso corriente. Debido a la variedad de metales electrodepositados y metales de base a los cuales se aplican, no es sorprendente que un método sencillo para probar los espesores no haya ganado preferencia sobre los demás. Las pruebas de espesores se pueden dividir en cinco categorías principales, las cuales son:
a) Métodos microscópicos. Si la sección transversal de una pieza electrodepositada se prepara por técnicas metalográficas, parecería ser que su medición con una lente reticulada de aumento apropiado sería un medio extremadamente confiable para determinar su espesor. Sin embargo además de la dificultad para la preparación de la muestra metalográfica, y el hecho de que la pieza de donde se toma la muestra queda destruida, la práctica ha demostrado que las mediciones obtenidas en esa forma no son tan seguras como se podría esperar. Hay muchas razones para esta situación, entre las cuales el flujo del metal durante la operación del pulido es bastante importante. El valor de la prueba microscópica parece ser dudoso para recubrimientos menores que 1.27 centésimas de milímetro de espesor [5] .
La determinación de espesores por medio de métodos microscópicos es de utilidad únicamente en investigación y en laboratorios de calibración..
b) Métodos químicos. Esta categoría comprende los métodos de desprendimiento de los depósitos, chorro y goteo. La técnica del desprendimiento de los depósitos es, en general, el método más preciso para la determinación de los espesores. En esta prueba se pesa una muestra de área conocida y se quita el recubrimiento electrolítico por medio de un disolvente apropiado, dejando el metal de base que es vuelto a pesar. De la diferencia en peso, área y densidad del recubrimiento electrolítico, se puede calcular el espesor con facilidad.
En los casos donde no sea práctico o posible eliminar el recubrimiento electrolítico sin disolver algo del metal de base, debe contarse con recursos para analizar la solución obtenida del recubrimiento. Obviamente, el metal de base debe quitarse del metal usado para el electrodepósito. Aunque se prefieren simples separaciones químicas debido a su sencillez, a menudo es necesario usar métodos electroquímicos para quitar los recubrimientos.
La prueba de chorro depende del hecho de que muchas reacciones químicas se producen a una velocidad notablemente constante procurando mantener invariables la concentración del reactivo y la temperatura.
En el ensayo por chorro se deja correr una solución sobre la muestra desde una boquilla de tamaño especificado para quitar el depósito. La cabeza hidrostática de la solución en el aparato se mantiene a un nivel tal que proporcione un volumen constante de solución desde la boquilla. El tiempo que se requiere para que la solución penetre el recubrimiento es una medida del espesor y al relacionar el tiempo con el espesor se determina un factor para diversas temperaturas por chorros calibrados sobre depósitos de espesor conocido.
Es necesario por supuesto, contar con algunos medios para determinar cuando se alcanza el punto final en el que ocurre generalmente un cambio en la apariencia de la reacción y se detecta deteniendo el chorro momentáneamente para observar el punto de ataque. Este comienzo y detención alternativa del chorro conduce a ciertas dificultades para mantener la pista del tiempo, pero con alguna experiencia no se encuentra demasiada dificultad en la operación.
La prueba por goteo es muy parecida a la de chorro excepto que la solución se deja gotear desde una boquilla en lugar de descender en corriente continua. La solución para la prueba se deja gotear sobre la muestra a una velocidad de 100 gotas por min., y el espesor se determina por el tiempo requerido para descubrir el metal de base. No es necesario interrumpir la prueba para observar el punto final, en base a esto, el método por goteo es mucho más preferible que el método por chorro.
c) Métodos electrolíticos. La muestra se coloca en un disolvente apropiado y se hace anódica, produciéndose un potencial definitivo entre el recubrimiento y la solución. Este potencial persistirá en tanto el recubrimiento se esté disolviendo, pero cuando el metal de base queda expuesto, se desarrollará un nuevo potencial entre el metal de base y la solución, aun si el metal de base queda en la solución anódicamente. El cambio en el potencial cuando el metal de base queda expuesto ofrece un medio de detectar el punto final de la operación separadora. Si se escoge un electrolítico tal que la eficiencia anódica durante la operación separadora sea de 100%, el número de coulombios requeridos para separar el recubrimiento de un área determinada será una medida de la cantidad de recubrimiento que ha sido quitada. Después de que se haya adoptado una corriente y un área estándar, el tiempo de la electrólisis llega a ser la única variable que debe medirse para determinar el espesor del depósito.
