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SEMANA 08: Industrias Electroquímicas.Materia prima. Procesos de cobreado, cincado, niquelado y cromado, reacciones,

diagrama de bloques y de flujo, descripción, Contaminación por emisiones gaseosas y efluentes líquidos

INDUSTRIAS ELECTROQUÍMICAS

I. INTRODUCCION: PRINCIPIOSD DE ELECTROQUIMICA

La Electroquímica es la ciencia que estudia el intercambio de energía química y eléctrica que se produce por medio de una reacción de óxido-reducción.

Las reacciones de óxido-reducción (redox), son aquellas en donde existe una transferencia de uno ó más electrones.

La oxidación es la pérdida de electrones, mientras que la reducción es la ganancia de los mismos.

Electrólisis es el nombre que recibe el proceso mediante el cual la energía eléctrica se emplea para producir cambios químicos; mediante una reacción redox no espontánea, donde se hace pasar una corriente eléctrica. Se lleva a cabo en un contenedor llamado cuba electrolítica. La electrolisis es uno de los principales métodos químicos de separación. La principal ventaja del método electrolítico consiste en que no es necesario aumentar la temperatura para que la reacción tenga lugar, evitándose pérdidas energéticas y reacciones secundarias. Industrialmente es uno de los procesos más empleados en diferentes áreas, como por ejemplo en la obtención de elementos a partir de compuestos (cloro, hidrógeno, oxígeno), la purificación de metales (el mineral metálico se disuelve en ácido, obteniéndose por electrólisis el metal puro) o la realización de recubrimientos metálicos protectores y/o con fines decorativos.

Términos empleados en el proceso de electrodeposición:

El electrodepósito es la masa o depósito catódico obtenido por el paso de una corriente eléctrica en una célula electrolítica.

Electrodo es el componente de un circuito eléctrico que conecta el cableado del circuito a un medio conductor como un electrolito. El electrodo positivo es llamado ánodo y el electrodo negativo es llamado cátodo.

Electrolito es la sustancia iónica que en solución se descompone al pasar la corriente eléctrica.

ELECTRODEPOSICIÓN

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La electrodeposición es el método de cubrir objetos con una película fina de otro metal. El principio que rige este fenómeno es la electrólisis, cuyo nombre procede de dos radicales, electro que hace referencia a electricidad y lisis que significa ruptura.

La electrodeposición implica la reducción (disminución del estado de oxidación; ganancia de electrones) de un compuesto metálico disuelto en agua y una deposición del metal resultante sobre una superficie conductora.

En la electrodeposición de metales, el éxito de la operación está en función del control de los fenómenos involucrados,

PRINCIPIOS DE ELECTRICIDAD

Los procesos electrolíticos implican variables eléctricas:

Corriente eléctrica (I ): Es la rapidez del flujo de carga que pasa por un punto dado en un conductor eléctrico, que se origina por el movimiento de los electrones y es una medida de la cantidad de carga que pasa por un punto dado en la unidad de tiempo. Se mide en amperes (A).

Diferencia de potencial o voltaje (V): Cuando una corriente eléctrica fluye a través de un alambre conductor, se dice que lo hace porque existe una diferencia de potencial entre los dos extremos del alambre. La diferencia de potencial entre dos puntos se define como el trabajo efectuado, medido en joules (J ), por fuerzas eléctricas para mover una carga de un Coulomb desde el punto de mayor potencial hasta el punto de menor potencial. A la unidad con que se mide la diferencia de potencial se le llama Voltios.

Resistencia (R): Es la oposición al flujo de carga eléctrica, y esta presente en todos los elementos. Es una propiedad específica del material, que esta en función de sus propiedades como son: el tamaño, forma y temperatura. Es independiente del voltaje y la corriente que pasa a través de ella. La unidad de medida es Ohms (ῼ).

La ley de Ohm: Establece que para un resistor dado, a determinada temperatura la corriente es directamente proporcional al voltaje aplicado, esta proporcionalidad se establece como:

R = V / IDonde:V voltajeR resistenciaI corriente

Proceso electrolítico (Proceso no espontaneo)Consiste en hacer pasar una corriente eléctrica a través de un electrolito, entre dos electrodos conductores denominados ánodo y cátodo. Donde los cambios ocurren en los electrodos. Cuando conectamos los electrodos con una fuente de energía (generador de

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corriente directa), el electrodo que se une al polo positivo del generador es el ánodo y el electrodo que se une al polo negativo del generador es el cátodo.Una reacción de electrólisis puede ser considerada como el conjunto de dos semi reacciones, una oxidación anódica y una reducción catódica ΔG > 0 → ΔE < 0 (Figura 1).

FIGURA 1

LEYES DE FARADAY

La segunda ley de Faraday constituye el principio fundamental de la electrólisis. Con la ecuación de esta ley se puede calcular la cantidad de metal que se ha corroído o depositado uniformemente sobre otro, mediante un proceso electroquímico durante cierto tiempo, y se expresa en los siguientes enunciados:

“La cantidad de cualquier elemento (radical o grupo de elementos) liberada ya sea en el cátodo o en el ánodo durante la electrólisis, es proporcional a la cantidad de electricidad que atraviesa la solución”.

W = I.t.M / nF

Donde:W = cantidad de metal que se ha corroído o depositado gI = Intensidad de corriente At = tiempo que dura el proceso sM = masa atómica del metal ( g / mol )n = valencia del metalF = Constante de Faraday = 96 500 A - s /mol (Coulombios/mol)“Las cantidades de elementos o radicales diferentes liberados por la misma cantidad de electricidad, son proporcionales a sus pesos equivalentes”.

