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RECUBRIMIENTOS ELECTROLITICOS

INDICE Objetivos……………………………………………………………………………………………………………………………..2 Fundamento teórico…………………………………………………………………………………………………………….2 Equipos y materiales…………………………………………………………………………………………………………….5 Procedimiento experimental………………………………………………………………………………………………..6 Resultados (solución de cuestionario)…..………………………………………………………………………………8 Conclusiones y recomendaciones………………………………………………………………………………………..17 Bibliografía…………………………………………………………………………………………………………………………..18

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OBJETIVOS 1. Ampliar el conocimiento, destreza y habilidad del alumno sobre el desarrollo del proceso de recubrimiento electrolítico. 2. Aprender la técnica de realización de un proceso de recubrimiento electrolítico. 3. Obtener el recubrimiento electrolítico satisfactorio de la probeta con una capa de cobre.

FUNDAMENTO TEÓRICO TRANSFORMACIÓN AUSTENITA – MARTENSITA El principio básico de los procesos de recubrimientos electrolíticos consiste en la conversión del metal del ánodo en iones metálicos que se distribuyen en la solución. Estos iones se depositan en el cátodo (pieza que será recubierta) formando una capa metálica en su superficie. Existen en galvanotecnia procesos en los cuales el metal se deposita sin fuente externa de corriente eléctrica. En ambos procesos de recubrimientos la capa depositada forma cristales metálicos. En función del tipo de estructura cristalina se derivan las diferentes propiedades del recubrimiento y así los campos de aplicación más adecuados. El recubrimiento electrolítico de las piezas se produce casi exclusivamente por inmersión en un baño. Para ello se introducen las piezas en las cubas donde se encuentra el electrolito, se les aplica la corriente como cátodo, se recubren y se secan. Al extraer las piezas del baño arrastran una cantidad del electrolito sobre la superficie de las piezas. Esa película superficial arrastrada se elimina en un proceso de lavado posterior para que no interfiera en las siguientes operaciones o presente las condiciones de acabado exigidas.

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Una línea de recubrimientos electrolíticos está compuesta por numerosas operaciones que, en función de las exigencias de calidad y el campo de aplicación seleccionado pueden agruparse del siguiente modo: a. Pretratamientos mecánicos. El pretratamiento mecánico arranca de la superficie de la pieza una fina capa. Incluye procesos como el cepillado, pulido y rectificado, que permiten eliminar asperezas o defectos de las superficies. En menor medida se aplica la técnica del chorreado que permite eliminar junto con las asperezas y defectos de la superficie, los aceites, óxidos y restos de finos de mecanizado. b. Desengrase En la fabricación de piezas se emplean grasas, taladrinas, aceites y sustancias similares como refrigerantes y lubricantes. A menudo también se engrasan las piezas como protección anticorrosiva temporal. El desengrase puede efectuarse básicamente de dos formas: con disolventes orgánicos o en soluciones acuosas alcalinas con poder emulsificador. c. Decapado. El contacto entre atmósfera y piezas metálicas provoca la formación de capas de óxido. El objeto del decapado es su eliminación. El baño de decapado contendrá diversos tipos de metal en solución en función del tipo de material base y del grado de mantenimiento y desmetalizado de los contactos de bombos y bastidores. d. Neutralizado. El proceso de activado, también llamado neutralizado o decapado suave, se utiliza para eliminar esa pequeña capa de óxido que se ha formado sobre la superficie del metal una vez que la superficie ha sido tratada o lavada en sucesivas etapas. Esa pequeña capa de óxido hace que la superficie sea pasiva y por lo tanto mala conductora. BAÑOS GALVÁNICOS Cuando el desengrase es alcalino, suele existir un lavado intermedio El galvanizado en caliente por inmersión consiste en un proceso de recubrimiento que se utiliza para proteger las superficies metálicas de la corrosión. Este tratamiento específico se realiza para la inmersión de piezas de acero o fundición en un baño de cinc fundido. El galvanizado en caliente se suele realizar en piezas, en laminados, en tubos y en alambres. El proceso de galvanizado por inmersión en cinc fundido se realiza mediante un ataque químico de una serie de capas de aleaciones cinc-hierro (Zn-Fe) de gran adherencia con la superficie. La capa de Zn-Fe, dura y relativamente quebradiza, sirve de protección galvánica frente a la corrosión, del metal base. Sin embargo, aún y cuando la superficie cincada se pasive rápidamente, el espesor de la capa de cinc va reduciéndose progresivamente en función de las condiciones externas. El proceso de recubrimiento galvánico sigue el siguiente proceso: a) Desengrase. Es necesario un baño de desengrase ácido o alcalino, para eliminar y limpiar las piezas de aceites y grasas.

