Electrodeposición

Facultad de Ingeniería
U.N.L.P.
Curso de actualización
Recubrimientos metálicos:
selección y aplicaciones
José Daniel Culcasi - Enrique Abel Sacco
Departamento de Mecánica

Recubrimientos metálicos J. D. Culcasi, E.A. Sacco
ELECTRODEPOSICIÓN
Se denomina electrodeposición a la deposición electrolítica de un metal, desde
una solución, a un sustrato sumergido en dicha solución.
El baño electrolítico es una solución de iones metálicos o sales disueltas en un
soporte ácido o alcalino. Las piezas a recubrir se sumergen en el baño, generalmente en
el centro de la cuba, y actúan como cátodo cuando se aplica una corriente eléctrica. Los
ánodos se sitúan cerca de los bordes de la cuba.
Para producir la corriente eléctrica se usa un rectificador o un generador. El
recorrido seguido por los electrones es desde el rectificador hasta el cátodo, desde éste,
a través del baño, hasta el ánodo y finalmente otra vez hacia el rectificador. Esta
corriente hace que los iones metálicos del baño, cargados positivamente, migren hacia el
cátodo (pieza a recubrir) para captar electrones extras. Los electrones neutralizan la
carga positiva de los iones metálicos, haciendo que una película del metal se adhiera al
cátodo.
e-
e-
A
N
O
D
O
CATODO
+
M+
A
N
O
D
O
M+
e-
corriente
electrones (e-
)
e-
M+
M+
-
M+
= ión metálico ❘❘❘ Rectificador
Figura 1: Electroquímica básica de un baño de electrodeposición
La forma de la pieza puede influir sobre el espesor del depósito. Formas tales
como contenedores abiertos, cuando son electro-recubiertas con ciertas soluciones,
tienden a formar depósitos más gruesos en las esquinas exteriores, y depósitos más finos
en las esquinas interiores. Las diferencias en el espesor del recubrimiento pueden llegar
a ser hasta cinco veces más gruesas en los bordes externos. Esto ocurre debido a que la
densidad de corriente es mayor alrededor de las esquinas externas que en las internas.
Algunas soluciones electrolíticas no exhiben este efecto, debido a que tienen
menor eficiencia de recubrimiento cuando la densidad de corriente es mayor. Por lo
tanto, el metal se deposita más lentamente en los bordes externos que en los internos,
resultando un espesor de recubrimiento mucho más uniforme. Los baños que producen
recubrimientos uniformes debido a este mecanismo se denominan baños de buen poder
cubritivo.
Además de la reacción de deposición, pueden tener lugar otras reacciones en el
baño electrolítico. Los electrones pueden además neutralizar protones, resultando la
formación y deposición de hidrógeno gaseoso sobre la superficie de la pieza.
Similarmente, puede ocurrir la reducción de los iones hidróxido, formando oxígeno
gaseoso en el ánodo. Estas reacciones pueden reducir la eficiencia de la deposición
metálica. Además, cuando se forma hidrógeno gaseoso, el pH del baño se incrementa
gradualmente, requiriendo la adición periódica de pequeñas cantidades de ácido.
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Aplicaciones generales
Los procesos de electrodeposición comprenden la aplicación de recubrimientos
inorgánicos sobre las superficies de las piezas a fin de proveerles resistencia a la
corrosión, dureza, resistencia al desgaste, características antifricción, conductividad
eléctrica o térmica, o con fines decorativos.
Los acabados decorativos incluyen procesos como recubrimiento de plata sobre
joyas y vajillas, recubrimiento de latón sobre lámparas y accesorios domésticos, o
cromado sobre paragolpes de automóviles, donde la apariencia del recubrimiento es el
aspecto principal
Los ingenieriles incluyen procesos tales como niquelado sobre la superficie de
cojinetes, recubrimiento de oro sobre conectores eléctricos, y cromado duro sobre
piezas de motores de automóviles y aviones, donde es esencial la funcionalidad del
recubrimiento.
Los metales y aleaciones más comúnmente electrodepositados son: latón (Cu-Zn),
cadmio, cromo, cobre, oro, níquel, plata, estaño y cinc.
Secuencia del proceso
La secuencia genérica de etapas en un proceso de electrodeposición incluye:
limpieza, generalmente usando soluciones alcalinas o ácidas
•
•
•
•
•
remoción de recubrimiento viejo o pintura (si existieran)
electrodeposición
tratamientos post-deposición, según requerimiento, para protegerlo contra la
abrasión, corrosión y opacado
enjuague posterior a cada una de las operaciones mencionadas.
Como en todo proceso de recubrimiento, la preparación de la superficie tendrá el
mayor impacto sobre la calidad del producto terminado. Defectos tales como pérdida de
adhesión, porosidad, rugosidad, puntos oscuros e inhomogeneidad del recubrimiento
son consecuencia de una preparación superficial defectuosa. Los procesos de
preparación superficial sirven también para activar la superficie de la pieza a fin de
hacerla más receptiva para la deposición del recubrimiento metálico.