ECUACIÓN DE NERNSTOx + ne ↔ Red

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Condición equilibrio sistema electroquímico:E = Eº - (RT/nF) x ln (|Ox| / |Red|)E = Eº + (0,06/n) x log (Ox| / |Red|)

Valor fem: ΔG = ΔGº + RT ln Q-n*F*ΔE = -n*F* ΔEº+ RT lnQ

ΔE = ΔEº - (RT)/(nF) x lnQ (Ecuación de Nernst)Cualquier factor que modifique [Ox] ó [Red] modificará el potencial (pH, formación de precipitados ...) DEPÓSITOS ELECTROLÍTICOS MÁS COMUNES

A los revestimientos obtenidos a través de un proceso de electrodeposición, se les conoce como depósitos electrolíticos. Estos electro depósitos pueden estar compuestos de uno o más elementos, cada uno de ellos sobre un metal base, según la aplicación que se desee.

La tabla 1 incluye los revestimientos mas usados en la industria con su respectivo metal base .

TABLA 1

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NOMENCLATURA PARA ELECTRODEPÓSITOS

En Galvanotecnia existe una nomenclatura que resulta muy útil cuando se requiere de la realización de varias pruebas, pues reduce el tiempo invertido en el registro de los datos, además de facilitar la lectura de los mismos

FIGURA 2: Revestimiento en electrotecnia

En donde:1. Símbolo químico del metal o elemento preferencial

del revestimiento.

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2. Espesor del revestimiento metálico para procesos electrolíticos; se expresa en micrómetros (mm).

3. Proceso de revestimiento, escrito entre paréntesis con número romano, que va de I a X. En este caso I, lo que indica un proceso electrolítico.

Los revestimientos más comunes son:(I) Depósito electrolítico(II) Depósito químico(III) Revestimiento por inmersión en metal fundido(IV) Revestimiento por metalización a pistola(V) Revestimiento por chapado(VI) Depósitos al vacío4. ElectrodoGalvanotecniaRecubrimiento de piezas metálicas (y algunas no metálicas) con una capa fina de un metal más noble por deposición electrolítica.Su finalidad puede ser:•Decorativa.•Aumentar la resistencia contra la corrosión.•Mejorar el aspecto de los metales.•Reparar artículos averiados.•Recubrir un objeto pequeño con una capa gruesa hasta alcanzar la dimensión deseada.ProcesoEl metal que es el depósito actúa como cátodo. El ánodo se disuelve en el electrolito (soluble). El electrolito debe tener iones del metal los cuales se depositan sobre el objeto que se va a recubrir. Si el ánodo es insoluble, el metal que va a depositarse procede de una sal disuelta en el baño galvanico.a) GalvanostegiaConsiste en recubrir un metal con otro metal, generalmente de mayor valor agregado; tanto para su presentación, como para la protección, por decir niquelado, cromado, zincado, dorado o plateado, etc. b) Galvanoplastia Consiste en depositar una capa metálica, sobre una pieza no conductora o no metálica (no conductora de la corriente eléctrica); estos pueden ser de plásticos, cerámicos, yeso, fibra de vidrio, etc.Características de los tipos de ánodosÁnodos solubles: La acción electroquímica del cátodo es inversa a la del ánodo

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Entonces la FEM aplicada a los bornes se invierte para vencer la resistencia óhmica del ánodo, cátodo y conectores. Ánodos insolubles Se elimina el potencial de disolución anódica del metal para vencer la Sobretensión del oxigeno y la Tensión de descomposición del electrolito. La FEM es baja.Generadores galvanostegicos:

Baja tensión (6 a 15V). Elevada intensidad.

APLICACIONES PRÁCTICASLa electrodeposición es una tecnología muy importante, debido a que permite recubrir materiales baratos y muy accesibles con capas de diferentes metales.No sólo se aplica para obtener mejores propiedades, su uso se extiende a múltiples aplicaciones, en las cuales, de otra manera, resultaría muy costoso alcanzar estos objetivos, como protección contra la corrosión, mejora de las propiedades mecánicas y acabados estéticos (decoración).Algunas de las aplicaciones más comunes del niquelado son las siguientes: Protección a la corrosión; ya que las capas de níquel no son porosas, como en el caso

del recubrimiento de herramientas (Figura 3).Perforadora con acabado niquelado brillante

Mejoramiento de las propiedades mecánicas; empleadas en combinación con otros metales, como el cromo. Una aplicación muy común en la industria automotriz, son las defensas para automóviles (Figura 4).

Figura 4. Válvula de paso niquelada.

Recubrimientos decorativos; acabados exclusivamente estéticos

Por ejemplo, en accesorios metálicos para baños y muchos otros artículos

en el mercado (Figura 5).

Figura 5. Izquierda: recipiente metálico niquelado. Derecha: sin cromado para

automóvil.

LA INDUSTRIA DE GALVANOPLASTIA

La galvanoplastia es el proceso en el que por medio de la electricidad, se cubre un metal sobre otro a través de una solución de sales metálicas (electrólisis) con el objetivo de modificar sus propiedades superficiales y aumentar su resistencia a la corrosión y al

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ataque de sustancias químicas e incrementar su resistencia a la fricción y al rayado, es decir se confieren a las piezas, propiedades diferentes a la de los materiales base.

Los procesos de galvanoplastia se dividen en dos:

1. electroformación de láminas para moldes y 2. revestimientos de protección o decoración. Para el primer caso, los metales de

más uso son el estaño y el cromo, y para el segundo caso, el níquel, el cobre y la plata.

En la actualidad los usos de la galvanoplastia son variados: se aplica para la industria automotriz, electrodomésticos, construcción, hospitalaria, joyería, plomería, máquina de oficina, electrónicas, ferretería entre otras.

De acuerdo a la clasificación Industrial Internacional Unificada CIIU, las actividades desarrolladas en la industria de galvanoplastia, pertenecen al sector C-2592 denominado “Tratamiento y revestimiento de metales; maquinado”.

PROCESO DE GALVANOPLASTIA

El CIIU específico de esta actividad es el C – 2592.23 denominado “Actividades de servicio de revestimiento no metálico de metales; plastificado, esmaltado, lacado, cromado, etcétera, realizadas a cambio de una retribución o por contrato”.