Debido a la pequeñez del área de prueba se pueden hacer mediciones seguras de espesores locales en áreas importantes. Esta es una ventaja decisiva sobre los métodos de separación química, en los que debe usarse un área considerable para una sola prueba. La probeta electroquímica puede utilizarse para hacer varias pruebas duplicadas sobre el área comparativamente pequeña de una muestra.
El empleo de la prueba electroquímica es destructiva en el sentido de que el recubrimiento queda inutilizado. Sin embargo, el metal de base no es afectado seriamente y la parte que ha sido probada puede ser despojada del recubrimiento, como se hace con el material rechazado y vuelta a electrorecubrir, un procedimiento que no es posible con la mayor parte de las técnicas químicas separadoras.
Una de las marcadas ventajas del método electroquímico es que puede ser separado casi completamente de las fallas humanas. Es comparativamente sencillo utilizar el cambio en potencial en el punto final para accionar un mecanismo que automáticamente detenga el dispositivo medidor de tiempo en el punto final. Este es el paso más crítico en toda la operación y con operación manual, la fuente más abundante de error.
Otra ventaja única del método electroquímico es la posibilidad que ofrece para la determinación selectiva del espesor del miembro componente de los electrodepósitos compuestos. Observando los cambios de potencial que ocurren según desaparece una capa y se ataca la otra, determinando el tiempo requerido para disolver cada capa, puede estimarse su espesor. El método es tan sensitivo que puede incluso emplearse para determinar la cantidad de aleación entre la capa y el metal de base en muestras tratadas térmicamente.
d) Métodos magnéticos. Los métodos magnéticos para la medición de espesores de los electrodepósitos son extremadamente populares, debido al hecho de que la prueba, que puede hacerse en forma económica, no es destructiva y se adapta bien a mediciones sumamente localizadas. La principal desventaja es que no existe oferta de servicios a nivel local para la calibración de este tipo de instrumento.
Hay varias técnicas que están basadas en los principios magnéticos. Las dos más importantes son:
1) la medición de la fuerza requerida para separar un pequeño imán de la superficie recubierta de la muestra
2) la medición del cambio en la resistencia magnética ocasionada al interponer un material no magnético entre un solenoide energizado y un metal de base ferromagnético.
El primer método puede adaptarse a la medición de espesores de las siguientes combinaciones:a) un recubrimiento no magnético sobre un metal de base magnético.b) un recubrimiento magnético sobre un metal de base no magnético.c) un recubrimiento magnético sobre un metal de base magnético.
e) Métodos mecánicos.
Hay varios métodos mecánicos para la medición de espesores de los electrodepósitos, ninguno de los cuales se usan extensamente. Puede que el más sencillo y más directo se efectué disolviendo selectivamente el metal de base del recubrimiento y usando un micrómetro para medir el espesor de este último. Junto a la carencia de precisión para la medición de recubrimientos delgados, los extremos del micrómetro pueden descansar sobre los puntos altos de los recubrimientos rugosos y dar una lectura que represente el espesor máximo en lugar del espesor promedio o el mínimo, que son las cantidades de mayor interés. Si se conociese con exactitud el espesor del metal de base, pueden utilizarse las mediciones micrométricas sin remover el metal de base deduciendo el espesor simplemente de la lectura total.
PRUEBAS DE CORROSIÓN
Las pruebas de corrosión han jugado un papel muy grande en el desarrollo de la industria de los electrorecubrimientos y en el mejoramiento de los recubrimientos electrodepositados. Según se aplica a los problemas de los electrorrecubrimientos la prueba de corrosión es complicada por muchos factores. Uno es la acción galvánica que involucra al metal o metales, en el recubrimiento y al metal que está debajo del mismo. Otro es la corrosión del metal de base según pueda debilitar al recubrimiento o deteriorar su apariencia por la exudación de los productos de la corrosión. Hay también efectos complicados de los productos de la corrosión tanto del metal de base como del recubrimiento sobre la corrosión posterior de cada uno de ellos.
