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Galvanotecnia.
La galvanotecnia es la rama tecnológica que agrupa a aquellos
procesos en los que se logra depositar una capa metálica
continua y adherente, sobre la superficie de un conductor inmerso en un
electrólito,
con
el
uso
de la corriente eléctrica. Al proceso de
deposición en particular se le denomina recubrimiento electrólitico.
Los recubrimientos electrolíticos pueden ser de metales puros o
de aleaciones.
En otros casos, la galvanotecnia no se utiliza para depositar una capa,
si no para eliminar material y así modificar la superficie de
una pieza, y con ello proporcionarle a esta, algunas propiedades
deseables como pueden ser; apariencia brillosa o mate, mejor
retención de lubricante,
capacidad de
absorber y retener
colorantes etc.
En esta página haremos referencia solo a los procesos de
deposición electrólitica.
Objetivos del recubrimiento.
Estos recubrimientos electróliticos se realizan en la
práctica para aprovechar alguna propiedad particular inherente
al material de la capa superficial depositada, con respecto a la
misma propiedad del material base, o para restaurar las dimensiones de
alguna pieza desgastada por el uso.
Los objetivos mas comunes que se persiguen con el recubrimiento
electrolítico según el caso, son los siguientes:
- Aumentar la resistencia a
la corrosión;
depositando un material mas resistente, a
la agresividad del medio en el que se encontrará la pieza
durante el uso. Es común en estos casos encontrar, capas de níquel, cromo, estaño
o cinc
sobre piezas de acero.
- Aumentar la dureza
superficial; depositando una capa con cualidades de alta dureza.
Se pueden encontrar en la práctica con este objetivo, capas de
cromo duro sobre el filo de herramientas de acero.
- Aumentar la resistencia al
desgaste; depositando una capa especialmente elaborada de
algún material con propiedades elevadas de resistencia al
desgaste, bajo coeficiente de fricción y buena retención
del lubricante. Este caso encuentra aplicación frecuente en el
recubrimiento con cromo de la superficie de rozamiento de los anillos
de pistón de los motores
de combustión
interna.
- Dar una mejor apariencia a
la pieza; depositando una capa de apariencia lustrosa, mate u
otra deseada, o bien de determinado color o textura. Con esta
aplicación tropezamos a diario, y es muy común su uso
para recubrir con materiales vistosos como oro, plata, níquel,
cromo, cadmio,
platino,
latón
etc. a piezas de material base barato.
- Restaurar dimensiones
desgastadas; depositando capas de hierro o cromo sobre
piezas
que han sufrido desgaste durante el trabajo. Este tipo de recubrimiento
se usa para restaurar algunas piezas en los procesos de
reparación de máquinas.
- Base para la
adherencia posterior de otros
materiales; La adherencia de ciertos materiales no
metálicos como las gomas, o las capas de cromo decorativo, a las
piezas de acero se mejora mucho si esta se recubre previamente con una
capa de cobre.
- Modificar el coeficiente de fricción; Es común en las
máquinas el uso de capas superficiales de materiales blandos
depositados electrolíticamente en los cojinetes de deslizamiento
para facilitar el asentamiento correcto de la unión
árbol-cojinete en el período inicial de trabajo.
También ciertas texturas de capas de cromo y otros materiales
sobre piezas de acero logradas electrolíticamente puede mejorar
la resistencia al
rozamiento de las uniones deslizantes.
- Mejorar el contacto entre
conectores eléctricos; en el mundo de las máquinas
eléctricas y electrónicas actualmente, las partes de los
conectores que realizan el acople conductor están recubiertas
electrolíticamente de materiales que garantizan un buen
contacto. Especialmente en aparatos electrónicos de
alta fiabilidad se usan frecuentemente los recubrimientos con oro.
- Otros mas específicos.
Tipos de recubrimiento.
En la tabla 1 se muestra
algunas particularidades de los recubrimientos
galvánicos mas comunes.
Tabla 1. Particularidades de los
recubrimientos galvánicos
Nombre
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Material
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Campo de aplicación mas común
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Cobreado
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Cobre
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Capa base para el
cromado
o la vulcanización en acero de derivados del caucho.
