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Galvanotecnia.

La galvanotecnia es la rama tecnológica que agrupa a aquellos procesos en los que se logra depositar una capa metálica continua y adherente, sobre la superficie de un conductor inmerso en un electrólito, con el uso de la corriente eléctrica. Al proceso de deposición en particular se le denomina recubrimiento electrólitico.

Los recubrimientos electrolíticos pueden ser de metales puros o de aleaciones.

En otros casos, la galvanotecnia no se utiliza para depositar una capa, si no para eliminar material y así modificar la superficie de una pieza, y con ello proporcionarle a esta, algunas propiedades deseables como pueden ser; apariencia brillosa o mate, mejor retención de lubricante, capacidad de absorber y retener colorantes etc.

En esta página haremos referencia solo a los procesos de deposición electrólitica.

Objetivos del recubrimiento.

Estos recubrimientos electróliticos se realizan en la práctica para aprovechar alguna propiedad particular inherente al material de la capa superficial depositada, con respecto a la misma propiedad del material base, o para restaurar las dimensiones de alguna pieza desgastada por el uso.

Los objetivos mas comunes que se persiguen con el recubrimiento electrolítico según el caso, son los siguientes:
  1. Aumentar la resistencia a la corrosión; depositando un material mas resistente, a la agresividad del medio en el que se encontrará la pieza durante el uso. Es común en estos casos encontrar, capas de níquel, cromo, estaño o cinc sobre piezas de acero.
  2. Aumentar la dureza superficial; depositando una capa con cualidades de alta dureza. Se pueden encontrar en la práctica con este objetivo, capas de cromo duro sobre el filo de herramientas de acero.

  3. Aumentar la resistencia al desgaste; depositando una capa especialmente elaborada de algún material con propiedades elevadas de resistencia al desgaste, bajo coeficiente de fricción y buena retención del lubricante. Este caso encuentra aplicación frecuente en el recubrimiento con cromo de la superficie de rozamiento de los anillos de pistón de los motores de combustión interna. 
  4. Dar una mejor apariencia a la pieza; depositando una capa de apariencia lustrosa, mate u otra deseada, o bien de determinado color o textura. Con esta aplicación tropezamos a diario, y es muy común su uso para recubrir con materiales vistosos como oro, plata, níquel, cromo, cadmio, platino, latón etc. a piezas de material base barato. 

  5. Restaurar dimensiones desgastadas; depositando capas de hierro o cromo sobre piezas que han sufrido desgaste durante el trabajo. Este tipo de recubrimiento se usa para restaurar algunas piezas en los procesos de reparación de máquinas.
  6. Base para la adherencia posterior de otros materiales; La adherencia de ciertos materiales no metálicos como las gomas, o las capas de cromo decorativo, a las piezas de acero se mejora mucho si esta se recubre previamente con una capa de cobre.

  7. Modificar el coeficiente de fricción; Es común en las máquinas el uso de capas superficiales de materiales blandos depositados electrolíticamente en los cojinetes de deslizamiento para facilitar el asentamiento correcto de la unión árbol-cojinete en el período inicial de trabajo. También ciertas texturas de capas de cromo y otros materiales sobre piezas de acero logradas electrolíticamente puede mejorar la resistencia al rozamiento de las uniones deslizantes.
  8. Mejorar el contacto entre conectores eléctricos; en el mundo de las máquinas eléctricas y electrónicas actualmente, las partes de los conectores que realizan el acople conductor están recubiertas electrolíticamente de materiales que garantizan un buen contacto. Especialmente en aparatos electrónicos de alta fiabilidad se usan frecuentemente los recubrimientos con oro.

  9. Otros mas específicos.

Tipos de recubrimiento.

En la tabla 1 se muestra algunas particularidades de los recubrimientos galvánicos mas comunes.

