Instituto Tecnológico de Costa Rica.

Escuela de Ciencia e Ing. de los Materiales.

Tecnología de Recubrimientos.

Proyecto Electrodeposición.

Prof. Ronald Jiménez.

José Andrés Solano Chaves.

200319881

Electrodeposición.

José Andrés Solano

Resumen

Este proyecto consiste en elaborar la electrodeposición de níquel sobre

la aleación de aluminio 7075. Esto con el fin de que la superficie de níquel sirva

de anclaje del recubrimiento NiCoTef dado que el mismo necesita de esta

superficie para aumentar la resistencia a la corrosión y una buena adherencia.

Se escoge lel recubrimiento por electrodeposición dado las condiciones con las

cuales se cuenta para este fin.

Introducción.

Lo que pretende este trabajo es realizar una serie de pruebas de

electrodeposición de níquel, sobre sustrato de aluminio, donde se tiene una

superficie de anclaje de zinc. Donde la superficie de níquel tiene como fin servir

para aumentar la resistencia a la corrosión y servir de anclaje para un posterior

proceso de recubrimiento de NiCoTef, el cual tiene aplicaciones en dispositivos

médicos.

Por tanto se tiene como alcance elaborar una serie de pruebas con las

variables a controlar, además del diseño del proceso contemplando los

requerimientos de planta y los costos del proceso. Esto tomando en cuenta el

nivel de producción de las diferentes piezas a desarrollar en la aleación de

aluminio 7075.

Objetivos

Realizar la electrodeposición de zinc sobre el sustrato de

aluminio.

Realizar la electrodeposición de níquel sobre la capa de

zinc.

Determinar los parámetros a utilizar para ambos procesos,

esto mediante el uso de la celda Hull.

Diseñar una planta la cual cumpla con los requerimientos

técnicos y ambientales.

Marco Teórico.

Preparación de la superficie.

Los baños de preparación de la superficie

En todo proceso galvánico, antes de proceder al recubrimiento

superficial de la pieza, se requiere un tratamiento previo de preparación de la

superficie para eliminar todos los restos de grasa y de óxidos que ésta

contiene. En general, dichos restos vienen con la pieza y se generan en el

tratamiento de conformación mecánica de la misma.

Igualmente, las piezas pueden sufrir un pulido mecánico a fin de mejorar

su estado superficial, eliminándose también, de este modo, cualquier grasa que

pudiera quedar.

Son muy variados los sistemas de preparación de la pieza, en función

del material de base y de la naturaleza de los restos a eliminar. Entre éstos, los

más frecuentes dentro del sector son:

- pretratamiento mecánico

- decapado mecánico

- desengrase químico

- desengrase con ultrasonidos

- desengrase electrolítico

- activado ácido/decapado

Pretratamiento mecánico

El pretratamiento es la preparación de las piezas para el posterior

proceso galvánico.

Habitualmente, el pretratamiento se clasifica en dos grupos: preliminar y

final.

El pretratamiento preliminar consiste en eliminar mecánicamente

elementos sucios y residuales presentes en la superficie de las piezas, tales

como restos de pastas de pulir, polvo, grasa, gotas de aceites, manchas de

óxido, etc. Aunque esta fase puede formar parte del propio proceso productivo,

normalmente se considera previa a éste.

El pretratamiento final elimina con medios mecánicos sólo los últimos

restos grandes de aceites y grasa, acondicionando la pieza para el proceso

galvánico propiamente dicho.

En cualquier ciclo de pretratamiento en el que las piezas a tratar

presentan tanto restos de aceites como de óxido, es una buena práctica

eliminar mecánicamente dichos contaminantes antes de introducir las piezas en

la línea de proceso, ya que esto facilitará la eliminación más uniforme de

aceites y óxidos, posteriormente.

Decapado mecánico

Consiste en proyectar a gran velocidad, mediante aire comprimido, un

material agresivo en estado sólido (arena de sílice, escorias, granalla de acero,

etc.) sobre la superficie en cuestión. Con este sistema, se van eliminando las

capas de impurezas que se encuentran adheridas a la superficie a tratar. El

material agresivo que se utiliza depende de diferentes factores, como el

rendimiento del producto, la posibilidad de recuperación, el aspecto deseado

del acabado y del material de base de la pieza.