Recubrimiento decorativo de piezas de materiales no metálicos.
Generación de las venas conductoras de circuitos impresos.
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Cromado
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Cromo
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Recubrimiento
anticorrosivo y decorativo.
Recubrimiento resistente a la fricción en materiales ferrosos.
Material para el relleno de zonas desgastadas en piezas de
fricción.
Superficie muy dura en ciertas aplicaciones.
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Acerado
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Hierro
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Material de relleno
en
zonas desgastadas en acero e hierro gris.
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Niquelado
|
Níquel
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Recubrimiento
anticorrosivo y decorativo.
Capa base para el cromado.
Recubrimiento de contactos eléctricos en conectores comunes.
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Cadmiado
|
Cadmio
|
Para facilitar la
soldadura blanda en componente eléctricos.
Recubrimiento de contactos eléctricos en conectores comunes.
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Galvanizado
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Cinc
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Recubrimiento
anticorrosivo del acero.
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Estañado
|
Estaño
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Recubrimiento
anticorrosivo temporal del acero.
Para facilitar la soldadura blanda en componentes eléctricos.
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Dorado
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Oro
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Recubrimiento
protector y
decorativo de bisutería.
Protección anticorrosiva de venas en circuitos impresos.
Recubrimiento de contactos eléctricos en conectores seguros.
Conexiones internas de circuitos integrados.
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Plateado
|
Plata
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Recubrimiento
protector y
decorativo de bisutería. |
Latonado
|
Latón
|
Recubrimiento
protector y
decorativo de bisutería.
Recubrimiento antifricción de asentamiento en cojinetes.
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Elaboración del recubrimiento.
Conceptos generales.
Los metales y sus aleaciones se consideran conductores de la corriente
de primer género y las soluciones acuosas de sales, álcalis y
ácidos como materiales conductores de la corriente de segundo
género o electrólitos.
Para la formación de las sustancias que nos rodean, los átomos
individuales se enlazan
hasta tener una estructura organizativa espacial eléctricamente
neutra,
esto es, las cargas eléctricas contenidas en los átomos
se
compensan mutuamente. Durante la disolución de las sales,
álcalis y ácidos en el agua, sus moléculas se
separan en átomos o grupos de átomos. Esta
separación rompe el equilibrio eléctrico, y los
átomos o grupos de átomos resultantes quedan cargados
eléctricamente debido a la carencia o exceso de los electrones
que estaban
anteriormente compartidos en su estructura, y se les denomina iones. Los iones cuando tienen carga
eléctrica positiva (carencia de electrones) se llaman cationes, y cuando esta carga es
negativa (exceso de electrones), aniones.
Al
proceso
se
le llama disociación
electrolítica y a la disolución resultante
conducirá la corriente eléctrica y se denomina electrólito.
Si en un electrólito se introducen dos conductores en forma de
electrodos y cada uno se conecta a uno de los polos de una fuente de corriente
directa, los iones cargados positivamente o cationes se
desplazan hacia el electrodo negativo denominado cátodo, y los cargados
negativamente hacia el electrodo positivo denominado ánodo.
Una vez que los iones alcanzan la superficie del electrodo
correspondiente y en dependencia de la naturaleza del
electrólito, la
intensidad de la corriente eléctrica y los electrodos
utilizados, se produce una interacción electro-atómica
entre el ion y el electrodo, que puede resultar en la
descomposición del electrólito en sus átomos
componentes,
por ejemplo; la disociación del agua en hidrógeno y
oxígeno, o bien la disociación de la sal, álcali o
ácido disuelto con la formación de compuestos nuevos, o
bien el transporte de átomos desde un electrodo al otro, con la
consiguiente disminución de las dimensiones de un electrodo y el
aumento de las del otro sin producirse disociación alguna. En
algunos casos pueden producirse al mismo tiempo uno, o todos los
fenómenos relacionados, esto es, la disociación de los
compuestos y el transporte de átomos de un electrodo al otro. A
este proceso se le conoce como electrólisis.
