Finitura superficiale: spiegazione della galvanica

La galvanoplastica è attualmente ampiamente utilizzata nell'industria elettronica ed elettrica. Componenti come circuiti stampati, connettori e altre piccole parti metalliche richiedono tutti una finitura galvanica. La forte crescita del settore delle telecomunicazioni e la domanda in continua crescita di dispositivi elettronici hanno dato un notevole impulso all'applicazione della galvanoplastica. Questo articolo illustrerà il processo di galvanoplastica e i tipi di placcatura in base al metallo placcato.

Cos'è la galvanica?

La galvanoplastica è un processo che utilizza l'elettrolisi per depositare uno strato di metallo o lega sulla superficie di un pezzo, ottenendo un rivestimento metallico uniforme, denso e con una buona adesione. Durante la galvanoplastica, il pezzo da rivestire viene collegato al terminale negativo dell'alimentatore, che funge da catodo. Viene immerso in una soluzione elettrolitica contenente gli ioni metallici da depositare. L'anodo è tipicamente una piastra o una barra del metallo da depositare. Tuttavia, alcuni processi di galvanoplastica utilizzano anche anodi insolubili come grafite, acciaio inossidabile, piombo o leghe di piombo e antimonio.

La galvanoplastica può essere suddivisa in base al metodo di applicazione in galvanica a telaio, galvanica a barile, galvanica continua e galvanica a pennello. Il metodo più appropriato viene selezionato in base alle dimensioni e al volume di produzione dei componenti da galvanizzare.

La placcatura su telaio è il metodo più comune. I pezzi vengono sospesi su un telaio altamente conduttivo e immersi nella soluzione di placcatura che funge da catodo. Questo metodo è adatto per pezzi di grandi dimensioni, come manubri di biciclette e paraurti di automobili.

La placcatura a rotobarile è un altro metodo comune, adatto a componenti di piccole dimensioni prodotti in grandi volumi. Durante la placcatura, i componenti vengono posizionati in un rotobarile poligonale e sfruttano il proprio peso per entrare in contatto con il catodo all'interno del rotobarile.

Principio di base della galvanica

Il pezzo da rivestire viene inserito in una vasca di placcatura riempita con la soluzione elettrolitica e collegata al terminale negativo (catodo) di una sorgente di alimentazione a corrente continua. Anche il metallo di rivestimento (o un materiale inerte come la grafite) viene inserito nella vasca e collegato al terminale positivo (anodo).

Quando viene applicata energia, gli ioni metallici nella soluzione di galvanizzazione migrano verso il catodo, acquisiscono elettroni, vengono ridotti ad atomi metallici e successivamente si depositano sulla superficie del pezzo, formando il rivestimento. Poiché la galvanizzazione si basa principalmente su principi elettrochimici, sono necessarie tre condizioni essenziali: una differenza di potenziale tra gli elettrodi, una soluzione di galvanizzazione (elettrolita) e una fonte di alimentazione.

Prendiamo come esempio la placcatura in rame: il pezzo in lavorazione funge da catodo in una soluzione di placcatura il cui componente principale è il solfato di rame, con rame metallico come anodo. Quando l'alimentazione CC è collegata, la corrente passa attraverso gli elettrodi e l'elettrolita. Gli anioni e i cationi nella soluzione di placcatura subiscono elettromigrazione, il che significa che sotto l'influenza del campo elettrico, gli anioni si muovono verso l'anodo e i cationi verso il catodo. Gli ioni rame (Cu2⁺) vengono ridotti e depositati sul catodo, mentre il rame metallico sull'anodo viene ossidato.

Le reazioni chimiche sono le seguenti:

• Reazione del catodo (pezzo in lavorazione) (riduzione): Cu²⁺ + 2e^- → Cu
• Reazione anodica (ossidazione): Cu – 2e^- → Cu²⁺

Il rivestimento finale deve essere completo, uniforme, denso, soddisfare specifici requisiti di spessore, essere saldamente legato al metallo di base e possedere determinate proprietà fisiche e chimiche per garantire una protezione efficace.

Fattori che influenzano la qualità della galvanica

Molti fattori influenzano la qualità dello strato galvanico. Tra i principali rientrano la composizione della soluzione galvanica, la densità di corrente catodica, la temperatura e il pretrattamento superficiale.