Prevención de polución y tratamiento de desechos
Las operaciones de electrodeposición producen emisiones gaseosas,
contaminación de aguas residuales, y desechos sólidos. Los vapores que se elevan de los
baños electrolíticos y los gases de los procesos pueden ser fuentes de contaminación del
aire con metales y otras sustancias presentes en el baño. La contaminación de las aguas
resulta del enjuague de las piezas y los procesos de limpieza. Estas aguas residuales se
combinan generalmente con las procedentes de otros procesos y se tratan in-situ
mediante precipitación de hidróxido.
Adicionalmente a los residuos mencionados, las soluciones agotadas y los baños
de temple deben descartarse periódicamente cuando la concentración de contaminantes
inhibe la función propia de la solución o baño.
En la electrodeposición de plata, cadmio y otros metales preciosos, suelen usarse
cianuros como aditivos, usualmente en la forma de cianuro de sodio o de potasio.
Aunque en menor grado, también se usan en otras soluciones, tales como baños de
cobre y cinc. Debido a los riesgos de la salud asociados con el cianuro, se han
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desarrollado muchos procesos alternativos, y se cree que en pocos años los procesos con
cianuro serán completamente reemplazados.
Electrodeposición estacionaria (rack plating)
Figura 2: Cuba para la electrodeposición de
cromo decorativo. Dos perchas con piezas
cuelgan del centro de la barra catódica. Los
ánodos cuelgan de barras laterales
El método de deposición
estacionario (o por perchas) permite a
las piezas mantenerse en la posición
más ventajosa de exposición a la
corriente. La corriente continua
proveniente de un rectificador (o
generador) es captada por los ganchos
desde la barra portante, viaja a través de
la columna conductora de las perchas,
entra a la solución a través de las piezas
(cátodos), y viaja hacia el ánodo. Los
iones metálicos en solución viajan hacia
las piezas y se depositan en ellas. Por
este método pueden hacerse todos los
depósitos electrolíticos comunes,
incluyendo cinc, cadmio, estaño, cobre,
metales preciosos, níquel y cromo.
Para procesos tales como anodizado, deposición de níquel sin pasaje de corriente
(electroless), electropulido e impresión de circuitos eléctricos, se emplean diseños
especiales de perchas. Las dimensiones de las perchas se determinan de forma tal que
cada percha cargada con piezas pueda situarse entre los ánodos de la cuba más pequeña
de la línea
La columna conductora o “espina dorsal” de las perchas se hace generalmente de
cobre, pero también puede ser de acero al carbono, acero inoxidable, latón o aluminio.
Para soportar partes que no requieren conductividad se utiliza generalmente
acero. La cantidad de corriente transportada por los ganchos y las columnas se
determina multiplicando la densidad de corriente del baño electrolítico por la superficie
de las piezas.
Las piezas se fijan a las barras transversales de las perchas mediante sujetadores
permanentes o temporarios. La percha completa puede recubrirse con plastisol (resina
de PVC), o algún otro recubrimiento, para protegerla contra la corrosión. A veces se
recubren con plastisol sólo los sujetadores, mientras que el resto de la percha se protege
con tubos de PVC
Los sujetadores se seleccionan en función del peso de las piezas, la facilidad de
sujeción y remoción, el contacto eléctrico con las piezas y la habilidad de sujetar a las
piezas en áreas no críticas. Las piezas con agujeros pueden colgarse de sujetadores en
forma de gancho, que son los más usados para recubrimientos de cinc, níquel sin pasaje
de corriente, cadmio o plata. Los baños que requieren mayor poder cubritivo y mejor
contacto, tales como los de cromado o anodizado, o que requieren agitación, usan
sujetadores con sistema de resorte. Los materiales usados para la fabricación de
sujetadores son bronce fosforoso, acero inoxidable, Monel y titanio.
Si se requieren ánodos auxiliares para nivelar la densidad de corriente, ellos
pueden incorporarse en el diseño de la percha, manteniéndose aislados de la sección
catódica de la misma mediante un plástico fluorocarbonado o un bloque de
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polipropileno. También suelen usarse máscaras y/o “ladrones de corriente” para reducir
la deposición excesiva en zonas de elevada densidad de corriente.
El mantenimiento de las perchas consiste en el reemplazo de los sujetadores, las
barras laterales o las perchas completas, según el diseño. El reemplazo debe hacerse
cuando se produce la rotura, cuando se daña la cubierta protectora o cuando no se logra
el recubrimiento adecuado en una percha específica. El reemplazo de la cubierta de
plastisol requiere la remoción, imprimación, curado y ajuste de la percha.
Algunos diseños modernos permiten minimizar las pérdidas por arrastre y mejorar
la eficiencia de energía. Estos diseños incluyen:
control de espesor del recubrimiento mediante enfriamiento de la percha
•
•
•
reducción del ciclo de deposición
incremento del número de piezas por percha.