Durante la electrólisis que se realiza para la obtención
de recubrimientos metálicos, se utiliza como cátodo, la
pieza que se recubre, y como ánodo, comúnmente, placas o
varillas metálicas. Los ánodos metálicos pueden
ser solubles o inertes, en el caso de los ánodos solubles, estos
están constituidos por el metal de recubrimiento, el que
será transportado y depositado sobre la pieza como una capa
coherente y bien adherida a la superficie de la pieza, con su
consiguiente desgaste.
Los electrodos inertes se usan para el caso de que el metal de
recubrimiento se produce a expensas del material disuelto en el
electrólito, por ejemplo; en el cromado, en estos casos el
electrólito
se va paulatinamente empobreciendo y resultará necesario agregar
mas material soluble de tiempo en tiempo.
Preparación de la pieza para el recubrimiento.
Para la elaboración de los recubrimientos electrolíticos
de las piezas se requiere en general de alguna preparación
previa, antes de aportar la capa de metal deseada; en general esta
preparación puede ser:
- Elaboración de las
dimensiones y acabado superficial deseado; Esto resulta
necesario en algunos casos ya que la capa depositada copia exactamente
el perfil de la superficie base, incluso hasta los rasguños.
- Desengrasado; El
maquinado y pulido de las piezas puede dejar capas notables de grasas
en las piezas. Estas capas deben ser eliminadas usando un disolvente
adecuado.
- Aislamiento de las partes
que no serán recubiertas; En muchos casos no toda la
pieza debe recibir la capa galvánica. Estas partes se recubren
con algún componente aislante tal como el celuloide, o varias
capas alguna laca o barniz resistente al electrólito que se
utilizará. Los agujeros que no quieren recubrirse pueden ser
cerrados con tapones adecuados.
- Desengrasado final;
la presencia de películas de grasa en la superficie de la pieza
a
recubrir impide la
buena adherencia del recubrimiento a la base, por tal motivo es
frecuente el uso de productos químicos tal como la sosa
caústica caliente para piezas de acero o los barros de cal para
las piezas de aluminio.
- Decapado;
está destinado a eliminar totalmente de la superficie de la
pieza, las películas de óxidos (en ocasiones invisibles)
que pueden estar presentes. En muchas ocasiones el decapado se realiza
en el mismo baño electrolítico donde será
recubierta, invirtiendo por algunos segundos (30 a 50) la polaridad de
la corriente y convirtiendo así la pieza en ánodo, el
consecuente desgaste de la pieza retira completamente el óxido
de la superficie.
Una vez preparada la pieza, podrá comenzarse el proceso de
deposición de la capa galvánica.
Cuba galvánica.
El proceso electrolítico se realiza dentro de un recipiente
adecuado, generalmente abierto, que recibe el nombre de cuba. Esta cuba de construye con las
dimensiones adecuadas de acuerdo al tamaño de las piezas a
recubrir, y debe ser inerte químicamente al electrólito a
utilizar.
Una vez llena la cuba con el electrólito se obtiene lo que se
conoce
como baño galvánico. En este baño galvánico
se sumergirán luego las piezas a recubrir en soportes adecuados
para que queden colgadas en el electrólito, también debe
tener
los soportes adecuados para colgar los electrodos de trabajo, y en
ocasiones debe estar dotada de sistemas de ventilación forzada
para retirar los gases que se producen durante el proceso
electrolítico de recubrimiento.
Densidad de la corriente eléctrica.
Como la electrólisis puede hacerse mas o menos intensa en
dependencia de la magnitud de la corriente eléctrica utilizada
por unidad de superficie de la pieza a recubrir (densidad de
corriente), el proceso puede acelerarse o disminuirse manejando esta
intensidad. Sin embargo este manejo no puede hacerse de manera
indiscriminada, existen ciertos valores óptimos que resultan
decisivos en la calidad o características del recubrimiento
final.
