Recubrimiento electrónico: definición, equipos y aplicaciones

El recubrimiento electroforético es un proceso común en la industria automotriz. En este artículo, exploraremos qué es el recubrimiento electroforético y cómo funciona.

¿Qué es el recubrimiento electroforético?

El recubrimiento electroforético es un proceso en el que la pieza a recubrir se sumerge en una pintura soluble en agua y actúa como un electrodo, ya sea cátodo o ánodo. Se proporciona un electrodo correspondiente y se aplica corriente continua (CC) entre ambos polos. Bajo la influencia del campo eléctrico, las partículas de pintura cargadas migran direccionalmente hacia la superficie de la pieza, donde se descargan y depositan formando una película de recubrimiento.

Los métodos de recubrimiento electroforético generalmente se clasifican según las características de la pintura y la polaridad de la pieza de trabajo que se va a recubrir.

El proceso se denomina recubrimiento electroforético anódico cuando la pieza actúa como ánodo y utiliza pintura aniónica. Por el contrario, cuando la pieza actúa como cátodo y utiliza pintura catiónica, se trata de un recubrimiento electroforético catódico. Actualmente, más del 90 % de los recubrimientos de carrocerías de automóviles en todo el mundo utilizan recubrimiento electroforético catódico.

Si bien los recubrimientos electroforéticos anódicos son más económicos, su resistencia a la corrosión es inferior a la de los recubrimientos electroforéticos catódicos. Por ello, casi todos los fabricantes adoptan actualmente el recubrimiento electroforético catódico. El recubrimiento electroforético produce una superficie uniforme con excelente adhesión y es adecuado para recubrir piezas con formas complejas; incluso puede depositar películas en las superficies internas de las cavidades. Sin embargo, el equipo es complejo, requiere una gran inversión y la variedad de recubrimientos adecuados es limitada, limitándose actualmente a pinturas solubles en agua y emulsionadas en agua.

Proceso de recubrimiento electrónico

El recubrimiento electroforético es una reacción electroquímica altamente compleja. Ya sea catódico o anódico, el proceso implica cuatro mecanismos típicos simultáneos: electroforesis, electrodeposición, electroendosmosis y electrólisis. En este proceso, la resina ionizada dentro del recubrimiento disperso en agua se disocia en partículas coloidales cargadas. Mediante la acción combinada de estos cuatro mecanismos en un campo eléctrico de CC, estas partículas migran a la superficie de la pieza y se descargan para formar una película de recubrimiento aislante.

Electroforesis

La electroforesis es el proceso mediante el cual las partículas coloidales cargadas se mueven hacia el electrodo con polaridad opuesta bajo la influencia de un campo eléctrico. Durante la electroforesis, los pigmentos sin carga y las partículas de pigmento extensor también pueden adsorberse sobre las partículas coloidales cargadas y desplazarse con ellas. Generalmente, un menor contenido de sólidos y una menor viscosidad en la solución de recubrimiento resultan en una menor resistencia a la electroforesis.

Electrodeposición

La electrodeposición se refiere al proceso en el que partículas coloidales cargadas alcanzan el electrodo (la pieza de trabajo) de polaridad opuesta y se descargan para formar una película de recubrimiento aislante e insoluble. A diferencia de la galvanoplastia , en la electroforesis la conductividad de la película de recubrimiento cambia, convirtiéndola en un aislante. La electrodeposición comienza en las zonas de la superficie de la pieza de trabajo donde se concentran las líneas de campo eléctrico. A medida que aumenta el espesor y el área de la película aislante, la resistencia eléctrica también aumenta significativamente.

Electroendosmosis

La electroendosmosis es el movimiento del medio de dispersión en dirección opuesta a las partículas cargadas. Durante el proceso de electroforesis, la película de recubrimiento recién formada es una membrana semipermeable con un alto contenido de agua. Bajo la influencia de la fuerza del campo eléctrico y la fuerza osmótica interna, el agua y los iones dentro de la película experimentan electroendosmosis direccional y movimiento antielectroforético para entrar en la solución. Normalmente, el efecto de deshidratación de la electroendosmosis puede reducir el contenido de agua de la película de recubrimiento entre un 5 % y un 15 %.

Electrólisis

El agua experimenta una reacción electrolítica en un campo eléctrico de CC, liberando hidrógeno en el cátodo y oxígeno en el ánodo. Esto provoca un aumento del pH en el cátodo y una disminución del pH en el ánodo. Una mayor conductividad en la solución produce una reacción electrolítica más intensa; mayores cambios de pH en los electrodos y mayor cantidad de burbujas resultan en más poros y una película de recubrimiento más rugosa. Por lo tanto, si bien la electrodeposición es la reacción principal del proceso, la electrólisis es un factor crítico que afecta la calidad de la película. Si bien la electroforesis anódica requiere una menor inversión en equipos y menores costos de pintura, presenta una baja resistencia a la corrosión y un menor voltaje. En comparación con las películas anódicas, los recubrimientos electroforéticos catódicos proporcionan de 3 a 4 veces la capacidad protectora, el doble del efecto coulombiano y de 1.2 a 1.4 veces el poder de penetración. Por consiguiente, la electroforesis catódica se utiliza ampliamente, mientras que la anódica se reserva principalmente para aplicaciones con requisitos más bajos.

