descripción de los procesos de tratamiento de superficies - metalmecánica

24/6/2015 DescripcindelosprocesosdetratamientodesuperficiesMetalmecnica

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15/11/2003

METALMECNICA

Este artculo se ha extrado del manual de Prevencin de la contaminacin en el sector de superficiesdel Departamento de Medio Ambiente de la Generalitat de Catalunya, que se edita en respuesta a lanecesidad de incorporar condiciones ambientales en los procesos productivos y concienciar tanto a alas pymes como a las grandes empresas. El captulo dedicado al tratamiento de superficies, tiene comoobjeto dar una visin de todos los procesos y tcnicas en funcin de la superficie a tratar, losmateriales empleado, su destinacin y las condiciones requeridas del producto final para as, paraminimizar el impacto medioambiental que generan diversos elementos residuales que si se gestionancorrectamente, se puede llegar a evitar.

Ver ms artculos sobre: Tratamientos trmicos

Descripcin de los procesos de tratamiento desuperficies



El sector del tratamiento de superficies est formado por subconjuntos de empresas dedicadas a modificar laestructura inicial de una superficie metlica o no para ofrecer unas condiciones de resistencia a los agentesexternos, de acabado final decorativo, etc. El uso de gran variedad de compuestos qumicos muchos de loscules pueden ser altamente txicos y contaminantes.Adems, la recionalizacin del consumo del agua, por ejemplo, y mejorar las operaciones internas,contribuyen a hacer una empresa ms competitiva y reducir la generacin de corrientes residuales.

Cualquier ciclo de preparamiento en el cual las piezas a tratar presentan restos de aceite como xido, se debeeliminar mecnicamente estos contaminantes, antes de introducir las piezas directamente en la lnea deproceso, ya que facilitar la eliminacin ms uniforme de los aceite y xidos, posteriormente.

Decapado mecnico

Consiste en proyectar a gran velocidad, mediante aire comprimido, un material agresivo en estado slido(arena de slice, escorias, granalla de acero, etc) sobre la superficie en cuestin. Con este sistema, se vanlimitando las capas de impurezas que se encuentran adheridas a la superficies a tratar. El material agresivaque se utiliza depende de diferentes factores como son el rendimiento del producto, la posibilidad derecuperacin, el aspecto deseado del acabado y el material de base de la pieza.

Desengrase qumico

En este casi, se procede a la inmersin de la superficie a tratar en una solucin qumica, durante un tiempoprefijado, empleando disolventes, detergentes o por electrlisis.En el desengrasado con disolventes, stos son utilizados tanto en fase vapor como en fro. Eliminan lasgrasas, las pinturas y los barnices.

En fase vapor, se utilizan normalmente disolventes cloratos, los cules se evaporan en el bao para producirlos vapores disolventes.

A continuacin, se citarn los disolventes ms utilizados actualmente para el desengrase:

tricloroetano, tricloroetileno i percloroetileno,cloruro de metileno,triclorofluoretano,cloroformo, como en bsicos.

En el caso de la utilizacin del desengrase con disolventes en fro, se utilizan los mismo compuestos, pero seaplican por inmersin.

En el desengrase qumico con detergentes (comerciales), se consigue eliminar cualquier tipo de grasa graciasa la presencia de elementos tensoactivos que disminuyen la tensin superficial del bao y que se aaden auna solucin alcalina. Se trata de un sistema muy empleado en Catalua, por ejemplo.



En los medios alcalinos utilizados para desengrasar las piezas se pueden encontrar la siguiente formulacin:

sosa custica 40 g/lcarbonato sdico 25 g/lfosfato trisdico 12H2O 10 g/lmetasilicato sdico 5H2O 10 g/lhumectantes 2-5 g/lcomplejantes metlicos variable

En este medio, las condiciones ptimas de trabajo son las siguientes:

pH 12-14temperatura 60-90 C

Por otro lado, para favorecer el efecto mecnico de la limpieza, normalmente se utiliza algn mecanismo deagitacin del medio, como el aire, por ejemplo.

2.1.4 Desengrase por ultrasonidos

Este sistema consiste en un medio qumico con el anterior, el cual se aade un mecanismo generador deultrasonidos que crea un efecto de impacto sobre la superficie de la pieza y colabora en su limpieza mecnica.