Las pruebas de corrosión se clasifican en dos tipos: pruebas en ambientes naturales y pruebas aceleradas.
PRUEBAS EN AMBIENTES NATURALES
Los ambientes naturales empleados en la prueba de recubrimientos electrolíticos son definidos como las atmósferas encontradas en lugares seleccionados donde se cuente con facilidades para la exposición de las muestras electrorrecubiertas [5] .
La corrosividad de una atmósfera se determina en gran parte por la naturaleza y extensión de los contaminantes presentes. Sobre esta base la presencia de sales procedentes del océano conducen a la clasificación de una atmósfera marina; las atmósferas industriales se identifican por la presencia de compuestos del azufre, partículas y cenizas de carbón, mezcladas algunas veces con sales utilizadas para descongelar en invierno; la clasificación rural se caracteriza no tanto por la proximidad a las granjas y a los animales domésticos como por la ausencia relativa de contaminantes marinos e industriales.
Las principales ventajas de una prueba consistente en la exposición a una atmósfera natural son:
1. Se pueden exponer un mayor número de muestras a las vez y por el mismo tiempo para sustancialmente las mismas condiciones, de manera que las diferencias en comportamiento pueden relacionarse a las diferencias en la resistencia a la corrosión, más bien que a las diferencias en las condiciones de la prueba.
2. Las pruebas se pueden continuar por largos periodos con un mínimo de atención.
3. Los progresos de la corrosión se pueden observar rápidamente por un examen visual y registros fotográficos. Es posible también estudiar tales progresos cuantitativamente por el examen detallado de grupos de muestras que se retiren para tal propósito después de seleccionar períodos de exposición.
4. El lugar utilizado para la prueba puede ser representativo, aunque no sea ideal, de la clase de atmósfera que pueda requerirse para que la soporte el material. Las limitaciones de una prueba que incluye la exposición a una atmósfera natural son:
1. La severidad de los efectos de la corrosión no permanecen constantes de manera que pueden introducirse complicaciones al comparar los resultados de las pruebas que cubran diferentes periodos de exposición o comiencen a diferente tiempo.
2. La exposición a los simples efectos del sol, lluvia, rocío y viento, mas los constituyentes naturales de la atmósfera concurrentes a la corrosión no pueden reproducir todos los factores que pueden afectar la corrosión en un uso particular.
3. Las pruebas bajo condiciones naturales requieren, por lo general, demasiado tiempo para ser de utilidad en la inspección y control de calidad.
4. Las variaciones en el comportamiento de una atmósfera natural no se pueden duplicar en una atmósfera diferente. 5. Una atmósfera industrial con fuerte contaminación puede depositar demasiado hollín sobre la pieza bajo prueba de manera que hace difícil observar el progreso de la deterioración debajo del hollín.
PRUEBAS ACELERADAS
Las limitaciones de las pruebas en ambientes naturales proporcionan un amplio estímulo y justificación para el desarrollo de pruebas aceleradas. Tales pruebas son necesarias para inspección y control de calidad y son ayudas valiosas en la investigación, suponiendo que la prueba se pueda hacer en unas cuantas horas o en unos cuantos días lo que será equivalente al efecto de uso normal del recubrimiento por varios meses o por un año.
El propósito de la prueba acelerada es el siguiente:
1. Medir la continuidad de un recubrimiento.
2. Reflejar el espesor, uniformidad y valor protector del recubrimiento como la formación de poros u otras discontinuidades en una forma sistemática y a una velocidad que se pueda duplicar de prueba a prueba y que se pueda relacionar con un ambiente práctico y ampliamente representativo.
4. Para medir los efectos de los cambios en la naturaleza del recubrimiento sobre su durabilidad en la prueba y, de manera ideal, para que se pueda relacionar esta durabilidad con la que se pueda obtener en el uso común.