1. Descripción y diagrama de flujo general: Se describen las etapas del proceso de galvanoplastia:

a) Recepción de materia prima.b) Desengrase o limpieza química.c) Lavado de desengrase.d) Decapado o desoxidación.e) Lavado de decapado.f) Preparación mecánica de la pieza.g) Limpieza física.h) Electrólisis (estañado, cromado, niquelado).i) Lavado en caliente.j) Secado.k) Aceitado.l) Almacenamiento.

Descripción de cada etapa:a) Recepción de materias primas. Las piezas metálicas que van a ser utilizadas en el

proceso de galvanización para efecto protector contra la corrosión o efecto decorativo, ingresan a la bodega de insumos y materias primas. Para el desarrollo de esta etapa, se requiere las piezas metálicas a recubrir, en particular las piezas de

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hierro, acero, latón, cobre, entre otras. Además se requiere de otros insumos tales como solventes (Tricloreftileno, percloroetileno, y CCL4), álcalis (potasa cáustica, sosa cáustica, carbonato sódico, carbonato potásico, fosfato trisódico, ortosilicatos y metasilicatos alcalinos, vidrio soluble, bicarbonato sódico, carbonato amónico, entre otros), sales para el galvanizado (sulfatos, cloruros, cianuros de níquel, cromo o estaño), trisulfonato naftaleno sódico y formaldehido.

Como resultado de esta etapa, se generan piezas metálicas no aptas para el proceso de galvanización (piezas no conformes).

b) Desengrase o limpieza química. Esta etapa consiste en la eliminación de las grasas y aceites de la superficie de las piezas metálicas, para ello se utilizan tres tipos de desengrase considerando el tipo de grasa adherida en el material, éstos son: Limpieza con álcalis por inmersión o rociado. Consiste en la eliminación de las

grasas de la superficie del material mediante el uso de soluciones acuosas de álcalis fuertes.

Desengrase con solventes orgánicos. En esta forma de desengrasado se utilizan hidrocarburos clorados no inflamables. Estos desengrasantes tienen la ventaja de disolver igualmente bien todas las grasas y aceites presentes en los materiales, sin atacarlos ni alterar su color quedando su color, quedando los objetos secos y desengrasados. Además los solventes pueden ser recuperados mediante destilación.

Desengrasado electrolítico con álcalis. Es el procedimiento más efectivo de desengrase. Mediante este método las piezas son desengrasadas en un electrolito alcalino con la ayuda de la corriente eléctrica, ejerciendo la mayor parte de las veces la función de cátodo y rara vez la de ánodo. El polo contrario lo forman los recipientes de hierro del baño o placas de hierro o cobre que se introducen en él. Sin embargo, para la revisión y limpieza de los electrodos es conveniente que éstos puedan extraerse del baño y no estén constituidos por el mismo recipiente. Para el desarrollo de esta etapa se utiliza energía eléctrica, hidrocarburos clorados y álcalis fuertes. Como resultado se generan envases vacíos de los productos químicos utilizados, residuos de desengrasantes utilizados y compuestos orgánicos volátiles.

c) Lavado de desengrase. Consiste en el lavado de las piezas con agua a fin de eliminar los residuos de la etapa anterior, ya que estos pueden producir manchas y recubrimientos irregulares. Para esta etapa, es requerida la utilización de agua y como resultado de la misma, se generan aguas residuales contaminadas con los químicos utilizados en el desengrase.

d) Decapado o desoxidación. Consiste en eliminar las capas de óxido formadas en la superficie de las piezas que se realiza cuando el recubrimiento es de tipo

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protector. El decapado se realiza sumergiendo las piezas en una solución que puede ser ácida o alcalina.

Las soluciones alcalinas utilizadas pueden ser: hidróxidos y carbonatos, aditivos orgánicos e inorgánicos y surfactantes. Las soluciones alcalinas utilizadas pueden ser: Hidróxidos y carbonatos, aditivos orgánicos e inorgánicos y surfactantes. Las soluciones ácidas utilizadas pueden ser: H2SO4, HCl, HF.

Como resultado de esta etapa, se originan aguas residuales y lodos debido a la remoción de los óxidos.

e) Lavado de decapado. Consiste en el enjuague de las piezas metálicas o plásticas en el tanque con agua para evitar el arrastre del ácido a las siguientes etapas del proceso. Para esta etapa, se utiliza agua para el enjuague, de lo cual se generan aguas residuales contaminadas con las soluciones aplicadas en el decapado.

f) Preparación mecánica de la pieza. Consiste en dejar la pieza tan homogénea, lisa y brillante como sea posible para obtener un recubrimiento de alta calidad y apariencia. Esta etapa puede realizarse mediante el desbaste, esmerilado y pulido.

El desbaste se realiza por medio de discos abrasivos de distintos tamaños y dureza. El esmerilado puede realizarse por medio de discos duros de estructuras medianas, afinados con esmeriles de grano o con cerámicos de estructuras, igualmente medianas; y el pulido puede ser mecánico, como electrolítico mediante salmueras de metales que dejan las superficies brillantes.

Para esta etapa del proceso, se utilizan ácidos sulfúrico, fosfórico, crómico, nítrico, cítrico o bien combinaciones de ellos para el caso del pulido electrolítico, así como agua de enfriamiento para evitar el calentamiento de las piezas sensibles al calor.

Los desechos generados en esta etapa, son básicamente los envases de los químicos usados, agua caliente y material particulado del pulido mecánico; lodos del pulido electrolítico y generación de ruido por el funcionamiento de las máquinas. Existe el riesgo de derrames de los ácidos.

g) Limpieza física. Luego de la homogenización y mediante la utilización de cepillos de 0.05 – 0.4 mm de espesor, fibras sintéticas o lana, se procede a la eliminación de las partículas que quedaron impregnadas en las piezas metálicas, formando grumos en la superficie de las mismas.

Para el desarrollo de esta etapa se requiere de materiales de limpieza (lana, fibras sintéticas), y agua a temperatura ambiente para eliminar las partículas que los cepillos no logran retirar.

