Acabado superficial: Explicación del electrochapado

Actualmente, la galvanoplastia se utiliza ampliamente en la industria electrónica y eléctrica. Componentes como placas de circuitos impresos, conectores y otras piezas metálicas pequeñas requieren un acabado galvanizado. El fuerte crecimiento del sector de las telecomunicaciones y la creciente demanda de dispositivos electrónicos han impulsado significativamente la aplicación de la galvanoplastia. Este artículo explica en qué consiste el proceso de galvanoplastia y los tipos de recubrimiento según el metal utilizado.

¿Qué es la galvanoplastia?

La electrodeposición es un proceso que utiliza la electrólisis para depositar una capa de metal o aleación sobre la superficie de una pieza, resultando en un recubrimiento metálico uniforme, denso y con buena adherencia. Durante la electrodeposición, la pieza a recubrir se conecta al terminal negativo de la fuente de alimentación, actuando como cátodo. Se sumerge en una solución electrolítica que contiene los iones metálicos que se van a depositar. El ánodo suele ser una placa o barra del metal que se deposita. Sin embargo, algunos procesos de electrodeposición también utilizan ánodos insolubles como grafito, acero inoxidable, plomo o aleaciones de plomo-antimonio.

La galvanoplastia se puede clasificar, según su método de aplicación, en galvanoplastia en bastidor, galvanoplastia en tambor, galvanoplastia continua y galvanoplastia con brocha. El método adecuado se selecciona en función del tamaño y el volumen de producción de las piezas que se van a galvanizar.

El galvanizado en bastidor es el método más común. Las piezas se suspenden en un bastidor de alta conductividad y se sumergen en la solución de galvanizado, que actúa como cátodo. Este método es adecuado para piezas de dimensiones generales o grandes, como manillares de bicicleta y parachoques de coche.

El galvanizado en tambor es otro método común, adecuado para piezas pequeñas producidas en grandes volúmenes. Durante el proceso, las piezas se colocan en un tambor poligonal y, por su propio peso, entran en contacto con el cátodo dentro del tambor.

Principio básico de la galvanoplastia

La pieza a recubrir se coloca en un tanque de recubrimiento lleno de la solución electrolítica y se conecta al terminal negativo (cátodo) de una fuente de alimentación de CC. El metal de recubrimiento (o un material inerte como el grafito) también se coloca en el tanque y se conecta al terminal positivo (ánodo).

Al aplicar energía, los iones metálicos de la solución de recubrimiento migran hacia el cátodo, ganan electrones, se reducen a átomos metálicos y, posteriormente, se depositan sobre la superficie de la pieza, formando el recubrimiento. Dado que la electrodeposición se basa principalmente en principios electroquímicos, se requieren tres condiciones esenciales: una diferencia de potencial entre los electrodos, una solución de recubrimiento (electrolito) y una fuente de energía.

Tomando como ejemplo el cobreado: la pieza de trabajo actúa como cátodo en una solución de recubrimiento cuyo componente principal es sulfato de cobre, con cobre metálico como ánodo. Al conectar la alimentación de CC, la corriente pasa a través de los electrodos y el electrolito. Los aniones y cationes en la solución de recubrimiento experimentan electromigración, es decir, bajo la influencia del campo eléctrico, los aniones se desplazan hacia el ánodo y los cationes hacia el cátodo. Los iones de cobre (Cu²⁺) se desplazan hacia el ánodo.⁺) se reducen y se depositan en el cátodo, mientras que el cobre metálico del ánodo se oxida.

Las reacciones químicas son las siguientes:

• Reacción (reducción) del cátodo (pieza de trabajo): Cu²⁺ + 2e^- → Cu
• Reacción anódica (oxidación): Cu – 2e^- → Cu²⁺

El recubrimiento final debe ser completo, uniforme, denso, cumplir con los requisitos de espesor específicos, estar firmemente adherido al metal base y poseer ciertas propiedades físicas y químicas para brindar una protección eficaz.

Factores que afectan la calidad de la galvanoplastia

Muchos factores influyen en la calidad de la capa electrodepositada. Entre los principales se incluyen la composición de la solución de electrodeposición, la densidad de corriente del cátodo, la temperatura y el pretratamiento de la superficie.

