La galvanoplastia es un nombre general para los procesos que crean un recubrimiento metálico sobre un sustrato sólido mediante la reducción de cationes de ese metal por medio de una corriente eléctrica continua . La parte a recubrir actúa como cátodo ( electrodo negativo ) de una celda electrolítica ; el electrolito es una solución de una sal del metal a recubrir; y el ánodo (electrodo positivo) suele ser un bloque de ese metal o de algún material conductor inerte . La corriente es proporcionada por una fuente de alimentación externa..
La galvanoplastia se usa ampliamente en la industria y las artes decorativas para mejorar las cualidades de la superficie de los objetos, como la resistencia a la abrasión y la corrosión , la lubricidad , la reflectividad , la conductividad eléctrica o la apariencia. También se puede utilizar para aumentar el grosor en piezas de tamaño insuficiente o desgastadas, o para fabricar placas de metal con formas complejas, un proceso llamado electroformado . También se utiliza para purificar metales como el cobre .
El término "galvanoplastia" también se puede usar ocasionalmente para procesos que usan una corriente eléctrica para lograr la oxidación de aniones sobre un sustrato sólido, como en la formación de cloruro de plata sobre alambre de plata para hacer electrodos de plata / cloruro de plata .
El electropulido , un proceso que utiliza una corriente eléctrica para eliminar los cationes metálicos de la superficie de un objeto metálico, puede considerarse lo opuesto a la galvanoplastia. [1]
Proceso [ editar ]
4. Se utiliza un ánodo de cobre para reponer el electrolito con cationes de cobre Cu2+
ya que están plateados en el cátodo.
El electrolito debe contener iones positivos (cationes) del metal a depositar. Estos cationes se reducen en el cátodo al metal en el estado de valencia cero. Por ejemplo, el electrolito para el revestimiento de cobre puede ser una solución de sulfato de cobre (II) , que se disocia en cationes Cu 2+ y SO2−
4aniones. En el cátodo, el Cu 2+ se reduce a cobre metálico al ganar dos electrones.
Cuando el ánodo está hecho de metal de recubrimiento, puede ocurrir allí la reacción opuesta, convirtiéndolo en cationes disueltos. Por ejemplo, el cobre se oxidaría en el ánodo a Cu 2+ al perder dos electrones. En este caso, la velocidad a la que se disuelve el ánodo será igual a la velocidad a la que se recubre el cátodo y, por tanto, el ánodo repone continuamente los iones en el baño de electrolito. El resultado neto es la transferencia efectiva de metal desde la fuente del ánodo al cátodo. [2]
En cambio, el ánodo puede estar hecho de un material que resista la oxidación electroquímica, como plomo o carbono . En su lugar , se produce oxígeno , peróxido de hidrógeno o algunos otros subproductos en el ánodo. En este caso, los iones del metal a recubrir deben reponerse periódicamente en el baño a medida que se extraen de la solución. [3]
El enchapado suele ser un solo elemento metálico , no una aleación . Sin embargo, algunas aleaciones pueden electrodepositarse, especialmente latón y soldaduras . Las "aleaciones" chapadas no son aleaciones verdaderas, es decir, soluciones sólidas, sino más bien pequeños cristales discretos de los metales que se chapan. En el caso de la soldadura enchapada, a veces se considera necesario tener una "verdadera aleación", y la soldadura enchapada se funde para permitir que el estaño y el plomo se combinen para formar una verdadera aleación. La verdadera aleación es más resistente a la corrosión que la aleación enchapada.
Muchos baños de galvanoplastia incluyen cianuros de otros metales (como cianuro de potasio ) además de cianuros del metal que se va a depositar. Estos cianuros libres facilitan la corrosión del ánodo, ayudan a mantener un nivel constante de iones metálicos y contribuyen a la conductividad. Además, se pueden agregar productos químicos no metálicos como carbonatos y fosfatos para aumentar la conductividad.
