METODOLIGIA PARA EL PROCESO DE CROMADO ELECTROLITICO EN LA INDUSTRIA METAL MECANICA DE LA CIUDAD DE LOJA.

SUMARIO

Se desarrolla una metodología para el proceso de cromado en la ciudad de Loja. Se exponen los fundamentos sobre la aplicación practica de la teoría de la deposición electrolítica, la influencia de diversos factores, los mecanismos de la formación de recubrimientos, las operaciones más significativas del proceso, los equipos e implementos, los parámetros tecnológicos y la metodología establecida para procesos de cromado.

ABSTRACT

A methodology for the process of coating with chrome in the city of Loja is developed. The fundamentals on the practical application of the theory of the electrolytic deposition, the influence of some factors, the mechanisms of the formation of coating, the most significant operations of the process, the equipments and tools, the technological parameters and the established methodology for processes of coating with chrome are exposed.

1. Introducción

El marcado desarrollo industrial que se ha manifestado en la región sur del Ecuador, específicamente en la provincía de Loja, ha sido el catalizador o se manifiesta como el fenómeno que obliga a las industrias a adoptar nuevas tecnologías para acoplarlas a los procesos productivos. Dentro del campo de la industria mecánica se vislumbra, como perspectiva, la introducción de tecnologías para recubrimientos electrolíticos con cromo.

La investigación de los últimos años se ha orientado a la obtención de productos metálicos estables, es decir, “inoxidables”. Son relativamente costosos por lo que aún estamos lejos de haber entrado en una era de metales “inoxidables”. La industria química trata efectivamente de combatir el orín, aplicando mediante uno u otro de los diversos métodos, capas envolventes químicamente durables.

De hecho, uno de los principales objetivos de la galvanotecnia es la aplicación de películas delgadas de metales poco corrosibles sobre aquellos otros que son susceptibles de ataques por las condiciones atmosféricas que los servicios imponen.

El estaño, el zinc, la plata, el cadmio, el cromo, el oro, el níquel, el radio suplen esta necesidad. Algunos de estos pueden aplicarse por inmersión, tal ocurre en el estañado y el galvanizado. Las pinturas, los barnices y los metales menos corrosibles son ejemplos de protección, pero no únicos, ya que se acude a otros sistemas defensivos, tales como el de producir sobre la superficie de un metal corrosible una capa uniforme y adherente de un compuesto estable.

El desarrollo de los recubrimientos galvánicos está estrechamente ligado al descubrimiento y evolución de las leyes de la electroquímica. En los años 1832-1834 M. Faraday descubrió, en el transcurso de

sus investigaciones acerca del paso de la electricidad a través de las disoluciones, que la misma cantidad de electricidad libera siempre en los electrodos pesos equivalentes de sustancias. Posteriormente, en 1837, S. Arrhenius enunció la Teoría de la disociación Electrolítica, lo que constituye la base del moderno tratamiento de los electrólitos.

Posteriores trabajos de W. Bancroft (1892), J. Thomson y W. Nernst (1893), E. Walden (1906) y Washburn (1909) enriquecieron la teoría de Arrhenius para establecer los actuales fundamentos de la interacción iónica de los electrolitos con los metales.

A principios del siglo pasado, el desarrollo de los recubrimientos galvánicos recibió un importante impulso con el progreso experimentado en el campo de los aceros inoxidables. En este sentido, los resultados alcanzados por Gillette(1906), Monnartz (1908) y Portevin (1915) fueron definitorios, al demostrar que el carácter de inoxidabilidad de los aceros al añadirles determinadas cantidades de cromo era el resultado de la pasivación. En la práctica industrial, los procesos de cromado hicieron su aparición el año 1920 (Field, 1983) y hasta nuestros días, han recibido un notorio impulso en la fabricación de componentes, piezas y artículos de la más diversa naturaleza.

2. Métodos y TécnicasPara el desarrollo de la

metodología se tomaron en consideración

los siguientes aspectos: El conjunto de teorías científicas básicas de la disociación electrolítica y su aplicación a los procesos de cromado de metales, los factores que influyen en la calidad de los depósitos de cromo electrolítico, las operaciones y fundamentos elementales en los procesos de cromado, los tipos de recubrimientos con cromo más comunes, el equipamiento, los implementos y materias primas necesarias para los procesos de cromado. 3. Antecedentes

En la tabla I se detalla las etapas más relevantes de esta técnica y los principales insumos utilizados.