Electrodeposición por tambor rotativo (barrell plating)
Figura 3: recubrimiento por tambor rotativo
La electrodeposición por tambor
rotativo se usa para recubrir muchas
piezas pequeñas a la vez. Las piezas a
recubrir son revueltas en una acción de
cascada por un tambor rotante inmerso
en el baño electrolítico. Los contactos
eléctricos catódicos, situados en el
interior del tambor, atraen metal desde
la solución, el cual se deposita sobre la
pieza. Durante el proceso las piezas
actúan como contacto eléctrico bipolar
hacia las otras piezas, pasando a ser
parte integral del equipo de
recubrimiento. La acción de volteo de
las piezas activa y desactiva
continuamente el contacto eléctrico, lo que produce un recubrimiento parejo y una alta
eficiencia de deposición.
El recubrimiento por tambor rotativo es más rápido que las líneas de
recubrimiento estacionarias de igual capacidad, debido a la mayor área de contacto
catódica. El equipamiento para deposición por tambor rotativo ocupa generalmente
menos espacio y tiene menos costo que un equipamiento estático equivalente. El
proceso requiere una relación de superficies ánodo:pieza de aproximadamente 2:1, y por
lo general no requiere ánodos especiales para diferentes piezas como en el proceso
estático. A menudo se elimina la necesidad de equipos auxiliares de agitación, debido al
mezclado causado por la rotación del tambor
Aplicaciones y diseño de equipos
Cualquier tipo común de recubrimiento electrolítico puede llevarse a cabo
mediante tambor rotativo, incluyendo cinc (alcalino o ácido), cadmio, estaño, cobre,
metales preciosos, níquel (electrolítico o sin pasaje de corriente) y cromo. Este proceso
se usa para recubrimientos protectores contra la corrosión, para aplicaciones ingenieriles
y, menos frecuentemente, para recubrimientos decorativos. Las piezas adecuadas para
recubrimiento por tambor rotativo pesan generalmente menos de 500 g tienen un
volumen inferior a 400 cm3
. También pueden recubrirse piezas mayores, dependiendo
de la configuración, tamaño, peso, superficie específica y volumen de la carga. Este es
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normalmente el método más efectivo para el recubrimiento de piezas roscadas y
tornillos.
Piezas grandes e intrincadas, varillas, barras o tubos, pueden recubrirse
satisfactoriamente mediante tambor rotativo si se utilizan tambores largos, con
compartimientos radiales y longitudinales, movimiento oscilante o contactos
estacionarios especiales. Piezas pequeñas, delicadas o empaquetadas se recubren mejor
mediante contactos estacionarios que asisten el volteo y minimizan el daño de las
piezas. Las piezas planas y livianas deben recubrirse en tambores cuya superficie
interior sea discontinua, para evitar que se adhieran a las paredes. Para poder alcanzar
áreas huecas o acopadas de las piezas, deben mezclarse éstas con piezas más pequeñas,
que requieran un depósito similar, para que provean el contacto necesario en las zonas
relativamente inaccesibles.
Opciones de diseño
Los equipos de tambor rotativo pueden ser unidades para grandes producciones, o
equipos pequeños, portátiles, para trabajos delicados o con metales preciosos. El eje de
rotación puede ser horizontal o inclinado. También pueden incorporarse aditamentos
versátiles, tales como:
tambores de gran longitud para trabajos especiales
•
•
•
contactos de alta eficiencia/capacidad que permitan el montaje de tambores
hasta una capacidad de 1400 A
dispositivos internos de secado y de enjuague por atomización.
Otros aditamentos pueden incrementar la capacidad, reducir la duración del ciclo,
reducir el mantenimiento, o permitir el montaje de tambores en instalaciones de
electrodeposición estacionaria. También existen dispositivos para reducir el arrastre de
reactivo por las piezas (drag-out). Para piezas delicadas puede usarse un tambor
oscilante (rota sólo 180º), aunque lo más común es usar control de velocidad que
permita la rotación a bajas velocidades.
Los tambores se fabrican con plástico u otros materiales que permitan soportar las
condiciones altamente corrosivas del baño y altas temperaturas. Los tambores plásticos
soportan la expansión térmica mejor que los tambores compuestos por más de un
material. Los soportes fabricados con plástico u otros materiales aislantes eliminan la
pérdida de eficiencia. Los tornillos plásticos, no metálicos o de aleaciones especiales
eliminan la tensión localizada que puede provocar falla por ataque químico en tambores
metálicos.
Los tambores de lados planos revuelven las piezas más eficientemente y producen
una acción de bombeo que recicla la solución empobrecida del interior del tambor con
solución rica del exterior. Para mejorar el volteo pueden diseñarse barras transversales,
costillas u otros aditamentos. El perforado de las paredes debe evitar el pasaje de piezas
pequeñas o alargadas, pero debe ser suficiente para permitir un buen drenaje, un
eficiente intercambio de solución y una menor pérdida por arrastre. El área total de las
perforaciones es importante para optimizar la resistencia mecánica del tambor y su
performance teniendo en cuenta que puede limitar la cantidad de corriente que alcanza
las piezas.