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Los desechos generados en esta etapa son: aguas residuales, residuos de fibras y lanas, y material particulado.

h) Electrólisis. Es la etapa del recubrimiento de las piezas metálicas o plásticas propiamente dicha. Esta etapa consiste en la conservación de la materia, ya que, siempre que exista una sustancia que ceda electrones (se oxide), existirá otra que los tome (se reduzca). Un oxidante y un reductor completamente mezclados en una solución, permiten el intercambio electrolítico entre ellos.

Entonces, el único nexo entre el agente oxidante y el reductor, son los electrones ganados o perdidos, por lo tanto, se puede hacer que las reacciones de oxidación y reducción sucedan en recipientes separados, unidos por un conductor metálico que transporte electrones.

Cuando la electrólisis ocurre en una solución conductora llamada electrólito o baño electrolítico, la cual, a su vez se divide en anolito (parte de la solución que abarca el ánodo) y catolito (parte de la solución que abarca el cátodo), el movimiento iónico es causado por el campo eléctrico existente entre los electrodos y la corriente resultante consiste de iones cargados positivamente emigrando hacia el cátodo y iones cargados negativamente emigrando hacia el ánodo. Una corriente

En estado estable requiere que la misma cantidad de carga, fluya a través de todas las partes del circuito eléctrico formado.

Para el desarrollo de esta actividad se utilizan materiales metálicos de recubrimiento tales sulfatos, cloruros, cianuros de níquel, cromo y estaño. También se utilizan agentes químicos adicionales como: trisulfonato naftaleno sódico y formaldehido.

Los desechos que se originan principalmente son desechos líquidos de las soluciones de níquel, cromo o estaño, y recipientes vacíos de los químicos usados.

i) Lavado en caliente. En esta etapa, se retira la totalidad de las impurezas presentes en la pieza, debido al contacto con el baño electrolítico.

El lavado puede realizarse por inmersión de las piezas en un tanque de lavado con la solución, ya sea dentro de un tambor o por paso continuo de agua por medio de boquillas a un tanque con volumen constante con dispositivos de entrada y salida de solución. Para el desarrollo de esta etapa del proceso se utiliza principalmente una solución diluida de ácido clorhídrico y agua, generándose agua residual con ácido clorhídrico residual.

j) Secado. Las piezas metálicas deben secarse, lo más rápidamente posible después del galvanizado y del lavado final para evitar la aparición de manchas sobre los

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depósitos metálicos. El secado se puede realizar en mesas de secado, hornos de secado o por medio del rociado con aire caliente.

Para esta etapa del proceso se utiliza las mesas de madera para secado, aserrín como absorbente de la humedad de las piezas, aire a temperatura entre 85 y 90 °C que por medio de un rociado entra en contacto con el material arrastrando la humedad superficial. Como resultado de este proceso se generan principalmente vapores y desechos de aserrín.

k) Aceitado. El objetivo es colocar sobre la pieza una capa protectora contra la humedad del aire y que a la vez facilite su manejo. Para esto la lamina o pieza Se pasa por un aceitador electrostático que permite colocarle pequeñas cantidadesDe aceite a la superficie de forma homogénea. Una vez concluido se despacha el producto. Para el desarrollo de esta etapa se usa aceite, el cual brinda a laspiezas un brillo característico y las protege de la humedad del aire. Como residuo puede producirse una pérdida de este aceite por goteo.

l) Almacenamiento. Los productos galvanizados son almacenados en bodega previa a su despacho. Para el desarrollo de esta etapa, se necesita gas licuado de petróleo para el transporte de la carga hasta la bodega de los cuales se generan gases de combustión.

m) Servicios auxiliares necesarios para el proceso. Es necesario la implementación de los siguientes servicios auxiliares: Tratamiento de aguas residuales. Las aguas residuales del proceso de

galvanoplastia deben ser sometidas a un tratamiento previo a su descarga al exterior de la planta, para lo cual es necesaria la utilización de químicos para disminuir su carga contaminante. También se generan lodos que por su composición (contienen metales como níquel, cromo, zinc y otros metales pesados),

Mantenimiento mecánico e industrial. Se requiere durante todo el proceso de galvanoplastia realizar el mantenimiento de ión de limpieza. la maquinaria utilizada en cada una de sus etapas, por ende, se utilizan lámparas fluorescentes, piezas de repuesto, baterías de PB, waipes, aceites lubricantes, grasas que a su vez generaran waipes empapados de aceites y grasas, filtros de aceites, chatarra, aceites, baterías y fluorescentes usados.

PREPARADO Y VARIABLES FUNDAMENTALES

Preparación superficial

Cualquiera sea el tipo de recubrimiento que se seleccione, debe tenerse en cuenta que la acción de la física, la reacción o la difusión y reacción con el metal de base, serán dependientes de la limpieza que ofrezca la superficie del metal base para con el agente de

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recubrimiento, previo a la aplicación del recubrimiento, desengrase, decapado, ordenamiento metalúrgico (tratamiento térmico), piquelado (generación de rugosidad)

DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO

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1. Desengrase: la eliminación de la grasa permite un más fácil y rápido proceso de decapado, eliminando el ataque más profundo de material de base.

2. Decapado: por este proceso se eliminan los óxidos que pudieran recubrir al metal base. En el caso particular del hierro, además, las cascarillas de laminación (calamina).

3. Tratamiento térmico: la calidad metalográfica del metal a recubrir es de importancia decisiva para la magnitud de la corrosión. No solo debe estar exento de macro fallas, poros, grietas, inclusiones, etc. sino que debe también asegurarse la ausencia de micro fallas, entre las cuales debe incluirse aquellas provenientes de la perturbación de la estructura cristalina – provocada por ataque intergranular, trabajo mecánico, etc. ya que esos puntos activos presentan baja resistencia a los procesos de corrosión.

RECUBRIMIENTOS ELECTROLÍTICOS.

La deposición electrolítica de un metal desde un medio fluido (acuoso, no acuoso, fundido) es la cristalización del mismo sobre lugares activos del metal de base por acción de la corriente eléctrica. En general, por este medio se procura obtener recubrimientos de buena calidad con ahorro del metal de protección.