Tabla 1. Particularidades de los recubrimientos galvánicos
Nombre
Material
Campo de aplicación mas común
Cobreado
Cobre
Capa base para el cromado o la vulcanización en acero de derivados del caucho.

Recubrimiento decorativo de piezas de materiales no metálicos.

Generación de las venas conductoras de circuitos impresos.

Cromado
Cromo
Recubrimiento anticorrosivo y decorativo.
Recubrimiento resistente a la fricción en materiales ferrosos.

Material para el relleno de zonas desgastadas en piezas de fricción.

Superficie muy dura en ciertas aplicaciones.
Acerado
Hierro

Material de relleno en zonas desgastadas en acero e hierro gris.

Niquelado
Níquel
Recubrimiento anticorrosivo y decorativo.
Capa base para el cromado.

Recubrimiento de contactos eléctricos en conectores comunes.

Cadmiado
Cadmio
Para facilitar la soldadura blanda en componente eléctricos.

Recubrimiento de contactos eléctricos en conectores comunes.

Galvanizado
Cinc
Recubrimiento anticorrosivo del acero.

Estañado
Estaño
Recubrimiento anticorrosivo temporal del acero.

Para facilitar la soldadura blanda en componentes eléctricos.

Dorado
Oro
Recubrimiento protector y decorativo de bisutería.

Protección anticorrosiva de venas en circuitos impresos.
Recubrimiento de contactos eléctricos en conectores seguros.

Conexiones internas de circuitos integrados.

Plateado
Plata
Recubrimiento protector y decorativo de bisutería.

Latonado
Latón
Recubrimiento protector y decorativo de bisutería.

Recubrimiento antifricción de asentamiento en cojinetes.




Elaboración del recubrimiento.

Conceptos generales.

Los metales y sus aleaciones se consideran conductores de la corriente de primer género y las soluciones acuosas de sales, álcalis y ácidos como materiales conductores de la corriente de segundo género o electrólitos.

Para la formación de las sustancias que nos rodean, los átomos individuales se enlazan  hasta tener una estructura organizativa espacial eléctricamente neutra, esto es, las cargas eléctricas contenidas en los átomos se compensan mutuamente. Durante la disolución de las sales, álcalis y ácidos en el agua, sus moléculas se separan en átomos o grupos de átomos. Esta separación rompe el equilibrio eléctrico, y los átomos o grupos de átomos resultantes quedan cargados eléctricamente debido a la carencia o exceso de los electrones que estaban anteriormente compartidos en su estructura, y se les denomina iones. Los iones cuando tienen carga eléctrica positiva (carencia de electrones) se llaman cationes, y cuando esta carga es negativa (exceso de electrones), aniones. Al proceso se le llama disociación electrolítica y a la disolución resultante conducirá la corriente eléctrica y se denomina electrólito.


Si en un electrólito se introducen dos conductores en forma de electrodos y cada uno se conecta a uno de los polos de una fuente de corriente directa, los iones cargados positivamente o cationes se desplazan hacia el electrodo negativo denominado cátodo, y los cargados negativamente hacia el electrodo positivo denominado ánodo.

Una vez que los iones alcanzan la superficie del electrodo correspondiente y en dependencia de la naturaleza del electrólito, la intensidad de la corriente eléctrica y los electrodos utilizados, se produce una interacción electro-atómica entre el ion y el electrodo, que puede resultar en la descomposición del electrólito en sus átomos componentes, por ejemplo; la disociación del agua en hidrógeno y oxígeno, o bien la disociación de la sal, álcali o ácido disuelto con la formación de compuestos nuevos, o bien el transporte de átomos desde un electrodo al otro, con la consiguiente disminución de las dimensiones de un electrodo y el aumento de las del otro sin producirse disociación alguna. En algunos casos pueden producirse al mismo tiempo uno, o todos los fenómenos relacionados, esto es, la disociación de los compuestos y el transporte de átomos de un electrodo al otro. A este proceso se le conoce como electrólisis.

