Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería Química

DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE UN EQUIPO DE ELECTRODEPOSICIÓN DE CROMO PARA EL LABORATORIO DE

INGENIERÍA QUÍMICA

Proyecto de graduación sometido a la consideración de la Escuela de Ingeniería Química

como requisito final para optar al grado de Licenciatura en Ingeniería Química

NELSON ARTAVIA VEGA

Ciudad Universitaria Rodrigo Facio San José, Costa Rica

2008

Proyecto de Graduación presentado a la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Costa Rica como requisito final para optar al grado de Licenciado en Ingeniería Química

Sustentante: Nelson Artavia Vega

~rdfesor Asociado Escuela de Ingeniería Química, U.C.R.

Profesor sod dado Escuela de Ingeniería Química, U.C.R.

,-----,

//

Ing. Eanio Hernández Carballo. Profesor Interino Escuela de Ingeniería Química, U.C.R.

Profesor Interino Escuela de Ingeniería Química, U.C.R.

Director del proyecto

Asesor del proyecto

Asesor del proyecto

Asesor invitado

Presidente del tribunal

Ciudad Universitaria Rodrigo Facio, Octubre 2008

ii

EPÍGRAFE

Quiero pensar en lo que fui y olvidar cadenas y lazos; recordar tiempos idos y del bosque cuanto vi. Venderme no quiero al hombre por un montón de cañas, sino huir hacia los míos y entre los míos perderme. Quiero vagar en el alba, sentir el viento que corre y recibir el beso de las aguas; olvidar quiero mis cadenas pesadas y mi dolor todo; revivir mis viejos amores, y ver a mis camaradas. Rudyard Kipling

iii

DEDICATORIA

A mi sobrina y ahijada “Marifer”, con todo mi amor.

iv

AGRADECIMIENTOS

A mi madre y padre por todo su apoyo y sacrificio.

Al Ing. Álvaro Flores, por su guía e importantes aportes durante la realización de

este proyecto.

Al Sr. Rigoberto Vega dueño del taller Ribesa, por su donación de plomo.

Al Ing. Sebastián Estrada, el Ing. Francisco Jiménez, el Ing. Ricardo Calvo, y la

Srta. Emilia Agüero de Incesa Standard, por su ayuda para la obtención de materiales para

la etapa de niquelado.

A la Sra. Zoraida Salas y el Sr. Rónald Bolívar de Envases Comeca S. A. por su

donación de láminas de latón.

Al Ing. Guillermo Chacón dueño de Cromo Tico, por su ayuda durante las visitas

realizadas a su empresa.

A todas las demás personas que de una u otra forma colaboraron para la finalización

satisfactoria de este proyecto.

v

RESUMEN

El objetivo general de este proyecto es diseñar, construir y poner en marcha un

equipo de electrodeposición de cromo para el Laboratorio de Ingeniería Química, así como

desarrollar una práctica de laboratorio acerca de este proceso como complemento al curso

Ingeniería de los Materiales.

El trabajo abarca una recopilación teórica sobre los fundamentos de la

electrodeposición y los baños de sulfato de cobre, de Watts (de níquel) y de cromo así

como los métodos de control. En el trabajo se detallan los aspectos más importantes del

diseño, construcción y puesta en marcha del equipo y se finaliza con el diseño de la guía de

práctica de laboratorio.

La metodología consiste en reproducir el proceso completo de cromado tal y como

se desarrolla industrialmente, utilizando un equipo de laboratorio y placas de latón de

aproximadamente 5 cm x 4 cm x 0,02 cm. Como etapa inicial, se definen todas las

características del equipo, las disoluciones a utilizar y los baños electrolíticos. Luego se

construye el equipo diseñado y se procede a la puesta en marcha y preparación de una guía

de práctica de laboratorio.

El principal resultado de este proyecto es la obtención de un pequeño equipo de

laboratorio con el que es posible realizar el proceso de cobreado-niquelado-cromado sobre

placas metálicas.

Operando el equipo de electrodeposición bajo las condiciones, el tiempo y las

formulaciones establecidas es posible obtener un espesor de cobre de 1,75 µm, un espesor

de níquel de 0,96 µm y un espesor de cromo de 0,70 µm, todos ellos con un acabado semi-

brillante.

Se recomienda utilizar el equipo construido para la investigación de formulaciones

de aditivos y abrillantadores para los baños de cobre y níquel.

vi

ÍNDICE GENERAL

Página TRIBUNAL EXAMINADOR i EPÍGRAFE ii DEDICATORIA iii AGRADECIMIENTO iv RESUMEN v ÍNDICE GENERAL vi ÍNDICE DE CUADROS xi ÍNDICE DE FIGURAS xiii CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1 CAPÍTULO 2. ELECTRODEPOSICIÓN 3 2.1. Principios 3 2.1.1. Ley de Faraday 4 2.2. Componentes de la electrodeposición 4 2.2.1. El electrolito 4 2.2.2. El ánodo 6 2.2.3. El cátodo 6 2.2.4. El potencial de equilibrio 7 2.2.5. El potencial de deposición 8 2.3. Aplicaciones de la electrodeposición 8 CAPÍTULO 3. CARACTERÍSTICAS GENERALES 9 3.1. Composición de los baños de electrodeposición 9 3.1.1. Tipos de baños 9 3.1.2. Agentes de adición 9 3.2. El mecanismo de electrodeposición 10 3.3. Distribución de corriente y de depósito metálico 10 3.4. Propiedades de los electrodepósitos 11 3.4.1. Espesor 11 3.4.2. Adhesión 12 3.4.3. Valor de protección 12 3.4.4. Medición de propiedades físicas de electrodepósitos 12 3.5. Estructura de los electrodepósitos 13 3.5.1. Naturaleza de los depósitos 13 3.5.2. Factores que afectan los depósitos 14 3.5.3. Depósitos brillantes 14 CAPÍTULO 4. MÉTODOS DE CONTROL 15 4.1. Control del electrolito 15 4.1.1. Medición de pH 15

vii

4.1.2. Medición de tensión superficial 15 4.1.3. Medición de otras propiedades importantes 16 4.2. Control del depósito 16 4.2.1. Propiedades físicas 16 4.2.2. Celda de Hull 17 4.2.3. Otras pruebas de control 18 CAPÍTULO 5. LOS BAÑOS DE ELECTRODEPOSICIÓN 19 5.1. El baño de cobre 19 5.1.1. Baño de sulfato de cobre 19 5.1.1.1. Funciones de los constituyentes del baño 20 5.1.1.2. Condiciones de operación 20 5.1.1.3. Propiedades físicas del depósito 21 5.1.1.4. Mantenimiento y control 21 5.1.1.5. Ánodos 22 5.1.1.6. Equipo 22 5.1.1.7. Contaminantes 22 5.1.1.8. Preparación del metal base 22 5.1.3. Normalización 23 5.2. El baño de níquel 23 5.2.1. Funciones de los constituyentes del baño 24 5.2.2. Condiciones de operación 24 5.2.3. Baños de níquel brillante 25 5.2.4. Niquelado semi-brillante 26 5.2.5. Mantenimiento y control 26 5.2.6. Ánodos 27 5.2.7. Equipo 27 5.2.8. Normalización 27 5.3. El baño de cromo 27 5.3.1. Funciones de los constituyentes del baño 28 5.3.2. Condiciones de operación 29 5.3.3. Propiedades del depósito 29 5.3.4. Mantenimiento y control 30 5.3.5. Ánodos 30 5.3.6. Equipo 30 5.3.7. Contaminantes 31 5.3.8. Otros baños 31 5.3.9. Normalización 32 CAPÍTULO 6. EQUIPO PARA LA ELECTRODEPOSICIÓN 33 6.1. Rectificadores 33 6.1.1. Circuito de alimentación a los recipientes por medio de

rectificadores

35 6.1.2. Unión rectificador-recipientes 35 6.2. Tanques 36

viii

6.3. Celdas electrolíticas 37 6.4. Sistema de agitación 37 6.5. Calentador 38 6.6. Fuente de poder 38 6.7. Termómetro 39 6.8. Voltímetro 39 6.9. Amperímetro 39 6.10. Balanza semi-analítica 39 6.11. Vernier 39 6.12. Micrómetro 40 6.13. Cronómetro 40 6.14. Conexiones eléctricas 40 6.15. Circuito eléctrico 40 6.16. Área de trabajo 41 6.17. Mantenimiento 41 CAPÍTULO 7. PROCESO Y CONTROL 43 7.1. Metodología 43 7.2. Secuencia del proceso 43 7.3. Pruebas con celda de Hull 43 7.3.1. Prueba de cobreado 44 7.3.2. Prueba de niquelado 45 7.3.3. Prueba de cromado 45 CAPÍTULO 8. PREPARACIÓN DEL METAL BASE 47 8.1. Metodología 47 8.2. Secuencia del proceso 47 8.2.1. Limpieza abrasiva 48 8.2.2. Limpieza alcalina 48 8.2.3. Enjuague 49 8.2.4. Inmersión ácida 49 8.2.5. Enjuague 50 CAPÍTULO 9. COBREADO 51 9.1. Metodología 51 9.2. Formulación del baño 51 9.3. Equipo 52 9.4. Preparación del baño 53 9.5. Ánodos 54 9.6. Operación del baño 54 9.7. Mantenimiento y control del baño 56 9.8. Espesor del electrodepósito 57 9.9. Rendimiento del baño 59 9.10. Normalización 61

ix

CAPÍTULO 10. NIQUELADO 62 10.1. Metodología 62 10.2. Formulación del baño 62 10.3. Equipo 63 10.4. Preparación del baño 64 10.5. Ánodos 64 10.6. Preparación del metal base 65 10.6.1. Inmersión en baño de peróxido de hidrógeno (H2O2) 65 10.6.2. Enjuague 66 10.7. Operación del baño 66 10.8. Mantenimiento y control del baño 69 10.9. Espesor del electrodepósito 69 10.10. Rendimiento del baño 71 10.11. Normalización 72 CAPÍTULO 11. CROMADO 74 11.1. Metodología 74 11.2. Formulación del baño 74 11.3. Equipo 75 11.4. Preparación del baño 75 11.5. Ánodos 76 11.6. Preparación del metal base 77 11.6.1. Enjuague 77 11.6.2. Prebaño de cromo 77 11.7. Operación del baño 78 11.8. Mantenimiento y control del baño 80 11.9. Espesor del electrodepósito 80 11.10. Rendimiento del baño 82 11.11. Normalización 83 CAPÍTULO 12. DISEÑO DE LA GUÍA DE PRÁCTICA DE LABORATORIO 85 12.1. Metodología 86 12.2. Procedimiento experimental 87 12.2.1. Preparación de los baños de limpieza y prebaños 87 12.2.2. Preparación de los aditivos 87 12.2.3. Preparación de la solución electrolítica de cobre 88 12.2.4. Preparación de la solución electrolítica de níquel 88 12.2.5. Preparación de la solución electrolítica de cromo 88 12.2.6. Preparación de los ánodos 88 12.2.7. Preparación del equipo 89 12.2.8. Preparación de los cátodos 89 12.2.9. Cobreado 90 12.2.10. Niquelado 90 12.2.11. Cromado 91 12.3. Cálculos 92

x

12.3.1. Espesor del electrodepósito 92 12.3.2. Masa del electrodepósito 92 12.3.3. Eficiencia catódica del baño 93 CAPÍTULO 13. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 94 CAPÍTULO 14. BIBLIOGRAFÍA 96 CAPÍTULO 15. NOMENCLATURA 99 APÉNDICE A. DATOS EXPERIMENTALES 101 APÉNDICE B. RESULTADOS INTERMEDIOS 106 APÉNDICE C. MUESTRA DE CÁLCULO 109 APÉNDICE D. FORMULACIONES TÍPICAS DE BAÑOS DE

ELECTRODEPORICIÓN SEGÚN VARIOS AUTORES

115 APÉNDICE E. ANÁLISIS QUÍMICO 122 APÉNDICE F. PLANOS CONSTRUCTIVOS DEL EQUIPO DE

ELECTRODEPOSICIÓN

130 APÉNDICE G. SOLUCIÓN A PROBLEMAS MÁS FRECUENTES

ENCONTRADOS EN ELECTRODEPOSICIÓN

136 ANEXO A. ESPECIFICACIÓN ESTÁNDAR PARA CAPAS

ELECTRODEPOSITADAS DE COBRE MÁS NÍQUEL MÁS CROMO Y NÍQUEL MÁS CROMO (ASTM B456)

142 ANEXO B. REGLA DE HULL 154 ANEXO C. ALGUNAS PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS METALES 156

xi

ÍNDICE DE CUADROS

Página Cuadro 2.1. Equivalentes electroquímicos 5 Cuadro 2.2. Serie de potenciales electroquímicos normales 7 Cuadro 6.1. Descripción de aparatos e instrumental usado 33 Cuadro 6.2. Dimensiones de los tanques 37 Cuadro 7.1. Características de los reactivos usados 44 Cuadro 8.1. Formulaciones para inmersión ácida según el material del metal base 50 Cuadro 9.1. Formulación elegida para el baño de sulfato de cobre 52 Cuadro 9.2. Condiciones de operación elegidas para el baño de sulfato de cobre 55 Cuadro 9.3. Espesores de cobre electrodepositado en varias placas, calculados

mediante distintos métodos

57 Cuadro 9.4. Eficiencias del baño de cobre para varias placas, calculados mediante

distintos métodos

60 Cuadro 10.1. Formulación elegida para el baño de níquel 63 Cuadro 10.2. Condiciones de operación elegidas para el baño de níquel 67 Cuadro 10.3. Espesores de níquel electrodepositado en varias placas, calculados

mediante distintos métodos

70 Cuadro 10.4. Eficiencias del baño de níquel para varias placas, calculados mediante

distintos métodos

72 Cuadro 11.1. Formulación elegida para el baño de cromo 75 Cuadro 11.2. Condiciones de operación elegidas para el baño de cromo 78 Cuadro 11.3. Espesores de cromo electrodepositado en varias placas, calculados

mediante distintos métodos

81 Cuadro 11.4. Eficiencias del baño de cromo para varias placas, calculados mediante

distintos métodos

83 Cuadro A.1. Masa de las placas durante la etapa de cobreado para diferentes

corridas

102 Cuadro A.2. Masa de las placas durante la etapa de niquelado para diferentes

corridas

102 Cuadro A.3. Masa de las placas durante la etapa de cromado para diferentes

corridas

102 Cuadro A.4. Espesor de las placas (medido con micrómetro) durante la etapa de

cobreado para diferentes corridas

103 Cuadro A.5. Espesor de las placas (medido con micrómetro) durante la etapa de

niquelado para diferentes corridas

103 Cuadro A.6. Espesor de las placas (medido con micrómetro) durante la etapa de

cromado para diferentes corridas

104 Cuadro A.7. Dimensiones iniciales de las placas 104 Cuadro A.8. Corriente aplicada en las etapas de electrodeposición para diferentes

corridas

104 Cuadro A.9. Tiempo de electrodeposición para diferentes corridas 105 Cuadro B.1. Masa del electrodepósito de cobre para diferentes corridas 107

xii

Cuadro B.2. Masa del electrodepósito de níquel para diferentes corridas 107 Cuadro B.3. Masa del electrodepósito de cromo para diferentes corridas 107 Cuadro B.4. Área total de las placas 108 Cuadro D.1. Formulaciones típicas para baños de electrodeposición de cobre ácido

al sulfato mate según varios autores

116 Cuadro D.2. Formulaciones típicas para baños de electrodeposición de cobre ácido

al sulfato brillante según varios autores

117 Cuadro D.3. Formulaciones típicas para baños Watts de electrodeposición de

níquel mate según varios autores

118 Cuadro D.4. Formulaciones típicas para baños Watts de electrodeposición de

níquel brillante, según varios autores

119 Cuadro D.5. Formulaciones típicas para baños de electrodeposición de cromo duro

según varios autores

120 Cuadro D.6. Formulaciones típicas para baños de electrodeposición de cromo

decorativo según varios autores

121

xiii

ÍNDICE DE FIGURAS

Página Figura 4.1. Celda de Hull estándar (dimensiones en mm). 18 Figura 6.1. Equipo de electrodeposición construido. 34 Figura 6.2. Celda electrolítica. 38 Figura 6.3. Circuito eléctrico. 41 Figura 7.1. Prueba con celda de Hull para la etapa de cobreado. 44 Figura 7.2. Prueba con celda de Hull para la etapa de niquelado. 45 Figura 7.3. Prueba con celda de Hull para la etapa de comado. 46 Figura 9.1. Ánodos de cobre utilizados en la etapa de cobreado. 54 Figura 9.2. Proceso de electrodeposición de cobre en operación. 56 Figura 9.3. Espesores de cobre electrodepositado en varias placas,

calculados mediante distintos métodos.

58 Figura 9.4. Cátodo durante la etapa de cobreado. 59 Figura 9.5. Eficiencias del baño de cobre para varias placas, calculados

mediante distintos métodos.

60 Figura 10.1. Ánodos de níquel utilizados en la etapa de niquelado. 65 Figura 10.2. Proceso de electrodeposición de níquel en operación. 68 Figura 10.3. Espesores de níquel electrodepositado en varias placas,

calculados mediante distintos métodos.

70 Figura 10.4. Cátodo durante la etapa de niquelado. 71 Figura 10.5. Eficiencias del baño de níquel para varias placas, calculados

mediante distintos métodos.

72 Figura 11.1. Ánodos de plomo utilizados en la etapa de cromado. 76 Figura 11.2. Proceso de electrodeposición de cromo en operación. 79 Figura 11.3. Espesores de cromo electrodepositado en varias placas,

calculados mediante distintos métodos.

81 Figura 11.4. Cátodo durante la etapa de cromado. 82 Figura 11.5. Eficiencias del baño de cromo para varias placas, calculados

mediante distintos métodos.

83

1

CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN

La imaginación es más importante que el conocimiento.

Albert Einstein

El proceso de electrodeposición es una de las técnicas más utilizadas en el

recubrimiento de metales, ha sido objeto de estudio durante más de cien años y se han

obtenido grandes avances que acrecientan su importancia, sin embargo en los cursos de la

carrera de Licenciatura en Ingeniería Química impartida por la Escuela de Ingeniería

Química de la Universidad de Costa Rica se menciona muy poco sobre el tema o sus

importantes implicaciones industriales. Se debe recalcar que a nivel nacional existen varias

industrias y talleres donde se hace uso de este método, siendo fuente de empleo para el

ingeniero químico.

El objetivo principal de este proyecto es diseñar, construir y poner en marcha un

equipo de electrodeposición de cromo para el Laboratorio de Ingeniería Química de la

Universidad de Costa Rica. De esta forma, se pretende su utilización por parte del

estudiantado con el fin de que el proceso de electrodeposición se convierta en objeto de

estudio y de investigación.

Para la realización de este proyecto se recolectó material bibliográfico referente al

tema de distintas fuentes como libros de texto, revistas especializadas, normas

internacionales y patentes estadounidenses, además de algunas visitas hechas a industrias

especializadas y aportes de profesionales experimentados en el tema.

En los capítulos 2 a 5 se presenta un resumen de los principales aspectos teóricos de

la electrodeposición, los métodos de control y una breve explicación de los baños de cobre,

níquel y cromo.

En los capítulos 6 a 11 se presentan los principales aspectos del diseño y

construcción del equipo de electrodeposición y se explica detalladamente el proceso

completo.

Finalmente, el capítulo 12 muestra el diseño de una guía de práctica de laboratorio,

destinada a utilizarse en el curso de Ingeniería de los Materiales del plan de estudio de la

Capítulo 1: Introducción 2

carrera de Licenciatura en Ingeniería Química. Esta guía de laboratorio ilustra el uso

completo y apropiado del equipo de electrodeposición construido.

El proceso industrial de electrodeposición de cromo en piezas metálicas conductoras

consiste primeramente en aplicar una capa de cobre, seguido de una de níquel y por último

una muy delgada cobertura de cromo. La capa de cobre se encarga de ofrecer una superficie

que facilita la electrodeposición de níquel, el cual posee una gran resistencia contra la

corrosión; finalmente, la capa de cromo brinda un acabado decorativo de alta dureza y

excelente protección contra la corrosión. El espesor de cada capa está normalizado de

acuerdo al uso de la pieza a cromar.

El diseño y construcción del equipo está orientado a simular en un laboratorio el

proceso descrito anteriormente para su estudio y con fines investigativos. La metodología,

consiste primeramente en la preparación de los diferentes baños, seguido de la preparación

adecuada de las piezas, y finalmente la electrodeposición.

El equipo construido es relativamente sencillo y de fácil manejo, el sistema está

compuesto por tanques de PVC, un sistema de agitación de aire impulsado por una bomba

de baja potencia y un rectificador como fuente de corriente directa. Además, se requiere el

uso de cristalería y equipo de medición tales como un termómetro, vernier, micrómetro,

amperímetro, voltímetro y una balanza semi-analítica, todos disponibles en el laboratorio

de la escuela.

Debido a la sencillez del equipo, no se incluye en este trabajo un manual de

operación, las instrucciones para su manejo se encuentran en el procedimiento

experimental.

Junto a este documento se incluye material en forma digital con información de

utilidad así como una hoja de cálculo de Microsoft Excel, con el fin de facilitar la obtención

de resultados durante la práctica de laboratorio propuesta.

3

CAPITULO 2 ELECTRODEPOSICIÓN

Cumplamos la tarea de vivir de tal modo que cuando

muramos, incluso el de la funeraria lo sienta.

Mark Twain

2.1. Principios

La electrodeposición es un proceso donde un objeto, usualmente metálico, es

revestido con una o más capas relativamente delgadas de algún otro metal; es necesaria

cuando las superficies de los metales seleccionados no poseen las características

estructurales requeridas, además, se utiliza para proteger objetos contra la corrosión y para

mejorar su apariencia. [Scott, 1979]

En electrodeposición, una corriente eléctrica es usada para remover del metal

(ánodo) partículas cargadas positivamente, éstas pasan a través de una solución y se

depositan sobre un objeto (cátodo), el cual está cargado negativamente. Para ello, en un

baño químico se colocan el metal a usar como revestimiento y el objeto a recubrir, los

átomos de metal del ánodo se convierten en iones, se desprenden y pasan a la solución de

recubrimiento cuando se hace circular corriente eléctrica. Los iones del metal se dirigen de

la superficie del ánodo a la del cátodo, donde se depositan de manera uniforme. [Untracht,

1975]

El diseño del proceso para revestimiento metálico presenta tres limitaciones, las

superficies a ser revestidas deben ser humedecidas por todas las soluciones y enjuagadas en

secuencia; deben hacer contacto eléctrico sin provocar defectos en las piezas, y la cantidad

de metal depositado sobre una superficie debe ser proporcional a la corriente que fluye por

ella. [Blum, 1958]

El espesor del recubrimiento de las capas puede oscilar desde el orden de los

micrómetros hasta fracciones de milímetro. Actualmente, los métodos de medición de

espesores son muy avanzados por lo que el espesor promedio de las capas depositadas es

controlado de manera efectiva. De esta forma, los espesores pequeños se utilizan para

proteger contra la corrosión el metal base, aumentar la resistencia al desgaste, obtener

acabados reflectores de calor o simplemente para decorar. [Blum, 1958]

Capítulo 2: Electrodeposición 4

2.1.1. Ley de Faraday

El principio fundamental de la electrólisis es conocido como Ley de Faraday, la cual

dice que la cantidad de cualquier elemento liberado a un electrodo durante la electrólisis es

proporcional a la cantidad de electricidad que pasa a través de la solución. En otras

palabras, la cantidad de los diferentes elementos o radicales liberados por la misma

cantidad de electricidad es proporcional a los pesos equivalentes. [Blum, 1958]

De esta forma, la masa m de un elemento liberado en la electrólisis es proporcional

a la corriente i y al tiempo t, la constante de proporcionalidad es el equivalente

electroquímico e, tal como se presenta en la ecuación 2.1. [Gabe, 1972]

tiem ∗∗= 2.1

El cuadro 2.1 lista los equivalentes electroquímicos de algunos metales con los

cuales se pueden obtener deposiciones teóricas. Durante los procesos de electrólisis todos

los iones en solución llevan corriente y la contribución de un ión individual depende de su

concentración y movilidad. [Gabe, 1972]

La consecuencia más importante de la Ley de Faraday está relacionada con la

economía del consumo de electricidad durante la electrodeposición. Es más económico

depositar un metal que existe en estado de valencia dos, o menor, que los que tienen altos

estados de valencia, por ejemplo, el cromo se deposita en su estado hexavalente en

soluciones de ácido crómico en cantidades de 0,0898 mg/C, si fuera posible hacer

soluciones con cromo divalente la cantidad depositada sería 0,2694 mg/C, sin embargo esto

no es posible realizarlo a escalas comerciales. [Gabe, 1972]

2.2. Componentes de la electrodeposición

2.2.1. El electrolito

El electrolito es el medio que conduce la corriente eléctrica por medio de los iones,

esto usualmente es una sustancia que aumenta la concentración de los iones en disolución

de un solvente (una sal fundida puede también actuar como un electrolito). La electricidad

Capítulo 2: Electrodeposición 5

es conducida en el electrolito por iones cargados producto de la electrólisis que se da en los

electrodos. Esto es resultado de los iones cargados positivamente que son atraídos por el

cátodo cargado negativamente mientras que los iones con carga negativa viajan hacia el

ánodo cargado positivamente. Si más de un ión de carga positiva está presente muchas

reacciones pueden ser posibles en el cátodo, pero usualmente sólo un producto de

electrólisis tiene lugar. Cada reacción del electrodo toma lugar a un voltaje específico y el

ion más positivo del metal puede depositarse en el cátodo. [Mohler, 1951]

Cuadro 2.1. Equivalentes electroquímicos. [Graham, 1962] Equivalente

electroquímico Elemento Peso

atómico (g/mol)

Valencia Equivalente

Químico (g/F) (mg/C) (g/A hr)

Aluminio 26,97 3 8,99 0,0932 0,3353 Cadmio 112,4 2 56,2 0,5824 2,097

Cinc 65,38 2 32,69 0,3387 1,2195 Cobalto 58,94 2 29,47 0,3054 1,099 Cobre 63,57 2 31,79 0,3294 1,186

1 63,57 0,6588 2,372 Cromo 52,01 6 8,67 0,0898 0,323

3 17,34 0,1796 0,646 Estaño 118,7 4 29,7 0,3075 1,1070

2 59,4 0,6150 2,2141 Hierro 55,84 2 27,92 0,2893 1,042

Manganeso 54,93 2 27,47 0,2846 1,0246 Níquel 58,69 2 29,35 0,3041 1,095

Oro 197,2 3 65,7 0,6812 2,4522 1 197,2 2,0435 7,3567

Plata 107,88 1 107,88 1,1179 4,0245 Platino 195,23 4 48,81 0,5058 1,8208

2 97,62 1,0115 3,6416 Plomo 207,2 2 103,6 1,074 3,865

Cualquier líquido o solución que contenga iones puede ser usada como un

electrolito. La gran mayoría de los electrolitos comerciales usan agua como solvente y son

llamados electrolitos acuosos. Las sales fundidas, las cuales son una clase de electrolitos no

acuosos, tienen grandes usos en la producción electrolítica de metales como sodio,

magnesio o aluminio, otro tipo de electrolitos no acuosos son soluciones en solventes

Capítulo 2: Electrodeposición 6

orgánicos, estos han sido usados para electrodeposiciones experimentales de aluminio. El

gran uso del agua como solvente en la industria de la electrodeposición se debe a su bajo

costo, abundancia y al hecho de que prácticamente todas las sales más comunes usadas en

el proceso son muy solubles en ella. [Mohler, 1951]

2.2.2. El ánodo

La reacción que toma lugar en el ánodo es casi independiente de la reacción que

ocurre en el cátodo. La posición de los ánodos, como es de esperar, tiene gran relación con

la distribución de la corriente en el cátodo, pero los ánodos usualmente, operan mejor en un

intervalo de densidades de corriente que pueden ser variadas independientemente de la

densidad de corriente del cátodo haciendo un cambio en el área del ánodo. [Mohler, 1951]

Los ánodos solubles son los preferidos en el proceso de electrodeposición y el

comportamiento de ellos juega un papel importante para que el proceso se lleve a cabo de

manera satisfactoria. Los ánodos solubles ideales cumplen con características como

disolución fluida y uniforme bajo la influencia única de corriente; formación mínima de

lodos, y máxima pureza a costos aceptables. [Gabe, 1972]

Los ánodos insolubles son usados cuando la deposición del metal no está disponible

en la forma de fabricación y combinación con ánodos solubles o cuando la eficiencia de

corriente en el cátodo es marcadamente menor que la del ánodo soluble. [Gabe, 1972]

2.2.3. El cátodo

Las electrodeposiciones toman lugar en el cátodo; es más sencillo seguir la reacción

en el cátodo por el conocimiento de la cantidad de corriente que éste recibe. Si además se

conoce la distribución de corriente en el cátodo, es posible obtener una idea de cómo

quedaría recubierta la pieza con el metal, se podría pronosticar el tiempo que se requiere

para alcanzar el espesor deseado y cómo cambiaría el espesor de la pieza en función del

área. [Mohler, 1951]

Sin embargo, no es fácil realizar predicciones exactas referentes a dicha

distribución. En la práctica, la cantidad de corriente es controlada y se permite su flujo

durante un periodo de tiempo definido, después de esto, se procede a medir el espesor del

Capítulo 2: Electrodeposición 7

metal depositado. Cuando se obtienen distribuciones no deseadas del metal, es posible

realizar ajustes ya sea en la posición de la pieza o del ánodo. Algunas veces, el control

químico del electrolito puede mejorar la distribución del metal. La corriente que se permite

que fluya al cátodo es proporcional al área a recubrir, de manera tal que se expresa como

densidad de corriente, esto es, cantidad de corriente por unidad de área. [Mohler, 1951]

2.2.4. El potencial de equilibrio

La serie de potenciales de reacciones electroquímicas se muestra en el cuadro 2.2.