2.1.5 Desengrase electroltico

Es tambin uno de los sistemas ms utilizados en Catalua y consiste en someter las piezas, actuando comoctodos, en la accin de una solucin alcalina. Las grasas saponificables son atacadas y saponificadas por laaccin de la solucin alcalina, y el hidrgeno originado en la electrolsis sobre el ctodo favorece que lasgrasas de liberen de la pieza. Con este sistema, tambin se desprenden los xidos metlicos por su reduccina travs del hidrgeno.La formulacin bsica del medio es la siguiente:

sosa custica 50-60 g/lfosfato trisdico 12H2O 10-20 g/lgluconato sdico 10-30 g/l

En este casi, las condiciones de trabajo ms frecuentes son los siguientes:

pH 12-14temperatura 80 Cdensidad de corriente 5-10 A/dm2

2.1.6 Activado cido/decapado

En esta operacin se elimina sobre todo los xidos metlicos de la superficie a recubrir. Segn el tipo dexido a eliminar se utilizan baos cidos en fro o en caliente.Entre los principales compuestos que se utilizan se pueden destacar:

cido clorhdrico,cido sulfrico,agentes inhibidores.

Tambin se ha observado la utilizacin de dos cidos mezclados, aunque algunos activadores especiales demetales utilizan el biofloruro amnico (F2HNH4) como una sustancia de activacin. Despus del decapeado, lasuperficie contiene productos qumicos que se generen por la accin de los cidos sobre los xidos. Acontinuacin, por tanto, se eliminan estos productos mediante su neutralizacin y posterior, limpieza conagua corriente.

2.2 Los principales procesos galvnicos

Despus de la limpieza completa de la superficie a recubrir de cualquier tipo de grasa u xido metlico, sesomete a un proceso de electrodeposicin con un material que le da las propiedades anticorrosivas y



decorativas deseadas.Segn el material a recubrir y las caractersticas dinales que se pretenden del recubrimiento, se utilizandiferentes tcnicas y materiales. A continuacin se ven los principales procesos de tratamiento que se llevan acabo en Catalua.

En el caso de los recubrimiento electrolticos, el mecanismo de recubrimiento consiste en sumergir lasuperficie a recubrir, limpiada previamente por alguno de los procedimientos citados anteriormente, en unelectrolito adecuado, que posee los iones del metal a deposita; la pieza a recubrir constituye el ctodo de lacubeta electroltica.

Por otro lado, el nodo est formado por barras de gran pureza del metal de deposicin, la misin del cual esmantener constante la concentracin de los iones metlicos en el electrolito.

El grueso del recubrimiento se regula por variacin de la intensidad de la corriente empleada y de los tiemposque dura el proceso. Hay que resaltar, tambin, la presencia de agentes diversos humectantes,abrillantadores, complexants, etc- que, en diversas funciones, forman tambin parte del bao.

Dentro del sector de la industria del acabado se superficies en Catalua se pueden encontrar, principalmente,los procesos industriales que se describen a continuacin, que, con diversas funciones, forman tambin partedel bao.

Zincado electroltico y pasivacin

Este tipo de proceso es uno de los ms difundidos entre las empresas de tratamiento de superficies y,posiblemente, se convierta en uno de los recubrimientos ms empleados para la proteccin del hierro, dadassus caractersticas anticorrosivas y decorativas.Existen en la actualidad tres formas bsicas de depositar el zenc por va electroltica:

zinc cido,zinc alcalino,zinc cianurado

El proceso de zinc cido no es, hoy en da, el proceso de zincado ms utilizado. Este metal es qumicamenteactivo y se ve atacado por los cidos diluidos, aunque lo hace lentamente cuando el cido est concentrado.En algunos casos estos provoca una dificultad a la hora de controlar los parmetros del bao de proceso. Lasolucin cida est formada principalmente por sulfato o cloruro de zenc, cloruro sdico o potasio, cidosbrico, como principales. Esconces, las formulaciones cidas son de este forma:

cloruro de zinc 62-85 g/lcloruro potasio 186-255 g/lcido brico 30-38 g/lhumectantes 60-90 g/labrillantadores 0,5-1 g/l

Las condiciones de trabajo en esta formulacin son las siguientes:temperatura 21-35 Cdensidad de corriente 1-4 A/dmtensin 1-18 VpH 4,8-5,4

Ms utilizada que la anterior es la solucin de zinc alcalina. En este caso, el zinc reacciona con los alcalinosdando zincados solubles, segn la reaccin siguiente, en la que tambin se libera hidrgeno:

Zn + 2(OH) --> (ZnO ) + H

En este caso, la formulacin bsica ms comn es la siguiente:

xido de zinc 9,5 g/l

2

2

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hidrxido sdico 90-120 g/labrillantadores 10-50 ml/l