Composizione della soluzione di placcatura

La composizione della soluzione di placcatura comprende principalmente le seguenti parti:

Sale principale (sale primario): Il sale metallico che contiene gli ioni che si depositeranno come metallo di rivestimento sul catodo. Concentrazioni più elevate del sale principale, a parità di altre condizioni, facilitano la deposizione del metallo ma riducono la polarizzazione del catodo, con conseguente formazione di grani cristallini più grossolani nel rivestimento. Tuttavia, concentrazioni eccessivamente elevate riducono il potere di penetrazione (capacità di dispersione) e la stabilità della soluzione, aumentando i costi di produzione e di trattamento dei rifiuti. Al contrario, concentrazioni molto basse forniscono un migliore potere di penetrazione e di copertura e una migliore polarizzazione del catodo, ma comportano una scarsa conduttività, una minore densità di corrente ammissibile, una minore efficienza di corrente e una bassa velocità di deposizione. Pertanto, la concentrazione del sale principale deve rientrare in un intervallo appropriato, che varia in base ai requisiti specifici dell'applicazione.

Sali aggiuntivi (sali conduttivi): Sali di metalli alcalini o alcalino-terrosi (inclusi i sali di ammonio) aggiunti principalmente per aumentare la conduttività della soluzione. Questi sali possono anche migliorare la capacità di placcatura profonda, il potere di penetrazione e il potere coprente della soluzione galvanica, determinando una qualità del rivestimento più fine e densa. Esempi includono solfato di sodio e solfato di magnesio nei bagni di nichelatura. Un'eccessiva aggiunta di sali, tuttavia, può ridurre la solubilità del sale principale e causare torbidità della soluzione.

Agenti complessanti: Sostanze che possono complessare con gli ioni metallici del sale principale. Le soluzioni prive di questi ioni sono chiamate bagni monosale, che generalmente presentano scarsa stabilità, grani cristallini grossolani e una qualità di rivestimento inferiore. L'aggiunta di agenti complessanti aumenta la polarizzazione del catodo, determinando una struttura cristallina più fine e favorendo anche la dissoluzione dell'anodo. Se la quantità di agente complessante supera il requisito per complessare gli ioni metallici del sale principale, si forma gratuita ioni complessanti. Una concentrazione troppo elevata di ioni complessanti liberi può ridurre l'efficienza della corrente catodica, rallentare la velocità di deposizione o addirittura impedire completamente la placcatura.

Agenti tampone: Sostanze, solitamente una combinazione debole di acido/sale o base/sale, utilizzate per mantenere l'acidità o l'alcalinità della soluzione di placcatura entro un intervallo di pH specifico, necessario per il normale funzionamento. Contribuiscono a ridurre al minimo le fluttuazioni del pH del bagno.

Additivi: Piccole quantità di sostanze organiche vengono aggiunte al bagno galvanico per migliorare le prestazioni della soluzione e la qualità del rivestimento. Sono principalmente classificate in base alla loro funzione:

• Sbiancanti: aumentano la lucentezza del rivestimento. Gli sbiancanti primari contengono spesso gruppi solfonilici o legami carboniosi insaturi (ad esempio, saccarina). Gli sbiancanti secondari sono in genere aldeidi, chetoni, alchini, cianuri o eterociclici con legami insaturi.
• Livellatori: migliorano significativamente la levigatezza del rivestimento. Fanno sì che il rivestimento sia più spesso nelle microscopiche valli del pezzo rispetto ai microscopici picchi.
• Agenti bagnanti (agenti anti-pitting): riducono la tensione interfacciale tra l'elettrodo e la soluzione, consentendo alla soluzione di distribuirsi facilmente sulla superficie dell'elettrodo. Favoriscono inoltre il distacco delle bolle di gas dalla superficie dell'elettrodo, inibendo la formazione di microfori nel rivestimento.
• Riduttori di stress: riducono lo stress interno nel rivestimento, migliorandone così la tenacità.
• Raffinatori di grano: favoriscono una struttura cristallina più fine e densa nel rivestimento.

Densità di corrente del catodo

La densità di corrente catodica ottimale dipende da fattori quali la composizione della soluzione di placcatura, la concentrazione del sale principale, il pH, la temperatura e l'agitazione.

Una densità di corrente troppo bassa riduce la polarizzazione del catodo, provocando una crescita grossolana dei cristalli o la mancata placcatura.

Aumentando la densità di corrente (entro certi limiti) aumenta la polarizzazione del catodo, con conseguente struttura del rivestimento più fine.