5. Para reproducir formas de ataque encontradas en servicio de manera que se las pueda estudiar y eliminar por cambios en el recubrimiento.
Entre las pruebas aceleradas más importantes que se aplican a los recubrimientos metálicos tenemos:
La prueba de “Cass” se describe en la Norma ASTM B368-97. Este método es aplicado para evaluar el desarrollo de la corrosión en recubrimientos decorativos de cobreníquel-cromo o níquel-cromo en acero, aleaciones de cinc, aleaciones de aluminio y plásticos. Esta norma también describe las condiciones requeridas para el desarrollo de la prueba para propósitos de normalización, pero no específica el tipo de muestra de prueba o el periodo de exposición para un producto específico, ni tampoco la interpretación que se le debe de dar a los resultados.
La solución salina se prepara disolviendo 5% en peso de cloruro de sodio de grado reactivo en 95% en peso de agua destilada. El pH de esta solución deberá estar entre 6.0 y 7.0. Si el pH se encuentra fuera de este rango es probable que existan impurezas o contaminación del agua o la sal, o ambas.
Después se agrega 0.25 g de cloruro de cobre grado reactivo a cada litro de solución salina, disolviéndolo y mezclándolo completamente. El pH de la solución cobre-sal deberá ser ajustado a un valor comprendido entre 3.1 y 3.3 (a una temperatura de 25ºC) por la adición de ácido acético cristalizado de grado reactivo o equivalente. Antes de que la solución sea atomizada esta deberá estar libre de sólidos suspendidos.
La prueba de “Corrodkote” se describe en la Norma ASTM B380-97. Esta norma describe el método Corrodkote, el cual es aplicado para evaluar el desarrollo de la corrosión en recubrimientos electrodepositados de cobre-níquel-cromo o níquel-cromo en acero, aleaciones de cinc, aleaciones de aluminio, plásticos y otros substratos. Esta norma no especifica el tipo de muestra de prueba o el periodo de exposición para un producto específico, tampoco la interpretación que se le debe de dar a los resultados.
Esta prueba consiste en la aplicación de una mezcla lodosa que contiene sales corrosivas en una muestra de prueba, la cual se deja secar y posteriormente se expone la muestra a un ambiente de alta humedad relativa por un periodo de tiempo específico.
Preparación de la mezcla lodosa de corrodkote: Disolver en un hervidor de vidrio 0.035 g de nitrato cúprico de grado reactivo en 50 ml de agua destilada, agregar 0.165 g de cloruro férrico de grado reactivo y 1.0 g de cloruro de amonio de grado reactivo. Agregar 30 g de caolín y mezclar los ingredientes en el hervidor de vidrio con una varilla de cristal hasta obtener una mezcla lodosa homogénea. El tiempo de mezclado es de 2 min. Emplear la varilla agitadora de vidrio porque la mezcla atacará al metal. Una cantidad de mezcla preparada de esta manera cubrirá aproximadamente 2.79 m2 .
Prueba de las piezas:
1) Sumergir una brocha en la mezcla y con movimientos circulares, cubrir completamente la pieza bajo prueba. Asegurarse de que toda la superficie esté completamente humedecida.
2) Atersar el recubrimiento con pasadas de la brocha en una dirección. Esta acción efectuará un recubrimiento uniforme. Limpiar la brocha con agua corriente para que se pueda utilizar de nuevo.
3) Dejar secar el recubrimiento por una hora.
4) Colocar la pieza en el gabinete humectador sin condensación. Una humedad elevada acelerará la corrosión. No quitar película de Corrodkote alguna durante el manejo.
5) Después de 24 h retirar la pieza del gabinete humectador. 6) Para electrorrecubrimientos de cinc: limpiar la película de Corrodkote con agua corriente y una esponja, secar e inspeccionar. Para facilitar la limpieza e inspección puede emplearse un abrasivo ligero tal como trípoli.
7) Para piezas de acero: Contar el número de puntos de corrosión antes de limpiar la pieza, luego limpiarla con agua corriente y una esponja. Dado que la mayor parte de la herrumbre se removerá cuando se quite la película de Corrodkote, será muy difícil determinar cuáles puntos son picaduras de la superficie y cuáles picaduras de la corrosión.