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Previo a la siguiente etapa. Seguidamente, se procede a la eliminación del óxido y la cascarilla que pudieran estar adheridos a las piezas mediante baños de decapado. Por lo general, se trata de baños de ácido clorhídrico. En caso de que las piezas a galvanizar sean piezas defectuosamente galvanizadas o piezas cuyo recubrimiento de cinc deba ser renovado, se introducen también en esta etapa del proceso. b) Mordentado. La siguiente fase del proceso consiste en el tratamiento de las piezas con mordientes cuya composición fundamental son sales de cloruro de cinc y de amonio. El objetivo de esta etapa es el conseguir una mejor adherencia del recubrimiento de cinc. c) Galvanizado. Es recomendable secar las piezas antes de ser galvanizadas. Posteriormente, al sumergir las piezas en el baño de cinc fundido (T° = 450ºC), se produce la evaporación del mordiente que arrastran las piezas, formándose nubes de polvo que deben eliminarse mediante un sistema adecuado de captación de humos. Por último, tiene lugar el enfriamiento de las piezas, el cual puede ser al aire o sumergiéndolas en un baño estanco de agua.

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EQUIPOS Y MATERIALES Los materiales usados en el laboratorio fueron los siguientes: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

01 Probeta de acero SAE 1022 Lijas # 800, 900, 1000, 1500, paño Y alúmina. Trozos de alambre para colgar las probetas´ Acero inoxidable 304 Cobre electrolítico Vaso de precipitado de 500 ml.

Los equipos usados en el laboratorio fueron los siguientes: 1. 2. 3. 4.

Balanza de precisión. Celdas para baño electrolítico Pulidoras. Fuente de poder.

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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Se comenzara la experiencia preparando las probetas con lo cual se proceder a realizar el pulido por una serie de papeles abrasivos (#220, 440, 500, 600, 800, 1000, 1200). Luego pulido y posterior pasa de paño con alúmina. Se procederá a pesar las probetas y tomar sus respectivas con la finalidad de tener un peso inicial. 2. Luego procedemos alistar las soluciones de ácido clorhídrico diluido para el desengrase y agua destilada para su neutralización. Así como la solución de cobreado de sulfato de cobre (CuSO4).

3. Posteriormente se procederá a desengrasar (limpieza) la probeta sumergiendo la muestra en la solución de ácido clorhídrico diluido, por un tiempo aproximado a 120 segundos a un voltaje de 4 voltios y 1 amperio. El cátodo para limpieza es un acero inoxidable 304, finalmente se neutralizara la probeta en agua destilada.

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4. Por consiguiente procederemos a realizar el recubrimiento electrolítico (cobreado) en donde la probeta de cobre electrolítico se colocó en el polo positivo y la probeta a recubrir en el polo negativo, para luego ser sumergirlo por un lapso de 120 y 30 segundos por probeta a un voltaje de 4 voltios y 0.5 amperios en la solución de cobreado (sulfato de cobre). Luego del trabajo se procede a limpiarlo.

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RESULTADOS A continuación se mostraran los datos respectivos de cada probeta con las cuales se dará inicio a la experiencia. Datos iniciales de las muestras.