Esta serie también ha sido llamada Serie Electroquímica o Serie de las Fuerzas

Electromotrices de los Elementos. Esta serie es un buen punto de referencia para llevar a

cabo cualquier cálculo referente a electrodeposición, sin embargo, puede conllevar a

grandes errores si se utiliza como única guía. Estos potenciales son potenciales de

equilibrio y fueron medidos para condiciones donde no hay flujo de corriente, para

cantidades definidas de sal disueltas y a temperatura estándar para poder obtener datos

comparables. [Mohler, 1951]

Cuadro 2.2. Serie de potenciales electroquímicos normales. [Bockris, 2003]

Ion Potencial

E0 (V)

Ion Potencial

E0 (V)

Au3+ +1,70 Cr3+ -0,71 Pt2+ +1,20 Zn2+ -0,76 Pd2+ +0,83 Mn2+ -1,05 Ag+ +0,80 V2+ -1,50 Hg2+ +0,80 Al3+ -1,66 Cu+ +0,52 Be2+ -1,70 Cu2+ +0,34 Ti2+ -1,75 H+ 0,00 Mg2+ -2,38

Pb2+ -0,13 Na+ -2,71 Sn2+ -0,14 Ca2+ -2,84 Ni2+ -0,23 Sr2+ -2,89 Co2+ -0,27 Ba2+ -2,92 In3+ -0,34 K+ -2,92 Cd2+ -0,40 Cs+ -2,92 Fe2+ -0,44 Rb+ -2,98 Ga3+ -0,52 Li+ -3,01

Capítulo 2: Electrodeposición 8

2.2.5. El potencial de deposición

Cuando el potencial es medido bajo condiciones dinámicas, durante la

electrodeposición, se le conoce como potencial de deposición. Este potencial varía con la

concentración de los iones metálicos en el baño y se ve sumamente afectado por la

densidad de corriente. Cuando se incrementa la densidad de corriente, la polarización

(fuerza inducida que tiende a resistir el flujo de corriente) en el electrodo aumenta,

resultando condiciones favorables para la deposición de metales ubicados en la parte

inferior de la escala electroquímica. De esta forma, para el estudio del mecanismo de

electrodeposición es necesaria la medición de los potenciales de deposición. [Mohler, 1951]

2.3. Aplicaciones de la electrodeposición

La electrodeposición ornamental es el uso más tempranamente dado al proceso en

cuestión. Actualmente, se encuentra aplicada en accesorios eléctricos, de ferretería y en

partes de automóviles. Los objetos revestidos metálicamente son de bajo costo. Algunas

aplicaciones son puramente económicas, por ejemplo, los revestimientos contra la

corrosión usando metales como cinc, plomo o estaño que se hacen sobre hojas de metal,

aseguran la suficiente vida útil bajo condiciones de exposición a la humedad,

descomposición por los diferentes agentes atmosféricos o líquidos corrosivos y presenta la

ventaja de utilizar materiales poco costosos. Por ser un proceso versátil, las aplicaciones

cada vez son más novedosas [Mohler, 1951]

La electrodeposición también es empleada cuando se favorece realizar trabajo por

medio de este proceso que por cualquier otro medio. Estas aplicaciones incluyen la

protección de ciertas partes en maquinarias pesadas, en materiales de construcción gastados

o rotos, contactos eléctricos y en revestimientos selectivos para carburizar. Además, es una

conveniente herramienta de investigación. Se puede obtener una alta pureza de metales por

este medio y esto es usado como base para el estudio de metales puros, difusión y

resistencia a la corrosión. El proceso produce depósitos delgados y uniformes a bajas

temperaturas y los depósitos pueden ser elaborados rápidamente haciendo uso de pequeños

equipos. [Mohler, 1951]

9

CAPITULO 3 CARACTERÍSTICAS GENERALES

Para amasar una fortuna hay que hacer harina a los demás.

Manolito (Kino)

3.1. Composición de los baños de electrodeposición

3.1.1. Tipos de baños

Se clasifican en tres tipos a saber: ácidos, neutros y alcalinos. Los ejemplos más

conocidos de baños ácidos son los de cobre ácido y de cromo, los baños neutros más usados

son los de níquel, y los baños alcalinos más importantes son los cianurados. [Gray, 1953]

Los baños ácidos pueden ser simples o complejos. En los baños simples el metal se

mantiene como un catión solvatado, los más comunes son los sulfatos, fluoboratos y

sulfamatos. Su escogencia está principalmente determinada por la respectiva solubilidad de

la sal del metal involucrado. En caso de solubilidades similares, entra en juego la densidad

de corriente deseada. En los baños complejos el metal está presente como un anión y la

deposición catódica se da en una etapa intermedia o película catódica. El ejemplo más

típico es el baño de ácido crómico. [Gabe, 1972]

Los baños alcalinos más importantes son las soluciones cianuradas de oro, plata,

cobre, cinc, latón y cadmio. Otros baños utilizados son los pirofosfatos. [Gray, 1953]

3.1.2. Agentes de adición

Una amplia investigación industrial ha desencadenado el uso de una gran variedad

de aditivos utilizados comercialmente para conseguir acabados determinados. Éstos se

clasifican en tres grupos principales a saber: abrillantadores, niveladores y modificadores

estructurales. [Pletcher, 1984]

Los abrillantadores se encargan de refinar los granos, su adsorción aleatoria produce

una superficie lisa que se encarga de suprimir las diferencias cristalográficas. Se clasifican

en primarios si en su estructura poseen compuestos aromáticos sulfonados, y secundarios si

poseen enlaces múltiples con nitrógeno, azufre u oxígeno. [Milad, 2005]

Capítulo 3: Características Generales 10

Los niveladores son inhibidores presentes a muy bajas concentraciones en el

electrolito, se encargan de producir un depósito nivelado. En ausencia de niveladores, los

iones se difunden más rápidamente en los picos que en los valles de la superficie metálica,

produciendo un depósito no uniforme. Con una buena agitación, el nivelador se acumula en

los picos impidiendo el crecimiento y la deposición, en los valles se da un crecimiento más

rápido del depósito permitiendo que alcancen a los picos y creando la nivelación. Los

modificadores estructurales incrementan la resistencia a la polarización y son supresores de

corriente, esto ocasiona un incremento del espesor efectivo en el depósito, resulta en una

mejor orientación del enrejado y una estructura de grano más organizada. [Milad, 2005]

Los agentes humectantes son un tipo de aditivo no clasificado como tal, su función

es la de acelerar la liberación de gas hidrógeno en burbujas, evitando el piqueteo.

3.2. El mecanismo de electrodeposición

El mecanismo de electrodeposición no ha logrado ser definido de una forma

satisfactoria hasta el momento. Sobresalen dos teorías que explican la manera en que un

catión disuelto se combina con un electrón del cátodo para formar un átomo del metal. De

acuerdo con una teoría, el ion es neutralizado y descargado en algún punto de la superficie

del cátodo y llena un espacio existente dentro del enrejado de metal depositado. Si no existe

este punto al alcance de un ion en particular tal que el potencial disponible sea el adecuado

para ocasionar la descarga del ion, un núcleo de un nuevo cristal es formado. Esta teoría

postula un potencial ligeramente más bajo para hacer crecer un cristal existente que para

iniciar uno nuevo. De acuerdo con la otra teoría, los iones son neutralizados y descargados

aleatoriamente en la superficie del cátodo y luego los átomos se orientan ellos mismos

dentro del espacio enrejado y el tamaño de cristal característicos del metal. En esta teoría se

supone que los átomos de metal descargados tienen una apreciable movilidad inicial. [Gray,

1953]

3.3. Distribución de corriente y de depósito metálico

Con excepción de unos pocos arreglos geométricos y sistemas, la distribución

uniforme de corriente en la superficie completa del electrodo no es alcanzable. Así, la

Capítulo 3: Características Generales 11

distribución del metal depende de la distribución de corriente y de la respectiva eficiencia

catódica a determinada densidad de corriente. De esta forma, la distribución de corriente

real es el resultado principalmente de la distribución de corriente primaria y de la

polarización. La distribución de corriente primaria es función de la forma y dimensiones del

sistema. En la mayoría de los casos, estas variables tienen efectos mucho mayores que la

polarización, por lo tanto, para efectos prácticos, éstas llegan a determinar la distribución de

corriente en el sistema. [Gray, 1953]

La polarización es el resultado de una condición dinámica en el cátodo debida a

cambios en la concentración de los iones, como consecuencia, se induce una fuerza que

tiende a resistir el flujo de corriente. Esta fuerza puede medirse como voltaje y se le llama

polarización. [Mohler, 1951]

Algunas de las principales características de los baños que se ven afectadas por la

distribución de corriente son el poder de distribución (la habilidad de depositar una capa

metálica de espesor lo más uniforme posible sobre la superficie del cátodo), el poder de

recubrimiento y el intervalo de electrodeposición. [Gray, 1953]

3.4. Propiedades de los electrodepósitos

3.4.1. Espesor

El espesor de los recubrimientos de electrodeposición es el factor más importante

relacionado con el desgaste y la corrosión del material. Es determinada en términos de

espesor mínimo en superficies que están expuestas a la abrasión y la corrosión. Hay dos

formas de expresarlo: como espesor promedio o como espesor local. [Gray, 1953]

Los métodos para medir espesor local se basan en la medición lineal directa de la

capa, estos incluyen el uso del micrómetro y del microscopio. Comúnmente, el espesor

promedio T se calcula estimando la masa del depósito m por unidad de área medida A y la

densidad del metal depositado ρ, utilizando la siguiente ecuación:

ρ∗

∗=

A

mT

10 3.1

Capítulo 3: Características Generales 12

Los métodos que se basan en la masa por unidad de área para sus mediciones son el

dispersor beta, el coulométrico, el gravimétrico y los rayos-X. El método magnético y el de

corriente-eddy comparan las propiedades magnéticas y eléctricas del material base y del

depósito a calibraciones estándar con propiedades similares. El método de la gota está

basado en la razón de ataque de ciertas soluciones químicas. [Sajdera, 2001]

El uso de un método u otro depende tanto de las características del depósito así

como de la precisión deseada y el valor económico de la prueba. [Gray, 1953]

3.4.2. Adhesión

La adhesión de una capa electrodepositada se considera pobre si ésta es desprendida

cuando se aplica una tensión, por ejemplo, por deformación, cambio de temperatura o

corrosión en el metal base a través de sus poros. La pobre adhesión es provocada por

factores como la presencia de un material extraño entre la capa y el metal base, defectos en

el metal depositado o una capa débil en la superficie del metal base o en la deposición

inicial. Los métodos más utilizados para la determinación de la adhesión en capas

electrodepositadas son el método de Jaquet y el método de Ollard. [Gray, 1953]

3.4.3. Valor de protección

En muchos casos las capas electrodepositadas son aplicadas porque éstas tienen

propiedades diferentes al metal base, especialmente gran resistencia a la abrasión o a la

corrosión. Aún cuando la apariencia es una consideración primaria, la protección contra la

corrosión es también significativa. [Gray, 1953]

3.4.4. Medición de propiedades físicas de electrodepósitos

Uno de los aspectos más importantes de la electrodeposición es el hecho que al

cambiar las condiciones de deposición para determinado metal, se dan grandes variaciones

en la estructura y propiedades del depósito. Es importante conocer estos cambios no sólo

para alcanzar los resultados deseados sino también para evitar depósitos con propiedades

indeseadas. [Gray, 1953]

Capítulo 3: Características Generales 13

Las propiedades físicas más importantes que deben ser medidas son la tensión,

dureza, poder reflectivo y brillo. En general, para un metal determinado, la fuerza de

tensión se incrementa a medida que decrece el tamaño del cristal. La dureza puede ser

medida de distintas formas y con distintas escalas, siendo las más utilizadas la dureza

Brinell y la Vickers. La reflectividad de un metal depende de la longitud de onda de la luz,

siendo las mediciones más importantes las que se efectúan en el espectro visible. El brillo

es expresado como la relación entre la reflectancia especular y la difusional. [Gray, 1953]

3.5. Estructura de los electrodepósitos

3.5.1. Naturaleza de los depósitos

Los factores más importantes para evaluar la naturaleza de un depósito son la

cristalinidad, el tamaño del grano, la orientación, la tensión, la dureza y la recristalización.

Los electrodepósitos son cristalinos, los metales depositados tienen las características

típicas de los cristales: gran dureza, baja ductilidad, gran anisotropía, tamaños de grano

finos. Algunos factores que afectan la estructura cristalina de los electrodepósitos son la

composición del baño, la densidad de corriente, el grado de agitación, la temperatura, la

presencia de agentes extraños, la geometría y la estructura del sustrato. [Gray, 1953]

Los metales electrodepositados pueden poseer tamaños de grano tan grandes que

pueden ser vistos a simple vista o tan pequeños hasta el orden de 50 Å (50 x 10-10 m) de

sección transversal. La orientación de los cristales depende de factores como las

condiciones físicas y composición del sustrato, densidad de corriente y presencia de

coloides. La tendencia de un electrodepósito de ondularse o pelarse fuera del metal base, de

quebrarse o de pandearse y la presencia de rasgaduras en la estructura del cristal son todas

evidencias de tensión. Los metales electrodepositados usualmente poseen valores de dureza

considerablemente mayores que los metales templados. La dureza depende de factores tales

como la densidad de corriente, la temperatura, la presencia de agentes extraños y aditivos,

la naturaleza de la solución (simple o compleja) y la presencia de varios aniones o cationes.

[Gray, 1953]

Capítulo 3: Características Generales 14

Debido al pequeño tamaño de los granos de metales electrodepositados, la

recristalización usualmente produce granos pequeños equidistantes donde el tamaño

original del grano tiene una gran influencia. [Mohler, 1951]

3.5.2. Factores que afectan los depósitos

Pueden ser de dos tipos: factores físicos o factores electroquímicos. Entre los

factores físicos están el efecto del sustrato, la agitación y la temperatura. Los factores

electroquímicos más importantes son el tipo de solución y la densidad de corriente.

El sustrato o el metal base en el que otro metal es depositado afecta el carácter

geométrico y cristalográfico del depósito. Además, el tipo de pulido del metal base afecta la

resistencia a la corrosión de la capa de metal depositada. La carencia de uniformidad del

metal base también puede provocar la aparición de piqueteo en la capa depositada. En

general, cualquier condición que incremente el suministro de iones disponibles para la

descarga en el cátodo favorece el aumento del tamaño del cristal. Por lo tanto, para una

densidad de corriente constante, la agitación favorece la formación de cristales más

grandes, de igual manera, el incremento de temperatura tendrá el mismo efecto. [Blum,

1958]

El tipo de solución y la densidad de corriente afectan principalmente el tamaño del

grano. Los metales depositados de soluciones de iones complejos usualmente poseen

granos muy finos. Por otra parte, el aumento de la densidad de corriente favorece una

disminución en el tamaño del grano. [Blum, 1958]

3.5.3. Depósitos brillantes

La expresión depósito brillante se refiere a aquel que posee alta reflexión especular

y baja reflexión difusional, y no se refiere a la cantidad total de luz reflejada. Son

esencialmente depósitos con superficies planas. Muchos abrillantadores, especialmente los

de tipo orgánico, contienen sustancias polares, o pueden ser reducidas a sustancias más

simples que son absorbidas en el electrodepósito provocando la formación de estructuras

del tipo de bandas, presentes en los materiales brillantes. [Gray, 1953]

15

CAPITULO 4 MÉTODOS DE CONTROL

No basta saber, se debe también aplicar; no es suficiente

querer, se debe también hacer.

Johann Wolfgang von Goethe

4.1. Control del electrolito

El electrolito debe ser controlado para mantener un desempeño deseado del baño y

la calidad de los depósitos. Usualmente las propiedades más importantes a controlar son el

pH y la tensión superficial, y para lograrlo se han desarrollado diferentes métodos y

pruebas, la mayoría estandarizadas.

4.1.1. Medición de pH

La mayoría de los baños más comunes, en especial los alcalinos, poseen suficiente

acción amortiguadora para que las mediciones de pH se encuentren siempre en el intervalo

usualmente satisfactorio. Los métodos para la medición del pH se dividen en dos clases, el

método colorimétrico o de indicador y el método electrométrico. [Gray, 1953]

La mayoría de los baños operan a un intervalo óptimo de pH encontrado

empíricamente. Si la concentración de ión hidronio no es controlada apropiadamente, el

baño puede no operar con la eficiencia óptima, o las propiedades físicas del depósito se

pueden ver afectadas. [Gray, 1953]

4.1.2. Medición de tensión superficial

El incremento en el uso de agentes humectantes en las soluciones de

electrodeposición hace importante en muchos casos la medición y el control de la tensión

superficial. El método más utilizado para determinar la tensión superficial de un líquido

consiste en medir la altura a que se eleva en un tubo capilar y compararla con un líquido de

referencia. Un procedimiento más simple y conveniente es el método del peso de gota, en el

cual la tensión superficial es medida por el tamaño de una gota que cae desde un orificio

anular. Otros métodos utilizados hacen uso de un tensiómetro. [Gray, 1953]

Capítulo 4: Métodos de Control 16

4.1.3. Medición de otras propiedades importantes

Otras mediciones importantes para el control del baño son las de conductividad, de

hidrometría y de polarización. Debido a que los baños de electrodeposición son soluciones

de alta conductividad, el conocimiento de esta propiedad es importante para una operación

eficiente. [Gray, 1953]

Una de las pruebas más simples que se puede aplicar a soluciones de

electrodeposición es la medición de la gravedad específica con un hidrómetro. Esta prueba

puede indicar si la solución se encuentra dentro de los límites requeridos de concentración,

si ha ocurrido estratificación o mezcla incompleta, entre otras cosas. [Gray, 1953]

4.2. Control del depósito

El electrodepósito se controla para verificar el desempeño del baño y las

características finales de los depósitos. Se realizan pruebas de laboratorio para determinar

sus propiedades físicas y químicas, y se determina cualquier irregularidad, las pruebas más

utilizadas son el uso de la celda de Hull y equipo de medición.

4.2.1. Propiedades físicas

Algunas de las propiedades físicas más importantes para el control del depósito son

la retención de hidrógeno, la fuerza de tensión, la ductilidad y la tensión.

La retensión de hidrógeno debe ser minimizada siempre que sea posible. La forma

más fácil de lograr esto es con agitación en el baño. La fuerza de tensión es una medida de

la fuerza requerida para desprender el metal depositado del metal base. Esta propiedad es

una indicación importante de la cantidad de distorsión que puede soportar el depósito antes

de que se presente fractura. La ductilidad en un depósito es de gran importancia en caso que

la placa esté sujeta a deformación o a operaciones de trabajo en maquinaria. [Gray, 1953]

La tensión interna en los metales electrodepositados tiene un gran efecto en la

calidad de la placa. Dicha tensión puede ser afectada por la temperatura, el pH, la densidad

de corriente, los agentes de adición o impurezas presentes en el baño. El resultado puede

ser una fuerza de tensión o de compresión que es capaz de afectar la adhesión, continuidad

o corrosión característica del depósito. [Gray, 1953]

Capítulo 4: Métodos de Control 17

4.2.2. Celda de Hull

La celda de Hull es el dispositivo más utilizado para el control empírico de

propiedades de un baño de electrodeposición. Debido a que abarca un extenso intervalo de

densidad de corriente por encima y por debajo de la que es usada en operaciones normales,

muchas dificultades en el baño pueden ser previstas antes que sus efectos se presenten en la

producción. Los factores típicos que se pueden controlar con la celda de Hull son los

agentes de adición, los productos de descomposición, impurezas del baño, pH y

composición del baño. Cada tipo de baño de electrodeposición presenta diferentes

características que deben ser estudiadas para un control adecuado. En cualquier caso

práctico, es aconsejable obtener placas estándar para todas las variables importantes del

baño con el propósito de familiarizarse con la apariencia típica del electrodepósito. Dicho

conjunto de placas estándar sirve como referencia de control. [Glayman, 1969]

Debido al arreglo geométrico del cátodo, se obtiene un amplio intervalo de densidad

de corriente, la idea es utilizar un aparato con el que se produce un depósito electrolítico

con una densidad de corriente que varía de una forma continua de una punta a otra del

cátodo. Así, con un solo ensayo se llega a sustituir toda una serie de experimentos. [Hull,

1939]

La celda de Hull tiene la forma mostrada en la figura 4.1, tiene un volumen de 267

mL de solución, de tal forma que al hacer adiciones a este volumen, 2 g equivalen a 1

oz/gal. El ánodo es colocado sobre la cara AB, mientras que el cátodo se dispone sobre la

cara CD. El punto D es el que está expuesto al máximo de corriente, mientras que el punto

C está expuesto al mínimo de corriente. Cuando es necesario evitar polarización excesiva,

se utiliza un ánodo corrugado o una gasa de alambre. El tiempo de deposición y la corriente

usada dependen del tipo de baño que va a ser examinado. Si se presentan problemas

después de una prueba, se deben realizar las correcciones en una pequeña porción del baño

y realizar una segunda prueba. Si el baño es agitado en la práctica, debe aplicarse agitación

media con una varilla de agitación durante la prueba. [Glayman, 1969]

Capítulo 4: Métodos de Control 18

Figura 4.1. Celda de Hull estándar (dimensiones en mm). [Glayman, 1969]

4.2.3. Otras pruebas de control

La prueba del cátodo de Bent es una prueba de electrodeposición rápida y simple

con la cual se puede saber si el baño está operando a una eficiencia máxima, si se están

acumulando impurezas en el baño y otros inconvenientes que contribuyen a una pobre

deposición. [Gray, 1953]

La celda de Haring-Blum se utiliza para determinar el poder de distribución. Ésta

celda consiste de un arreglo muy simple donde dos cátodos se sitúan a los extremos del

ánodo, cada uno a distancias distintas; mediante una relación entre las distancias y el peso

de los depósitos obtenidos se calcula el poder de distribución. [Pletcher, 1984]

19

CAPITULO 5 LOS BAÑOS DE ELECTRODEPOSICIÓN

La felicidad no está en la ciencia, sino en la adquisición de la

ciencia.

Edgar Allan Poe

5.1. El baño de cobre

Entre los tipos de baño de cobre más utilizados se encuentran el de cianuro, esencial

en la aplicación de capas de activación y en menor medida en la obtención de capas de

cobre delgadas; el de pirofosfato, utilizado principalmente en el electroformado e impresión

de circuitos; el de fluoborato, que permite el uso de altas densidades de corriente, y el de

sulfato, el cual es el objeto de estudio. [Barauskas, 2001]

5.1.1. Baño de sulfato de cobre

Los baños de sulfato de cobre son económicos de preparar, operar y disponer de los

desechos. Éstos son usados en impresión de circuitos, electrónica, semiconductores,

rotogravado, electroformado, cobreado decorativo y sobre plásticos. La química de la

solución es simple, con sulfato de cobre y ácido sulfúrico formando especies ionizadas en

solución. Los baños son muy conductivos. [Barauskas, 2001]

Las sales de cobre en solución son altamente ionizadas excepto pequeñas cantidades

de sales complejas formadas por la adición de agentes específicos. Debido a la alta

conductividad de las soluciones comerciales y a la baja polarización de los electrodos, los

voltajes requeridos para la deposición de cobre son más bajos que en los baños alcalinos.

[Gray, 1953]

Las eficiencias en los cátodos y ánodos son muy cercanas al 100%, de tal forma que

el carácter de los depósitos de cobre es influenciado por la concentración de las sales de

cobre, la concentración de ácido libre, la temperatura, la densidad de corriente catódica y la

naturaleza y grado de agitación. Depósitos densos con buena suavidad de superficie y

espesores de hasta 0,50 mm o más, pueden ser producidos sin la necesidad de aditivos. Para

obtener depósitos duros o brillantes, se deben utilizar agentes de adición. [Gray, 1953]

Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición 20

5.1.1.1.Funciones de los constituyentes del baño

El sulfato de cobre es la fuente de iones de cobre en la solución. Debido a que las

eficiencias catódicas y anódicas son muy cercanas al 100%, los ánodos sustituyen los iones

de cobre depositados de tal forma que su concentración se mantiene muy estable en la

solución. El ácido sulfúrico incrementa la conductividad de la solución y reduce la

polarización, además previene la precipitación de sales básicas y mejora el poder de

esparcimiento, evita la formación de óxidos de cobre y disminuye la resistencia óhmica de

la solución. En baños brillantes, los iones cloruro reducen la polarización anódica y

eliminan depósitos imperfectos en áreas de alta densidad de corriente. [Barauskas, 2001]

Las formulaciones típicas de los baños de sulfato de cobre se presentan en los

cuadros D.1 y D.2 del apéndice D. La concentración de CuSO4·5H2O varía entre 150 y 250

g/L, mientras que la concentración de H2SO4 varía entre 30 y 75 g/L.

Los aditivos se adicionan para aumentar el brillo, la dureza, el refinamiento de los

granos, la suavidad de la superficie y la densidad de corriente limitante, sin embargo, su

uso debe ser evaluado para cada aplicación para evitar características indeseadas.

Generalmente los aditivos son niveladores y abrillantadores, sus concentraciones varían

entre 0,01 a 0,05 g/L y 0,1 a 1,0 g/L respectivamente. Entre los más utilizados están la

gelatina, melaza, dextrina, glucosa y pegamento, su exceso en el baño ocasiona porosidades

o inclusiones orgánicas en el depósito. La glucosa y la glicerina forman depósitos rojizos,

mientras que con el pegamento y la gelatina se obtienen depósitos oscuros. El agente

nivelador más empleado es la tioúrea, la cual en combinación con melazas oscuras logra

acabados muy brillantes. Otros agentes de adición utilizados son el ácido fenilsulfónico,

peptona, pirogalol, almidón, dimetilanilina, ácido láctico, goma arábica, hidroquinona,

quinona, ácido sulfosalicílico, hidroxilamina, ácido benzoico, tanina, resorcinol,

triisopropanolamina, trietanolamina y óxidos de selenio y arsénico. Sus efectos están

asociados con la formación de iones complejos o de coloides cerca del cátodo.

5.1.1.2.Condiciones de operación

Las condiciones de operación típicas de los baños de sulfato de cobre se presentan

en los cuadros D.1 y D.2 del apéndice D.

Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición 21

En la práctica, las temperaturas varían entre 15 y 60 ºC, siendo lo más común entre

25 y 40 ºC ya que así la temperatura se puede mantener sin la necesidad de calentamiento o

enfriamiento, aunque en la producción continua la temperatura del baño aumenta durante el

proceso y en algunos casos se requiere de enfriamiento. El incremento de la temperatura

resulta en una mayor conductividad y disminución en la polarización. Si la temperatura es

muy baja, la eficiencia catódica y el intervalo de deposición se ven reducidos.

La densidad de corriente catódica debe estar entre 1 y 12 A/dm2, si es muy alta

puede ocasionar que el ánodo pierda su capa protectora de color negro y producir depósitos

rugosos; si es muy baja, se puede presentar una reducción del poder de esparcimiento. El

voltaje no debe ser mayor a 6 V. [Barauskas, 2001]

Se recomienda agitar el baño, la cual puede ser por aire, mecánica o rotacional. Ésta

debe ser balanceada para obtener depósitos con las propiedades y características deseadas.