Desengrase químico

En este caso, se procede a la inmersión de la superficie a tratar en una

solución química, durante un tiempo prefijado, empleando disolventes,

detergentes o por electrólisis.

En el desengrase con disolventes, éstos son utilizados tanto en fase

vapor como en frío. Eliminan las grasas, las pinturas y los barnices.

En fase vapor, se utilizan normalmente disolventes clorados, los cuales

se hacen evaporar en el baño para producir los vapores disolventes.

A continuación, se citan los disolventes más utilizados actualmente para

llevar a cabo el desengrase:

- tricloroetano, tricloroetileno y percloroetileno,

- cloruro de metileno,

- triclorofluoretano,

- cloroformo, como básicos.

En el caso de utilización del desengrase con disolventes en frío, se

emplean los mismos compuestos, pero se aplican por inmersión.

En el desengrase químico con detergentes (comerciales), se consigue

eliminar cualquier tipo de grasa gracias a la presencia de elementos

tensoactivos que disminuyen la tensión superficial del baño y que se añaden a

una solución alcalina.

En los medios alcalinos utilizados para desengrasar las piezas, se puede

hallar la siguiente formulación:

- sosa cáustica............................. 40 g/l

- carbonato sódico....................... 25 g/l

- fosfato trisódico 12·H2O.......... 10 g/l

- metasilicato sódico 5·H2O........ 10 g/l

- humectantes............................ 2-5 g/l

En este medio, las condiciones óptimas de trabajo son las siguientes:

- pH...............................................12-14

- temperatura.................................60-90 ºC

Por otra parte, para favorecer el efecto mecánico de la limpieza,

normalmente se utiliza algún mecanismo de agitación del medio, como el aire,

por ejemplo.

Desengrase por ultrasonidos

Este sistema consiste en un medio químico como el anterior, al que se le

añade un mecanismo generador de ultrasonidos que crea un efecto de impacto

sobre la superficie de la pieza, colaborando a la limpieza mecánica de ésta.

Desengrase electrolítico

Uno de los sistemas más utilizados es el desengrase electrolítico, que

consiste en someter las piezas, actuando como cátodos, a la acción de una

solución alcalina. Las grasas saponificables son atacadas y saponificadas por

la acción de la solución alcalina y el hidrógeno originado en la electrólisis sobre

el cátodo favorece la liberación de las grasas de la pieza. Con este sistema,

también se desprenden los óxidos metálicos para su reducción a través del

hidrógeno.

La formulación básica del medio es la siguiente:

- sosa cáustica.................................... 50-60 g/l

- fosfato trisódico 12·H2O................. 10-20 g/l

- gluconato sódico.............................. 10-30 g/l

En este caso, las condiciones de trabajo más frecuentes son las

siguientes:

- pH................................................ 12-14

- temperatura.................................. 80 ºC

- densidad de corriente....................5-10 Amp/dm2

Activado ácido/decapado

En esta operación se eliminan sobre todo los óxidos metálicos de la

superficie a recubrir.

En función del tipo de óxido a eliminar, se utilizan baños ácidos en frío o

en caliente.

Entre los principales compuestos, cabe destacar:

- ácido clorhídrico

- ácido sulfúrico

- agentes inhibidores

También se ha observado la utilización de ambos ácidos mezclados,

aunque algunos activadores especiales de metales utilizan el bifluoruro

amónico (F2HNH4) como sustancia de activación.

Después del decapado, la superficie contiene productos químicos que se

generan por la acción de los ácidos sobre los óxidos. A continuación, por

consiguiente, se eliminan estos productos mediante su neutralización y

posterior lavado con agua corriente.

Lavado.

La operación de lavado es fundamental en los procesos de

recubrimientos galvánicos. El caudal de agua necesario para efectuar

correctamente el lavado de las superficies tratadas es un parámetro que,

normalmente, determina las dimensiones de los sistemas de gestión y

tratamiento posteriores.

Este caudal depende de muchos factores y, según como haya sido

diseñada la planta galvánica, puede ser muy superior al mínimo necesario.

Éste es, por desgracia, un caso muy habitual.

Es, por lo tanto, esencial que el sistema de lavado escogido permita

obtener la calidad de lavado necesaria con el mínimo consumo de agua, hecho

que, por otro lado, también implica una reducción del caudal de las aguas

residuales.

