Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Química
DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE UN EQUIPO DE
ELECTRODEPOSICIÓN DE CROMO PARA EL LABORATORIO DE
INGENIERÍA QUÍMICA
Proyecto de graduación
sometido a la consideración de la Escuela de Ingeniería Química
como requisito final para optar al grado de
Licenciatura en Ingeniería Química
NELSON ARTAVIA VEGA
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
San José, Costa Rica
2008
Proyecto de Graduación presentado a la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad
de Costa Rica como requisito final para optar al grado de Licenciado en Ingeniería Química
Sustentante:
Nelson Artavia Vega
Director del proyecto
~rdfesorAsociado
Escuela de Ingeniería Química, U.C.R.
Asesor del proyecto
Profesor sod dado
Escuela de Ingeniería Química, U.C.R.
Asesor del proyecto
,-----,
//
Ing. Eanio Hernández Carballo.
Profesor Interino
Escuela de Ingeniería Química, U.C.R.
Profesor Interino
Escuela de Ingeniería Química, U.C.R.
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio, Octubre 2008
Asesor invitado
Presidente del tribunal
EPÍGRAFE
Quiero pensar en lo que fui y olvidar cadenas y lazos;
recordar tiempos idos y del bosque cuanto vi.
Venderme no quiero al hombre por un montón de cañas,
sino huir hacia los míos y entre los míos perderme.
Quiero vagar en el alba, sentir el viento que corre
y recibir el beso de las aguas; olvidar quiero mis cadenas pesadas
y mi dolor todo; revivir mis viejos amores,
y ver a mis camaradas.
Rudyard Kipling
ii
DEDICATORIA
A mi sobrina y ahijada “Marifer”,
con todo mi amor.
iii
AGRADECIMIENTOS
A mi madre y padre por todo su apoyo y sacrificio.
Al Ing. Álvaro Flores, por su guía e importantes aportes durante la realización de
este proyecto.
Al Sr. Rigoberto Vega dueño del taller Ribesa, por su donación de plomo.
Al Ing. Sebastián Estrada, el Ing. Francisco Jiménez, el Ing. Ricardo Calvo, y la
Srta. Emilia Agüero de Incesa Standard, por su ayuda para la obtención de materiales para
la etapa de niquelado.
A la Sra. Zoraida Salas y el Sr. Rónald Bolívar de Envases Comeca S. A. por su
donación de láminas de latón.
Al Ing. Guillermo Chacón dueño de Cromo Tico, por su ayuda durante las visitas
realizadas a su empresa.
A todas las demás personas que de una u otra forma colaboraron para la finalización
satisfactoria de este proyecto.
iv
RESUMEN
El objetivo general de este proyecto es diseñar, construir y poner en marcha un
equipo de electrodeposición de cromo para el Laboratorio de Ingeniería Química, así como
desarrollar una práctica de laboratorio acerca de este proceso como complemento al curso
Ingeniería de los Materiales.
El trabajo abarca una recopilación teórica sobre los fundamentos de la
electrodeposición y los baños de sulfato de cobre, de Watts (de níquel) y de cromo así
como los métodos de control. En el trabajo se detallan los aspectos más importantes del
diseño, construcción y puesta en marcha del equipo y se finaliza con el diseño de la guía de
práctica de laboratorio.
La metodología consiste en reproducir el proceso completo de cromado tal y como
se desarrolla industrialmente, utilizando un equipo de laboratorio y placas de latón de
aproximadamente 5 cm x 4 cm x 0,02 cm. Como etapa inicial, se definen todas las
características del equipo, las disoluciones a utilizar y los baños electrolíticos. Luego se
construye el equipo diseñado y se procede a la puesta en marcha y preparación de una guía
de práctica de laboratorio.
El principal resultado de este proyecto es la obtención de un pequeño equipo de
laboratorio con el que es posible realizar el proceso de cobreado-niquelado-cromado sobre
placas metálicas.
Operando el equipo de electrodeposición bajo las condiciones, el tiempo y las
formulaciones establecidas es posible obtener un espesor de cobre de 1,75 µm, un espesor
de níquel de 0,96 µm y un espesor de cromo de 0,70 µm, todos ellos con un acabado semibrillante.
Se recomienda utilizar el equipo construido para la investigación de formulaciones
de aditivos y abrillantadores para los baños de cobre y níquel.
v
ÍNDICE GENERAL
Página
i
ii
iii
iv
v
vi
xi
xiii
TRIBUNAL EXAMINADOR
EPÍGRAFE
DEDICATORIA
AGRADECIMIENTO
RESUMEN
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE DE CUADROS
ÍNDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN
1
CAPÍTULO 2. ELECTRODEPOSICIÓN
2.1. Principios
2.1.1. Ley de Faraday
2.2. Componentes de la electrodeposición
2.2.1. El electrolito
2.2.2. El ánodo
2.2.3. El cátodo
2.2.4. El potencial de equilibrio
2.2.5. El potencial de deposición
2.3. Aplicaciones de la electrodeposición
3
3
4
4
4
6
6
7
8
8
CAPÍTULO 3. CARACTERÍSTICAS GENERALES
3.1. Composición de los baños de electrodeposición
3.1.1. Tipos de baños
3.1.2. Agentes de adición
3.2. El mecanismo de electrodeposición
3.3. Distribución de corriente y de depósito metálico
3.4. Propiedades de los electrodepósitos
3.4.1. Espesor
3.4.2. Adhesión
3.4.3. Valor de protección
3.4.4. Medición de propiedades físicas de electrodepósitos
3.5. Estructura de los electrodepósitos
3.5.1. Naturaleza de los depósitos
3.5.2. Factores que afectan los depósitos
3.5.3. Depósitos brillantes
9
9
9
9
10
10
11
11
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12
12
13
13
14
14
CAPÍTULO 4. MÉTODOS DE CONTROL
4.1. Control del electrolito
4.1.1. Medición de pH
15
15
15
vi
4.1.2. Medición de tensión superficial
4.1.3. Medición de otras propiedades importantes
4.2. Control del depósito
4.2.1. Propiedades físicas
4.2.2. Celda de Hull
4.2.3. Otras pruebas de control
15
16
16
16
17
18
CAPÍTULO 5. LOS BAÑOS DE ELECTRODEPOSICIÓN
5.1. El baño de cobre
5.1.1. Baño de sulfato de cobre
5.1.1.1. Funciones de los constituyentes del baño
5.1.1.2. Condiciones de operación
5.1.1.3. Propiedades físicas del depósito
5.1.1.4. Mantenimiento y control
5.1.1.5. Ánodos
5.1.1.6. Equipo
5.1.1.7. Contaminantes
5.1.1.8. Preparación del metal base
5.1.3. Normalización
5.2. El baño de níquel
5.2.1. Funciones de los constituyentes del baño
5.2.2. Condiciones de operación
5.2.3. Baños de níquel brillante
5.2.4. Niquelado semi-brillante
5.2.5. Mantenimiento y control
5.2.6. Ánodos
5.2.7. Equipo
5.2.8. Normalización
5.3. El baño de cromo
5.3.1. Funciones de los constituyentes del baño
5.3.2. Condiciones de operación
5.3.3. Propiedades del depósito
5.3.4. Mantenimiento y control
5.3.5. Ánodos
5.3.6. Equipo
5.3.7. Contaminantes
5.3.8. Otros baños
5.3.9. Normalización
19
19
19
20
20
21
21
22
22
22
22
23
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24
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26
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27
27
27
28
29
29
30
30
30
31
31
32
CAPÍTULO 6. EQUIPO PARA LA ELECTRODEPOSICIÓN
6.1. Rectificadores
6.1.1. Circuito de alimentación a los recipientes por medio de
rectificadores
6.1.2. Unión rectificador-recipientes
6.2. Tanques
33
33
vii
35
35
36
6.3. Celdas electrolíticas
6.4. Sistema de agitación
6.5. Calentador
6.6. Fuente de poder
6.7. Termómetro
6.8. Voltímetro
6.9. Amperímetro
6.10. Balanza semi-analítica
6.11. Vernier
6.12. Micrómetro
6.13. Cronómetro
6.14. Conexiones eléctricas
6.15. Circuito eléctrico
6.16. Área de trabajo
6.17. Mantenimiento
37
37
38
38
39
39
39
39
39
40
40
40
40
41
41
CAPÍTULO 7. PROCESO Y CONTROL
7.1. Metodología
7.2. Secuencia del proceso
7.3. Pruebas con celda de Hull
7.3.1. Prueba de cobreado
7.3.2. Prueba de niquelado
7.3.3. Prueba de cromado
43
43
43
43
44
45
45
CAPÍTULO 8. PREPARACIÓN DEL METAL BASE
8.1. Metodología
8.2. Secuencia del proceso
8.2.1. Limpieza abrasiva
8.2.2. Limpieza alcalina
8.2.3. Enjuague
8.2.4. Inmersión ácida
8.2.5. Enjuague
47
47
47
48
48
49
49
50
CAPÍTULO 9. COBREADO
9.1. Metodología
9.2. Formulación del baño
9.3. Equipo
9.4. Preparación del baño
9.5. Ánodos
9.6. Operación del baño
9.7. Mantenimiento y control del baño
9.8. Espesor del electrodepósito
9.9. Rendimiento del baño
9.10. Normalización
51
51
51
52
53
54
54
56
57
59
61
viii
CAPÍTULO 10. NIQUELADO
10.1. Metodología
10.2. Formulación del baño
10.3. Equipo
10.4. Preparación del baño
10.5. Ánodos
10.6. Preparación del metal base
10.6.1. Inmersión en baño de peróxido de hidrógeno (H2O2)
10.6.2. Enjuague
10.7. Operación del baño
10.8. Mantenimiento y control del baño
10.9. Espesor del electrodepósito
10.10. Rendimiento del baño
10.11. Normalización
62
62
62
63
64
64
65
65
66
66
69
69
71
72
CAPÍTULO 11. CROMADO
11.1. Metodología
11.2. Formulación del baño
11.3. Equipo
11.4. Preparación del baño
11.5. Ánodos
11.6. Preparación del metal base
11.6.1. Enjuague
11.6.2. Prebaño de cromo
11.7. Operación del baño
11.8. Mantenimiento y control del baño
11.9. Espesor del electrodepósito
11.10. Rendimiento del baño
11.11. Normalización
74
74
74
75
75
76
77
77
77
78
80
80
82
83
CAPÍTULO 12. DISEÑO DE LA GUÍA DE PRÁCTICA DE LABORATORIO
12.1. Metodología
12.2. Procedimiento experimental
12.2.1. Preparación de los baños de limpieza y prebaños
12.2.2. Preparación de los aditivos
12.2.3. Preparación de la solución electrolítica de cobre
12.2.4. Preparación de la solución electrolítica de níquel
12.2.5. Preparación de la solución electrolítica de cromo
12.2.6. Preparación de los ánodos
12.2.7. Preparación del equipo
12.2.8. Preparación de los cátodos
12.2.9. Cobreado
12.2.10. Niquelado
12.2.11. Cromado
12.3. Cálculos
85
86
87
87
87
88
88
88
88
89
89
90
90
91
92
ix
12.3.1. Espesor del electrodepósito
12.3.2. Masa del electrodepósito
12.3.3. Eficiencia catódica del baño
92
92
93
CAPÍTULO 13. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
94
CAPÍTULO 14. BIBLIOGRAFÍA
96
CAPÍTULO 15. NOMENCLATURA
99
APÉNDICE A.
APÉNDICE B.
APÉNDICE C.
APÉNDICE D.
DATOS EXPERIMENTALES
RESULTADOS INTERMEDIOS
MUESTRA DE CÁLCULO
FORMULACIONES TÍPICAS DE BAÑOS DE
ELECTRODEPORICIÓN SEGÚN VARIOS AUTORES
APÉNDICE E. ANÁLISIS QUÍMICO
APÉNDICE F. PLANOS CONSTRUCTIVOS DEL EQUIPO DE
ELECTRODEPOSICIÓN
APÉNDICE G. SOLUCIÓN A PROBLEMAS MÁS FRECUENTES
ENCONTRADOS EN ELECTRODEPOSICIÓN
ANEXO A.
ANEXO B.
ANEXO C.
ESPECIFICACIÓN ESTÁNDAR PARA CAPAS
ELECTRODEPOSITADAS DE COBRE MÁS NÍQUEL MÁS
CROMO Y NÍQUEL MÁS CROMO (ASTM B456)
REGLA DE HULL
ALGUNAS PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS METALES
x
101
106
109
115
122
130
136
142
154
156
ÍNDICE DE CUADROS
Cuadro 2.1.
Cuadro 2.2.
Cuadro 6.1.
Cuadro 6.2.
Cuadro 7.1.
Cuadro 8.1.
Cuadro 9.1.
Cuadro 9.2.
Cuadro 9.3.
Cuadro 9.4.
Cuadro 10.1.
Cuadro 10.2.
Cuadro 10.3.
Cuadro 10.4.
Cuadro 11.1.
Cuadro 11.2.
Cuadro 11.3.
Cuadro 11.4.
Cuadro A.1.
Cuadro A.2.
Cuadro A.3.
Cuadro A.4.
Cuadro A.5.
Cuadro A.6.
Cuadro A.7.
Cuadro A.8.
Cuadro A.9.
Cuadro B.1.
Página
Equivalentes electroquímicos
5
Serie de potenciales electroquímicos normales
7
Descripción de aparatos e instrumental usado
33
Dimensiones de los tanques
37
Características de los reactivos usados
44
Formulaciones para inmersión ácida según el material del metal base
50
Formulación elegida para el baño de sulfato de cobre
52
Condiciones de operación elegidas para el baño de sulfato de cobre
55
Espesores de cobre electrodepositado en varias placas, calculados
mediante distintos métodos
57
Eficiencias del baño de cobre para varias placas, calculados mediante
distintos métodos
60
Formulación elegida para el baño de níquel
63
Condiciones de operación elegidas para el baño de níquel
67
Espesores de níquel electrodepositado en varias placas, calculados
mediante distintos métodos
70
Eficiencias del baño de níquel para varias placas, calculados mediante
distintos métodos
72
Formulación elegida para el baño de cromo
75
Condiciones de operación elegidas para el baño de cromo
78
Espesores de cromo electrodepositado en varias placas, calculados
mediante distintos métodos
81
Eficiencias del baño de cromo para varias placas, calculados mediante
distintos métodos
83
Masa de las placas durante la etapa de cobreado para diferentes
corridas
102
Masa de las placas durante la etapa de niquelado para diferentes
corridas
102
Masa de las placas durante la etapa de cromado para diferentes
corridas
102
Espesor de las placas (medido con micrómetro) durante la etapa de
cobreado para diferentes corridas
103
Espesor de las placas (medido con micrómetro) durante la etapa de
niquelado para diferentes corridas
103
Espesor de las placas (medido con micrómetro) durante la etapa de
cromado para diferentes corridas
104
Dimensiones iniciales de las placas
104
Corriente aplicada en las etapas de electrodeposición para diferentes
corridas
104
Tiempo de electrodeposición para diferentes corridas
105
Masa del electrodepósito de cobre para diferentes corridas
107
xi
Cuadro B.2.
Cuadro B.3.
Cuadro B.4.
Cuadro D.1.
Cuadro D.2.
Cuadro D.3.
Cuadro D.4.
Cuadro D.5.
Cuadro D.6.
Masa del electrodepósito de níquel para diferentes corridas
Masa del electrodepósito de cromo para diferentes corridas
Área total de las placas
Formulaciones típicas para baños de electrodeposición de cobre ácido
al sulfato mate según varios autores
Formulaciones típicas para baños de electrodeposición de cobre ácido
al sulfato brillante según varios autores
Formulaciones típicas para baños Watts de electrodeposición de
níquel mate según varios autores
Formulaciones típicas para baños Watts de electrodeposición de
níquel brillante, según varios autores
Formulaciones típicas para baños de electrodeposición de cromo duro
según varios autores
Formulaciones típicas para baños de electrodeposición de cromo
decorativo según varios autores
xii
107
107
108
116
117
118
119
120
121
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 4.1.
Figura 6.1.
Figura 6.2.
Figura 6.3.
Figura 7.1.
Figura 7.2.
Figura 7.3.
Figura 9.1.
Figura 9.2.
Figura 9.3.
Figura 9.4.
Figura 9.5.
Figura 10.1.
Figura 10.2.
Figura 10.3.
Figura 10.4.
Figura 10.5.
Figura 11.1.
Figura 11.2.
Figura 11.3.
Figura 11.4.
Figura 11.5.
Celda de Hull estándar (dimensiones en mm).
Equipo de electrodeposición construido.
Celda electrolítica.
Circuito eléctrico.
Prueba con celda de Hull para la etapa de cobreado.
Prueba con celda de Hull para la etapa de niquelado.
Prueba con celda de Hull para la etapa de comado.
Ánodos de cobre utilizados en la etapa de cobreado.
Proceso de electrodeposición de cobre en operación.
Espesores de cobre electrodepositado en varias placas,
calculados mediante distintos métodos.
Cátodo durante la etapa de cobreado.
Eficiencias del baño de cobre para varias placas, calculados
mediante distintos métodos.
Ánodos de níquel utilizados en la etapa de niquelado.
Proceso de electrodeposición de níquel en operación.
Espesores de níquel electrodepositado en varias placas,
calculados mediante distintos métodos.
Cátodo durante la etapa de niquelado.
Eficiencias del baño de níquel para varias placas, calculados
mediante distintos métodos.
Ánodos de plomo utilizados en la etapa de cromado.
Proceso de electrodeposición de cromo en operación.
Espesores de cromo electrodepositado en varias placas,
calculados mediante distintos métodos.
Cátodo durante la etapa de cromado.
Eficiencias del baño de cromo para varias placas, calculados
mediante distintos métodos.
xiii
Página
18
34
38
41
44
45
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70
71
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79
81
82
83
CAPITULO 1
INTRODUCCIÓN
La imaginación es más importante que el conocimiento.