5.1.1.3.Propiedades físicas del depósito

Los cambios en la concentración de ácido sulfúrico o de sulfato de cobre tienen muy

poco efecto en la dureza o la ductilidad del depósito. Mientras que un incremento en la

temperatura o en la densidad de corriente resulta en una reducción significativa de la fuerza

de tensión y en la obtención de depósitos más duros y brillantes ya que se mejora el poder

de esparcimiento del baño. Los depósitos de cobre realizados con baños ácidos presentan

menos tensión que los realizados con baños cianurado y ésta aumenta cuando se adhieren

aditivos orgánicos. [Gray, 1953]

5.1.1.4.Mantenimiento y control

La composición del baño bajo condiciones normales de operación requiere de

ajustes ocasionales. Si la deposición en los baños de sulfato es anormalmente baja, la

concentración de cobre debe aumentarse gradualmente. El control de la concentración

puede darse fácilmente midiendo la gravedad específica y determinando la concentración

de ácido. Una manera más exacta de determinar la composición de los constituyentes del

baño es mediante su análisis químico, en el apéndice E se presenta una de las varias

maneras para llevar a cabo dichos análisis.

Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición 22

5.1.1.5.Ánodos

Barras moldeadas o enrolladas, o láminas de cobre electrolítico pueden ser

utilizadas como ánodos. Sin embargo, se prefieren las barras enrolladas de cobre. No se

requiere una gran pureza ya que la mayoría de las impurezas presentes en los ánodos no se

adhieren al depósito.

5.1.1.6.Equipo

Los tanques de plomo son los más satisfactorios para contener los baños de sulfato

de cobre, sin embargo, se prefieren los tanques de acero revestidos de caucho o de plástico

sintético ya que el forro metálico puede actuar como un electrodo bipolar y robar corriente

de áreas significativas durante el proceso. Las cubiertas sintéticas que funcionan mejor con

los baños ácidos de sulfato son el caucho natural, el etileno polimerizado y los polímeros de

cloruro de vinilo como el PVC. Otro material muy utilizado es la cerámica. Las líneas de

aire pueden ser de caucho duro o de PVC. [Gray, 1953]

5.1.1.7.Contaminantes

Los contaminantes orgánicos son los más comunes en electrodeposición de cobre

ácido, éstos afectan negativamente la apariencia y las propiedades físicas del depósito. Una

coloración verde indica una presencia significativa de contaminantes orgánicos, la forma

más fácil de remover las impurezas orgánicas es mediante tratamiento con carbón activado,

se debe prever que dicho carbón esté designado para usar en baños de alta acidez y se

deben evitar los filtros de celulosa. [Barauskas, 2001]

5.1.1.8.Preparación del metal base

El metal base debe encontrarse libre de cualquier suciedad e imperfección. La

secuencia de preparación abarca los siguientes pasos: limpieza abrasiva, enjuague,

inmersión ácida, enjuague, inmersión alcalina, capa de activación, enjuague, inmersión

ácida y enjuague. [Yokoi, 1992]

Todos los enjuagues se realizan con agua destilada limpia preferiblemente en

movimiento. La inmersión ácida se realiza con una solución de ácido clorhídrico o

Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición 23

sulfúrico concentrados con una concentración de 1 a 5% en peso, en caso de usar ácido

sulfúrico, la solución debe tener una temperatura superior a los 30 ºC. El último enjuague

se lleva a cabo antes de la electrodeposición en el baño ácido. [Yokoi, 1992]

5.1.2. Normalización

Según se muestra en el anexo A, la ASTM (American Society for Testing and

Materials) especifica que el espesor de cobre para secuencias de cobreado-niquelado-

cromado debe ser como mínimo de 12 µm en sustratos de acero, de 5 µm en sustratos de

cinc y sus aleaciones y de 15 µm en sustratos de aluminio y sus aleaciones. [ASTM B456,

2003]

A nivel industrial y comercial el electrodepósito corresponde a un acuerdo entre

partes, proveedor-cliente, quienes deciden la calidad y el espesor basándose en factores

como la apariencia, el precio y la utilización de las piezas.

5.2. El baño de níquel

El baño de níquel más importante es el de Watts, debido a que es la base de la

mayoría de los baños modernos usados en la aplicación de superficies decorativas,

brillantes y semibrillantes, y para producir depósitos con propósitos de ingeniería. Los

fundamentos principales de la electrodeposición de níquel son fácilmente estudiados a

partir de un baño de Watts, donde se pueden observar los efectos de variables tales como

temperatura, concentración de níquel, densidad de corriente, pH y agitación. [Gray, 1953]

Los electrodepósitos de níquel son aplicados principalmente por su apariencia y

protección a la corrosión en objetos de acero, latón o cinc. Cuando los objetos están

expuestos a la intemperie, usualmente se deposita cromo sobre la capa de níquel. Se

acostumbra a utilizar una capa inicial de cobre. [Mohler, 1951]

El baño de Watts se compone principalmente de sulfato de níquel, cloruro de níquel

y ácido bórico. Sus formulaciones típicas se presentan en los cuadros D.3 y D.4 del

apéndice D. La concentración de NiSO4·6H2O varía de 250 a 300 g/L, la de NiCl2·6H2O

varía de 40 a 60 g/L y la concentración de H3BO3 varía entre 30 y 50 g/L. Los agentes de

Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición 24

adición se utilizan para dar acabados brillantes, siendo los más importantes los derivados de

compuestos aromáticos sulfonados en pequeñas concentraciones.

5.2.1. Funciones de los constituyentes del baño

La mayor parte del níquel es aportada por el sulfato de níquel, éste es utilizado

debido a que es la sal de níquel más económica que posee un anión estable que no es

reducido por el cátodo, oxidado por el ánodo o volatilizado. La gran cantidad de sulfato de

níquel no sólo aumenta la densidad de corriente limitante, sino que además disminuye la

resistividad del baño, la cual reduce los costos de energía y mejora el poder de

esparcimiento. [Gray, 1953]

Los iones cloruro, obtenidos del cloruro de níquel, simplifican el control del baño y

evitan efectos secundarios como el aumento de la tensión dentro de los depósitos. Su

principal función es la de aumentar la disolución del ánodo reduciendo la polarización.

[Gray, 1953]

El ácido bórico se encarga de actuar como amortiguador de la solución, es esencial

para controlar el pH. Dicho ácido es preferido porque se puede obtener en un estado muy

puro y es muy económico, es relativamente no volátil y estable, produce depósitos más

blancos y ayuda en la acción suavizadora del depósito. Su concentración no es crítica en los

baños. Recientes estudios han encontrado que un sustituto ideal del ácido bórico es el ácido

cítrico, con lo que se obtienen depósitos más duros y se eliminan los inconvenientes

ambientales para la disposición de las soluciones de boro. [Doi, 2004]

Los agentes de adición en los baños de Watts son requeridos para aumentar el brillo,

la dureza, el refinamiento de los granos, evitar el piqueteo y nivelar el depósito. [Doi, 2004]

5.2.2. Condiciones de operación

Las condiciones de operación típicas de los baños de Watts se presentan en los

cuadros D.3 y D.4 del apéndice D.

En la práctica, las temperaturas varían entre 40 y 70 ºC, de esta forma se asegura

una buena solubilidad de las sales y se puede trabajar en un intervalo amplio de densidad de

Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición 25

corriente, el aumento de la temperatura permite una conductividad más alta con lo que se

puede utilizar una mayor densidad de corriente y obtener electrodeposiciones más rápidas.

La densidad de corriente catódica debe estar entre 1 y 10 A/dm2, si ésta es muy alta

puede producir depósitos quemados; mientras que si es muy baja, se puede disminuir el

poder de esparcimiento. El voltaje no debe ser mayor a 6 V.

Se recomienda la agitación catódica o mecánica, ésta no debe ser excesiva. La

agitación por aire es efectiva en ausencia de agentes humectantes. [Graham, 1962]

5.2.3. Baños de níquel brillante

Éstos son básicamente baños de Watts a los que se les han adicionado

abrillantadores. Dichos abrillantadores son generalmente divididos en dos clases generales

basados en su función predominante: de primera o de segunda clase. [Rushmere, 1977]

Los abrillantadores de primera clase son materiales usados en relativamente baja

concentración, entre 0,01 y 0,2 g/L; los cuales por ellos mismos pueden o no producir

acción abrillantadora visible. Se caracterizan por ser compuestos que contienen en su

molécula grupos funcionales alquil o aril sulfonados. Algunos de los más utilizados son el

ácido sulfónico alquil naftaleno, el ácido disulfónico naftaleno, las difenil sulfonas, el

difenilbenceno, los polisulfonatos hidrogenados de difenilbenceno, las aril sulfonamidas y

los ácidos arilsulfínicos. Los alcoholes acetilénicos y sus derivados son muy populares

debido a que presentan baja tendencia a formar depósitos quebradizos y el control de su

concentración es menos crítica. Uno de los compuestos preferidos debido a su buen

rendimiento, disponibilidad y bajo precio es el 2-butin-1,4-diol o butindiol.

Los abrillantadores de segunda clase son materiales que se usan en conjunto con los

de primera clase pero en mayores concentraciones, usualmente entre 1 a 20 g/L, éstos

ayudan a reducir la tensión y aumentan el brillo, se caracterizan por ser compuestos

orgánicos no saturados con dobles y triples enlaces entre carbonos, nitrógenos y oxígenos

como las safraninas, azinas, oxazinas, tiaminas, indaminas y derivados de las di y trifenil

aminas. Entre los más utilizados están la sacarina y sus sales de sodio o potasio, el alil

sulfonato de sodio, los ácidos di y trisulfónicos de naftaleno y el 3-clorobuteno-1-sulfonato

de sodio.

Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición 26

Cuando los abrillantadores primarios y secundarios son cuidadosamente

seleccionados, es posible obtener depósitos brillantes, nivelados y dúctiles sobre un amplio

intervalo de densidad de corriente. [Rushmere, 1977]

5.2.4. Niquelado semi-brillante

Con este tipo de baños se consiguen depósitos con características de dureza,

ductilidad y brillo intermedias entre los baños de Watts y los baños brillantes. Hay dos

clases de baños semi-brillantes, ambos tienen la composición básica de Watts, sin embargo,

en uno se emplean aditivos orgánicos y el otro es una modificación del baño de aleación de

níquel-cobalto. [Gray, 1953]

5.2.5. Mantenimiento y control

El mejor mantenimiento y control es efectuado suministrando instalaciones

adecuadas para la fácil limpieza y preparación del proceso. Pequeñas cantidades de

contaminantes metálicos como hierro, cinc, cobre o plomo tienen grandes efectos en la

apariencia, resistencia a la corrosión y amortiguación del depósito. Estos contaminantes

pueden ser removidos satisfactoriamente haciéndolos precipitar como sales insolubles y

luego filtrando. Los contaminantes orgánicos no pueden ser removidos por filtración

convencional, en cambio se pueden adsorber con carbón activado. [Gray, 1953]

El poder de esparcimiento depende de la polarización del cátodo, la conductividad

de la solución y la eficiencia del cátodo. Esta propiedad se puede mejorar aumentando el

pH, la temperatura, el contenido de níquel y de cloruros o la densidad de corriente. La

dureza de los depósitos también puede ser mejorada aumentando ligeramente el pH.

[Graham, 1962]

El control del pH se puede realizar por métodos colorimétricos o con electrodos de

vidrio. El pH limitante es aquel en que se inicia la precipitación de hidróxido de níquel.

[Graham, 1962]

El control de la composición de los constituyentes del baño se realiza de manera

satisfactoria mediante su análisis químico. En el apéndice B se presenta una de las varias

maneras para llevar a cabo dichos análisis.

Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición 27

5.2.6. Ánodos

En la mayoría de los baños de electrodeposición de níquel, los ánodos utilizados son

barras de níquel con una pureza superior al 90%. Se recomiendan usar las barras de níquel

enrollado con una pureza del 99%. [Gray, 1953]

5.2.7. Equipo

La mayoría de los tanques para electrodeposición de níquel son fabricados de metal

revestido con material sintético, como caucho. [Mohler, 1951]

5.2.8. Normalización

La ASTM (American Society for Testing and Materials) especifica distintos

espesores mínimos de níquel para secuencias de cobreado-niquelado-cromado dependiendo

del sustrato y la condición de servicio (SC, service condition, por sus siglas en ingés) del

objeto. En sustratos de acero, es necesario un espesor mínimo de 20 µm para SC 3, de 25

µm para SC 4 y de 30 µm para SC 5. En sustratos de cinc y sus aleaciones es necesario un

espesor mínimo de 10 µm para SC 1, entre 15 y 20 µm para SC 2, de 20 µm para SC 3, de

30 µm para SC 4 y de 35 µm para SC 5. En sustratos de cobre y sus aleaciones es necesario

un espesor mínimo de 5 µm para SC 1, entre 10 y 15 µm para SC 2, entre 20 y 30 µm para

SC 3 y de 25 µm para SC 4. En sustratos de aluminio y sus aleaciones es necesario un

espesor mínimo entre 20 y 25 µm para SC 4 y de 40 µm para SC 5. Todas las capas de

níquel pueden ser simples, dobles o triples según se especifique para cada condición de

servicio. Más detalladamente se puede consultar este estándar en el anexo A. [ASTM B456,

2003]

5.3. El baño de cromo

La electrodeposición de cromo es muy utilizada como operación final en muchos

artículos de uso general. Ésta se divide en dos categorías generales. La primera, que es la

más conocida, el cromo es depositado como una fina capa con propósitos decorativos. La

segunda categoría, que ha encontrado un gran mercado, es conocida como cromado

industrial, funcional o duro y se deposita una densa capa de cromo para tomar ventaja de

Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición 28

sus propiedades particulares como la alta resistencia al calor, bajo coeficiente de fricción y

resistencia al desgaste, abrasión y corrosión. [Gray, 1953]

Debido a su gran dureza y bajo coeficiente de fricción, los materiales cromados se

utilizan mucho en herramientas y partes expuestas al movimiento mecánico. Mientras que

su gran brillo y resistencia al desgaste y corrosión son factores que contribuyen al extenso

uso en acabado de piezas de automóviles y plomería. [Mohler, 1951]

Los baños de cromo se caracterizan por utilizar ánodos insolubles (generalmente de

plomo) ya que el cromo metálico no funciona satisfactoriamente como ánodo. Es por esto

que la fuente del metal proviene del trióxido de cromo (CrO3) que al disolverse en agua se

forma ácido crómico (H2CrO4). Sin embargo, el cromo no puede ser depositado de una

solución que contenga únicamente ácido crómico y agua, debe haber presencia en el baño

de uno o más radicales ácidos que actúen como catalíticos en la deposición catódica del

cromo. Los más comúnmente utilizados son los sulfuros y los fluoruros. El ácido sulfúrico

y el sulfato de sodio son las fuentes de sulfato más comunes, mientras que el ácido

fluisilícico es la fuente más común de fluoruro. [Gray, 1953]

5.3.1. Funciones de los constituyentes del baño

Los componentes esenciales en los baños de cromo son el trióxido de cromo y un

radical ácido como catalítico (el más utilizado es ion sulfato obtenido del ácido sulfúrico).

El cromo a ser depositado se introduce en el baño como CrO3 (frecuentemente, aunque

técnicamente incorrecto, llamado ácido crómico), este compuesto es también el encargado

de proveer la conductividad requerida en el baño. [Newby, 1999]

En la química convencional, el ácido crómico se presenta en concentraciones entre

150 y 450 g/L. La concentración de sulfato es crítica y siempre se mantiene relativa a la

concentración de ácido crómico en el baño. Una relación por peso de ácido crómico a

sulfato de 100:1 es lo más común. A razones menores, como 80:1, se obtienen depósitos

más lisos, pero el poder de esparcimiento y el de recubrimiento se reducen. A relaciones de

hasta 130:1 se obtienen características opuestas. A relaciones aún mayores se obtienen

depósitos ásperos y se reduce la velocidad de deposición. [Newby, 1999]

Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición 29

Las formulaciones típicas de los baños de cromo se presentan en los cuadros D.5 y

D.6 del apéndice D. En el baño diluido o duro la concentración de CrO3 varía entre 200 y

250 g/L siendo 250 g/L lo más común, mientras que la concentración de H2SO4 varía entre

2,0 y 2,5 g/L. En el baño concentrado o decorativo la concentración de CrO3 varía entre

250 y 450 g/L siendo 400 g/L lo más común, mientras que la concentración de H2SO4 varía

entre 2,5 y 4,0 g/L. No es común utilizar aditivos salvo ciertas excepciones que han estado

bajo mucha investigación.

5.3.2. Condiciones de operación

Las condiciones de operación típicas de los baños de cromo se presentan en los

cuadros D.5 y D.6 del apéndice D.

La temperatura varía entre 35 y 60 ºC, siendo lo más común entre 40 y 55 ºC. A

temperaturas altas se obtiene depósitos más lisos y se reduce la posibilidad de quemaduras

o nodulación en el depósito. [Newby, 1999]

La densidad de corriente catódica es muy variable con intervalos de hasta 5 a 50

A/dm2. El voltaje requerido es más alto que en la mayoría de los procesos de

electrodeposición, generalmente entre 4 y 12 V, dependiendo de las condiciones de

operación. La eficiencia de los baños de cromado es muy baja (generalmente entre 10 y 20

%) debido a la formación de reacciones secundarias de electrólisis que consumen gran

cantidad de corriente.

No se acostumbra agitar el baño. El tiempo de duración del proceso para efectos

decorativos es alrededor de 10 minutos, pero para cromado duro el tiempo es mayor de

acuerdo con el espesor requerido. [Gray, 1953]

5.3.3. Propiedades del depósito

Los depósitos de cromo se caracterizan por poseer una gran dureza. El bajo

coeficiente de fricción del cromo frente a otros metales es un factor importante para su uso

en ejes, pistones, cilindros de combustión interna, plomería y aplicaciones similares. Su

llamativo color blanco azulado y su gran resistencia a la oxidación son las razones

principales para su extenso uso en acabados decorativos. [Gray, 1953]

Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición 30

5.3.4. Mantenimiento y control

Los baños de cromo usualmente no requieren filtración, pero si se requiere clarificar

la solución, se deja reposar toda la noche y luego es decantada. El piqueteo no es

comúnmente encontrado en los baños de cromo y no se deben adicionar agentes

humectantes para influenciar la tensión superficial, ni siquiera es necesario medir o

controlar esta propiedad en el baño. [Gray, 1953]

Estos baños son muy estables y su composición es fácilmente mantenida por

análisis físicos o químicos. En el apéndice E se presenta una de las varias maneras para

llevar a cabo dichos análisis químicos.

5.3.5. Ánodos

En la electrodeposición de cromo se utilizan ánodos insolubles, el material

universalmente usado es aleación de plomo con un 7% de estaño o 6% de antimonio, o una

combinación de ambos, que se encargan de oxidar el cromo trivalente en hexavalente

durante la electrólisis. Esta aleación, además, provee al ánodo una gran resistencia a la

corrosión, una escogencia común, que incorpora los beneficios de ambos metales, es una

composición de 93% plomo, 4% estaño y 3% antimonio. Los ánodos normalmente tienen

una duración de seis meses a varios años. [Newby, 1999]

Es preferible utilizar varios ánodos angostos que una sola placa, de esta forma se

obtiene una distribución de corriente más uniforme. Es importante usar ánodos lo

suficientemente gruesos para conducir las altas corrientes requeridas en la

electrodeposición de cromo. Ánodos muy delgados se pueden sobrecalentar con el uso y

tenderán a corroerse y doblarse excesivamente. Los ánodos de plomo no deben tener una

capa gruesa o irregular de peróxido ya que la distribución de corriente se verá afectada. Es

conveniente limpiar los ánodos regularmente. [Gray, 1953]

5.3.6. Equipo

Los tanques para baños de cromo deben tener la característica esencial de resistir la

acidez. Son comunes los tanques hechos de ladrillos o aleaciones de plomo. Actualmente,

Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición 31

se prefiere el uso de revestimientos de material sintético flexible como el PVC o el

plastisol. [Snyder, 2000]

5.3.7. Contaminantes

La gran cantidad de hidrógeno y oxígeno producida en el ánodo durante la

electrodeposición de cromo ocasiona un rocío de ácido crómico que no debe permitirse

escapar a los alrededores, ya que el ácido crómico es muy irritante y corrosivo a las

membranas mucosas, la nariz y la garganta, su nivel de peligrosidad es muy alto. No debe

permitirse que la concentración de ácido crómico en el aire sea superior a 0,1 mg/m3. Por

esta razón se acostumbra ubicar chimeneas extractoras sobre los tanques de cromado o

utilizar antiespumantes a base de fluorocarbonos. [Gray, 1953]

5.3.8. Otros baños

Los baños de cromo trivalente son muy utilizados para obtener cromo decorativo.

Éstos son sistemas más seguros y eficientes con los que se eliminan algunos problemas

asociados al cromo hexavalente como la alta toxicidad, baja eficiencia de corriente, pobre

distribución del metal y depósitos quemados en zonas de alta densidad de corriente.

[Snyder, 2000]

Los baños de cromo negro son usados en aplicaciones funcionales y decorativas.

Importantes aplicaciones funcionales incluyen colectores de energía solar para producción

de calor y superficies anti-reflejo. Mientras que algunas aplicaciones decorativas incluyen

mobiliario, plomería, equipo óptico, equipo naval y computacional. La mayoría de los

procesos de cromo negro son patentados debido a la dificultad de obtener características

regulares en los depósitos. [Snyder, 2000]

La electrodeposición de cromo poroso es importante en aplicaciones donde se

requieren superficies con mejor resistencia a la abrasión y altas cualidades lubricantes tales

como en equipo militar. [Newby, 1999]

Algunos baños de cromo decorativo comprenden composiciones patentadas con los

que se mejoran tanto la eficiencia de corriente como la velocidad de deposición y las

características de los depósitos. Uno de estos baños comprende la utilización de ácido

Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición 32

crómico, ácido sulfoacético, yodato o sulfato y un compuesto orgánico nitrogenado como

glicina, piridina o guanina. [Martyak, 1989]

5.3.9. Normalización

La ASTM (American Society for Testing and Materials) especifica que el espesor

mínimo de los depósitos de cromo debe ser de 0,25 µm en superficies significativas,

excepto para las condiciones de servicio SC1 donde el espesor mínimo se reduce a 0,13

µm. Este estándar se muestra en el anexo A. [ASTM B456, 2003]

33

CAPITULO 6 EQUIPO PARA LA ELECTRODEPOSICIÓN

Una persona chistosa sin medida es el mayor tesoro del

hombre.

Luna Lovegood (J. K. Rowling)

El propósito de esta investigación es el diseño del equipo de electrodeposición para

su posterior construcción y utilización en el Laboratorio de la Escuela de Ingeniería

Química. Dicho diseño se basó en la investigación bibliográfica, mientras que los criterios

se basaron en la sencillez para la utilización del equipo tratando de representar de la manera

más fiel posible el proceso tal como se lleva a cabo industrialmente.

El equipo construido es muy sencillo y de fácil manejo, se diseñó tomando en

cuenta los conocimientos teóricos, visitas realizadas a industrias especializadas y a la

experiencia de profesionales allegados al campo. Para su construcción se utilizaron

materiales de bajo precio y fácil adquisición en ferreterías y talleres. Las especificaciones

del equipo e instrumentación de medición se muestran en el cuadro 6.1, mientras que el

equipo completo se ilustra en la figura 6.1.

Cuadro 6.1. Descripción de aparatos e instrumental usado Unidad Fabricante Ámbito Serie

Bomba de aire Hagen 1,5 psi ------ Plantilla eléctrica Chromalox 0-300 ºC 120133 Fuente de poder Nippon America 13,8 VCD / 20-22 ACD 10784

Amperímetro Simpson 0-25 ACD 10662 Voltímetro Goldstar 0-1000 VCD 154209

Termómetro Sper Scientific -20-110 ºC ------ Vernier Precision Instruments 0-150 mm ------

Micrómetro Starrett 0-25 mm 154286 Cronómetro Accusplit ------ 126541

Balanza semi-analítica AE Adam 0-360 g 223343

6.1. Rectificadores

Exceptuando algunos casos, se puede considerar que todas las fuentes de corriente

eléctrica a baja tensión están constituidas por rectificadores de corriente. Este aparato se

Capítulo 6: Equipo para la Electrodeposición 34

Figura 6.1. Equipo de electrodeposición construido.

compone normalmente de los siguientes elementos: una transformador principal, un

autotransformador, celdas rectificadoras, aparatos de medida, aparatos de mando y

protección, pletinas y cableado y el contenedor. [Glayman, 1969]

El transformador principal de corriente transforma la corriente eléctrica alterna de

220 V de tensión (110 ó 380 V) en corriente alterna de baja tensión (4, 8, 12, 16, 20 V). En

este transformador existen tomas múltiples de ajuste de tensión, generalmente cuatro.

[Glayman, 1969]

El autotransformador tiene por fin la regulación del secundario del transformador y

permite la obtención de una corriente alterna regulable a partir de un punto a definir (que

puede ser el 0) hasta el máximo. La regulación puede hacerse por medio de tomas múltiples

(4, 16, 32 ó 64) o en continuo. Es esencial que la respuesta de mando sea lo más rápida

posible y que la aguja sea estable. [Glayman, 1969]

Las celdas rectificadoras tienen por misión transformar la corriente alterna a baja

tensión regulada, en corriente continua a baja tensión regulada. Para este propósito se

utiliza el selenio (principalmente) y el silicio. Los aparatos de medida (amperímetros y

voltímetro) deben tener una amplia escala de lectura y una precisión tal que se esté seguro

de que las lecturas son reales. [Glayman, 1969]

El mando de control se efectúa por medio de un botón pulsador, que por intermedio

de un contactor-disyuntor (aparato de protección) permite a la corriente eléctrica llegar al

Capítulo 6: Equipo para la Electrodeposición 35

transformador. También es conveniente que a la salida de baja tensión se disponga un

aparato de protección, que en caso de cortocircuito interrumpa el funcionamiento del

rectificador. [Glayman, 1969]

Las conexiones en la zona de media tensión (110-220 V) deben realizarse por medio

de cables de cobre aislados convenientemente, y por pletinas de cobre en la zona de baja

tensión. Se recomienda que la tensión no sobrepase los 2 A/mm2 en todas las partes

situadas en la atmósfera y 4 A/mm2 en las sumergidas en aceite. [Glayman, 1969]

Todo el material que forma un rectificador está contenido en un conjunto que

constituye el rectificador, el cual puede ser al aire con o sin circulación forzada o en aceite.

[Glayman, 1969]

6.1.1. Circuito de alimentación a los recipientes por medio de rectificadores

La mejor disposición es alimentar cada recipiente con su respectivo rectificador. Si

un rectificador alimenta dos o más recipientes, cada uno debe poseer su propio reostato

para asegurar la variación de corriente en cada baño. Se debe regular el rectificador a la

tensión del baño de valor más elevado, de forma que en los reostatos no se absorba más que

el mínimo de corriente. [Glayman, 1969]

6.1.2. Unión rectificador-recipientes

Las uniones rectificadoras, reostatos, equipos electrolíticos se harán de una forma

general en pletinas de cobre o aluminio o en barras redondas de cobre. Es importante que la

caída de tensión en las barras se reduzca al mínimo, la ley de Ohm que rige este trabajo se

aplica mediante la siguiente ecuación:

RiE *= 8.1

De esta forma, dada una cierta cantidad de corriente a transportar, definida por su

intensidad, es decir, por las necesidades operatorias, cuanto más débil sea la resistencia,

más débil será la caída de tensión, dicho de otra forma, menos voltios se “pierden”.

[Glayman, 1969]

Capítulo 6: Equipo para la Electrodeposición 36

La distribución de corriente a baja tensión de los rectificadores a los recipientes se

hará siempre en barras metálicas desnudas. Por debajo de una intensidad de 50 A se pueden

admitir cables aislados, pero con terminales en los extremos. [Glayman, 1969]

6.2. Tanques

Se recomienda construir todos los tanques de un metal resistente como el plomo o

hierro con el fin de que soporten el peso del baño. Para evitar que el metal actúe como un

desviador de corriente se emplean revestimientos resistentes a la corrosión y ambientes

agresivos según el tipo de baño a utilizar.

