INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

Unidad Ticomán

INGENIERIA EN AERONAUTICA

Procesos de Manufactura

“Recubrimientos metálicos y recubrimientos por conversión

química”

Equipo 6:

México, Distrito Federal

2/Febrero/2015

Introducción

Después de manufacturar una parte, tal vez sea necesario procesar adicionalmente

algunas de sus superficies para asegurar ciertas propiedades y características. Quizá deban

efectuarse tratamientos superficiales para:

• Mejorar la resistencia al desgaste, la erosión y a la penetración (guías para máquinas herramienta, superficies de desgaste de maquinaria y flechas, rodillos, levas y engranes). • Controlar la fricción (superficies deslizantes de herramentales, matrices, rodamientos y guías de máquinas). • Reducir la adhesión (contactos eléctricos). • Mejorar la lubricación (modificación de la superficie para retener los lubricantes). • Mejorar la resistencia a la corrosión y oxidación (láminas metálicas para carrocerías automotrices, componentes de turbinas de gas, empaque de alimentos y dispositivos médicos). • Mejorar la resistencia a la fatiga (rodamientos y flechas con filetes). • Reconstruir las superficies (herramentales, matrices y componentes desgastados de máquinas). • Modificar texturas superficiales (apariencia, precisión dimensional y características de fricción). • Proporcionar rasgos decorativos (color y textura).

Electrodeposición, deposición sin electricidad y electroformado

La deposición, como sucede con otros procesos de

recubrimiento, proporciona propiedades de resistencia

al desgaste y a la corrosión, alta conductividad eléctrica

y mejor apariencia y reflectividad, así como

propiedades similares deseables

Consiste en depositar por vía electroquímica finas

capas de metal sobre la superficie de un artículo

sumergido en una solución electrolítica

Electrodeposición. En la electrodeposición, la pieza de

trabajo (cátodo) se deposita con un metal diferente

(ánodo), que se transfiere mediante una solución

electrolítica base agua (fig. 1.1).

Fig. 1.1 Electrodeposición sobre un

metal (Me) de cobre en un baño de

sulfato de cobre

El ánodo y el cátodo de la celda conectados a un suministro externo de corriente continua - una batería o, más comúnmente, un rectificador. Ambos estarán sumergidos en un baño por una solución de sales del elemento químico que utilizamos para recubrir el objeto. El cátodo, artículo a recubrir, estará conectado al terminal negativo. Mientras que el ánodo, conectado al terminal positivo, estará compuesto de dicho material para ir aportando iones a la solución a medida que se oxida sustituyendo a los que se están consumiendo en la reacción electroquímica.

Realizando un balance general se puede considerar que cuando se enciende la fuente de alimentación externa, el metal del ánodo se oxida a partir de un estado de valencia cero para formar cationes con carga positiva. Estos cationes asociar con los aniones de la solución. Los cationes se reducen en el cátodo depositándose en el estado metálico, valencia cero. Por ejemplo, en una solución ácida, el cobre se oxida en el ánodo a Cu2+ perdiendo dos electrones. El Cu2+ asociado con el anión SO4

2- en la solución forma el sulfato de cobre. En el cátodo, el Cu2+ se reduce a cobre metálico al obtener dos electrones. El resultado es la transferencia efectiva de cobre de la fuente de ánodo a una película que recubre el cátodo.

Aunque el proceso de deposición comprende muchas reacciones, el proceso consiste

básicamente en la siguiente secuencia:

1. Los iones metálicos del ánodo se descargan utilizando la energía potencial de la fuente

externa de electricidad.

2. Los iones metálicos se disuelven en la solución.

3. Se depositan en el cátodo.

El volumen del metal depositado se puede calcular con base en la expresión:

Volumen del metal depositado = cIt

Donde I es la corriente en amperios, t el tiempo y c una constante que depende del metal

de la placa, el electrolito y la eficiencia del sistema y, por lo regular, se encuentra en el

intervalo de 0.03 a 0.1 mm3/amp–s. Obsérvese que, para el mismo volumen de material

depositado, cuanto más grande sea la superficie de la pieza de trabajo depositada, más

delgada será la capa. Por lo común, el tiempo requerido para la electrodeposición es largo,

porque la velocidad de deposición suele ser del orden de En general, las capas delgadas

depositadas son del orden de y las capas gruesas pueden ser hasta de 500 μm.