Ventajas del recubrimiento electroforético

• Fácil implementación de automatización y mecanización: El recubrimiento electroforético se caracteriza por un alto grado de automatización, alta velocidad de recubrimiento y alta eficiencia de producción. Por ejemplo, la eficiencia del recubrimiento electroforético de imprimación automotriz puede ser hasta un 450 % superior a la de los procesos tradicionales de recubrimiento por inmersión.
• Alta uniformidad del espesor de la película: incluso en áreas irregulares como esquinas, ranuras, orificios y protuberancias de soldadura, se puede lograr un espesor de recubrimiento uniforme ajustando el voltaje y controlando el proceso de electrodeposición.
• Alta calidad de recubrimiento: La película resultante es plana, lisa y sin descuelgues. Presenta una excelente nivelación durante el secado, lo que proporciona una alta calidad estética que ahorra tiempo de lijado y reduce los costos de producción. La película también posee buena resistencia al agua y adherencia.
• Alta tasa de utilización de pintura: debido a la baja concentración y baja viscosidad de la pintura, la pieza de trabajo realiza muy poca, lo que permite una tasa de utilización de más del 95%.
• Buenas condiciones ambientales y de trabajo: El recubrimiento contiene pocos solventes auxiliares, lo que produce una mínima niebla de pintura durante la volatilización y reduce la contaminación ambiental.

Desventajas del recubrimiento electrolítico

• Gran inversión: la inversión en equipos es alta y los requisitos de gestión operativa son estrictos.
• Numerosas limitaciones del proceso: Las películas electroforéticas se limitan a un solo color. No se pueden recubrir simultáneamente varios tipos de piezas metálicas. Los materiales no conductores, como el plástico y la madera, no se pueden someter a electroforesis. Además, no se puede aplicar una capa de acabado sobre una superficie de imprimación, y la resistencia a la intemperie de la propia imprimación es relativamente baja.
• Carga de trabajo de limpieza pesada: Para garantizar la conductividad al entrar en contacto con la pieza de trabajo, las perchas deben limpiarse exhaustivamente y con frecuencia, lo que genera una gran carga de trabajo e intensidad de mano de obra.

Equipos para recubrimiento electrolítico

El equipo para recubrimiento electroforético consta de un tanque de electroforesis, un tanque de respaldo, un sistema de circulación y filtración, un sistema de ultrafiltración, dispositivos de electrodos, un dispositivo de ajuste de temperatura de pintura, un dispositivo de reposición de pintura, un sistema de ventilación, una fuente de alimentación de CC, un gabinete de control, un dispositivo de enjuague posterior a la electroforesis y un dispositivo de almacenamiento de pintura.

Tanque de electroforesis

El tanque de electroforesis es el equipo principal y el contenedor donde se lleva a cabo el proceso; sus dimensiones se determinan según el tamaño externo máximo de las piezas. Incluye el tanque principal, el tanque de reserva y el tanque de rebose. El recubrimiento electroforético generalmente se divide en sistemas continuos de tipo pasante y sistemas intermitentes de tipo escalonado. El primero es adecuado para la producción en masa y utiliza tanques con forma de barco, mientras que el segundo es adecuado para lotes medianos y suele utilizar tanques rectangulares. Los tanques de rebose suelen instalarse en uno o ambos lados para controlar el nivel de líquido y eliminar la espuma superficial. El tanque de reserva se utiliza para almacenar temporalmente la solución de pintura durante la limpieza o el mantenimiento del tanque principal.

Sistema de circulación y filtración

Este sistema incluye bombas de circulación, tuberías y boquillas de pulverización, y generalmente utiliza una combinación de circulación de filtración, intercambio de calor y ultrafiltración. Su objetivo es garantizar la estabilidad de la composición y concentración de la pintura, mantener una buena dispersabilidad y evitar la precipitación de pigmentos. Para evitar la sedimentación, se debe mantener un caudal y un número de ciclos específicos.

Dispositivo de electrodos

Este dispositivo consta de placas de electrodos, cubiertas de diafragma, electrodos auxiliares y un sistema de agua desionizada. Para la electroforesis anódica, se utilizan placas de cobre o acero inoxidable como ánodos, con una relación de área de cátodo a pieza de trabajo generalmente de 1:1. La electroforesis catódica requiere placas de acero inoxidable o aleación de titanio para el cátodo, con una relación de área de cátodo a pieza de trabajo generalmente de 1:4. Las cubiertas de diafragma son estructuras tipo bolsa hechas de membranas semipermeables rellenas de agua desionizada. Albergan las placas de electrodos e impiden que los ácidos o bases electrolíticos se difundan en la pintura, estabilizando así el pH. Se utilizan electrodos auxiliares para asegurar la formación uniforme de la película en paredes y cavidades internas complejas.