El tanque puede ser forrado con muchos materiales, las cerámicas son muy

resistentes al calor, pero tienden a ser quebradizas y no son convenientes para baños de

fluoboratos; las bandejas de vidrio tienen características similares, pero los plásticos y las

resinas tienen ciertas ventajas de montura, aunque son susceptibles al ataque alcalino y

tienen un alto costo; los forros de caucho han sido muy usados, pero no a temperaturas

superiores a 75 ºC. [Gabe, 1972]

Todos los tanques del equipo fueron construidos con cloruro de polivinilo (PVC)

laminado con forma rectangular. Se eligió este material debido a su facilidad de

manipulación y al hecho de que es muy resistente a las soluciones que se utilizan siempre y

cuando no se exceda la temperatura sobre los 60 ºC.

Debido a que en el mercado no es posible conseguir PVC laminado con las

dimensiones requeridas, se utilizó tubería sanitaria de PVC, SDR 41 con un diámetro

nominal de 75 mm (3 pulg) y mediante la aplicación de calor en un horno a 100 ºC durante

unos pocos minutos se suavizó el material, luego con dos placas de madera se prensó y dejó

enfriar para obtener las respectivas láminas. Las láminas se cortaron en trozos del tamaño

requerido para cada tanque y estos trozos se unieron con pegamento especial para PVC.

Se construyeron cinco tipos distintos de tanques:

• Tanques para enjuague simple, utilizados para inmersiones rápidas.

• Tanques para enjuague doble, utilizados para lavados con agua.

• Tanques para baños de cobre y níquel.

• Tanque para baño de cromo

Capítulo 6: Equipo para la Electrodeposición 37

• Celda de Hull, utilizada para el control de los baños.

Las dimensiones de cada tipo de tanque se presentan en el cuadro 6.2, mientras que

los planos constructivos se muestran en el apéndice F. Para construir la celda de Hull se

siguió un procedimiento similar pero utilizando tubería sanitaria de PVC, SDR 35 con un

diámetro nominal de 100 mm (4 pulg).

Cuadro 6.2. Dimensiones de los tanques

Tanque Ancho (cm)

Largo (cm)

Altura (cm)

Espesor (mm)

Enjuague simple 6 6 10 2,2 Enjuague doble 12,4 6 10 2,2

Baños de cobre y níquel 13 10 10 2,2 Baño de cromo 10 7 10 2,2

6.3. Celdas electrolíticas

Las celdas electrolíticas son los tanques en donde se dan las etapas de

electrodeposición, o sea, los baños de cobre, níquel y cromo, el material de construcción del

tanque es PVC, el cual es resistente a las condiciones de operación. Tal como se muestra en

la figura 6.2, la celda electrolítica se compone de los ánodos (ya sean de cobre, níquel o

plomo, según el baño), cátodos (metal base) y el electrolito.

6.4. Sistema de agitación

La agitación continua permite una distribución homogénea de la corriente eléctrica,

ayuda a la disolución de las sales metálicas y acelera la liberación de hidrógeno disuelto.

Se construyó un sistema de agitación por aire que incluye mangueras delgadas y una

bomba para pecera, marca Hagen, modelo Elite 798 con una alimentación de 120 VCA / 60

Hz y 1,5 W de potencia, capaz de proporcionar un flujo continuo de aire con una presión de

105 Pa.

El aire ingresa por la parte inferior de los tanques y específicamente en las zonas

donde se encuentran los electrodos con el fin de proporcionar una agitación uniforme. El

Capítulo 6: Equipo para la Electrodeposición 38

Figura 6.2. Celda electrolítica.

sistema cuenta con una válvula de regulación de flujo y válvulas de retención en las

conexiones de cada tanque para evitar la entrada de líquido a la bomba. La bomba debe

mantenerse siempre a una altura sobre el nivel del líquido para favorecer su desempeño.

6.5. Calentador

El calentamiento del tanque se da usualmente por medio de serpentines, donde el

material más comúnmente usado para los rollos de serpentines es el titanio. En una planta

grande es más cómodo usar calentamiento directo por medio de electricidad. [Gabe, 1972]

En el caso del equipo aquí estudiado, para calentar las soluciones y los baños se

utiliza una plantilla eléctrica marca Chromalox. Éste no forma parte del equipo en sí, ya

que los baños y soluciones son calentados en beakers de vidrio sobre la plantilla hasta

alcanzar la temperatura requerida y luego son trasvasadas a sus respectivos tanques para

desarrollar el proceso.

6.6. Fuente de poder

Como fuente de poder se utiliza un rectificador marca Nippon America. Éste

suministra una corriente fija entre 20 a 22 ACD con un voltaje de 13,8 VCD. Tiene una

alimentación de 120 VCA / 60 Hz. Esta fuente de poder no es regulable por lo que se hace

Capítulo 6: Equipo para la Electrodeposición 39

necesario un reostato o un sistema de resistencias para variar la corriente necesaria en cada

etapa.

6.7. Termómetro

Para el control de la temperatura de los baños se utiliza un termómetro de vidrio tipo

varilla marca Sper Scientific, con un ámbito de -20 a 110 ºC y una precisión de 0,5 ºC.

6.8. Voltímetro

Para la medición del voltaje aplicado se utiliza un voltímetro digital marca Goldstar,

el cual se conecta en paralelo al sistema eléctrico entre los polos de la fuente de poder, o

sea, los cables que unen los electrodos con la fuente de corriente. Éste tiene una ámbito de

0 a 1000 VCD y una precisión variable según la escala de voltaje utilizada.

6.9. Amperímetro

Para la medición de la corriente aplicada se utiliza un amperímetro analógico marca

Simpson, el cual se conecta en serie al sistema en el polo negativo de la fuente de poder, o

sea, el cable que une el cátodo con la fuente de corriente. Tiene un ámbito de 0 a 25 ACD y

una precisión de 0,05 A.

6.10. Balanza semi-analítica

Se utiliza una balanza semi-analítica digital marca AE Adam para medir la masa de

los cátodos antes y después de cada electrodeposición. Ésta cuenta con una capacidad

máxima de 360 g y es capaz de realizar lecturas de hasta 1 mg.

6.11. Vernier

Con el vernier se miden las dimensiones de los cátodos o piezas a recubrir y de los

ánodos. Éste es marca Precision Instruments, tiene un ámbito de 0 a 150 mm, graduado con

incrementos de 0,05 mm, además de otra escala que va de 0 a 6 pulg con subdivisiones de

0,001 pulg.

Capítulo 6: Equipo para la Electrodeposición 40

6.12. Micrómetro

Con el micrómetro se mide el espesor puntual de los cátodos antes y después de

cada electrodeposición. Éste es marca Starrett, cuenta con un ámbito que va de 0 a 25 mm,

graduado con incrementos de 0,01 mm (10 µm).

6.13. Cronómetro

Para el control del tiempo de electrodeposición se utiliza un cronómetro digital

marca Accusplit, capaz de dar lecturas en segundos y décimas de segundo.

6.14. Conexiones eléctricas

Para todas las conexiones eléctricas se utiliza cable de cobre convencional de 1,6

mm (1/16 pulg) de diámetro, el cual es más que suficiente para transportar la cantidad de

corriente del sistema sin sufrir sobrecalentamiento de ningún tipo.

Las barras de los electrodos son de bronce de 2,4 mm (3/32 pulg) de diámetro, estas

barras se colocan directamente en la parte superior de los tanques, mientras que las uniones

entre los electrodos y las barras se realizan con sujetadores metálicos de prensa atados con

un pequeño trozo de cable de cobre.

Los polos de la batería y los cables de cobre se unen con sujetadores metálicos de

prensa, al igual que las barras de los electrodos y los cables de cobre, de esta forma se

permiten la fácil y rápida manipulación de los cables de un baño a otro.

6.15. Circuito eléctrico

El circuito eléctrico es armado según se muestra en la figura 6.3, conectando

siempre la barra del cátodo a la terminal negativa de la fuente de corriente y las barras de

los ánodos a la terminal positiva, estas uniones se realizan con sujetadores de prensa. El

amperímetro se conecta en serie entre la barra catódica y la terminal negativa de la fuente

de corriente, mientras que el voltímetro se conecta en paralelo entre las conexiones

positivas y negativas de la fuente de corriente. Además, se conecta un reostato o un sistema

de resistencias en la terminal negativa, antes del amperímetro.

Capítulo 6: Equipo para la Electrodeposición 41

Figura 6.3. Circuito eléctrico. [Graham, 1962]

6.16. Área de trabajo

Tal y como se muestra en la figura 6.1 el sistema está compuesto por los tanques,

las celdas electrolíticas, el sistema de agitación, la fuente de corriente directa con sus

conexiones eléctricas y todo el equipo de instrumentación necesario. Éste se instala en un

espacio de 80 cm x 110 cm, con sus respectivas tomas de corriente alterna de 120 VCA / 60

Hz, en un ambiente con ventilación adecuada y cercano a las tomas de agua.

El equipo cuenta con su propio espacio de trabajo y solo debe ser desarmado cuando

se pretende realizar operaciones de mantenimiento. Los reactivos y el equipo instrumental,

en cambio, sí deben ser almacenados después de su uso.

6.17. Mantenimiento

Se debe mantener el cuidado básico en todo el equipo eléctrico y el sistema en

general. La fuente de poder y el sistema de agitación deben mantenerse apagados cuando

no se están utilizando. Debe evitarse el contacto con agua u otro líquido en todas las

conexiones eléctricas.

Los reactivos y baños deben guardarse en sus respectivos envases, los tanques y

toda la cristalería deben ser lavados y limpiados antes y después de su uso. No debe

permitirse el deterioro de los ánodos ni de los cátodos.

Capítulo 6: Equipo para la Electrodeposición 42

En caso de detectarse impurezas en los baños, éstos deben filtrarse por gravedad.

Para eliminar sólidos suspendidos se utiliza un filtro de algodón o algún otro medio

resistente a la corrosión ácida de los baños, no debe usarse nunca papel filtro. En caso de

detectarse impurezas orgánicas coloidales se filtra en un lecho de carbón activado especial

para medios ácidos.

43

CAPITULO 7 PROCESO Y CONTROL

Nunca dejes que la moral te impida dejar de hacer lo que está

bien.

Isaac Asimov

7.1. Metodología

El propósito general del proyecto es cromar una pequeña placa metálica siguiendo

el proceso establecido y utilizado casi universalmente en todas las industrias, basado en el

mecanismo de la electrodeposición de metales sobre otros metales.

Las variables a medir son las dimensiones de las placas así como el espesor y la

masa de las mismas antes y después de cada etapa de electrodeposición. También se mide

el tiempo de cada electrodepósición y la corriente total aplicada.

Se utilizan placas de 5 cm x 4 cm y con las variables a medir se determina un

espesor de electrodepósito local y uno promedio real y teórico.

7.2. Secuencia del proceso

El proceso en general cuenta con cuatro etapas principales, las cuales son

preparación del metal base, cobreado, niquelado y cromado. La preparación del metal base

abarca todos los procesos de limpieza del cátodo mientras que las otras tres son las etapas

propias de electrodeposición. Cada etapa se explica más detalladamente en capítulos

posteriores. Todas ellas son igual de importantes para lograr acabados satisfactorios aunque

algunas tengan una duración de unos cuantos segundos.

Todas las disoluciones se preparan con agua destilada. Las principales

características de los reactivos que se utilizan se presentan en el cuadro 7.1.

7.3. Pruebas con celda de Hull

Para verificar que la concentración de los baños y las condiciones de operación

predefinidas son las adecuadas se llevan a cabo varias pruebas con la celda de Hull

construida y haciendo uso de la regla de Hull, la cual se presenta en el anexo B para

diferentes corrientes aplicadas.

Capítulo 7: Proceso y Control 44

Cuadro 7.1. Características de los reactivos usados Reactivo Fabricante Composición Calidad

Hidróxido de sodio Sigma Aldrich 97% Industrial Ácido sulfúrico EMD 95-98% Industrial

Ácido clorhídrico Gamma 36,5-38% Industrial Ácido bórico Borsäure purum 98% Industrial

Sulfato de cobre pentahidratado Merck 99,8% Industrial Sulfato de níquel hexahidratado Merck 99% Industrial Cloruro de níquel hexahidratado Fisher 97% Industrial

Trióxido de cromo Baker 99,8% Industrial Peróxido de hidrógeno Lacofa 3% Medicinal

Melaza Hortifruti >99% Alimentaria Gelatina DGF Stoess >99% Alimentaria

Sacarina sódica Sandel >99% Alimentaria

7.3.1. Prueba de cobreado

Se utilizó una placa de latón con dimensiones de 10,2 cm de ancho y 6,5 cm de

largo, un ánodo de cobre con 6,5 cm tanto de ancho como de largo y un volumen total del

baño de 267 mL con la formulación presentada en el cuadro 9.1. Se aplicó una corriente

total de 3 A durante un minuto. El resultado se muestra en la figura 7.1.

Figura 7.1. Prueba con celda de Hull para la etapa de cobreado.

Con ayuda de la regla de Hull, se puede observar que el intervalo ideal de densidad

de corriente para operar se encuentra entre 3,6 y 9,0 A/dm2 aproximadamente..

Capítulo 7: Proceso y Control 45

7.3.2. Prueba de niquelado

Se utilizó una placa de latón, previamente cobreada, con dimensiones de 10,2 cm de

ancho y 6,5 cm de largo, una bolsa de polímero de 6,5 cm tanto de ancho como de largo y

cuatro ánodos de níquel dentro y un volumen total del baño de 267 mL con la formulación

presentada en el cuadro 10.1. Se aplicó una corriente total de 2 A durante un minuto. El

resultado se muestra en la figura 7.2.

Figura 7.2. Prueba con celda de Hull para la etapa de niquelado.

Con ayuda de la regla de Hull, se puede observar que el intervalo ideal de densidad

de corriente para operar se encuentra entre 4,0 y 10,0 A/dm2 aproximadamente.

7.3.3. Prueba de cromado

Se utilizó una placa de latón, previamente cobreada y niquelada, con dimensiones

de 10,2 cm de ancho y 6,5 cm de largo, un ánodo de plomo con 5,9 cm de ancho y 5,7 cm

de largo y un volumen total del baño de 267 mL con la formulación presentada en el cuadro

11.1. Se aplicó una corriente total de 5 A durante dos minutos. El resultado se muestra en la

figura 7.3.

Capítulo 7: Proceso y Control 46

Figura 7.3. Prueba con celda de Hull para la etapa de comado.

Con ayuda de la regla de Hull, se puede observar que el intervalo ideal de densidad

de corriente para operar se encuentra entre 15,0 y 26,0 A/dm2 aproximadamente.

47

CAPITULO 8 PREPARACIÓN DEL METAL BASE

Los intelectuales resuelven los problemas, los genios los

evitan.

Albert Einstein

8.1. Metodología

El propósito general de esta etapa es preparar las placas metálicas usadas como

cátodos para el proceso de electrodeposición ya que, en general, los baños de los tipos

ácidos o neutros requieren que la superficie del metal base se encuentre sustancialmente

libre de grasas, aceites y óxidos. La limpieza del metal base es la etapa más crucial de

cualquier proceso de este tipo, cualquier imperfección en la superficie del metal base se

convierte en parte de la cubierta final y, en muchos casos, se magnifica en el objeto en

lugar de ser minimizada. Además, cualquier electrodepósito no se adhiere adecuadamente a

metales que no se les han eliminado absolutamente toda la grasa u óxido.

En este procedimiento no hay variables a medir y el tiempo de inmersión en cada

etapa no debe aplicarse como una regla sino como una guía, lo esencial es obtener el nivel

de limpieza adecuado.

Se utilizan placas de 5 cm x 4 cm de latón, sin embargo, para otro tipo de metal base

la preparación es muy similar.

8.2. Secuencia del proceso

El proceso de preparación del metal base cuenta con cuatro etapas diseñadas

exclusivamente para las placas utilizadas. En caso de utilizar placas de otros materiales o en

condiciones más severas de suciedad y oxidación, las etapas deben rediseñarse.

Todas las disoluciones se preparan con agua destilada. Las principales

características de los reactivos que se utilizan se presentan en el cuadro 7.1.

Para asegurarse que todo el proceso se está llevando de manera satisfactoria,

después del último enjuague se debe observar una película continua de agua, en caso

contrario, es preferible repetir todo el proceso de limpieza o las etapas que se crean

convenientes.

Capítulo 10: Preparación del Metal Base 48

8.2.1. Limpieza abrasiva

Se puede prescindir de esta etapa si el metal se encuentra libre de ralladuras,

suciedad, óxidos de algún tipo o cubiertas como pintura o grasa.

Para el equipo diseñado, las placas utilizadas se encontraron con muy poca suciedad

y sin óxidos ni pintura, en general, en muy buenas condiciones para el proceso de

electrodeposición. Sin embargo, con el fin de prevenir algún inconveniente y tener

uniformidad de resultados, a todas las placas se les aplica el mismo tratamiento en esta

etapa.

Debido al tamaño de las placas, esta etapa se realiza a mano. Con un paño de

algodón (también puede utilizarse un paño de nylon u otro material suave y resistente) se

aplica una pequeña cantidad de cera pulidora de metales marca Brasso®. Con el paño se

frota por toda la pieza hasta que tome un color uniforme y brillante, enseguida se limpia

con papel absorbente para eliminar los restos de la cera y suciedades desprendidas.

8.2.2. Limpieza alcalina

Una vez la pieza está libre de toda suciedad se prosigue con la limpieza alcalina.

Ésta se lleva a cabo como una rápida inmersión de la pieza de no más de un minuto en una

disolución de hidróxido de sodio en agua con una concentración de 10 g/L.

Se utiliza un tanque para baño simple construido con PVC laminado el cual tiene

una capacidad total de 360 mL, sin embargo para evitar derrames se trabaja con el 65% de

su capacidad, 235 mL.

El baño se prepara de la siguiente forma: en un vidrio de reloj tarado se pesan 2,35 g

de hidróxido de sodio puro en pastillas, seguidamente se disuelven en un beaker con 235

mL de agua destilada, finalmente se trasvasa a su respectivo tanque. De esta forma se

obtiene una disolución con una concentración de NaOH de 10 g/L.

Se trabaja a temperatura ambiente, aunque para una limpieza más rápida se puede

calentar el agua destilada a 50 ºC antes de adicionar el NaOH en pastillas y trabajar con

este baño a esa temperatura.

Capítulo 10: Preparación del Metal Base 49

8.2.3. Enjuague

Luego del tratamiento en medio básico, la pieza debe lavarse de forma satisfactoria

por lo que la siguiente etapa es un enjuague con agua, preferiblemente destilada. Se efectúa

como una inmersión de la placa en cada sección de un tanque doble durante 10 segundos.

Se repite dos veces la inmersión de la placa en cada sección del tanque para asegurar una

buena limpieza.

Se utiliza un tanque para baño doble construido con PVC laminado el cual cada

sección tiene una capacidad total de 360 mL, sin embargo para evitar derrames se trabaja

con el 65% de su capacidad, 235 mL en cada sección.

Se trabaja con agua a temperatura ambiente, aunque para una mejor limpieza el

agua de la primera sección se calienta a 40 ºC, mientras que el agua de la segunda sección a

temperatura ambiente. El agua de ambas secciones debe reemplazarse periódicamente para

asegurar una buena limpieza en esta etapa.

8.2.4. Inmersión ácida

La limpieza en un baño ácido es de gran importancia ya que en esta etapa se

eliminan trazas de NaOH de la limpieza alcalina y cualquier óxido presente que no fue

eliminado en la etapa de limpieza abrasiva. El baño actúa como una etapa de pulido por

medio químico, además sirve para activar la pieza para la electrodeposición de cobre y

permitir una deposición más rápida y efectiva. Esta etapa se lleva a cabo como una rápida

inmersión de la pieza de no más de 30 segundos en una disolución de ácido clorhídrico en

agua con una concentración de 10 g/L.

Se utiliza un tanque para baño simple construido con PVC laminado el cual tiene

una capacidad total de 360 mL, sin embargo para evitar derrames se trabaja con el 65% de

su capacidad, 235 mL.

El baño se prepara de la siguiente forma: con una probeta se miden 6,5 mL de ácido

clorhídrico concentrado (38% en peso), seguidamente se disuelven en un beaker con 227,5

mL de agua destilada, finalmente se trasvasa a su respectivo tanque. De esta forma se

obtiene una disolución con una concentración de HCl de 10 g/L.

Capítulo 10: Preparación del Metal Base 50

Se trabaja a temperatura ambiente, aunque para una limpieza más rápida y segura se

puede calentar el agua destilada a 30 ºC antes de adicionar el HCl y trabajar con este baño a

esa temperatura. Esta formulación es especial para inmersión ácida de piezas de latón, en

caso de utilizar como metal base otro material, ya sea cobre, hierro, níquel o bronce se

procede a utilizar las formulaciones presentadas en el cuadro 8.1.

Cuadro 8.1. Formulaciones para inmersión ácida según el material del metal base.

Metal Base Concentración

de HCl (g/L)

Concentración de H2SO4

(g/L)

Temperatura (ºC)

Tiempo de inmersión

(s) Piezas ferrosas 20-30 50 60 Piezas de cinc y

aleaciones 10-30 30 30

Piezas de cobre y aleaciones

35-70 85-170 25 60

Piezas de níquel y aleaciones

85-170 25 60

8.2.5. Enjuague

La última etapa del proceso de preparación del metal base es un enjuague con agua.

La pieza debe lavarse totalmente y de forma adecuada antes del proceso de

electrodeposicón de cobre. Por lo tanto, en esta etapa se utiliza agua, preferiblemente

destilada y se efectúa una inmersión de la placa en cada sección de un tanque doble durante

10 segundos. Se repite dos veces la inmersión de la placa en cada sección del tanque para

asegurar una buena limpieza.

Se utiliza un tanque para baño doble construido con PVC laminado el cual cada

sección tiene una capacidad total de 360 mL, sin embargo para evitar derrames se trabaja

con el 65% de su capacidad, 235 mL en cada sección.

Al igual que el enjuague anterior, se trabaja con agua a temperatura ambiente,

aunque para una mejor limpieza el agua de la primera sección se calienta a 40 ºC, mientras

que el agua de la segunda sección se mantiene a temperatura ambiente. El agua de ambas

secciones debe reemplazarse periódicamente para asegurar una buena limpieza en esta

etapa.

51

CAPITULO 9 COBREADO

La potencia intelectual de un hombre se mide por la dosis de

humor que es capaz de utilizar.

Friedrich Nietzsche

9.1. Metodología

El objetivo primordial de esta etapa es electrodepositar una capa de cobre brillante

en dos placas de latón de 5cm x 4 cm, en un baño de sulfato de cobre. Se eligió este tipo de

baño por ser uno de los procedimientos de cobreado más utilizados en la industria, debido a

su facilidad de preparación y operación, su baja peligrosidad, la pureza y bajo precio de los

reactivos utilizados y su fácil disposición de los desechos.

La metodología de esta etapa consiste en preparar una solución electrolítica de

cobre según las condiciones especificadas para baños de sulfato de cobre. Las placas,

previamente preparadas, pesadas y medidas se sumergen en la solución electrolítica de

cobre a las condiciones de operación establecidas durante un minuto. Transcurrido este

tiempo, las piezas se enjuagan, secan y se vuelven a pesar y a medir su espesor. Luego se

continúa con la etapa de niquelado.

Con los datos medidos, el tiempo de electrodeposición y la corriente aplicada, se

procede a calcular el espesor de la capa de cobre y la eficiencia catódica del baño. Aunque

no se realiza en este proyecto, se puede calcular la eficiencia de los ánodos pesándolos y

midiendo sus dimensiones y espesor antes y después del proceso de cobreado.

9.2. Formulación del baño

La formulación elegida se presenta en el cuadro 9.1. El criterio seguido para optar

por esta formulación es simplemente mantenerse dentro de los intervalos de la mayoría de

los autores, ya que el propósito es electrodepositar una capa de cobre brillante sin la

necesidad de que esta tenga características especiales de dureza, maleabilidad o tensión.

La elección de los aditivos para abrillantar responde principalmente a la facilidad de

adquisición y manipulación de estos, ya que tanto la melaza como la gelatina se pueden

conseguir a bajos precios y con una alta pureza en cualquier supermercado.

Capítulo 9: Cobreado 52

Cuadro 9.1. Formulación elegida para el baño de sulfato de cobre

Reactivo Concentración

(g/L) CuSO4·5H2O 220

H2SO4 50 HCl 0,090

Melaza 0,75 Gelatina 0,10

Las características de los reactivos utilizados se muestran en el cuadro 7.1. El

sulfato de cobre pentahidratado tiene una pureza del 99,8%, es de grado industrial. El ácido

sulfúrico es una solución al 98% con una densidad de 1,84 g/mL, de grado industrial,

mientras que el ácido clorhídrico es una solución al 38% con una densidad de 1,18 g/mL,

de grado industrial. Tanto la melaza como la gelatina tienen una pureza mayor al 99% y son

de grado alimentario. Debe tenerse en consideración que las concentraciones presentadas en

el cuadro 9.1 corresponden al reactivo con una pureza del 100%; de esta forma, la cantidad

de los reactivos adicionados debe calcularse adecuadamente para no alterar la composición

del baño.

9.3. Equipo

El equipo para esta etapa lo conforma un tanque para la celda electrolítica, el

sistema de agitación, la fuente de corriente directa con sus conexiones, las barras de los

electrodos, los cátodos o placas a recubrir y los ánodos de cobre.

El tanque fue construido con PVC laminado de 2,2 cm de espesor, tiene 13 cm de

ancho, 10 cm de largo y 10 cm de altura, su volumen total es de 1300 cm3, mientras que el

volumen del líquido se mantiene a 845 cm3. El sistema de agitación está conformado por

mangueras de hule transparente y una bomba de aire para pecera, funciona con

alimentación de 120 VCA / 60 Hz. La fuente de corriente directa es un rectificador, con una

salida de 22 ACD y una alimentación de 120 VCD / 60 Hz. Las conexiones son cables de

cobre forrados y las uniones son sujetadores metálicos de prensa. Las barras de los

electrodos son de bronce, de 2,4 mm (3/32 pulg) de diámetro y tienen una longitud de 13

cm. Los ánodos son de cobre.

Capítulo 9: Cobreado 53

9.4. Preparación del baño

Para la preparación del baño se procede a adicionar el ácido sulfúrico en cuatro

veces su volumen en agua y luego adicionar el sulfato de cobre, el ácido clorhídrico y los

aditivos.

Se prosigue de la siguiente forma: con una probeta se miden 200 mL de agua

destilada y se depositan en un beaker de plástico de un litro. Luego, con una probeta se

miden 23,5 mL de H2SO4 y se agregan lentamente y con agitación al beaker de un litro, se

mezcla con un agitador de vidrio. En un vidrio de reloj se pesan 186 g de CuSO4·5H2O en

una balanza y se agregan a la mezcla de ácido sulfúrico, se agita la mezcla hasta disolver la

sal de cobre; se adicionan 0,20 mL (4 gotas) de HCl y se continúa la agitación.

Seguidamente, se agrega agua destilada hasta un volumen total de 835 mL y se mezcla

levemente. Finalmente, con una probeta se miden 10 mL de la mezcla de aditivos

previamente preparada, se agregan a la solución de cobre y se procede a agitar hasta que la

disolución se observe homogénea.

Para la preparación de la mezcla de aditivos se sigue este procedimiento: en un

beaker de vidrio, se calientan 100 mL de agua destilada a 40 ºC. Aparte, en una balanza se

pesan 9,50 g de melaza y 1,27 g de gelatina y se agregan al beaker con agua caliente,

seguidamente se procede a agitar hasta disolver completamente la melaza y la gelatina. Se

agrega agua destilada hasta obtener un volumen de 150 mL y se mezcla bien.

A la hora de preparar estas mezclas se deben considerar los siguientes aspectos:

• Asegurarse que el ácido sea adicionado a suficiente agua para evitar la generación

de calor excesivo o salpicaduras.

• El electrolito se debe mezclar en un recipiente o tanque de plástico o cerámica.

• Se debe dejar enfriar la solución a temperatura ambiente antes de agregar los

aditivos.

• Es recomendable el tratamiento con carbón activado antes de agregar los aditivos.

9.5. Ánodos

Los ánodos fueron construidos enrollando cable de cobre en placas de PVC de 2,2

cm de espesor. Cada placa de PVC tiene 9,5 cm de ancho y 5,5 cm de largo. El cable de

Capítulo 9: Cobreado 54

cobre tiene un diámetro de 2,4 mm (3/32 pulg) y fue enrollado en las placas a lo largo. De

esta forma se obtienen placas de cobre enrollado con dimensiones de 9,5 cm de ancho, 6 cm

de largo y 7 mm de espesor (4,8 mm de cobre y 2,2 mm de PVC). En la figura 9.1 se

presentan los ánodos de cobre utilizados.