8) Colocar la pieza de acero en el gabinete condensador humectador por 24 h o en el gabinete de aspersión salina por 4 h y reinspeccionar. Una humedad o una aspersión salina muy elevada mostrarán de nuevo los puntos de la corrosión.
9) Registrar la condición de la superficie electrorrecubierta.
La prueba de bióxido de azufre ha sido adoptada por cierto número de compañías industriales de Estados Unidos como un control de producción o prueba de aceptación para artículos electrorrecubiertos, principalmente acero con recubrimiento de níquelcromo.
d) Prueba por inmersión en agua caliente.
El gran valor de esta prueba se debe a su rapidez, se puede aplicar una prueba de 24 h para el control de calidad de los depósitos de níquel-cromo y cobre-níquel-cromo sobre acero o para depósitos de níquel de más de 0.0254 mm (1 milésima de plg) de espesor.
Sin embargo, se la considera inapropiada para probar electrorrecubrimientos de cinc o aleaciones de cobre o para aluminio anodizado brillante. Cuando un depósito de cromo se agrieta la prueba de bióxido de azufre corroe rápidamente a través del níquel (0.0254 mm en 72 h) Los copiosos productos de la corrosión del níquel tienden a ocultar la corrosión del metal de base en periodos de prueba de más de 24 h.
La prueba por inmersión en agua caliente fue una de las primeras pruebas de corrosión acelerada y se empleó para detectar la porosidad en recubrimientos de estaño. En la actualidad se la reconoce como una prueba aceptada para níquel y otros recubrimientos sobre acero o hierro para equipo químico industrial.
La prueba de agua caliente consiste de la inmersión en agua a 79ºC-85°C (175ºF-185°F) con aereación de 1 a 4 h. La aparición de seis puntos de corrosión por pie cuadrado de superficie ha sido empleada como base para rechazar los recubrimientos de níquel en ciertas aplicaciones. Esta prueba descubre discontinuidades en los recubrimientos de níquel que resultarían en una rápida falla del equipo químico niquelado. También determina el grado de protección de los recubrimientos de conversión química sobre piezas fundidas con base de cinc o recubrimientos de cinc contra la formación de productos blancos de la corrosión.
INSPECCIÓN
De todas las cualidades de los acabados electrolíticos, medibles y de cualquier otro tipo, el más ampliamente reconocido por el consumidor es la apariencia. El comprador o usuario de un objeto electrorrecubierto o de un objeto que tenga componentes electrorrecubiertos, juzga la calidad del recubrimiento primeramente por su apariencia de acabado. Un grado elevado de lustre, reflectividad de espejo y carencia de defectos de la superficie tendrán un fuerte efecto sobre la opinión del probable comprador sobre la calidad y valor del producto.
Hay tres clases de inspección que usualmente son aplicadas, aunque de técnica parecida se diferencian en su propósito, éstas son:
1) Inspección durante el proceso, la cual se encuentra relacionada íntimamente con el control de calidad de fabricación.
2) Inspección final por el fabricante, frecuentemente combinada con el empacado para transporte.
3) Inspección de recibo por el cliente, utilizada cuando el cliente es un revendedor en pequeño o al mayoreo y también cuando el cliente compra partes que deben ser ensambladas en un producto final.La inspección visual se emplea principalmente con recubrimientos o acabados decorativos. La especificación estándar más frecuente sobre acabados decorativos es la brillantez reflectiva en donde los electrodepósitos son abrillantados con bruñido o por electrorrecubrimiento brillante. Esto incluye electrorrecubrimientos de níquel, cromo, latón, bronce, plata, oro y rodio. En el caso del recubrimiento anódico del aluminio se pueden producir varios grados de brillantez bruñendo el metal de base y por inmersión en abrillantadores.