Las soluciones de deposición son ácidos fuertes o soluciones de cianuro. Al utilizar el metal

de la solución para depositar, es necesario reponerlo periódicamente, lo que se logra

mediante dos métodos principales: en ocasiones se agregan sales de metales adicionales a

la solución, o se usa un ánodo de sacrificio del metal a recubrir dentro del tanque de

electrodeposición, que se disuelve a la misma velocidad con que se deposita el metal.

Entre los tipos de recubrimientos tenemos:

Cobreado

Niquelado

Cromado

Dorado

Zincado

Existen tres formas principales de electrodeposición:

1. En la deposición en bastidor, las partes a depositar se colocan en un bastidor, que

después se transporta a través de una serie de tanques de proceso.

2. En la deposición en barril, pequeñas partes se colocan en el interior de un barril

permeable, que a su vez se introduce en un tanque o tanques de proceso. Esta forma de

electrodeposición se realiza por lo común con partes pequeñas, como tornillos, tuercas,

engranes, accesorios, etc. El fluido electrolítico puede atravesar el barril y aportar el metal

para la deposición; el contacto eléctrico se provee a través del barril y el contacto con otras

partes.

3. En el procesamiento con cepillo, el fluido electrolítico se bombea a través de un cepillo

manual con cerdas metálicas. En este caso la pieza de trabajo puede ser muy grande, por lo

que el proceso resulta apropiado para reparación o deposición en campo y puede utilizarse

para aplicar recubrimientos sobre equipos grandes sin desensamblarlos.

Se puede lograr una electrodeposición simple en un solo baño o tanque de proceso, pero

es más común utilizar una secuencia de operaciones en una línea de deposición. Por

ejemplo, los siguientes tanques de proceso pueden ser parte de una operación de

electrodeposición:

• Se utilizan tanques de limpieza química y desengrasado para eliminar contaminantes

superficiales y mejorar la adhesión superficial del recubrimiento de deposición.

• Las piezas de trabajo se pueden exponer a un fuerte baño de ácido (solución de decapado)

para reducir o eliminar el espesor del recubrimiento de óxido en la pieza de trabajo.

• Se puede aplicar un recubrimiento base. Esto comprendería el mismo metal o uno

diferente al de la superficie final. Por ejemplo, si el recubrimiento metálico deseado no se

adhiere bien al sustrato, puede aplicarse un recubrimiento intermedio. Además, si se

desean películas gruesas, es posible utilizar un tanque de deposición a fin de desarrollar con

rapidez una película y usar un tanque posterior con aditivos abrillantadores en la solución

electrolítica para desarrollar el último acabado superficial.

• Un tanque en el que se realiza la electrodeposición final.

• Se utilizan tanques de enjuague a lo largo de la secuencia.

La velocidad de deposición de la película depende de la densidad de la corriente local y no

es necesariamente uniforme en una parte. Las piezas de trabajo con formas complejas

pueden requerir una geometría alterada debido a que los espesores de deposición son

variables, como se muestra en la figura 1.2.

Los metales comunes de deposición son cromo, níquel (protección contra la corrosión),

cadmio, cobre (resistencia a la corrosión y conductividad eléctrica), estaño y zinc

(protección contra la corrosión, en particular para láminas de acero). El cromado se realiza

depositando primero el metal con cobre, después con níquel y por último con cromo. El

cromado duro se efectúa directamente sobre el metal base y produce una dureza superficial

de hasta 70 HRC (ver fig. 2.14) y un espesor de casi 0.05 mm (0.002 pulgada) o más. Este

método se utiliza para mejorar la resistencia al desgaste y la corrosión de herramientas,

vástagos de válvulas, flechas hidráulicas y revestimientos para cilindros de motores a diésel

y para aeronaves.

Algunos ejemplos de electrodeposición incluyen el cobrizado de alambre de aluminio y

tarjetas de fenólicos para circuitos impresos, el cromado de herramientas manuales, el

estañado de conexiones eléctricas de cobre (para facilitar la soldadura), el galvanizado de

lámina metálica y la deposición en componentes como las matrices para el trabajo de los

metales que requieren resistencia al desgaste y excoriación (soldadura en frío de pequeñas

piezas de la superficie de la pieza de trabajo). Metales como el oro, la plata y el platino son

materiales de electrodeposición importantes en la industria electrónica y en la joyería.