Las condiciones de trabajo en este caso son:temperatura 20-30 Cdensidad de corriente catdica 2-4 A/dm2voltaje 2-15 V

El ultimo tipo de zincado, cada vez menos utilizados que el zincado cido y alcalino, es el de zincadocianurado, en forma alcalina, que se basa en la reaccin siguiente:

Zn(CN) + 2 NaCN --> Na Zn(CN)

Las formulaciones bsicas dependen fundamentalmente de la concentracin de cianuro sdico variando de lasiguiente manera:

En cuanto a las condiciones de trabajo, las ms utilizadas son las siguientes:

temperatura 20-30 Cdensidad de corriente catdica 2-6 A/dmvoltaje 2-15 V

Una vez se ha realizado el proceso de zincado de las piezas, para incrementar su resistencia a la corrosin, seles somete a un proceso de pasivacin crmica o cromatizado. Esta pasivacin puede ser de cuatro tipos:

pasivacin azul (resistencia a la corrosin baja),pasivacin verde (alta resistencia a la corrosin),pasivacin amarillo (resistencia a la corrosin similar a la anterior),pasivacin negra (resistencia de tipo medio).

Hasta ahora se continua utilizando el cromo hexavalente en las formulaciones para la pasivacin.

Subcapas y acabados

El sector de tratamientos de superficie lleva a cabo un gran nmero de acabados anticorrosivos y decorativos.En buena parte de ellos, previo al acabado final, donde encuentra una subcapa de nquel que favorece laresistencia a la corrosin y la posterior electrodeposicin del metal que ofrecer el acabado la resistencia a lacorrosin y la posterior electrodeposicin del metal. Por tanto, como vemos, el niquelaje electroltico se utilizaen numerosos casos como una base para recubrir con los otros metales, como son: el cromo, el oro, la plata oel latn, entre otros.Este tipo de proceso es el que se denomina general.

El proceso de niquelaje se utiliza normalmente como una subcapa para tratar hierro, aluminio, latn, cobre,zinc y sus aleaciones.

En algunos casos particulares, las piezas son acabadas con un recubrimiento de nquel qumico decaractersticas especficas (dureza, lubricacin, etc).

Dado que las reacciones que se producen en el niquelaje qumico son catalticas, es decir, las inicia el mismomaterial a recubrir, es muy importante en este tipo de recubrimiento conseguir una buena adherencia y portanto, limpiar a fondo las piezas a tratar.

La formulacin bsica comn es:

sulfato de nquel 7H2O 250-350 g/lcloruro de nquel 6H2O 60-90 g/lcido brico 30-60 g/labrillantadores 20-30 g/lhumectantes 2-5 g/l

2 2 4

2



Con estas materias primas, las condiciones de trabajo requeridas son las siguientes:

temperatura 50-65 Cdensidad de corriente 1-10 A/dmpH 4-5tensin 1-16 V

La reaccin general que tiene lugar para la deposicin del nquel es la siguiente:

2 Ni2+ + (BH4) + 4 OH 2 Ni + (BO2) + 2 H2O + 2 H2

Como ya se ha comentado, el niquelaje electroltico se emplea en muchos casos como una base parafavorecer la deposicin de otro metal (cromo, principalmente).

Los baos de cromo estudiados, como las materias primas de uso ms generalizado se pueden destacar:

trixido de cromo 150-400 g/lcido sulfrico 2,5-4 g/lcatalizadores 0,5-1 g/l

Las condiciones de trabajo seguidas son:

temperatura 40-50 Cdensidad de corriente 5-55 A/dmnodos insolubles 93% Pb, 7% Sn

El bao de cobre tambin es bastante utilizado dentro del sector. La formulacin del bao es variada y sepuede clasificar segn:

cobre alcalino cianurado,cobre alcalino sin cianuros,cobre cido con cidos sulfricos,cobre cido con cido brico.

Para el cobre alcalino cianurado, la composicin es:

cianuro de cobre 22,5 g/lcianuro sdico 34,0 g/lcarbonato sdico 15,0 g/lhidrxido sdico control de pH

Respecto a las condiciones de trabajo, son estas a las condiciones de trabajo, son stas:

temperatura 32-43 Cdensidad de corriente. 10-15 A/dmpH 12-12,6nodos cobre y acero

Se utiliza para los grosores finos sobre todo tipo de metales de base y acta como una capa de bases paranuevas capas de otros tipos de bao de cobre. Por este motivo, su aplicacin est muy extendida.