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1. Cuáles son los parámetros en el desengrase que se debe tener en cuenta. En las soluciones de desengrase se acumulan principalmente dos grupos de impurezas: por un lado aquellas partículas incorporadas al baño con las piezas en forma de suciedades, pigmentos y similares que pueden eliminarse normalmente por filtración; por otro lado están los aceites y grasas del mecanizado y pulido previo, así como los de protección anticorrosiva provisional. Los aceites se encuentran en el baño de desengrase en forma de emulsión de gotas de tamaño muy variable de 0,1 a 100 micras y en ocasiones de 0,01 µm en función, sobre todo, del tipo de emulgente empleado y del tipo de aceite y grasas contaminantes. Los agentes emulgentes fuertes mantienen una gran parte del aceite en una emulsión muy fina con gotas que se encuentran por debajo de una micra de diámetro. Por otro lado, cuanto mayor sea el tamaño de las gotas de aceite, más fácilmente se separan de la fase acuosa debido a la diferencia de densidad, ascendiendo hasta la superficie del baño y acumulándose en la misma. Por ello, una de las técnicas más eficaces para el mantenimiento de desengrases son los separadores de aceites, que consisten en un depósito específico que por su construcción permite reducir al máximo las turbulencias, ayudando al flotamiento de aceites. El aceite acumulado se puede retirar manual o automáticamente. Esta técnica sencilla y económica es válida como etapa previa a una separación de aceites más intensa, sobre todo, como medida de prolongación de la vida de baños de desengrase desemulgentes, esto es, de productos de desengrase con bajo poder de emulsión. La separación de las gotas más finas y de las emulsiones débiles requieren mucho tiempo, si ésta se realiza por gravedad natural. Las centrífugas pueden acelerar considerablemente la separación y son de especial interés cuando adicionalmente existen otros contaminantes, como partículas en suspensión procedentes del pulido en los desengrases por ultrasonidos, que interesa eliminar de los baños. Las emulsiones estables pueden romperse mediante instalaciones de filtración transversal. La ultrafiltración permite separar emulsiones de 0,02 a 0,3 µm, por lo que se aplica fundamentalmente a la rotura de emulsiones fuertes antes de pasar los baños agotados a la planta de tratamiento de aguas residuales. La microfiltración suele ser más económica y separa gotas emulsionadas del orden de 0,1 a 1,0 µm de tamaño por lo que es una técnica idónea para prolongar la vida de los baños de desengrase. Para no saturar las instalaciones de microfiltración debe conectarse previamente un separador de aceite o un skimmer Por otro lado, existen membranas de cerámica, actualmente empleadas en instalaciones de microfiltración, que trabajan mejor a altas que a bajas temperaturas de baño y no se ven afectadas por el pH de la solución filtrada. El lavado de las membranas de cerámica se efectúa sin apenas interrupción del proceso. Una condición básica para que las técnicas para la prolongación de la vida de los desengrases tenga éxito es la cooperación entre el suministrador del equipo y el suministrador del producto desengrasante. La utilización de productos de desengrase no emulgente en el caso de los

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separadores de aceites, la adaptación de las membranas de microfiltración a la composición del baño y la determinación de las velocidades de centrifugación en función del tipo de baño y contaminantes, son actuaciones imprescindibles para garantizar un mantenimiento eficaz con una carga mínima de los tensoactivos de elevado coste 2. Hallar el espesor del cobreado Datos: tiempo, corriente (A), área de la probeta, concentración del electrolito (Cu2+) 0.5M. El espesor del recubrimiento sobre una superficie ( e ) es un parámetro que está en milímetros, para calcularlo se parte de la siguiente expresión:

e=

Eq �t �i d �A �10

Donde: Eq (peso equivalente)=63.5/2=31.75 t (tiempo en segundos)=120 seg. i (intensidad de corriente en amperios)=0.5 amperios d (peso especifico)=87.81 N/m3 A (area superficial)=23.6 mm Reemplazando los valores respectivos en la formula del calculo del espesor de recubrimiento para la probeta 1.

e=

31.75 �120 �0.5 � e = 0.092 mm 87.81 �23.6 �10

Reemplazando los valores respectivos en la formula del calculo del espesor de recubrimiento para la probeta 2.

e=

31.75 �30 �1 � e = 0.046 mm 87.81�23.6 �10 3. Describa y defina los fundamentos de la electrodeposición en materiales metálicos.

DEFINICIÓN DE ELECTRODEPOSICIÓN: La electrodeposición es el método de cubrir objetos con una película fina de otro metal. El principio que rige este fenómeno es la electrólisis, cuyo nombre procede dedos radicales, electro que hace referencia a electricidad y lisis que significa ruptura. La electrodeposición implica la reducción (disminución del estado de oxidación; ganancia de electrones) de un compuesto metálico disuelto en agua y una deposición del metal resultante sobre una superficie conductora. Probablemente esta técnica es uno de los procesos más complejos conocidos debido a que hay un gran número de fenómenos y variables que