Figura 9.1. Ánodos de cobre utilizados en la etapa de cobreado.

Cada ánodo tiene una masa total de cobre de 63,7 g y un área total de 133,1 cm2.

Como el área total de las placas de metal base es de 80,7 cm2, el baño tiene una relación

ánodo/cátodo de 1,65.

Los ánodos se distribuyen a ambos lados de los cátodos y a distancias iguales para

favorecer la uniformidad del electrodepósito. Se unen a las barras anódicas mediante

uniones metálicas de prensa.

9.6. Operación del baño

Las condiciones de operación elegidas se presentan en el cuadro 9.2. El criterio al

elegir dichas condiciones de operación es mantenerse dentro de los intervalos de la mayoría

de los autores para producir una capa de cobre brillante, esto sin tomar en cuenta otras

características como dureza, maleabilidad, etc. La densidad de corriente se definió con base

en los resultados de las pruebas con la celda de Hull.

Capítulo 9: Cobreado 55

Cuadro 9.2. Condiciones de operación elegidas para el baño de sulfato de cobre Condición de operación Valor

Temperatura Ambiente (25 ºC) Densidad de corriente catódica 7,4 A/dm2

Voltaje 2,35 V Agitación Por aire

Rendimiento 105 % Relación ánodo/cátodo 1,65

Velocidad de deposición 1,7 µm/min Composición de los ánodos Cobre

Debido al amplio intervalo de temperatura con que es posible trabajar con los baños

de sulfato de cobre, se mantiene esta propiedad a temperatura ambiente (entre 25 y 27 ºC).

Sin embargo para evitar inconvenientes, se mide en todo momento con un termómetro de

vidrio.

Con ayuda de las resistencias acopladas al circuito, se suministra corriente a 6 A y

un voltaje de 2,35 V. Estas condiciones no se ven afectadas durante el proceso ni tienen

variación. Se utilizan como cátodos dos placas con 40,35 cm2 de área cada una, el área total

de los cátodos es de 80,70 cm2 y la densidad de corriente es de 7,40 A/dm2. Para variar la

densidad de corriente, y por lo tanto la velocidad de deposición, se pueden cambiar las

resistencias utilizadas o el tamaño de las placas.

El sistema de agitación es por burbujeo de aire distribuido en las zonas donde se

encuentran los electrodos (ánodos de cobre y placas de metal base) para favorecer tanto la

disolución de los ánodos como la electrodeposición uniforme del cobre sobre los cátodos.

La velocidad de electrodeposición para las condiciones de trabajo es de 1,7 µm por

cada minuto de duración del proceso, mientras que el rendimiento del baño es del 105%.

Para trabajar con este baño se procede a preparar la disolución, los ánodos y los

cátodos. Luego, se trasvasa el baño al tanque de PVC y se colocan las barras de bronce con

los ánodos a los extremos y los cátodos en el centro, conectados con uniones metálicas de

prensa. Enseguida se conecta la manguera del sistema de agitación al tanque y se prende

para iniciar el burbujeo. Mientras la fuente de corriente se encuentre apagada, se conecta la

terminal positiva a las barras anódicas y la terminal negativa a la barra catódica. Se conecta

el amperímetro al cable de la terminal negativa de la fuente de corriente y el voltímetro a

Capítulo 9: Cobreado 56

los cables entre ambas terminales. Finalmente, se enciende la fuente de corriente y se

comienza a medir el tiempo de electrodeposición con el cronómetro. Luego de un minuto

de proceso, se apaga primero la fuente de corriente y luego el sistema de agitación. El

proceso de cobreado en operación se muestra en la figura 9.2.

Figura 9.2. Proceso de electrodeposición de cobre en operación.

Durante el proceso de cobreado, los ánodos se pueden cubrir de una capa negra de

óxido la cual actúa como protección y evita la formación de depósitos rugosos. El baño

posee un color azulado característico del sulfato de cobre y el electrodepósito de cobre tiene

un color rojo ladrillo. Al finalizar esta etapa, las placas se deben lavar en el baño de

peróxido de hidrógeno seguido de un enjuague simple con agua destilada previo a la etapa

de niquelado.

9.7. Mantenimiento y control del baño

En caso de detectarse la presencia de contaminantes orgánicos debe filtrarse el baño

con carbón activado especificado para medio ácido fuerte. Si los contaminantes son sólidos

suspendidos, el medio filtrante debe ser diatomita, algodón o un filtro de vidrio. Para la

corrección de otros problemas en los baños de cobre se puede consultar el apéndice G.

Capítulo 9: Cobreado 57

El mantenimiento primordial que se le debe dar al equipo utilizado en esta etapa es

una buena limpieza tanto a los tanques como a los ánodos, barras de bronce y el sistema de

agitación por aire. Para el almacenamiento de las soluciones se dispone de recipientes de

vidrio específicos para cada baño. Antes y después de su utilización todo el equipo debe ser

lavado muy bien con agua y en todo momento, mientras no se utilice, se debe guardar en un

lugar seco, sin humedad y lejos de equipo eléctrico o mecheros.

Durante su operación, el baño es controlado mediante la medición de la

temperatura, la corriente y el voltaje. Además, mediante la observación del proceso se debe

controlar que el sistema de agitación funcione correctamente.

Para controlar la concentración de los constituyentes del baño se pueden realizar

pruebas con la celda de Hull o por análisis químico.

9.8. Espesor del electrodepósito

En el cuadro 9.3 y figura 9.3 se muestran los espesores de cobre electrodepositado

en varias placas, mediante la utilización del equipo a las condiciones de operación

especificadas durante un minuto.

Cuadro 9.3. Espesores de cobre electrodepositado en varias placas, calculados mediante distintos métodos

Corrida #

Espesor mediante método coulométrico

Tc (µm)

Espesor mediante método gravimétrico

Tg (µm)

Espesor mediante método micrométrico

Tm (µm)

1 1,62 1,64 5,0 2 1,62 1,67 5,0 3 1,66 1,80 5,0 4 1,66 1,70 5,0 5 1,63 1,71 5,0 6 1,63 1,75 5,0 7 1,64 1,75 5,0 8 1,64 1,81 5,0 9 1,70 1,77 5,0

10 1,70 1,86 5,0 Promedio 1,65 1,75 5,0

Capítulo 9: Cobreado 58

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Corrida

Esp

eso

r (

µµ µµm

)

Coulométrico Gravimétrico Micrométrico

Figura 9.3. Espesores de cobre electrodepositado en varias placas, calculados mediante distintos métodos.

El espesor coulométrico es el espesor teórico, o sea, el espesor esperado suponiendo

una eficiencia del 100%. El espesor gravimétrico es el espesor calculado mediante la

medición de la masa de cobre electrodepositada en la placa mientras que el espesor

micrométrico, es el espesor medido directamente con el micrómetro.

El método gravimétrico se puede considerar como un espesor promedio mientras

que el espesor micrométrico es un espesor puntual o local, se mide en un punto específico

de la placa.

De los datos obtenidos se puede observar que, en promedio, durante un minuto se

esperaba un espesor de cobre de 1,65 µm. En la práctica, sin embargo, se obtiene un

espesor promedio de 1,75 µm, calculado mediante el método gravimétrico, y un espesor

promedio de 5,0 µm, calculado mediante el método micrométrico.

El espesor gravimétrico es más preciso que el micrométrico debido al equipo

utilizado para realizar la medición. La balanza analítica utilizada para medir la masa de

cobre depositado, y así calcular el espesor gravimétrico, tiene una precisión de 1 mg,

mientras que el micrómetro tiene una precisión de 5 µm. Por lo tanto, si se deposita una

Capítulo 9: Cobreado 59

capa excesivamente delgada de cobre (menor a 5 µm), el micrómetro no es capaz de

detectarla aceptablemente mientras que la balanza, como mide masa, si es capaz de hacerlo.

En la figura 9.4, se muestra la placa antes y después del proceso de elctrodeposición

de cobre. Se puede observar el color rojo ladrillo de la capa de cobre debido a la

formulación y las condiciones de operación establecidas.

Antes

Después

Figura 9.4. Cátodo durante la etapa de cobreado.

9.9. Rendimiento del baño

En el cuadro 9.4 y figura 9.5 se muestran las eficiencias del baño de cobre para las

condiciones de operación especificadas, durante un minuto de proceso.

Las eficiencias mostradas se calculan con respecto a los espesores obtenidos,

tomándose como valor teórico el espesor coulométrico. Como se puede observar, la

eficiencia promedio según el método gravimétrico es del 105,8%, mientras que según el

método micrométrico es del 303,1%. Estos resultados concuerdan con las eficiencias

reportadas en la literatura, lo que evidencia el adecuado funcionamiento del equipo durante

la etapa de cobreado.

Las eficiencias mediante el método micrométrico no pueden tomarse como

referencia debido a que los espesores electrodepositados fueron mucho menores que la

precisión del micrómetro, por lo tanto se obtuvieron mediciones erróneas. En el caso de la

Capítulo 9: Cobreado 60

Cuadro 9.4. Eficiencias del baño de cobre para varias placas, calculados mediante distintos métodos

Corrida #

Eficiencia mediante método gravimétrico

efg (%)

Eficiencia mediante método micrométrico

efm (%)

1 101,2 308,6 2 103,1 308,6 3 108,4 301,2 4 102,4 301,2 5 104,9 306,7 6 107,4 306,7 7 106,7 304,9 8 110,4 304,9 9 104,1 294,1

10 109,4 294,1 Promedio 105,8 303,1

0

50

100

150

200

250

300

350

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Corrida

Efi

cie

ncia

(%

)

Gravimétrica Micrométrica

Figura 9.5. Eficiencias del baño de cobre para varias placas, calculados mediante distintos métodos.

eficiencia mediante el método gravimétrico, se obtuvieron valores mayores al 100% debido

a que se presentó una pequeña cantidad de electrodeposición por inmersión, lo que provocó

la obtención de espesores ligeramente mayores a los esperados.

Capítulo 9: Cobreado 61

9.10. Normalización

Según la American Society for Testing and Materials, en la especificación estándar

para capas electrodepositadas de cobre más níquel más cromo y níquel más cromo, ASTM

B 456; para superficies de cinc y sus aleaciones debe depositarse como mínimo 5 µm de

cobre sea cual sea la condición de servicio. Por lo tanto, para cumplir con esta normativa,

debe operarse el equipo durante 174 s (2,9 min) bajo las condiciones y formulación

establecidos.

Capítulo 10: Niquelado 62

CAPITULO 10 NIQUELADO

Lo que tenemos que hacer, lo aprendemos haciéndolo.

Aristóteles

10.1. Metodología

En esta etapa se pretende agregar una capa de níquel brillante sobre la capa de cobre

anteriormente electrodepositada en ambas placas de latón de 5cm x 4 cm. Se escogió un

baño del tipo Watts, ya que es uno de los procedimientos de niquelado más estudiados por

los investigadores y el más utilizado en la industria. Se caracteriza por su facilidad en

cuanto a preparación, operación y control. Los reactivos utilizados para su preparación son

de muy alta pureza y baja peligrosidad y precio.

La metodología en esta etapa es similar a la etapa de cobreado. Consiste en preparar

una solución electrolítica de níquel siguiendo las condiciones especificadas para baños de

Watts. Las placas, previamente pesadas y medidas se sumergen primero en una solución de

peróxido de hidrógeno, luego se les aplica un enjuague con agua destilada y seguidamente

se sumergen en la solución electrolítica de níquel a las condiciones de operación

establecidas durante un minuto. Transcurrido este tiempo, las piezas se enjuagan con agua,

se secan y se vuelve a medir su peso y espesor. Luego se continúa con la etapa de cromado.

Con los datos medidos, el tiempo de electrodeposición y la corriente aplicada, se

calcula el espesor de la capa de níquel y la eficiencia catódica del baño. Al igual que para el

cobreado, se puede calcular la eficiencia de los ánodos pesándolos y midiendo sus

dimensiones y espesor antes y después del proceso de niquelado, aunque no se realiza en

este proyecto.

10.2. Formulación del baño

La formulación elegida se presenta en el cuadro 10.1. El criterio de su escogencia es

mantenerse dentro de los intervalos de la mayoría de los autores, ya que el objetivo es

electrodepositar una capa de níquel brillante sin la necesidad de características definidas de

dureza, maleabilidad o tensión.

Capítulo 10: Niquelado 63

Cuadro 10.1. Formulación elegida para el baño de níquel

Reactivo Concentración

(g/L) NiSO4·6H2O 260 NiCl2·6H2O 45

H3BO3 35 Sacarina sódica 2,10

La elección de los aditivos abrillantadores corresponde a la facilidad de adquisición

y manipulación de estos. La sacarina sódica se puede conseguir a precios muy accesibles,

en grandes cantidades y con una alta pureza en cualquier supermercado.

Las características de los reactivos utilizados se muestran en el cuadro 7.1. Todos se

encuentran en estado sólido. El sulfato de níquel hexahidratado tiene una pureza del 99% y

es de grado industrial, el cloruro de níquel hexahidratado tiene una pureza de 97%, de

grado industrial. El ácido bórico tiene una pureza del 98%, también de grado industrial. La

sacarina sódica se encuentra en una disolución con agua a una concentración de 300 g/L, es

de grado alimentario.

10.3. Equipo

En esta etapa, el equipo está conformado por un tanque para la celda electrolítica, el

sistema de agitación, la fuente de corriente directa con sus conexiones, las barras de los

electrodos, los cátodos o placas a recubrir y los ánodos de níquel.

El tanque fue construido con PVC laminado de 2,2 cm de espesor, tiene 13 cm de

ancho, 10 cm de largo y 10 cm de altura, su volumen total es de 1300 cm3, mientras que el

volumen del líquido se mantiene a 845 cm3. El sistema de agitación está conformado por

una bomba de aire para pecera, con alimentación de 120 VCA / 60 Hz y mangueras

plásticas para distribuir el aire.

La fuente de corriente directa es un rectificador, con una salida de 22 ACD y una

alimentación de 120 VCD / 60 Hz. Las conexiones son cables de cobre forrados con

uniones metálicas de prensa. Las barras de los electrodos son de bronce, de 2,4 mm (3/32

pulg) de diámetro y tienen una longitud de 13 cm. Los ánodos son de níquel.

Capítulo 10: Niquelado 64

10.4. Preparación del baño

Para la preparación del baño se mezclan las sales de níquel en tres cuartos del total

de agua con agitación constante. Aparte, se mezcla el ácido bórico en una pequeña cantidad

de agua y se agrega a la solución de níquel. Después se agregan la mezcla de aditivos y se

agrega agua hasta alcanzar el volumen deseado.

El procedimiento de preparación es el siguiente: con una probeta se miden 500 mL

de agua destilada y se depositan en un beaker de plástico de un litro. En un vidrio de reloj,

con una balanza, se pesan 222 g de NiSO4·6H2O y 39 g de NiCl2·6H2O y se agregan al

beaker de plástico, se agita la mezcla hasta disolver. Aparte, con una probeta se miden 100

mL de agua destilada y se depositan en un beaker, luego, en un vidrio de reloj, con una

balanza, se pesan 30 g de H3BO3 y se agregan a los 100 mL de agua, se mezcla con un

agitador de vidrio. La mezcla de ácido se agrega a la solución salina de níquel y se continúa

con la agitación. Seguidamente, se agrega agua destilada hasta un volumen total de 835 mL

y se mezcla con agitación. Finalmente, se agregan 10 mL de la mezcla de aditivos

previamente preparada y se procede a agitar hasta que la disolución se observe homogénea.

Para la preparación de la mezcla de aditivos se procede de la siguiente forma: en un

beaker se agregan 60 mL de solución de sacarina sódica comercial (300 g/L de

concentración), se agrega agua destilada hasta obtener un volumen de 100 mL y se agita

para mezclar bien.

Se deben tomar en consideración los siguientes aspectos a la hora de preparar las

mezclas:

• El electrolito se debe mezclar en un recipiente o tanque de plástico o cerámica.

• Al agregar los aditivos la solución se debe encontrar a temperatura ambiente.

• Se recomienda el tratamiento con carbón activado antes de agregar los aditivos.

10.5. Ánodos

Los ánodos fueron adquiridos de la empresa Incesa Standard, tal y como se utilizan

en el proceso de electrodeposición de níquel en sus instalaciones. Tienen forma circular con

un diámetro promedio de 2,37 cm y un espesor promedio de 3,1 mm. En la figura 10.1 se

presentan los ánodos de níquel utilizados.

Capítulo 10: Niquelado 65

Figura 10.1. Ánodos de níquel utilizados en la etapa de niquelado.

Cada ánodo tiene una masa promedio de 17,8 g y un área de 6,72 cm2, se utilizan en

total once ánodos. Como el área total de las placas de metal base es de 80,7 cm2, el baño

tiene una relación ánodo/cátodo de 1,83.

Los ánodos se distribuyen a ambos lados de los cátodos en bolsas de un polímero

resistente a las condiciones de operación establecidas, a distancias iguales para favorecer la

uniformidad del electrodepósito. Se unen a las barras anódicas introduciendo éstas entre los

agujeros de la bolsa de los ánodos.

10.6. Preparación del metal base

La preparación del metal base luego de la etapa de cobreado involucra las siguientes

dos etapas: inmersión en baño de peróxido de hidrógeno y enjuague en agua destilada.

En caso de utilizar objetos cobreados con mucha anterioridad, debe de asegurarse su

limpieza siguiendo el procedimiento de preparación descrito en el capítulo 8 antes de la

inmersión en H2O2.

10.6.1. Inmersión en baño de peróxido de hidrógeno (H2O2)

El objetivo de esta etapa es aumentar la eficiencia de la electrodeposición de níquel

mediante la activación de la superficie de la placa. Consiste en una rápida inmersión en una

solución de H2O2 en agua con una concentración del 1% en peso, el baño se mantiene a

temperatura ambiente.

Capítulo 10: Niquelado 66

Esta etapa se lleva a cabo en un tanque simple, construido con PVC laminado de 2,2

mm de espesor. El tanque tiene 6 cm de ancho, 6 cm de largo y 10 cm de altura. Tiene una

capacidad de 360 mL, sin embargo el volumen del líquido es de 235 mL.

Para la preparación del baño se utiliza una solución de H2O2 comercial de grado

medicinal con una concentración de 3% en peso. Con una probeta se miden 78 mL de

solución de peróxido de hidrógeno y 157 mL de agua destilada, se depositan en el tanque

de PVC y se agita la mezcla.

10.6.2. Enjuague

En esta etapa la pieza debe lavarse totalmente con agua destilada antes del proceso

de electrodeposicón de níquel. Se efectúa como una inmersión muy rápida de unos

segundos de la placa, dicha inmersión se repite dos veces.

Se utiliza un tanque para baño simple construido con PVC laminado de 2,2 mm de

espesor. El tanque tiene una capacidad de 360 mL, con dimensiones de 6 cm de ancho, 6

cm de largo y 10 cm de altura. El volumen del líquido utilizado es de 235 mL.

Al igual que la etapa anterior, se trabaja con agua a temperatura ambiente, aunque

es preferible calentar el agua a 40 ºC, debido a que el baño de níquel se trabaja a 50 ºC.

10.7. Operación del baño

Las condiciones de operación adoptadas se presentan en el cuadro 10.2. El criterio

de elección es mantenerse dentro de los intervalos de la mayoría de los autores con el fin de

obtener una capa de níquel brillante. La densidad de corriente se definió con base en los

resultados de las pruebas con la celda de Hull.

La temperatura de operación de los baños de Watts es entre 40 y 70 ºC, pero debido

a que el PVC no es apto para temperaturas mayores de 60 ºC, se decide operar el baño a 50

ºC. De esta forma se mantiene un margen por posibles aumentos de temperatura debido a la

corriente aplicada. En todo momento se mide la temperatura con un termómetro de vidrio

para evitar el mal funcionamiento del tanque.

Con ayuda de las resistencias acopladas al circuito, se suministra corriente a 4 A y

un voltaje de 5,65 V. Estas condiciones no se ven afectadas durante el proceso ni tienen

Capítulo 10: Niquelado 67

Cuadro 10.2. Condiciones de operación elegidas para el baño de níquel Condición de operación Valor

Temperatura 50 ºC Densidad de corriente catódica 5,0 A/dm2

Voltaje 5,65 V Agitación Por aire

Rendimiento 94% Relación ánodo/cátodo 1,83

Velocidad de deposición 1,0 µm/min Composición de los ánodos Níquel

cambios significativos. Se utilizan como cátodos las mismas dos placas del proceso de

cobreado, éstas tienen 40,35 cm2 de área cada una, el área total de los cátodos es de 80,70

cm2 y la densidad de corriente es de 5,0 A/dm2. Para variar la densidad de corriente, y por

ende, la velocidad de deposición, se pueden cambiar las resistencias utilizadas o el tamaño

de las placas.

El sistema de agitación es por aire, Se distribuye en las zonas donde se encuentran

los electrodos (ánodos y placas de metal base) para favorecer tanto la disolución de los

ánodos como la electrodeposición uniforme del níquel sobre los cátodos. El sistema cuenta

con una válvula de retención a la entrada del tanque para evitar fugas por la manguera y

una válvula de regulación para variar el flujo de aire.

La velocidad de electrodeposición bajo las condiciones de trabajo establecidas es de

1,0 µm por cada minuto de duración del proceso, mientras que el rendimiento del baño es

del 94%.

Para trabajar con este baño se procede a preparar la disolución, los ánodos y los

cátodos. La disolución se debe calentar en una plantilla eléctrica hasta alcanzar una

temperatura de 50 ºC, luego se trasvasa al tanque de PVC y se colocan las barras de bronce

con los ánodos a los extremos y los cátodos en el centro, conectados con uniones metálicas

de prensa. Se conecta la manguera del sistema de agitación al tanque y el enchufe del cable

de electricidad de la bomba a la toma de corriente para iniciar el burbujeo. Con la fuente de

corriente apagada, se conecta la terminal positiva a las barras anódicas y la terminal

negativa a la barra catódica. Además, se conecta el amperímetro al cable de la terminal

negativa de la fuente de corriente y el voltímetro a los cables entre ambas terminales.

Capítulo 10: Niquelado 68

Finalmente, se enciende la fuente de corriente y con el cronómetro se inicia la medición del

tiempo de electrodeposición. Al cabo de un minuto de proceso, se apaga el equipo eléctrico.

El proceso de niquelado en operación se muestra en la figura 10.2.

Figura 10.2. Proceso de electrodeposición de níquel en operación.

Durante el proceso de niquelado, los ánodos tienden a disolverse formando una

pequeña cantidad de lodos, los cuales deben eliminarse por filtración del baño. El baño

posee un color verde característico de las sales de níquel y el electrodepósito de níquel tiene

un color plateado brillante por el efecto de los aditivos.

El aditivo utilizado es sacarina sódica, un abrillantador secundario muy utilizado en

formulaciones patentadas. Según varios autores, mediante la utilización de este compuesto

se obtiene una capa brillante sin llegar al brillo de espejo que es posible alcanzar mediante

la adición conjunta de un abrillantador primario como el butindiol con uno secundario. Sin

embargo, para los alcances de este proyecto, el depósito brillante obtenido es suficiente.

Al finalizar esta etapa, las placas se deben lavar en un enjuague simple con agua

destilada seguido de una inmersión en un baño de ácido crómico diluido, previo a la etapa

de cromado.

Capítulo 10: Niquelado 69

10.8. Mantenimiento y control del baño

En los baños de Watts, los contaminantes más comunes son los lodos provenientes

de la disolución de los ánodos de níquel. La forma de eliminar estas impurezas es mediante

filtración por gravedad. El medio filtrante no debe ser papel filtro de celulosa, en cambio,

se puede usar ya sea diatomita, algodón o un filtro de vidrio.

Otros contaminantes frecuentemente encontrados en estos baños, son sólidos

suspendidos, los cuales también se eliminan por filtración por gravedad. Las impurezas

orgánicas se eliminan mediante tratamiento con carbón activado especificado para medio

ácido. Para la corrección de otros problemas en los baños de níquel se puede consultar el

apéndice G.

El mantenimiento del equipo utilizado en esta etapa es la limpieza de los tanques,

los ánodos, barras de bronce y el sistema de agitación por aire. Para el almacenamiento de

las soluciones se dispone de recipientes de vidrio específicos para cada baño. Antes y

después de su utilización los tanques deben ser lavados con abundante agua y jabón.

Mientras el equipo no se utilice, se debe guardar en un lugar seco, sin humedad y lejos de

mecheros u otras fuentes de calor.

Durante su operación, el baño es controlado mediante la medición de la

temperatura, la corriente y el voltaje. Además, mediante la observación del proceso se debe

controlar que el sistema de agitación funcione correctamente. La concentración de los

constituyentes del baño se puede controlar mediante la realización de pruebas con la celda

de Hull o por análisis químico.

10.9. Espesor del electrodepósito

En el cuadro 10.3 y figura 10.3 se muestran los espesores de níquel

electrodepositado en varias placas, mediante la utilización del equipo a las condiciones de

operación especificadas durante un minuto.

De los datos obtenidos, se puede observar que para la operación del equipo a las

condiciones especificadas durante un minuto, se esperaba un espesor de níquel promedio de

1,02 µm. Sin embargo, experimentalmente se obtiene un espesor promedio de 0,96 µm,

Capítulo 10: Niquelado 70

calculado mediante el método gravimétrico, y un espesor promedio de 2,5 µm, calculado

mediante el método micrométrico.

Cuadro 10.3. Espesores de níquel electrodepositado en varias placas, calculados mediante distintos métodos

Corrida #

Espesor mediante método coulométrico

Tc (µm)

Espesor mediante método gravimétrico

Tg (µm)

Espesor mediante método micrométrico

Tm (µm)

1 1,02 0,91 5,0 2 1,02 0,96 5,0 3 1,03 0,97 0,0 4 1,03 0,99 5,0 5 1,01 0,97 5,0 6 1,01 0,97 0,0 7 1,03 0,92 0,0 8 1,03 0,99 0,0 9 1,02 0,95 0,0

10 1,02 1,00 5,0 Promedio 1,02 0,96 2,5

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Corrida

Es

peso

r (

µµ µµm

)

Coulométrico Gravimétrico Micrométrico

Figura 10.3. Espesores de níquel electrodepositado en varias placas, calculados mediante distintos métodos.

Capítulo 10: Niquelado 71

En la figura 10.4, se muestra la placa antes y después del proceso de

elctrodeposición de níquel. Se puede apreciar el color rojo ladrillo de la capa de cobre antes

del proceso de niquelado y el color plateado de la capa de níquel debido a la formulación y

las condiciones de operación establecidas.

Antes

Después

Figura 10.4. Cátodo durante la etapa de niquelado.

10.10. Rendimiento del baño

En el cuadro 10.4 y figura 10.5 se muestran las eficiencias del baño de níquel para

la formulación y condiciones de operación especificadas, con una duración del proceso de

un minuto.

Se puede observar que la eficiencia promedio según el método gravimétrico es del

94,2%, mientras que según el método micrométrico es del 245,1%. Estos resultados

concuerdan con las eficiencias reportadas en la literatura, lo que evidencia el adecuado

funcionamiento del equipo durante la etapa de niquelado.

Las eficiencias mediante el método micrométrico no pueden tomarse como

referencia debido a que los espesores electrodepositados fueron mucho menores que la

precisión del micrómetro, por lo tanto se obtuvieron mediciones erróneas.

Capítulo 10: Niquelado 72

Cuadro 10.4. Eficiencias del baño de níquel para varias placas, calculados mediante distintos métodos

Corrida #

Eficiencia mediante método gravimétrico

efg (%)

Eficiencia mediante método micrométrico

efm (%)

1 89,2 490,2 2 94,1 490,2 3 94,2 0,0 4 96,1 485,4 5 96,0 495,0 6 96,0 0,0 7 89,3 0,0 8 96,1 0,0 9 93,1 0,0

10 98,0 490,2 Promedio 94,2 245,1

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Corrida

Efi

cie

ncia

(%

)

Gravimétrica Micrométrica

Figura 10.5. Eficiencias del baño de níquel para varias placas, calculados mediante distintos métodos.