Una densità di corrente eccessivamente elevata provoca una rapida crescita dei cristalli lungo le linee di forza nella soluzione, dando origine a noduli (grumi) o cristalli ad albero (dendriti). Angoli e bordi possono persino bruciare (bruciature). Un'elevata densità di corrente provoca anche un'intensa evoluzione di idrogeno sulla superficie del catodo, aumentando il pH, che può causare l'intrappolamento di sali basici metallici nel rivestimento, rendendolo nero. Inoltre, può causare la passivazione dell'anodo, con conseguente impoverimento degli ioni metallici nella soluzione e potenziale formazione di un rivestimento spugnoso e lasco. Ogni bagno di placcatura ha un intervallo di densità di corrente operativa ideale.

La temperatura

La temperatura è un fattore cruciale. L'aumento della temperatura accelera la diffusione delle particelle e la disidratazione degli ioni, aumenta l'attività degli ioni e della superficie del catodo e riduce sia la diffusione che la polarizzazione elettrochimica. Di conseguenza, una temperatura più elevata riduce la polarizzazione del catodo, portando a grani cristallini più grossolani. In produzione, l'aumento della temperatura del bagno viene spesso effettuato per aumentare la solubilità dei sali e la conduttività della soluzione. La temperatura di placcatura deve essere attentamente controllata per rimanere entro l'intervallo ottimale.

Pretrattamento superficiale

Prima della galvanica, il pezzo deve essere sottoposto a un pretrattamento superficiale per rimuovere bave, inclusioni, residui, grasso, scaglie (film di ossido) e film di passivazione. Un pretrattamento adeguato espone una superficie del metallo base pulita e attiva, essenziale per ottenere un rivestimento continuo, denso e ben aderente. Un pretrattamento inadeguato è una delle principali cause di difetti come formazione di bolle, distacchi, scarsa adesione, bave e macchie.

Processo di galvanica

Il processo di galvanica comprende generalmente tre fasi: pretrattamento superficiale prima della galvanica, galvanica e trattamento post-galvanica.

Pretrattamento superficiale prima della placcatura

Questa fase mira a ottenere una superficie del metallo base pulita e attiva, preparandola per un rivestimento di alta qualità. Il pretrattamento prevede principalmente:

Rettifica o lucidatura: per soddisfare i requisiti di rugosità superficiale.

Sgrassaggio: metodi chimici o elettrochimici per rimuovere olio e grasso.

Rimozione di ruggine/incrostazioni: metodi meccanici, decapaggio acido o elettrochimici.

Attivazione: in genere, una breve immersione in un acido debole per garantire che la superficie sia chimicamente attiva.

Inizia la galvanica

Il metodo di galvanizzazione varia a seconda della forma, delle dimensioni e del volume del lotto del pezzo. La galvanizzazione su telaio è la più comune per pezzi di dimensioni normali o maggiori. I pezzi vengono sospesi su un telaio altamente conduttivo, immersi nella soluzione galvanica come catodo, con gli anodi posizionati opportunamente su entrambi i lati.

Un buon contatto tra il rack e la barra catodica è fondamentale. Un contatto scadente può causare resistenza di contatto, soprattutto nella cromatura dura ad alta corrente o nella placcatura decorativa con agitazione del movimento catodico, causando interruzioni di corrente intermittenti, con conseguente scarsa adesione del rivestimento e ridotta uniformità dello spessore, con conseguente riduzione della resistenza alla corrosione.

Per pezzi più piccoli o grandi volumi di produzione, si utilizza la placcatura a rotobarile. I pezzi vengono posizionati in un rotobarile poligonale e, ruotando, entrano in contatto con il catodo interno per gravità, facilitando una deposizione uniforme. La placcatura a rotobarile consente di risparmiare manodopera, ha un'elevata efficienza produttiva, richiede meno manutenzione delle attrezzature, occupa meno spazio e produce rivestimenti uniformi. Tuttavia, non è adatta a pezzi eccessivamente grandi o molto leggeri. Inoltre, le vasche di placcatura a rotobarile operano a una tensione più elevata, il che comporta un aumento più rapido della temperatura della soluzione e una maggiore fuoriuscita della soluzione.

La placcatura a spazzola viene utilizzata per placcature localizzate o riparazioni. La placcatura continua viene utilizzata per fili e nastri in produzioni ad alto volume.

Trattamento post-placcatura

Questa fase comprende la passivazione, la rimozione della fragilità da idrogeno (deidrogenazione) e la lucidatura superficiale.

La passivazione viene eseguita per migliorare la resistenza alla corrosione del rivestimento, aumentarne la lucentezza e potenziarne le proprietà anti-ossidazione.

La riduzione della fragilità da idrogeno è in genere un trattamento termico a una temperatura specifica per diverse ore per impedire che l'idrogeno assorbito durante la placcatura causi fragilità nel pezzo.