Un proceso de cristalización homogénea, de una adherencia, ausencia de poros, superficie lisa y buenas propiedades mecánicas será dependiente de la forma en que el metal se deposita.

Las variables fundamentales a considerar son: densidad de corriente, composición adecuada del baño, agitación, temperatura, distribución de ánodos, etc.

Densidad de corriente: Se procura trabajar a altas densidades de corriente, para lo cual se hace necesario la agitación del baño por medios mecánicos o por ultrasonido, elevación de la temperatura y regulación máxima de metal en el baño. El aumento de la densidad de corriente lleva a la generación de depósitos con pequeño tamaño de grano. Esta situación puede ocasionar crecimientos poco lisos, por lo que se recurre a inversiones de la polaridad de la corriente en forma periódica durante el proceso (acción de electro pulimentado).

Agitación del baño: El efecto de agitación favorece el empleo de mayores densidades de corriente. La forma de agitación del baño es de importancia, siendo inconveniente la agitación mecánica por gases y resultando muy apropiada la de reciclo del baño con filtración, particularmente en algunos tipos de baños.

Temperatura del baño: Siempre está limitada por razones técnicas (medio). una elevación de la temperatura favorece la velocidad del proceso (mayor densidad de corriente). Al mismo tiempo, una mayor temperatura provoca un mayor crecimiento de los cristales lo que provoca un recubrimiento más blando y que a veces tiene valor práctico.

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Composición del baño: Se procura que en el baño se tenga una concentración potencial muy alta del ión metálico que debe reducirse, por lo que se emplean sales de ácidos inorgánicos o sales complejas. Estas últimas favorecen la disminución de concentración activa del ión metálico, con lo que se aumenta la polarización. Con el fin de aumentar la conductividad y posibilitar la formación de sales dobles o complejas se agregan electrolitos soportes, generalmente del mismo anión que la sal metálica base del baño. La adición de despolarizadores anódicos facilita la disolución del ánodo eliminando la posibilidad de formación de compuestos que actúen como capa barrera frente a la tensión necesaria en la cuba.

Agentes humectantes y abrillantadores: Su función es modificar la tensión superficial de la disolución. Se los emplea normalmente a los efectos de lograr un mejor mojado del metal a recubrir o para que actúen sobre el acabado del recubrimiento con el objeto de evitar un proceso posterior de pulido.

En todo lo expresado no se ha considerado el efecto de generación catódica de hidrógeno. Este efecto reduce la eficiencia del proceso y puede provocar fragilización como consecuencia de la difusión del hidrógeno en el metal de base o en el depositado.

NIQUELADO

El níquel es, después del manganeso, el metal más usado en ferroaleaciones, pero también tiene otras numerosas aplicaciones, proporciona a las aleaciones dureza, tenacidad, ligereza, cualidades anticorrosivas, térmicas y eléctricas. Se emplea principalmente en aleaciones al níquel y otras, tales como: latones y bronces al níquel, y aleaciones con cobre.

El niquelado es un recubrimiento metálico de níquel, realizado mediante baño electrolítico, que se da a los metales, para aumentar su resistencia a la oxidación y a la corrosión y mejorar su aspecto en elementos ornamentales.

Hay dos tipos de niquelado:

Niquelado brillante. El niquelado mate se realiza para dar capas gruesas de níquel sobre hierro, cobre, latón y

otros metales.

También se le llama Niquelado al proceso mediante el cual se realiza una metalización de níquel a pistola.

Recubrimiento de níquel.

Los recubrimientos de níquel se preparan por lo general por deposición electrolítica o galvanostegia. El metal se deposita directamente sobre el acero o a veces sobre un recubrimiento intermedio de Cu. La capa intermedia de Cu se emplea facilitar el acondicionamiento de la superficie sobre la cual se deposita el Ni, ya que el Cu es mas

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blando que el acero, y también para reducir el espesor requerido de Ni (que es mas caro que el Cu) para obtener un recubrimiento de mínima porosidad.

En atmósfera industrial un recubrimiento de Ni demasiado delgado puede corroerse con mayor rapidez cuando está depositado sobre Cu que cuando esta sobre acero, probablemente debido a que los productos de la corrosión del Cu que salen por los poros del recubrimiento del Ni aceleran el ataque de éste. Este caso no se da necesariamente en otros tipos de atmósfera.

Para exposiciones interiores se considera adecuado para muchas aplicaciones un espesor de 0,008 a 0,0013 mm. Expuesto al aire libre se debe especificar un recubrimiento de 0,0013 a 0,014 mm. Para lugares próximos a la costa o a medios ambientes industriales, es conveniente emplear recubrimientos del espesor máximo de los indicados (o todavía más gruesos), por ejemplo en parachoques de automóviles; pero en atmósferas secas o no contaminadas son adecuados, en general, recubrimientos más delgados. En la industria química se utilizan por lo común recubrimientos de Ni dentro de la gama de 0,025 a 0,25 mm. de espesor.

El contenido de fósforo hace posible endurecer apreciablemente el recubrimiento mediante tratamiento térmico a baja temperatura, por ejemplo a 400 °C. Se ha establecido que la resistencia a la corrosión de la aleación Ni-P es comparable, en muchos medios agresivos, a la del Ni electrolítico.

REACCIONES EN EL CÁTODO:Ni ++ + 2e- Ni

Ni ++ + SO4= + OH - + H + 2H2 O + 2e- H + 2OH-

Por lo que se produce H2

REACCIONES EN EL ÁNODO: Ni Ni++ + 2e-

2OH- 2OH- 2 e- + 1/2 O2 + H2 O

Por lo que se produce O2

En la industria, es muy común utilizar revestimientos múltiples. En el caso de revestimientos de cobre-níquel-cromo, sobre materiales ferrosos, se usan espesores determinados para cada uno de los elementos; en el caso del cobre, desde 10 mm hasta

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20 mm, para el níquel de 5 mm a 20 mm, mientras que el cromo siempre se mantiene en0.3mm. Este electrodepósito se usa mucho en la industria metalmecánica, ya que ofrece un acabado altamente resistente a la corrosión y muy estético. Para el caso del zamak (aleación de cinc) el cobre puede ser sustituido por latón ó bronce.Cuando se aplica un electrodepósito níquel-cromo, regularmente sobre cobre y sus aleaciones, el espesor del depósito de níquel varía de 4 mm a 16 mm y el cromo se deposita de 0.3 mm. CONSTITUYENTES DE LA SOLUCIÓN

Los elementos que componen a una solución, son llamados aditivos. Para un proceso de níquel brillante de acuerdo a los expertos en el campo, son los siguientes:

Sulfato de níquel: constituye la principal fuente de iones de níquel, además de controlar los límites admisibles de densidad de corriente.