10.11. Normalización

Según la American Society for Testing and Materials, en la especificación estándar

para capas electrodepositadas de cobre más níquel más cromo y níquel más cromo, ASTM

Capítulo 10: Niquelado 73

B 456; para superficies de cinc y sus aleaciones debe depositarse como mínimo 10 µm de

níquel.

Para una condición de servicio 1, debe haber un mínimo de 10 µm de níquel

brillante. Para una condición de servicio 2, el espesor debe ser como mínimo de 15 µm de

níquel brillante. Para una condición de servicio 3, se debe electrodepositar una doble o

triple capa con espesor mínimo de 20 µm de níquel. Para una condición de servicio 4, debe

ser como mínimo de 30 µm de níquel de doble o triple capa. Para una condición de servicio

5, el espesor de la doble o triple capa de níquel debe ser de 35 µm.

Por lo tanto, para cumplir con la normativa de una condición de servicio de 2,

especificada como moderada, se debe operar el equipo durante 942 s (15,7 min) bajo las

condiciones y formulación establecidos.

74

CAPITULO 11 CROMADO

Inteligencia militar: dos términos contradictorios.

Groucho Marx

11.1. Metodología

En esta etapa final del proceso, el objetivo fundamental es electrodepositar una capa

de cromo sobre la capa de níquel, para cada placa por aparte, utilizando un baño de cromo

decorativo. Este baño fue elegido porque es utilizado casi universalmente en todas las

industrias que se dedican al cromado. Es muy sencillo de preparar, operar y controlar, sin

embargo, se debe trabajar muy cuidadosamente porque expele gases muy tóxicos y

corrosivos.

Para esta etapa, la metodología consiste en preparar una solución electrolítica de

cromo según las condiciones especificadas para baños de cromo decorativo. Las placas,

previamente niqueladas, pesadas y medidas se sumergen primero en una solución muy

diluida de trióxido de cromo en agua destilada y posteriormente en la solución electrolítica

de ácido crómico a las condiciones de operación establecidas durante dos minutos. Al cabo

de este tiempo, las piezas se enjuagan, secan y se vuelven a pesar y a medir su espesor.

Aquí finaliza el proceso completo.

Con los datos medidos más el tiempo de electrodeposición y la corriente aplicada,

se calcula el espesor de la capa de cromo y la eficiencia catódica del baño. En esta etapa no

es posible calcular la eficiencia de los ánodos ya que éstos no son solubles, además de ser

de un metal distinto al electrodepositado.

11.2. Formulación del baño

La formulación adoptada se presenta en el cuadro 11.1. Como criterio de selección

está en mantenerse dentro de los intervalos de la mayoría de los autores con el fin de

obtener una capa de cromo brillante sin características especiales de dureza o tensión.

Capítulo 11: Cromado 75

Cuadro 11.1. Formulación elegida para el baño de cromo

Reactivo Concentración

(g/L) CrO3 250

H2SO4 2,5

Las características de los reactivos utilizados se muestran en el cuadro 7.1. El

trióxido de cromo se encuentra en estado sólido, tiene una pureza del 99,8% y es de grado

industrial, mientras que el ácido sulfúrico es una solución al 98% con una densidad de 1,84

g/mL, de grado industrial. Debe tomarse en cuenta que las concentraciones presentadas en

el cuadro 11.1 corresponden al reactivo con una pureza del 100%, así, la cantidad de

reactivos adicionados debe calcularse adecuadamente para no alterar la composición del

baño.

11.3. Equipo

Para esta etapa el equipo está conformado por un tanque para la celda electrolítica,

la fuente de corriente directa con sus conexiones, las barras de los electrodos, los cátodos o

placas a recubrir y los ánodos de plomo.

El tanque fue construido con PVC laminado de 2,2 cm de espesor, tiene 10 cm de

ancho, 7 cm de largo y 10 cm de altura, su capacidad es de 700 cm3, mientras que el

volumen del líquido se mantiene a 455 cm3.

La fuente de corriente directa es un rectificador, con una salida de 22 ACD y una

alimentación de 120 VCD / 60 Hz. Las conexiones son cables de cobre forrados y las

uniones son sujetadores metálicos de prensa.

Las barras de los electrodos son de bronce, de 2,4 mm (3/32 pulg) de diámetro y una

longitud de 10 cm. Los ánodos son placas de plomo.

11.4. Preparación del baño

La preparación del baño es muy simple ya que el trióxido de cromo es muy soluble

en agua. Una vez éste se haya disuelto y se le agregue la cantidad requerida de ácido

sulfúrico, el baño está listo para su uso. No se requieren aditivos.

Capítulo 11: Cromado 76

Para su preparación se sigue con el procedimiento descrito a continuación: con una

probeta se miden 350 mL de agua destilada y se depositan en un beaker de plástico de un

litro. En un vidrio de reloj, con una balanza, se pesan 114 g de CrO3 y se agregan al beaker

de plástico, se agita la mezcla hasta disolver. Luego, se agregan 0,6 mL de H2SO4 (12

gotas) a la mezcla de ácido crómico. Seguidamente, se agrega agua destilada hasta un

volumen total de 455 mL y se mezcla con un agitador de vidrio hasta que la disolución se

observe homogénea.

Es importante considerar los siguientes aspectos a la hora de preparar la mezcla:

• Asegurarse que el ácido sea adicionado a suficiente agua para evitar la generación

de calor excesivo o salpicaduras.

• El electrolito se debe mezclar en un recipiente o tanque de plástico o cerámica.

11.5. Ánodos

Los ánodos fueron construidos fundiendo trozos de plomo y convirtiéndolos en

láminas de 3,0 mm de espesor, 5,9 cm de largo y 5,7 cm de ancho utilzando un molde de

madera. En la figura 11.1 se presentan los ánodos de plomo utilizados.

Figura 11.1. Ánodos de plomo utilizados en la etapa de cromado.

Cada ánodo tiene en promedio una masa de plomo de 96,5 g y un área de 41,1 cm2.

Como el área total de las placas de metal base es de 40,35 cm2, el baño tiene una relación

ánodo/cátodo de 2,04.

Capítulo 11: Cromado 77

Los ánodos son del tipo insolubles y se distribuyen a ambos lados del cátodo y a

distancias iguales para favorecer la uniformidad del electrodepósito. Se unen a las barras

anódicas mediante sujetadores metálicos tipo de prensa.

11.6. Preparación del metal base

La preparación del metal base después de la etapa de niquelado la conforma las

siguientes dos etapas: enjuague en agua destilada y prebaño de cromo.

En caso de utilizar objetos niquelados con mucha anterioridad, debe de asegurarse

su limpieza siguiendo el procedimiento de preparación descrito en el capítulo 8, antes del

prebaño de cromo.

11.6.1. Enjuague

En esta etapa la pieza debe lavarse totalmente con agua destilada después del

proceso de electrodeposicón de níquel. Se efectúa como una inmersión de la placa durante

unos pocos segundos, dicha inmersión se repite dos veces. Se trabaja a temperatura

ambiente.

Se utiliza un tanque para baño simple construido con PVC laminado de 2,2 mm de

espesor. El tanque tiene una capacidad de 360 mL, con dimensiones de 6 cm de ancho, 6

cm de largo y 10 cm de altura. El volumen del líquido utilizado es de 235 mL.

11.6.2. Prebaño de cromo

El objetivo de esta etapa es aumentar la eficiencia de la electrodeposición de cromo

mediante la activación de la superficie de la placa. Consiste en una rápida inmersión en una

solución de CrO3 en agua con una concentración de 20 g/L, a temperatura ambiente.

Esta etapa se lleva a cabo en un tanque simple, construido con PVC laminado de 2,2

mm de espesor. El tanque tiene 6 cm de ancho, 6 cm de largo y 10 cm de altura. Tiene una

capacidad de 360 mL, sin embargo el volumen del líquido es de 235 mL.

Para la preparación del baño se prosigue de la siguiente forma: con una probeta se

miden 235 mL de agua destilada y se depositan en un beaker. En un vidrio de reloj, con una

Capítulo 11: Cromado 78

balanza, se pesan 4,7 g de CrO3 y se agregan al beaker, se agita la mezcla hasta disolver,

finalmente se trasvasa esta mezcla al tanque de PVC.

11.7. Operación del baño

Las condiciones de operación seleccionadas se presentan en el cuadro 11.2. El

criterio de selección es el de mantenerse dentro de los intervalos de la mayoría de los

autores y obtener una capa de cromo brillante. La densidad de corriente se definió con base

en los resultados de las pruebas con la celda de Hull.

Cuadro 11.2. Condiciones de operación elegidas para el baño de cromo Condición de operación Valor

Temperatura 45 ºC Densidad de corriente catódica 22,3 A/dm2

Voltaje 3,75 V Agitación No hay

Rendimiento 21 % Relación ánodo/cátodo 2,04

Velocidad de deposición 0,35 µm/min Composición de los ánodos Plomo

La temperatura de operación de los baños de cromo decorativo es entre 35 y 60 ºC,

pero debido a que el PVC no es apto para temperaturas mayores de 60 ºC, se decide operar

el baño a 45 ºC para tener un margen por posibles aumentos de temperatura debido a la

corriente aplicada. En todo momento se mide la temperatura con un termómetro de vidrio

para prevenir mal funcionamiento del tanque.

Con ayuda de las resistencias acopladas al circuito, se suministra corriente a 9 A y

un voltaje de 3,75 V, los cuales no se ven afectados durante el proceso ni presentan

cambios significativos. Se utiliza como cátodo una de las placas provenientes de la etapa de

niquelado, la cual tiene 40,35 cm2 de área, de esta forma la densidad de corriente es de

22,30 A/dm2. En caso de querer variar la densidad de corriente, y por lo tanto la velocidad

de deposición, se pueden cambiar las resistencias utilizadas o el tamaño de las placas.

La velocidad de electrodeposición para las condiciones de trabajo establecidas es de

0,35 µm por minuto, mientras que el rendimiento del baño es de 21%.

Capítulo 11: Cromado 79

Para trabajar con este baño se procede a preparar la disolución, los ánodos y el

cátodo. La disolución se debe calentar en una plantilla eléctrica hasta alcanzar una

temperatura de 45 ºC, luego se trasvasa al tanque de PVC y se colocan las barras de bronce

con los ánodos a los extremos y el cátodo en medio, conectados con sujetadores metálicos

de prensa. Con la fuente de corriente apagada, se conecta la terminal positiva a las barras

anódicas y la terminal negativa a la barra catódica. También, se conecta el amperímetro al

cable de la terminal negativa y el voltímetro a los cables entre ambas terminales.

Finalmente, se enciende la fuente de corriente y se inicia la medición del tiempo de

electrodeposición con el cronómetro. Luego de dos minutos de operación del equipo, se

apaga el equipo eléctrico. El proceso de cromado en operación se muestra en la figura 11.2.

Figura 11.2. Proceso de electrodeposición de cromo en operación.

Durante el proceso de cromado, los ánodos se cubren de una capa protectora de

óxido de color negro, la cual evita la formación de depósitos rugosos. El baño posee un

color café característico del ácido crómico y produce una gran cantidad de gases ácidos

corrosivos. El electrodepósito de cromo tiene un color blanco azulado brillante de una alta

dureza.

Al finalizar esta etapa, la placa pasa a un último enjuague doble, el cual consiste de

dos tanques simples, ambos con agua destilada a temperatura ambiente. El primer enjuague

actúa como tanque recuperador, mientras que el segundo es un tanque específicamente de

Capítulo 11: Cromado 80

limpieza. Se efectúa como una inmersión muy rápida de unos segundos de la placa en cada

baño, dicha inmersión se repite dos veces. Se trabaja a temperatura ambiente.

Ambos tanques simples fueron construidos con PVC laminado de 2,2 mm de

espesor. Tienen una capacidad de 360 mL, con dimensiones de 6 cm de ancho, 6 cm de

largo y 10 cm de altura. El volumen del líquido utilizado es de 235 mL

11.8. Mantenimiento y control del baño

En los baños de cromo, los contaminantes más comunes son lodos formados en muy

pequeñas cantidades. Para eliminar estas impurezas no se requiere filtración, se puede

realizar por decantación. Otros contaminantes frecuentemente encontrados en este tipo de

baños, son sólidos suspendidos, los cuales se eliminan por filtración con diatomita, algodón

o filtro de vidrio. Las impurezas orgánicas se eliminan mediante tratamiento con carbón

activado especificado para medio ácido fuerte. Para la corrección de otros problemas se

puede consultar el apéndice G.

El mantenimiento del equipo para esta etapa corresponde a la limpieza de los

tanques, los ánodos y barras de bronce. Para el almacenamiento de las soluciones se

dispone de recipientes de vidrio específicos para cada baño. Los tanques y la cristalería

deben ser lavados muy bien con agua y jabón antes y después de su utilización. Cuando el

equipo no se utiliza, debe ser guardado en un lugar seco, sin humedad y lejos de mecheros

u otras fuentes de calor.

Durante su operación, el baño es controlado mediante la medición de la

temperatura, la corriente y el voltaje. Además, mediante la observación del proceso se debe

controlar el buen funcionamiento de los ánodos.

El control de la concentración de los constituyentes del baño se efectúa mediante

pruebas con la celda de Hull o por análisis químico.

11.9. Espesor del electrodepósito

En el cuadro 11.3 y figura 11.3 se muestran los espesores electrodepositados de

cromo en varias placas, mediante la utilización del equipo a las condiciones de operación

especificadas durante dos minutos.

Capítulo 11: Cromado 81

Cuadro 11.3. Espesores de cromo electrodepositado en varias placas, calculados mediante distintos métodos

Corrida #

Espesor mediante método coulométrico

Tc (µm)

Espesor mediante método gravimétrico

Tg (µm)

Espesor mediante método micrométrico

Tm (µm)

1 3,31 0,78 0,0 2 3,31 0,68 0,0 3 3,31 0,69 0,0 4 3,28 0,61 0,0 5 3,34 0,72 0,0 6 3,32 0,82 5,0 7 3,36 0,66 0,0 8 3,32 0,68 0,0 9 3,35 0,66 0,0

10 3,35 0,73 5,0 Promedio 3,33 0,70 1,0

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Corrida

Esp

eso

r (

µµ µµm

)

Coulométrico Gravimétrico Micrométrico

Figura 11.3. Espesores de cromo electrodepositado en varias placas, calculados mediante distintos métodos.

De los datos obtenidos se observa que, en promedio, para la operación del equipo a

las condiciones especificadas durante dos minutos se esperaba un espesor de cromo de 3,33

µm. En la práctica, sin embargo, se obtiene un espesor promedio de 0,70 µm, calculado

Capítulo 11: Cromado 82

mediante el método gravimétrico y un espesor promedio de 1,0 µm, calculado mediante el

método micrométrico.

En la figura 11.4, se muestra la placa antes y después del proceso de

elctrodeposición de cromo. Se puede apreciar el color plateado de la capa de níquel antes

del proceso de cromado y el color blanco azulado de la capa de cromo debido a la

formulación y las condiciones de operación establecidas.

Antes

Después

Figura 11.4. Cátodo durante la etapa de cromado.

11.10. Rendimiento del baño

En el cuadro 11.4 y figura 11.5 se muestra la eficiencia del baño de cromo bajo la

formulación y condiciones de operación especificadas, durante dos minutos de proceso.

Tal como se observa, la eficiencia promedio según el método gravimétrico es de

21,1%, mientras que según el método micrométrico es de 30,0%. Estos valores tan bajos se

pueden explicar debido a la formación de una gran cantidad de reacciones secundarias en la

celda electrolítica y principalmente en la superficie de los ánodos. Estos resultados

concuerdan con las eficiencias reportadas en la literatura, lo que evidencia el adecuado

funcionamiento del equipo durante la etapa de cromado.

Capítulo 11: Cromado 83

Cuadro 11.4. Eficiencias del baño de cromo para varias placas, calculados mediante distintos métodos

Corrida #

Eficiencia mediante método gravimétrico

efg (%)

Eficiencia mediante método micrométrico

efm (%)

1 23,6 0,0 2 20,5 0,0 3 20,8 0,0 4 18,6 0,0 5 21,6 0,0 6 24,7 150,6 7 19,6 0,0 8 20,5 0,0 9 19,7 0,0

10 21,8 149,3 Promedio 21,1 30,0

0

25

50

75

100

125

150

175

200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Corrida

Efi

cie

ncia

(%

)

Gravimétrica Micrométrica

Figura 11.5. Eficiencias del baño de cromo para varias placas, calculados mediante distintos métodos.

11.11. Normalización

Según la American Society for Testing and Materials, en la especificación estándar

para capas electrodepositadas de cobre más níquel más cromo y níquel más cromo, ASTM

Capítulo 11: Cromado 84

B 456; para superficies de cinc y sus aleaciones debe depositarse como mínimo 0,13 µm de

cromo.

Para una condición de servicio 1, se debe electrodepositar una capa regular

(convencional) de cromo con un espesor mínimo de 0,13 µm Para las condiciones de

servicio del 2 al 5, el espesor debe ser como mínimo de 0,25 µm. Sin embargo, para las

condiciones de servicio del 3 al 5, esta capa de cromo debe ser del tipo microagrietado o

microporoso, mientras que para la condición de servicio 2, esta capa puede ser tanto del

tipo regular como del tipo microagrietado o microporoso.

Por lo tanto, para cumplir con cualquier condición de servicio se debe operar el

equipo durante 22 s bajo las condiciones y formulación establecidas.

85

CAPITULO 12 DISEÑO DE LA GUÍA DE PRÁCTICA DE LABORATORIO

Dime y lo olvido, enséñame y lo recuerdo, involúcrame y lo

aprendo.

Benjamin Franklin

El equipo fue diseñado y construido con el objetivo de ser utilizado para que

cualquier estudiante o docente de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica

tenga la oportunidad de profundizar e investigar el proceso de electrodeposición. Por tal

motivo, una guía de práctica de laboratorio complementa el proyecto.

Su implementación como práctica de laboratorio para el curso de Ingeniería de los

Materiales pretende que los estudiantes de Ingeniería Química se familiaricen con uno de

los procesos de recubrimiento de metales más importante de la industria, la

electrodeposición, además de los factores que involucran la medición de espesores y el

control del proceso.

El criterio para el diseño de esta guía es el de simular a escala de laboratorio, de una

manera sencilla y de corta duración, el proceso completo de electrodeposición de cromo

que se sigue normalmente en las industrias.

Para una utilización óptima del equipo construido se citan las siguientes

recomendaciones:

• Incluir la guía de práctica de laboratorio propuesta en el curso Ingeniería de los

Materiales.

• Antes de la utilización del equipo es necesario realizar una investigación del

proceso que incluya como mínimo los principios fundamentales, conceptos de

celdas electrolíticas y la función de cada etapa del proceso y el equipo de medición.

Además de las normas de salud y seguridad pertinentes.

• Efectuar una buena limpieza de los cátodos antes de operar el equipo en cualquier

etapa de electrodeposición.

• Bajo ninguna circunstancia trabajar en los tanques de PVC con soluciones que

excedan una temperatura de 55 ºC.

86

• Al finalizar la utilización del equipo, dejar enfriar los baños y almacenarlos en su

recipiente respectivo.

• Lavar muy bien los tanques y los ánodos antes y después de su utilización.

• Realizar una visita planeada a una industria especializada en electrodeposición,

preferiblemente de cromado, como complemento a la práctica de laboratorio y

realizar un informe apropiado.

• Eliminar las impurezas de las disoluciones electrolíticas periódicamente para evitar

inconvenientes de operación.

• Controlar la composición de cada baño electrolítico mediante análisis químico y

preferiblemente mediante la utilización de la celda de Hull.

• Utilizar la celda de Hull para realizar pruebas con cada baño electrolítico y así

elaborar una base de datos con los cátodos utilizados para realizar comparaciones y

otros estudios relacionados.

• Investigar e implementar la utilización de distintas concentraciones de diferentes

aditivos en los baños de cobre y principalmente de níquel y de esta forma formular

mezclas de abrillantadores con la posibilidad de incluirlas en el mercado nacional.

• Estudiar la manera más amigable con el medio ambiente de disponer de los

desechos producidos en este proceso y aplicarla cada vez que se utilice el equipo.

• Darle el mantenimiento adecuado a todos los tanques y a largo plazo, reforzar

aquellos que se utilizan para contener soluciones ácidas. Si es posible, cambiar los

tanques que contienen las soluciones electrolíticas por tanques de fibra de vidrio, el

cual es un material más resistente que el PVC.

12.1. Metodología

La metodología consiste en preparar las soluciones electrolíticas para los baños de

cobre, níquel y cromo siguiendo los pasos detallados en capítulos anteriores. Luego, se

arma el equipo, cuidando que cada tanque esté dispuesto según el orden establecido y se

conecta el equipo eléctrico y de agitación.

Ambas placas a recubrir deben ser preparadas, pesadas y medidas, seguidamente

sumergidas en el baño de cobre durante un minuto, luego son enjuagadas, tratadas en el

Capítulo 12: Diseño de la Guía de Práctica de Laboratorio 87

baño de níquel por un minuto, enjuagadas nuevamente y finalmente se bañan, primero una

pieza y luego la otra, en el tanque de cromado durante dos minutos. Antes y después de

cada baño electrolítico, a las piezas, completamente secas, se les mide su masa y su

espesor, los cuales deben ir en aumento con cada medición. Cada baño electrolítico debe

ser operado bajo las condiciones establecidas para asegurar launiformidad de los resultados.

Finalmente, con los datos medidos, se calculan los espesores de metal electrodepositado en

cada etapa y se determina el rendimiento de cada baño electrolítico.

12.2. Procedimiento experimental

12.2.1. Preparación de los baños de limpieza y prebaños

a. Baño alcalino: en un beaker, disolver 2,41 g de NaOH en 235 mL de agua destilada,

agitar hasta disolver y trasvasar a un tanque para baño simple.

b. Baño ácido: agregar 5,21 mL de HCl a un beaker con 235 mL de agua destilada,

agitar y trasvasar a un tanque para baño simple.

c. Enjuagues: agregar 235 mL de agua destilada a 4 tanques para baño simple y a cada

compartimiento de dos tanques para baño doble.

d. Baño de H2O2: agregar 78 mL de H2O2 comercial (3% en peso) a un beaker con 157

mL de agua destilada, agitar y trasvasar a un tanque para baño simple.

e. Prebaño de cromo: agregar 4,7 g de CrO3 a un beaker con 235 mL de agua

destilada, agitar hasta disolver y trasvasar a un tanque para baño simple.

12.2.2. Preparación de los aditivos

a. Aditivos para baño de cobre: en un beaker con 150 mL de agua destilada caliente,

disolver 9,5 g de melaza y 1,27 g de gelatina blanca, agitar hasta disolver y

almacenar en su recipiente correspondiente.

b. Aditivos para baño de níquel: agregar 60 mL de sacarina sódica comercial

(concentración de 300 mg/mL) a un beaker con 20 mL de agua destilada, agitar y

almacenar en su recipiente correspondiente.

Capítulo 12: Diseño de la Guía de Práctica de Laboratorio 88

12.2.3. Preparación de la solución electrolítica de cobre

a. A un beaker plástico de un litro, con 300 mL de agua destilada, agregar lentamente

y con agitación 23 mL de H2SO4.

b. Agregar 186 g de CuSO4·5H2O y agitar.

c. Agregar 4 gotas de HCl y agitar.

d. Agregar 10 mL de mezcla de aditivos para baño de cobre y agua destilada hasta

obtener 845 mL en total, agitar vigorosamente.

12.2.4. Preparación de la solución electrolítica de níquel

a. A un beaker plástico de un litro, con 400 mL de agua destilada, agregar 222 g de

NiSO4·6H2O y 39 g de NiCl2·6H2O, agitar.

b. A un beaker pequeño con 100 mL de agua destilada, agregar 30 g de H3BO3 y

agitar.

c. Agregar la mezcla anterior al beaker plástico y agitar.

d. Agregar 10 mL de mezcla de aditivos para baño de níquel y agua destilada hasta

obtener 845 mL en total, agitar vigorosamente.

e. Calentar la mezcla en una plantilla eléctrica, mantener a 50 ºC de temperatura.

12.2.5. Preparación de la solución electrolítica de cromo

a. A un beaker con 300 mL de agua destilada, agregar 114 g de CrO3 y agitar.

b. Agregar 0,65 mL de H2SO4 (13 gotas) y agua destilada hasta obtener 455 mL en

total, agitar vigorosamente.

c. Calentar la mezcla en una plantilla eléctrica, mantener a 45 ºC de temperatura.

12.2.6. Preparación de los ánodos

a. Para el baño de cobre, utilizar dos láminas de cobre enrollado. Sujetar cada lámina

con dos sujetadores de prensa a sus extremos.

b. Para el baño de níquel, utilizar dos bolsas de polímero con once ánodos de níquel

dentro.

Capítulo 12: Diseño de la Guía de Práctica de Laboratorio 89

c. Para el baño de cromo, utilizar dos láminas de plomo. Sujetar cada lámina con dos

sujetadores metálicos de prensa a sus extremos.

d. Lavar muy bien cada ánodo con abundante agua antes de colocarlos en los baños.

12.2.7. Preparación del equipo

a. Acomodar los tanques en el orden establecido según el capítulo 6, como se muestra

en la figura 6.1.

b. Colocar la solución electrolítica de cobre y las barras de soporte de los electrodos en

el tanque para baño de cobre.

c. Con los sujetadores de prensa, colgar los ánodos de cobre a las barras de los

extremos de tal manera que queden apenas sumergidos en la solución electrolítica.

d. Colocar la solución electrolítica de níquel (previamente calentada a una temperatura

de 50 ºC) y las barras de soporte de los electrodos en el tanque para baño de níquel.

e. Colgar los ánodos de níquel a las barras de los extremos de tal manera que queden

apenas sumergidos en la solución electrolítica.

f. Colocar la solución electrolítica de cromo (previamente calentada a una temperatura

de 45 ºC) y las barras de soporte de los electrodos en el tanque para baño de cromo.

g. Con los sujetadores de prensa, colgar los ánodos de plomo a las barras de los

extremos de tal manera que queden apenas sumergidos en la solución electrolítica.

h. Conectar el amperímetro a la terminal negativa de la fuente de corriente y el

voltímetro entre ambas terminales.

12.2.8. Preparación de los cátodos

a. Utilizar dos láminas de latón con dimensiones aproximadas de 5 x 4 x 0,02 cm.

b. Limpiar cada pieza con el pulidor de metales y limpiar con papel absorbente.

c. Sujetar cada pieza con sujetadores de prensa a los extremos.

d. Lavar las piezas en el baño alcalino de NaOH.

e. Enjuagar cada pieza en un baño doble de agua destilada.

f. Lavar las piezas en el baño ácido de HCl.

g. Enjuagar cada pieza en un baño doble de agua destilada.

Capítulo 12: Diseño de la Guía de Práctica de Laboratorio 90

h. Secar completamente las piezas, pesar en la balanza analítica, medir sus

dimensiones con el vernier y su espesor con el micrómetro.

12.2.9. Cobreado

a. Con los sujetadores de prensa, colgar ambos cátodos a la barra central de tal manera

que queden completamente sumergidos en la solución electrolítica y cubiertos por el

área de proyección de los ánodos.

b. Con el equipo eléctrico apagado, conectar, con cables de cobre forrado, con

sujetadores de prensa, la terminal negativa de la fuente de corriente a la barra

catódica y la terminal positiva a las barras anódicas.

c. Conectar la manguera de aire al tanque de cobre y el cable de alimentación de la

bomba de aire a la toma de corriente para iniciar la agitación del baño.

d. Colocar resistencias y prender la fuente de corriente de tal manera que el

amperímetro indique 6 A. Iniciar la toma de tiempo con el cronómetro y registrar la

corriente aplicada.

e. Apagar la fuente de corriente al cabo de un minuto de proceso, registrar el tiempo

en segundos.

f. Desconectar las conexiones de la fuente de corriente de las barras de soporte.

g. Desconectar la manguera de aire del tanque y el cable de alimentación de la bomba

de aire de la toma de corriente.

h. Enjuagar y secar los cátodos.

i. Nuevamente, medir la masa de cada cátodo en la balanza analítica y el espesor con

el micrómetro, registrar los datos.

12.2.10. Niquelado

a. Enjuagar cada cátodo en el baño de H2O2.

b. Enjuagar cada cátodo en el baño de agua destilada.

c. Conectar la manguera de aire al tanque de níquel y el cable de alimentación de la

bomba de aire a la toma de corriente para iniciar la agitación del baño.