Los plásticos (como el ABS, polipropileno, polisulfonato, policarbonato, poliéster y nailon)

también pueden ser substratos para electrodepósito. Debido a que no son eléctricamente

conductivos, los plásticos deben predepositarse utilizando un proceso como la deposición

de níquel sin electricidad. Las partes por recubrir pueden ser simples o complejas sin que

su tamaño sea una limitación.

Fig. 1.2 a) Esquema de recubrimientos no uniformes (exagerados) en partes electrodepositadas. (b) Lineamientos de diseño para electrodeposición. Obsérvese que deben evitarse las esquinas agudas externas e internas para obtener un espesor uniforme en la deposición.

Equipos que intervienen en los recubrimientos metálicos

Fuente eléctrica continúa.

Electrodos.

Celdas electrolíticas.

Sistema de calefacción.

Sistema de agitación.

Sistemas de filtración.

Bastidores o Armaduras.

Fuente eléctrica continúa

Este equipo distribuye corriente continua convirtiendo la corriente alterna de 220 V

a corriente continua.

Estos rectificadores se caracteriza por tener bajo Voltaje y alto amperaje

Ánodos

Son conductores metálicos que están en contacto con la fuente eléctrica e inmersos en la

solución electrolítica.

Tipos:

Solubles o reactivos.

Insoluble o inerte.

Ánodos solubles:

Es el electrodo positivo que sede el metal a la solución electrolítica para depositar sobre

la pieza metálica se corroe uniformemente bajo la influencia de la corriente eléctrica.

Ánodos insolubles:

Estos ánodos solamente permiten la conductividad eléctrica de la fuente con la solución

no son atacados por la solución electrolítica con o sin corriente eléctrica.

Celdas electrolíticas

Viene a ser el contenedor de las soluciones electrolíticas.

Características:

Resistencia al ataque de las soluciones.

Fuerza mecánica para soportar las cargas.

La solución electrolítica y la temperatura a usar determina el material de construcción.

Materiales de fabricación:

Hierro con revestimiento de brea, plomo o PVC y acero.

Sistemas de calefacción

Generalmente se realiza mediante calentadores eléctricos por inmersión que

consiste de una resistencia eléctrica aislada , introducida dentro de un tubo de

acero revestida con material antioxidante ( Titanio o porcelana )

La mayoría de las celdas electrolíticas necesitan una ligera calefacción para

aumentar la conductividad y la solubilidad de los electrolitos.

Sistema de filtración

Son aparatos necesarios para filtrar las soluciones electrolíticas a ciertos

intervalos de tiempo o en forma continua.

Permite eliminar el sedimento acumulado en el fondo de las cubas.

Se utiliza filtros prensas en instalaciones grandes en procesos continuos.

En instalaciones pequeñas se pude filtrar por papel filtro u tela.

Sistema de agitación

La agitación impide el empobrecimiento de los iones metálicos de la zona

catódica y la adherencia de burbujas gaseosas (Hidrogeno) sobre el cátodo.

Uno de los sistemas de agitación utilizados consiste el insuflar aire comprimido

por el fondo de la cuba.

Otro sistema de agitación consiste en producir el desplazamiento horizontal o

vertical del cátodo.

Cuba electrolítica

1. Barras aislantes.

2. Barras de cobre para colgar los

ánodos.

3. Barras central donde se cuelgan

las piezas en forma individual o en

gancheras.

Fig. 1.3. Cuba electrolítica.