En la inspección de los tipos anteriores de acabados brillantes el factor principal es el lustre o reflectividad. El segundo factor es el color, el cual es extremadamente importante en la inspección de los recubrimientos de oro y en las aleaciones de latón y bronce, las cuales pueden variar dentro de una amplia zona de tonalidades. La textura es un factor en la inspección del acabado satinado, mate o escarchado. Es también importante en la inspección de acabados de aluminio anodizado puesto que se pueden producir en una amplia gama de lustres y texturas desde el mordentado al mate y del perlítico al brillante.
La primera consideración en la inspección de un producto electrorrecubierto es definir las superficies importantes. Pocas piezas decorativas necesitan un acabado total en todas sus partes. Las superficies importantes de la pieza terminada para la inspección visual son aquellas que deben tener la apariencia o calidad de acabado especificada, por ejemplo, aquellas que están expuestas a la vista en uso normal.
Si los dibujos no indicasen las superficies importantes para recubrir es necesario que el inspector determine cuales superficies requieren el recubrimiento y acabado especificados, a través de diferentes maneras:
1. Determinar el uso y aplicación de la pieza o producto y cuales superficies son totalmente visibles.
2. Pedir información al departamento de ingeniería o diseño del cliente cuando el producto se vende sobre especificaciones.
3. Consultar al departamento de ventas o de diseño de la compañía productora cuando el producto electrorrecubierto es un producto acabado para el consumidor.
El grado de acabado requerido en cualquier producto depende de muchos factores, incluyendo los siguientes:
1. Uso (si el producto es puramente decorativo o completamente funcional, o una combinación de ambos).
2. La distancia a que el objeto será visto bajo uso normal.
3. Clase de precio del producto en el cual se utiliza el electrorrecubrimiento.
4. Comparación con productos de la competencia.
5. Comparación de otras partes electrorrecubiertas en el mismo conjunto.
6. Establecimiento de estándares sobre la práctica del cliente en el pasado.
1. Elevada reflectancia de la luz incidente combinada con lo siguiente:
a) Reflexión clara de la imagen. Puede que la calidad básica de un buen acabado brillante sobre una pieza sea tal que permita verse la cara en ella.
b) Ausencia o reflexión difusa de cualquier naturaleza. La reflexión difusa puede ser ocasionada por turbiedad, irregularidad de la superficie, líneas de rayas finas o gruesas, picaduras, granosidad, grietas y muchos otros defectos.
2. Color de la luz reflejada. Se dispone de instrumentos ópticos para la medición precisa de las características anteriores sobre muestras perfectamente planas. Si todos los electrorrecubrimientos se hiciesen sobre muestras perfectamente planas el problema de la inspección sería puramente de instrumentación óptica. Sin embargo, las superficies planas son la excepción, por lo que prácticamente todos los electrorrecubrimientos deben ser clasificados en forma visual.
Puesto que toda la filosofía de la inspección de los acabados brillantes está basada en la reflectividad de imagen de la superficie, una estación de inspección deberá proporcionar los mejores medios posibles para crear la reflexión de la imagen.
Los requerimientos básicos son una potente fuente de luz blanca y difusa, y una pantalla negra en el fondo. La luz de cuatro tubos fluorescentes de 40 vatios (watts), mezcla de luz de día y blanca, es suficiente para una cabina ordinaria de inspección. Los tubos fluorescentes deberán tener sobre ellos un reflector blanco y una pantalla difusora o un vidrio esmerilado. Si no se dispusiese de un vidrio de tal clase, puede usarse un papel tela pergamino blanco, aunque están expuestos a incendio. El fondo negro puede ser terciopelo negro o tela de pelo de camello.
ANÁLISIS DEL MODO Y EFECTO DE LAS MEDICIONES (AMEM) El AMEM
es una herramienta diseñada para determinar las características de calidad o magnitudes importantes o críticas a ser medidas. Esta herramienta da respuesta a las siguientes preguntas:
1) ¿Qué es verdaderamente necesario medir?2) ¿Por qué es necesario?3) ¿Con qué frecuencia deben hacerse las mediciones?
Una vez contestadas estas preguntas, las frecuencias determinadas deben ser confirmadas estadísticamente para, si se requiere, hacer los ajustes finos al sistema.