Albert Einstein
El proceso de electrodeposición es una de las técnicas más utilizadas en el
recubrimiento de metales, ha sido objeto de estudio durante más de cien años y se han
obtenido grandes avances que acrecientan su importancia, sin embargo en los cursos de la
carrera de Licenciatura en Ingeniería Química impartida por la Escuela de Ingeniería
Química de la Universidad de Costa Rica se menciona muy poco sobre el tema o sus
importantes implicaciones industriales. Se debe recalcar que a nivel nacional existen varias
industrias y talleres donde se hace uso de este método, siendo fuente de empleo para el
ingeniero químico.
El objetivo principal de este proyecto es diseñar, construir y poner en marcha un
equipo de electrodeposición de cromo para el Laboratorio de Ingeniería Química de la
Universidad de Costa Rica. De esta forma, se pretende su utilización por parte del
estudiantado con el fin de que el proceso de electrodeposición se convierta en objeto de
estudio y de investigación.
Para la realización de este proyecto se recolectó material bibliográfico referente al
tema de distintas fuentes como libros de texto, revistas especializadas, normas
internacionales y patentes estadounidenses, además de algunas visitas hechas a industrias
especializadas y aportes de profesionales experimentados en el tema.
En los capítulos 2 a 5 se presenta un resumen de los principales aspectos teóricos de
la electrodeposición, los métodos de control y una breve explicación de los baños de cobre,
níquel y cromo.
En los capítulos 6 a 11 se presentan los principales aspectos del diseño y
construcción del equipo de electrodeposición y se explica detalladamente el proceso
completo.
Finalmente, el capítulo 12 muestra el diseño de una guía de práctica de laboratorio,
destinada a utilizarse en el curso de Ingeniería de los Materiales del plan de estudio de la
1
Capítulo 1: Introducción
2
carrera de Licenciatura en Ingeniería Química. Esta guía de laboratorio ilustra el uso
completo y apropiado del equipo de electrodeposición construido.
El proceso industrial de electrodeposición de cromo en piezas metálicas conductoras
consiste primeramente en aplicar una capa de cobre, seguido de una de níquel y por último
una muy delgada cobertura de cromo. La capa de cobre se encarga de ofrecer una superficie
que facilita la electrodeposición de níquel, el cual posee una gran resistencia contra la
corrosión; finalmente, la capa de cromo brinda un acabado decorativo de alta dureza y
excelente protección contra la corrosión. El espesor de cada capa está normalizado de
acuerdo al uso de la pieza a cromar.
El diseño y construcción del equipo está orientado a simular en un laboratorio el
proceso descrito anteriormente para su estudio y con fines investigativos. La metodología,
consiste primeramente en la preparación de los diferentes baños, seguido de la preparación
adecuada de las piezas, y finalmente la electrodeposición.
El equipo construido es relativamente sencillo y de fácil manejo, el sistema está
compuesto por tanques de PVC, un sistema de agitación de aire impulsado por una bomba
de baja potencia y un rectificador como fuente de corriente directa. Además, se requiere el
uso de cristalería y equipo de medición tales como un termómetro, vernier, micrómetro,
amperímetro, voltímetro y una balanza semi-analítica, todos disponibles en el laboratorio
de la escuela.
Debido a la sencillez del equipo, no se incluye en este trabajo un manual de
operación, las instrucciones para su manejo se encuentran en el procedimiento
experimental.
Junto a este documento se incluye material en forma digital con información de
utilidad así como una hoja de cálculo de Microsoft Excel, con el fin de facilitar la obtención
de resultados durante la práctica de laboratorio propuesta.
CAPITULO 2
ELECTRODEPOSICIÓN
Cumplamos la tarea de vivir de tal modo que cuando
muramos, incluso el de la funeraria lo sienta.
Mark Twain
2.1. Principios
La electrodeposición es un proceso donde un objeto, usualmente metálico, es
revestido con una o más capas relativamente delgadas de algún otro metal; es necesaria
cuando las superficies de los metales seleccionados no poseen las características
estructurales requeridas, además, se utiliza para proteger objetos contra la corrosión y para
mejorar su apariencia. [Scott, 1979]
En electrodeposición, una corriente eléctrica es usada para remover del metal
(ánodo) partículas cargadas positivamente, éstas pasan a través de una solución y se
depositan sobre un objeto (cátodo), el cual está cargado negativamente. Para ello, en un
baño químico se colocan el metal a usar como revestimiento y el objeto a recubrir, los
átomos de metal del ánodo se convierten en iones, se desprenden y pasan a la solución de
recubrimiento cuando se hace circular corriente eléctrica. Los iones del metal se dirigen de
la superficie del ánodo a la del cátodo, donde se depositan de manera uniforme. [Untracht,
1975]
El diseño del proceso para revestimiento metálico presenta tres limitaciones, las
superficies a ser revestidas deben ser humedecidas por todas las soluciones y enjuagadas en
secuencia; deben hacer contacto eléctrico sin provocar defectos en las piezas, y la cantidad
de metal depositado sobre una superficie debe ser proporcional a la corriente que fluye por
ella. [Blum, 1958]
El espesor del recubrimiento de las capas puede oscilar desde el orden de los
micrómetros hasta fracciones de milímetro. Actualmente, los métodos de medición de
espesores son muy avanzados por lo que el espesor promedio de las capas depositadas es
controlado de manera efectiva. De esta forma, los espesores pequeños se utilizan para
proteger contra la corrosión el metal base, aumentar la resistencia al desgaste, obtener
acabados reflectores de calor o simplemente para decorar. [Blum, 1958]
3
Capítulo 2: Electrodeposición
4
2.1.1. Ley de Faraday
El principio fundamental de la electrólisis es conocido como Ley de Faraday, la cual
dice que la cantidad de cualquier elemento liberado a un electrodo durante la electrólisis es
proporcional a la cantidad de electricidad que pasa a través de la solución. En otras
palabras, la cantidad de los diferentes elementos o radicales liberados por la misma
cantidad de electricidad es proporcional a los pesos equivalentes. [Blum, 1958]
De esta forma, la masa m de un elemento liberado en la electrólisis es proporcional
a la corriente i y al tiempo t, la constante de proporcionalidad es el equivalente
electroquímico e, tal como se presenta en la ecuación 2.1. [Gabe, 1972]
m = e∗i ∗t
2.1
El cuadro 2.1 lista los equivalentes electroquímicos de algunos metales con los
cuales se pueden obtener deposiciones teóricas. Durante los procesos de electrólisis todos
los iones en solución llevan corriente y la contribución de un ión individual depende de su
concentración y movilidad. [Gabe, 1972]
La consecuencia más importante de la Ley de Faraday está relacionada con la
economía del consumo de electricidad durante la electrodeposición. Es más económico
depositar un metal que existe en estado de valencia dos, o menor, que los que tienen altos
estados de valencia, por ejemplo, el cromo se deposita en su estado hexavalente en
soluciones de ácido crómico en cantidades de 0,0898 mg/C, si fuera posible hacer
soluciones con cromo divalente la cantidad depositada sería 0,2694 mg/C, sin embargo esto
no es posible realizarlo a escalas comerciales. [Gabe, 1972]
2.2. Componentes de la electrodeposición
2.2.1. El electrolito
El electrolito es el medio que conduce la corriente eléctrica por medio de los iones,
esto usualmente es una sustancia que aumenta la concentración de los iones en disolución
de un solvente (una sal fundida puede también actuar como un electrolito). La electricidad
Capítulo 2: Electrodeposición
5
es conducida en el electrolito por iones cargados producto de la electrólisis que se da en los
electrodos. Esto es resultado de los iones cargados positivamente que son atraídos por el
cátodo cargado negativamente mientras que los iones con carga negativa viajan hacia el
ánodo cargado positivamente. Si más de un ión de carga positiva está presente muchas
reacciones pueden ser posibles en el cátodo, pero usualmente sólo un producto de
electrólisis tiene lugar. Cada reacción del electrodo toma lugar a un voltaje específico y el
ion más positivo del metal puede depositarse en el cátodo. [Mohler, 1951]
Cuadro 2.1.
Elemento
Aluminio
Cadmio
Cinc
Cobalto
Cobre
Cromo
Estaño
Hierro
Manganeso
Níquel
Oro
Plata
Platino
Plomo
Equivalentes electroquímicos. [Graham, 1962]
Equivalente
Equivalente
Peso
Valencia
Químico
electroquímico
atómico
(g/F)
(g/mol)
(mg/C)
(g/A hr)
26,97
3
8,99
0,0932
0,3353
112,4
2
56,2
0,5824
2,097
65,38
2
32,69
0,3387
1,2195
58,94
2
29,47
0,3054
1,099
63,57
2
31,79
0,3294
1,186
1
63,57
0,6588
2,372
52,01
6
8,67
0,0898
0,323
3
17,34
0,1796
0,646
118,7
4
29,7
0,3075
1,1070
2
59,4
0,6150
2,2141
55,84
2
27,92
0,2893
1,042
54,93
2
27,47
0,2846
1,0246
58,69
2
29,35
0,3041
1,095
197,2
3
65,7
0,6812
2,4522
1
197,2
2,0435
7,3567
107,88
1
107,88
1,1179
4,0245
195,23
4
48,81
0,5058
1,8208
2
97,62
1,0115
3,6416
207,2
2
103,6
1,074
3,865
Cualquier líquido o solución que contenga iones puede ser usada como un
electrolito. La gran mayoría de los electrolitos comerciales usan agua como solvente y son
llamados electrolitos acuosos. Las sales fundidas, las cuales son una clase de electrolitos no
acuosos, tienen grandes usos en la producción electrolítica de metales como sodio,
magnesio o aluminio, otro tipo de electrolitos no acuosos son soluciones en solventes
Capítulo 2: Electrodeposición
6
orgánicos, estos han sido usados para electrodeposiciones experimentales de aluminio. El
gran uso del agua como solvente en la industria de la electrodeposición se debe a su bajo
costo, abundancia y al hecho de que prácticamente todas las sales más comunes usadas en
el proceso son muy solubles en ella. [Mohler, 1951]
2.2.2. El ánodo
La reacción que toma lugar en el ánodo es casi independiente de la reacción que
ocurre en el cátodo. La posición de los ánodos, como es de esperar, tiene gran relación con
la distribución de la corriente en el cátodo, pero los ánodos usualmente, operan mejor en un
intervalo de densidades de corriente que pueden ser variadas independientemente de la
densidad de corriente del cátodo haciendo un cambio en el área del ánodo. [Mohler, 1951]
Los ánodos solubles son los preferidos en el proceso de electrodeposición y el
comportamiento de ellos juega un papel importante para que el proceso se lleve a cabo de
manera satisfactoria. Los ánodos solubles ideales cumplen con características como
disolución fluida y uniforme bajo la influencia única de corriente; formación mínima de
lodos, y máxima pureza a costos aceptables. [Gabe, 1972]
Los ánodos insolubles son usados cuando la deposición del metal no está disponible
en la forma de fabricación y combinación con ánodos solubles o cuando la eficiencia de
corriente en el cátodo es marcadamente menor que la del ánodo soluble. [Gabe, 1972]
2.2.3. El cátodo
Las electrodeposiciones toman lugar en el cátodo; es más sencillo seguir la reacción
en el cátodo por el conocimiento de la cantidad de corriente que éste recibe. Si además se
conoce la distribución de corriente en el cátodo, es posible obtener una idea de cómo
quedaría recubierta la pieza con el metal, se podría pronosticar el tiempo que se requiere
para alcanzar el espesor deseado y cómo cambiaría el espesor de la pieza en función del
área. [Mohler, 1951]
Sin embargo, no es fácil realizar predicciones exactas referentes a dicha
distribución. En la práctica, la cantidad de corriente es controlada y se permite su flujo
durante un periodo de tiempo definido, después de esto, se procede a medir el espesor del
Capítulo 2: Electrodeposición
7
metal depositado. Cuando se obtienen distribuciones no deseadas del metal, es posible
realizar ajustes ya sea en la posición de la pieza o del ánodo. Algunas veces, el control
químico del electrolito puede mejorar la distribución del metal. La corriente que se permite
que fluya al cátodo es proporcional al área a recubrir, de manera tal que se expresa como
densidad de corriente, esto es, cantidad de corriente por unidad de área. [Mohler, 1951]
2.2.4. El potencial de equilibrio
La serie de potenciales de reacciones electroquímicas se muestra en el cuadro 2.2.
Esta serie también ha sido llamada Serie Electroquímica o Serie de las Fuerzas
Electromotrices de los Elementos. Esta serie es un buen punto de referencia para llevar a
cabo cualquier cálculo referente a electrodeposición, sin embargo, puede conllevar a
grandes errores si se utiliza como única guía. Estos potenciales son potenciales de
equilibrio y fueron medidos para condiciones donde no hay flujo de corriente, para
cantidades definidas de sal disueltas y a temperatura estándar para poder obtener datos
comparables. [Mohler, 1951]
Cuadro 2.2.
Ion
Au3+
Pt2+
Pd2+
Ag+
Hg2+
Cu+
Cu2+
H+
Pb2+
Sn2+
Ni2+
Co2+
In3+
Cd2+
Fe2+
Ga3+
Serie de potenciales electroquímicos normales. [Bockris, 2003]
Potencial
Potencial
Ion
E0
E0
(V)
(V)
+1,70
Cr3+
-0,71
+1,20
Zn2+
-0,76
+0,83
Mn2+
-1,05
+0,80
V2+
-1,50
+0,80
Al3+
-1,66
+0,52
Be2+
-1,70
2+
+0,34
Ti
-1,75
0,00
Mg2+
-2,38
-0,13
Na+
-2,71
-0,14
Ca2+
-2,84
-0,23
Sr2+
-2,89
-0,27
Ba2+
-2,92
+
-0,34
K
-2,92
-0,40
Cs+
-2,92
+
-0,44
Rb
-2,98
-0,52
Li+
-3,01
Capítulo 2: Electrodeposición
8
2.2.5. El potencial de deposición
Cuando el potencial es medido bajo condiciones dinámicas, durante la
electrodeposición, se le conoce como potencial de deposición. Este potencial varía con la
concentración de los iones metálicos en el baño y se ve sumamente afectado por la
densidad de corriente. Cuando se incrementa la densidad de corriente, la polarización
(fuerza inducida que tiende a resistir el flujo de corriente) en el electrodo aumenta,
resultando condiciones favorables para la deposición de metales ubicados en la parte
inferior de la escala electroquímica. De esta forma, para el estudio del mecanismo de
electrodeposición es necesaria la medición de los potenciales de deposición. [Mohler, 1951]
2.3. Aplicaciones de la electrodeposición
La electrodeposición ornamental es el uso más tempranamente dado al proceso en
cuestión. Actualmente, se encuentra aplicada en accesorios eléctricos, de ferretería y en
partes de automóviles. Los objetos revestidos metálicamente son de bajo costo. Algunas
aplicaciones son puramente económicas, por ejemplo, los revestimientos contra la
corrosión usando metales como cinc, plomo o estaño que se hacen sobre hojas de metal,
aseguran la suficiente vida útil bajo condiciones de exposición a la humedad,
descomposición por los diferentes agentes atmosféricos o líquidos corrosivos y presenta la
ventaja de utilizar materiales poco costosos. Por ser un proceso versátil, las aplicaciones
cada vez son más novedosas [Mohler, 1951]
La electrodeposición también es empleada cuando se favorece realizar trabajo por
medio de este proceso que por cualquier otro medio. Estas aplicaciones incluyen la
protección de ciertas partes en maquinarias pesadas, en materiales de construcción gastados
o rotos, contactos eléctricos y en revestimientos selectivos para carburizar. Además, es una
conveniente herramienta de investigación. Se puede obtener una alta pureza de metales por
este medio y esto es usado como base para el estudio de metales puros, difusión y
resistencia a la corrosión. El proceso produce depósitos delgados y uniformes a bajas
temperaturas y los depósitos pueden ser elaborados rápidamente haciendo uso de pequeños
equipos. [Mohler, 1951]
CAPITULO 3
CARACTERÍSTICAS GENERALES
Para amasar una fortuna hay que hacer harina a los demás.
Manolito (Kino)
3.1. Composición de los baños de electrodeposición
3.1.1. Tipos de baños
Se clasifican en tres tipos a saber: ácidos, neutros y alcalinos. Los ejemplos más
conocidos de baños ácidos son los de cobre ácido y de cromo, los baños neutros más usados
son los de níquel, y los baños alcalinos más importantes son los cianurados. [Gray, 1953]
Los baños ácidos pueden ser simples o complejos. En los baños simples el metal se
mantiene como un catión solvatado, los más comunes son los sulfatos, fluoboratos y
sulfamatos. Su escogencia está principalmente determinada por la respectiva solubilidad de
la sal del metal involucrado. En caso de solubilidades similares, entra en juego la densidad
de corriente deseada. En los baños complejos el metal está presente como un anión y la
deposición catódica se da en una etapa intermedia o película catódica. El ejemplo más
típico es el baño de ácido crómico. [Gabe, 1972]
Los baños alcalinos más importantes son las soluciones cianuradas de oro, plata,
cobre, cinc, latón y cadmio. Otros baños utilizados son los pirofosfatos. [Gray, 1953]
3.1.2. Agentes de adición
Una amplia investigación industrial ha desencadenado el uso de una gran variedad
de aditivos utilizados comercialmente para conseguir acabados determinados. Éstos se
clasifican en tres grupos principales a saber: abrillantadores, niveladores y modificadores
estructurales. [Pletcher, 1984]
Los abrillantadores se encargan de refinar los granos, su adsorción aleatoria produce
una superficie lisa que se encarga de suprimir las diferencias cristalográficas. Se clasifican
en primarios si en su estructura poseen compuestos aromáticos sulfonados, y secundarios si
poseen enlaces múltiples con nitrógeno, azufre u oxígeno. [Milad, 2005]
9
Capítulo 3: Características Generales
10
Los niveladores son inhibidores presentes a muy bajas concentraciones en el
electrolito, se encargan de producir un depósito nivelado. En ausencia de niveladores, los
iones se difunden más rápidamente en los picos que en los valles de la superficie metálica,
produciendo un depósito no uniforme. Con una buena agitación, el nivelador se acumula en
los picos impidiendo el crecimiento y la deposición, en los valles se da un crecimiento más
rápido del depósito permitiendo que alcancen a los picos y creando la nivelación. Los
modificadores estructurales incrementan la resistencia a la polarización y son supresores de
corriente, esto ocasiona un incremento del espesor efectivo en el depósito, resulta en una
mejor orientación del enrejado y una estructura de grano más organizada. [Milad, 2005]
Los agentes humectantes son un tipo de aditivo no clasificado como tal, su función
es la de acelerar la liberación de gas hidrógeno en burbujas, evitando el piqueteo.