Uno de los factores que más influyen en los caudales de lavado es el

arrastre. Éste, por su parte, puede venir condicionado por la forma y rugosidad

superficial de la pieza, por la viscosidad de la solución de proceso, etc.

Lavados simples

Es el sistema más extendido entre la inmensa mayoría de empresas del

sector galvánico.

En este caso, sólo encontramos una única cubeta de lavado, con agua

corriente, después del baño de tratamiento.

Generalmente, el caudal de agua necesario para garantizar una dilución

suficiente es muy elevado.

Lavados en etapas

También se denominan lavados múltiples y, habitualmente, son lavados

dobles (con dos cubas).

Este sistema de lavado puede ser de dos tipos:

• Lavado múltiple en paralelo: Es una buena alternativa a fin de

reducir, de manera considerable, el consumo de agua.

Se da cuando existen diversas cubas de lavado en las que cada

una de ellas es alimentada, de manera separada, por una entrada de

agua (en paralelo).

• Lavado múltiple en cascada (en serie): Es, generalmente, el

sistema más recomendado (siempre que la planta disponga de suficiente

espacio).

En este caso, el agua limpia se introduce por la última cubeta de lavado

y pasa (en cascada) hasta la primera. El sistema, pues, funciona a

contracorriente (la circulación de agua se produce en sentido contrario al de la

pieza trabajada). De este modo, las piezas siempre se encuentran con un agua

cada vez más limpia.

Electrodeposición.

La electrodeposición, o galvanoplastia, es un proceso electroquímico de

chapado donde los cationes metálicos contenidos en una solución acuosa se

depositan en una capa sobre un objeto conductor, esto relacionado con las

reacciones tipo redox. El proceso utiliza una corriente eléctrica para reducir

sobre la superficie del cátodo los cationes contenidos en una solución acuosa.

Al ser reducidos los cationes precipitan sobre la superficie creando un

recubrimiento.

La electrodeposición se utiliza principalmente para conferir una capa con

una propiedad deseada a una superficie que de otro modo carece de esa

propiedad; dentro de las cuales se encuentra por ejemplo, resistencia a la

abrasión y al desgaste, protección frente a la corrosión, la necesidad de

lubricación, cualidades estéticas entre otras. Otra aplicación de la

electrodeposición es recrecer el espesor de las piezas desgastadas por

ejemplo mediante el cromo duro.

Su funcionamiento es el antagónico al de una celda galvánica, que utiliza

una reacción redox para obtener una corriente eléctrica. La pieza que se desea

recubrir se sitúa en el cátodo del circuito, mientras que el ánodo es del metal

con el que se desea recubrir la pieza. El metal del ánodo se va consumiendo,

reponiendo el depositado. En otros procesos de electrodeposición donde se

emplea un ánodo no consumible, como los de plomo o grafito, los iones del

metal que se deposita deben ser periódicamente repuestos en el baño a

medida que se extraen de la solución.

Electrodeposición de Zinc.

Este tipo de proceso es uno de los más difundidos entre las empresas

de tratamiento de superficies y, posiblemente, se convierta en uno de los

recubrimientos más utilizados para la protección del hierro, dadas sus

características anticorrosivas y decorativas.

En la actualidad, existen tres formas básicas de depositar el cinc por vía

electrolítica:

- cinc ácido

- cinc alcalino

- cinc cianurado

El proceso de cinc ácido no es, hoy en día, el proceso de cincado más

empleado. Este metal es químicamente activo y se ve atacado por los ácidos

diluidos, aunque lo hace lentamente cuando el ácido está concentrado. En

algunos casos, esto provoca una dificultad a la hora de controlar los

parámetros del baño de proceso. La solución ácida está formada

principalmente por sulfato o cloruro de cinc, cloruro sódico o potásico, ácido

bórico. Así pues, las formulaciones ácidas son de esta forma:

- cloruro de cinc........................... 62-85 g/l

- cloruro potásico..................... 186-255 g/l

- ácido bórico............................... 30-38 g/l

- humectantes............................... 60-90 g/l

- abrillantadores............................ 0,5-1 g/l

Las condiciones de trabajo en esta formulación son las siguientes:

- Temperatura................................21-35 ºC

- Densidad de corriente.................1-4 Amp/dm2

- Tensión........................................1-18 V

- pH................................................4,8-5,4

Más utilizada que la anterior es la solución de cinc alcalina. En este

caso, el cinc reacciona con los álcalis dando cincatos solubles, según la

siguiente reacción, en la que también se libera hidrógeno:

Zn + 2 (OH)- <=====> (ZnO2)2- + H2

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

- óxido de cinc............................9,5 g/l

- hidróxido sódico................90-120 g/l

- abrillantadores.....................10-50 ml/l

Las condiciones de trabajo, en este caso, son:

- Temperatura........................................20-30 ºC

- Densidad de corriente catódica..........2-4 Amp/dm2

- Voltaje................................................2-15 V

El último tipo de cincado, siendo más usado que el cincado ácido y

alcalino, es el cincado cianurado, en forma alcalina, que se basa en la siguiente

reacción:

Zn(CN)2 + 2 NaCN <=====> Na2Zn(CN)4

Las formulaciones básicas dependen fundamentalmente de la

concentración de cianuro sódico, variando del siguiente modo:

Tipo de baño

En cuanto a las condiciones de trabajo, las más usuales son las

siguientes:

- Temperatura.........................................20-30 ºC

- Densidad de corriente catódica...........2-6 Amp/dm2

- Voltaje..................................................2-15 V

Electrodeposición de Níquel.

El níquel electrolítico es una técnica de electrodeposición que consiste

en depositar una delgada capa de níquel sobre un objeto metálico. La capa de

níquel puede tener una finalidad decorativa, proporcionar resistencia a la

corrosión, o resistencia al desgaste, o se utiliza para la acumulación de piezas

desgastadas.

Baños Watt

Los baños Watts de níquel pueden depositar tanto níquel brillante como

semi-brillante. El níquel brillante se utiliza normalmente para fines decorativos y

de protección contra la corrosión. Los recubrimientos semi-brillantes se utilizan

para el níquel ingeniería donde no se desea un alto brillo.

La composición del baño watts es:

Compuesto Concentración g/L

Sulfato de níquel 225 -400

Cloruro de níquel 30-60

Ácido Bórico 30-45

Mientras que las condiciones operativas son:

Temperatura 44-66 °C

Densidad de corriente 3-11 A/dm2

Ánodo Níquel

pH 2-4.5

Requisitos Ambientales.

Según la legislación vigente se tiene que para lo referente a residuos

tóxicos se tiene que seguir lo referente al Decreto Ejecutivo 27001 y 27002 del

MINAE, además de contar con las condiciones a las cuales se refiere la Ley

8839 que se refiere a la gestión integral de residuos. Por otro lado se tiene que

tener el cumplimiento con el Reglamento de Vertido y Residuo de Aguas

Residuales el cual corresponde al decreto ejecutivo N° 33601 del nueve de

agosto del dos mil seis; además del Reglamento de Operación de Sistemas de

Tratamiento de Aguas Residuales, el cual corresponde al decreto N° 31545-S-

MINAE.

Análisis y Resultados.

Para esta fase del proyecto se hicieron una serie de pruebas sobre la

aleación 7075 para el proceso de electrodeposición de níquel esto con el fin de

la capa de níquel sirva de anclaje para la capa de NiCoTef y además le dé una

mejor resistencia a la corrosión.

Como la afinidad del níquel no es compatible con la del aluminio se tiene

que obtener una capa intermedia que sirva como superficie de anclaje, donde

entonces se tiene una electrodeposición de zinc para tal motivo.

Donde las pruebas que se hicieron dieron como resultado:

Probeta 1 Probeta 2 Probeta 3

Temperatura 22°C 22°C 22°C

A/dm2 10.99 9.07 9.94

Distancia cm 3 5 7

Peso del

recubrimiento.

0.014 g 0.019 g 0.022 g

Tiempo > 2 min > 2 min > 2 min

En la probeta 1 se observa que la misma se pone negra es decir se

quema por lo cual el tiempo de exposición es relativamente menor esto en

cuanto a segundos, para evitar que la misma quedase quemada. Mientras que

las otras dos probetas se tiene que presentan una coloración gris oscura, con

una ligera mancha alrededor del punto de contacto eléctrico.