Cuando no se desea el enchapado en ciertas áreas del sustrato, se aplican topes para evitar que el baño entre en contacto con el sustrato. Los tapones típicos incluyen cinta, papel de aluminio, lacas y ceras . [4]
La capacidad de una placa de cubrirse uniformemente se denomina poder de lanzamiento ; cuanto mejor sea el poder de lanzamiento, más uniforme será el recubrimiento. [5]
Huelga [ editar ]
Inicialmente, se puede utilizar un depósito de recubrimiento especial llamado golpe o flash para formar un recubrimiento muy delgado (típicamente de menos de 0,1 μm de espesor) con alta calidad y buena adherencia al sustrato. Esto sirve como base para los procesos de recubrimiento posteriores. Un golpe utiliza una alta densidad de corriente y un baño con una baja concentración de iones. El proceso es lento, por lo que se utilizan procesos de enchapado más eficientes una vez que se obtiene el espesor de golpe deseado.
El método de golpeo también se utiliza en combinación con el enchapado de diferentes metales. Si es deseable colocar un tipo de depósito sobre un metal para mejorar la resistencia a la corrosión, pero este metal tiene una adherencia inherentemente pobre al sustrato, primero se puede depositar un golpe que sea compatible con ambos. Un ejemplo de esta situación es la mala adherencia del níquel electrolítico sobre las aleaciones de zinc , en cuyo caso se utiliza un golpe de cobre, que tiene buena adherencia a ambos. [3]
Deposición electroquímica [ editar ]
La deposición electroquímica se ha utilizado ampliamente desde finales de la década de 1990 para crear cables conductores de cobre en dispositivos semiconductores avanzados. La tecnología, que fue pionera en IBM, [6] se desarrolló porque los métodos anteriores para crear cables conductores de aluminio en chips, mediante el grabado de las líneas de metal y luego rellenando una película aislante con procesos de deposición de vapor químico y físico, no funcionarían con cobre porque el metal es demasiado difícil de grabar. La deposición electroquímica de cobre https://www.ibm.com/blogs/research/2017/11/20years-cuwires/?mhsrc=ibmsearch_a&mhq=copper%20 ha reemplazado generalmente los procesos de deposición de CVD y PVD de aluminio para la fabricación de cableado conductor en semiconductores. chips para todas las capas de dispositivos más críticas.
Galvanoplastia de pulso [ editar ]
El proceso de galvanoplastia por pulsos o electrodeposición por pulsos (PED) implica la alternancia rápida del potencial eléctrico o la corriente entre dos valores diferentes, lo que da como resultado una serie de pulsos de igual amplitud, duración y polaridad, separados por corriente cero. Al cambiar la amplitud y el ancho del pulso, es posible cambiar la composición y el espesor de la película depositada. [7]
Los parámetros experimentales de la galvanoplastia por pulsos generalmente consisten en pico de corriente / potencial, ciclo de trabajo, frecuencia y corriente / potencial efectivo. El pico de corriente / potencial es el ajuste máximo de corriente o potencial de galvanoplastia. El ciclo de trabajo es la porción de tiempo efectiva en cierto período de galvanoplastia con la corriente o el potencial aplicado. La corriente / potencial efectiva se calcula multiplicando el ciclo de trabajo y el valor pico de corriente o potencial. La galvanoplastia por pulsos podría ayudar a mejorar la calidad de la película galvanizada y liberar la tensión interna acumulada durante la deposición rápida. La combinación del ciclo de trabajo corto y la alta frecuencia podría disminuir las grietas superficiales. Sin embargo, para mantener la corriente o potencial efectiva constante,Es posible que se requiera una fuente de alimentación de alto rendimiento para proporcionar alta corriente / potencial y conmutación rápida. Otro problema común de la galvanoplastia por pulsos es que el material del ánodo podría enchaparse y contaminarse durante la galvanoplastia inversa, especialmente por el alto costo, electrodo inerte comoplatino .