Durante la electrólisis que se realiza para la obtención de recubrimientos metálicos, se utiliza como cátodo, la pieza que se recubre, y como ánodo, comúnmente, placas o varillas metálicas. Los ánodos metálicos pueden ser solubles o inertes, en el caso de los ánodos solubles, estos están constituidos por el metal de recubrimiento, el que será transportado y depositado sobre la pieza como una capa coherente y bien adherida a la superficie de la pieza, con su consiguiente desgaste.

Los electrodos inertes se usan para el caso de que el metal de recubrimiento se produce a expensas del material disuelto en el electrólito, por ejemplo; en el cromado, en estos casos el electrólito se va paulatinamente empobreciendo y resultará necesario agregar mas material soluble de tiempo en tiempo.

Preparación de la pieza para el recubrimiento.

Para la elaboración de los recubrimientos electrolíticos de las piezas se requiere en general de alguna preparación previa, antes de aportar la capa de metal deseada; en general esta preparación puede ser:
  1. Elaboración de las dimensiones y acabado superficial deseado; Esto resulta necesario en algunos casos ya que la capa depositada copia exactamente el perfil de la superficie base, incluso hasta los rasguños.
  2. Desengrasado; El maquinado y pulido de las piezas puede dejar capas notables de grasas en las piezas. Estas capas deben ser eliminadas usando un disolvente adecuado.

  3. Aislamiento de las partes que no serán recubiertas; En muchos casos no toda la pieza debe recibir la capa galvánica. Estas partes se recubren con algún componente aislante tal como el celuloide, o varias capas alguna laca o barniz resistente al electrólito que se utilizará. Los agujeros que no quieren recubrirse pueden ser cerrados con tapones adecuados.
  4. Desengrasado final; la presencia de películas de grasa en la superficie de la pieza a recubrir impide la buena adherencia del recubrimiento a la base, por tal motivo es frecuente el uso de productos químicos tal como la sosa caústica caliente para piezas de acero o los barros de cal para las piezas de aluminio.

  5. Decapado; está destinado a eliminar totalmente de la superficie de la pieza, las películas de óxidos (en ocasiones invisibles) que pueden estar presentes. En muchas ocasiones el decapado se realiza en el mismo baño electrolítico donde será recubierta, invirtiendo por algunos segundos (30 a 50) la polaridad de la corriente y convirtiendo así la pieza en ánodo, el consecuente desgaste de la pieza retira completamente el óxido de la superficie.
Una vez preparada la pieza, podrá comenzarse el proceso de deposición de la capa galvánica.

Cuba galvánica.

El proceso electrolítico se realiza dentro de un recipiente adecuado, generalmente abierto, que recibe el nombre de cuba. Esta cuba de construye con las dimensiones adecuadas de acuerdo al tamaño de las piezas a recubrir, y debe ser inerte químicamente al electrólito a utilizar.

Una vez llena la cuba con el electrólito se obtiene lo que se conoce como baño galvánico. En este baño galvánico se sumergirán luego las piezas a recubrir en soportes adecuados para que queden colgadas en el electrólito, también debe tener los soportes adecuados para colgar los electrodos de trabajo, y en ocasiones debe estar dotada de sistemas de ventilación forzada para retirar los gases que se producen durante el proceso electrolítico de recubrimiento.

Densidad de la corriente eléctrica.

Como la electrólisis puede hacerse mas o menos intensa en dependencia de la magnitud de la corriente eléctrica utilizada por unidad de superficie de la pieza a recubrir (densidad de corriente), el proceso puede acelerarse o disminuirse manejando esta intensidad. Sin embargo este manejo no puede hacerse de manera indiscriminada, existen ciertos valores óptimos que resultan decisivos en la calidad o características del recubrimiento final.

Una densidad de corriente muy elevada, aunque aumenta la velocidad de deposición y con ello el grosor de la capa depositada por unidad de tiempo, haciendo el proceso mas rápido y productivo, la calidad del recubrimiento puede ser mala e incluso inservible, la capa puede no quedar adherida o ser esponjosa y débil.