Capítulo 12: Diseño de la Guía de Práctica de Laboratorio 91

d. Con el equipo eléctrico apagado, conectar, con cables de cobre forrado, con

sujetadores de prensa, la terminal negativa de la fuente de corriente a la barra

catódica y la terminal positiva a las barras anódicas.

e. Colocar resistencias y prender la fuente de corriente de tal manera que el

amperímetro indique 4 A.

f. Con los sujetadores de prensa, colgar los cátodos a la barra central de tal manera

que queden completamente sumergidos en la solución electrolítica y cubiertos por el

área de proyección de los ánodos. Iniciar la toma de tiempo con el cronómetro y

registrar la corriente aplicada.

g. Apagar la fuente de corriente al cabo de un minuto de proceso, registrar el tiempo

en segundos.

h. Desconectar las conexiones de la fuente de corriente de las barras de soporte.

i. Desconectar la manguera de aire del tanque y el cable de alimentación de la bomba

de aire de la toma de corriente.

j. Enjuagar y secar los cátodos.

k. Medir la masa de cada cátodo en la balanza analítica y el espesor con el micrómetro,

registrar los datos.

12.2.11. Cromado

a. Durante esta etapa se trabaja con un cátodo a la vez en lugar de dos.

b. Enjuagar el cátodo en el baño de agua destilada

c. Enjuagar el cátodo en el prebaño de CrO3.

d. Con los sujetadores de prensa, colgar el cátodo a la barra central de tal manera que

quede completamente sumergido en la solución electrolítica y cubierto por el área

de proyección de los ánodos.

e. Con el equipo eléctrico apagado, conectar, con cables de cobre forrado, con

sujetadores de prensa, la terminal negativa de la fuente de corriente a la barra

catódica y la terminal positiva a las barras anódicas.

Capítulo 12: Diseño de la Guía de Práctica de Laboratorio 92

f. Colocar resistencias y prender la fuente de corriente de tal manera que el

amperímetro indique 9 A. Iniciar la toma de tiempo con el cronómetro y registrar la

corriente aplicada.

g. Apagar la fuente de corriente al cabo de dos minutos de proceso, registrar el tiempo

en segundos.

h. Desconectar las conexiones de la fuente de corriente de las barras de soporte.

i. Enjuagar el cátodo en los dos tanques simples de agua destilada y secar.

j. Medir la masa del cátodo en la balanza analítica, registrar los datos.

k. Repetir para la segunda placa.

12.3. Cálculos

12.3.1. Espesor del electrodepósito

El espesor se calcula con la masa y la densidad del metal depositado y el área total

del cátodo de la siguiente forma:

ρ∗

∗=

A

mT

10 14.1

La otra forma de determinar el espesor es mediante la diferencia de los espesores

medidos antes y después del proceso de electrodeposición:

2

if TTT

−= 14.2

12.3.2. Masa del electrodepósito

La masa de la capa de metal depositada se calcula aplicando la ley de Faraday:

Atiem ∗∗∗= 14.3

Capítulo 12: Diseño de la Guía de Práctica de Laboratorio 93

De igual forma, la masa del depósito se puede calcular mediante la diferencia de las

masas del cátodo medidos antes y después del proceso de electrodeposición:

if mmm −= 14.4

12.3.3. Eficiencia catódica del baño

Se calcula relacionando el espesor experimental con el espesor teórico, de la

siguiente forma:

teórico

erimentalteórico

T

TTef

exp−= 14.5

94

CAPITULO 13 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

La duda es la madre del descubrimiento.

Ambrose Bierce

La investigación desarrollada en este proyecto alcanzó con éxito el objetivo general

de diseñar, construir y poner en marcha un equipo para electrodeposición de cromo para el

Laboratorio de Ingeniería Química. Además, se pueden numerar las siguientes

conclusiones:

1. Con la formulación elegida para el baño de sulfato de cobre y operando el equipo de

electrodeposición bajo las condiciones establecidas durante un minuto, se

electrodepositó una capa de cobre con un espesor promedio de 1,75 µm sobre una

placa de latón con un área de 40,35 cm2. La eficiencia catódica fue del 105,8%, debido

a que al iniciar el proceso se presentó electrodeposición por inmersión.

2. Con la formulación elegida para el baño de níquel y operando el equipo de

electrodeposición bajo las condiciones establecidas durante un minuto, se

electrodepositó una capa de níquel con un espesor promedio de 0,96 µm sobre una

placa de latón con un revestimiento de cobre y un área de 40,35 cm2. La eficiencia

catódica fue de un 94,2%.

3. Con la formulación elegida para el baño de cromo y operando el equipo de

electrodeposición bajo las condiciones establecidas durante dos minutos, se

electrodepositó una capa de cromo con un espesor promedio de 0,70 µm sobre una

placa de latón con un revestimiento de níquel sobre otro de cobre y un área de 40,35

cm2. La eficiencia catódica fue de un 21,1%.

4. Operando el equipo de electrodeposición bajo las condiciones establecidas y las

formulaciones elegidas de las soluciones electrolíticas, para cumplir con la normativa

impuesta por la ASTM para electrodepósitos de cobre-níquel-cromo, es necesario un

tiempo de electrodeposición de 2,9 minutos durante la etapa de cobreado, 15,7 minutos

durante la etapa de niquelado y 22 segundos durante la etapa de cromado.

Capítulo 13: Conclusiones y Recomendaciones 95

5. .El área de trabajo es pequeño, de no más de 2 m2, con la única restricción de tener que

estar dispuesto en un lugar con ventilación y cerca de las tomas de corriente eléctrica.

6. Operando el equipo construido a las condiciones establecidas durante un tiempo

inferior a los 15 minutos, es posible reproducir a pequeña escala el proceso completo

de cromado tal y como se realiza industrialmente.

7. La guía de práctica de laboratorio ilustra el proceso de cromado efectuado en las

industrias y es posible de realizar sin contratiempos en una sesión de laboratorio.

Para una utilización óptima del equipo construido se citan las siguientes

recomendaciones:

1. Utilizar el equipo construido para estudiar formulaciones alternativas de cobre, níquel

y cromo como el baño de citrato de níquel propuesto por Tadashi Doi, o el baño de

cromo trivalente estudiado por varios investigadores como Donald Snyder.

2. Cambiar la fuente de corriente y las resistencias por un rectificador de laboratorio con

un regulador tanto de corriente como de voltaje para tener una fuente de poder más

versátil.

3. Investigar otros tipos de baños electrolíticos y utilizar el equipo construido para

estudiarlos adecuándolo según las formulaciones y las condiciones de operación

necesarias.

4. Introducir en la práctica de laboratorio algún método normalizado para la medición de

dureza o de corrosión de la capa de metal electrodepositada como el ASTM B578 o el

ASTM B380.

5. En la medida de lo posible, mantener en el laboratorio una cantidad razonable de los

reactivos utilizados en este proyecto para fomentar el uso del equipo y el proceso

como tal en investigación.

96

CAPÍTULO 14 BIBLIOGRAFÍA

Una librería es una de las únicas pistas que evidencian que la

gente todavía piensa.

Jerry Seinfeld

1. American Society for Testing and Materials. (2001). B177 Guide for Engineering

Chromium Electroplating. U.S.A. 2. American Society for Testing and Materials. (2006). B374 Terminology Relating to

Electroplating. U.S.A. 3. American Society for Testing and Materials. (2003). B456 Specification for

Electrodeposited Coatings of Copper plus Nickel plus Chromium and Nickel

plus Chromium. U.S.A. 4. American Society for Testing and Materials. (2006). D3034 Specification for Type PSM

Poly (Vinyl Chloride) (PVC) Sewer Pipe and Fittings. U.S.A. 5. Barauskas, Romualdas. (2001, Enero). Copper Plating. Metal Finishing, 99(1), 234-247. 6. Blum, W. & Hogaboom, G. (1958). Principles of Electroplating and Electroforming 3th

ed. U.S.A.: McGraw-Hill Book Company, Inc. 7. Bockris, John. O´M. y Reddy, Amulya K. N. (2003). Electroquímica Moderna. Vol. 2.

Barcelona: Reverté. 8. Căluşaru, Aurelian. (1979). Electrodeposition of Metal Powders. New York: Elsevier

Scientific Publishing Company. 9. Doi, Tadashi et al. (2004, Abril). Bright Nickel Plating from Nickel Citrate

Electroplating Baths. Metal Finishing. 102(4), 26-35. 10. E. I. du Pont de Nemours & Company. Acid Nickel Electroplating Additive Therefor

and Method of Making Said Additive. Inventor: Rushmere, John Derek. Appl. No.: 690,315. Filed: May 26, 1976. U. S. Patent 4,062,738. 1977-12-13.

11. E. I. du Pont de Nemours & Company. Apparatus and Process for the Study of Plating

Solutions. Inventor: Hull, Richard O. Appl. No.: 12,416. Filed: Mar. 22, 1935. U. S. Patent 2,149,344. 1939-03-07.

12. Gabe, D. R. (1972). Principles of Metal Surface Treatment and Protection. Great

Britain: A. Wheaton & Co.

Capítulo 14: Bibliografía 97

13. Glayman, J. y Faros, G. (1969). Galvanotecnia. Técnica y Procedimientos. España: Técnicos Asociados S.A.

14. Gray, Allen G. (1953). Modern Electroplating. New York: John Wiley & Sons, Inc. 15. Graham, A. Kenneth. (Ed.). (1962). Electroplating Engineering Handbook. (2nd ed.).

New York: Chapman & Hall, Ltd. 16. Jones, Myrna. (1998). Diseño de una Práctica de Laboratorio Sobre Cromado y

Niquelado de Piezas Ferrosas. Tesis de Licenciatura no publicada. Facultad de Ingeniería, Universidad de Costa Rica.

17. Kanto Kasei Co., Ltd. Nickel Plating Solution, Nickel-Chromium Electroplating Method

and Nickel-Chromium Plating Film. Inventor: Yokoi, Hiroshi. Appl. No.: 606,024. Filed: Oct. 30, 1990. U.S. Patent 5,160,423. 1992-11-03.

18. Kuhn, A. T. (1971). Industrial Electrochemical Processes. Amsterdam: Elsevier

Publishing Company. 19. M&T Chemicals Inc. Acid Copper Electroplating Baths Containing Brightening and

Leveling Additives. Inventor: Watson, Angus. Appl. No.: 277,057. Filed: Jun. 24, 1981. U. S. Patent 4,376,685. 1983-03-15.

20. M&T Chemicals Inc. Electroplating Bath and Process for Depositing Functional, at

High Efficiencies, Chromium which is Bright and Smooth. Inventor: Martyak, Nicholas M. Appl. No.: 209,679. Filed: Jun. 21, 1988. U.S. Patent 4,810,336. 1989-03-07.

21. Mandich, N. V. & Geduld. Herb. (2002, Octubre). Understanding and Troubleshooting

Decorative Nickel Electroplating Systems – Part III: Roughness, Pitting, and Burnt Deposits. Metal Finishing. 100(10), 38-46.

22. McDermott, John. (1974). Plating of Plastics with Metals. U.S.A.: Noyes Data

Corporation. 23. Milad, George. (2005, Febrero). Acid Copper Plating Evolve From Early Days of

Double- and Single-Sided Printed Wiring Boards. Metal Finishing. 103(2), 29-33.

24. Mohler, J. B. & Sedusky, H. J. (1951). Electroplating for Metallurgist, Engineer and

Chemist. New York: Chemical Publishing Co., Inc. 25. Newby, Kenneth R. (1999, Enero). Functional Chromium Plating. Metal Finishing.

97(1), 223-233.

Capítulo 14: Bibliografía 98

26. Newman, Lee Scott & Newman, Jay. Hartley (1979). Electroplating and

Electroforming for Artist and Craftsmen. New York: Crown Publishers, Inc. 27. Pletcher, Derek. (1984). Industrial Electrochemistry. New York: Chapman and Hall

Ltd. 28. Sajdera, Norbert. (2001, Enero). Thickness Testing. Metal Finishing. 99(1), 560-575. 29. Snyder, Donald L. (2000, Enero). Decorative Chromium Plating. Metal Finishing.

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10/100,708. Filed: Mar. 18, 2002. U. S. Patent 6,676,823B1. 2004-01-13. 32. Untracht, Oppi. (1975). Metal Techniques for Craftsmen. New York: Doubleday &

Company, Inc.

99

CAPÍTULO 15 NOMENCLATURA

Estudiando lo pasado se aprende lo nuevo.

Antiguo proverbio japonés

Mayúsculas: A Área cm2 E Potencial eléctrico V R Resistencia eléctrica Ω T Espesor del electrodepósito µm Minúsculas: A Ancho cm E Equivalente electroquímico mg/C Ef Eficiencia % I Intensidad de corriente eléctrica A L Largo cm M Masa mg T Tiempo s Griegas: ∆ Espesor cm Ρ Densidad kg/m3 Subíndices: C Se refiere al método coulométrico Cr Se refiere a la etapa de cromado Crf Se refiere al estado después del cromado Cri Se refiere al estado antes del cromado Cu Se refiere a la etapa de cobreado Cuf Se refiere al estado después del cobreado Cui Se refiere al estado antes del cobreado Dcr Se refiere al electrodepósito de cromo Dcu Se refiere al electrodepósito de cobre Dni Se refiere al electrodepósito de níquel F Se refiere al estado final G Se refiere al método gravimétrico I Se refiere al estado inicial J Se refiere a la j-ésima placa K Se refiere a la k-ésima placa M Se refiere al método micrométrico Ni Se refiere a la etapa de niquelado

Capítulo 15: Nomenclatura 100

Subíndices: Nif Se refiere al estado después del niquelado Nii Se refiere al estado antes del niquelado P Se refiere a la placa Superíndices: 0 Se refiere al estado de referencia

APÉNDICE A DATOS EXPERIMENTALES

Apéndice A: Datos Experimentales 102

Cuadro A.1. Masa de las placas durante la etapa de cobreado para diferentes corridas

Corrida #

Masa antes del cobreado mcui (mg)

Masa después del cobreado mcuf (mg)

1 3103 3163 2 3099 3160 3 3064 3129 4 3097 3159 5 3071 3133 6 3061 3125 7 3051 3114 8 3117 3183 9 3065 3129

10 3057 3124

Cuadro A.2. Masa de las placas durante la etapa de niquelado para diferentes corridas

Corrida #

Masa antes del niquelado mnii (mg)

Masa después del niquelado mnif (mg)

1 3163 3196 2 3160 3195 3 3129 3164 4 3159 3195 5 3133 3168 6 3125 3160 7 3114 3147 8 3183 3219 9 3129 3163

10 3124 3160

Cuadro A.3. Masa de las placas durante la etapa de cromado para diferentes corridas

Corrida #

Masa antes del cromado mcri (mg)

Masa después del cromado mcrf (mg)

1 3196 3219 2 3195 3215 3 3164 3184 4 3195 3213 5 3168 3189 6 3160 3184 7 3147 3166 8 3219 3239

Apéndice A: Datos Experimentales 103

Cuadro A.3. (Continuación) Masa de las placas durante la etapa de cromado para diferentes corridas

Corrida #

Masa antes del cromado mcri (mg)

Masa después del cromado mcrf (mg)

9 3163 3182 10 3160 3181

Cuadro A.4. Espesor de las placas (medido con micrómetro) durante la etapa de cobreado para diferentes corridas

Corrida #

Espesor antes del cobreado Tcui

(µm)

Espesor después del cobreado Tcuf (µg)

1 200 210 2 200 210 3 200 210 4 200 210 5 200 210 6 200 210 7 200 210 8 200 210 9 200 210

10 200 210

Cuadro A.5. Espesor de las placas (medido con micrómetro) durante la etapa de niquelado para diferentes corridas

Corrida #

Espesor antes del niquelado Tnii

(µm)

Espesor después del niquelado Tnif

(µm) 1 210 220 2 210 220 3 210 210 4 210 220 5 210 220 6 210 210 7 210 210 8 210 210 9 210 210

10 210 220

Apéndice A: Datos Experimentales 104

Cuadro A.6. Espesor de las placas (medido con micrómetro) durante la etapa de cromado para diferentes corridas

Corrida #

Espesor antes del cromado Tcri

(µm)

Espesor después del cromado Tcrf

(µm) 1 220 220 2 220 220 3 210 210 4 220 220 5 220 220 6 210 220 7 210 210 8 210 210 9 210 210

10 220 230

Cuadro A.7. Dimensiones iniciales de las placas

Corrida #

Ancho a

(cm)

Largo l

(cm)

Espesor δ

(cm) 1 5,050 4,000 0,020 2 5,055 4,000 0,020 3 5,000 4,005 0,020 4 5,010 4,030 0,020 5 5,035 3,980 0,020 6 5,030 4,010 0,020 7 4,990 3,990 0,020 8 5,040 4,000 0,020 9 5,010 3,985 0,020

10 4,995 3,995 0,020

Cuadro A.8. Corriente aplicada en las etapas de electrodeposición para diferentes corridas

Corrida #

Corriente durante la etapa de cobreado

icobreado (A)

Corriente durante la etapa de niquelado

iniquelado (A)

Corriente durante la etapa de cromado

icromado (A)

1 6,00 4,00 9,00 2 6,00 4,00 9,00 3 6,00 4,00 9,00 4 6,00 4,00 9,00 5 6,00 4,00 9,00 6 6,00 4,00 9,00 7 6,00 4,00 9,00

Apéndice A: Datos Experimentales 105

Cuadro A.8. (Continuación) Corriente aplicada en las etapas de electrodeposición para diferentes corridas

Corrida #

Corriente durante la etapa de cobreado

icobreado (A)

Corriente durante la etapa de niquelado

iniquelado (A)

Corriente durante la etapa de cromado

icromado (A)

8 6,00 4,00 9,00 9 6,00 4,00 9,00

10 6,00 4,00 9,00

Cuadro A.9. Tiempo de electrodeposición para diferentes corridas

Corrida #

Tiempo durante la etapa de cobreado

tcobreado (s)

Tiempo durante la etapa de niquelado

tniquelado (s)

Tiempo durante la etapa de cromado

tcromado (s)

1 60 61 120 2 60 61 120 3 61 61 119 4 61 61 119 5 60 60 120 6 60 60 120 7 60 61 120 8 60 61 120 9 62 60 120

10 62 60 120

APÉNDICE B RESULTADOS INTERMEDIOS

Apéndice B: Resultados Intermedios 107

Cuadro B.1. Masa del electrodepósito de cobre para diferentes corridas

Corrida #

Masa según método coulométrico mc dcu (mg)

Masa según método gravimétrico mg dcu (mg)

1 59 60 2 59 61 3 60 65 4 61 62 5 59 62 6 59 64 7 59 63 8 60 66 9 61 64

10 61 67

Cuadro B.2. Masa del electrodepósito de níquel para diferentes corridas

Corrida #

Masa según método coulométrico mc dni (mg)

Masa según método gravimétrico mg dni (mg)

1 37 33 2 37 35 3 37 35 4 37 36 5 36 35 6 37 35 7 37 33 8 37 36 9 37 34

10 36 36

Cuadro B.3. Masa del electrodepósito de cromo para diferentes corridas

Corrida #

Masa según método coulométrico mc dcr (mg)

Masa según método gravimétrico mg dcr (mg)

1 97 23 2 97 20 3 96 20 4 96 18 5 97 21 6 97 24 7 97 19 8 97 20

Apéndice B: Resultados Intermedios 108

Cuadro B.3. (Continuación) Masa del electrodepósito de cromo para diferentes corridas

Corrida #

Masa según método coulométrico mc dcr (mg)

Masa según método gravimétrico mg dcr (mg)

9 97 19 10 97 21

Cuadro B.4. Área total de las placas

Corrida #

Área total A

(cm2) 1 40,76 2 40,80 3 40,41 4 40,74 5 40,44 6 40,70 7 40,18 8 40,68 9 40,29

10 40,27

APÉNDICE C MUESTRA DE CÁLCULO

Apéndice C: Muestra de Cálculo 110

C.1. Masa del electrodepósito según método coulométrico

La masa de un electrodepósito utilizando el método coulométrico se calcula con la

ley de Faraday mediante la siguiente ecuación:

kPjP

jP

cAA

Atiem

+∗∗∗= C.1

Para el caso del electrodepósito de cobre, el cual tiene un equivalente

electroquímico con un valor de 0,3294 mg/C y tomando el dato de la columna 2, fila 2 del

cuadro A.8, el dato de la columna 2, fila 2 del cuadro A.9 y los datos del cuadro B.4,

columna 2, filas 2 y 3, se obtiene:

mgcmcm

cmsACmgmc 59

80,4076,40

76,406000,6/3294,0

22

2

=+

∗∗∗=

Este dato corresponde al electrodepósito de cobre de la corrida #1 para una corriente

aplicada de 6,00 A durante 60 s y se reporta en la columna 2, fila 2 del cuadro B.1.

Para ensayos similares y electrodepósitos de otros metales se procede de la misma

forma. En el caso de los electrodepósitos de cromo no se utilizan los términos de las áreas

de las placas ya que se opera con una placa a la vez en lugar de dos. Los valores de

equivalentes electroquímicos para diferentes metales se presentan en el cuadro 2.1.

C.2. Masa del electrodepósito según método gravimétrico

La masa de un electrodepósito utilizando el método gravimétrico es la forma directa

de medir esta propiedad y se calcula mediante la siguiente ecuación:

ifg mmm −= C.2

Tomando los datos de las columnas 2 y 3, fila 2 del cuadro A.1, se obtiene:

Apéndice C: Muestra de Cálculo 111

mgmgmgmg 6031033163 =−=

Este dato corresponde al electrodepósito de cobre de la corrida #1 y se reporta en la

columna 3, fila 2 del cuadro B.1.

Para ensayos similares y electrodepósitos de otros metales se procede de la misma

forma.

C.3. Área total de la placa

El área total de la placa corresponde a la suma de las áreas de todas las caras de la

placa y se calcula mediante la siguiente ecuación:

( ) ( ) ( )[ ]δδ ∗+∗+∗∗= alalA 2 C.3

Tomando los datos de las columnas 2, 3 y 4, fila 2 del cuadro A.7, se obtiene:

( ) ( ) ( )[ ] 276,4002,005,502,000,405,500,42 cmcmcmcmcmcmcmA =∗+∗+∗∗=

Este dato corresponde al área total de la placa de la corrida #1 y se reporta en la

columna 2, fila 2 del cuadro B.4.

Para ensayos similares se procede de la misma forma.

C.4. Espesor teórico del electrodepósito

El espesor teórico del electrodepósito es aquel en que la masa es calculada

utilizando el método coulométrico y se calcula mediante la siguiente ecuación:

ρ∗

∗=

A

mT c

c

10 C.4

Para el caso del electrodepósito de cobre y suponiendo temperatura constante, el

valor de la densidad a 20 ºC es de 8,96 g/cm3, además, tomando el dato de la columna 2,

fila 2 del cuadro B.1 y el dato de la columna 2, fila 2 del cuadro B.4, se obtiene:

Apéndice C: Muestra de Cálculo 112

mcmgcm

mgTc µ62,1

/96,876,40

105932

=∗

∗=

Este dato corresponde al espesor teórico del electrodepósito de cobre de la corrida

#1 y se reporta en la columna 2, fila 2 del cuadro 9.3.

Para ensayos similares y espesores de electrodepósitos de otros metales se procede

de la misma forma. Los valores de densidades para diferentes metales se presentan en el

anexo C.

C.5. Espesor experimental (según método gravimétrico) del electrodepósito

El espesor experimental siguiendo el método gravimétrico se calcula mediante la

siguiente ecuación:

ρ∗

∗=

A

mT

g

g

10 C.5

Para el caso del electrodepósito de cobre y suponiendo temperatura constante, el

valor de la densidad a 20 ºC es de 8,96 g/cm3, además, tomando el dato de la columna 3,

fila 2 del cuadro B.1 y el dato de la columna 2, fila 2 del cuadro B.4, se obtiene:

mcmgcm

mgTg µ64,1

/96,876,40

106032

=∗

∗=

Este dato corresponde al espesor experimental del electrodepósito de cobre de la

corrida #1 siguiendo el método gravimétrico y se reporta en la columna 3, fila 2 del cuadro

9.3.

Para ensayos similares y espesores de electrodepósitos de otros metales se procede

de la misma forma. Los valores de densidades para diferentes metales se presentan en el

anexo C.

Apéndice C: Muestra de Cálculo 113

C.6. Espesor experimental (según método micrométrico) del electrodepósito

El espesor experimental siguiendo el método micrométrico es el método directo

para medir esta propiedad y se calcula mediante la siguiente ecuación:

2

if

m

TTT

−= C.6

Para el caso del electrodepósito de cobre y suponiendo temperatura constante,

tomando los datos de las columnas 2 y 3, fila 2 del cuadro A.4, se obtiene:

mmm

Tm µµµ

52

200210=

−=

Este dato corresponde al espesor experimental del electrodepósito de cobre de la

corrida #1 siguiendo el método micrométrico y se reporta en la columna 4, fila 2 del cuadro

9.3.

Para ensayos similares y espesores de electrodepósitos de otros metales se procede

de la misma forma.

C.7. Eficiencia del baño de electrodeposición según método gravimétrico

La eficiencia de un baño de electrodeposición siguiendo el método gravimétrico se

calcula mediante la siguiente ecuación:

%1001 ∗

−−=

c

gc

gT

TTef C.7

Para el caso de la eficiencia del baño de cobre y tomando los datos de las columnas

2 y 3, fila 2 del cuadro 9.3, se obtiene:

%2,101%10062,1

64,162,11 =∗

−−=

m

mmef g

µ

µµ

Apéndice C: Muestra de Cálculo 114

Este dato corresponde a la eficiencia del baño de cobre de la corrida #1 siguiendo el

método gravimétrico y se reporta en la columna 2, fila 2 del cuadro 9.4.

Para ensayos similares y eficiencias de otros baños se procede de la misma forma.

C.8. Eficiencia del baño de electrodeposición según método micrométrico

La eficiencia de un baño de electrodeposición siguiendo el método micrométrico se

calcula mediante la siguiente ecuación:

%1001 ∗

−−=

c

mc

mT

TTef C.8

Para el caso de la eficiencia del baño de cobre y tomando los datos de las columnas

2 y 4, fila 2 del cuadro 9.3, se obtiene:

%6,308%10062,1

0,562,11 =∗

−−=

m

mmef g

µ

µµ

Este dato corresponde a la eficiencia del baño de cobre de la corrida #1 siguiendo el

método micrométrico y se reporta en la columna 3, fila 2 del cuadro 9.4.

Para ensayos similares y eficiencias de otros baños se procede de la misma forma.