3.2. El mecanismo de electrodeposición
El mecanismo de electrodeposición no ha logrado ser definido de una forma
satisfactoria hasta el momento. Sobresalen dos teorías que explican la manera en que un
catión disuelto se combina con un electrón del cátodo para formar un átomo del metal. De
acuerdo con una teoría, el ion es neutralizado y descargado en algún punto de la superficie
del cátodo y llena un espacio existente dentro del enrejado de metal depositado. Si no existe
este punto al alcance de un ion en particular tal que el potencial disponible sea el adecuado
para ocasionar la descarga del ion, un núcleo de un nuevo cristal es formado. Esta teoría
postula un potencial ligeramente más bajo para hacer crecer un cristal existente que para
iniciar uno nuevo. De acuerdo con la otra teoría, los iones son neutralizados y descargados
aleatoriamente en la superficie del cátodo y luego los átomos se orientan ellos mismos
dentro del espacio enrejado y el tamaño de cristal característicos del metal. En esta teoría se
supone que los átomos de metal descargados tienen una apreciable movilidad inicial. [Gray,
1953]
3.3. Distribución de corriente y de depósito metálico
Con excepción de unos pocos arreglos geométricos y sistemas, la distribución
uniforme de corriente en la superficie completa del electrodo no es alcanzable. Así, la
Capítulo 3: Características Generales
11
distribución del metal depende de la distribución de corriente y de la respectiva eficiencia
catódica a determinada densidad de corriente. De esta forma, la distribución de corriente
real es el resultado principalmente de la distribución de corriente primaria y de la
polarización. La distribución de corriente primaria es función de la forma y dimensiones del
sistema. En la mayoría de los casos, estas variables tienen efectos mucho mayores que la
polarización, por lo tanto, para efectos prácticos, éstas llegan a determinar la distribución de
corriente en el sistema. [Gray, 1953]
La polarización es el resultado de una condición dinámica en el cátodo debida a
cambios en la concentración de los iones, como consecuencia, se induce una fuerza que
tiende a resistir el flujo de corriente. Esta fuerza puede medirse como voltaje y se le llama
polarización. [Mohler, 1951]
Algunas de las principales características de los baños que se ven afectadas por la
distribución de corriente son el poder de distribución (la habilidad de depositar una capa
metálica de espesor lo más uniforme posible sobre la superficie del cátodo), el poder de
recubrimiento y el intervalo de electrodeposición. [Gray, 1953]
3.4. Propiedades de los electrodepósitos
3.4.1. Espesor
El espesor de los recubrimientos de electrodeposición es el factor más importante
relacionado con el desgaste y la corrosión del material. Es determinada en términos de
espesor mínimo en superficies que están expuestas a la abrasión y la corrosión. Hay dos
formas de expresarlo: como espesor promedio o como espesor local. [Gray, 1953]
Los métodos para medir espesor local se basan en la medición lineal directa de la
capa, estos incluyen el uso del micrómetro y del microscopio. Comúnmente, el espesor
promedio T se calcula estimando la masa del depósito m por unidad de área medida A y la
densidad del metal depositado ρ, utilizando la siguiente ecuación:
T=
m ∗ 10
A∗ ρ
3.1
Capítulo 3: Características Generales
12
Los métodos que se basan en la masa por unidad de área para sus mediciones son el
dispersor beta, el coulométrico, el gravimétrico y los rayos-X. El método magnético y el de
corriente-eddy comparan las propiedades magnéticas y eléctricas del material base y del
depósito a calibraciones estándar con propiedades similares. El método de la gota está
basado en la razón de ataque de ciertas soluciones químicas. [Sajdera, 2001]
El uso de un método u otro depende tanto de las características del depósito así
como de la precisión deseada y el valor económico de la prueba. [Gray, 1953]
3.4.2. Adhesión
La adhesión de una capa electrodepositada se considera pobre si ésta es desprendida
cuando se aplica una tensión, por ejemplo, por deformación, cambio de temperatura o
corrosión en el metal base a través de sus poros. La pobre adhesión es provocada por
factores como la presencia de un material extraño entre la capa y el metal base, defectos en
el metal depositado o una capa débil en la superficie del metal base o en la deposición
inicial. Los métodos más utilizados para la determinación de la adhesión en capas
electrodepositadas son el método de Jaquet y el método de Ollard. [Gray, 1953]
3.4.3. Valor de protección
En muchos casos las capas electrodepositadas son aplicadas porque éstas tienen
propiedades diferentes al metal base, especialmente gran resistencia a la abrasión o a la
corrosión. Aún cuando la apariencia es una consideración primaria, la protección contra la
corrosión es también significativa. [Gray, 1953]
3.4.4. Medición de propiedades físicas de electrodepósitos
Uno de los aspectos más importantes de la electrodeposición es el hecho que al
cambiar las condiciones de deposición para determinado metal, se dan grandes variaciones
en la estructura y propiedades del depósito. Es importante conocer estos cambios no sólo
para alcanzar los resultados deseados sino también para evitar depósitos con propiedades
indeseadas. [Gray, 1953]
Capítulo 3: Características Generales
13
Las propiedades físicas más importantes que deben ser medidas son la tensión,
dureza, poder reflectivo y brillo. En general, para un metal determinado, la fuerza de
tensión se incrementa a medida que decrece el tamaño del cristal. La dureza puede ser
medida de distintas formas y con distintas escalas, siendo las más utilizadas la dureza
Brinell y la Vickers. La reflectividad de un metal depende de la longitud de onda de la luz,
siendo las mediciones más importantes las que se efectúan en el espectro visible. El brillo
es expresado como la relación entre la reflectancia especular y la difusional. [Gray, 1953]
3.5. Estructura de los electrodepósitos
3.5.1. Naturaleza de los depósitos
Los factores más importantes para evaluar la naturaleza de un depósito son la
cristalinidad, el tamaño del grano, la orientación, la tensión, la dureza y la recristalización.
Los electrodepósitos son cristalinos, los metales depositados tienen las características
típicas de los cristales: gran dureza, baja ductilidad, gran anisotropía, tamaños de grano
finos. Algunos factores que afectan la estructura cristalina de los electrodepósitos son la
composición del baño, la densidad de corriente, el grado de agitación, la temperatura, la
presencia de agentes extraños, la geometría y la estructura del sustrato. [Gray, 1953]
Los metales electrodepositados pueden poseer tamaños de grano tan grandes que
pueden ser vistos a simple vista o tan pequeños hasta el orden de 50 Å (50 x 10-10 m) de
sección transversal. La orientación de los cristales depende de factores como las
condiciones físicas y composición del sustrato, densidad de corriente y presencia de
coloides. La tendencia de un electrodepósito de ondularse o pelarse fuera del metal base, de
quebrarse o de pandearse y la presencia de rasgaduras en la estructura del cristal son todas
evidencias de tensión. Los metales electrodepositados usualmente poseen valores de dureza
considerablemente mayores que los metales templados. La dureza depende de factores tales
como la densidad de corriente, la temperatura, la presencia de agentes extraños y aditivos,
la naturaleza de la solución (simple o compleja) y la presencia de varios aniones o cationes.
[Gray, 1953]
Capítulo 3: Características Generales
14
Debido al pequeño tamaño de los granos de metales electrodepositados, la
recristalización usualmente produce granos pequeños equidistantes donde el tamaño
original del grano tiene una gran influencia. [Mohler, 1951]
3.5.2. Factores que afectan los depósitos
Pueden ser de dos tipos: factores físicos o factores electroquímicos. Entre los
factores físicos están el efecto del sustrato, la agitación y la temperatura. Los factores
electroquímicos más importantes son el tipo de solución y la densidad de corriente.
El sustrato o el metal base en el que otro metal es depositado afecta el carácter
geométrico y cristalográfico del depósito. Además, el tipo de pulido del metal base afecta la
resistencia a la corrosión de la capa de metal depositada. La carencia de uniformidad del
metal base también puede provocar la aparición de piqueteo en la capa depositada. En
general, cualquier condición que incremente el suministro de iones disponibles para la
descarga en el cátodo favorece el aumento del tamaño del cristal. Por lo tanto, para una
densidad de corriente constante, la agitación favorece la formación de cristales más
grandes, de igual manera, el incremento de temperatura tendrá el mismo efecto. [Blum,
1958]
El tipo de solución y la densidad de corriente afectan principalmente el tamaño del
grano. Los metales depositados de soluciones de iones complejos usualmente poseen
granos muy finos. Por otra parte, el aumento de la densidad de corriente favorece una
disminución en el tamaño del grano. [Blum, 1958]
3.5.3. Depósitos brillantes
La expresión depósito brillante se refiere a aquel que posee alta reflexión especular
y baja reflexión difusional, y no se refiere a la cantidad total de luz reflejada. Son
esencialmente depósitos con superficies planas. Muchos abrillantadores, especialmente los
de tipo orgánico, contienen sustancias polares, o pueden ser reducidas a sustancias más
simples que son absorbidas en el electrodepósito provocando la formación de estructuras
del tipo de bandas, presentes en los materiales brillantes. [Gray, 1953]
CAPITULO 4
MÉTODOS DE CONTROL
No basta saber, se debe también aplicar; no es suficiente
querer, se debe también hacer.
Johann Wolfgang von Goethe
4.1. Control del electrolito
El electrolito debe ser controlado para mantener un desempeño deseado del baño y
la calidad de los depósitos. Usualmente las propiedades más importantes a controlar son el
pH y la tensión superficial, y para lograrlo se han desarrollado diferentes métodos y
pruebas, la mayoría estandarizadas.
4.1.1. Medición de pH
La mayoría de los baños más comunes, en especial los alcalinos, poseen suficiente
acción amortiguadora para que las mediciones de pH se encuentren siempre en el intervalo
usualmente satisfactorio. Los métodos para la medición del pH se dividen en dos clases, el
método colorimétrico o de indicador y el método electrométrico. [Gray, 1953]
La mayoría de los baños operan a un intervalo óptimo de pH encontrado
empíricamente. Si la concentración de ión hidronio no es controlada apropiadamente, el
baño puede no operar con la eficiencia óptima, o las propiedades físicas del depósito se
pueden ver afectadas. [Gray, 1953]
4.1.2. Medición de tensión superficial
El incremento en el uso de agentes humectantes en las soluciones de
electrodeposición hace importante en muchos casos la medición y el control de la tensión
superficial. El método más utilizado para determinar la tensión superficial de un líquido
consiste en medir la altura a que se eleva en un tubo capilar y compararla con un líquido de
referencia. Un procedimiento más simple y conveniente es el método del peso de gota, en el
cual la tensión superficial es medida por el tamaño de una gota que cae desde un orificio
anular. Otros métodos utilizados hacen uso de un tensiómetro. [Gray, 1953]
15
Capítulo 4: Métodos de Control
16
4.1.3. Medición de otras propiedades importantes
Otras mediciones importantes para el control del baño son las de conductividad, de
hidrometría y de polarización. Debido a que los baños de electrodeposición son soluciones
de alta conductividad, el conocimiento de esta propiedad es importante para una operación
eficiente. [Gray, 1953]
Una de las pruebas más simples que se puede aplicar a soluciones de
electrodeposición es la medición de la gravedad específica con un hidrómetro. Esta prueba
puede indicar si la solución se encuentra dentro de los límites requeridos de concentración,
si ha ocurrido estratificación o mezcla incompleta, entre otras cosas. [Gray, 1953]
4.2. Control del depósito
El electrodepósito se controla para verificar el desempeño del baño y las
características finales de los depósitos. Se realizan pruebas de laboratorio para determinar
sus propiedades físicas y químicas, y se determina cualquier irregularidad, las pruebas más
utilizadas son el uso de la celda de Hull y equipo de medición.
4.2.1. Propiedades físicas
Algunas de las propiedades físicas más importantes para el control del depósito son
la retención de hidrógeno, la fuerza de tensión, la ductilidad y la tensión.
La retensión de hidrógeno debe ser minimizada siempre que sea posible. La forma
más fácil de lograr esto es con agitación en el baño.La fuerza de tensión es una medida de
la fuerza requerida para desprender el metal depositado del metal base. Esta propiedad es
una indicación importante de la cantidad de distorsión que puede soportar el depósito antes
de que se presente fractura. La ductilidad en un depósito es de gran importancia en caso que
la placa esté sujeta a deformación o a operaciones de trabajo en maquinaria. [Gray, 1953]
La tensión interna en los metales electrodepositados tiene un gran efecto en la
calidad de la placa. Dicha tensión puede ser afectada por la temperatura, el pH, la densidad
de corriente, los agentes de adición o impurezas presentes en el baño. El resultado puede
ser una fuerza de tensión o de compresión que es capaz de afectar la adhesión, continuidad
o corrosión característica del depósito. [Gray, 1953]
Capítulo 4: Métodos de Control
17
4.2.2. Celda de Hull
La celda de Hull es el dispositivo más utilizado para el control empírico de
propiedades de un baño de electrodeposición. Debido a que abarca un extenso intervalo de
densidad de corriente por encima y por debajo de la que es usada en operaciones normales,
muchas dificultades en el baño pueden ser previstas antes que sus efectos se presenten en la
producción. Los factores típicos que se pueden controlar con la celda de Hull son los
agentes de adición, los productos de descomposición, impurezas del baño, pH y
composición del baño. Cada tipo de baño de electrodeposición presenta diferentes
características que deben ser estudiadas para un control adecuado. En cualquier caso
práctico, es aconsejable obtener placas estándar para todas las variables importantes del
baño con el propósito de familiarizarse con la apariencia típica del electrodepósito. Dicho
conjunto de placas estándar sirve como referencia de control. [Glayman, 1969]
Debido al arreglo geométrico del cátodo, se obtiene un amplio intervalo de densidad
de corriente, la idea es utilizar un aparato con el que se produce un depósito electrolítico
con una densidad de corriente que varía de una forma continua de una punta a otra del
cátodo. Así, con un solo ensayo se llega a sustituir toda una serie de experimentos. [Hull,
1939]
La celda de Hull tiene la forma mostrada en la figura 4.1, tiene un volumen de 267
mL de solución, de tal forma que al hacer adiciones a este volumen, 2 g equivalen a 1
oz/gal. El ánodo es colocado sobre la cara AB, mientras que el cátodo se dispone sobre la
cara CD. El punto D es el que está expuesto al máximo de corriente, mientras que el punto
C está expuesto al mínimo de corriente. Cuando es necesario evitar polarización excesiva,
se utiliza un ánodo corrugado o una gasa de alambre. El tiempo de deposición y la corriente
usada dependen del tipo de baño que va a ser examinado. Si se presentan problemas
después de una prueba, se deben realizar las correcciones en una pequeña porción del baño
y realizar una segunda prueba. Si el baño es agitado en la práctica, debe aplicarse agitación
media con una varilla de agitación durante la prueba. [Glayman, 1969]
Capítulo 4: Métodos de Control
Figura 4.1.
18
Celda de Hull estándar (dimensiones en mm). [Glayman, 1969]
4.2.3. Otras pruebas de control
La prueba del cátodo de Bent es una prueba de electrodeposición rápida y simple
con la cual se puede saber si el baño está operando a una eficiencia máxima, si se están
acumulando impurezas en el baño y otros inconvenientes que contribuyen a una pobre
deposición. [Gray, 1953]
La celda de Haring-Blum se utiliza para determinar el poder de distribución. Ésta
celda consiste de un arreglo muy simple donde dos cátodos se sitúan a los extremos del
ánodo, cada uno a distancias distintas; mediante una relación entre las distancias y el peso
de los depósitos obtenidos se calcula el poder de distribución. [Pletcher, 1984]
CAPITULO 5
LOS BAÑOS DE ELECTRODEPOSICIÓN
La felicidad no está en la ciencia, sino en la adquisición de la
ciencia.
Edgar Allan Poe
5.1. El baño de cobre
Entre los tipos de baño de cobre más utilizados se encuentran el de cianuro, esencial
en la aplicación de capas de activación y en menor medida en la obtención de capas de
cobre delgadas; el de pirofosfato, utilizado principalmente en el electroformado e impresión
de circuitos; el de fluoborato, que permite el uso de altas densidades de corriente, y el de
sulfato, el cual es el objeto de estudio. [Barauskas, 2001]
5.1.1. Baño de sulfato de cobre
Los baños de sulfato de cobre son económicos de preparar, operar y disponer de los
desechos. Éstos son usados en impresión de circuitos, electrónica, semiconductores,
rotogravado, electroformado, cobreado decorativo y sobre plásticos. La química de la
solución es simple, con sulfato de cobre y ácido sulfúrico formando especies ionizadas en
solución. Los baños son muy conductivos. [Barauskas, 2001]
Las sales de cobre en solución son altamente ionizadas excepto pequeñas cantidades
de sales complejas formadas por la adición de agentes específicos. Debido a la alta
conductividad de las soluciones comerciales y a la baja polarización de los electrodos, los
voltajes requeridos para la deposición de cobre son más bajos que en los baños alcalinos.