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intervienen en el proceso total, mismos que son llevados a cabo en la superficie de los materiales involucrados. En la electrodeposición de metales, el éxito de la operación está en función del control de los fenómenos involucrados, por lo que es necesario mencionar los principios a los que se sujetan éstos, ya que cualquier variación en el proceso se verá reflejada de manera significativa en el resultado obtenido. PRINCIPIOS DE ELECTROQUÍMICA: La Electroquímica es la ciencia que estudia el intercambio de energía química y eléctrica que se produce por medio de una reacción de óxido-reducción. La oxidación es la pérdida de electrones, mientras la reducción es la ganancia de los mismos. Las reacciones de óxido-reducción (redox), son aquellas en donde hay una transferencia de uno o más electrones. Electrólisis es el nombre que recibe el proceso mediante el cual la energía eléctrica se emplea para producir cambios químicos; mediante una reacción redox no espontánea, donde se hace pasar una corriente eléctrica. Se lleva a cabo en un contenedor llamado cuba electrolítica. La electrolisis es uno de los principales métodos químicos de separación. La principal ventaja del método electrolítico consiste en que no es necesario aumentar la temperatura para que la reacción tenga lugar, evitándose pérdidas energéticas y reacciones secundarias. Industrialmente es uno de los procesos más empleados en diferentes áreas, como por ejemplo en la obtención de elementos a partir de compuestos (cloro, hidrógeno, oxígeno), la purificación de metales (el mineral metálico se disuelve en ácido, obteniéndose por electrólisis el metal puro) o la realización de recubrimientos metálicos protectores y/o con fines decorativos, como es el caso del niquelado. A continuación se menciona la definición de algunos términos empleados en el proceso de electrodeposición: 1. El electrodepósito es el depósito catódico obtenido por el paso de una corriente eléctrica en una célula electrolítica. 2. Un electrodo es el componente de un circuito eléctrico que conecta el cableado del circuito a un medio conductor como un electrolito. El electrodo positivo es llamado ánodo y el electrodo negativo es llamado cátodo. 3. El electrolito es la sustancia iónica que en solución se descompone al pasar la corriente eléctrica. PROCESO ELECTROLÍTICO: El proceso electrolítico consiste en hacer pasar una corriente eléctrica a través de un electrolito, entre dos electrodos conductores denominados ánodo y cátodo. Donde los cambios ocurren en los electrodos. Cuando conectamos los electrodos con una fuente de energía (generador de corriente directa), el electrodo que se une al polo positivo del generador es el ánodo y el electrodo que se une al polo negativo del generador es el cátodo. Una reacción de electrólisis puede ser considerada como el conjunto de dos medias reacciones, una oxidación anódica y una reducción catódica.

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Elementos que intervienen en un proceso electrolítico. Para explicar las reacciones en los electrodos, se considerará al cloruro de sodio fundido, porque sólo contiene dos tipos de iones Se utilizan electrodos inertes; que significa que no reaccionan químicamente con los iones sodio y cloruro. Los iones de sodio (+) o cationes, son atraídos hacia el electrodo negativo (cátodo). El cátodo se hace negativo por la acción de la fuente que le bombea electrones.

Movimiento de los iones hacia los electrodos.

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Los electrones del cátodo están en un estado de elevada energía potencial. El ion sodio tiene carga positiva, esto significa que atrae electrones y que un electrón de un átomo de sodio tendría una menor energía potencial que un electrón del cátodo. Por lo tanto los electrones del cátodo se desplazan hacia el catión, por diferencia de energía potencial. En el cátodo los iones de sodio se convierten en átomos de sodio por adición de un electrón. Este es un cambio químico y puede representarse con la siguiente ecuación:

Na eNa 

0

Este cambio químico representa una ganancia de electrones, por lo tanto el sodio se redujo y pasó a estado metálico, en consecuencia, el cambio químico que siempre ocurre en el cátodo es de reducción. El ánodo es positivo ya que la fuente le bombea electrones fuera de él y además atrae iones cloruro (-) o aniones. En el ánodo los electrones poseen baja energía potencial. En cambio los electrones externos del ion cloruro se encuentran en un estado de potencial elevado. Cuando los iones cloruro llegan al ánodo le proporcionan electrones a este. Los electrones pasan de un estado de energía potencial elevada a uno de baja energía potencial. El cambio ocurrido en el ánodo puede representarse con otra ecuación:

2Cl Cl 2e 



Los iones cloruro pierden electrones transformándose en átomos de cloro, los cuales a su vez forman moléculas de cloro gaseoso. La reacción anódica siempre es de oxidación. Las reacciones de oxidación y reducción ocurren simultáneamente, pero por separado, pues ocurren en diferentes puntos. La fuente no produce electrones, sólo los transporta de un lugar a otro, así los electrones que la fuente suministra al cátodo, provienen del ánodo. La función de la fuente es elevar la energía potencial de los electrones del cátodo. Estas reacciones de electrodo se llaman semi-reacciones, y la reacción global de la electrólisis del cloruro de sodio es:

2Na 2Cl 2Na Cl2 



0

La naturaleza de las reacciones del electrodo depende de la diferencia de potencial o voltaje aplicado. DEPÓSITOS ELECTROLÍTICOS MÁS COMUNES: A los revestimientos obtenidos a través de un proceso de electrodeposición, se les conoce como depósitos electrolíticos. Estos electrodepósitos pueden estar compuestos de uno o más elementos, cada uno de ellos sobre un metal base, según la aplicación que se desee. En seguida se muestra una tabla que incluye los revestimientos más usados en la industria con su respectivo metal base.