En algunos procesos electrolíticos de galvanizado, resulta conveniente el uso de corriente alterna asimétrica, esto es, los electrodos se alimentan con electricidad de polaridad cambiante, un tiempo corto a intensidad mas baja, en contra de la deposición, seguido de un tiempo mas largo y mayor intensidad en el sentido de la deposición. Esta forma de corriente  produce una suerte de pequeño decapado entre las subsiguientes micro-capas generadas cuando la corriente eléctrica fluye en el sentido de la deposición.

Temperatura del baño.

La temperatura del electrólito del baño también puede ser muy influyente en las características y calidad del recubrimiento.
En algunos procesos de recubrimiento esta temperatura puede determinar si la capa queda con brillo o mate, pueda ser mas dura o blanda y otros factores.

Colocación de las piezas y electrodos en el baño galvánico.

Aunque de forma general, la densidad de la corriente utilizada en un determinado proceso galvánico puede calcularse, dividiendo la intensidad de la corriente utilizada entre al área de la pieza:

D
=
I/A

Donde:

I= Intensidad de la corriente en ampéres.

A= Área de la pieza en Dm

La distribución real de la densidad de corriente puede ser muy diferente de unas zonas a otras de la pieza colocada en el baño, y con ello producirse una capa de grosor diferente (e incluso defectuoso), en cada una, si no se tienen en cuenta ciertos factores geométricos que garanticen la igualdad de la densidad de corriente en todas la áreas de la pieza.
Entre esos factores geométricos están:
  1. Similitud entre el relieve de la pieza y forma de los electrodos.
  2. Posición de los electrodos con respecto a la pieza.

  3. Distancia entre los electrodos y la pieza.
  4. Profundidad de inmersión de la pieza en el baño.

  5. Modo en que se cuelgan las pieza dentro del baño.
En las figuras 1, 2 y 3 se muestran esquemas que ilustran la influencia de algunos de estos factores en la continuidad de la capa depositada.

Observe la figura 1, en ella se han representado dos variantes de colocación de la pieza y los electrodos, en una cuba galvánica.

Con la disposición de la parte A, cuyo resultado se muestra abajo,  el espesor de la capa de recubrimiento obtenida es muy desigual en las diferentes zonas de la superficie de la pieza.

Debido a la longitud y separación excesiva de los electrodos, así como a la gran profundidad de inmersión de la pieza, las lineas de corriente pueden llegar desde muchas direcciones a algunas partes de ella, esto produce una densidad de corriente desigual que genera capas de espesor variable.

En la parte B el problema ha sido resuelto, se han acortado  los electrodos y acercado a la pieza, además se ha reducido la profundidad de inmersión. Con esta nueva disposición, toda la superficie de la pieza recibe la misma densidad de corriente, y la capa se produce continua y homogénea como se muestra abajo.

En la figura 2 se muestra la influencia de la disposición de los electrodos (ánodos) sobre la distribución de la capa de recubrimiento para una pieza cilíndrica. En la parte a, la colocación es incorrecta, el problema se ha resuelto en el dibujo b.

En la figura 3 se puede ver la influencia del modo de colgar la pieza en la distribución de la capa en el caso de bordes agudos. En la parte A se produce un incremento excesivo en el borde, con el colgado mostrado en la parte B el problema se resuelve.
Recubrimiento electrolítico
Figura 1
Influencia del tamaño y colocación de los electrodos así como de la profundidad de inmersión de la pieza en el espesor de la capa de recubrimiento


esquema
Figura 2
Influencia de la colocación de los electrodos en relación con una pieza cilíndrica sobre la distribución de la capa de recubrimiento.

esquema
Figura 3
Influencia de la forma de colgar la pieza sobre la distribución de la capa de recubrimiento en el borde filoso.



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