[Gray, 1953]
Las eficiencias en los cátodos y ánodos son muy cercanas al 100%, de tal forma que
el carácter de los depósitos de cobre es influenciado por la concentración de las sales de
cobre, la concentración de ácido libre, la temperatura, la densidad de corriente catódica y la
naturaleza y grado de agitación. Depósitos densos con buena suavidad de superficie y
espesores de hasta 0,50 mm o más, pueden ser producidos sin la necesidad de aditivos. Para
obtener depósitos duros o brillantes, se deben utilizar agentes de adición. [Gray, 1953]
19
Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición
20
5.1.1.1.Funciones de los constituyentes del baño
El sulfato de cobre es la fuente de iones de cobre en la solución. Debido a que las
eficiencias catódicas y anódicas son muy cercanas al 100%, los ánodos sustituyen los iones
de cobre depositados de tal forma que su concentración se mantiene muy estable en la
solución. El ácido sulfúrico incrementa la conductividad de la solución y reduce la
polarización, además previene la precipitación de sales básicas y mejora el poder de
esparcimiento, evita la formación de óxidos de cobre y disminuye la resistencia óhmica de
la solución. En baños brillantes, los iones cloruro reducen la polarización anódica y
eliminan depósitos imperfectos en áreas de alta densidad de corriente. [Barauskas, 2001]
Las formulaciones típicas de los baños de sulfato de cobre se presentan en los
cuadros D.1 y D.2 del apéndice D. La concentración de CuSO4·5H2O varía entre 150 y 250
g/L, mientras que la concentración de H2SO4 varía entre 30 y 75 g/L.
Los aditivos se adicionan para aumentar el brillo, la dureza, el refinamiento de los
granos, la suavidad de la superficie y la densidad de corriente limitante, sin embargo, su
uso debe ser evaluado para cada aplicación para evitar características indeseadas.
Generalmente los aditivos son niveladores y abrillantadores, sus concentraciones varían
entre 0,01 a 0,05 g/L y 0,1 a 1,0 g/L respectivamente. Entre los más utilizados están la
gelatina, melaza, dextrina, glucosa y pegamento, su exceso en el baño ocasiona porosidades
o inclusiones orgánicas en el depósito. La glucosa y la glicerina forman depósitos rojizos,
mientras que con el pegamento y la gelatina se obtienen depósitos oscuros. El agente
nivelador más empleado es la tioúrea, la cual en combinación con melazas oscuras logra
acabados muy brillantes. Otros agentes de adición utilizados son el ácido fenilsulfónico,
peptona, pirogalol, almidón, dimetilanilina, ácido láctico, goma arábica, hidroquinona,
quinona, ácido sulfosalicílico, hidroxilamina, ácido benzoico, tanina, resorcinol,
triisopropanolamina, trietanolamina y óxidos de selenio y arsénico. Sus efectos están
asociados con la formación de iones complejos o de coloides cerca del cátodo.
5.1.1.2.Condiciones de operación
Las condiciones de operación típicas de los baños de sulfato de cobre se presentan
en los cuadros D.1 y D.2 del apéndice D.
Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición
21
En la práctica, las temperaturas varían entre 15 y 60 ºC, siendo lo más común entre
25 y 40 ºC ya que así la temperatura se puede mantener sin la necesidad de calentamiento o
enfriamiento, aunque en la producción continua la temperatura del baño aumenta durante el
proceso y en algunos casos se requiere de enfriamiento. El incremento de la temperatura
resulta en una mayor conductividad y disminución en la polarización. Si la temperatura es
muy baja, la eficiencia catódica y el intervalo de deposición se ven reducidos.
La densidad de corriente catódica debe estar entre 1 y 12 A/dm2, si es muy alta
puede ocasionar que el ánodo pierda su capa protectora de color negro y producir depósitos
rugosos; si es muy baja, se puede presentar una reducción del poder de esparcimiento. El
voltaje no debe ser mayor a 6 V. [Barauskas, 2001]
Se recomienda agitar el baño, la cual puede ser por aire, mecánica o rotacional. Ésta
debe ser balanceada para obtener depósitos con las propiedades y características deseadas.
5.1.1.3.Propiedades físicas del depósito
Los cambios en la concentración de ácido sulfúrico o de sulfato de cobre tienen muy
poco efecto en la dureza o la ductilidad del depósito. Mientras que un incremento en la
temperatura o en la densidad de corriente resulta en una reducción significativa de la fuerza
de tensión y en la obtención de depósitos más duros y brillantes ya que se mejora el poder
de esparcimiento del baño. Los depósitos de cobre realizados con baños ácidos presentan
menos tensión que los realizados con baños cianurado y ésta aumenta cuando se adhieren
aditivos orgánicos. [Gray, 1953]
5.1.1.4.Mantenimiento y control
La composición del baño bajo condiciones normales de operación requiere de
ajustes ocasionales. Si la deposición en los baños de sulfato es anormalmente baja, la
concentración de cobre debe aumentarse gradualmente. El control de la concentración
puede darse fácilmente midiendo la gravedad específica y determinando la concentración
de ácido. Una manera más exacta de determinar la composición de los constituyentes del
baño es mediante su análisis químico, en el apéndice E se presenta una de las varias
maneras para llevar a cabo dichos análisis.
Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición
22
5.1.1.5.Ánodos
Barras moldeadas o enrolladas, o láminas de cobre electrolítico pueden ser
utilizadas como ánodos. Sin embargo, se prefieren las barras enrolladas de cobre. No se
requiere una gran pureza ya que la mayoría de las impurezas presentes en los ánodos no se
adhieren al depósito.
5.1.1.6.Equipo
Los tanques de plomo son los más satisfactorios para contener los baños de sulfato
de cobre, sin embargo, se prefieren los tanques de acero revestidos de caucho o de plástico
sintético ya que el forro metálico puede actuar como un electrodo bipolar y robar corriente
de áreas significativas durante el proceso. Las cubiertas sintéticas que funcionan mejor con
los baños ácidos de sulfato son el caucho natural, el etileno polimerizado y los polímeros de
cloruro de vinilo como el PVC. Otro material muy utilizado es la cerámica. Las líneas de
aire pueden ser de caucho duro o de PVC. [Gray, 1953]
5.1.1.7.Contaminantes
Los contaminantes orgánicos son los más comunes en electrodeposición de cobre
ácido, éstos afectan negativamente la apariencia y las propiedades físicas del depósito. Una
coloración verde indica una presencia significativa de contaminantes orgánicos, la forma
más fácil de remover las impurezas orgánicas es mediante tratamiento con carbón activado,
se debe prever que dicho carbón esté designado para usar en baños de alta acidez y se
deben evitar los filtros de celulosa. [Barauskas, 2001]
5.1.1.8.Preparación del metal base
El metal base debe encontrarse libre de cualquier suciedad e imperfección. La
secuencia de preparación abarca los siguientes pasos: limpieza abrasiva, enjuague,
inmersión ácida, enjuague, inmersión alcalina, capa de activación, enjuague, inmersión
ácida y enjuague. [Yokoi, 1992]
Todos los enjuagues se realizan con agua destilada limpia preferiblemente en
movimiento. La inmersión ácida se realiza con una solución de ácido clorhídrico o
Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición
23
sulfúrico concentrados con una concentración de 1 a 5% en peso, en caso de usar ácido
sulfúrico, la solución debe tener una temperatura superior a los 30 ºC. El último enjuague
se lleva a cabo antes de la electrodeposición en el baño ácido. [Yokoi, 1992]
5.1.2. Normalización
Según se muestra en el anexo A, la ASTM (American Society for Testing and
Materials) especifica que el espesor de cobre para secuencias de cobreado-niqueladocromado debe ser como mínimo de 12 µm en sustratos de acero, de 5 µm en sustratos de
cinc y sus aleaciones y de 15 µm en sustratos de aluminio y sus aleaciones. [ASTM B456,
2003]
A nivel industrial y comercial el electrodepósito corresponde a un acuerdo entre
partes, proveedor-cliente, quienes deciden la calidad y el espesor basándose en factores
como la apariencia, el precio y la utilización de las piezas.
5.2. El baño de níquel
El baño de níquel más importante es el de Watts, debido a que es la base de la
mayoría de los baños modernos usados en la aplicación de superficies decorativas,
brillantes y semibrillantes, y para producir depósitos con propósitos de ingeniería. Los
fundamentos principales de la electrodeposición de níquel son fácilmente estudiados a
partir de un baño de Watts, donde se pueden observar los efectos de variables tales como
temperatura, concentración de níquel, densidad de corriente, pH y agitación. [Gray, 1953]
Los electrodepósitos de níquel son aplicados principalmente por su apariencia y
protección a la corrosión en objetos de acero, latón o cinc. Cuando los objetos están
expuestos a la intemperie, usualmente se deposita cromo sobre la capa de níquel. Se
acostumbra a utilizar una capa inicial de cobre. [Mohler, 1951]
El baño de Watts se compone principalmente de sulfato de níquel, cloruro de níquel
y ácido bórico. Sus formulaciones típicas se presentan en los cuadros D.3 y D.4 del
apéndice D. La concentración de NiSO4·6H2O varía de 250 a 300 g/L, la de NiCl2·6H2O
varía de 40 a 60 g/L y la concentración de H3BO3 varía entre 30 y 50 g/L. Los agentes de
Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición
24
adición se utilizan para dar acabados brillantes, siendo los más importantes los derivados de
compuestos aromáticos sulfonados en pequeñas concentraciones.
5.2.1. Funciones de los constituyentes del baño
La mayor parte del níquel es aportada por el sulfato de níquel, éste es utilizado
debido a que es la sal de níquel más económica que posee un anión estable que no es
reducido por el cátodo, oxidado por el ánodo o volatilizado. La gran cantidad de sulfato de
níquel no sólo aumenta la densidad de corriente limitante, sino que además disminuye la
resistividad del baño, la cual reduce los costos de energía y mejora el poder de
esparcimiento. [Gray, 1953]
Los iones cloruro, obtenidos del cloruro de níquel, simplifican el control del baño y
evitan efectos secundarios como el aumento de la tensión dentro de los depósitos. Su
principal función es la de aumentar la disolución del ánodo reduciendo la polarización.
[Gray, 1953]
El ácido bórico se encarga de actuar como amortiguador de la solución, es esencial
para controlar el pH. Dicho ácido es preferido porque se puede obtener en un estado muy
puro y es muy económico, es relativamente no volátil y estable, produce depósitos más
blancos y ayuda en la acción suavizadora del depósito. Su concentración no es crítica en los
baños. Recientes estudios han encontrado que un sustituto ideal del ácido bórico es el ácido
cítrico, con lo que se obtienen depósitos más duros y se eliminan los inconvenientes
ambientales para la disposición de las soluciones de boro. [Doi, 2004]
Los agentes de adición en los baños de Watts son requeridos para aumentar el brillo,
la dureza, el refinamiento de los granos, evitar el piqueteo y nivelar el depósito. [Doi, 2004]
5.2.2. Condiciones de operación
Las condiciones de operación típicas de los baños de Watts se presentan en los
cuadros D.3 y D.4 del apéndice D.
En la práctica, las temperaturas varían entre 40 y 70 ºC, de esta forma se asegura
una buena solubilidad de las sales y se puede trabajar en un intervalo amplio de densidad de
Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición
25
corriente, el aumento de la temperatura permite una conductividad más alta con lo que se
puede utilizar una mayor densidad de corriente y obtener electrodeposiciones más rápidas.
La densidad de corriente catódica debe estar entre 1 y 10 A/dm2, si ésta es muy alta
puede producir depósitos quemados; mientras que si es muy baja, se puede disminuir el
poder de esparcimiento. El voltaje no debe ser mayor a 6 V.
Se recomienda la agitación catódica o mecánica, ésta no debe ser excesiva. La
agitación por aire es efectiva en ausencia de agentes humectantes. [Graham, 1962]
5.2.3. Baños de níquel brillante
Éstos son básicamente baños de Watts a los que se les han adicionado
abrillantadores. Dichos abrillantadores son generalmente divididos en dos clases generales
basados en su función predominante: de primera o de segunda clase. [Rushmere, 1977]
Los abrillantadores de primera clase son materiales usados en relativamente baja
concentración, entre 0,01 y 0,2 g/L; los cuales por ellos mismos pueden o no producir
acción abrillantadora visible. Se caracterizan por ser compuestos que contienen en su
molécula grupos funcionales alquil o aril sulfonados. Algunos de los más utilizados son el
ácido sulfónico alquil naftaleno, el ácido disulfónico naftaleno, las difenil sulfonas, el
difenilbenceno, los polisulfonatos hidrogenados de difenilbenceno, las aril sulfonamidas y
los ácidos arilsulfínicos. Los alcoholes acetilénicos y sus derivados son muy populares
debido a que presentan baja tendencia a formar depósitos quebradizos y el control de su
concentración es menos crítica. Uno de los compuestos preferidos debido a su buen
rendimiento, disponibilidad y bajo precio es el 2-butin-1,4-diol o butindiol.
Los abrillantadores de segunda clase son materiales que se usan en conjunto con los
de primera clase pero en mayores concentraciones, usualmente entre 1 a 20 g/L, éstos
ayudan a reducir la tensión y aumentan el brillo, se caracterizan por ser compuestos
orgánicos no saturados con dobles y triples enlaces entre carbonos, nitrógenos y oxígenos
como las safraninas, azinas, oxazinas, tiaminas, indaminas y derivados de las di y trifenil
aminas. Entre los más utilizados están la sacarina y sus sales de sodio o potasio, el alil
sulfonato de sodio, los ácidos di y trisulfónicos de naftaleno y el 3-clorobuteno-1-sulfonato
de sodio.
Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición
26
Cuando los abrillantadores primarios y secundarios son cuidadosamente
seleccionados, es posible obtener depósitos brillantes, nivelados y dúctiles sobre un amplio
intervalo de densidad de corriente. [Rushmere, 1977]
5.2.4. Niquelado semi-brillante
Con este tipo de baños se consiguen depósitos con características de dureza,
ductilidad y brillo intermedias entre los baños de Watts y los baños brillantes. Hay dos
clases de baños semi-brillantes, ambos tienen la composición básica de Watts, sin embargo,
en uno se emplean aditivos orgánicos y el otro es una modificación del baño de aleación de
níquel-cobalto. [Gray, 1953]
5.2.5. Mantenimiento y control
El mejor mantenimiento y control es efectuado suministrando instalaciones
adecuadas para la fácil limpieza y preparación del proceso. Pequeñas cantidades de
contaminantes metálicos como hierro, cinc, cobre o plomo tienen grandes efectos en la
apariencia, resistencia a la corrosión y amortiguación del depósito. Estos contaminantes
pueden ser removidos satisfactoriamente haciéndolos precipitar como sales insolubles y
luego filtrando. Los contaminantes orgánicos no pueden ser removidos por filtración
convencional, en cambio se pueden adsorber con carbón activado. [Gray, 1953]
El poder de esparcimiento depende de la polarización del cátodo, la conductividad
de la solución y la eficiencia del cátodo. Esta propiedad se puede mejorar aumentando el
pH, la temperatura, el contenido de níquel y de cloruros o la densidad de corriente. La
dureza de los depósitos también puede ser mejorada aumentando ligeramente el pH.
[Graham, 1962]
El control del pH se puede realizar por métodos colorimétricos o con electrodos de
vidrio. El pH limitante es aquel en que se inicia la precipitación de hidróxido de níquel.
[Graham, 1962]
El control de la composición de los constituyentes del baño se realiza de manera
satisfactoria mediante su análisis químico. En el apéndice B se presenta una de las varias
maneras para llevar a cabo dichos análisis.
Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición
27
5.2.6. Ánodos
En la mayoría de los baños de electrodeposición de níquel, los ánodos utilizados son
barras de níquel con una pureza superior al 90%. Se recomiendan usar las barras de níquel
enrollado con una pureza del 99%. [Gray, 1953]
5.2.7. Equipo
La mayoría de los tanques para electrodeposición de níquel son fabricados de metal
revestido con material sintético, como caucho. [Mohler, 1951]
5.2.8. Normalización
La ASTM (American Society for Testing and Materials) especifica distintos
espesores mínimos de níquel para secuencias de cobreado-niquelado-cromado dependiendo
del sustrato y la condición de servicio (SC, service condition, por sus siglas en ingés) del
objeto. En sustratos de acero, es necesario un espesor mínimo de 20 µm para SC 3, de 25
µm para SC 4 y de 30 µm para SC 5. En sustratos de cinc y sus aleaciones es necesario un
espesor mínimo de 10 µm para SC 1, entre 15 y 20 µm para SC 2, de 20 µm para SC 3, de
30 µm para SC 4 y de 35 µm para SC 5. En sustratos de cobre y sus aleaciones es necesario
un espesor mínimo de 5 µm para SC 1, entre 10 y 15 µm para SC 2, entre 20 y 30 µm para
SC 3 y de 25 µm para SC 4. En sustratos de aluminio y sus aleaciones es necesario un
espesor mínimo entre 20 y 25 µm para SC 4 y de 40 µm para SC 5. Todas las capas de
níquel pueden ser simples, dobles o triples según se especifique para cada condición de
servicio. Más detalladamente se puede consultar este estándar en el anexo A. [ASTM B456,
2003]
5.3. El baño de cromo
La electrodeposición de cromo es muy utilizada como operación final en muchos
artículos de uso general. Ésta se divide en dos categorías generales. La primera, que es la
más conocida, el cromo es depositado como una fina capa con propósitos decorativos. La
segunda categoría, que ha encontrado un gran mercado, es conocida como cromado
industrial, funcional o duro y se deposita una densa capa de cromo para tomar ventaja de
Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición
28
sus propiedades particulares como la alta resistencia al calor, bajo coeficiente de fricción y
resistencia al desgaste, abrasión y corrosión. [Gray, 1953]
Debido a su gran dureza y bajo coeficiente de fricción, los materiales cromados se
utilizan mucho en herramientas y partes expuestas al movimiento mecánico. Mientras que
su gran brillo y resistencia al desgaste y corrosión son factores que contribuyen al extenso
uso en acabado de piezas de automóviles y plomería. [Mohler, 1951]
Los baños de cromo se caracterizan por utilizar ánodos insolubles (generalmente de
plomo) ya que el cromo metálico no funciona satisfactoriamente como ánodo. Es por esto
que la fuente del metal proviene del trióxido de cromo (CrO3) que al disolverse en agua se
forma ácido crómico (H2CrO4). Sin embargo, el cromo no puede ser depositado de una
solución que contenga únicamente ácido crómico y agua, debe haber presencia en el baño
de uno o más radicales ácidos que actúen como catalíticos en la deposición catódica del
cromo. Los más comúnmente utilizados son los sulfuros y los fluoruros. El ácido sulfúrico
y el sulfato de sodio son las fuentes de sulfato más comunes, mientras que el ácido
fluisilícico es la fuente más común de fluoruro. [Gray, 1953]
5.3.1. Funciones de los constituyentes del baño
Los componentes esenciales en los baños de cromo son el trióxido de cromo y un
radical ácido como catalítico (el más utilizado es ion sulfato obtenido del ácido sulfúrico).