Otros factores que podrían afectar la galvanoplastia por pulsos incluyen la temperatura, el espacio entre ánodo y cátodo y la agitación. A veces, la galvanoplastia por pulsos se puede realizar en un baño de galvanoplastia calentado para aumentar la velocidad de depósito, ya que la velocidad de casi toda la reacción química aumenta exponencialmente con la temperatura según la ley de Arrhenius. El espacio de ánodo a cátodo está relacionado con la distribución de corriente entre ánodo y cátodo. La relación entre el espacio pequeño y el área de muestra puede causar una distribución desigual de la corriente y afectar la topología de la superficie de la muestra enchapada. La agitación puede aumentar la velocidad de transferencia / difusión de iones metálicos desde la solución a granel hasta la superficie del electrodo. El ajuste de agitación varía según los diferentes procesos de galvanoplastia de metales.
Cepillo de galvanoplastia [ editar ]
Un proceso estrechamente relacionado es la galvanoplastia con cepillo, en la que áreas localizadas o elementos enteros se platean con un cepillo saturado con solución de galvanoplastia. El cepillo, normalmente un cuerpo de acero inoxidable envuelto con un material de tela absorbente que contiene la solución de enchapado y evita el contacto directo con el artículo que se está enchapado, está conectado al ánodo de una fuente de alimentación de corriente continua de bajo voltaje y al elemento que se va a enchapar. conectado al cátodo . El operador sumerge el cepillo en la solución de enchapado y luego lo aplica al artículo, moviendo el cepillo continuamente para obtener una distribución uniforme del material de enchapado.
La galvanoplastia con cepillo tiene varias ventajas sobre el recubrimiento de tanques, incluida la portabilidad, la capacidad de recubrir elementos que por alguna razón no se pueden recubrir en tanques (una aplicación fue el recubrimiento de partes de columnas de soporte decorativas muy grandes en la restauración de un edificio), requisitos de enmascaramiento bajos o nulos, y requisitos de volumen de solución de galvanoplastia comparativamente bajos. Las desventajas en comparación con el recubrimiento del tanque pueden incluir una mayor participación del operador (el recubrimiento del tanque con frecuencia se puede hacer con una atención mínima) y la incapacidad de lograr un espesor de placa tan grande.
Cromo duro en galvanoplastia [ editar ]
El cromo duro es uno de los materiales de revestimiento más comunes que se utilizan para el revestimiento duro y galvanoplastia, debido a su fuerza, resistencia y acabado elegante. Sin embargo, el cromo es muy peligroso en su estado hexavalente . Cuando se inhala o se consume, el Cr 6+ [JT2] en el aire se ha relacionado con el cáncer de pulmón y causa daños en la garganta, la boca y la nariz.
Esto se debe a que, en su estado hexavalente, el cromo tiene propiedades cancerígenas y teratogénicas , lo que tiene un efecto mutagénico en las células.