Los contactos catódicos más comunes, fijados al interior de los tambores, son
cables suspendidos, que son dinámicos respecto a la carga. La carga pasa por encima de
ellos y los sumerge a medida que el tambor gira. Otros tipos de contacto son
estacionarios con respecto a la carga, y resultan menos abrasivos para las piezas. Debe
prestarse mucha atención al diseño de la puerta del tambor para que pueda mantener una
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efectiva seguridad y operatividad. Excepto para los tambores oblicuos, que no tienen
puertas, los sistemas de cierre más comunes son abrazaderas y cerrojos.
Deposición sin pasaje de corriente (electroless)
La deposición sin pasaje de corriente se produce simplemente por la inmersión de
las piezas en el baño. No se necesitan rectificadores, baterías ni ánodos. Los elementos
esenciales de la solución son: una sal metálica soluble, tal como sulfato de níquel, y un
agente reductor, tal como hipofosfito de sodio. Las sales metálicas se reducen en la
superficie libre de óxidos de la pieza.
La deposición sin pasaje de corriente es un proceso autocatalítico, puesto que el
metal que está siendo depositado actúa como catalizador de la reacción. Por lo tanto, el
baño es capaz de depositar metal sobre cualquier superficie, incluso sobre la superficie
de la cuba y equipos auxiliares. Esta deposición indeseable puede minimizarse eligiendo
correctamente los materiales de la cuba y equipamiento. Independientemente de estas
precauciones, cada tres a cinco días debe drenarse la cuba y removerse el depósito.
Mediante este proceso pueden depositarse aleaciones de níquel o cobalto, cobre
puro y, oro y plata puros o como aleaciones.
Dependiendo de la aplicación, las soluciones de electroless pueden ser ácidas o
alcalinas. El porcentaje de Ni o Co, en el depósito de aleaciones de estos metales,
disminuye a medida que aumenta la acidez de la solución. Comúnmente las soluciones
de electroless utilizan aditivos, tales como agentes complejantes, estabilizadores del
baño, aceleradores, etc.
Para mantener una velocidad de deposición constante, es necesario controlar
estrictamente el pH y la temperatura. La velocidad de deposición crece en forma
logarítmica con el incremento de la temperatura, pero el aumento de temperatura
también incrementa el riesgo de descomposición del baño. Las concentraciones de metal
y agentes reductores deben mantenerse en los niveles óptimos especificados. Muchos
procesos requieren el análisis y rellenado del baño cada 30 minutos, lo cual se facilita
mediante el empleo de control automático.
Aplicaciones generales
El proceso de deposición de níquel sin pasaje de corriente se hizo popular hace
aproximadamente 50 años, y basados en esa tecnología se desarrollaron la mayoría de
los procesos de deposición de aleaciones sin pasaje de corriente.
Las aplicaciones de la deposición sin pasaje de corriente son comunes en
numerosas industrias, como por ejemplo la química, del plástico, impresión, minería,
textil, papelera, alimenticia, óptica y automotriz. Muchos procesos de manufactura
relacionados con la computación, tales como circuitos impresos, discos rígidos y
plásticos recubiertos, fueron posibles gracias al desarrollo de la técnica de deposición
sin pasaje de corriente.
Entre las ventajas de esta técnica pueden mencionarse:
excelente uniformidad
•
•
•
•
amplia capacidad de procesado
habilidad de producir recubrimientos catalíticos singulares
habilidad de recubrir materiales no conductores, como plásticos o cerámicos.
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Tipos de depósitos
La gran mayoría de los depósitos comerciales corresponden a la aleación Ni-P.
Estos recubrimientos se producen comúnmente a partir de baños acidificados de
hipofosfito, e imparten excelente resistencia a la corrosión y propiedades antifricción.
Las aleaciones Ni-B, producidas a partir de agentes reductores base boro, se
utilizan en alrededor del 5% de los recubrimientos de níquel. Los recubrimientos de
bajo boro se usan en aplicaciones electrónicas en reemplazo del oro; los recubrimientos
de alto boro proveen dureza superficial y propiedades antidesgaste en piezas de hierro y
níquel.
Los recubrimientos de cobre tienen una aplicación importante en la fabricación de
circuitos impresos. Un mercado menor, pero significativo, es el recubrimiento
decorativo sobre plásticos y el recubrimiento sobre plásticos para escudos contra
interferencias electromagnéticas. Virtualmente todas las soluciones para deposición de
cobre sin pasaje de corriente contienen formaldehído como agente reductor. El
recubrimiento de cobre, a diferencia del níquel y la mayoría de los recubrimientos
comerciales sin pasaje de corriente, resulta en una película de metal puro y no una
aleación.