Existe tambin una versin de alta concentracin, que llega hasta los 120 g/l de cianuro de cobre y 135 g/l decianuro sdico.

El bao de cobre alcalino sin cianuros tiene la composicin siguiente:

pirofosfato de cobre 345,0 g/lhidrxido potasio 18,0 g/lamonio (29%) 1 ml/l

Respecto a las condiciones de trabajo del bao, son stas:

temperatura 43-60 C

2

2

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pH 8,2-9,2densidad de corriente 1-7,5 A/dmnodos cobre

Es una subcapa para baos de nquel brillante y cromo. Se aplica sobre cualquier metal que presente unacapa de cobre. Tambin se utiliza en circuitos impresos.

Para el caso del cobre cido como cido sulfrico, la composicin del bao est formado por:

sulfato de cobre 195-248 g/lcido sulfrico .................................................. 30-75 g/l

Respecto a las condiciones de trabajo son :

temperatura 21-49 Cdensidad de corriente 2-10 A/dmnodos cobre

Es un bao aplicable sobre cualquier metal ferroso con base previa de cobre; tambin se puede utilizar comoun recubrimiento bajo baos de nquel- cromo, para ofrecer ms resistencia a la corrosin. Se utiliza muchoen la fabricacin de circuitos impresos, ya que se consiguen capas muy final de recubrimiento, aunquetambin permite recubrimientos gruesos.

Respecto al bao de cobre cido con cido brico, la composicin es la siguiente:

fluoborate de cobre 225,0 g/lcido fluobrico control de pH

Condiciones de trabajo:

pH 0,8-1,7temperatura 27-77 Cdensidad de corriente 7,5-12,5 A/dmnodos cobre

Se trata de un proceso que puede ofrecer cualquier tipo de grosor a las piezas de cualquier metal base quetenga una base de cobre. Utilizado tambin en la confeccin de circuitos impresos.

Otro tipo de recubrimiento que utiliza el nquel como base es el bao de latn. En este caso, la formulacinms empleada es la siguiente:

cianuro de cobre 60-75 g/lcianuro de zinc 8-30 g/lcianuro sdico 130-150 g/lsosa custica 3-4 g/lamonaco 1-5 g/labrillantadores 1-10 g/l

En este proceso, las condiciones de trabajo son :

temperatura 40-60 CpH 9,5-11,5densidad de corriente 0,5-2 A/dmnodos Cu-Zn 80% Cu, 20% Zn

Otro bao que necesita un primer tratamiento con nquel es el de argent. La formulacin en este proceso es:

cianuro de plata 30-40 g/lcianuro potsico 160-200 g/labrillantadores 0,1-10 g/l

y las condiciones de trabajo son:

2

2

2

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temperatura 22-30 Cdensidad de corriente 0,5-2 A/dmnodos plata(99,99%)

Finalmente, un ltimo proceso muy comn, que tambin necesita una primera capa de nquel es el bao deoro. En esta caso, la formulacin empleada es la siguiente:

cianuro doble de oro y potasio: 0,5-2 g/lfosfato disocio:10-20 g/labrillantadores:1-5 g/l

Las condiciones de trabajo ms utilizadas son:

temperatura 50-70 CpH 11-12densidad de corriente 0,2-0,6 A/dmnodos titanio platinizado (inertes)

Dentro de este tipo de tratamientos generales, se debe mencionar el proceso de recubrimiento con estaopor bao electroltico en el cual intervienen el estao sdico, acetato sdico, sosa custica,

Perorado sdico y agua. La temperatura de trabajo es de 70 C.

Bsicamente, se da el proceso porque el perborato sdico oxida el in estanado a estnico.

Procesos de conversin de superficie

En este grupo de procesos de recubrimiento, se efecta una reaccin qumica con el metal de base. Losprocesos industriales ms importantes son dos:

fosfatacin i pavonaje, en el caso del hierro y del acero,anodizacin del aluminio y sus aleaciones.

La fosfatacin consiste en la formacin de capas de fosfatos sobre la superficie del metal a tratar. Adems deproteger contra la corrosin, este proceso facilita el trabajo mecnico de los metales tratados.

El proceso de fosfatacin se consigue introduciendo la pieza a recubrir en una solucin diluida de cidosfosfrico, el cual reacciona con el hierro segn la reaccin:

Fe + 2 H PO --> Fe(H PO ) + H

Por su parte, el pavonaje consiste, en esencia, en la oxidacin de la superficie controlando el proceso demanera que se forme xido frrico que, dada su compacidad, protege el hierro.