Cloruro de níquel: suministra los iones cloruro necesarios para asegurar la corrosión de los ánodos de níquel. También es una fuente secundaria de iones níquel. Las concentraciones altas de iones de cloruro de níquel extienden el rango de operación de densidad de corriente e incrementa la conductividad del baño.

Ácido Bórico: actúa como un agente protector para mantener el pH en la solución, también sirve para conservar el brillo, la ductilidad y la adhesión del depósito de níquel, por lo que su contenido nunca debe ser menor a 45 g / l.

Abrillantador “ Turbobrite R2000 initial”: Se emplea en la preparación de nuevas soluciones y en la conversión de algunas soluciones de níquel brillante. Es normalmente mantenido en su nivel óptimo por análisis.

Abrillantador “Turbobrite R2000 maintenance”: Se utiliza para mantener brillo y nivelación. Es consumido por arrastre y electrólisis. Se pueden hacer amplios rangos de adición sin pérdida de ductilidad u otras propiedades del depósito. Los rangos de adición varían para diferentes instalaciones, sin embargo se puede considerar un rango de (150 - 3250)ml 1000A× h

“Antipit Nisol wetter”: es un humectante para soluciones agitadas con aire. Su función es reducir la tensión superficial del baño y temporalmente llega a vencer la contaminación orgánica. Produce una espuma inestable en el baño. Adiciones continuas de este humectante indican que la solución esta contaminada y debe hacerse un tratamiento de purificación con carbón activado. En baños agitados por aire, la operación normal no requiere el uso continuo de un humectante. Las soluciones agitadas por aire normalmente mantienen una tensión superficial alrededor de 38 dinas / cm2 .

“Antipit BS 660”: es un humectante tipo espumante, es usado para prevenir el piquete del gas en baños con agitación mecánica ó sin agitación. Si se requiere más de las cantidades normales de este aditivo, el baño probablemente está

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contaminado y deberá ser tratado con carbón activado. Este aditivo mantiene la tensión superficial alrededor de 38 dinas / cm2 .

pH: la mejor nivelación del depósito de níquel es obteniendo un pH de 4.2 y, debe checarse, al menos, cada 8 aplicaciones. El pH puede ser bajado por adición de ácido sulfúrico químicamente puro diluido al 10%. Si es necesario incrementar el contenido de cloruro puede ser bajado el pH por adición de ácido clorhídrico químicamente puro diluido. El pH puede ser subido por adición de lechadas de carbonato de níquel.

RECUBRIMIENTO DE CINC.

Zincado electrolítico y pasivación

Este tipo de proceso es uno de los más difundidos entre las empresas de tratamiento de superficies y, posiblemente, se convierta en uno de los recubrimientos más empleados para la protección del hierro, dadas sus características anticorrosivas y decorativas.

Existen en la actualidad tres formas básicas de depositar el zinc por vía electrolítica:

zinc ácido, zinc alcalino, zinc cianurado

El proceso de zinc ácido no es, hoy en día, el proceso de cincado más utilizado. Este metal es químicamente activo y se ve atacado por los ácidos diluidos, aunque lo hace lentamente cuando el ácido está concentrado. En algunos casos estos provoca una dificultad a la hora de controlar los parámetros del baño de proceso. La solución ácida está formada principalmente por sulfato o cloruro de zinc, cloruro sódico o potasio, ácidos bórico, como principales. Esconces, las formulaciones ácidas son de esta forma:

cloruro de zinc 62-85 g/l cloruro potasio 186-255 g/l ácido bórico 30-38 g/l humectantes 60-90 g/l abrillantadores 0,5-1 g/l

Las condiciones de trabajo en esta formulación son las siguientes: Temperatura 21-35 °C

Densidad de corriente 1-4 A/dm2

Tensión 1-18 V pH 4,8-5,4 Más utilizada que la anterior es la solución de zinc alcalina. En este caso, el zinc

reacciona con los alcalinos dando zincados solubles, según la reacción siguiente, en la que también se libera hidrógeno:

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Zn + 2(OH)– --> (ZnO2)2– + H2

En este caso, la formulación básica más común es la siguiente:

Óxido de zinc 9,5 g/l Hidróxido sódico 90-120 g/l Abrillantadores 10-50 ml/l

Las condiciones de trabajo en este caso son: Temperatura 20-30 ºC Densidad de corriente catódica 2-4 A/dm2 Voltaje 2-15 V

El ultimo tipo de cincado, cada vez menos utilizados que el cincado ácido y alcalino, es el de zincado cianurado, en forma alcalina, que se basa en la reacción siguiente:

Zn (CN)2 + 2 NaCN --> Na2Zn(CN)4

Las formulaciones básicas dependen fundamentalmente de la concentración de cianuro sódico variando de la siguiente manera:

En cuanto a las condiciones de trabajo, las más utilizadas son las siguientes:

Temperatura 20-30 °C Densidad de corriente catódica 2-6 A/dm2

Voltaje 2-15 VUna vez se ha realizado el proceso de zincado de las piezas, para incrementar su resistencia a la corrosión, se les somete a un proceso de pasivación crómica o cromatizado. Esta pasivación puede ser de cuatro tipos:

pasivación azul (resistencia a la corrosión baja), pasivación verde (alta resistencia a la corrosión), pasivación amarillo (resistencia a la corrosión similar a la anterior), pasivación negra (resistencia de tipo medio).