Una densidad de corriente muy elevada, aunque aumenta la velocidad de
deposición y con ello el grosor de la capa depositada por unidad
de tiempo, haciendo el proceso mas rápido y productivo, la
calidad del recubrimiento puede ser mala e incluso inservible, la capa
puede no quedar adherida o ser esponjosa y débil.
En algunos procesos electrolíticos de galvanizado, resulta
conveniente el uso de corriente
alterna
asimétrica, esto es, los
electrodos se alimentan con electricidad de polaridad cambiante, un
tiempo corto a intensidad mas baja, en contra de la deposición,
seguido de un tiempo mas largo y mayor intensidad en el sentido de la
deposición. Esta forma de corriente produce una suerte de
pequeño decapado entre las subsiguientes micro-capas generadas
cuando la corriente eléctrica fluye en el sentido de la
deposición.
Temperatura del baño.
La temperatura del electrólito del baño también
puede ser
muy influyente en las características y calidad del
recubrimiento.
En algunos procesos de recubrimiento esta temperatura puede determinar
si la capa queda con brillo o mate, pueda ser mas dura o blanda y otros
factores.
Colocación de las piezas y electrodos en el
baño galvánico.
Aunque de forma general, la densidad de la corriente utilizada en un
determinado proceso galvánico puede calcularse, dividiendo la
intensidad de la corriente utilizada entre al área de la pieza:
Donde:
I= Intensidad de la
corriente en ampéres.
A= Área de la
pieza en D m
La distribución real de la densidad de corriente puede ser muy
diferente de unas zonas a otras de la pieza colocada en el baño,
y con ello producirse una capa de grosor diferente (e incluso
defectuoso), en cada una, si no se tienen en cuenta ciertos factores
geométricos que garanticen la igualdad de la densidad de
corriente en todas la áreas de la pieza.
Entre esos factores geométricos están:
- Similitud entre el relieve de la pieza y forma de los
electrodos.
- Posición de los electrodos con respecto a la pieza.
- Distancia entre los electrodos y la pieza.
- Profundidad de inmersión de la pieza en el
baño.
- Modo en que se cuelgan las pieza dentro del baño.
En las figuras 1, 2 y 3 se muestran esquemas que ilustran
la influencia de algunos de estos factores en la continuidad de la capa
depositada.
Observe la figura 1, en
ella se han representado dos variantes de colocación de la pieza
y los electrodos, en una cuba galvánica.
Con la disposición de la parte A,
cuyo
resultado
se
muestra
abajo, el espesor de la capa de recubrimiento obtenida es muy
desigual en las diferentes zonas de la superficie de la pieza.
Debido a la longitud y separación excesiva de los electrodos,
así como a la gran profundidad de inmersión de la pieza,
las lineas de corriente pueden llegar desde muchas direcciones a
algunas partes de ella, esto produce una densidad de corriente desigual
que genera capas de espesor variable.
En la parte B el problema ha
sido resuelto, se han acortado los
electrodos y acercado a la pieza, además se ha reducido la
profundidad de inmersión. Con esta nueva disposición,
toda la superficie de la pieza recibe la misma densidad de corriente, y
la capa se produce continua y homogénea como se muestra abajo.
En la figura 2 se muestra la influencia de la disposición de los
electrodos (ánodos) sobre la distribución de la capa de
recubrimiento para una pieza cilíndrica. En la parte a, la colocación es
incorrecta, el problema se ha resuelto en el dibujo b.
En la figura 3 se puede ver la influencia del modo
de colgar la pieza en la distribución de la capa en el caso de
bordes agudos. En la parte A
se produce un incremento excesivo en el borde, con el colgado mostrado
en la parte B el problema se
resuelve.
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Figura 1
Influencia del tamaño y colocación de
los electrodos así como de la profundidad de inmersión de
la pieza en el espesor de la capa de recubrimiento
Figura 2
Influencia de la colocación de los electrodos
en relación con una pieza cilíndrica sobre la
distribución de la capa de recubrimiento.
Figura 3
Influencia de la forma de colgar la pieza sobre la
distribución de la capa de recubrimiento en el borde filoso.
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