Esta oxidacin se consigue de diversas maneras:

electrolticamente (oxidacin andica), con una solucin de agua con hiposulfito;qumicamente (oxidacin alcalina), con hidrxido de sodio i nitrato sdico o potasio;qumicamente tambin (bao de sales), con un bao formado por una mezcla de nitratos de sodio ypotasio, a los cules se aade dixido de manganeso.

Por otro lado, tambin existe el proceso de anodizacin del aluminio. La oxidacin andica del aluminiopuede considerarse un proceso de pasivacin acelerada mediante el paso de la corriente continua. Enrealidad, se trata de su oxidacin por electrlisis haciendo actuar como un nodo la pieza a tratar. Es unaaplicacin muy importante que, en la mayora de los casos, sirve para la proteccin de piezas de aluminiodestinadas a la construccin.

El mecanismo que tiene lugar es el siguiente: cuando la corriente eleelctrica pasa a travs del electrolito,donde las piezas del aluminio a oxidar hacen de nodo, se forma una capa de xido de aluminio (almina)que va creciendo poco a poco, hasta llegar a gruesos del orden de 25-60 micras.

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2

3 4 2 4 2 2



Durante este proceso de oxidacin, el oxgenos que se forma al nodo es el que va oxidando el aluminio. Acausa del excesivo calor desprendido durante la oxidacin, se deshidrata y forma el xido de aluminio (capade almina).En este caso, a diferencia de otros procesos, el tratamiento que se debe dar al aluminio es el siguiente:

desengrasado qumico,lavado,satinaje de aluminio (alcalino),lavado,decapaje cido ntrico,lavado,anodizaje de cido sulfrico,lavado,coloracin,lavado,sellado con agua caliente.

Para hacer el desengrasado qumico, la formulacin ms empleada es la siguiente:

carbonato sdico 40 g/lmetasilicato sdico 20 g/lgluconato sdico 10 g/lfosfato disocio 20 g/lhumectantes 1-5 g/l

Por otro lado, para hacer el proceso de satinaje del aluminio, la formulacin bsica es:

sosa custica 50-60 g/lgluconato sdico 20-30 g/lhumectantes 1-5 g/l

En el decapaje con cido ntrico, la formulacin es:

cido ntrico 500 mlagua 500 ml

La temperatura de trabajo en este caso es el ambiente.

En cuanto al proceso de anodizacin propiamente dicho, existen diferentes tipos de electrolitos que sonutilizados en la oxidacin andica, aunque el ms importante es el cido sulfrico a un 20% en peso.

temperatura 21-23 Cdensidad de corriente andica 0,5-1,5 A/dm

Como el tratamiento andico del aluminio, el cido sulfrico ataca la superficie disolvindola parcialmente,cuando la concentracin de aluminio en el medio llega a un valor concreto, se debe proceder a la dilucin deelectrolito.

En algn caso se debe proceder a la coloracin del aluminio mediante la utilizacin de colorantes adecuados,tanto orgnicos como inorgnicos. La concentracin de cada colorante depende de cada caso. Tambin lascondiciones de trabajo dependen de cada colorante en concreto, as como del grado de intensidad deabsorcin demandada.

Finalmente, en el proceso de sellado se utiliza agua destilada a 98C, para hidratar la capa de almina.

Parta acabar con el estudio de los procesos galvnicos realizados, se describe, a continuacin, el proceso deelectropulido.

Electropulido

El pulido electroltico consiste en disolver de manera preferencial, una parte muy pequea de la pieza, para

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conseguir un alto grado de brillo del acero inoxidable.La pieza acta como un nodo, en una cubeta que contiene cidos concentrados calientes.

En este acaso, la composicin del electrlito es la siguiente:

La pieza acta como a node, en una cubeta que cont cidos concentrados calientes.

cido fosfrico 90% (peso)cido sulfrico 10% (peso)glicerina 1% (peso)

As, las condiciones de trabajo son stas:

temperatura 80-90 Ctiempo 2-3 minutosdensidad de la corriente andica 10-50 A/dm

COMENTARIOS AL ARTCULO/NOTICIA

#2 - Alfredo Soto saucedo05/03/2010 1:15:43

El recubrimiento de estano sobre aluminio recomendacion necesaria de un proceso fuerte que evita lafalta de adgerencia

#1 - Patricio06/01/2010 13:32:59

El texto es muy bueno...me sirvio de mucho, muchas gracias por compartir tan valiosa informacion

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