APÉNDICE D FORMULACIONES TÍPICAS DE BAÑOS DE ELECTRODEPOSICIÓN

Apénd

ice D: Form

ulaciones Típicas d

e Baños d

e Electrod

eposición 116

Bokisa

210

75

HCl = 50 ppm H2FlBO3 = 70 g/L

20-45

5-12

6-10

-

-

-

-

Cu

Barauskas

195-248

30-75

Cloruro = 50-120 ppm

20-50

2-11

-

Por aire

95-100

-

-

Cu

Graham

195-247

30-75

-

20-50

2-10

< 6

Catódica o por aire

-

1/1

-

Cu

Kuhn

200-250

25-50

-

20-50

2-5

-

-

95-99

-

-

Cu enrollado

Gabe

200

25-70

-

20-50

2-10

< 6

-

95

-

-

Cu

Căluşaru

15-45

150

-

20-40

5-50

1,2-2,0

-

-

1/1

-

Cu

Glayman

210

50

-

15-20

2-10

1-2

Catódica o por aire

95-100

1/1

0,4-2,2

Placas de Cu

Scott

150-250

45-75

-

15-60

1-1,5

-

Media

-

2/1

0,25

Cu enrollado

Cuadro D.1. Formulaciones típicas para baños de electrodeposición de cobre ácido al sulfato mate según varios autores

Autor

Concentración de CuSO4·5H2O (g/L)

Concentración de H2SO4 (g/L)

Aditivos

Temperatura ºC

Densidad de corriente catódica (A/dm2)

Voltaje (V)

Agitación

Rendimiento (%)

Relación ánodo/cátodo

Velocidad de deposición (µµµµm/min)

Composición de los ánodos

Apénd

ice D: Form

ulaciones Típicas d

e Baños d

e Electrod

eposición 117

Yokoi

150-200

40-90

HCl = 40-100 ppm Tioúrea = 3-7 mL/L Dextrina = 0,5-1 mL/L

15-25

1-5

-

Por aire

-

-

-

Cu

Blue

250

10-30

Tioúrea = 0,01 g/L Melaza = 0,8 g/L

22

5-8

-

Por aire

95-100

-

-

Cu enrollado

Barauskas

199

30

Cloruro = 50-120 ppm Tioúrea = 0,0375 g/L Melaza = 0,75 g/L

20-50

2-11

-

Por aire

95-100

-

-

Cu

Scott

150-250

45-75

Tioúrea = 0,05 g/L Melaza = 0,8 g/L

15-60

1-1,5

-

Media

-

2/1

0,25

Cu enrollado

Gabe

200

25-70

Tioúrea

20-50

2-10

< 6

-

95

-

-

Cu

Pletcher

200-250

25-50

Dextrina, gelatina

20-40

2-5

-

-

95-99

-

-

P con Cu enrollado

Glayman

200

30

Tioúrea = 0,04 g/L Melaza = 0,75 g/L

15-50

2-10

1-2

Catódica

95-100

1/1

0,4-2,2

Placas de Cu

Gray

188

74

Gelatina = 1 g/L

35

1-1,516-22

-

Por aire

-

-

-

Cu

Cuadro D.2. Formulaciones típicas para baños de electrodeposición de cobre ácido al sulfato brillante según varios autores

Autor

Concentración de CuSO4·5H2O (g/L)

Concentración de H2SO4 (g/L)

Aditivos

Temperatura ºC

Densidad de corriente catódica (A/dm2)

Voltaje (V)

Agitación

Rendimiento (%)

Relación ánodo/cátodo

Velocidad de deposición (µµµµm/min)

Composición de los ánodos

Apénd

ice D: Form

ulaciones Típicas d

e Baños d

e Electrod

eposición 118

Blum

240

45

30

-

43

2-7

-

Por aire

-

-

-

Ni enrollado

Graham

300

45

30-38

Peróxido = 5-10 ppm

55

1-6,5

6-12

Catódica

95-100

1/1

-

Ni

Mohler

240

45

30

-

45

4

-

Por aire

-

-

-

Ni

Kuhn

250

45

30

-

60

4

-

-

-

-

-

NI

Scott

250-300

50

35

-

40-70

1-8,5

-

Catódica

-

-

0,21-1,7

Ni (99,5%)

Glayman

300

45

30-40

Humectante 0,2-0,5 g/L

55

1-6

3-5

Por aire

95-100

1/1

0,2-1,2

Placas de Ni

Gray

300

60

38

-

-

-

-

Por aire

-

-

-

Ni

Cuadro D.3. Formulaciones típicas para baños Watts de electrodeposición de níquel mate según varios autores

Autor

Concentración de NiSO4·6H2O (g/L)

Concentración de NiCl2·6H2O (g/L)

Concentración de H3BO3 (g/L)

Aditivos

Temperatura ºC

Densidad de corriente catódica (A/dm2)

Voltaje (V)

Agitación

Rendimiento (%)

Relación ánodo/cátodo

Velocidad de deposición (µµµµm/min)

Composición de los ánodos

Apénd

ice D: Form

ulaciones Típicas d

e Baños d

e Electrod

eposición 119

Yokoi

250-360

35-60

30-50

Sodio-1,5-nafta lendisulfonato = 5-40

g/L 2-Butin-1,4-diol =

0,1-10 g/L

40-60

1-5

-

Por aire

-

-

-

Ni

Doi

280

45

Ácido cítrico 17 g/L

Sacarina = 2 g/L 2-Butin-1,4-

diol = 0,2 g/L

50

1-10

-

Por aire

95-100

-

-

Ni

Kuhn

250

45

30

Cumarina, sacarina,

bencinsul-fonamida

60

4

-

-

-

-

-

Ni

Scott

250-300

50

35

Glucosa = 7 g/L

40-70

1-8,5

-

Catódica

-

-

0,21-1,7

Ni (99,5%)

Gabe

270

40

27-33

Varios

55

1-6

-

-

95

-

-

Ni

Pletcher

250

45

30

Cumarina, sacarina,

bencinsul-fonamida

40-70

2-5

-

-

95

-

-

Ni en pellets

Glayman

270-450

38-90

30-50

Humectante = 0,2-0,5 g/L

Derivado aromático sulfon. = 15-25 g/L

Imida = 0,2 g/L

45-70

1-10

3-5

Por aire

90-100

1/1

0,2-2

Placas de Ni

Cuadro D.4. Formulaciones típicas para baños Watts de electrodeposición de níquel brillante según varios autores

Autor

Concentración de NiSO4·6H2O (g/L)

Concentración de NiCl2·6H2O (g/L)

Concentración de H3BO3 (g/L)

Aditivos

Temperatura ºC

Densidad de corriente catódica (A/dm2)

Voltaje (V)

Agitación

Rendimiento (%)

Relación ánodo/cátodo

Velocidad de deposición (µµµµm/min)

Composición de los ánodos

Apénd

ice D: Form

ulaciones Típicas d

e Baños d

e Electrod

eposición 120

ASTM B177

250

2,5-3,1

55 (40-65)

31 (25-124)

-

-

-

-

Pb/Sb(4-6%) Pb/Sn(7%) Pb/Ag(1%)

Graham

250

2,5

43-50

10-23

6-12

13

1-2/1

-

Pb/Sb,Sn,Te(6%)

Newby

250

2,5

50-60

4-40

-

10-20

1-3/1

0,04-0,47

Pb/Sn(4%)/Sb(3%)

Gabe

225

2,25

45-55

5-20

6-12

10-20

-

-

Aleación de Pb

Pletcher

200

2

40-55

10-20

-

10-15

-

-

Pb/Sn

Glayman

250

2,5

32-50

10-15

3,5-5

15

0,7/1

-

Pb/Sn(7%)

Gray

250

2,5

40

23

-

20

-

0,35

Pb/Sn

Cuadro D.5. Formulaciones típicas para baños de electrodeposición de cromo duro según varios autores

Autor

Concentración de CrO3 (g/L)

Concentración de H2SO4 (g/L)

Temperatura ºC

Densidad de corriente catódica (A/dm2)

Voltaje (V)

Rendimiento (%)

Relación ánodo/cátodo

Velocidad de deposición (µµµµm/min)

Composición de los ánodos

Apénd

ice D: Form

ulaciones Típicas d

e Baños d

e Electrod

eposición 121

Yokoi

15-400

0,5-4

Silicofluoruro 0,5-10 g/L

35-55

5-25

-

-

-

-

-

Martyak

200-350

Ácido sulfoacético =

80-120 g/L KIO4 = 1-3 g/L

Glicina = 3-15 g/L NaSO4 = 2-3 g/L

50-60

16-62

6-12

21

-

-

Pb/Sn(7%)

Graham

400

4

-

43-50

10-23

6-12

13

1-2/1

-

Pb/Sb,Sn,Te(6%)

Zinder

250-400

2,5-4

-

0-50

1-32

4-12

10-20

1-3/1

0,10-0,18

Pb/Sn(7%)

Gabe

450

4,5

-

50-60

8-12

-

10-20

-

-

Aleación de Pb

Pletcher

450

4

Fluoruros complejos

45-60

10-20

-

8-12

-

-

Pb/Sn

Glayman

400

4

-

50-55

20-50

3,5-5

18

0,7/1

-

Pb/Sn(7%)

Gray

400

4

-

35

23

-

19,4

-

0,35

Pb/Sn

Cuadro D.6. Formulaciones típicas para baños de electrodeposición de cromo decorativo según varios autores

Autor

Concentración de CrO3 (g/L)

Concentración de H2SO4 (g/L)

Aditivos

Temperatura ºC

Densidad de corriente catódica (A/dm2)

Voltaje (V)

Rendimiento (%)

Relación ánodo/cátodo

Velocidad de deposición (µµµµm/min)

Composición de los ánodos

APÉNDICE E ANÁLISIS QUÍMICO

Apéndice E: Análisis Químico 123

E.1. Baño de Cobre

E.1.1. Determinación de CuSO4·5H2O

1. Utilizando una pipeta, tomar una muestra de 5 mL del baño y colocarla en un

erlenmeyer de 250 mL.

2. En una probeta de 50 mL colocar 5 mL de HNO3 concentrado y agregar poco a poco 5

mL de H2SO4 concentrado.

3. En una capilla ventilada agregar la mezcla anterior al erlenmeyer con la muestra del

baño, agitar y evaporar hasta obtener vapor blanco denso.

4. Enfriar y agregar 100 mL de agua destilada, calentar hasta disolver.

5. Enfriar y agregar agitando NH4OH concentrado hasta que se presente un color azul

oscuro, hervir durante 15 minutos para eliminar el exceso de amonio.

6. Agregar 10 mL de ácido acético glacial y una punta de espátula de fluoruro de sodio,

suficiente para reaccionar con el hierro presente.

7. Hervir para disolver cualquier compuesto de cobre. En este punto la solución debe ser

clara y azul.

8. Enfriar hasta temperatura ambiente, agregar 15 mL de solución de yoduro de potasio al

20% y agitar.

9. Valorar inmediatamente con una solución 0,1 N de tiosulfato de sodio (24,8 g/L de

Na2S2O3·5H2O) hasta que el color café empiece a desvanecerse.

10. Agregar 2 mL de solución de almidón al 1% (1 g de almidón hecha pasta con agua fría

y luego disuelta hasta 100 mL con agua hirviendo, enfriar y decantar)

11. Continuar la valoración hasta que el color azul desaparezca por completo.

Cálculos:

• Conc. de CuSO4·5H2O (g/L) = 50,0 x Normalidad de tiosulfato de sodio

E.1.2. Determinación de normalidad de tiosulfato de sodio

1. Pesar 0,20 g de alambre de cobre puro y colocarlo en un erlenmeyer de 250 mL.

2. Disolver el cobre con 10 mL de HNO3.

Apéndice E: Análisis Químico 124

3. Agregar 5 mL de H2SO4 concentrado y calentar hasta que se desprenda vapor blanco

y denso.

4. Enfriar y seguir el procedimiento anterior desde el punto 4 hasta el 11.

Cálculos:

• Normalidad. de tiosulfato de sodio = g de cobre x 15,73 / mL de tiosulfato de sodio

E.1.3. Determinación de H2SO4

1. Utilizando una pipeta, tomar una muestra de 10 mL del baño y colocarla en un

erlenmeyer de 250 mL.

2. Agregar 150 mL de agua destilada y 10 gotas de solución de naranja de metilo al

0,1%.

3. Valorar con una solución 1,0 N de NaOH hasta obtener un color verde pálido.

Cálculos:

• Conc. de H2SO4 (g/L) = 4,9 x mL de NaOH 1,0 N

E.2. Baño de Níquel

E.2.1. Determinación del níquel total

1. Utilizando una pipeta, tomar una muestra de 5 mL del baño y colocarla en un

erlenmeyer de 250 mL.

2. Agregar 70 mL de solución de cloruro de amonio-pirofosfato de sodio-yodato de

potasio, la cual se prepara disolviendo 54 g de NH4Cl, 57 g de Na4P2O7 y 1,6 g de KI

en agua caliente y diluyendo hasta 1 litro.

3. Agregar gota a gota solución de NH4OH concentrado (aproximadamente 3 gotas)

hasta obtener un olor característico de amonio. Si se agrega un exceso de amonio

neutralizar con HCl concentrado.

4. Valorar con solución estándar de cianuro de sodio hasta que la turbidez, formada al

inicio de la valoración, desaparezca con una gota final de solución estándar.

Apéndice E: Análisis Químico 125

Cálculos:

• Cantidad de Ni (g/L) = factor de NaCN x mL de solución de cianuro de sodio

estándar

E.2.2. Determinación del factor de NaCN

1. Disolver 25 g de cianuro de sodio, NaCN y 1,7 g de nitrato de plata, AgNO3 en agua

destilada y diluir hasta 1 litro.

2. Pesar 0,2 g de níquel puro y colocarlo en un erlenmeyer de 250 mL.

3. Disolver el níquel con una mezcla de 5 mL de H2SO4, 5 mL de HNO3 y 5 mL de agua

destilada.

4. Evaporar hasta obtener un denso humo blanco.

5. Enfriar, diluir con 10 mL de agua destilada y agregar un exceso de amonio.

6. Calentar hasta obtener un olor característico de amonio.

7. Enfriar a temperatura ambiente y agregar 75 mL de solución de cloruro-pirofosfato

(punto 2 del procedimiento anterior).

8. Valorar con la solución de cianuro de sodio hasta disolver el precipitado formado al

iniciar la valoración.

Cálculos:

• Factor de NaCN = g de níquel x 200 / mL de solución de cianuro de sodio estándar

E.2.3. Determinación del factor de NiCl2·6H2O

1. Utilizando una pipeta, tomar una muestra de 5 mL del baño y colocarla en un

erlenmeyer de 250 mL.

2. Agregar 50 mL de agua destilada.

3. Con un gotero agregar 1 mL de solución de cromato de sodio al 2%.

4. Valorar con solución de nitrato de plata 0,1 N hasta obtener una coloración marrón.

Cálculos:

• Conc. de NiCl2·6H2O (g/L) = 118 x mL de AgNO3 x 0,1 / 5

Apéndice E: Análisis Químico 126

E.2.4. Determinación de H3BO3

1. Utilizando una pipeta, tomar una muestra de 2 mL del baño y colocarla en un

erlenmeyer de 250 mL.

2. Agregar 5 gotas de solución indicadora de azul de bromotimol y morado de

bromocresol. Esta solución se hace disolviendo 1 g de azul de bromotimol y 5 g de

morado de bromocresol en 500 mL de etanol.

3. Agregar gota a gota solución de NaOH 0,5 N hasta que el color cambie de verde a

azul.

4. Agregar aproximadamente 5 g de mannitol en polvo hasta formar una pasta espesa. El

color cambia a verde.

5. Valorar con solución de NaOH 0,5 N hasta obtener un color azul.

Cálculos:

• Conc. de H3BO3 (g/L) = mL de NaOH x 0,5 x 62 / 2

E.3. Baño de Cromo

E.3.1. Determinación de CrO3

1. Utilizando una pipeta, tomar una muestra de 10 mL del baño.

2. Colocar la muestra en un matraz aforado de 500 mL y diluir hasta la marca, agitar

bien.

3. Utilizando una pipeta, tomar una muestra de 10 mL y colocarla en un erlenmeyer de

250 mL.

4. Diluir con 100 mL de agua destilada.

5. Agregar 2 g de bifluoruro de amonio, NH4HF2, para eliminar el hierro presente.

6. Agregar 15 mL de HCl concentrado, agitar.

7. Agregar 10 mL de solución de KI al 10% y agitar.

8. Valorar con solución de tiosulfato de sodio 0,1 N (Na2S2O3·5H2O, 0,1 N) hasta que

desaparezca el color café.

Apéndice E: Análisis Químico 127

9. Agregar 5 mL de solución de almidón al 1%.

10. Continuar la valoración hasta que desaparezca el color azul por al menos 1 minuto.

Cálculos:

• Conc. de CrO3 (g/L) = factor de Na2S2O3 x mL Na2S2O3

(para Na2S2O3 0,1 N el factor tiene un valor de 16,67)

E.3.2. Determinación del factor de Na2S2O3

1. Disolver 24,82 g de Na2S2O3·5H2O puro en agua destilada.

2. Agregar 0,1 g de carbonato de sodio y diluir hasta 1 litro con agua destilada.

3. Pesar 0,1 g de dicromato de potasio, K2Cr2O7 previamente secado y colocarlo en un

erlenmeyer de 250 mL.

4. Diluir con 100 mL de agua destilada y agregar 2 g de bifluoruro de amonio.

5. Agregar 15 mL de HCl concentrado y 10 mL de solución de KI al 10%.

6. Valorar con la solución de tiosulfato de sodio 0,1 N (del punto 2) hasta que

desaparezca el color café.

7. Agregar 5 mL de solución de almidón al 1%.

8. Continuar la valoración hasta que desaparezca el color azul durante al menos 1

minuto.

Cálculos:

• Factor de Na2S2O3 = g de K2Cr2O7 x 0,679 x 5000 / mL Na2S2O3·5H2O

E.3.3. Determinación de cromo trivalente

1. Utilizando una pipeta, tomar una muestra de 10 mL del baño.

2. Colocar la muestra en un matraz aforado de 500 mL y diluir hasta la marca, agitar

bien.

3. Utilizando una pipeta, tomar una muestra de 10 mL y colocarla en un erlenmeyer de

250 mL.

4. Diluir con 100 mL de agua destilada y agregar 0,2 g de peróxido de sodio, Na2O2.

Apéndice E: Análisis Químico 128

5. Hervir durante 20 a 30 minutos.

6. Diluir con 100 mL de agua destilada y enfriar a temperatura ambiente.

7. Agregar 2 g de bifluoruro de amonio, NH4HF2.

8. Agregar 15 mL de HCl concentrado y dejar enfriar.

9. Agregar 10 mL de solución de KI (100 g/L de KI + 1 g/L de KOH).

10. Valorar con solución de tiosulfato de sodio 0,1 N (Na2S2O3·5H2O, 0,1 N) hasta que

desaparezca el color café.

11. Agregar 3 mL de solución de almidón (10 g/L de almidón soluble).

12. Continuar la valoración hasta que desaparezca el color azul.

Cálculos:

• Conc. de Cr+3 (g/L) = (mL Na2S2O en sección B.3.1.) - factor de Na2S2O3 x (mL

Na2S2O en sección B.3.3.) x 0,52

E.3.4. Determinación de sulfatos

1. Utilizando una pipeta, tomar una muestra de 10 mL del baño y colocarla en un beaker

de 250 mL.

2. Agregar 75 mL de mezcla reductora (15 mL isopropanol + 7 mL HCL concentrado +

25 mL ácido acético glacial + 53 mL agua destilada).

3. Hervir la solución durante 10 a 15 minutos.

4. Diluir con agua destilada caliente hasta 150 mL y dejar reposar durante 1 hora a una

temperatura entre 60º y 70ºC (en calentador eléctrico).

5. Filtrar en un beaker de 250 mL para remover impurezas suspendidas. Realizar de 6 a

7 lavados con 5 mL de agua destilada caliente para remover el color verde del papel

de filtro.

6. Agitar el filtrado y calentar hasta hervir.

7. Agregar gota a gota y con agitación 10 mL de solución de cloruro de bario (100 g/L

de BaCl2·2H2O).

8. Mantener la solución entre 60º y 70ºC (en calentador eléctrico) durante 2 a 4 horas.

9. Filtrar y lavar el precipitado con agua destilada caliente.

Apéndice E: Análisis Químico 129

10. Depositar el papel con el precipitado en un crisol y quemar en un horno durante 15 a

25 minutos.

11. Enfriar en un desecador y pesar el precipitado de BaSO4.

Cálculos:

• Conc. de SO4 (g/L) = g de precipitado x 41,15

APÉNDICE F PLANOS CONSTRUCTIVOS DEL EQUIPO DE ELECTRODEPOSICIÓN

Apéndice F: Planos Constructivos del Equipo de Electrodeposición 131

Apéndice F: Planos Constructivos del Equipo de Electrodeposición 132

Apéndice F: Planos Constructivos del Equipo de Electrodeposición 133

Apéndice F: Planos Constructivos del Equipo de Electrodeposición 134

Apéndice F: Planos Constructivos del Equipo de Electrodeposición 135

APÉNDICE G SOLUCIÓN A PROBLEMAS FRECUENTES EN ELECTRODEPOSICIÓN

Apéndice G: Solución a Problemas Frecuentes en Electrodeposición 137

G.1. Baño de Cobre

G.1.1. Depósito quemado

• Baja concentración de cobre o alta de ácido. Analizar y ajustar.

• Baja temperatura. Calentar el baño.

• Agitación insuficiente. Disminuir la corriente aplicada, a menos que la agitación

pueda ser aumentada.

• Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.

G.1.2. Depósito rugoso

• Presencia de sólidos suspendidos. Filtrar el baño.

• Ánodos inapropiados. Usar ánodos de cobre fosforoso.

G.1.3. Pérdida de brillo

• Insuficiencia de agente aditivo. Determinar adición con celda de Hull.

• Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.

• Alta temperatura. Enfriar el baño.

• Baja concentración de cobre. Analizar y ajustar.

G.1.4. Depósito picado

• Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.

• Presencia de lodos en los ánodos. Cubrir los ánodos con bolsas.

G.1.5. Corriente baja

• Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.

• Baja concentración de ácido sulfúrico. Analizar y ajustar.

• Insuficiencia de agente aditivo. Determinar adición con celda de Hull.

• Baja densidad de corriente. Incrementar corriente aplicada.

• Alta temperatura. Enfriar el baño.

Apéndice G: Solución a Problemas Frecuentes en Electrodeposición 138

G.1.6. Depósito duro

• Baja concentración de cobre o alta de ácido. Analizar y ajustar.

• Alta densidad de corriente. Disminuir corriente aplicada.

• Baja temperatura. Calentar el baño.

G.1.7. Depósito no uniforme

• Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.

• Insuficiencia de agente aditivo. Determinar adición con celda de Hull.

G.1.8. Distribución pobre

• Baja agitación o no uniforme. Mejorar y ajustar.

• Excesiva área de ánodos. Ajustar.

• Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.

G.2. Baño de Níquel

G.2.1. Distribución pobre

• Baja concentración de níquel metálico. Analizar y ajustar.

• Baja densidad de corriente. Incrementar corriente aplicada.

• Presencia de impurezas metálicas. Analizar y ajustar.

• Contactos eléctricos flojos o sueltos. Revisar conexiones eléctricas a los tanques y

ánodos.

G.2.2. Depósito quemado

• Excesiva densidad de corriente. Disminuir corriente aplicada.

• Baja concentración de los componentes del baño. Analizar y ajustar.

• Sales de amonio presentes. Eliminar en caso de ser introducidas al baño.

• Exceso de abrillantadores. Tratar con carbón activado seguido de filtración.

• Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.

Apéndice G: Solución a Problemas Frecuentes en Electrodeposición 139

G.2.3. Depósito rayado

• Concentración anormal de los componentes del baño. Analizar y ajustar.

• Presencia de contaminantes. Mejorar los enjuagues de limpieza previos a la

electrodeposición.

• Exceso de abrillantador. Agitar muy bien luego de adicionar abrillantador.

G.2.4. Adhesión pobre

• Débil limpieza en inmersión ácida. Mejorar la limpieza en inmersión ácida previo a la

electrodeposición.

• Presencia de impurezas metálicas. Analizar y ajustar.

• Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.

G.2.5. Depósito negro

• Presencia de impurezas metálicas. Analizar y ajustar.

• Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.

• Baja densidad de corriente. Incrementar corriente aplicada.

G.2.6. Depósito opaco

• Insuficiencia de abrillantador secundario. Determinar adición con celda de Hull.

• Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.

G.2.7. Depósito rugoso

• Alta densidad de corriente. Disminuir corriente aplicada.

• Baja concentración de níquel, cloruro o ácido bórico. Analizar y ajustar.

• Baja temperatura. Calentar el baño.

• Presencia de sólidos suspendidos. Filtrar el baño.

G.2.8. Depósito picado

• Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.

Apéndice G: Solución a Problemas Frecuentes en Electrodeposición 140

• Agujeros de aire. Disminuir la cantidad de aire de agitación.

• Baja temperatura. Calentar el baño.

• Baja concentración de ácido bórico. Analizar y ajustar.

• Alta corriente aplicada. Disminuir corriente aplicada o aumentar agitación y

temperatura.

G.3. Baño de Cromo

G.3.1. Limitado intervalo de electrodeposición

• Relación CrO3 a SO4 muy alta o muy baja. Ajustar lo más cercano posible a una

relación de 100.

G.3.2. Baja eficiencia

• Alta temperatura. Enfriar el baño.

• Relación CrO3 a SO4 muy alta o muy baja. Ajustar lo más cercano posible a una

relación de 100.

G.3.3. Depósito lechoso

• Baja densidad de corriente. Incrementar corriente aplicada.

G.3.4. Depósito opaco

• Baja temperatura. Calentar el baño.

G.3.5. Depósito quemado

• Alta densidad de corriente. Disminuir corriente aplicada.

• Exceso de ácido sulfúrico. Analizar y ajustar.

G.3.6. Pobre conductividad del baño

• Presencia de impurezas metálicas. Analizar y ajustar.

Apéndice G: Solución a Problemas Frecuentes en Electrodeposición 141

G.3.7. Formación de cromo trivalente

• Área de ánodos muy pequeña. Corregir.

• Uso de ánodos de acero. Cambiar por ánodos de plomo o aleación de plomo.

G.3.8. Depósito rugoso

• Alta densidad de corriente. Disminuir corriente aplicada.

• Baja temperatura. Calentar el baño.

• Presencia de sólidos suspendidos. Filtrar el baño.

ANEXO A ESPECIFICACIÓN ESTÁNDAR PARA CAPAS ELECTRODEPOSITADAS DE COBRE

MÁS NÍQUEL MÁS CROMO Y NÍQUEL MÁS CROMO (ASTM B456)

Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456 143

Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456 144

Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456 145

Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456 146

Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456 147

Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456 148

Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456 149

Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456 150

Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456 151

Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456 152

Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456 153

ANEXO B REGLA DE HULL

Anexo B: Regla de Hull 155

ANEXO C ALGUNAS PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS METALES

Anex

o C: Algunas Propied

ades F

ísicas de los M

etales 157

Módulo de Elasticidad en

Tensión (10-6 kPa)

69

77,9

55

---

207

110

248

41

196,5

517

44,8

159

---

345

207

83

117

76

145

17,9

289

414

---

186

41

115,8

345

76

Resistividad Eléctrica (mΩ-cm)

2,655(20ºC)

39,0 (0ºC)

6,83 (0ºC)

5,916 (20ºC)

6,24 (20ºC)

1,673 (20ºC)

13 (28ºC)

11,5 (20ºC)

9,71 (20ºC)

5,3 (20ºC)

4,46 (20ºC)

185 (20ºC)

94,1 (20ºC)

5,17 (0ºC)

6,84 (20ºC)

2,19 (0ºC)

10,8 (20ºC)

1,59 (20ºC)

9,83 (0ºC)

20,65 (20ºC)

4,5 (20ºC)

7,6 (0ºC)

18 (0ºC)

12,4 (18ºC)

2X105 (20ºC)

80 (0ºC)

5,5 (20ºC)

41,0 (0ºC)

Coeficiente de Expansión Lineal Térmica a 20ºC

(µm/ºC)

607

216 a 274

757

1008

312

419

158

584

297

173

660

559

---

124

338

361

300

500

226

744

211

231

711

165

427

216

109

127

Calor Específico (kJ/g ºC)

900

205

230

283

414

385

460

226

460

130

1046

481

138

255

439

130

243

234

134

130

247

238

130

151

197

527

134

276

Punto de Ebullición

(ºC)

2060

1440

765

906

2900

2600

2500

2270

2740

5300

1110

2150

357

4800

2730

2970

4000

2210

4410

1740

4500

4900

1460

---

1390

3300

5930

---

Punto de Fusión

(ºC)

660,2

630,5

320,9

419,46

1495

1083

1890

231,9

1539

2454

650

1245

-38,87

2625

1455

1063

1554

960,5

1773,5

327,4

1966

2500

300

2996

450

1820

3410

1750

Densidad a 20ºC

(kg/dm3)

2,699

6,62

8,65

7,133

8,9

8,96

7,19

7,298

7,87

22,5

1,74

7,43

13,55

10,2

8,90

19,32

12,0

10,49

21,45

11,34

12,44

12,2

11,85

16,6

6,24

4,54

19,3

6,5

Peso Atómico (g/mol)

26,97

121,76

112,41

65,38

58,94

63,54

52,01

118,70

55,85

193,1

24,32

54,93

200,61

95,95

58,69

197,2

106,7

107,88

195,23

207,21

102,91

101,7

204,39

180,88

127,61

47,90

183,92

91,22

Número Atómico

13

51

48

30

27

29

24

50

26

77

12

25

80

42

28

79

46

47

78

82

45

44

81

73

52

22

74

40

Símbolo

Al

Sb

Cd

Zn

Co

Cu

Cr

Sn

Fe

In

Mg

Mn

Hg

Mo

Ni

Au

Pd

Ag

Pt

Pb

Rh

Ru

Tl

Ta

Te

Ti

W

Zr

Elemento

Aluminio

Antimonio

Cadmio

Cinc

Cobalto

Cobre

Cromo

Estaño

Hierro

Iridio

Magnesio

Manganeso

Mercurio

Molibdeno

Níquel

Oro

Paladio

Plata

Platino

Plomo

Rodio

Rutenio

Talio

Tántalo

Telurio

Titanio

Tungsteno

Zirconio