El baño de cromo es indiscutiblemente, entre todos los utilizados en galvanotecnia, el mas simple y el que menos variaciones ha sufrido desde que en 1920 hizo su aparición en la práctica industrial, sin embargo, no faltan abundantes números de fórmulas creados por numerosos investigadores con el objetivo de mejorar las condiciones de funcionamiento o modificar la estructura del depósito de cromo.

Al efectuar los procesos de cromado, deben tenerse en cuenta una serie de parámetros y factores que, además de asegurar la obtención de las características deseadas en los baños, garantizan que los efectos de los mismos sobre estas características sean los esperados, reduciendo al mínimo los defectos.

Tabla I. Operaciones y procesos más significativos de la galvanoplastia

Operación o Proceso Objetivo Operación InsumosPulido Mecánico Remoción de óxidos

superficialesMáquinas pulidoras o abrasivos

Decapado  Remoción de óxidos superficiales 

Inmersión de las piezas en solución acuosa de ácidos 

Ácidos sulfúrico, clorhídrico, fosfórico, nítrico 

Desengrase  Eliminación de grasas y aceites

 Inmersión en solventes orgánicos o en soluciones alcalinas 

Hidróxido de Sodio,  Carbonato de Sodio,  Cianuro de Sodio 

Electrodeposición de metales 

Deposición del metal en la superficie de la pieza

 Inmersión de las piezas en soluciones de electrolitos y aplicación de tensión 

Sales metálicas en forma de cloruros, nitratos, sulfatos, cianuros 

Neutralizado  Protección del acabado superficial 

Inmersión de las piezas en soluciones neutralizantes

Ácido crómico, nítrico, cianuros 

Enjuague  Remoción de químicos de la superficie de las piezas

Inmersión de las piezas en agua o soluciones acuosas 

 Restos de los productos removidos y agua 

Secado Eliminación de la humedad del enjuague

Hornos, centrífugas, aserrín

Aire frío, caliente, aserrín 

Figura 1. Cuba electroquímica, con barras porta eléctrodos.

4. Principales parámetros tecnológicos del cromado4.1. Densidad de corriente catódicaEsta no es más que la relación entre la corriente aplicada al cátodo y el área de la pieza. La misma se calcula según la ecuación 1.

; [A/dm2] .. . .(1)

Donde:Ic = Corriente catódica, A.Sc = Area de la pieza, dm2.En sentido general, los baños de cromo poseen bajo rendimiento por lo que es necesario aplicar altas densidades de corriente.Figura 2. Electrodo.

4.2. Densidad de corriente anódica

Es la relación entre la corriente aplicada al ánodo y el área de la pieza. La misma se calcula según la ecuación 2.

; [A/dm2] . . .(2)

Donde:Ia = Corriente anódica, A.Sa = Area de la pieza, dm2.4.3. Temperatura tecnológicaEs la temperatura indicada tecnológicamente para el baño.4.4. Tiempo tecnológicoEs el tiempo de duración del proceso electrolítico. El tiempo de deposición del cromado para obtener un espesor deseado se puede calcular por la ecuación 3.

; [min] . .(3)

Donde:

e =espesor del recubrimiento, (um)p = Densidad del cromo, kg/dm2

= Rendimiento del bañok = Constante electroquímicaDc = Densidad de corriente catódica, A/dm2

5. Rendimiento del bañoNo es mas que la relación del metal depositado durante el cromado y la cantidad de cromo depositado.

Donde:m2 = masa de la probeta cubierta, kgm1 = masa de la probeta sin cubrir, kg6. Metodología para el cromado

Se constituye de un orden secuencial de las siguientes etapas:6.1. Montaje de piezas

Primeramente se realiza el amarre o sujeción de las piezas en los dispositivos o bastidores Este procedimiento es el que da la posibilidad de manipular, asegurar y agilizar todo el desarrollo del proceso en general.6.2 desengrase6.2.1. Desengrase electrolítico catódico.