Hasta ahora se continúa utilizando el cromo hexavalente en las formulaciones para la pasivación.

Las reacciones que se dan son las siguientes:

CÁTODO (REDUCCIÓN): Zn (+2) > Zn (0)(sólido) 2H (+1) > H2 (0)(gas)ÁNODO (OXIDACIÓN): Zn (0) > Zn (+2) 2O (-2) > O2 (0)(gas)Subcapas y acabados

El sector de tratamientos de superficie lleva a cabo un gran número de acabados anticorrosivos y decorativos. En buena parte de ellos, previo al acabado final, donde

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encuentra una subcapa de níquel que favorece la resistencia a la corrosión y la posterior electrodeposición del metal que ofrecerá el acabado la resistencia a la corrosión y la posterior electrodeposición del metal. Por tanto, como vemos, el niquelaje electrolítico se utiliza en numerosos casos como una base para recubrir con los otros metales, como son: el cromo, el oro, la plata o el latón, entre otros.

Este tipo de proceso es el que se denomina general.

El proceso de niquelaje se utiliza normalmente como una subcapa para tratar hierro, aluminio, latón, cobre, zinc y sus aleaciones.

En algunos casos particulares, las piezas son acabadas con un recubrimiento de níquel químico de características específicas (dureza, lubricación, etc…).

Dado que las reacciones que se producen en el niquelaje químico son catalíticas, es decir, las inicia el mismo material a recubrir, es muy importante en este tipo de recubrimiento conseguir una buena adherencia y por tanto, limpiar a fondo las piezas a tratar.

Los recubrimientos de Zn obtenidos por inmersión en caliente o por electrolisis, se denominan galvanizados. Los obtenidos por electrolisis son más dúctiles que los conseguidos por inmersión en caliente, formando estos últimos en la cara interna del recubrimiento (capa de aleación), compuestos intermetálicos, frágiles, de Zn y Fe.

Los recubrimientos de Zn son de resistencia relativa a las atmósferas rurales, y también a las marinas, siempre que el agua de mar no tenga contacto directo por salpicaduras, etc. con la superficie galvanizada..

En medios acuosos a temperatura ambiente la corrosión total, según ensayos de corta duración, es mas baja dentro de la zona de pH de 7 a 12. En medios ácidos o muy alcalinos, el ataque principal tiene lugar por desprendimiento de H2. Por encima de pH 12,5 el Zn reacciona con rapidez formando zincatos solubles.

En agua de mar, los recubrimientos de Zn tienen resistencia efectiva en la protección del acero contra la herrumbre, siendo cada 0,025 mm. de Zn igual a un año de vida. Así un recubrimiento de 0,13 mm. protegerá el acero contra la aparición de óxidos durante 5 años.

Al parecer la presencia de HCO3- Y NO3

- , con la ayuda de temperaturas elevadas, estimula la formación de ZnO, mientras que el Cl- y SO4

= favorecen la formación de productos de reacción hidratados.

En agua o ClNa diluido, a temperatura ambiente, la salida de la corriente de Zn como ánodo disminuye gradualmente debido a los productos de corrosión aislante que se forman en su superficie. Esta tendencia es menos acusada con Zn de altas purezas, sobre el cual hay menos tendencia a formarse recubrimientos aislantes.

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RECUBRIMIENTOS POR INMERSIÓN EN METAL FUNDIDO

1- Método discontinuo (galvanizado).

Generalmente, después del decapado, se lavan las piezas en agua y se las sumerge en un baño de flujo con el objeto de evitar la re oxidación del metal antes de su ingreso al baño de fundido.

Casi todos los aceros pueden ser sometidos al proceso de galvanización. Aleantes comunes en los aceros, tales como silicio, carbono, manganeso, fósforo y azufre, producen inconvenientes. El que ocasiona un efecto más pernicioso es el silicio, seguido por el carbono y el manganeso.

Calidad del cinc: Se emplea normalmente cinc de pureza 98,5 %. Aunque la pureza del cinc no es especial, determinadas impurezas influyen en el espesor y estructura de los recubrimientos formados. Tales elementos son: el hierro, cuyo contenido no debe exceder el 0,05% en el lingote porque origina matas de aleación hierro-cinc que impurifican el baño; el plomo, cuya concentración debe ser generalmente menor al 1 % y el aluminio, con un máximo de 0,005 %.

Temperatura del baño: Generalmente se regula entre 445 °C y 460 °C , la temperatura a la cual se puede realizar fácilmente el escurrido del cinc y la velocidad de formación de matas de aleación con el metal de la cuba es aún controlable. A temperaturas superiores a 480 °C las capas de aleación son altamente cristalinas y se cuartean en forma no adherente, disminuyendo su período de vida útil en la cuba.

Tiempo de inmersión: El crecimiento de la capa de aleación sigue normalmente una ley del tipo P = q (t). (q: peso del recubrimiento por unidad de superficie, t: tiempo de inmersión), o sea que el crecimiento es rápido al principio y luego disminuye hasta hacerse inapreciable. El espesor del material y la temperatura con la que ingresa al baño influyen en el tiempo de permanencia en cuba, ya que hasta que no se alcanzan los 440 °C la velocidad de crecimiento de capa es muy lenta.

Velocidad de extracción: La velocidad de extracción es la que determina la capa de cinc sin alear. Varía según el procedimiento empleado,

2- Método continuo

Para ingresar directamente al baño del metal fundido (cinc o aluminio), se emplea actualmente en nuestro país el procedimiento de decapado en atmósfera reductora. Lo expresado para el baño en método discontinuo es válido en el presente método de obtención de acero galvanizado.

CROMADO

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En la práctica corriente de los acabados metálicos, el cromo se aplica generalmente en forma de depósito sumamente delgado (aproximadamente de 0,000025 a 0,00005 cm. de espesor) para comunicar resistencia al deslustre a un depósito electrolítico subyacente (generalmente de níquel), que sirve de principal protección al metal de base al que se aplica.