Cada año, 558,000 técnicos estadounidenses están expuestos al cromo hexavalente en el lugar de trabajo, y los que trabajan en las industrias de galvanoplastia, soldadura y pintura son los que corren mayor riesgo debido a una mayor exposición a altos niveles de compuestos de Cr 6+ . [8]
Debido a los peligros relacionados con el cromo hexavalente, encontrar alternativas más seguras y ecológicas ha sido un impulsor principal de la investigación de la galvanoplastia con cepillo durante la última década. Una alternativa que se ha desarrollado son los compuestos de matriz metálica (MMC). MMC ofrece características únicas y superiores a las soluciones de enchapado de metal que incluyen dureza, resistencia al desgaste y protección contra la oxidación a altas temperaturas. Este MMC alternativo al cromo incluye carburo de cobalto y cromo , carburo de níquel-tungsteno y carburo de níquel-cromo . [9]
Galjanoplastia de barril [ editar ]
Esta técnica de galvanoplastia es una de las más utilizadas en la industria para gran cantidad de objetos pequeños. Los objetos se colocan en una jaula no conductora en forma de barril y luego se sumergen en el baño químico que contiene átomos suspendidos del metal que se va a colocar sobre ellos. A continuación, se hace girar el barril y se hacen pasar corrientes eléctricas a través de las diversas piezas del barril que completan los circuitos cuando se tocan entre sí. El resultado es un proceso de enchapado muy uniforme y eficiente, aunque es probable que el acabado de los productos finales sufra abrasión durante el proceso de enchapado. No es adecuado para artículos muy ornamentales o diseñados con precisión. [10]
Limpieza [ editar ]
La limpieza es esencial para una galvanoplastia exitosa, ya que las capas moleculares de aceite pueden evitar la adhesión del recubrimiento. ASTM B322 es una guía estándar para limpiar metales antes de la galvanoplastia. La limpieza incluye limpieza con solvente, limpieza con detergente alcalino caliente, limpieza eléctrica y tratamiento con ácido, etc. La prueba industrial más común de limpieza es la prueba de rotura de agua, en la que la superficie se enjuaga a fondo y se mantiene vertical. Los contaminantes hidrófobos , como los aceites, hacen que el agua gotee y se rompa, lo que permite que el agua se drene rápidamente. Las superficies metálicas perfectamente limpias son hidrófilas.y retendrá una capa de agua intacta que no gotea ni se escurre. ASTM F22 describe una versión de esta prueba. Esta prueba no detecta contaminantes hidrófilos, pero la galvanoplastia puede desplazarlos fácilmente ya que las soluciones son a base de agua. Los tensioactivos como el jabón reducen la sensibilidad de la prueba y deben enjuagarse bien.
Efectos [ editar ]
La galvanoplastia cambia las propiedades químicas, físicas y mecánicas de la pieza de trabajo. Un ejemplo de un cambio químico es cuando níquel chapado mejora la resistencia a la corrosión. Un ejemplo de un cambio físico es un cambio en la apariencia exterior. Un ejemplo de un cambio mecánico es un cambio en la resistencia a la tracción o la dureza de la superficie, que es un atributo requerido en la industria de herramientas. [11] La galvanoplastia de oro ácido en circuitos subyacentes niquelados o de cobre reduce la resistencia al contacto y la dureza de la superficie. Las áreas de acero dulce recubiertas de cobre actúan como una máscara si no se desea el endurecimiento de la carcasa de dichas áreas. El acero estañado está cromado para evitar que la superficie pierda brillo debido a la oxidación del estaño.
La galvanoplastia o galvanoplastia se puede utilizar como una forma de convertir una pieza metálica en radiactiva , mediante el uso de una solución acuosa preparada a partir de concentrados de níquel- fósforo que contienen iones de 32 P hipofosfito radiactivo . [12]
Alternativas a la galvanoplastia [ editar ]
Existen varios procesos alternativos para producir recubrimientos metálicos sobre sustratos sólidos que no implican reducción electrolítica:
- El enchapado no electrolítico utiliza un baño que contiene iones metálicos y productos químicos que los reducirán al metal mediante reacciones redox . La reacción debe ser autocatalítica , de modo que se deposite nuevo metal sobre el recubrimiento en crecimiento, en lugar de precipitarlo como un polvo a través de todo el baño de una vez. Los procesos sin electricidad se utilizan ampliamente para depositar aleaciones de níquel-fósforo o níquel-boro para resistencia al desgaste y la corrosión, plata para la fabricación de espejos , cobre para placas de circuito impreso, y muchos más. Una ventaja importante de estos procesos sobre la galvanoplastia es que pueden producir revestimientos de espesor uniforme sobre superficies de forma arbitraria, incluso en el interior de los orificios, y no es necesario que el sustrato sea conductor eléctrico. Otro beneficio importante es que no necesitan fuentes de energía ni ánodos con formas especiales. Las desventajas incluyen una menor velocidad de deposición, el consumo de productos químicos relativamente costosos y una selección limitada de metales de revestimiento.