Otras aleaciones depositadas sin pasaje de corriente son:
aleaciones ternarias Ni-Cu-P, o Ni-Tl-B, que son más duros y tienen un punto
de fusión mayor que los recubrimientos convencionales.
•
• aleaciones de cobalto para resistencia al desgaste a alta temperatura o
propiedades magnéticas.
Existe un interés creciente en la deposición sin pasaje de corriente de oro, paladio
y plata, puros o aleados, para aplicaciones eléctricas y electrónicas.
Secuencias del proceso
Al igual que todo proceso de recubrimiento, la preparación de la superficie es
esencial para garantizar la calidad del producto.
La deposición metálica se produce por inmersión de las piezas en el baño,
consistente en una sal metálica soluble, un agente reductor y aditivos.
Los tratamientos post-deposición varían considerablemente según el
recubrimiento y la aplicación. Por ejemplo, los recubrimientos de níquel pueden
requerir tratamientos térmicos para incrementar su dureza, y las plaquetas de circuitos
impresos de cobre pueden sufrir una inmersión antiopacado.
Prevención de polución y tratamiento de desechos
Comparados con los procesos electrolíticos, los baños para deposición sin pasaje
de corriente tienen una vida limitada, por lo tanto estos procesos generan un alto costo
en tratamiento de residuos. La facilidad de tratamiento de las distintas soluciones varía
ampliamente, dependiendo de los aditivos, usados para prevenir la precipitación del ión
metálico, presentes en la solución. Los recubrimientos de cobre usan típicamente
agentes reductores basados en formaldehído, que han sido identificados como
potencialmente cancerígenos.
Recubrimiento selectivo (brush plating)
En el proceso de recubrimiento selectivo, la solución es llevada a la pieza
manualmente mediante un punzón, recubierto con un paño absorbente (tampón), que
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actúa como ánodo. La pieza funciona como cátodo, y la energía es entregada por una
fuente de corriente continua. Los mejores resultados se alcanzan con un movimiento
continuo entre el ánodo y el cátodo y controlando la densidad de corriente. Las
soluciones electrolíticas se diseñan especialmente y tienen mucha mayor concentración
de metal que las utilizadas en cubas electrolíticas. La preparación de la pieza (limpieza,
ataque, desmanchado) se hace también mediante el tampón, utilizando soluciones
especialmente formuladas.
El sistema debe incluir equipamiento específico para recubrimiento selectivo. El
material del ánodo debe ser inerte, capaz de transportar una alta corriente, e insoluble en
la solución electrolítica. Muchos ánodos son mecanizados con la forma de la pieza a
recubrir. Los materiales usados suelen ser grafito, acero inoxidable y niobio, titanio o
irido enchapados en platino. La cubierta del ánodo puede ser de diversas fibras, algodón
y sintéticas, y debe estar libre de contaminantes para prevenir problemas de calidad en
el depósito. Esta cubierta provee una barrera aislante que previene cortocircuitos. Para
facilitar la continuidad del movimiento relativo ánodo-cátodo, puede usarse un punzón
giratorio o un mecanismo para girar la pieza.
La solución se lleva a la pieza mediante inmersión del tampón en la solución o,
más eficientemente, mediante el bombeo continuo de la solución a la interfase a través
del punzón. El recubrimiento de superficies grandes con altas densidades de corriente
requiere el bombeo para recircular la solución. Ocasionalmente se requiere el
calentamiento o filtrado de la solución. Las fuentes de corriente son especialmente
diseñadas con las características requeridas por el proceso. Ellas normalmente incluyen
control de voltaje, voltímetro, amperímetro, llave de inversión de polaridad (necesaria
para las etapas preparatorias que utilizan polaridad inversa), fusibles de seguridad,
medidor de energía (Amper-hora) para controlar el espesor del depósito y,
opcionalmente, control por microprocesador.
Aplicaciones
El equipamiento de recubrimiento selectivo es portátil y versátil; permite
depositar un amplio rango de metales y aleaciones sobre cualquier sustrato conductor
que pueda ser tocado por el electrodo. Mediante este proceso pueden recubrirse piezas
de fundición de hierro, acero al carbono, acero inoxidable, cobre, superaleaciones base
níquel, aluminio y cinc, y con adhesión limitada, titanio, tungsteno y tantalio. La alta
densidad de corriente alcanzada con este proceso da como resultado mayores
velocidades de deposición que en la deposición mediante cuba electrolítica. El control
preciso de espesores elimina la necesidad de un maquinado posterior. Para la mayoría
de los depósitos la dureza es del mismo orden de la alcanzada en una cuba electrolítica,
sin embargo los depósitos de cobalto y oro son más duros.