Composición de la solución de recubrimiento

La composición de la solución de recubrimiento incluye principalmente las siguientes partes:

Sal principal (sal primaria)La sal metálica que contiene los iones que se depositarán como recubrimiento metálico en el cátodo. Concentraciones más altas de la sal principal, en igualdad de condiciones, facilitan la deposición del metal, pero disminuyen la polarización del cátodo, lo que produce granos cristalinos más gruesos en el recubrimiento. Sin embargo, concentraciones excesivamente altas reducen el poder de dispersión y la estabilidad de la solución, e incrementan los costos de producción y tratamiento de residuos. Por el contrario, concentraciones muy bajas proporcionan un mayor poder de dispersión y cobertura, así como una mejor polarización del cátodo, pero resultan en una conductividad deficiente, una menor densidad de corriente admisible, una menor eficiencia de corriente y una velocidad de deposición lenta. Por lo tanto, la concentración de la sal principal debe encontrarse dentro de un rango apropiado, que varía según los requisitos específicos de la aplicación.

Sales adicionales (sales conductoras)Sales de metales alcalinos o alcalinotérreos (incluidas las sales de amonio) que se añaden principalmente para aumentar la conductividad de la solución. Estas sales también pueden mejorar la profundidad de recubrimiento, el poder de penetración y el poder cubriente de la solución, lo que da como resultado un recubrimiento más fino y denso. Ejemplos de estas sales son el sulfato de sodio y el sulfato de magnesio en los baños de niquelado. Sin embargo, un exceso de sales adicionales puede reducir la solubilidad de la sal principal y provocar turbidez en la solución.

Agentes complejantes: Sustancias que pueden formar complejos con los iones metálicos de la sal principal. Las soluciones sin estos iones se denominan baños de sal única, que generalmente presentan poca estabilidad, granos cristalinos gruesos y menor calidad de recubrimiento. La adición de agentes complejantes aumenta la polarización del cátodo, lo que da como resultado una estructura cristalina más fina y también promueve la disolución del ánodo. Si la cantidad de agente complejante excede la necesaria para formar complejos con los iones metálicos de la sal principal, se produce la formación de complejos. sesiones gratuitas Iones complejantes. Una concentración demasiado alta de iones complejantes libres puede reducir la eficiencia de la corriente del cátodo, disminuir la velocidad de deposición o incluso impedir por completo el recubrimiento.

Agentes amortiguadoresSustancias, generalmente una combinación de ácido/sal o base/sal débil, que se utilizan para mantener la acidez o alcalinidad de la solución de recubrimiento dentro de un rango de pH específico necesario para su correcto funcionamiento. Ayudan a minimizar las fluctuaciones del pH del baño.

Aditivos: Se añaden pequeñas cantidades de sustancias orgánicas al baño de galvanoplastia para mejorar el rendimiento de la solución y la calidad del recubrimiento. Se clasifican principalmente según su función:

• Abrillantadores: Incrementan el brillo del recubrimiento. Los abrillantadores primarios suelen contener grupos sulfonilo o enlaces de carbono insaturados (p. ej., sacarina). Los abrillantadores secundarios son típicamente aldehídos, cetonas, alquinos, cianuros o compuestos heterocíclicos con enlaces insaturados.
• Niveladores: Mejoran significativamente la suavidad del recubrimiento. Hacen que el recubrimiento sea más grueso en los valles microscópicos de la pieza de trabajo que en los picos microscópicos.
• Agentes humectantes (antipitting): Reducen la tensión interfacial entre el electrodo y la solución, lo que permite que esta se extienda fácilmente sobre la superficie del electrodo. Además, favorecen el desprendimiento de burbujas de gas de la superficie del electrodo, inhibiendo la formación de microporos en el recubrimiento.
• Reductores de tensión: Disminuyen la tensión interna en el recubrimiento, mejorando así su tenacidad.
• Refinadores de grano: Promueven una estructura cristalina más fina y densa en el recubrimiento.

Densidad de corriente catódica

La densidad de corriente catódica óptima depende de factores como la composición de la solución de recubrimiento, la concentración de la sal principal, el pH, la temperatura y la agitación.

Una densidad de corriente demasiado baja reduce la polarización del cátodo, lo que provoca un crecimiento grueso de los cristales o la ausencia total de recubrimiento.

El aumento de la densidad de corriente (dentro de ciertos límites) incrementa la polarización del cátodo, lo que da como resultado una estructura de recubrimiento más fina.

