ppt ik4-cidetec

DESARROLLOS EN PREPARACIÓN
Y
ACABADO FINAL DE SUPERFICIES
Dr. José Antonio Díez
Director División SUPERFICIES
AIAS Jornada Técnica sobre Tratamientos previos y acabados industriales 27 de mayo de 2015
Activación de la superficie
Importancia de la activación superficial
“Más del 90% del buen desempeño de un recubrimiento
depende única y exclusivamente de la correcta preparación
de superficie”.
Fuente: STEEL STRUCTURES PAINTING COUNCIL (SSPC) y NATIONAL ASSOCIATION OF CORROSION ENGINEERS (NACE).
La adherencia depende de:
• Propiedades intrínsecas de la superficie (topografía, naturaleza…)
• Presencia de contaminantes (restos provenientes del proceso de electrodeposición, manipulación
y/o almacenaje).
Para obtener una adherencia correcta entre capas:
 Es fundamental utilizar un proceso de preparación adecuado.
Para establecer el método de preparación de superficie más adecuado es necesario tener en cuenta varios factores
inter-relacionados entre sí, entre otros:
•
•
•
La naturaleza y estado superficial inicial del material (presencia de escorias, óxidos del proceso,
rugosidad inicial etc).
La naturaleza del recubrimiento a aplicar
Ambiente al cual va a ser sometido el componente etc.
“El proceso de preparación superficial es clave y es necesario diseñarlo adecuando el tipo
de proceso y sus parámetros al material de partida y los requerimientos finales”
Clasificación de los procesos de activación
Activación química
Activación mecánica
Modificación de la “química” superficial
favoreciendo la limpieza, eliminación de
impurezas y la generación de grupos polares
Modificación de la rugosidad de una superficie
para aumentar su área eficaz de contacto y
eliminar todo resto de contaminación
Limpieza y desengrase
Granallado, cepillado, pulido, vibrado etc.
Activación mediante decapado
Sobre todo se utiliza como etapa intermedia
de preparación, aunque también puede
utilizarse como postratamiento
Acabados estéticos de
alto interés
Activación química
Activación química
Limpieza y desengrase
Limpieza- eliminación de componentes sólidos (polvo, barro, óxidos)
Desengrase- eliminación de componentes químicos (grasas, aceites, lubricantes etc.)
Manual (trapos o brochas, unitario)
 Por inmersión (cubas con moviales, cestos rotatorios etc.)
 Por ultrasonido (combinado en la limpieza por inmersión)
Por rociado o aspersión (agente limpiador sobre la pieza por spray)
Mediante vapor (vaporizar el agente, arrastre por condensación)
Mediante láser (energía del láser vaporiza contaminantes)
Mediante plasma (volatiliza compuestos orgánicos)
Desengrase con solventes y desengrase alcalino
Activación mediante decapado
Eliminación de capas de óxido (principalmente) mediante ácido y agua para que queden
químicamente limpias
Clásicamente HPO3 , H2SO4 , HCl, diferentes metodologías.
Proceso de limpieza final y enjuague final es clave
Activación mecánica
Activación mecánica
Modificación de la rugosidad de una superficie para aumentar su área eficaz de
contacto y eliminar todo resto de contaminación
Proceso de decapado y limpieza superficial pero también puede servir para
obtener acabados estéticos e introducir tensiones
Activación mecánica
Granallado
Naturaleza de la granalla (acero, óxidos de aluminio, de zirconio, de
silicio, plásticos, etc.,), tamaño y distribución de tamaño, forma (irregular,
esférica), presión de salida, ángulo, distancia.
Pulido
Naturaleza del abrasivo, forma y tamaño, cantidad de abrasivo, presión de
trabajo, velocidad de desplazamiento, dirección, etc.
Pulido-Cepillado
Naturaleza del abrasivo, forma y tamaño, velocidad de desplazamiento, forma
de aplicación (en giro, en plano etc.)
Vibrado
Naturaleza del abrasivo, forma y tamaño, empleo de productos adicionales
durante el proceso, amplitud de vibrado, tiempo, etc.
Posibilidades estéticas acabados mecánicos
Muchas posibilidades de combinación de técnicas, gran abanico de estéticas en
combinación con otras tecnologías, diversos sectores, sobre diferentes materiales, acero,
cromo, aluminio etc
Acabados superficiales
Polishing is a mechanical process that use an
abrasive that is glued to the working wheel
Honing uses a special tool, called honing stone or
a hone. This tool is composed of abrasive grains
that are bound together. The smaller the grain size
the smoother the workpiece´s surface.