El cromo a ser depositado se introduce en el baño como CrO3 (frecuentemente, aunque
técnicamente incorrecto, llamado ácido crómico), este compuesto es también el encargado
de proveer la conductividad requerida en el baño. [Newby, 1999]
En la química convencional, el ácido crómico se presenta en concentraciones entre
150 y 450 g/L. La concentración de sulfato es crítica y siempre se mantiene relativa a la
concentración de ácido crómico en el baño. Una relación por peso de ácido crómico a
sulfato de 100:1 es lo más común. A razones menores, como 80:1, se obtienen depósitos
más lisos, pero el poder de esparcimiento y el de recubrimiento se reducen. A relaciones de
hasta 130:1 se obtienen características opuestas. A relaciones aún mayores se obtienen
depósitos ásperos y se reduce la velocidad de deposición. [Newby, 1999]
Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición
29
Las formulaciones típicas de los baños de cromo se presentan en los cuadros D.5 y
D.6 del apéndice D. En el baño diluido o duro la concentración de CrO3 varía entre 200 y
250 g/L siendo 250 g/L lo más común, mientras que la concentración de H2SO4 varía entre
2,0 y 2,5 g/L. En el baño concentrado o decorativo la concentración de CrO3 varía entre
250 y 450 g/L siendo 400 g/L lo más común, mientras que la concentración de H2SO4 varía
entre 2,5 y 4,0 g/L. No es común utilizar aditivos salvo ciertas excepciones que han estado
bajo mucha investigación.
5.3.2. Condiciones de operación
Las condiciones de operación típicas de los baños de cromo se presentan en los
cuadros D.5 y D.6 del apéndice D.
La temperatura varía entre 35 y 60 ºC, siendo lo más común entre 40 y 55 ºC. A
temperaturas altas se obtiene depósitos más lisos y se reduce la posibilidad de quemaduras
o nodulación en el depósito. [Newby, 1999]
La densidad de corriente catódica es muy variable con intervalos de hasta 5 a 50
A/dm2. El voltaje requerido es más alto que en la mayoría de los procesos de
electrodeposición, generalmente entre 4 y 12 V, dependiendo de las condiciones de
operación. La eficiencia de los baños de cromado es muy baja (generalmente entre 10 y 20
%) debido a la formación de reacciones secundarias de electrólisis que consumen gran
cantidad de corriente.
No se acostumbra agitar el baño. El tiempo de duración del proceso para efectos
decorativos es alrededor de 10 minutos, pero para cromado duro el tiempo es mayor de
acuerdo con el espesor requerido. [Gray, 1953]
5.3.3. Propiedades del depósito
Los depósitos de cromo se caracterizan por poseer una gran dureza. El bajo
coeficiente de fricción del cromo frente a otros metales es un factor importante para su uso
en ejes, pistones, cilindros de combustión interna, plomería y aplicaciones similares. Su
llamativo color blanco azulado y su gran resistencia a la oxidación son las razones
principales para su extenso uso en acabados decorativos. [Gray, 1953]
Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición
30
5.3.4. Mantenimiento y control
Los baños de cromo usualmente no requieren filtración, pero si se requiere clarificar
la solución, se deja reposar toda la noche y luego es decantada. El piqueteo no es
comúnmente encontrado en los baños de cromo y no se deben adicionar agentes
humectantes para influenciar la tensión superficial, ni siquiera es necesario medir o
controlar esta propiedad en el baño. [Gray, 1953]
Estos baños son muy estables y su composición es fácilmente mantenida por
análisis físicos o químicos. En el apéndice E se presenta una de las varias maneras para
llevar a cabo dichos análisis químicos.
5.3.5. Ánodos
En la electrodeposición de cromo se utilizan ánodos insolubles, el material
universalmente usado es aleación de plomo con un 7% de estaño o 6% de antimonio, o una
combinación de ambos, que se encargan de oxidar el cromo trivalente en hexavalente
durante la electrólisis. Esta aleación, además, provee al ánodo una gran resistencia a la
corrosión, una escogencia común, que incorpora los beneficios de ambos metales, es una
composición de 93% plomo, 4% estaño y 3% antimonio. Los ánodos normalmente tienen
una duración de seis meses a varios años. [Newby, 1999]
Es preferible utilizar varios ánodos angostos que una sola placa, de esta forma se
obtiene una distribución de corriente más uniforme. Es importante usar ánodos lo
suficientemente
gruesos
para
conducir
las
altas
corrientes
requeridas
en
la
electrodeposición de cromo. Ánodos muy delgados se pueden sobrecalentar con el uso y
tenderán a corroerse y doblarse excesivamente. Los ánodos de plomo no deben tener una
capa gruesa o irregular de peróxido ya que la distribución de corriente se verá afectada. Es
conveniente limpiar los ánodos regularmente. [Gray, 1953]
5.3.6. Equipo
Los tanques para baños de cromo deben tener la característica esencial de resistir la
acidez. Son comunes los tanques hechos de ladrillos o aleaciones de plomo. Actualmente,
Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición
31
se prefiere el uso de revestimientos de material sintético flexible como el PVC o el
plastisol. [Snyder, 2000]
5.3.7. Contaminantes
La gran cantidad de hidrógeno y oxígeno producida en el ánodo durante la
electrodeposición de cromo ocasiona un rocío de ácido crómico que no debe permitirse
escapar a los alrededores, ya que el ácido crómico es muy irritante y corrosivo a las
membranas mucosas, la nariz y la garganta, su nivel de peligrosidad es muy alto. No debe
permitirse que la concentración de ácido crómico en el aire sea superior a 0,1 mg/m3. Por
esta razón se acostumbra ubicar chimeneas extractoras sobre los tanques de cromado o
utilizar antiespumantes a base de fluorocarbonos. [Gray, 1953]
5.3.8. Otros baños
Los baños de cromo trivalente son muy utilizados para obtener cromo decorativo.
Éstos son sistemas más seguros y eficientes con los que se eliminan algunos problemas
asociados al cromo hexavalente como la alta toxicidad, baja eficiencia de corriente, pobre
distribución del metal y depósitos quemados en zonas de alta densidad de corriente.
[Snyder, 2000]
Los baños de cromo negro son usados en aplicaciones funcionales y decorativas.
Importantes aplicaciones funcionales incluyen colectores de energía solar para producción
de calor y superficies anti-reflejo. Mientras que algunas aplicaciones decorativas incluyen
mobiliario, plomería, equipo óptico, equipo naval y computacional. La mayoría de los
procesos de cromo negro son patentados debido a la dificultad de obtener características
regulares en los depósitos. [Snyder, 2000]
La electrodeposición de cromo poroso es importante en aplicaciones donde se
requieren superficies con mejor resistencia a la abrasión y altas cualidades lubricantes tales
como en equipo militar. [Newby, 1999]
Algunos baños de cromo decorativo comprenden composiciones patentadas con los
que se mejoran tanto la eficiencia de corriente como la velocidad de deposición y las
características de los depósitos. Uno de estos baños comprende la utilización de ácido
Capítulo 5: Los Baños de Electrodeposición
32
crómico, ácido sulfoacético, yodato o sulfato y un compuesto orgánico nitrogenado como
glicina, piridina o guanina. [Martyak, 1989]
5.3.9. Normalización
La ASTM (American Society for Testing and Materials) especifica que el espesor
mínimo de los depósitos de cromo debe ser de 0,25 µm en superficies significativas,
excepto para las condiciones de servicio SC1 donde el espesor mínimo se reduce a 0,13
µm. Este estándar se muestra en el anexo A. [ASTM B456, 2003]
CAPITULO 6
EQUIPO PARA LA ELECTRODEPOSICIÓN
Una persona chistosa sin medida es el mayor tesoro del
hombre.
Luna Lovegood (J. K. Rowling)
El propósito de esta investigación es el diseño del equipo de electrodeposición para
su posterior construcción y utilización en el Laboratorio de la Escuela de Ingeniería
Química. Dicho diseño se basó en la investigación bibliográfica, mientras que los criterios
se basaron en la sencillez para la utilización del equipo tratando de representar de la manera
más fiel posible el proceso tal como se lleva a cabo industrialmente.
El equipo construido es muy sencillo y de fácil manejo, se diseñó tomando en
cuenta los conocimientos teóricos, visitas realizadas a industrias especializadas y a la
experiencia de profesionales allegados al campo. Para su construcción se utilizaron
materiales de bajo precio y fácil adquisición en ferreterías y talleres. Las especificaciones
del equipo e instrumentación de medición se muestran en el cuadro 6.1, mientras que el
equipo completo se ilustra en la figura 6.1.
Cuadro 6.1. Descripción de aparatos e instrumental usado
Unidad
Fabricante
Ámbito
Bomba de aire
Hagen
1,5 psi
Plantilla eléctrica
Chromalox
0-300 ºC
Fuente de poder
Nippon America
13,8 VCD / 20-22 ACD
Amperímetro
Simpson
0-25 ACD
Voltímetro
Goldstar
0-1000 VCD
Termómetro
Sper Scientific
-20-110 ºC
Vernier
Precision Instruments
0-150 mm
Micrómetro
Starrett
0-25 mm
Cronómetro
Accusplit
-----Balanza semi-analítica
AE Adam
0-360 g
Serie
-----120133
10784
10662
154209
----------154286
126541
223343
6.1. Rectificadores
Exceptuando algunos casos, se puede considerar que todas las fuentes de corriente
eléctrica a baja tensión están constituidas por rectificadores de corriente. Este aparato se
33
Capítulo 6: Equipo para la Electrodeposición
Figura 6.1.
34
Equipo de electrodeposición construido.
compone normalmente de los siguientes elementos: una transformador principal, un
autotransformador, celdas rectificadoras, aparatos de medida, aparatos de mando y
protección, pletinas y cableado y el contenedor. [Glayman, 1969]
El transformador principal de corriente transforma la corriente eléctrica alterna de
220 V de tensión (110 ó 380 V) en corriente alterna de baja tensión (4, 8, 12, 16, 20 V). En
este transformador existen tomas múltiples de ajuste de tensión, generalmente cuatro.
[Glayman, 1969]
El autotransformador tiene por fin la regulación del secundario del transformador y
permite la obtención de una corriente alterna regulable a partir de un punto a definir (que
puede ser el 0) hasta el máximo. La regulación puede hacerse por medio de tomas múltiples
(4, 16, 32 ó 64) o en continuo. Es esencial que la respuesta de mando sea lo más rápida
posible y que la aguja sea estable. [Glayman, 1969]
Las celdas rectificadoras tienen por misión transformar la corriente alterna a baja
tensión regulada, en corriente continua a baja tensión regulada. Para este propósito se
utiliza el selenio (principalmente) y el silicio. Los aparatos de medida (amperímetros y
voltímetro) deben tener una amplia escala de lectura y una precisión tal que se esté seguro
de que las lecturas son reales. [Glayman, 1969]
El mando de control se efectúa por medio de un botón pulsador, que por intermedio
de un contactor-disyuntor (aparato de protección) permite a la corriente eléctrica llegar al
Capítulo 6: Equipo para la Electrodeposición
35
transformador. También es conveniente que a la salida de baja tensión se disponga un
aparato de protección, que en caso de cortocircuito interrumpa el funcionamiento del
rectificador. [Glayman, 1969]
Las conexiones en la zona de media tensión (110-220 V) deben realizarse por medio
de cables de cobre aislados convenientemente, y por pletinas de cobre en la zona de baja
tensión. Se recomienda que la tensión no sobrepase los 2 A/mm2 en todas las partes
situadas en la atmósfera y 4 A/mm2 en las sumergidas en aceite. [Glayman, 1969]
Todo el material que forma un rectificador está contenido en un conjunto que
constituye el rectificador, el cual puede ser al aire con o sin circulación forzada o en aceite.
[Glayman, 1969]
6.1.1. Circuito de alimentación a los recipientes por medio de rectificadores
La mejor disposición es alimentar cada recipiente con su respectivo rectificador. Si
un rectificador alimenta dos o más recipientes, cada uno debe poseer su propio reostato
para asegurar la variación de corriente en cada baño. Se debe regular el rectificador a la
tensión del baño de valor más elevado, de forma que en los reostatos no se absorba más que
el mínimo de corriente. [Glayman, 1969]
6.1.2. Unión rectificador-recipientes
Las uniones rectificadoras, reostatos, equipos electrolíticos se harán de una forma
general en pletinas de cobre o aluminio o en barras redondas de cobre. Es importante que la
caída de tensión en las barras se reduzca al mínimo, la ley de Ohm que rige este trabajo se
aplica mediante la siguiente ecuación:
E = i*R
8.1
De esta forma, dada una cierta cantidad de corriente a transportar, definida por su
intensidad, es decir, por las necesidades operatorias, cuanto más débil sea la resistencia,
más débil será la caída de tensión, dicho de otra forma, menos voltios se “pierden”.
[Glayman, 1969]
Capítulo 6: Equipo para la Electrodeposición
36
La distribución de corriente a baja tensión de los rectificadores a los recipientes se
hará siempre en barras metálicas desnudas. Por debajo de una intensidad de 50 A se pueden
admitir cables aislados, pero con terminales en los extremos. [Glayman, 1969]
6.2. Tanques
Se recomienda construir todos los tanques de un metal resistente como el plomo o
hierro con el fin de que soporten el peso del baño. Para evitar que el metal actúe como un
desviador de corriente se emplean revestimientos resistentes a la corrosión y ambientes
agresivos según el tipo de baño a utilizar.
El tanque puede ser forrado con muchos materiales, las cerámicas son muy
resistentes al calor, pero tienden a ser quebradizas y no son convenientes para baños de
fluoboratos; las bandejas de vidrio tienen características similares, pero los plásticos y las
resinas tienen ciertas ventajas de montura, aunque son susceptibles al ataque alcalino y
tienen un alto costo; los forros de caucho han sido muy usados, pero no a temperaturas
superiores a 75 ºC. [Gabe, 1972]
Todos los tanques del equipo fueron construidos con cloruro de polivinilo (PVC)
laminado con forma rectangular. Se eligió este material debido a su facilidad de
manipulación y al hecho de que es muy resistente a las soluciones que se utilizan siempre y
cuando no se exceda la temperatura sobre los 60 ºC.
Debido a que en el mercado no es posible conseguir PVC laminado con las
dimensiones requeridas, se utilizó tubería sanitaria de PVC, SDR 41 con un diámetro
nominal de 75 mm (3 pulg) y mediante la aplicación de calor en un horno a 100 ºC durante
unos pocos minutos se suavizó el material, luego con dos placas de madera se prensó y dejó
enfriar para obtener las respectivas láminas. Las láminas se cortaron en trozos del tamaño
requerido para cada tanque y estos trozos se unieron con pegamento especial para PVC.
Se construyeron cinco tipos distintos de tanques:
•
Tanques para enjuague simple, utilizados para inmersiones rápidas.
•
Tanques para enjuague doble, utilizados para lavados con agua.
•
Tanques para baños de cobre y níquel.
•
Tanque para baño de cromo
Capítulo 6: Equipo para la Electrodeposición
•
37
Celda de Hull, utilizada para el control de los baños.
Las dimensiones de cada tipo de tanque se presentan en el cuadro 6.2, mientras que
los planos constructivos se muestran en el apéndice F. Para construir la celda de Hull se
siguió un procedimiento similar pero utilizando tubería sanitaria de PVC, SDR 35 con un
diámetro nominal de 100 mm (4 pulg).
Cuadro 6.2. Dimensiones de los tanques
Ancho
Tanque
(cm)
Enjuague simple
6
Enjuague doble
12,4
Baños de cobre y níquel
13
Baño de cromo
10
Largo
(cm)
6
6
10
7
Altura
(cm)
10
10
10
10
Espesor
(mm)
2,2
2,2
2,2
2,2
6.3. Celdas electrolíticas
Las celdas electrolíticas son los tanques en donde se dan las etapas de
electrodeposición, o sea, los baños de cobre, níquel y cromo, el material de construcción del
tanque es PVC, el cual es resistente a las condiciones de operación. Tal como se muestra en
la figura 6.2, la celda electrolítica se compone de los ánodos (ya sean de cobre, níquel o
plomo, según el baño), cátodos (metal base) y el electrolito.
6.4. Sistema de agitación
La agitación continua permite una distribución homogénea de la corriente eléctrica,
ayuda a la disolución de las sales metálicas y acelera la liberación de hidrógeno disuelto.
Se construyó un sistema de agitación por aire que incluye mangueras delgadas y una
bomba para pecera, marca Hagen, modelo Elite 798 con una alimentación de 120 VCA / 60
Hz y 1,5 W de potencia, capaz de proporcionar un flujo continuo de aire con una presión de
105 Pa.
El aire ingresa por la parte inferior de los tanques y específicamente en las zonas
donde se encuentran los electrodos con el fin de proporcionar una agitación uniforme. El
Capítulo 6: Equipo para la Electrodeposición
Figura 6.2.
38
Celda electrolítica.
sistema cuenta con una válvula de regulación de flujo y válvulas de retención en las
conexiones de cada tanque para evitar la entrada de líquido a la bomba. La bomba debe
mantenerse siempre a una altura sobre el nivel del líquido para favorecer su desempeño.
6.5. Calentador
El calentamiento del tanque se da usualmente por medio de serpentines, donde el
material más comúnmente usado para los rollos de serpentines es el titanio. En una planta
grande es más cómodo usar calentamiento directo por medio de electricidad. [Gabe, 1972]
En el caso del equipo aquí estudiado, para calentar las soluciones y los baños se
utiliza una plantilla eléctrica marca Chromalox. Éste no forma parte del equipo en sí, ya
que los baños y soluciones son calentados en beakers de vidrio sobre la plantilla hasta
alcanzar la temperatura requerida y luego son trasvasadas a sus respectivos tanques para
desarrollar el proceso.