Una densidad de corriente excesivamente alta provoca el rápido crecimiento de cristales a lo largo de las líneas de fuerza en la solución, dando lugar a nódulos (grumos) o cristales con forma de árbol (dendritas). Las esquinas y los bordes pueden incluso quemarse. Una alta densidad de corriente también produce una intensa liberación de hidrógeno en la superficie del cátodo, aumentando el pH, lo que puede provocar que las sales básicas metálicas queden atrapadas en el recubrimiento, ennegreciéndolo. Además, puede causar la pasivación del ánodo, lo que conlleva una disminución de los iones metálicos en la solución y puede generar un recubrimiento suelto y esponjoso. Cada baño de electrodeposición tiene un rango óptimo de densidad de corriente de funcionamiento.

Temperatura

La temperatura es un factor crucial. Al aumentarla, se acelera la difusión de partículas y la deshidratación iónica, se incrementa la actividad de los iones y de la superficie del cátodo, y se reducen tanto la difusión como la polarización electroquímica. En consecuencia, una temperatura más alta reduce la polarización del cátodo, lo que da lugar a granos cristalinos más gruesos. En la producción, a menudo se aumenta la temperatura del baño para incrementar la solubilidad de la sal y la conductividad de la solución. La temperatura de recubrimiento debe controlarse cuidadosamente para mantenerse dentro del rango óptimo.

Pretratamiento de superficies

Antes del electrochapado, la pieza debe someterse a un pretratamiento superficial para eliminar rebabas, inclusiones, residuos, grasa, óxido y capas de pasivación. Un pretratamiento adecuado expone una superficie de metal base limpia y activa, esencial para obtener un recubrimiento continuo, denso y con buena adherencia. Un pretratamiento inadecuado es una de las principales causas de defectos como ampollas, descamación, mala adherencia, rebabas y manchas.

Proceso de galvanoplastia

El proceso de electrodeposición generalmente incluye tres etapas: pretratamiento de la superficie antes del recubrimiento, electrodeposición y tratamiento posterior al recubrimiento.

Pretratamiento de la superficie antes del revestimiento

Esta etapa tiene como objetivo lograr una superficie metálica base limpia y activa, preparándola para un recubrimiento de alta calidad. El pretratamiento consiste principalmente en:

Rectificado o pulido: Para cumplir con los requisitos de rugosidad superficial.

Desengrasado: Métodos químicos o electroquímicos para eliminar aceites y grasas.

Eliminación de óxido/incrustaciones: Métodos mecánicos, decapado ácido o electroquímicos.

Activación: Normalmente, se realiza una breve inmersión en un ácido débil para asegurar que la superficie esté químicamente activa.

Comienza la galvanoplastia

El método de electrodeposición varía según la forma, el tamaño y el volumen de la pieza. La electrodeposición en bastidor es el método más común para piezas de dimensiones estándar o mayores. Las piezas se suspenden en un bastidor de alta conductividad, sumergidas en la solución de electrodeposición (que actúa como cátodo), con los ánodos colocados adecuadamente a ambos lados.

Un buen contacto entre el bastidor y la barra del cátodo es fundamental. Un contacto deficiente puede provocar resistencia de contacto, especialmente en procesos de cromado duro de alta corriente o en recubrimientos decorativos con agitación por movimiento del cátodo, lo que conlleva interrupciones intermitentes de la alimentación eléctrica, una mala adherencia del recubrimiento y una menor uniformidad del espesor, reduciendo así la resistencia a la corrosión.

Para piezas pequeñas o grandes volúmenes de producción, se utiliza el recubrimiento en tambor. Las piezas se colocan en un tambor poligonal y entran en contacto con el cátodo interno por su propia gravedad mientras el tambor gira, lo que facilita una deposición uniforme. El recubrimiento en tambor ahorra mano de obra, tiene una alta eficiencia de producción, requiere menos mantenimiento del equipo, ocupa menos espacio y produce recubrimientos uniformes. Sin embargo, no es adecuado para piezas de trabajo demasiado grandes o muy ligeras. Además, los tanques de recubrimiento en tambor funcionan a un voltaje más alto, lo que provoca un aumento más rápido de la temperatura de la solución y una mayor pérdida de material.

El chapado con brocha se utiliza para chapado o reparación localizada. El chapado continuo se utiliza para materiales de alambre y fleje en la producción de alto volumen.

Tratamiento posterior al enchapado

Esta etapa incluye la pasivación, el alivio de la fragilización por hidrógeno (deshidrogenación) y el pulido de la superficie.