Lapping: two surfaces are rubbed together with
an abrasive between them.
Electrochemical polishing. Is a process that
removes material from a metallic workpiece
Grinding (abrasive cutting). Each grain of abrasive
works as a microscopic single point cutting edge.
Machining process in which a cutting tool: "turning"
is reserved for the generation of external surfaces by
this cutting action, and internal surfaces (that is,
holes, of one kind or another) is called “boring ".
Electropulido de superficies
ELECTROPULIDO DE SUPERFICIES
Proceso electroquímico de acabado superficial de metales y aleaciones, que permite
obtener superficies de alto brillo, baja rugosidad, sin tensiones residuales y con mayor
resistencia a la corrosión
Antes de electropulido
VENTAJAS
Después de electropulido
APLICACIONES
 Estética atractiva y elevada reflectividad
TRADICIONALES
NUEVAS APLICACIONES
 Superficies libres de contaminantes











 Facilidad de limpieza y mantenimiento
 Mejora de la resistencia a la corrosión
 Reducción del crecimiento bacteriano
 Reducción de la fricción por contacto
Arquitectura
Automoción
Sector farmacéutico
Equipos de procesado
Alimentación
Joyería
Dispositivos ópticos
Nanotecnología
Aplicaciones de alto vacío
Implantes biomédicos
Post-proceso en
fabricación 3D
ELECTROPULIDO COMO ACABADO ESTÉTICO
El elevado brillo y homogeneidad de las superficies electropulidas proporciona una estética
atractiva para diferentes sectores
Joyería
Arquitectura
Automoción
New York City Subway
Entrance Canopy
El proceso de electropulido permite además obtener superficies con diferente grado de brillo,
además de superficies con aspecto mate
Diferentes acabados estéticos desarrollados sobre acero inoxidable en CIDETEC, modificando las condiciones del proceso
ELECTROPULIDO COMO ACABADO FUNCIONAL
El electropulido se puede emplear para aportar otro tipo de propiedades a las superficies
(Resistencia a la corrosión, facilidad de limpieza, higiene, anti-adherencia, resistencia a la fricción…)
Automoción
Alimentación
Resistencia a la corrosión y
menor fricción por contacto
Higiene y anti-adherencia
Arquitectura
Energía solar
Recogida y reflectancia de energía solar
Biomedicina
Facilidad de limpieza
Resistencia a la corrosión
Esterilidad, limpieza y
resistencia a la corrosión
ELECTROPULIDO COMO ACABADO FUNCIONAL
Disminución de la rugosidad de componentes para
diferentes aplicaciones. El electropulido se puede
emplear como sustituto de todas o algunas etapas del
pulido mecánico
El proceso de electropulido se puede aplicar sobre diferentes tipos de materiales y permite disminuir
la rugosidad inicial en una porcentaje superior al 60% en tiempos relativamente cortos
EP de componentes producidos por
procesos de fabricación convencionales
Aleación de FeNi
EP de componentes producidos por procesos
de fabricación aditiva (impresión 3D)
Acero martensítico
Aleación de Ti
Aleación de CoCr
Cobre
Piezas electropulidas mediante procesos desarrollados en CIDETEC
Anodizado de aluminio
ANODIZADO DE ALUMINIO
Proceso de oxidación electrolítica en el que la superficie del metal (ánodo) se
recubre con una película estable, porosa y compleja de óxidos del propio sustrato
metálico y de determinados elementos presentes en el electrolito, proporcionándole
propiedades protectoras, decorativas y funcionales.
Factores que influyen en la oxidación
anódica:
• Composición, procesado, geometría del
material a anodizar
• Naturaleza y concentración del electrolito
• Condiciones de trabajo: temperatura,
voltaje-corriente, duración del proceso,
agitación, distancia ánodo/cátodo, etc.