Prácticamente, todo el cromado actual se efectúa, mediante una solución de ácido crómico que contiene una pequeña pero bien determinada proporción de sulfato, ácido sulfúrico generalmente, al que se añade a veces cierta cantidad de sulfato sódico. Las concentraciones absolutas de ácido crómico y sulfato en el baño, son de importancia secundaria con relación al factor principal, que es la relación de ácido crómico a sulfato. Esta relación es mejor mantenerla alrededor de 100:1, y dentro de los límites de 200:1 y 50:1, relaciones de concentraciones límites entre las cuales se efectúa el depósito.

LA SOLUCIÓN ELECTROLÍTICA: El ácido crómico es un ácido fuerte y se suministra para dedicarlo al cromado, en forma de escamas rojo oscuras; debe estar absolutamente libre de un exceso de ácido sulfúrico o sulfato a causa del peligroso efecto de la concentración de estos catalizadores ácidos sobre la manera de trabajar de la solución.

REACCIONES ANÓDICAS Y CATÓDICAS: En el curso de la electrólisis, parte del contenido de cromo hexavalente de la solución es reducido en el cátodo a la forma trivalente; aunque en el ánodo tiene lugar cierto grado de oxidación, éste no es de ningún modo completo, por lo que durante el funcionamiento normal se acumulan en la solución compuestos de cromo trivalente, esto es, sulfato de cromo, Cr2 (S04)3, y dicromato crómico, Cr2 (Cr2O7)3. Aunque parte se pierde por "arrastre", no debe permitirse que su concentración llegue a ser excesiva, puesto que los compuestos de cromo trivalente tienen el efecto de estrechar los límites de las condiciones de trabajo de la solución de cromado brillante y de disminuir su conductibilidad. Por otra parte, una moderada concentración de cromo trivalente parece incrementar algo el poder de penetración de la solución.

CrO3 + 6 H+ + 6 e– → Cr + 3 H2OCr3+(aq) + 3e– Cr(s) Eo = –0.740 V

Si fuese necesario reducir el contenido en sulfato, esto se efectúa mejor por adición de hidróxido bárico, Ba (OH)2. 8 H20.

TEMPERATURA: Debido a la extrema dureza de los depósitos de cromo y de la natural dificultad de pulirlos, es mejor, si es posible, producir los recubrimientos brillantes directamente a partir de la solución. En general los límites de las condiciones del recubrimiento brillante son función de la temperatura y de la densidad de corriente; se necesitan temperaturas más altas cuanto mayores son las densidades de corriente.

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Los depósitos brillantes no pueden obtenerse fácilmente a temperaturas por debajo de unos 27 °C para densidades de corriente menores de 4,3 amperios por dm2.

RENDIMIENTO Y DENSIDAD DE CORRIENTE: La eficacia catódica o rendimiento de una solución de cromado, aun bajo las mejores condiciones, es muy baja. Es más alta cuando el baño trabaja en frío, y pueden obtenerse entonces rendimientos del 35 al 40 %. No obstante, los depósitos obtenidos en estas condiciones son de aspecto garrapiñado y duros. Dentro de los límites del recubrimiento brillante, esto es, a temperaturas de unos 38 a 43° C, el rendimiento es mucho más bajo y no excede usualmente del 10 al 15 %.

En la práctica, se utilizan más comúnmente densidades de corriente de 11 a 21 amperios por dm2; los voltajes que se necesitan usualmente son de 5 a 8 voltios con las soluciones de baja densidad, ó 4 a 6 voltios con las soluciones más conductoras de mayor densidad.

PODER DE PENETRACIÓN: El poder de penetración de las soluciones de cromado es muy bajo, y en algunos casos pueden ser necesarios ánodos auxiliares en forma de tiras de plomo o alambres para facilitar el recubrimiento de las superficies recónditas. A causa del bajo rendimiento catódico de la solución, se desprenden grandes cantidades de gas, y si los objetos que se tratan contienen agujeros, la corriente de burbujas de gas liberado puede impedir en gran manera la formación del depósito sobre la superficie próxima a ellas. Por esta razón, es mejor tapar estos agujeros durante el cromado.

Además, desgraciadamente, el poder de penetración es reducido por las elevadas temperaturas necesarias para el recubrimiento brillante; las soluciones frías que dan depósitos mates tienen mejor poder de penetración. Para una temperatura determinada, se consigue un aumento del poder de penetración elevando la densidad de corriente, y por esto es conveniente trabajar a las mayores densidades de corriente posibles dentro de los límites de cromado brillante si se trata de obtener una mejor "penetración". Se ha comprobado también que las soluciones de baja densidad tienen mejor poder de penetración que las de mayor densidad, y que una elevada proporción de sulfato tiende a aumentar el poder de penetración.

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APLICACIONES DELCROMADO

•Muchas herramientas están fabricadas con aleaciones de hierro cromo y vanadio.•El nicrom o cromoniquel se emplea para fabricar resistencias eléctricas.•Es usado en la industria para proteger metales de la corrosión y mejorar su aspecto.•El cromo es un metal muy difícil de trabajar en frío porque es muy duro y quebradizo,•No se suele emplearse como metal puro salvo en ocasiones muy raras•Forma parte de muchas aleaciones.•Es aleado con el hierro porque mejora su dureza y resistencia a la corrosión.•El acero inoxidable contiene entre un 8 y un 12 % de cromo, y es el principal responsable de que sea inoxidable.•Se emplea para restaurar piezas metálicas o conseguir superficies muy duraderas

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•El cromo brillante o decorativo son finas capas de cromo que se depositan sobre cobre o níquel para mejorar el aspecto de algunos objetos.•El famoso niquelado de paragolpes y otros embellecedores de coche suele consistir en una capa de níquel terminada con un " Flash" de cromo de algunas micras de espesor.

COBRIZADO

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PROCESO DE COBREADO

TAREA

Contaminación por emisiones gaseosas y efluentes líquidos en la industria de la galvanostegia y galvanoplastia.