La pasivación se realiza para mejorar la resistencia a la corrosión del recubrimiento, aumentar su brillo y potenciar sus propiedades anti-deslustre.

El alivio de la fragilización por hidrógeno consiste típicamente en un tratamiento térmico a una temperatura específica durante varias horas para evitar que el hidrógeno absorbido durante el recubrimiento cause fragilidad en la pieza.

El pulido de superficies es un proceso de acabado que se aplica al recubrimiento para reducir la rugosidad de la superficie, lograr un acabado decorativo tipo espejo y mejorar aún más la resistencia a la corrosión.

Tipos de galvanoplastia

Una forma común de clasificar la galvanoplastia es según el metal o aleación de recubrimiento que se aplica al material del sustrato.

Recubrimiento de zinc (Zn)

El zincado se utiliza principalmente como recubrimiento protector para el acero. En materiales de acero, el zinc actúa como recubrimiento anódico, proporcionando protección tanto electroquímica (de sacrificio) como mecánica, lo que resulta en una buena resistencia a la corrosión. La capacidad protectora está relacionada con el espesor y la porosidad del recubrimiento: a mayor espesor y menor porosidad, mayor resistencia a la corrosión. El espesor del recubrimiento de zinc suele oscilar entre 6 y 20 μm, requiriéndose espesores superiores a 25 μm para piezas expuestas a condiciones extremas. La pasivación de la capa de zinc incrementa su capacidad protectora entre 5 y 8 veces.

Las soluciones de zincado se clasifican en alcalinas (p. ej., cianuro, zincato, pirofosfato), neutras (p. ej., cloruro, sulfato brillante) y ácidas (p. ej., sulfato, cloruro de amonio). Debido a su bajo costo, buena resistencia a la corrosión, estética y larga vida útil, el zincado se utiliza ampliamente en la industria ligera, la instrumentación, la maquinaria, la agricultura y la defensa. Sin embargo, dado que el zinc es perjudicial para la salud humana, no es apto para la industria alimentaria.

Leer más: Comparación de propiedades | Zincado vs. Niquelado

Recubrimiento de cobre (Cu)

El cobreado se utiliza sobre metales base como el zinc y el hierro. El recubrimiento de cobre en estos metales es catódico. Si la capa de cobre presenta defectos, daños o poros, el metal base actúa como ánodo en un medio corrosivo, acelerando su corrosión, a menudo más rápidamente que si no estuviera recubierto. Por lo tanto, el cobreado de una sola capa rara vez se utiliza con fines protectores o decorativos. Se emplea frecuentemente como capa base (recubrimiento intermedio) para mejorar la adherencia entre los recubrimientos posteriores y el metal base. Las capas base de cobre gruesas, combinadas con capas delgadas de níquel, pueden reducir la porosidad de la capa de níquel y ahorrar níquel. Las capas de cobre también pueden proteger áreas localizadas de la carburización o nitruración, ya que la difusión y penetración del carbono y el nitrógeno en el cobre es difícil.

Existen diversos baños de cobreado, entre ellos cianuro, sulfato, pirofosfato, citrato, ácido nitrilotriacético y fluororato.

Recubrimiento de cromo (Cr)

El cromo es un metal de color blanco plateado con un ligero tono azulado. Presenta una excelente estabilidad química en la atmósfera debido a su fuerte pasivación, formando una película de óxido delgada y densa. El cromo es estable en álcalis, ácido nítrico, ácido sulfúrico, sulfuros y muchos ácidos orgánicos, pero se disuelve en ácidos hidrácidos y ácido sulfúrico caliente y concentrado.

Chapado en cromo Ofrece una excelente resistencia a la corrosión y presenta baja humectabilidad, exhibiendo propiedades hidrófobas y oleófobas. Además, posee alta dureza, buena resistencia al desgaste y buena resistencia al calor. Su apariencia y dureza permanecen prácticamente inalteradas al calentarse al aire hasta 500 °C; la oxidación comienza por encima de los 500 °C y el ablandamiento por encima de los 700 °C. El cromo también posee una alta reflectividad, solo superada por la plata.

Según su aplicación, los recubrimientos de cromo se dividen en cromado protector-decorativo (delgado, previene la oxidación y mejora la apariencia) y cromado funcional (generalmente más grueso, utilizado para mejorar la dureza, la resistencia al desgaste, la resistencia a la corrosión y la resistencia a altas temperaturas de las piezas mecánicas). El cromo funcional se clasifica además en cromo duro, cromo lechoso y cromo poroso.