El recubrimiento selectivo se usa para:
recubrimiento de piezas demasiado grandes para la inmersión en una solución
•
•
•
•
•
•
•
recubrimiento de pequeñas áreas en piezas grandes
reparación de piezas de cualquier tamaño
Ejemplos específicos de aplicación de este proceso son:
acabado cosmético o decorativo en joyería
protección anticorrosiva de trenes de aterrizaje
reparación de recubrimientos conductores en fuentes de alta tensión
restauración de las dimensiones en las superficies internas de grandes
mezcladores
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La aceptación del método se hace evidente en la frecuencia con que aparece en
especificaciones industriales, gubernamentales o militares. A menudo, el mismo
equipamiento puede utilizarse, con electrodos similares y diferentes soluciones, para la
electro-remoción de recubrimientos, anodizado, electroataque y electropulido.
El recubrimiento de piezas de geometría compleja, y grandes cantidades de piezas
pequeñas, resulta más económico efectuarlo en una cuba electrolítica que por este
método.
Secuencias del proceso
La preparación del sustrato incluye:
limpieza mecánica o química
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
electrolimpieza con tampón y solución limpiadora
enjuague
ataque con tampón y solución para ataque, usando polaridad inversa
enjuague
desmanchado con tampón y solución desmanchante, usando polaridad inversa
enjuague
activación con tampón y solución activadora, para eliminar la superficie pasiva
formada durante el desmanchado.
pre-recubrimiento (si es necesario) para asegurar buena adhesión
enjuague
electrorecubrimiento con el metal o aleación seleccionado.
Recubrimiento mecánico
El recubrimiento mecánico es un proceso de tambor giratorio para deposición de
metales sobre diferentes sustratos, usando energía mecánica en vez de energía eléctrica.
Las piezas se cargan en un tambor giratorio junto con esferas de vidrio, polvos
metálicos y reactivos químicos. Como resultado de la acción mecánica producida por el
impacto de las esferas de vidrio, se produce la soldadura en frío del polvo metálico
sobre la superficie de las piezas. La acción de las granallas ayuda a la preparación de la
superficie y el mezclado de los reactivos, a la vez que facilita el acceso del polvo a las
cavidades, ángulos y filetes, logrando un recubrimiento uniforme. Por este proceso se
pueden lograr recubrimientos entre 5 y 75 µm. Cuando los recubrimientos son
superiores a 25 µm, suele denominárselo galvanizado mecánico.
El proceso se usa principalmente para recubrir piezas ferrosas con cinc, cadmio,
estaño o aleaciones de estos metales, aunque puede emplearse para otros sustratos
(aleaciones de cobre, plomo, aceros inoxidables) y otros recubrimientos (cobre,
aluminio, latón, oro, plata e indio). El proceso está contemplado por diferentes normas,
entre ellas las ASTM B695 y B696.
La duración del proceso varía entre 20 y 45 minutos, y el mismo es continuo una
vez iniciado. Las piezas desengrasadas se incorporan al tambor junto con las esferas de
vidrio y posteriormente se incorporan los reactivos químicos en forma secuencial y
proporcional a la superficie total de la carga. Es muy importante respetar la secuencia de
adición de los reactivos, puesto que cada etapa depende de los resultados de la anterior.
Secuencia de carga
En primer término se cargan las piezas junto con agua y las esferas de vidrio.
Luego se incorpora un ácido mineral acondicionador de la superficie, que elimina
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cualquier óxido presente en las piezas. Posteriormente se agrega una solución
conteniendo iones cobre, la cual provee una película adherente de cobre, que sirve como
base para la adhesión del recubrimiento posterior e independiza la superficie de la
metalurgia del sustrato. Por último se incorpora un reactivo denominado promotor, que
limpia la superficie de los polvos metálicos, controla el tamaño de los aglomerados y
cataliza el proceso de recubrimiento. El polvo metálico se incorpora en dos etapas,
primero se incorpora una pequeña cantidad (simiente o flash) que reacciona con el
promotor produciendo núcleos de adhesión sobre los cuales se adhiere el resto del polvo
que se incorpora finalmente en una proporción que depende de la superficie a recubrir,
el espesor, la rugosidad y la uniformidad deseados. Aproximadamente el 92% del polvo
metálico incorporado se deposita sobre la superficie de las piezas. La energía del
proceso se controla variando el ángulo del tambor y la velocidad de rotación del mismo.
Desengrase de las piezas
Carga de las piezas, agua y esferas de vidrio
Limpieza ácida o alcalina si se requiriera
Adición de ácidos minerales agentes humectantes e inhibidores
Adición de solución de iones cobre
Adición de promotor o acelerador
Adición de simiente o flash
Adición de polvo metálico
Pulido al agua
Separación de las piezas y esferas de vidrio en un separador vibratorio
Cromatizado (opcional)
Secado
Equipamiento
El equipamiento para recubrimiento mecánico incluye componentes para el
pesado, carga del tambor, manipulación del medio, separación de las partes y secado.
Puede adicionarse un módulo de cromatizado continuo luego de la etapa de secado (o
curado). El equipo está generalmente accionado por motores y bombas hidráulicas. Los
tambores se construyen de acero al carbono o inoxidable y están recubiertos
internamente por un material impermeable, tal como caucho natural o sintético,
neoprene, polipropileno, polibutileno o uretano.