6.6. Fuente de poder
Como fuente de poder se utiliza un rectificador marca Nippon America. Éste
suministra una corriente fija entre 20 a 22 ACD con un voltaje de 13,8 VCD. Tiene una
alimentación de 120 VCA / 60 Hz. Esta fuente de poder no es regulable por lo que se hace
Capítulo 6: Equipo para la Electrodeposición
39
necesario un reostato o un sistema de resistencias para variar la corriente necesaria en cada
etapa.
6.7. Termómetro
Para el control de la temperatura de los baños se utiliza un termómetro de vidrio tipo
varilla marca Sper Scientific, con un ámbito de -20 a 110 ºC y una precisión de 0,5 ºC.
6.8. Voltímetro
Para la medición del voltaje aplicado se utiliza un voltímetro digital marca Goldstar,
el cual se conecta en paralelo al sistema eléctrico entre los polos de la fuente de poder, o
sea, los cables que unen los electrodos con la fuente de corriente. Éste tiene una ámbito de
0 a 1000 VCD y una precisión variable según la escala de voltaje utilizada.
6.9. Amperímetro
Para la medición de la corriente aplicada se utiliza un amperímetro analógico marca
Simpson, el cual se conecta en serie al sistema en el polo negativo de la fuente de poder, o
sea, el cable que une el cátodo con la fuente de corriente. Tiene un ámbito de 0 a 25 ACD y
una precisión de 0,05 A.
6.10. Balanza semi-analítica
Se utiliza una balanza semi-analítica digital marca AE Adam para medir la masa de
los cátodos antes y después de cada electrodeposición. Ésta cuenta con una capacidad
máxima de 360 g y es capaz de realizar lecturas de hasta 1 mg.
6.11. Vernier
Con el vernier se miden las dimensiones de los cátodos o piezas a recubrir y de los
ánodos. Éste es marca Precision Instruments, tiene un ámbito de 0 a 150 mm, graduado con
incrementos de 0,05 mm, además de otra escala que va de 0 a 6 pulg con subdivisiones de
0,001 pulg.
Capítulo 6: Equipo para la Electrodeposición
40
6.12. Micrómetro
Con el micrómetro se mide el espesor puntual de los cátodos antes y después de
cada electrodeposición. Éste es marca Starrett, cuenta con un ámbito que va de 0 a 25 mm,
graduado con incrementos de 0,01 mm (10 µm).
6.13. Cronómetro
Para el control del tiempo de electrodeposición se utiliza un cronómetro digital
marca Accusplit, capaz de dar lecturas en segundos y décimas de segundo.
6.14. Conexiones eléctricas
Para todas las conexiones eléctricas se utiliza cable de cobre convencional de 1,6
mm (1/16 pulg) de diámetro, el cual es más que suficiente para transportar la cantidad de
corriente del sistema sin sufrir sobrecalentamiento de ningún tipo.
Las barras de los electrodos son de bronce de 2,4 mm (3/32 pulg) de diámetro, estas
barras se colocan directamente en la parte superior de los tanques, mientras que las uniones
entre los electrodos y las barras se realizan con sujetadores metálicos de prensa atados con
un pequeño trozo de cable de cobre.
Los polos de la batería y los cables de cobre se unen con sujetadores metálicos de
prensa, al igual que las barras de los electrodos y los cables de cobre, de esta forma se
permiten la fácil y rápida manipulación de los cables de un baño a otro.
6.15. Circuito eléctrico
El circuito eléctrico es armado según se muestra en la figura 6.3, conectando
siempre la barra del cátodo a la terminal negativa de la fuente de corriente y las barras de
los ánodos a la terminal positiva, estas uniones se realizan con sujetadores de prensa. El
amperímetro se conecta en serie entre la barra catódica y la terminal negativa de la fuente
de corriente, mientras que el voltímetro se conecta en paralelo entre las conexiones
positivas y negativas de la fuente de corriente. Además, se conecta un reostato o un sistema
de resistencias en la terminal negativa, antes del amperímetro.
Capítulo 6: Equipo para la Electrodeposición
Figura 6.3.
41
Circuito eléctrico. [Graham, 1962]
6.16. Área de trabajo
Tal y como se muestra en la figura 6.1 el sistema está compuesto por los tanques,
las celdas electrolíticas, el sistema de agitación, la fuente de corriente directa con sus
conexiones eléctricas y todo el equipo de instrumentación necesario. Éste se instala en un
espacio de 80 cm x 110 cm, con sus respectivas tomas de corriente alterna de 120 VCA / 60
Hz, en un ambiente con ventilación adecuada y cercano a las tomas de agua.
El equipo cuenta con su propio espacio de trabajo y solo debe ser desarmado cuando
se pretende realizar operaciones de mantenimiento. Los reactivos y el equipo instrumental,
en cambio, sí deben ser almacenados después de su uso.
6.17. Mantenimiento
Se debe mantener el cuidado básico en todo el equipo eléctrico y el sistema en
general. La fuente de poder y el sistema de agitación deben mantenerse apagados cuando
no se están utilizando. Debe evitarse el contacto con agua u otro líquido en todas las
conexiones eléctricas.
Los reactivos y baños deben guardarse en sus respectivos envases, los tanques y
toda la cristalería deben ser lavados y limpiados antes y después de su uso. No debe
permitirse el deterioro de los ánodos ni de los cátodos.
Capítulo 6: Equipo para la Electrodeposición
42
En caso de detectarse impurezas en los baños, éstos deben filtrarse por gravedad.
Para eliminar sólidos suspendidos se utiliza un filtro de algodón o algún otro medio
resistente a la corrosión ácida de los baños, no debe usarse nunca papel filtro. En caso de
detectarse impurezas orgánicas coloidales se filtra en un lecho de carbón activado especial
para medios ácidos.
CAPITULO 7
PROCESO Y CONTROL
Nunca dejes que la moral te impida dejar de hacer lo que está
bien.
Isaac Asimov
7.1. Metodología
El propósito general del proyecto es cromar una pequeña placa metálica siguiendo
el proceso establecido y utilizado casi universalmente en todas las industrias, basado en el
mecanismo de la electrodeposición de metales sobre otros metales.
Las variables a medir son las dimensiones de las placas así como el espesor y la
masa de las mismas antes y después de cada etapa de electrodeposición. También se mide
el tiempo de cada electrodepósición y la corriente total aplicada.
Se utilizan placas de 5 cm x 4 cm y con las variables a medir se determina un
espesor de electrodepósito local y uno promedio real y teórico.
7.2. Secuencia del proceso
El proceso en general cuenta con cuatro etapas principales, las cuales son
preparación del metal base, cobreado, niquelado y cromado. La preparación del metal base
abarca todos los procesos de limpieza del cátodo mientras que las otras tres son las etapas
propias de electrodeposición. Cada etapa se explica más detalladamente en capítulos
posteriores. Todas ellas son igual de importantes para lograr acabados satisfactorios aunque
algunas tengan una duración de unos cuantos segundos.
Todas las disoluciones se preparan con agua destilada. Las principales
características de los reactivos que se utilizan se presentan en el cuadro 7.1.
7.3. Pruebas con celda de Hull
Para verificar que la concentración de los baños y las condiciones de operación
predefinidas son las adecuadas se llevan a cabo varias pruebas con la celda de Hull
construida y haciendo uso de la regla de Hull, la cual se presenta en el anexo B para
diferentes corrientes aplicadas.
43
Capítulo 7: Proceso y Control
Cuadro 7.1. Características de los reactivos usados
Reactivo
Fabricante
Hidróxido de sodio
Sigma Aldrich
Ácido sulfúrico
EMD
Ácido clorhídrico
Gamma
Ácido bórico
Borsäure purum
Sulfato de cobre pentahidratado
Merck
Sulfato de níquel hexahidratado
Merck
Cloruro de níquel hexahidratado
Fisher
Trióxido de cromo
Baker
Peróxido de hidrógeno
Lacofa
Melaza
Hortifruti
Gelatina
DGF Stoess
Sacarina sódica
Sandel
44
Composición
97%
95-98%
36,5-38%
98%
99,8%
99%
97%
99,8%
3%
>99%
>99%
>99%
Calidad
Industrial
Industrial
Industrial
Industrial
Industrial
Industrial
Industrial
Industrial
Medicinal
Alimentaria
Alimentaria
Alimentaria
7.3.1. Prueba de cobreado
Se utilizó una placa de latón con dimensiones de 10,2 cm de ancho y 6,5 cm de
largo, un ánodo de cobre con 6,5 cm tanto de ancho como de largo y un volumen total del
baño de 267 mL con la formulación presentada en el cuadro 9.1. Se aplicó una corriente
total de 3 A durante un minuto. El resultado se muestra en la figura 7.1.
Figura 7.1.
Prueba con celda de Hull para la etapa de cobreado.
Con ayuda de la regla de Hull, se puede observar que el intervalo ideal de densidad
de corriente para operar se encuentra entre 3,6 y 9,0 A/dm2 aproximadamente..
Capítulo 7: Proceso y Control
45
7.3.2. Prueba de niquelado
Se utilizó una placa de latón, previamente cobreada, con dimensiones de 10,2 cm de
ancho y 6,5 cm de largo, una bolsa de polímero de 6,5 cm tanto de ancho como de largo y
cuatro ánodos de níquel dentro y un volumen total del baño de 267 mL con la formulación
presentada en el cuadro 10.1. Se aplicó una corriente total de 2 A durante un minuto. El
resultado se muestra en la figura 7.2.
Figura 7.2.
Prueba con celda de Hull para la etapa de niquelado.
Con ayuda de la regla de Hull, se puede observar que el intervalo ideal de densidad
de corriente para operar se encuentra entre 4,0 y 10,0 A/dm2 aproximadamente.
7.3.3. Prueba de cromado
Se utilizó una placa de latón, previamente cobreada y niquelada, con dimensiones
de 10,2 cm de ancho y 6,5 cm de largo, un ánodo de plomo con 5,9 cm de ancho y 5,7 cm
de largo y un volumen total del baño de 267 mL con la formulación presentada en el cuadro
11.1. Se aplicó una corriente total de 5 A durante dos minutos. El resultado se muestra en la
figura 7.3.
Capítulo 7: Proceso y Control
Figura 7.3.
46
Prueba con celda de Hull para la etapa de comado.
Con ayuda de la regla de Hull, se puede observar que el intervalo ideal de densidad
de corriente para operar se encuentra entre 15,0 y 26,0 A/dm2 aproximadamente.
CAPITULO 8
PREPARACIÓN DEL METAL BASE
Los intelectuales resuelven los problemas, los genios los
evitan.
Albert Einstein
8.1. Metodología
El propósito general de esta etapa es preparar las placas metálicas usadas como
cátodos para el proceso de electrodeposición ya que, en general, los baños de los tipos
ácidos o neutros requieren que la superficie del metal base se encuentre sustancialmente
libre de grasas, aceites y óxidos. La limpieza del metal base es la etapa más crucial de
cualquier proceso de este tipo, cualquier imperfección en la superficie del metal base se
convierte en parte de la cubierta final y, en muchos casos, se magnifica en el objeto en
lugar de ser minimizada. Además, cualquier electrodepósito no se adhiere adecuadamente a
metales que no se les han eliminado absolutamente toda la grasa u óxido.
En este procedimiento no hay variables a medir y el tiempo de inmersión en cada
etapa no debe aplicarse como una regla sino como una guía, lo esencial es obtener el nivel
de limpieza adecuado.
Se utilizan placas de 5 cm x 4 cm de latón, sin embargo, para otro tipo de metal base
la preparación es muy similar.
8.2. Secuencia del proceso
El proceso de preparación del metal base cuenta con cuatro etapas diseñadas
exclusivamente para las placas utilizadas. En caso de utilizar placas de otros materiales o en
condiciones más severas de suciedad y oxidación, las etapas deben rediseñarse.
Todas las disoluciones se preparan con agua destilada. Las principales
características de los reactivos que se utilizan se presentan en el cuadro 7.1.
Para asegurarse que todo el proceso se está llevando de manera satisfactoria,
después del último enjuague se debe observar una película continua de agua, en caso
contrario, es preferible repetir todo el proceso de limpieza o las etapas que se crean
convenientes.
47
Capítulo 10: Preparación del Metal Base
48
8.2.1. Limpieza abrasiva
Se puede prescindir de esta etapa si el metal se encuentra libre de ralladuras,
suciedad, óxidos de algún tipo o cubiertas como pintura o grasa.
Para el equipo diseñado, las placas utilizadas se encontraron con muy poca suciedad
y sin óxidos ni pintura, en general, en muy buenas condiciones para el proceso de
electrodeposición. Sin embargo, con el fin de prevenir algún inconveniente y tener
uniformidad de resultados, a todas las placas se les aplica el mismo tratamiento en esta
etapa.
Debido al tamaño de las placas, esta etapa se realiza a mano. Con un paño de
algodón (también puede utilizarse un paño de nylon u otro material suave y resistente) se
aplica una pequeña cantidad de cera pulidora de metales marca Brasso®. Con el paño se
frota por toda la pieza hasta que tome un color uniforme y brillante, enseguida se limpia
con papel absorbente para eliminar los restos de la cera y suciedades desprendidas.
8.2.2. Limpieza alcalina
Una vez la pieza está libre de toda suciedad se prosigue con la limpieza alcalina.
Ésta se lleva a cabo como una rápida inmersión de la pieza de no más de un minuto en una
disolución de hidróxido de sodio en agua con una concentración de 10 g/L.
Se utiliza un tanque para baño simple construido con PVC laminado el cual tiene
una capacidad total de 360 mL, sin embargo para evitar derrames se trabaja con el 65% de
su capacidad, 235 mL.
El baño se prepara de la siguiente forma: en un vidrio de reloj tarado se pesan 2,35 g
de hidróxido de sodio puro en pastillas, seguidamente se disuelven en un beaker con 235
mL de agua destilada, finalmente se trasvasa a su respectivo tanque. De esta forma se
obtiene una disolución con una concentración de NaOH de 10 g/L.
Se trabaja a temperatura ambiente, aunque para una limpieza más rápida se puede
calentar el agua destilada a 50 ºC antes de adicionar el NaOH en pastillas y trabajar con
este baño a esa temperatura.
Capítulo 10: Preparación del Metal Base
49
8.2.3. Enjuague
Luego del tratamiento en medio básico, la pieza debe lavarse de forma satisfactoria
por lo que la siguiente etapa es un enjuague con agua, preferiblemente destilada. Se efectúa
como una inmersión de la placa en cada sección de un tanque doble durante 10 segundos.
Se repite dos veces la inmersión de la placa en cada sección del tanque para asegurar una
buena limpieza.
Se utiliza un tanque para baño doble construido con PVC laminado el cual cada
sección tiene una capacidad total de 360 mL, sin embargo para evitar derrames se trabaja
con el 65% de su capacidad, 235 mL en cada sección.
Se trabaja con agua a temperatura ambiente, aunque para una mejor limpieza el
agua de la primera sección se calienta a 40 ºC, mientras que el agua de la segunda sección a
temperatura ambiente. El agua de ambas secciones debe reemplazarse periódicamente para
asegurar una buena limpieza en esta etapa.
8.2.4. Inmersión ácida
La limpieza en un baño ácido es de gran importancia ya que en esta etapa se
eliminan trazas de NaOH de la limpieza alcalina y cualquier óxido presente que no fue
eliminado en la etapa de limpieza abrasiva. El baño actúa como una etapa de pulido por
medio químico, además sirve para activar la pieza para la electrodeposición de cobre y
permitir una deposición más rápida y efectiva. Esta etapa se lleva a cabo como una rápida
inmersión de la pieza de no más de 30 segundos en una disolución de ácido clorhídrico en
agua con una concentración de 10 g/L.
Se utiliza un tanque para baño simple construido con PVC laminado el cual tiene
una capacidad total de 360 mL, sin embargo para evitar derrames se trabaja con el 65% de
su capacidad, 235 mL.
El baño se prepara de la siguiente forma: con una probeta se miden 6,5 mL de ácido
clorhídrico concentrado (38% en peso), seguidamente se disuelven en un beaker con 227,5
mL de agua destilada, finalmente se trasvasa a su respectivo tanque. De esta forma se
obtiene una disolución con una concentración de HCl de 10 g/L.
Capítulo 10: Preparación del Metal Base
50
Se trabaja a temperatura ambiente, aunque para una limpieza más rápida y segura se
puede calentar el agua destilada a 30 ºC antes de adicionar el HCl y trabajar con este baño a
esa temperatura. Esta formulación es especial para inmersión ácida de piezas de latón, en
caso de utilizar como metal base otro material, ya sea cobre, hierro, níquel o bronce se
procede a utilizar las formulaciones presentadas en el cuadro 8.1.
Cuadro 8.1. Formulaciones para inmersión ácida según el material del metal base.
Concentración Concentración
Tiempo de
Temperatura
Metal Base
de HCl
de H2SO4
inmersión
(ºC)
(g/L)
(g/L)
(s)
Piezas ferrosas
20-30
50
60
Piezas de cinc y
10-30
30
30
aleaciones
Piezas de cobre
35-70
85-170
25
60
y aleaciones
Piezas de níquel
85-170
25
60
y aleaciones
8.2.5. Enjuague
La última etapa del proceso de preparación del metal base es un enjuague con agua.
La pieza debe lavarse totalmente y de forma adecuada antes del proceso de
electrodeposicón de cobre. Por lo tanto, en esta etapa se utiliza agua, preferiblemente
destilada y se efectúa una inmersión de la placa en cada sección de un tanque doble durante
10 segundos. Se repite dos veces la inmersión de la placa en cada sección del tanque para
asegurar una buena limpieza.
Se utiliza un tanque para baño doble construido con PVC laminado el cual cada
sección tiene una capacidad total de 360 mL, sin embargo para evitar derrames se trabaja
con el 65% de su capacidad, 235 mL en cada sección.