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

Simbolización de revestimientos en Galvanotecnia.

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En donde: 1. Símbolo químico del metal o elemento preferencial del revestimiento. 2. Espesor del revestimiento metálico para procesos electrolíticos; se expresa en micrómetros (mm). 3. Proceso de revestimiento, escrito entre paréntesis con número romano, que va de I a X. En este caso I, lo que indica un proceso electrolítico. Los revestimientos más comunes son: (I) Depósito electrolítico (II) Depósito químico (III) Revestimiento por inmersión en metal fundido (IV) Revestimiento por metalización a pistola (V) Revestimiento por chapado (VI) Depósitos al vacío 4. Símbolo químico del metal o aleación base, precedido de una línea diagonal. 4. Que mecanismos de reacciones químicas se presentan en la electrodeposición del cromado duro electrolito de Cr6+ sobre substratos metálicos. El cromado duro es un tratamiento electrolítico mediante el cual se recubren las piezas con una película de cromo, de un espesor variable, adherente, de excelentes propiedades mecánicas y muy buena resistencia a la corrosión, que pueden ser pulidas o rectificadas. Las principales características del cromo duro son: 1. 2. 3. 4.

Su elevada dureza Gran resistencia a la abrasión Buen coeficiente de rozamiento Resistencia a la corrosión

Pueden cromarse duro todos los aceros al carbono, templados o no; aceros corrientes al cromo, al níquel, y al cromo-níquel; funciones finas; cobre y sus aleaciones, aluminio, etc. A título informativo diremos que son difíciles de cromar todos los materiales que han sufrido tratamientos térmicos especiales, como nitrurados, cementados, aceros de alta aleación de tugsteno, carburo de silicio, fundiciones grafíticas (por falta de unión metálica). Las aplicaciones industriales del cromo duro son prácticamente ilimitadas, pudiéndose obtener mediante su empleo, un mayor rendimiento y una mejora de la calidad de las piezas tratadas.

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EL CAMPO DE LA RECUPERACIÓN: Dar las dimensiones correctas a las piezas que por defecto de fabricación han quedado fuera de normas. Poner en sus dimensiones originales aquellas piezas que han sufrido un desgaste excesivo. Las piezas cromadas quedan de nuevo aptas para su servicio a un coste muy inferior al de la misma pieza nueva y en condiciones técnicas iguales o superiores a las originales. Los depósitos de cromo pueden quedar localizados en las zonas que precisamente hayan quedado fuera de cota, lo que hace que el tratamiento en sí resulte más económico. Las piezas recuperadas pueden cromarse duro de nuevo, en el caso de que después de largo período de servicio hayan quedado otra vez por debajo de cota. PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS RECUBRIMIENTOS DE CROMO DURO:

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CONCLUSIONES 1. Se concluye que una muestra con un buen pulido hay una mejor adherencia del cobreado por más tiempo. 2. Muestra mal pulida al momento de realizar el cobreado la adherencia no es tan buena y en un corto tiempo empezaría a descascararse. 3. En el desengrase se utilizó una muestra de acero inoxidable y en el cobreado una muestra de cobre electrolítico. 4. El proceso del cobreado demora segundos, poco tiempo, pero teniendo en cuenta que el tiempo es un factor importante que determina la buena cantidad de metal depositado, junto con la intensidad de corriente y el pH del electrolito.

RECOMENDACIONES 1. Después del desengrase la muestra no tocarla con los dedos ya que esta la volvería a manchar debido a que la yema de los dedos tiene grasa. 2. Se recomienda que la muestra pasa por los papeles abrasivos adecuado para evitar un excesivo consumo de alúmina en el paño. 3. Se recomienda que la muestra este bien pulida sin rayas una buena preparación de la probeta para cuando se realice el recubrimiento la adherencia del cobreado sea mejor.

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BIBLIOGRAFIA 1. cromo duro y níquel químico http://s422117213.mialojamiento.es http://s422117213.mialojamiento.es/index.php/es/tratamientos/cromo-duro.html 2. características fundamentales http://cdigital.dgb.uanl.mx

y

aplicaciones

del

cromo

duro

http://cdigital.dgb.uanl.mx/la/1020082611/1020082611.PDF 3. Normas ASTM B 456, B 546, B 633 e ISO 1456. Electrodeposición con efecto protector y decorativo. 4. Recubrimientos electrolíticos https://www.dspace.espol.edu.ec

https://www.dspace.espol.edu.ec/bitstream/123456789/10316/1/D42168.pdf.

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