Luego de la electrodeposición de zinc se procedió a la electrodeposición

con níquel donde para la cual se obtienen los siguientes resultados:

Probeta 1 Probeta 2 Probeta 3

Temperatura 50°C 50°C 50°C

A/dm2 10.99 9.07 9.94

Distancia cm 3 5 7

Peso del

recubrimiento.

0.016 g 0.018 g 0.021 g

Tiempo > 3 min > 3 min > 3 min

Esto corresponde a las probetas 1 2 y 3 de izquierda a derecha una vez

que las mismas ya han sido electro depositadas con níquel.

Las mismas se nota que al terminar el proceso tanto de

electrodeposición de níquel como de zinc algunas zonas con ciertas manchas

lo cual puede ser atribuido a la falta de agitación de los baños.

Planos de Pieza.

Diagrama del Proceso.

Para lo referente al proceso y tomando en cuenta las pruebas realizadas

se tienen un área de uso compartido entre el embalaje y el montaje en los

racks. Además se contempla que la primera etapa corresponde al proceso de

limpieza la cual consta de un primer proceso de limpieza con hidróxido de sodio

al 15% v/v y a una temperatura de 50°C durante 3 minutos, esto para quitar las

grasas que se encuentra en las piezas, seguido de un enjuague en agua a

temperatura ambiente, esto para evitar el arrastre de residuos de ese proceso.

Seguidamente pasa al proceso de limpieza ácida con ácido clorhídrico al 30%

v/v durante 1 minuto y a una temperatura de 42°C, para luego pasar por dos

enjuagues uno en caliente a 50 °C y el otro a temperatura ambiente, los cuales

se hacen de este modo para evitar el arrastre de ácido al proceso de

electrodeposición.

Para las etapas que se tienen de electrodeposición de zinc y según los

resultados obtenidos se estima que el tiempo de tratamiento es menor a los 2

minutos, el proceso se hace a temperatura ambiente, con una densidad de

corriente de 9 A/dm2. Además la preparación de baño se da con zinc metálico

de 7.5 -11.2 g/L, cianuro de sodio 22 – 19 g/L e hidróxido de sodio 75-90 g/L.

Seguido de la electrodeposición de zinc se continua con un lavado en

caliente a 50°C para evitar el arrastre de los químicos usados en la etapa

anterior, para luego pasar a la electrodeposición de níquel el cual se hace

mediante la solución de baño watts la cual se hace con una densidad de

corriente de 10 A/dm2, a una temperatura de 50°C y a una distancia del ánodo

de 7 cm.

Luego de pasar por la electrodeposición se tiene que pasar por otro

enjuague en caliente a 50°C, y seguido de enjuague a temperatura ambiente

esto para quitar los residuos de los procesos de electrodeposición. Para

terminar con el secado por soplado con aíre a presión y para por último por un

control de calidad con respecto al espesor y apariencia para pasar al embalaje.

Plano de Planta.

La planta contempla tanto el área de embalaje, de montaje, y los 10 tanques para las diferentes etapas.

Por lo cual el terreno tiene que como dimensiones 9 metros por 6 metros esto para que se contemple el espacio requerido

para los rectificadores y otros equipos que forman parte del proceso.

Costos.

Para los costos se tomaron como fuente tanto a nivel nacional como

pedidos desde internet de las compañías:

Ampere Plating

Capris.

CIMA.

Letslab

Químicos Holanda.

Sumitec

Transmerquin.

Equipo Costo $ Costo ₡

10 Tanques de Fibra de

Vidrio

2700 1 366 200

2 Rectificadores 34152 17 280 912

8 Ánodo de Níquel 1957.2 990 343

8 Ánodo de Plomo 1456 736 736

Hidróxido de sodio 25 kg 250 126 500

Sales y químicos para

baño watts de Níquel 25

kg

4000 2 024 000

Tambor Ácido clorhídrico 256 129 536

Sales de Zinc 25 kg 1625 822 250

Consumo Diario de

agua*

1800 litros. 650 000

18 racks AISI 1020 400 202 400

Costo Total 22 962 677

En esto se considera la jornada laboral de 48 horas semanales.

Además aun no se ha tomado en cuenta el costo operativo esto encuanto a

contar con operarios donde el salario por trabajar 48 horas semanales y

durante un mes, esto devenga un costo mensual de ₡ 210000.