Deposición sin electricidad. Este proceso se efectúa mediante una reacción y sin el uso de una fuente externa de electricidad. La aplicación más común utiliza níquel como material de deposición, aunque también emplea cobre. En la deposición de níquel sin electricidad, el cloruro de níquel (como sal metálica) se reduce (usando hipofosfito de sodio como agente reductor) a metal de níquel, que después se deposita en la pieza de trabajo. La dureza de la deposición del níquel se ubica entre 425 y 575 HV y posteriormente se puede tratar con calor para alcanzar 1000 HV. El recubrimiento tiene excelente resistencia al desgaste y la corrosión. Es posible recubrir con éxito cavidades, oquedades y las superficies internas de tubos. También se puede utilizar la deposición sin electricidad con materiales no conductivos, como plásticos y cerámicos. Este proceso es más costoso que la electrodeposición. Sin embargo, a diferencia de esta última, el espesor del recubrimiento de la deposición sin electricidad siempre es uniforme. Electroformado. Una variación de la electrodeposición, el electroformado, es en realidad un proceso de fabricación metálica. El metal se electrodeposita en un mandril (también llamado molde o matriz), que después se retira; por lo tanto, el propio recubrimiento se convierte en el producto (fig. 1.4). Se pueden fabricar tanto formas simples como complejas por electroformado, con espesores de pared tan pequeños como 0.025 mm (0.001 pulgada). Las partes pueden pesar desde algunos gramos hasta 270 kg (600 libras). Es posible aumentar las capacidades de producción mediante el uso de múltiples mandriles. Los mandriles se fabrican con varios materiales: metálicos (zinc o aluminio) o no metálicos (que se pueden hacer eléctricamente conductivos con los recubrimientos apropiados). Los mandriles deben tener la capacidad de retirarse físicamente sin dañar la parte electroformada. También se pueden fabricar con aleaciones de baja fusión, cera o plásticos, que pueden fundirse o disolverse con los productos químicos apropiados. El proceso de electroformado es particularmente adecuado para bajas cantidades de producción o para partes complejas (como moldes, matrices, guías de onda, boquillas y fuelles) fabricadas con níquel, cobre, oro y plata. También es apropiado para aplicaciones aeroespaciales, de electrónica y de electroóptica.

Recubrimientos por conversión química

El recubrimiento de conversión (también llamado pinturas base de reacción química) es el

proceso de producción de un recubrimiento que se forma sobre superficies metálicas como

resultado de reacciones químicas o electroquímicas. El recubrimiento de conversión puede

aplicarse a diversos metales (en particular acero, aluminio y zinc). Los óxidos que se forman

naturalmente sobre sus superficies son una forma de este tipo de recubrimiento.

Para producir estos recubrimientos se utilizan fosfatos, cromatos y oxalatos. Su función es

proteger contra la corrosión, pintura previa y acabado decorativo. Una aplicación

importante es el recubrimiento de conversión de piezas de trabajo para que sirvan como

portadoras de lubricantes en operaciones de formado en frío, en particular recubrimientos

de fosfato de zinc y oxalato. Los dos métodos comunes de recubrimiento son la inmersión

y el rociado. El equipo requerido depende del método de aplicación, el tipo de producto y

las consideraciones de calidad.

Anodizado. Es un proceso de oxidación (oxidación anódica) en el que las superficies de la

pieza de trabajo se convierten en una capa dura y porosa de óxido que proporciona

resistencia a la corrosión y un acabado decorativo. Dicha pieza es el ánodo en una celda

electrolítica inmersa en un baño de ácido, que produce una adsorción de oxígeno del baño.

Se pueden utilizar tintes orgánicos de varios colores (por lo general negro, rojo, bronce,

dorado o gris) para producir películas superficiales estables y durables. La anodización se

aplica en muebles y utensilios de aluminio, formas arquitectónicas, molduras automotrices,

marcos para pinturas, llaves y artículos deportivos. Las superficies anodizadas también

Fig. 1.4. (a) Secuencia común en electroformado. (1) Se selecciona un mandril con el tamaño nominal correcto. (2) Se maquina la geometría deseada en el mandril (en este caso un fuelle). (3) Se electrodeposita el metal deseado en el mandril. (4) El material depositado se recorta, si es necesario. (5) El mandril se disuelve mediante maquinado químico. (b) Colección de partes electroformadas

sirven como una buena base para pintar, en particular sobre aluminio, que de lo contrario

sería difícil de pintar.

Coloración. Como su nombre indica, la coloración comprende procesos que alteran el color

de metales, aleaciones y cerámicos. Este cambio se produce mediante la conversión de

superficies (por procesos químicos, electroquímicos o térmicos) en compuestos químicos

como los óxidos, cromatos y fosfatos. Un ejemplo es el ennegrecimiento de fundición del

hierro y los aceros, un proceso que utiliza soluciones de sosa cáustica caliente para producir

reacciones químicas que forman una película de óxido lustrosa, negra en las superficies.