El AMEM consiste en asignar una calificación como respuesta a una serie de preguntas para obtener el número y grado de importancia de las características a medir. Se conoce al final qué magnitud debe ser medida, con qué frecuencia y su impacto en el cliente y en los costos del proveedor.
El método comprende los siguientes pasos:
a) Como primer paso del análisis, se enlistan las características de calidad del producto o magnitudes que pueden ser medidas. Tomándose en cuenta las “Dimensiones de la Calidad”, para asegurar que se han considerado las características que efectivamente conforman un producto de calidad.
Considérense entonces, las siguientes características:- Características dimensionales, físicas, eléctricas, etc.
- Características estéticas.
- Características de seguridad.
- Características de protección del medio ambiente.
- Cumplimiento de especificaciones.
- Características de desempeño.
c) A cada una de las características se le asigna un segundo valor relacionado con el impacto en el proceso, asumiendo que no se realiza la medición. Debe determinarse si el no hacer la medición tiene un impacto negativo en el proceso, ya sea que se requiera para el control del propio proceso o que sea económicamente negativo para la empresa. Si una característica no es medida y ésta no influye negativamente en el cliente ni en el proceso, se le asigna un 1. Si su impacto es de efectos negativos en el cliente o en el proceso propio del fabricante, se le asigna un 10.
d) Para cada una de las características enlistadas, definir las técnicas y equipos existentes en el mercado y definir la capacidad de la empresa para tomar esa medición, esto es: Si el equipo para efectuar la medición es barato, si se tiene disponibilidad de él, si la técnica es sencilla y los operadores requieren poco entrenamiento, o si el equipo es caro, si se requiere un alto nivel de servicio y si los operadores requieren ser continuamente capacitados.
- El equipo existente en el mercado necesario para efectuar la medición, considerando número de equipos, calidad de éstos, precio, necesidades de servicio y calibración.
- Personal necesario para efectuar la medición, nivel requerido, necesidades de entrenamiento.
f) Multiplicar los tres valores asignados para obtener el número para cada una de las características que indica su importancia (NI, número de importancia). Este NI indica qué característica es importante y crítica para el cliente y/o el proceso para que se considere por lo tanto el control de su medición.
g) Definir para las características anteriores y según su número de importancia:
- Determinar qué característica debe ser medida y cuál puede no ser medida.
- La tabla de muestreo o frecuencias de medición.
- Determinar cuál es el punto y el método económicamente eficiente para tomar la medición. Recordando que los ajustes son más baratos si se hacen durante las primeras etapas del proceso, y esto se logra si las mediciones se realizan también durante las primeras etapas del proceso.
- Determinar la necesidad de aplicar técnicas estadísticas (control estadístico de proceso o de calidad) según lo crítico de la medición.
referencias
[1] Comisión Ambiental Metropolitana en colaboración con GTZ – Sociedad Alemana de Cooperación Técnica; Manual de Minimización, Tratamiento y Disposición: “Concepto de Manejo de Residuos Peligrosos e Industriales para el giro de la Galvanoplastia”; México D.F., Septiembre de 1998.[2] Donald R. Askeland; “La Ciencia e Ingeniería de los Materiales”; Tercera Edición, Grupo Editorial Iberoamérica; México 1987.
[3] U.S. EPA/SEDESOL, Grupo de Trabajo Sobre la Prevención de la Contaminación; Manual Bilingüe de Prevención de la Contaminación: “La Minimización de Residuos en la Industria del Acabado de Metales”; Mayo de 1993.
[4] Guía de Producción Más Limpia para el sector de recubrimientos electrolíticos en Colombia.
[5] A. Kenneth Graham; H. L. Pinkerton; “Manual de Ingeniería de los Recubrimientos Electrolíticos”; Traducción de la segunda edición en Ingles; Compañía Editorial Continental S.A.; México; 1967.
[6] Elizondo Decanini, Alfredo; “Manual de aseguramiento metrológico industrial”; Primera Edición; Ediciones Castillo; México; 1996.
Comentarios
Publicar un comentario