- Los procesos de recubrimiento por inmersión aprovechan las reacciones de desplazamiento en las que el sustrato metálico se oxida a iones solubles mientras que los iones del metal de recubrimiento se reducen y se depositan en su lugar. Este proceso se limita a recubrimientos muy finos, ya que la reacción se detiene después de que el sustrato ha sido completamente cubierto. No obstante, tiene algunas aplicaciones importantes, como el proceso de inmersión en oro en níquel no electrolítico (ENIG) que se utiliza para obtener contactos eléctricos bañados en oro en placas de circuito impreso.
- La pulverización utiliza un fuerte haz de electrones para expulsar partículas microscópicas del metal sobre el sustrato al vacío.
- La deposición física de vapor transfiere el metal al sustrato por evaporación.
- La deposición de vapor químico utiliza un gas que contiene un compuesto volátil del metal, que se deposita sobre el sustrato como resultado de una reacción química.
- El dorado es una forma tradicional de crear una capa de oro sobre los metales mediante la aplicación de una hoja de oro muy delgada que se mantiene en su lugar con un adhesivo.
Historia [ editar ]
La electroquímica moderna fue inventada por el químico italiano Luigi Valentino Brugnatelli en 1805. Brugnatelli utilizó la invención de su colega Alessandro Volta de cinco años antes, la pila voltaica , para facilitar la primera electrodeposición. Las invenciones de Brugnatelli fueron suprimidas por la Academia de Ciencias de Francia y no se utilizaron en la industria en general durante los siguientes treinta años. En 1839, científicos de Gran Bretaña y Rusia habían ideado de forma independiente procesos de deposición de metales similares a los de Brugnatelli para la galvanoplastia de cobre de planchas de imprenta .
Boris Jacobi en Rusia no solo redescubrió los galvanoplásticos, sino que desarrolló el electrotipado y la escultura galvanoplástica . Los galvanoplásticos se pusieron rápidamente de moda en Rusia, y personas como el inventor Peter Bagration , el científico Heinrich Lenz y el autor de ciencia ficción Vladimir Odoyevsky contribuyeron a un mayor desarrollo de la tecnología. Entre los casos más notorios de uso de galvanoplastia a mediados del siglo XIX en Rusia se encuentran las gigantescas esculturas galvanoplásticas de la Catedral de San Isaac en San Petersburgo y la cúpula galvanizada en oro de la Catedral de Cristo Salvador enMoscú , la iglesia ortodoxa más alta del mundo . [13]
Poco después, John Wright de Birmingham , Inglaterra, descubrió que el cianuro de potasio era un electrolito adecuado para la galvanoplastia de oro y plata. Los asociados de Wright, George Elkington y Henry Elkington recibieron las primeras patentes de galvanoplastia en 1840. Estos dos fundaron la industria de galvanoplastia en Birmingham, desde donde se extendió por todo el mundo. El generador eléctrico Woolrich de 1844, ahora en Thinktank, Museo de Ciencias de Birmingham , es el primer generador eléctrico utilizado en la industria. [14] Fue utilizado por Elkingtons . [15] [16][17]
La Norddeutsche Affinerie en Hamburgo fue la primera planta moderna de galvanoplastia que inició su producción en 1876. [18]
A medida que la ciencia de la electroquímica creció, se entendió su relación con la galvanoplastia y se desarrollaron otros tipos de galvanoplastia de metales no decorativos. La galvanoplastia comercial de níquel , latón , estaño y zinc se desarrolló en la década de 1850. Los baños y equipos de galvanoplastia basados en las patentes de Elkington se ampliaron para adaptarse al recubrimiento de numerosos objetos a gran escala y para aplicaciones específicas de fabricación e ingeniería.