ANODIZADO DE ALUMINIO
El anodizado es un proceso aplicable no solo al aluminio sino a diferentes materiales:
titanio, magnesio, acero
ANODIZADO DE ALUMINIO
Propiedades del aluminio
Beneficios del anodizado de aluminio
 Baja densidad (2.7 g cm-3)
 Elevada resistencia mecánica
 Considerable resistencia a la corrosión
 Elevada conductividad térmica y eléctrica
 Bajo coste
 Fácil reciclado
 Producir películas dieléctricas (aislantes)
 Desarrollar acabados decorativos
 Incrementar la adherencia de recubrimientos
orgánicos posteriores
 Mejorar propiedades intrínsecas del material base
(dureza, resistencia a la corrosión, resistencia al
desgaste)
 Obtener plantillas de alúmina para la síntesis de
nanoestructuras
Capas de alúmina porosa
Sectores de aplicación
Electrolitos: ácido sulfúrico, oxálico, crómico…
Oxidación electroquímica / Ataque químico
construcción, transporte, mecánica,
electrónica, artículos hogar…
ANODIZADO DE ALUMINIO
Anodizado convencional
• Proceso: electrolito de ácido sulfúrico, aplicación de T moderadas (18-20 ºC) y j suaves (1-2 A dm-2)
• Propiedades: generación de capas delgadas (5-25 µm), que mejoran las propiedades de resistencia a
la corrosión (> 400 h NSS) y dureza (<300 HV) del propio sustrato
• Aplicaciones: arquitectura (exteriores e interiores de edificios, marcos de ventanas, puertas), aparatos
eléctricos - electrodomésticos, elementos deportivos (carros de golf, elementos de camping, pesca), etc.
PROYECTOS IK4-CIDETEC
Combinación granallado y anodizado
Marcos de interruptores
ANODIZADO DE ALUMINIO
Anodizado coloreado
 Coloración con pigmentos (química)
Absorción de colorantes (complejos metálicos orgánicos e inorgánicos) en la parte
superior de los poros. Amplia variedad de colores: dorado, naranja, rojo, azul,
turquesa, violeta, verde, gris, negro, etc.
 Coloración electrolítica
Deposición de óxidos/hidróxidos metálicos en el fondo de los poros bajo la acción de
la corriente eléctrica. Limitación de colores: granate, rosa, marrón, negro
PROYECTOS IK4-CIETEC
Combinación granallado y anodizado
coloreado
Radios de llantas anodizados y coloreados
(combinación con láser)
Cuadros de bici anodizados y coloreados
(combinación con máscaras)
ANODIZADO DE ALUMINIO
Anodizado duro
• Proceso: electrolitos de ácido sulfúrico, aplicación de bajas T (0 ºC) y altas j (3-5 A dm-2)
• Propiedades: generación de capas de gran espesor (25-150 µm), elevada dureza (>400 HV) y resistencia
al desgaste (10 veces superior a la del anodizado convencional)
• Aplicaciones: automoción (frenos, pistones, carburadores, poleas, racores, bombas hidráulicas),
ferroviario (cremalleras, porta rodamientos, pisadores), naval (maquinaria, instrumentos para navegación),
alimentación (moldes, planchas), óptica (componentes de cámaras), aeronáutica (maquinaria y
equipamiento), etc.
PROYECTOS IK4-CIDETEC
Vaporizador y suela de una plancha anodizadas
ANODIZADO DE ALUMINIO
Anodizado y pintado/lacado
• Proceso: anodizado basado en ácido crómico (prácticamente sustituido por electrolitos de ácido
sulfúrico-tartárico)
• Propiedades: generación de capas porosas que ofrecen alta protección frente a la corrosión y
buena base para la posterior adhesión de pinturas/lacas
• Aplicaciones: arquitectura (exteriores e interiores de edificios), aeronáutica (fuselaje, alas)
ANODIZADO DE ALUMINIO
Funcionalización de capas de anodizado
La estructura porosa de las capas de anodizado permite funcionalizarlas con
diferentes compuestos y dar respuesta a necesidades de diversos sectores
PROYECTO IK4-CIDETEC
Objetivo: Mejorar las propiedades tribológicas de las capas de alúmina mediante un
proceso de re-anodizado, a través de la precipitación de MoS2 en el interior de los poros:
SUPERFICIES AUTOLUBRICANTES
Aluminio
Anodizado
S. autolubricantes
 Baja dureza
 Baja R.
 Alta dureza
 Alta R.
desgaste
 Alto COF
 Alta dureza
 Alta R. desgaste
 Bajo COF
desgaste
 Alto COF
Capas sol-gel
Capas sol-gel
Los procesos sol-gel conforman un grupo de procedimientos suaves de síntesis que
permiten elaborar materiales y recubrimientos en condiciones suaves de presión y
Ventajas:
temperatura.
Versatilidad:


Dependiendo de las condiciones de proceso se obtienen
capas continuas o partículas, modulación de la porosidad o
de la rugosidad.
Variando la composición se cambia la funcionalidad.