La composición de la solución de cromado es relativamente simple: el componente principal es el anhídrido crómico (CrO₃), no una sal del metal de recubrimiento, junto con pequeñas cantidades de catalizadores como sulfato, fluoruro o fluorosilicato. Generalmente se utilizan aleaciones de plomo como ánodos. Si bien el anhídrido crómico debe reponerse continuamente, el cromo hexavalente (Cr(VI)) es altamente tóxico, por lo que el cromo trivalente (Cr(III)) se utiliza cada vez más como alternativa.

Niquelado (Ni)

El níquel tiene un brillo metálico blanco plateado con un ligero tono amarillento y es ferromagnético. Posee una gran capacidad de pasivación, formando una fina película protectora en el aire, lo que le confiere una alta estabilidad química y un brillo duradero e inalterable en la superficie. A temperatura ambiente, el níquel presenta buena resistencia a la corrosión atmosférica, en presencia de agua, álcalis, sales y ácidos orgánicos. Se disuelve lentamente en ácidos clorhídrico y sulfúrico diluidos, pero más rápidamente en ácido nítrico diluido. Se pasiva en ácido nítrico fumante y no reacciona con álcalis fuertes.

El potencial de electrodo del níquel es más positivo que el del hierro, lo que lo convierte en un recubrimiento catódico para el hierro. Por lo tanto, proporciona una buena protección a un sustrato de acero. único cuando el recubrimiento esté completo y sin defectos. Dado que los recubrimientos de níquel suelen ser algo porosos, a menudo se utilizan en sistemas multicapa con otros metales para mejorar la resistencia a la corrosión, donde el níquel actúa como capa base o intermedia para reducir la porosidad (por ejemplo, combinaciones de Cu/Ni/Cr o Ni/Cr).

Los recubrimientos de níquel se dividen en tipos protectores-decorativos y funcionales.

El niquelado protector-decorativo se utiliza para proteger contra la corrosión el acero de bajo carbono, las piezas de zinc fundidas a presión y algunas aleaciones de aluminio y cobre. Se consigue un efecto decorativo brillante mediante el pulido del níquel semibrillante o mediante el recubrimiento directo de níquel brillante. Dado que el níquel se empaña fácilmente en la atmósfera, a menudo se aplica una fina capa de cromo sobre la capa de níquel brillante para mejorar la resistencia a la corrosión y la estética.

El niquelado funcional se utiliza principalmente para reparar piezas desgastadas, corroídas o de tamaño excesivo. Estos recubrimientos suelen aplicarse con un espesor mayor al necesario y posteriormente se mecanizan hasta alcanzar las dimensiones especificadas.

Las principales sales utilizadas en el niquelado son el sulfato de níquel y el cloruro de níquel.

Electrochapado de aleación

El electrochapado de aleaciones es un método para mejorar el rendimiento de los recubrimientos, capaz de producir cientos de recubrimientos con diversas propiedades. Esta técnica es altamente eficaz para abordar problemas relacionados con la decoración, la resistencia a la corrosión, la resistencia al desgaste, el magnetismo, la soldabilidad y la conductividad.

Las aleaciones producidas por electrodeposición tienen características únicas en comparación con las producidas por fusión térmica:

1. Se pueden obtener aleaciones compuestas por metales de alto y bajo punto de fusión.
2. Se pueden obtener aleaciones que no aparecen en el diagrama de fases de fusión térmica.
3. Se pueden producir aleaciones amorfas muy densas y con excelentes propiedades.
4. Se pueden formar aleaciones que son difíciles de depositar como metales puros a partir de soluciones acuosas.
5. En determinadas condiciones controladas, los metales con potenciales más negativos pueden depositarse preferentemente.

Los recubrimientos de aleación se clasifican según el elemento con mayor concentración (p. ej., aleaciones a base de cobre, plata, zinc y níquel). La aleación de cobre-estaño es un recubrimiento ampliamente utilizado debido a su baja porosidad, buena resistencia a la corrosión, fácil pulido y la posibilidad de cromarla directamente. El recubrimiento de aleación de cobre-estaño con cianuro se emplea con frecuencia porque la composición y el color del recubrimiento son fáciles de controlar, y la solución tiene un buen poder penetrante. Sin embargo, una desventaja importante es el uso de grandes cantidades de cianuro, altamente tóxico, lo que exige estrictas medidas de seguridad.

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