La lucidatura superficiale è un processo di finitura applicato al rivestimento per ridurre la rugosità superficiale, ottenere una finitura decorativa a specchio e migliorare ulteriormente la resistenza alla corrosione.

Tipi di galvanica

Un modo comune per classificare la galvanica è in base al metallo o alla lega di placcatura applicati al materiale del substrato.

Zincatura (Zn)

La zincatura è utilizzata principalmente come rivestimento protettivo per l'acciaio. Per i materiali in acciaio, lo zinco è un rivestimento anodico, che fornisce protezione sia elettrochimica (sacrificale) che meccanica, con conseguente buona resistenza alla corrosione. La capacità protettiva è correlata allo spessore del rivestimento e alla porosità: rivestimenti più spessi e minore porosità producono una migliore resistenza alla corrosione. Lo spessore del rivestimento di zinco varia tipicamente da 6 a 20 μm, con spessori superiori a 25 μm richiesti per componenti sottoposti a condizioni severe. La passivazione dello strato di zinco aumenta la sua capacità protettiva da 5 a 8 volte.

Le soluzioni di zincatura sono classificate come alcaline (ad esempio, cianuro, zincato, pirofosfato), neutre (ad esempio, cloruro, solfato lucido) e acide (ad esempio, solfato, cloruro di ammonio). Grazie al suo basso costo, alla buona resistenza alla corrosione, all'estetica e alla lunga conservazione, la zincatura è ampiamente utilizzata nell'industria leggera, nella strumentazione, nei macchinari, nell'agricoltura e nella difesa. Tuttavia, poiché lo zinco è dannoso per l'organismo umano, non è adatto all'industria alimentare.

Per saperne di più: Confronto delle proprietà | Zincatura vs nichelatura

Placcatura in rame (Cu)

La placcatura in rame viene utilizzata su metalli di base come zinco e ferro. Il rivestimento in rame su questi metalli è catodico. Se lo strato di rame presenta difetti, danni o pori, il metallo di base agisce da anodo in un mezzo corrosivo, accelerandone la corrosione, spesso più rapidamente rispetto a quanto avverrebbe se non fosse placcato. Pertanto, la placcatura in rame a strato singolo viene raramente utilizzata per scopi protettivi-decorativi. Viene spesso utilizzata come strato intermedio per migliorare l'adesione tra i rivestimenti successivi e il metallo di base. Sottostrati di rame spessi, combinati con strati sottili di nichel, possono ridurre la porosità dello strato di nichel e ridurre il consumo di nichel. Gli strati di rame possono anche proteggere aree localizzate dalla cementazione o dalla nitrurazione, poiché la diffusione e la penetrazione di carbonio e azoto nel rame sono difficili.

Esistono vari bagni di ramatura, tra cui cianuro, solfato, pirofosfato, citrato, acido nitrilotriacetico e fluoborato.

Cromatura (Cr)

Il cromo è un metallo bianco-argenteo con una leggera sfumatura bluastra. Presenta un'eccellente stabilità chimica nell'atmosfera grazie alla forte passivazione, formando una sottile e densa pellicola di ossido. Il cromo è stabile in alcali, acido nitrico, acido solforico, solfuri e molti acidi organici, ma si dissolve in acidi alogenidrici e acido solforico caldo e concentrato.

Cromatura Offre un'eccellente resistenza alla corrosione e una scarsa bagnabilità, presentando proprietà idrofobiche e oleofobiche. Vanta inoltre un'elevata durezza, una buona resistenza all'usura e una buona resistenza al calore. Il suo aspetto e la sua durezza rimangono sostanzialmente invariati se riscaldati in aria fino a 500 °C; l'ossidazione inizia sopra i 500 °C e il rammollimento sopra i 700 °C. Il cromo ha anche un'elevata riflettività, seconda solo all'argento.

In base all'applicazione, i rivestimenti cromati si dividono in cromatura protettiva-decorativa (sottile, previene la ruggine e ne migliora l'aspetto) e cromatura funzionale (generalmente più spessa, utilizzata per migliorare la durezza, la resistenza all'usura, la resistenza alla corrosione e la resistenza alle alte temperature delle parti meccaniche). Il cromo funzionale è ulteriormente classificato come cromo duro, cromo lattiginoso e cromo poroso.

La composizione della soluzione di cromatura è relativamente semplice: il componente principale è l'anidride cromica (CrO3), che non è un sale del metallo di placcatura stesso, insieme a piccole quantità di catalizzatori come solfato, fluoruro o fluorosilicato. Le leghe di piombo sono generalmente utilizzate come anodi. Mentre l'anidride cromica deve essere continuamente reintegrata, il cromo esavalente (Cr(VI)) è altamente tossico, quindi il cromo trivalente (Cr(III)) viene sempre più utilizzato come alternativa.