Al igual que el enjuague anterior, se trabaja con agua a temperatura ambiente,
aunque para una mejor limpieza el agua de la primera sección se calienta a 40 ºC, mientras
que el agua de la segunda sección se mantiene a temperatura ambiente. El agua de ambas
secciones debe reemplazarse periódicamente para asegurar una buena limpieza en esta
etapa.
CAPITULO 9
COBREADO
La potencia intelectual de un hombre se mide por la dosis de
humor que es capaz de utilizar.
Friedrich Nietzsche
9.1. Metodología
El objetivo primordial de esta etapa es electrodepositar una capa de cobre brillante
en dos placas de latón de 5cm x 4 cm, en un baño de sulfato de cobre. Se eligió este tipo de
baño por ser uno de los procedimientos de cobreado más utilizados en la industria, debido a
su facilidad de preparación y operación, su baja peligrosidad, la pureza y bajo precio de los
reactivos utilizados y su fácil disposición de los desechos.
La metodología de esta etapa consiste en preparar una solución electrolítica de
cobre según las condiciones especificadas para baños de sulfato de cobre. Las placas,
previamente preparadas, pesadas y medidas se sumergen en la solución electrolítica de
cobre a las condiciones de operación establecidas durante un minuto. Transcurrido este
tiempo, las piezas se enjuagan, secan y se vuelven a pesar y a medir su espesor. Luego se
continúa con la etapa de niquelado.
Con los datos medidos, el tiempo de electrodeposición y la corriente aplicada, se
procede a calcular el espesor de la capa de cobre y la eficiencia catódica del baño. Aunque
no se realiza en este proyecto, se puede calcular la eficiencia de los ánodos pesándolos y
midiendo sus dimensiones y espesor antes y después del proceso de cobreado.
9.2. Formulación del baño
La formulación elegida se presenta en el cuadro 9.1. El criterio seguido para optar
por esta formulación es simplemente mantenerse dentro de los intervalos de la mayoría de
los autores, ya que el propósito es electrodepositar una capa de cobre brillante sin la
necesidad de que esta tenga características especiales de dureza, maleabilidad o tensión.
La elección de los aditivos para abrillantar responde principalmente a la facilidad de
adquisición y manipulación de estos, ya que tanto la melaza como la gelatina se pueden
conseguir a bajos precios y con una alta pureza en cualquier supermercado.
51
Capítulo 9: Cobreado
52
Cuadro 9.1. Formulación elegida para el baño de sulfato de cobre
Concentración
Reactivo
(g/L)
CuSO4·5H2O
220
H2SO4
50
HCl
0,090
Melaza
0,75
Gelatina
0,10
Las características de los reactivos utilizados se muestran en el cuadro 7.1. El
sulfato de cobre pentahidratado tiene una pureza del 99,8%, es de grado industrial. El ácido
sulfúrico es una solución al 98% con una densidad de 1,84 g/mL, de grado industrial,
mientras que el ácido clorhídrico es una solución al 38% con una densidad de 1,18 g/mL,
de grado industrial. Tanto la melaza como la gelatina tienen una pureza mayor al 99% y son
de grado alimentario. Debe tenerse en consideración que las concentraciones presentadas en
el cuadro 9.1 corresponden al reactivo con una pureza del 100%; de esta forma, la cantidad
de los reactivos adicionados debe calcularse adecuadamente para no alterar la composición
del baño.
9.3. Equipo
El equipo para esta etapa lo conforma un tanque para la celda electrolítica, el
sistema de agitación, la fuente de corriente directa con sus conexiones, las barras de los
electrodos, los cátodos o placas a recubrir y los ánodos de cobre.
El tanque fue construido con PVC laminado de 2,2 cm de espesor, tiene 13 cm de
ancho, 10 cm de largo y 10 cm de altura, su volumen total es de 1300 cm3, mientras que el
volumen del líquido se mantiene a 845 cm3. El sistema de agitación está conformado por
mangueras de hule transparente y una bomba de aire para pecera, funciona con
alimentación de 120 VCA / 60 Hz. La fuente de corriente directa es un rectificador, con una
salida de 22 ACD y una alimentación de 120 VCD / 60 Hz. Las conexiones son cables de
cobre forrados y las uniones son sujetadores metálicos de prensa. Las barras de los
electrodos son de bronce, de 2,4 mm (3/32 pulg) de diámetro y tienen una longitud de 13
cm. Los ánodos son de cobre.
Capítulo 9: Cobreado
53
9.4. Preparación del baño
Para la preparación del baño se procede a adicionar el ácido sulfúrico en cuatro
veces su volumen en agua y luego adicionar el sulfato de cobre, el ácido clorhídrico y los
aditivos.
Se prosigue de la siguiente forma: con una probeta se miden 200 mL de agua
destilada y se depositan en un beaker de plástico de un litro. Luego, con una probeta se
miden 23,5 mL de H2SO4 y se agregan lentamente y con agitación al beaker de un litro, se
mezcla con un agitador de vidrio. En un vidrio de reloj se pesan 186 g de CuSO4·5H2O en
una balanza y se agregan a la mezcla de ácido sulfúrico, se agita la mezcla hasta disolver la
sal de cobre; se adicionan 0,20 mL (4 gotas) de HCl y se continúa la agitación.
Seguidamente, se agrega agua destilada hasta un volumen total de 835 mL y se mezcla
levemente. Finalmente, con una probeta se miden 10 mL de la mezcla de aditivos
previamente preparada, se agregan a la solución de cobre y se procede a agitar hasta que la
disolución se observe homogénea.
Para la preparación de la mezcla de aditivos se sigue este procedimiento: en un
beaker de vidrio, se calientan 100 mL de agua destilada a 40 ºC. Aparte, en una balanza se
pesan 9,50 g de melaza y 1,27 g de gelatina y se agregan al beaker con agua caliente,
seguidamente se procede a agitar hasta disolver completamente la melaza y la gelatina. Se
agrega agua destilada hasta obtener un volumen de 150 mL y se mezcla bien.
A la hora de preparar estas mezclas se deben considerar los siguientes aspectos:
•
Asegurarse que el ácido sea adicionado a suficiente agua para evitar la generación
de calor excesivo o salpicaduras.
•
El electrolito se debe mezclar en un recipiente o tanque de plástico o cerámica.
•
Se debe dejar enfriar la solución a temperatura ambiente antes de agregar los
aditivos.
•
Es recomendable el tratamiento con carbón activado antes de agregar los aditivos.
9.5. Ánodos
Los ánodos fueron construidos enrollando cable de cobre en placas de PVC de 2,2
cm de espesor. Cada placa de PVC tiene 9,5 cm de ancho y 5,5 cm de largo. El cable de
Capítulo 9: Cobreado
54
cobre tiene un diámetro de 2,4 mm (3/32 pulg) y fue enrollado en las placas a lo largo. De
esta forma se obtienen placas de cobre enrollado con dimensiones de 9,5 cm de ancho, 6 cm
de largo y 7 mm de espesor (4,8 mm de cobre y 2,2 mm de PVC). En la figura 9.1 se
presentan los ánodos de cobre utilizados.
Figura 9.1.
Ánodos de cobre utilizados en la etapa de cobreado.
Cada ánodo tiene una masa total de cobre de 63,7 g y un área total de 133,1 cm2.
Como el área total de las placas de metal base es de 80,7 cm2, el baño tiene una relación
ánodo/cátodo de 1,65.
Los ánodos se distribuyen a ambos lados de los cátodos y a distancias iguales para
favorecer la uniformidad del electrodepósito. Se unen a las barras anódicas mediante
uniones metálicas de prensa.
9.6. Operación del baño
Las condiciones de operación elegidas se presentan en el cuadro 9.2. El criterio al
elegir dichas condiciones de operación es mantenerse dentro de los intervalos de la mayoría
de los autores para producir una capa de cobre brillante, esto sin tomar en cuenta otras
características como dureza, maleabilidad, etc. La densidad de corriente se definió con base
en los resultados de las pruebas con la celda de Hull.
Capítulo 9: Cobreado
55
Cuadro 9.2. Condiciones de operación elegidas para el baño de sulfato de cobre
Condición de operación
Valor
Temperatura
Ambiente (25 ºC)
Densidad de corriente catódica
7,4 A/dm2
Voltaje
2,35 V
Agitación
Por aire
Rendimiento
105 %
Relación ánodo/cátodo
1,65
Velocidad de deposición
1,7 µm/min
Composición de los ánodos
Cobre
Debido al amplio intervalo de temperatura con que es posible trabajar con los baños
de sulfato de cobre, se mantiene esta propiedad a temperatura ambiente (entre 25 y 27 ºC).
Sin embargo para evitar inconvenientes, se mide en todo momento con un termómetro de
vidrio.
Con ayuda de las resistencias acopladas al circuito, se suministra corriente a 6 A y
un voltaje de 2,35 V. Estas condiciones no se ven afectadas durante el proceso ni tienen
variación. Se utilizan como cátodos dos placas con 40,35 cm2 de área cada una, el área total
de los cátodos es de 80,70 cm2 y la densidad de corriente es de 7,40 A/dm2. Para variar la
densidad de corriente, y por lo tanto la velocidad de deposición, se pueden cambiar las
resistencias utilizadas o el tamaño de las placas.
El sistema de agitación es por burbujeo de aire distribuido en las zonas donde se
encuentran los electrodos (ánodos de cobre y placas de metal base) para favorecer tanto la
disolución de los ánodos como la electrodeposición uniforme del cobre sobre los cátodos.
La velocidad de electrodeposición para las condiciones de trabajo es de 1,7 µm por
cada minuto de duración del proceso, mientras que el rendimiento del baño es del 105%.
Para trabajar con este baño se procede a preparar la disolución, los ánodos y los
cátodos. Luego, se trasvasa el baño al tanque de PVC y se colocan las barras de bronce con
los ánodos a los extremos y los cátodos en el centro, conectados con uniones metálicas de
prensa. Enseguida se conecta la manguera del sistema de agitación al tanque y se prende
para iniciar el burbujeo. Mientras la fuente de corriente se encuentre apagada, se conecta la
terminal positiva a las barras anódicas y la terminal negativa a la barra catódica. Se conecta
el amperímetro al cable de la terminal negativa de la fuente de corriente y el voltímetro a
Capítulo 9: Cobreado
56
los cables entre ambas terminales. Finalmente, se enciende la fuente de corriente y se
comienza a medir el tiempo de electrodeposición con el cronómetro. Luego de un minuto
de proceso, se apaga primero la fuente de corriente y luego el sistema de agitación. El
proceso de cobreado en operación se muestra en la figura 9.2.
Figura 9.2.
Proceso de electrodeposición de cobre en operación.
Durante el proceso de cobreado, los ánodos se pueden cubrir de una capa negra de
óxido la cual actúa como protección y evita la formación de depósitos rugosos. El baño
posee un color azulado característico del sulfato de cobre y el electrodepósito de cobre tiene
un color rojo ladrillo. Al finalizar esta etapa, las placas se deben lavar en el baño de
peróxido de hidrógeno seguido de un enjuague simple con agua destilada previo a la etapa
de niquelado.
9.7. Mantenimiento y control del baño
En caso de detectarse la presencia de contaminantes orgánicos debe filtrarse el baño
con carbón activado especificado para medio ácido fuerte. Si los contaminantes son sólidos
suspendidos, el medio filtrante debe ser diatomita, algodón o un filtro de vidrio. Para la
corrección de otros problemas en los baños de cobre se puede consultar el apéndice G.
Capítulo 9: Cobreado
57
El mantenimiento primordial que se le debe dar al equipo utilizado en esta etapa es
una buena limpieza tanto a los tanques como a los ánodos, barras de bronce y el sistema de
agitación por aire. Para el almacenamiento de las soluciones se dispone de recipientes de
vidrio específicos para cada baño. Antes y después de su utilización todo el equipo debe ser
lavado muy bien con agua y en todo momento, mientras no se utilice, se debe guardar en un
lugar seco, sin humedad y lejos de equipo eléctrico o mecheros.
Durante su operación, el baño es controlado mediante la medición de la
temperatura, la corriente y el voltaje. Además, mediante la observación del proceso se debe
controlar que el sistema de agitación funcione correctamente.
Para controlar la concentración de los constituyentes del baño se pueden realizar
pruebas con la celda de Hull o por análisis químico.
9.8. Espesor del electrodepósito
En el cuadro 9.3 y figura 9.3 se muestran los espesores de cobre electrodepositado
en varias placas, mediante la utilización del equipo a las condiciones de operación
especificadas durante un minuto.
Cuadro 9.3. Espesores de cobre electrodepositado en varias placas, calculados mediante
distintos métodos
Espesor mediante
Espesor mediante
Espesor mediante
Corrida
método coulométrico
método gravimétrico
método micrométrico
#
Tc
Tg
Tm
(µm)
(µm)
(µm)
1
1,62
1,64
5,0
2
1,62
1,67
5,0
3
1,66
1,80
5,0
4
1,66
1,70
5,0
5
1,63
1,71
5,0
6
1,63
1,75
5,0
7
1,64
1,75
5,0
8
1,64
1,81
5,0
9
1,70
1,77
5,0
10
1,70
1,86
5,0
Promedio
1,65
1,75
5,0
Capítulo 9: Cobreado
58
6,0
Coulométrico
Gravimétrico
Micrométrico
Espesor ( µ m )
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
1
Figura 9.3.
2
3
4
5
6
Corrida
7
8
9
10
Espesores de cobre electrodepositado en varias placas,
calculados mediante distintos métodos.
El espesor coulométrico es el espesor teórico, o sea, el espesor esperado suponiendo
una eficiencia del 100%. El espesor gravimétrico es el espesor calculado mediante la
medición de la masa de cobre electrodepositada en la placa mientras que el espesor
micrométrico, es el espesor medido directamente con el micrómetro.
El método gravimétrico se puede considerar como un espesor promedio mientras
que el espesor micrométrico es un espesor puntual o local, se mide en un punto específico
de la placa.
De los datos obtenidos se puede observar que, en promedio, durante un minuto se
esperaba un espesor de cobre de 1,65 µm. En la práctica, sin embargo, se obtiene un
espesor promedio de 1,75 µm, calculado mediante el método gravimétrico, y un espesor
promedio de 5,0 µm, calculado mediante el método micrométrico.
El espesor gravimétrico es más preciso que el micrométrico debido al equipo
utilizado para realizar la medición. La balanza analítica utilizada para medir la masa de
cobre depositado, y así calcular el espesor gravimétrico, tiene una precisión de 1 mg,
mientras que el micrómetro tiene una precisión de 5 µm. Por lo tanto, si se deposita una
Capítulo 9: Cobreado
59
capa excesivamente delgada de cobre (menor a 5 µm), el micrómetro no es capaz de
detectarla aceptablemente mientras que la balanza, como mide masa, si es capaz de hacerlo.
En la figura 9.4, se muestra la placa antes y después del proceso de elctrodeposición
de cobre. Se puede observar el color rojo ladrillo de la capa de cobre debido a la
formulación y las condiciones de operación establecidas.
Antes
Figura 9.4.
Después
Cátodo durante la etapa de cobreado.
9.9. Rendimiento del baño
En el cuadro 9.4 y figura 9.5 se muestran las eficiencias del baño de cobre para las
condiciones de operación especificadas, durante un minuto de proceso.
Las eficiencias mostradas se calculan con respecto a los espesores obtenidos,
tomándose como valor teórico el espesor coulométrico. Como se puede observar, la
eficiencia promedio según el método gravimétrico es del 105,8%, mientras que según el
método micrométrico es del 303,1%. Estos resultados concuerdan con las eficiencias
reportadas en la literatura, lo que evidencia el adecuado funcionamiento del equipo durante
la etapa de cobreado.
Las eficiencias mediante el método micrométrico no pueden tomarse como
referencia debido a que los espesores electrodepositados fueron mucho menores que la
precisión del micrómetro, por lo tanto se obtuvieron mediciones erróneas. En el caso de la
Capítulo 9: Cobreado
60
Cuadro 9.4. Eficiencias del baño de cobre para varias placas, calculados mediante
distintos métodos
Eficiencia mediante método
Eficiencia mediante método
Corrida
gravimétrico
micrométrico
#
efg
efm
(%)
(%)
1
101,2
308,6
2
103,1
308,6
3
108,4
301,2
4
102,4
301,2
5
104,9
306,7
6
107,4
306,7
7
106,7
304,9
8
110,4
304,9
9
104,1
294,1
10
109,4
294,1
Promedio
105,8
303,1
350
Gravimétrica
Micrométrica
300
Eficiencia (% )
250
200
150
100
50
0
1
Figura 9.5.
2
3
4
5
6
Corrida
7
8
9
10
Eficiencias del baño de cobre para varias placas, calculados
mediante distintos métodos.
eficiencia mediante el método gravimétrico, se obtuvieron valores mayores al 100% debido
a que se presentó una pequeña cantidad de electrodeposición por inmersión, lo que provocó
la obtención de espesores ligeramente mayores a los esperados.
Capítulo 9: Cobreado
61
9.10. Normalización
Según la American Society for Testing and Materials, en la especificación estándar
para capas electrodepositadas de cobre más níquel más cromo y níquel más cromo, ASTM
B 456; para superficies de cinc y sus aleaciones debe depositarse como mínimo 5 µm de
cobre sea cual sea la condición de servicio. Por lo tanto, para cumplir con esta normativa,
debe operarse el equipo durante 174 s (2,9 min) bajo las condiciones y formulación
establecidos.
Capítulo 10: Niquelado
62
CAPITULO 10
NIQUELADO
Lo que tenemos que hacer, lo aprendemos haciéndolo.
Aristóteles
10.1. Metodología
En esta etapa se pretende agregar una capa de níquel brillante sobre la capa de cobre
anteriormente electrodepositada en ambas placas de latón de 5cm x 4 cm. Se escogió un
baño del tipo Watts, ya que es uno de los procedimientos de niquelado más estudiados por
los investigadores y el más utilizado en la industria. Se caracteriza por su facilidad en
cuanto a preparación, operación y control. Los reactivos utilizados para su preparación son
de muy alta pureza y baja peligrosidad y precio.