Por otro lado tambien se tienen que conciderar otros costos como lo son el

mantenimiento de la planta, costo del local ya sea propio o por alquiler y

además de otros costos involucrados al proceso que se escapan de este

proyecto.

Rectificador con salida hasta 500 A máximo.

Equipo rectificador de corriente trifásico CIMA FPV12/500 diseñado para

aplicaciones de electrólisis en general. Útil para procesos electrolíticos de

mediana a gran envergadura. Posee ajuste de tensión de salida por llave de

puntos, protección (fusibles primarios) e indicadores luminosos (uno por fase),

con instrumental analógico (voltímetro y amperímetro); Entrada: 3 x 380/220

VCA; Salida: 0 a 12 VCC, Corriente máxima: 500 ACC. Equipo pensado para

uso permanente, con transformador bobinado en cobre electrolítico.

Los tanques se diseñan de forma tal que cada uno tenga la dimensión

de 1.4 m de largo, 0.8 de ancho y 1.2 de profundidad. Con lo cual se obtiene

que por cada tanque el máximo de piezas a tratar es de 60 por cada tanda,

dado que solo se pueden tener 6 rack en cada tanque y además que en cada

rack solo se pueden tener 10 piezas, esto relacionado con las medidas de las

piezas más grandes.

En lo referente a los químicos para para cada una de los baños se tiene

el volumen a ocupar es de 672 litros esto dado por lo tanques, con lo cual se

hicieron las previsiones del caso en cuanto a su formulación.

A lo referente de impacto ambiental y manejo de los residuos se tienen

dos opciones donde una es elaborar una planta de tratamiento de aguas y

desechos químicos con lo cual se incrementarían los costos iniciales o por otro

lado la contratación de una empresa la cual se encargue de manejar estos

desechos, mientras que el agua utilizada y tomando en cuenta las leyes

mencionadas con anterioridad se tiene que la misma tiene que ser neutralizada

donde para tal fin se puede utilizar un mayor caudal de agua de forma tal que

se reduzca la concentración de los productos químicos que salen de las

operaciones de lavado.

Para los racks se tienen que los mismos son de acero AISI 1020, el cual

este material es de menor valor económico, además que el material no tiene

afinidad con el níquel para la electro deposición, aparte de esto se tiene que los

mismo están diseñado de forma tal que se tiene que los extremos se abren lo

cual es el punto de sujeción del mismo en los agujeros de las piezas. Además

se tiene que cada uno puede llevar como máximo 10 piezas 5 a cada lado.

Conclusiones.

Se tiene que la agitación de los baños es esencial para este proceso

dado que el mismo permitirá un mejor acabado superficial.

La legislación vigente requiere que para la puesta en marcha de la

planta se requiere que los químicos a desechar se haga por planta de

tratamiento de aguas o por medio de una contratación de una empresa

para el manejo de los mismos.

Se determina que el mejor acabado se da con la probeta 3 la cual

presento menos manchas en los procesos y presento un mejor acabado

superficial.

Teniendo en cuenta el resultado de las pruebas realizadas se determina

que para el recubrimiento de zinc las mejores condiciones se dan a una

densidad de corriente de 9.94 A/dm2 y a una distancia de 7 cm del

ánodo.

El mejor recubrimiento de níquel se obtiene con una densidad de

corriente de 9.94 A/dm2 y a una temperatura de 50°C y a una distancia

de 7 cm del ánodo.

Recomendaciones.

Se determina que se deben de realizar una seria de pruebas de

control de calidad para garantizar la adherencia y el espesor del

recubrimiento.

Se debe determinar si a un mayor volumen los procesos van a

generar un volumen de gases el cual ponga en riesgo a los

trabajadores de la planta.

Se debe evaluar la posibilidad de cambiar el baño de zinc

cianurado por uno alcalino sin cianuro esto para reducir la

contaminación.

Bibliografía.

ASM (1994). Hanbook Surface Engineering. United States. ASM

ASTM (1999). B 253 Standard Guide for Preparation of Aluminum Alloys

for Electroplating.

ASTM (2004). B 343 Standard Practices for Preparation of Nickel for

Electroplating with Nickel.

ASTM (2003). B 507 Standard Practice for Design of Articles to be

Electroplated on Racks.