Nichelatura (Ni)

Il nichel ha una lucentezza metallica bianco-argentea tendente al giallo ed è ferromagnetico. Il nichel ha una forte capacità di passivazione, formando un sottile film di passivazione nell'aria, con conseguente elevata stabilità chimica e una lucentezza superficiale inalterata e duratura. A temperatura ambiente, il nichel presenta una buona resistenza alla corrosione atmosferica, all'acqua, agli alcali, ai sali e agli acidi organici. Si dissolve lentamente in acido cloridrico e solforico diluiti, ma più rapidamente in acido nitrico diluito. Diventa passivo in acido nitrico fumante e non reagisce con alcali forti.

Il potenziale elettrodico del nichel è più positivo di quello del ferro, il che lo rende un rivestimento catodico per il ferro. Pertanto, fornisce una buona protezione al substrato di acciaio. esclusivamente quando il rivestimento è completo e impeccabile. Poiché i rivestimenti di nichel sono generalmente piuttosto porosi, vengono spesso utilizzati in sistemi multistrato con altri metalli per migliorare la resistenza alla corrosione, con il nichel che funge da strato sottostante o intermedio per ridurre la porosità (ad esempio, combinazioni Cu/Ni/Cr o Ni/Cr).

I rivestimenti in nichel si dividono in protettivi-decorativi e funzionali.

La nichelatura protettiva-decorativa viene utilizzata per la protezione dalla corrosione di acciaio a basso tenore di carbonio, pressofusioni di zinco e alcune leghe di alluminio e rame. Un effetto decorativo brillante si ottiene lucidando il nichel semilucido o placcando direttamente il nichel lucido. Poiché il nichel si ossida facilmente a contatto con l'atmosfera, spesso si deposita un sottile strato di cromo sopra lo strato di nichel lucido per migliorare la resistenza alla corrosione e l'estetica.

La nichelatura funzionale viene utilizzata principalmente per riparare parti usurate, corrose o sovradimensionate. Questi rivestimenti vengono solitamente placcati con uno spessore maggiore del necessario e poi lavorati meccanicamente fino a raggiungere le dimensioni specificate.

I principali sali utilizzati nella nichelatura sono il solfato di nichel e il cloruro di nichel.

Galvanotecnica delle leghe

La galvanoplastica è un metodo per migliorare le prestazioni dei rivestimenti, in grado di produrre centinaia di rivestimenti con proprietà diverse. Questa tecnica è altamente efficace per risolvere problemi legati a decorazione, resistenza alla corrosione, resistenza all'usura, magnetismo, saldabilità e conduttività.

Le leghe prodotte mediante galvanica presentano caratteristiche uniche rispetto a quelle prodotte mediante fusione termica:

1. Si possono ottenere leghe composte da metalli ad alto e basso punto di fusione.
2. È possibile ottenere leghe non presenti nel diagramma di fase della fusione termica.
3. È possibile produrre leghe amorfe molto dense e dotate di eccellenti proprietà.
4. Si possono formare leghe difficili da depositare come singoli metalli da soluzioni acquose.
5. In determinate condizioni controllate, è possibile depositare preferibilmente metalli con potenziali più negativi.

I rivestimenti in lega sono classificati in base all'elemento con la concentrazione più elevata (ad esempio, leghe a base di rame, argento, zinco, nichel). La lega rame-stagno è un rivestimento ampiamente utilizzato grazie alla sua bassa porosità, alla buona resistenza alla corrosione, alla facile lucidatura e alla possibilità di essere cromata direttamente. La placcatura in lega rame-stagno con cianuro viene spesso utilizzata perché la composizione e il colore del rivestimento sono facili da controllare e la soluzione ha un buon potere penetrante. Tuttavia, uno svantaggio importante è l'uso di grandi quantità di cianuro altamente tossico, che richiede rigorose misure di sicurezza.

Chi siamo Getzshape

Hai un progetto che non vedi l'ora di trasformare in realtà? In Getzshape, semplifichiamo la prototipazione rapida. Carica i tuoi progetti 3D e/o disegni 2D e riceverai un preventivo rapido per i tuoi componenti personalizzati, come i perni, entro 24 ore. Il nostro team di esperti è qui per aiutarti a scegliere i materiali e i processi di produzione più adatti al tuo progetto. Contattaci oggi stesso e diamo vita alle tue idee ambiziose!