El volumen de trabajo varía entre 0,04 y 1 m3
y el costo total del equipamiento es
25 a 35% del costo de una línea de electrodeposición de similar capacidad. El mismo
equipamiento puede usarse para una variedad de metales y codepósitos de espesores
variables.
Los recubrimientos mecánicos son porosos y permiten la evolución de hidrógeno
durante las 24 horas posteriores a la deposición, reduciendo el riesgo de fragilización
por hidrógeno. Las características de crecimiento del recubrimiento mecánico son
opuestas a las del recubrimiento electrolítico, tendiendo a ser más gruesos en ranuras y
huecos, y más finos en bordes agudos y proyecciones.
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Aplicaciones
El uso de recubrimiento mecánico está especificado en todas aquellas
aplicaciones en que la fragilización por hidrógeno puede provocar la falla de
componentes críticos. Entre las piezas recubiertas por este método se encuentran:
clavos, cadenas, alambres, tuercas, tornillos y accesorios automotrices. Dichas piezas
miden normalmente menos de 200 mm y pesan menos 1 Kg, puesto que el
recubrimiento de piezas más grandes y pesadas resulta generalmente muy costoso. El
recubrimiento mecánico de piezas con huecos y depresiones resulta normalmente más
económico que el electro-recubrimiento. El galvanizado mecánico está ganando
aceptación respecto al galvanizado por inmersión en piezas pequeñas, tales como
tornillos o tuercas, puesto que produce un recubrimiento más uniforme y brillante, y
evita el pegado de las piezas.
Los sustratos para recubrimiento mecánico pueden ser fundición de hierro, acero
al carbono, acero inoxidable, aleaciones de cobre y plomo. Los recubrimientos,
maleables y resistentes a la corrosión incluyen cinc, cadmio, estaño, cobre aluminio,
latón, plomo, oro, plata e indio.
Este método permite recubrimientos compuestos (sándwich) adicionando polvos
de diferentes metales en forma secuencial. También pueden aplicarse mezclas de
metales. Estos recubrimientos compuestos (sándwich o mezcla) pueden utilizarse para
mejorar la resistencia a la corrosión, mejorar la apariencia o mejorar la lubricidad.
Tratamiento de efluentes
El proceso de deposición mecánica utiliza relativamente poca energía y elementos
químicos de baja toxicidad. Los efluentes son ácidos, contienen iones metálicos y no
contienen cianuro, pueden tratarse con cal o hidróxido de sodio para precipitar los
metales. Si el proceso incluye cromatizado, antes de la precipitación se requiere
convertir el cromo hexavalente a trivalente.
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Electrodeposición de latón
El uso más común de los depósitos de latón es para producir una terminación
decorativa sobre productos tales como muebles metálicos, lámparas decorativas,
herrajes etc. El latón puede aplicarse sobre aluminio o cinc fundidos en matriz, tuberías
de acero y otros productos, simulando latón sólido. Las aplicaciones ingenieriles
incluyen depósitos sobre:
Alambres, para mejorar la adhesión del caucho en la construcción de
neumáticos.
•
•
•
•
•
•
•
•
Superficies metálicas para reducir el desgaste abrasivo.
Superficies de cojinete para minimizar la fricción.
Los acabados decorativos de latón brillante se obtienen generalmente aplicando
un depósito ligero (0,5 µm, 30-90 s) sobre un depósito de níquel brillante. Depósitos
más gruesos (8-25 µm) pueden pulirse o tratarse adecuadamente para producir
apariencia de objeto antiguo. El producto final se protege normalmente mediante una
película de laca, pero también pueden usarse cromatizados u otros tratamientos pos-
deposición. La aleación más usada es el latón amarillo (70%Cu-30%Zn), no obstante, es
posible depositar todo el rango de composiciones. Otras composiciones comunes son: el
latón rojo (80-85%Cu) y la aleación 90/10 (Cu/Zn), también llamada bronce
arquitectónico, debido a su color único.
Una adecuada preparación de la superficie, previamente al recubrimiento, es
fundamental para obtener un depósito de calidad. Existe un gran número de procesos,
formulaciones de soluciones limpiadoras, formulaciones de ácidos y formulaciones
específicas para la preparación de superficies. La selección del ciclo adecuado de
limpieza, decapado y activación, así como la selección de materiales y soluciones
específicas, resulta crucial y merece especial consideración. Las descripciones
siguientes sólo sirven como ejemplo y punto de partida.
La deposición de latón sobre un sustrato es un proceso electrolítico que tiene lugar
en una solución acuosa conteniendo sales de cianuro de cobre y cinc. También existen
procesos que no utilizan cianuro, sin embargo hay poca información sobre ellos, y su
uso no está muy extendido. La composición de la aleación está controlada por la
relación Cu/Zn del ánodo y las condiciones operativas de la cuba.