La industria del enchapado recibió un gran impulso con la llegada del desarrollo de generadores eléctricos a fines del siglo XIX. Con las corrientes más altas disponibles, los componentes metálicos de la máquina, el hardware y las piezas de automóviles que requieren protección contra la corrosión y propiedades de desgaste mejoradas, junto con una mejor apariencia, podrían procesarse a granel.
Las dos guerras mundiales y la creciente industria de la aviación dieron impulso a nuevos desarrollos y refinamientos, incluidos procesos como el cromado duro , el plateado con aleaciones de bronce , el niquelado sulfamato, junto con muchos otros procesos de galvanoplastia. Los equipos de galvanoplastia evolucionaron desde tanques de madera revestidos de alquitrán operados manualmente hasta equipos automatizados, capaces de procesar miles de kilogramos por hora de piezas.
Uno de los primeros proyectos del físico estadounidense Richard Feynman fue desarrollar tecnología para galvanizar metal sobre plástico . Feynman desarrolló la idea original de su amigo en un invento exitoso, lo que le permitió a su empleador (y amigo) mantener las promesas comerciales que había hecho pero que no podría haber cumplido de otra manera. [19]
Celda de casco [ editar ]
La celda Hull es un tipo de celda de prueba que se utiliza para verificar semicuantitativamente el estado de un baño de galvanoplastia. Mide el rango de densidad de corriente utilizable, la optimización de la concentración de aditivos, el reconocimiento de los efectos de las impurezas y la indicación de la capacidad de potencia de macro-lanzamiento. [20] La celda de Hull replica el baño de galvanoplastia a escala de laboratorio. Se llena con una muestra de la solución de enchapado, un ánodo apropiado que está conectado a un rectificador . El "trabajo" se reemplaza con un panel de prueba de celda Hull que se plateará para mostrar la "salud" del baño.
La celda Hull es un recipiente trapezoidal que contiene 267 mililitros de una solución de baño de galvanoplastia. Esta forma permite colocar el panel de prueba en ángulo con el ánodo. Como resultado, el depósito se platea en un rango de densidades de corriente a lo largo de su longitud, que se puede medir con una regla de celda de casco. El volumen de la solución permite una medición semicuantitativa de la concentración de aditivo: la adición de 1 gramo a 267 mL equivale a 0.5 oz / gal en el tanque de galvanoplastia. [21]
Celda de Haring-Blum [ editar ]
La celda de Haring-Blum se utiliza para determinar el poder de proyección macro de un baño de enchapado. La celda consta de dos cátodos paralelos con un ánodo fijo en el medio. Los cátodos están a distancias del ánodo en una proporción de 1: 5. La potencia de proyección macro se calcula a partir del grosor del revestimiento en los dos cátodos cuando se pasa una corriente continua durante un período de tiempo específico. La celda está fabricada con metacrilato o vidrio. [22] [23]
Ver también [ editar ]
- Ingeniería electroquímica
- Electropulido
- Nanolaminación
Referencias [ editar ]
- ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 28 de noviembre de 2020 . Consultado el 1 de mayo de 2019 .Mantenimiento de CS1: copia archivada como título ( enlace )
- ^ Dufour , 2006 , p. IX-1.
- ↑ a b Dufour , 2006 , p. IX-2
- ^ Dufour , 2006 , p. IX-3
- ^ "Reemplazos de cromo trivalente de perfil de tecnología de prevención de la contaminación para el cromado hexavalente" (PDF) . Asociación de Funcionarios de Manejo de Residuos del Noreste. 2003-10-18. Archivado desde el original (PDF) el 20 de julio de 2011. Cite journal requiere
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Bibliografía [ editar ]
- Dufour, Jim (2006). Introducción a la metalurgia (5ª ed.). Cameron.[ Falta el ISBN ]
Enlaces externos [ editar ]
- Galvanoplastia real sobre recubrimiento de cobre no electrolítico tratado con PTH en YouTube