Bajo consumo de energía: Temperaturas entre 50-200ºC
No se necesita un equipamiento especial.
Pueden ser aplicados a muchos tipos de materiales tales
como vidrio, metales, plásticos y cerámicas.
Capas sol-gel
Los procesos sol-gel conforman un grupo de procedimientos suaves de síntesis
que permiten elaborar materiales y recubrimientos en condiciones suaves de
presión y temperatura.
Ventajas:
•
•
•
Gran homogeneidad y pureza
Fácil preparación
Versatilidad en la modificación de propiedades y su adaptación
a la aplicación requerida:
 Corrosión (recubrimientos anticorrosión, antifouling,
primers para la mejora de la adherencia de las pinturas)
 Mecánicas (antifricción...),
 Óptica (materiales autolimpiables y anti suciedad),
 Electrónica (antiestáticos),
 Biomedicina (antimicrobianos, dispensa de
medicamentos), etc.
• Posibilidad de aplicación como parte de estructuras más
complejas y para anclaje de otras capas adicionales
• Aplicable en una gran variedad de substratos: vidrio, metal,
plástico, cerámica…)
• Medioambientalmente compatibles…
Capas sol-gel
La experiencia de CIDETEC en recubrimientos sol-gel incluye:
Activación y pretratamiento de diversos sustratos: vidrio,
metales…
Diseño y modificación de formulaciones para el desarrollo
de soluciones innovadoras que responden a las necesidades
industriales actuales.
Aplicación y curado mediante diversas técnicas: esprayado,
dip-coating, electrodeposición…
Amplio abanico de técnicas de caracterización de los
sustratos y los recubrimientos mediante distintas técnicas:
microestructura, propiedades químicas, y físicas, corrosión…
Pretratamiento
Formulación
Aplicación
Caracterización
A continuación se presentan algunos ejemplos de los recubrimientos que
CIDETEC ha desarrollado para varios de sus clientes comerciales.
Sol-gel como «primer»
 Primers para la mejora de la adherncia del recubrimiento orgánico posterior…
 3 veces mayor resistencia en CNS para el acero con pintura en polvo (Utilizado como
primer).
El hecho de que los silanos contengan una parte inorgánica y otra orgánica los hace perfectos
para actuar de anclaje entre los metales y los polímeros.
•
Por ello, se están utilizando como primers alternativos a los fosfatados y cromatizados.
•
Un paso más en este campo sería aplicarlos como agente de unión entre metales y láminas
de polímeros con el objetivo de aligerar peso pero en aplicaciones de automoción y
aeronáutica.
Sol-gel como recubrimiento
 Recubrimientos resistentes a la corrosión para Al, Mg, Sn, Ti, Cr, Ni, Zn, acero
galvanizado…
 10 veces mayor resistencia del acero galvanizado en niebla salina
 Hasta 5 veces mayor resistencia en Al sin anodizar
 Recubrimientos coloreados sobre acero, Al y cromados
 Nuevas estéticas sobre metales y plásticos metalizados
 Recubrimientos hidrofóbicos y antisuciedad para vidrio y polímeros
 Recubrimientos antiestáticos sobre polímeros
 Recubrimientos antibiofouling para aplicaciones marinas (AMBIO)
Recubrimientos composite de matriz metálica
RECUBRIMIENTOS COMPOSITE
Electrodeposición de composites de matriz metálica
“Consiste en embeber durante el proceso de deposición
pequeñas partículas sólidas en la matriz metálica
electrodepositada. Estas partículas se encuentran en
suspensión en el baño electrolítico mediante agitación
y/o la adición de aditivos”
Composite film
Permiten obtener propiedades mejoradas respecto a cada uno de los materiales individuales
(matriz, refuerzo) que componen el composite como son:
 Propiedades tribológicas (dureza, resistencia al desgaste, lubricidad, resistencia al
rayado…)
 Propiedades eléctricas y magnéticas
 Propiedades fotocatalíticas
 Resistencia a la corrosión
…
APLICACIONES
a) Resistencia a la abrasión
-
-
Partículas: diamante WC, SiC, Al2O3, TiC, Cr3C2
Sistemas: Ni/diamante, Co/WC, Co/Cr3C2, Ni/TiC, Ni/Al2O3,
etc.