La electrodeposición de latón puede hacerse utilizando un sistema estacionario (de
perchas), o sistema de tambor giratorio, y se adapta a una variedad de equipos
automáticos. La composición del baño electrolítico depende de las propiedades
deseadas, para alcanzar las cuales debe mantenerse un riguroso control del proceso.
Lugo de un enjuague las piezas electrorecubiertas con latón están listas para inspección
y embalaje o para tratamientos adicionales.
Electrodeposición de latón sobre aluminio
La secuencia básica de preparación del aluminio previo al recubrimiento
electrolítico es:
limpieza por inmersión
ataque químico
desmanchado
inmersión en solución de cinc
“golpe” de cobre
12

La limpieza por inmersión se realiza generalmente en una solución alcalina no
corrosiva (pH = 9-11) seguida por un ataque alcalino. También pueden usarse
soluciones ácidas, pero sólo se emplean en casos especiales.
El ataque alcalino deja usualmente manchas, que deben ser eliminadas. Esto se
hace en una solución ácido. Luego del desmanchado, y previo al enjuague, se aplica un
depósito de cinc por inmersión en una solución química (depósito de conversión).
Aunque la superficie tratada en esta solución de cinc puede recubrirse directamente,
utilizando técnicas apropiadas, la aplicación de cobre permite virtualmente el
recubrimiento de cualquier metal mediante métodos corrientes.
Ataque alcalino
Doble enjuague en contraflujo
Desmanchado ácido
Inmersión en solución de cinc
Remoción del cinc
Inmersión en solución de cinc
Para muchas
aplicaciones
basta con una
sola inmersión
en solución de
cinc
Recubrimiento ligero en cianuro de cobre
(golpe de cobre)
Cromatizado
Ennegrecido o coloreado
Enjuague en agua fría
Opcional
Enjuague en caliente o tibia
Pintado con laca o resina al agua
Secado e inspección
Remoción del
recubrimiento
Reciclado de
recubrimientos
insatisfactorios
Limpieza por inmersión
PIEZA A RECUBRIR (Aluminio)
PRODUCTO TERMINADO
13

Electrodeposición de latón sobre fundición de hierro
Las piezas de fundición pueden presentar cantidades variables de cascarilla, arena
y óxidos. Dado que la exposición a un ácido puede reducir la eficiencia de deposición y
producir el manchado de la superficie, a menudo se requieren métodos mecánicos de
decapado. Si se admite el decapado con ácidos, éste resulta generalmente la alternativa
más económica. Para determinar el método más adecuado de preparación previo al
recubrimiento, es aconsejable una inspección y/o ensayo preliminar.
Para quitar la cascarilla grosera pueden utilizarse métodos mecánicos, los cuales
dejan un residuo que debe eliminarse mediante ataque ácido estándar, ataque ácido
anódico o electrolimpieza alcalina. Para películas de óxido menores, pueden utilizarse
ciclos cortos de limpieza suave mediante breves inmersiones en ácido. Cuando se usa
decapado ácido, las condiciones deben ser las más suaves posibles y los tiempos de
inmersión mínimos. Las soluciones más empleadas son de ácido sulfúrico con
contenidos de ácido nítrico o fluorhídrico.
También puede utilizarse inmersión en limpiadores alcalinos, aptos para aceros de
bajo carbono, seguida de una electrolimpieza anódica alcalina.
El desmanchado puede realizarse por tratamiento anódico en una solución de
electrolimpieza alcalina o por ataque anódico en ácido sulfúrico. Pese a su toxicidad y
difícil disposición final, también se usan tratamientos de desmanchado anódico en
soluciones de cianuro de sodio. Se recomienda considerar en primer lugar métodos
alternativos.
En ciertos casos es conveniente dar a la fundición un “golpe” de cobre
(recubrimiento electrolítico ligero) para facilitar la deposición del metal deseado.
PIEZA A RECUBRIR (Fundición)
Cromatizado
Opcional
Remoción del
recubrimiento
Reciclado de
recubrimientos
insatisfactorios
Decapado
Inspección para determinar el método de decapado
PRODUCTO TERMINADO
14

Electrodeposición de latón sobre acero de bajo carbono
La preparación típica de aceros de bajo carbono, para recibir un recubrimiento
electrolítico, consiste en una limpieza por inmersión en una solución alcalina seguida
por una electrolimpieza anódica alcalina y un enjuague minucioso. Posteriormente se
realiza un decapado ácido, usualmente en una solución de ácido sulfúrico o clorhídrico,
seguido por un segundo enjuague minucioso.
PIEZA A RECUBRIR
(acero de bajo carbono)
Limpieza por inmersión en solución alcalina
Electrolimpieza alcalina
Cromatizado
Opcional
Decapado ácido
Remoción del
recubrimiento
Reciclado de
recubrimientos
insatisfactorios
PRODUCTO TERMINADO
15

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