Este proceso es muy sencillo. El electrolito desengrasante está contenido en una cuba de hierro, la cual actúa de ánodo. Se suspenden los artículos de una barra catódica y se hace pasar una intensa corriente. El desprendimiento de grandes volúmenes de hidrógeno lleva consigo la separación de grasas de la superficie catódica. Este proceso tiene un tiempo de duración en el que la pieza permanece en el baño de 1,5 a 2 minutos. Los baños usados son del mismo tipo que los anteriormente indicados, lo único que varía son las cantidades de cada constituyente, lo que depende del metal a tratar.6.2.2. Desengrase electrolítico anódico.

Aquí se presentan las mismas características del anterior desengrase, lo único que aquí se invierten las corrientes mediante un interruptor especial, convirtiendo la pieza en ánodo. La ventaja de esta inmersión es la destrucción de toda capa de hidrógeno adherida a la superficie del metal. En estos baños se emplean soluciones de menor concentración que la de aquellos

baños alcalinos agotados por uso excesivo.6.3. Enjuague caliente.

Después del desengrase electrolítico anódico los artículos son transferidos del baño a un enjuague en caliente sin pérdidas de tiempo, para prevenir que la superficie se seque con la consecuente aparición de manchas. Aquí en este enjuague se elimina todo residuo jabonoso adherido a las piezas. un enjuague de recuperación o económico (enjuague sin circulación) y luego a un doble enjuague en frío, con tiempos que variaran de 1 a 3 minutos, preparando la pieza para el posterior proceso y para su limpieza final. Transcurrido el tiempo de electrodeposición del cobre, níquel, cromo, y las etapas de desengrase, y decapado, se sacan las piezas escurriéndolas previamente. El objetivo de estos enjuagues es el de disponer a la pieza en perfectas condiciones superficiales y alargar el tiempo de utilidad de las soluciones.6.4. Decapado químico.

Una vez enjuagada y limpia la pieza, se lleva a un proceso de decapado químico para la eliminación de óxidos a través de una inmersión en con una concentración de 80 a 90 g/L , equivalente a 6,5 %. El tiempo de duración de esta operación es de 2 minutos aproximadamente.

Figura 3. Sala de desengrase y decapado químico

6.5. Baño de cobre alcalino cianurado (tipo Rochelle).

Este proceso tiene como fin lograr en la pieza un alto poder de penetración y fijación de otros elementos como el níquel Este procedimiento proporciona otra ventaja, y es que siendo aplicable directamente al hierro y al acero hace innecesaria la instalación de un baño ácido cuando se desee cobrear al hierro, acero u otro metal base. Este baño trabaja a altas temperaturas. Mientras más alta sea la temperatura, más rápido se descomponen los cianuros .a continuación se muestran los principales parámetros que influyen en la aplicación práctica de esta etapa.

Figura 4. Charola escurridora entre cubas

A partir de esta fase se emplea las charolas escurridoras entre cubas, con la finalidad de devolver al baño las residuos de solución adheridos a la pieza por arrastre, lao cuales vuelven a la cuba por simple escurrimiento, esta es una técnica muy adecuada para prolongar el tiempo útil de las soluciones

Tabla II. principales párametros en la deposición del cobre alcalino

Composición Cobre g/l

Sal Rochelle g/l Concentración elevada deSodio g/l Potasio g/l

Cianuro de cobreCloruro de sodioCarbonato de sodioHidróxido de sodioSal Rochelle

22,533,715

para Ph--------

26,234,230

para Ph45

1201351530----

6093,71542----

Por análisis:CobreCianuro libre

15,77,5

18,76

84,73,7

427,5

Condiciones:Ph, calorimétricoTemperatura ºcDensidad A/dm2

Voltios

12-12,632-431-1,5

6

12-12,654-712-46

>13,078-823-66

>13,076-823-66

6.6 NeutralizaciónUna vez enjuagadas, las piezas se

sumergen en una cuba donde se le realiza

el proceso de neutralización añadiendo (aceite de nitriolo). El , al

interaccionar con los álcalis que aún se encuentran adheridos a la superficie de la pieza provoca que estos se neutralicen entre sí.Este paso nos ayuda apreservar la concentración y pureza de baños posteriores.