Dispositivo de reposición de pintura

La reposición se realiza en un tanque de mezcla donde la pintura original se diluye con el líquido de trabajo, se agita y se mezcla antes de añadirla al tanque de electroforesis. Alternativamente, se puede integrar un mezclador directamente en la tubería de circulación para una reposición continua.

Dispositivo de enjuague posterior a la electroforesis

Tras la formación de la película, las piezas deben enjuagarse inmediata y repetidamente con ultrafiltrado circulante, ultrafiltrado fresco y agua desionizada. Esto elimina el líquido de pintura adherido a la superficie de la película y evita que esta se disuelva o se adelgace.

Materiales adecuados para el recubrimiento electrolítico

• Acero y sus aleaciones: Incluye carrocerías de automóviles, componentes de chasis, piezas de motor, herrajes, herramientas metálicas, maquinaria agrícola y acero estructural para construcción.
• Aleaciones de aluminio: Incluye piezas de automóviles como capós, cubos de ruedas, radiadores, soportes, perfiles de aluminio para puertas y ventanas, carcasas de productos electrónicos de consumo y artesanías.
• Zinc y aleaciones de zinc: como láminas de acero galvanizado (la electroforesis catódica en capas galvanizadas es muy común) y piezas de aleaciones fundidas a presión.
• Cobre y aleaciones de cobre: ​​se requiere especial atención ya que la presencia de iones de cobre puede afectar la estabilidad de la solución del tanque.

Factores que influyen en el recubrimiento electroforético

El flujo del proceso para el recubrimiento electroforético es:

Desengrasado → Lavado con agua fría → Lavado con agua caliente → Acondicionamiento de superficies → Fosfatado → Lavado con agua fría → Pasivado → Lavado con agua desionizada → Secado → Recubrimiento electroforético → Lavado con ultrafiltrado → Lavado con agua desionizada → Horneado → Enfriado. Fosfatar la pieza antes de la electroforesis para mejorar la protección de la película de recubrimiento.

Contenido de sólidos

El contenido de sólidos de la pintura líquida es un factor crítico que afecta la estabilidad, el poder de penetración, el espesor de la película y la apariencia. Si el contenido de sólidos es demasiado bajo, la sedimentación del pigmento se agrava, la estabilidad y el poder de penetración disminuyen, y la película resultante es delgada, rugosa, porosa y carece de capacidad protectora. Si el contenido de sólidos es demasiado alto, la película se engrosa, la electroendosmosis se dificulta y la superficie se vuelve rugosa con una textura de cáscara de naranja. Un alto contenido de sólidos también aumenta la carga de filtración y enjuague. Generalmente, el contenido de sólidos se controla entre el 10 % y el 15 % para la electroforesis anódica y entre el 20 % ± 0.5 % para la electroforesis catódica.

Temperatura

Aumentar la temperatura de la solución de pintura facilita la electrodeposición y aumenta el espesor de la película. Sin embargo, temperaturas excesivamente altas aceleran la evaporación del disolvente, reducen la estabilidad y causan rugosidad o descuelgue. Por el contrario, las bajas temperaturas reducen la solubilidad en agua y aumentan la resistencia a la deposición, lo que da lugar a películas delgadas o a la imposibilidad de formar una película en zonas cóncavas. Las bajas temperaturas también aumentan la viscosidad, lo que atrapa las burbujas y da como resultado una superficie rugosa y opaca. Por lo tanto, las temperaturas para la electroforesis anódica y catódica deben controlarse entre 20-25 °C y 28-30 °C, respectivamente.

valor del PH

El valor de pH afecta directamente la estabilidad y la conductividad, y debe controlarse estrictamente dentro de una fluctuación de ±0.1. Generalmente, el pH debe estar entre 7.5 y 8.5 para la electroforesis anódica y entre 5.8 y 6.7 para la catódica. Un pH alto en sistemas anódicos provoca la descomposición e inestabilidad de la resina. En sistemas catódicos, un pH bajo reduce la fuerza coulombiana y el poder de penetración, a la vez que aumenta la corrosión de las tuberías, mientras que un pH alto reduce la estabilidad del líquido.

Conductividad

La conductividad aumenta con la concentración de impurezas. Una conductividad alta intensifica la electrólisis, lo que hace que la película sea rugosa y porosa, y reduce el voltaje, la capacidad de penetración y la estabilidad del líquido. Generalmente, la conductividad de la pintura catódica es de 1000-2000 μS/cm, mientras que la de la pintura anódica es relativamente mayor.

Distancia entre electrodos

Una mayor distancia entre el electrodo y la pieza de trabajo aumenta la resistencia de la solución. Si la distancia es demasiado pequeña, se produce un espesor desigual en las protuberancias y hendiduras de la pieza. Si la distancia es demasiado grande, la eficiencia de la deposición disminuye y la película se vuelve muy delgada o no se forma. Por lo tanto, la distancia entre los electrodos se mantiene típicamente entre 150 y 800 mm.

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