Aplicaciones: pistones, motores de automóvil, componentes
aeronáuticos, herramientas de corte, moldes, turbinas, etc.
b) Lubricación
-
Partículas: PTFE, graphite, MoS2, WS2
Sistemas: Cu/grafito, Ni/PTFE, Ni/MoS2, Ni/WS2
Aplicaciones: rodillos, guias para textiles, moldes,
intercambiadores de calor, componentes de automoción.
c) Dureza
-
Partículas: carburos, óxidos, nitruros
Systems: Ni/Al2O3, Cu/Al2O3, Ni/SiC, Ni/diamante
Applications: rodamientos, boquillas, estructuras,
componentes aeronáuticos, etc.
DESARROLLOS REALIZADOS
Composición:
Ni/SiC, Ni/WC, Ni/PTFE, Ni/diamond,
Ni/CNT, Co/Cr3C2, Ni/Al2O3, Cr/Ag,…
Propiedades:
Dureza, resistencia a la abrasión, fricción,
propiedades bactericidas.
Aplicaciones:
Automoción, aeronáutica, moldes,
sanitario, energía, …
Ni/diamante
Ni/CNT
Cr/Ag
Ni/Al2O3
Recubrimientos de cromo avanzados
Recubrimientos de cromo avanzados
Recubrimientos de cromo duro
 Aspecto
 Dureza
 Resistencia al desgaste
 Resistencia a la erosión
 Bajo coeficiente de fricción
 Alto punto de fusión
Recubrimientos de cromo avanzados
Recubrimientos de cromo duro - Problemas
Problemas medioambientales y para la salud
R 49, R 25, R 43, R 50/53
Problemas inherentes a la reacciones implicadas en la electrodeposición de cromo
Deposición cromo
(10-20%)
Evolución H2
(75-85%)
Formación Cr3+
(10-20%)
2CrO3  2 H 2O  2 H 2CrO4  H 2Cr2O7  H 2O
(Cr2O7 ) 2  12e   14 H   2Cr 0  7 H 2O
2H   2e   H 2
(Cr2O7 )
2


 6e  14H  2Cr
3
Corrosión
✖Baja eficiencia
✖Fisuración (cracking)
 7 H 2O
Recubrimientos de cromo avanzados
Recubrimientos de cromo duro – Demanda del mercado hasta encontrar una alternativa
• Mejora de la calidad
• Mejora de la funcionalidad
• Incremento de su vida en servicio
• Mejora de instalaciones: minimizar riesgos para la salud y medioambientales
Current density
Electrodeposición mediante pulsos de corriente
tc
ic
iav
time
toff
ia
ta
• Transporte de masa y
cinética del electrodo
• Nucleación y crecimiento
cristalino
• Fenómenos de adsorción
desorción
• Distribución metálica
• Eficiencia
• Microestructura
• Morfología: granos, grietas
• Propiedades físicas: aspecto,
corrosión, desgaste, dureza…
Recubrimientos de cromo avanzados
Electrodeposición de cromo duro mediante pulsos de corriente – IK4-CIDETEC
Ra = 0.027 µm
DC
Dureza: 1024 HV
Vel. dep.: 0,17 µm min-1
Ra = 0.035 µm
Ángulo de contacto  / º
130
120
110
100
90
80
70
60
DC
DC
PP-con grietas
Dureza: 1097 HV
Vel. dep.: 0,42 µm min-1
1.5
1 µm
Dureza: 967 HV
Vel. dep.: 0,30 µm min-1
Er
0.0
-0.5
-1.0
c
b
a
PP-con
grietas
0.5
-
PP-sin grietas
E vs. EAg/AgCl/Cl (3M)/ V
1.0
Ra = 0.212 µm
PCgrietas
PP
grietas PCsin
PP singrietas
grietas
Ecorr
DC
PP-sin
grietas
-1.5
-2.0
1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0.01
-2
j / A cm
0.1
Recubrimientos de cromo avanzados
Electrodeposición de cromo duro mediante pulsos de corriente – IK4-CIDETEC
Obtención de recubrimientos de cromo mediante pulsos de corriente a escala
industrial (instalaciones de la empresa IkanKronitek):
•
Aspecto: igual que DC, superficies brillantes y homogéneas
•
Mayor eficiencia de corriente
•
Recubrimientos con una menor densidad de grietas
•
Mayor resistencia frente a la corrosión
•
Propiedades mecánicas y tribológicas comparables a los recubrimientos
de cromo convencionales (DC)
70
22
65
DC
20
18
55
16
50
14
45
40
12
0
10
20
30
40
Modulación (%)
50
60
70
Eficiencia (%)
Espesor (µm)
60
PP