6.7 Baño de níquel brillante.

Los baños de níquel brillante, conocidos como los baños Watts, persiguen como objetivo cubrir a la pieza de una película de níquel para así protegerla de la acción corrosiva del medio. Es este proceso las piezas hacen función de cátodos y los ánodos son de níquel, forrados con telas anticorrosivas, las cuales retienen los lodos. Los valores de los principales parámetros a controlar se reflejan en la tabla III.

Tabla III. Baños de níquel brillante

Composición Watts g/l Alto cloruro g/l

Todo cloruro g/l

Fluoborato g/l

Sulfato de Ni NiSO4 6H2OCloruro de NiNiCl2 6H2OFluoborato de NiNi(BF4)2

Ácido bórico

300

45

33,7

240

90

33,7

--

240

30

----

----

30Por análisis.NíquelPh electrométrico-baja-mediana-alta

77,2

2-2,53,5-4,04,8-5,2

75,0

2-2,5--------

75,0

0,9-1,1----------

54,7

------------

Temperatura ºcDensidad de corriente A/dm2

54

1-6

54

1-6

54

5-10

54

5-10

6.8. Cromado decorativo.Una vez limpias las piezas, están

en condiciones de ser sometidas al proceso de cromado. Este se realiza en dos baños con un mismo objetivo:

proteger la pieza contra la corrosión, proporcionándole a ésta un brillo especular. Los principales aspectos a considerar se detallan en la tabla III.

Tabla IV. Principales parámetros en la deposición electrolítica del cromo

Composición g/l g/l g/lÁcido crómicoH2SO4

Relación del baño CrO3- H2SO4

247,52,47

100:1

397,53,97

101:1

337,52,17

155:1

Condiciones:Temperatura ºcDensidad A/dm2

Agitación catódicaVoltios

43-49

0,07

43-490,07

540,01-0,25

Es opcional6-12 6-12

6.9. Secado final.Después de enjuagadas, las piezas

se secan para eliminar todo indicio de humedad y permitir una acción físico-química uniforme. El secado puede ser

con aire a presión o en una estufa a 150 ºC aproximadamente. Luego se procede al desamarre, desmontaje de los dispositivos y control de calidad.

7. Control del procesoEn la siguiente tabla se presenta

los principales defectos del cromado, sus causas y sus posibles soluciones.

Tabla V Principales defectos en el proceso y posibles vias de solución

Defectos Motivos Forma de eliminarlos

Zonassin

recubrimiento

1. Baja densidad de corriente 1. Aumentar la densidad2. Alta temperatura 2. Disminuir la temperatura3. Problemas de contacto con el

cátodo3. Revisar los contactos con el

cátodo4. Trabajo no uniforme de los

ánodos4. Unificar trabajo de los

ánodos5. Inadecuada composición del

baño 5. Unificar el contenido

6. Decapado excesivo 6. Verificar composición y tiempo de decapado

Recubrimientos con manchas

1. Pasivación parcial de la superficie

1. No aplicar enjuague caliente antes del cromado

2. Impurezas en la superficie 2. Mejorar la limpieza en la superficie catódica

3. Inadecuada preparación mecánica (calentamiento durante el pulido)

3. Pulir con cuidado, desengrasar y decapar cuidadosamente

4. Depósitos de cromo no eliminados

4. Eliminar totalmente la capa de Cr.

Recubrimientos sin brillo

1. Intercepción de la corriente durante el cromado

1. Problemas de contacto o alimentación de corrientes a las cubas

2. Elevación de la concentración de CrO3

2. Verificar el CrO3 con el acrómetro

3. Disminución de la concentración de SO4

3. Añadir SO42- según análisis

4. Disminución de la densidad de corriente

4. Corregir los parámetros del proceso

5. Elevación de la temperatura 5. Disminuir y regular la temperatura

Recubrimientos 1. Demasiada elevación de la 1. Disminuir la temperatura

con puntos brillantes y

centro lechoso

temperatura

2. Golpe de corriente muy pobre 2. Incrementar y alojar el golpe de corriente

3. Disminución de la densidad de corriente

3. Elevar la densidad de corriente

4. Concentración del baño con bajo poder de penetración

4. Elevar el Cr6+ y disminuir el contenido de SO4

2-

Recubrimientos con aristas

mates quemadasy centros brillantes

1. Temperaturas muy bajas 1. Incrementarla de 2 en 2 ºC.2. Elevación de la densidad de corriente 2. Reducción del amperaje

3. Golpe de corriente muy alta 3. Reducir el golpe de corriente

8. conclusiones

Se plantea a través de esta investigación una variante metodológica para desarrollar el cromado electrolítico de metales en la ciudad de Loja Estos procedimientos involucran

operaciones en las que se utiliza gran cantidad de sustancias químicas y se producen residuos contaminantes que afectan el agua, el aire y el suelo. Por lo que debe estar ligado a una estrategia ambiental adecuada para reducir las emisiones.

Los procesos galvanotécnicos no involucran el uso de una tecnología sofisticada: los tanques o cubas que utilizan para realizar cada una de las etapas del proceso no han cambiado substancialmente en su diseño pero si en los materiales de construcción, ya que con el desarrollo de resinas y plásticos de alta resistencia química, se han reemplazando las viejas cubas de concreto, madera o enchapadas en plomo por cubas en hierro recubiertas con resina reforzada con fibra de vidrio, con el objeto de disminuir los efectos del ataque químico.

En general, los procedimientos tienen como finalidad modificar las propiedades de la superficie de los metales y estas pueden estar asociadas a motivos decorativos o funcionales dentro de los cuales se encuentran:

1. Aumento de resistencia a la corrosión2. Aumento de resistencia al ataque de

sustancias químicas3. Incremento de la resistencia a la

fricción y al rayado4. Mejoramiento de propiedades

eléctricas o mecánicas5. Mejoramiento de propiedades ópticas6. Ofrecer sustrato de anclaje de pinturas7. Ejercer lubricación Entre cada una de las etapas es

necesario realizar un enjuague con agua limpia, bien sea por inmersión o por aspersión para remover las trazas de soluciones que quedan adheridas a la pieza y de esta manera no contaminar los baños de la etapa posterior.

Un taller de galvanotecnia debe disponerse de tal manera que ofrezca las mejores condiciones de trabajo, en donde se garantice una excelente ventilación, esto minimiza los efectos de los gases desprendidos en esta actividad.

9 Recomendaciones Establecer adecuados instrumentos

para la medida de parámetros fundamentales como la intensidad de corriente y el tiempo.

Resguardar los componentes químicos y clasificarse de acuerdo al grado de peligrosidad.

Diseñar y establecer un plan de mantenimiento de equipos de acuerdo a una programación de la producción, con el fin de evitar emergencias, accidentes, escapes y derrames o fallas de los equipos, mediante el chequeo y revisión de bombas, válvulas, estanques, filtros, equipo de seguridad, entre otros.

Establecer un manual centralizado de catálogos y documentos relacionados con los equipos del proceso. Verificar periódicamente y en forma programada que las partes y piezas de los equipos se encuentren en buen estado.

Capacitar al personal que labora en estas instalaciones, en cuanto a la materia de seguridad, prevención de accidentes y enfermedades ocasionadas por estos procesos.

Desarrollar una distribución metódica de las cubas, con respecto a esta actividad, con la finalidad de disminuir en la mayor cantidad el derrame de las soluciones debido al arrastre de excedentes en la pieza.

Se deben colocar charolas escurridoras entre las cubas, de esta manera se minimiza la pérdida de insumos, y se disminuye la contaminación de otras cubas, alargando la utilidad de las soluciones.

10. Referencias

1. V. Scorcelletti, Electroquímica teórica, (V/O Vneshtorgizdat, Moscú, 1975) pp. 25-269

2. E. Sanchéz.:E. Fleites, “ Proyecto de modernización del taller de Galvanotecnia de la empresa INPUD 1ro de Mayo”, ( Tesís, Escuela de Metalurgia, Instituto superior Minero Metalurgico de Moa, Cuba, 1994)

3. A. Velazquez, “Fragilización de la aleación HH por precipitación de fases sigma”, ( Disertación Doctoral, escuela de Ingenieria Mecanica, Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa, Cuba 2002) pp 68-74.