La metodología en esta etapa es similar a la etapa de cobreado. Consiste en preparar
una solución electrolítica de níquel siguiendo las condiciones especificadas para baños de
Watts. Las placas, previamente pesadas y medidas se sumergen primero en una solución de
peróxido de hidrógeno, luego se les aplica un enjuague con agua destilada y seguidamente
se sumergen en la solución electrolítica de níquel a las condiciones de operación
establecidas durante un minuto. Transcurrido este tiempo, las piezas se enjuagan con agua,
se secan y se vuelve a medir su peso y espesor. Luego se continúa con la etapa de cromado.
Con los datos medidos, el tiempo de electrodeposición y la corriente aplicada, se
calcula el espesor de la capa de níquel y la eficiencia catódica del baño. Al igual que para el
cobreado, se puede calcular la eficiencia de los ánodos pesándolos y midiendo sus
dimensiones y espesor antes y después del proceso de niquelado, aunque no se realiza en
este proyecto.
10.2. Formulación del baño
La formulación elegida se presenta en el cuadro 10.1. El criterio de su escogencia es
mantenerse dentro de los intervalos de la mayoría de los autores, ya que el objetivo es
electrodepositar una capa de níquel brillante sin la necesidad de características definidas de
dureza, maleabilidad o tensión.
Capítulo 10: Niquelado
63
Cuadro 10.1. Formulación elegida para el baño de níquel
Reactivo
NiSO4·6H2O
NiCl2·6H2O
H3BO3
Sacarina sódica
Concentración
(g/L)
260
45
35
2,10
La elección de los aditivos abrillantadores corresponde a la facilidad de adquisición
y manipulación de estos. La sacarina sódica se puede conseguir a precios muy accesibles,
en grandes cantidades y con una alta pureza en cualquier supermercado.
Las características de los reactivos utilizados se muestran en el cuadro 7.1. Todos se
encuentran en estado sólido. El sulfato de níquel hexahidratado tiene una pureza del 99% y
es de grado industrial, el cloruro de níquel hexahidratado tiene una pureza de 97%, de
grado industrial. El ácido bórico tiene una pureza del 98%, también de grado industrial. La
sacarina sódica se encuentra en una disolución con agua a una concentración de 300 g/L, es
de grado alimentario.
10.3. Equipo
En esta etapa, el equipo está conformado por un tanque para la celda electrolítica, el
sistema de agitación, la fuente de corriente directa con sus conexiones, las barras de los
electrodos, los cátodos o placas a recubrir y los ánodos de níquel.
El tanque fue construido con PVC laminado de 2,2 cm de espesor, tiene 13 cm de
ancho, 10 cm de largo y 10 cm de altura, su volumen total es de 1300 cm3, mientras que el
volumen del líquido se mantiene a 845 cm3. El sistema de agitación está conformado por
una bomba de aire para pecera, con alimentación de 120 VCA / 60 Hz y mangueras
plásticas para distribuir el aire.
La fuente de corriente directa es un rectificador, con una salida de 22 ACD y una
alimentación de 120 VCD / 60 Hz. Las conexiones son cables de cobre forrados con
uniones metálicas de prensa. Las barras de los electrodos son de bronce, de 2,4 mm (3/32
pulg) de diámetro y tienen una longitud de 13 cm. Los ánodos son de níquel.
Capítulo 10: Niquelado
64
10.4. Preparación del baño
Para la preparación del baño se mezclan las sales de níquel en tres cuartos del total
de agua con agitación constante. Aparte, se mezcla el ácido bórico en una pequeña cantidad
de agua y se agrega a la solución de níquel. Después se agregan la mezcla de aditivos y se
agrega agua hasta alcanzar el volumen deseado.
El procedimiento de preparación es el siguiente: con una probeta se miden 500 mL
de agua destilada y se depositan en un beaker de plástico de un litro. En un vidrio de reloj,
con una balanza, se pesan 222 g de NiSO4·6H2O y 39 g de NiCl2·6H2O y se agregan al
beaker de plástico, se agita la mezcla hasta disolver. Aparte, con una probeta se miden 100
mL de agua destilada y se depositan en un beaker, luego, en un vidrio de reloj, con una
balanza, se pesan 30 g de H3BO3 y se agregan a los 100 mL de agua, se mezcla con un
agitador de vidrio. La mezcla de ácido se agrega a la solución salina de níquel y se continúa
con la agitación. Seguidamente, se agrega agua destilada hasta un volumen total de 835 mL
y se mezcla con agitación. Finalmente, se agregan 10 mL de la mezcla de aditivos
previamente preparada y se procede a agitar hasta que la disolución se observe homogénea.
Para la preparación de la mezcla de aditivos se procede de la siguiente forma: en un
beaker se agregan 60 mL de solución de sacarina sódica comercial (300 g/L de
concentración), se agrega agua destilada hasta obtener un volumen de 100 mL y se agita
para mezclar bien.
Se deben tomar en consideración los siguientes aspectos a la hora de preparar las
mezclas:
•
El electrolito se debe mezclar en un recipiente o tanque de plástico o cerámica.
•
Al agregar los aditivos la solución se debe encontrar a temperatura ambiente.
•
Se recomienda el tratamiento con carbón activado antes de agregar los aditivos.
10.5. Ánodos
Los ánodos fueron adquiridos de la empresa Incesa Standard, tal y como se utilizan
en el proceso de electrodeposición de níquel en sus instalaciones. Tienen forma circular con
un diámetro promedio de 2,37 cm y un espesor promedio de 3,1 mm. En la figura 10.1 se
presentan los ánodos de níquel utilizados.
Capítulo 10: Niquelado
Figura 10.1.
65
Ánodos de níquel utilizados en la etapa de niquelado.
Cada ánodo tiene una masa promedio de 17,8 g y un área de 6,72 cm2, se utilizan en
total once ánodos. Como el área total de las placas de metal base es de 80,7 cm2, el baño
tiene una relación ánodo/cátodo de 1,83.
Los ánodos se distribuyen a ambos lados de los cátodos en bolsas de un polímero
resistente a las condiciones de operación establecidas, a distancias iguales para favorecer la
uniformidad del electrodepósito. Se unen a las barras anódicas introduciendo éstas entre los
agujeros de la bolsa de los ánodos.
10.6. Preparación del metal base
La preparación del metal base luego de la etapa de cobreado involucra las siguientes
dos etapas: inmersión en baño de peróxido de hidrógeno y enjuague en agua destilada.
En caso de utilizar objetos cobreados con mucha anterioridad, debe de asegurarse su
limpieza siguiendo el procedimiento de preparación descrito en el capítulo 8 antes de la
inmersión en H2O2.
10.6.1. Inmersión en baño de peróxido de hidrógeno (H2O2)
El objetivo de esta etapa es aumentar la eficiencia de la electrodeposición de níquel
mediante la activación de la superficie de la placa. Consiste en una rápida inmersión en una
solución de H2O2 en agua con una concentración del 1% en peso, el baño se mantiene a
temperatura ambiente.
Capítulo 10: Niquelado
66
Esta etapa se lleva a cabo en un tanque simple, construido con PVC laminado de 2,2
mm de espesor. El tanque tiene 6 cm de ancho, 6 cm de largo y 10 cm de altura. Tiene una
capacidad de 360 mL, sin embargo el volumen del líquido es de 235 mL.
Para la preparación del baño se utiliza una solución de H2O2 comercial de grado
medicinal con una concentración de 3% en peso. Con una probeta se miden 78 mL de
solución de peróxido de hidrógeno y 157 mL de agua destilada, se depositan en el tanque
de PVC y se agita la mezcla.
10.6.2. Enjuague
En esta etapa la pieza debe lavarse totalmente con agua destilada antes del proceso
de electrodeposicón de níquel. Se efectúa como una inmersión muy rápida de unos
segundos de la placa, dicha inmersión se repite dos veces.
Se utiliza un tanque para baño simple construido con PVC laminado de 2,2 mm de
espesor. El tanque tiene una capacidad de 360 mL, con dimensiones de 6 cm de ancho, 6
cm de largo y 10 cm de altura. El volumen del líquido utilizado es de 235 mL.
Al igual que la etapa anterior, se trabaja con agua a temperatura ambiente, aunque
es preferible calentar el agua a 40 ºC, debido a que el baño de níquel se trabaja a 50 ºC.
10.7. Operación del baño
Las condiciones de operación adoptadas se presentan en el cuadro 10.2. El criterio
de elección es mantenerse dentro de los intervalos de la mayoría de los autores con el fin de
obtener una capa de níquel brillante. La densidad de corriente se definió con base en los
resultados de las pruebas con la celda de Hull.
La temperatura de operación de los baños de Watts es entre 40 y 70 ºC, pero debido
a que el PVC no es apto para temperaturas mayores de 60 ºC, se decide operar el baño a 50
ºC. De esta forma se mantiene un margen por posibles aumentos de temperatura debido a la
corriente aplicada. En todo momento se mide la temperatura con un termómetro de vidrio
para evitar el mal funcionamiento del tanque.
Con ayuda de las resistencias acopladas al circuito, se suministra corriente a 4 A y
un voltaje de 5,65 V. Estas condiciones no se ven afectadas durante el proceso ni tienen
Capítulo 10: Niquelado
67
Cuadro 10.2. Condiciones de operación elegidas para el baño de níquel
Condición de operación
Valor
Temperatura
50 ºC
Densidad de corriente catódica
5,0 A/dm2
Voltaje
5,65 V
Agitación
Por aire
Rendimiento
94%
Relación ánodo/cátodo
1,83
Velocidad de deposición
1,0 µm/min
Composición de los ánodos
Níquel
cambios significativos. Se utilizan como cátodos las mismas dos placas del proceso de
cobreado, éstas tienen 40,35 cm2 de área cada una, el área total de los cátodos es de 80,70
cm2 y la densidad de corriente es de 5,0 A/dm2. Para variar la densidad de corriente, y por
ende, la velocidad de deposición, se pueden cambiar las resistencias utilizadas o el tamaño
de las placas.
El sistema de agitación es por aire, Se distribuye en las zonas donde se encuentran
los electrodos (ánodos y placas de metal base) para favorecer tanto la disolución de los
ánodos como la electrodeposición uniforme del níquel sobre los cátodos. El sistema cuenta
con una válvula de retención a la entrada del tanque para evitar fugas por la manguera y
una válvula de regulación para variar el flujo de aire.
La velocidad de electrodeposición bajo las condiciones de trabajo establecidas es de
1,0 µm por cada minuto de duración del proceso, mientras que el rendimiento del baño es
del 94%.
Para trabajar con este baño se procede a preparar la disolución, los ánodos y los
cátodos. La disolución se debe calentar en una plantilla eléctrica hasta alcanzar una
temperatura de 50 ºC, luego se trasvasa al tanque de PVC y se colocan las barras de bronce
con los ánodos a los extremos y los cátodos en el centro, conectados con uniones metálicas
de prensa. Se conecta la manguera del sistema de agitación al tanque y el enchufe del cable
de electricidad de la bomba a la toma de corriente para iniciar el burbujeo. Con la fuente de
corriente apagada, se conecta la terminal positiva a las barras anódicas y la terminal
negativa a la barra catódica. Además, se conecta el amperímetro al cable de la terminal
negativa de la fuente de corriente y el voltímetro a los cables entre ambas terminales.
Capítulo 10: Niquelado
68
Finalmente, se enciende la fuente de corriente y con el cronómetro se inicia la medición del
tiempo de electrodeposición. Al cabo de un minuto de proceso, se apaga el equipo eléctrico.
El proceso de niquelado en operación se muestra en la figura 10.2.
Figura 10.2.
Proceso de electrodeposición de níquel en operación.
Durante el proceso de niquelado, los ánodos tienden a disolverse formando una
pequeña cantidad de lodos, los cuales deben eliminarse por filtración del baño. El baño
posee un color verde característico de las sales de níquel y el electrodepósito de níquel tiene
un color plateado brillante por el efecto de los aditivos.
El aditivo utilizado es sacarina sódica, un abrillantador secundario muy utilizado en
formulaciones patentadas. Según varios autores, mediante la utilización de este compuesto
se obtiene una capa brillante sin llegar al brillo de espejo que es posible alcanzar mediante
la adición conjunta de un abrillantador primario como el butindiol con uno secundario. Sin
embargo, para los alcances de este proyecto, el depósito brillante obtenido es suficiente.
Al finalizar esta etapa, las placas se deben lavar en un enjuague simple con agua
destilada seguido de una inmersión en un baño de ácido crómico diluido, previo a la etapa
de cromado.
Capítulo 10: Niquelado
69
10.8. Mantenimiento y control del baño
En los baños de Watts, los contaminantes más comunes son los lodos provenientes
de la disolución de los ánodos de níquel. La forma de eliminar estas impurezas es mediante
filtración por gravedad. El medio filtrante no debe ser papel filtro de celulosa, en cambio,
se puede usar ya sea diatomita, algodón o un filtro de vidrio.
Otros contaminantes frecuentemente encontrados en estos baños, son sólidos
suspendidos, los cuales también se eliminan por filtración por gravedad. Las impurezas
orgánicas se eliminan mediante tratamiento con carbón activado especificado para medio
ácido. Para la corrección de otros problemas en los baños de níquel se puede consultar el
apéndice G.
El mantenimiento del equipo utilizado en esta etapa es la limpieza de los tanques,
los ánodos, barras de bronce y el sistema de agitación por aire. Para el almacenamiento de
las soluciones se dispone de recipientes de vidrio específicos para cada baño. Antes y
después de su utilización los tanques deben ser lavados con abundante agua y jabón.
Mientras el equipo no se utilice, se debe guardar en un lugar seco, sin humedad y lejos de
mecheros u otras fuentes de calor.
Durante su operación, el baño es controlado mediante la medición de la
temperatura, la corriente y el voltaje. Además, mediante la observación del proceso se debe
controlar que el sistema de agitación funcione correctamente. La concentración de los
constituyentes del baño se puede controlar mediante la realización de pruebas con la celda
de Hull o por análisis químico.
10.9. Espesor del electrodepósito
En el cuadro 10.3 y figura 10.3 se muestran los espesores de níquel
electrodepositado en varias placas, mediante la utilización del equipo a las condiciones de
operación especificadas durante un minuto.
De los datos obtenidos, se puede observar que para la operación del equipo a las
condiciones especificadas durante un minuto, se esperaba un espesor de níquel promedio de
1,02 µm. Sin embargo, experimentalmente se obtiene un espesor promedio de 0,96 µm,
Capítulo 10: Niquelado
70
calculado mediante el método gravimétrico, y un espesor promedio de 2,5 µm, calculado
mediante el método micrométrico.
Cuadro 10.3. Espesores de níquel electrodepositado en varias placas, calculados mediante
distintos métodos
Espesor mediante
Espesor mediante
Espesor mediante
Corrida
método coulométrico
método gravimétrico
método micrométrico
#
Tg
Tm
Tc
(µm)
(µm)
(µm)
1
1,02
0,91
5,0
2
1,02
0,96
5,0
3
1,03
0,97
0,0
4
1,03
0,99
5,0
5
1,01
0,97
5,0
6
1,01
0,97
0,0
7
1,03
0,92
0,0
8
1,03
0,99
0,0
9
1,02
0,95
0,0
10
1,02
1,00
5,0
Promedio
1,02
0,96
2,5
6,0
Coulométrico
Gravimétrico
Micrométrico
Espesor ( µ m )
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
1
Figura 10.3.
2
3
4
5
6
Corrida
7
8
9
10
Espesores de níquel electrodepositado en varias placas,
calculados mediante distintos métodos.
Capítulo 10: Niquelado
71
En la figura 10.4, se muestra la placa antes y después del proceso de
elctrodeposición de níquel. Se puede apreciar el color rojo ladrillo de la capa de cobre antes
del proceso de niquelado y el color plateado de la capa de níquel debido a la formulación y
las condiciones de operación establecidas.
Antes
Figura 10.4.
Después
Cátodo durante la etapa de niquelado.
10.10. Rendimiento del baño
En el cuadro 10.4 y figura 10.5 se muestran las eficiencias del baño de níquel para
la formulación y condiciones de operación especificadas, con una duración del proceso de
un minuto.
Se puede observar que la eficiencia promedio según el método gravimétrico es del
94,2%, mientras que según el método micrométrico es del 245,1%. Estos resultados
concuerdan con las eficiencias reportadas en la literatura, lo que evidencia el adecuado
funcionamiento del equipo durante la etapa de niquelado.
Las eficiencias mediante el método micrométrico no pueden tomarse como
referencia debido a que los espesores electrodepositados fueron mucho menores que la
precisión del micrómetro, por lo tanto se obtuvieron mediciones erróneas.
Capítulo 10: Niquelado
72
Cuadro 10.4. Eficiencias del baño de níquel para varias placas, calculados mediante
distintos métodos
Eficiencia mediante método
Eficiencia mediante método
Corrida
gravimétrico
micrométrico
#
efg
efm
(%)
(%)
1
89,2
490,2
2
94,1
490,2
3
94,2
0,0
4
96,1
485,4
5
96,0
495,0
6
96,0
0,0
7
89,3
0,0
8
96,1
0,0
9
93,1
0,0
10
98,0
490,2
Promedio
94,2
245,1
550
Gravimétrica
Micrométrica
500
450
Eficiencia (% )
400
350
300
250
200
150
100
50
0
1
2
3
4
5
6
Corrida
7
8
9
10
Figura 10.5. Eficiencias del baño de níquel para varias placas,
calculados mediante distintos métodos.
10.11. Normalización
Según la American Society for Testing and Materials, en la especificación estándar
para capas electrodepositadas de cobre más níquel más cromo y níquel más cromo, ASTM
Capítulo 10: Niquelado
73
B 456; para superficies de cinc y sus aleaciones debe depositarse como mínimo 10 µm de
níquel.
Para una condición de servicio 1, debe haber un mínimo de 10 µm de níquel
brillante. Para una condición de servicio 2, el espesor debe ser como mínimo de 15 µm de
níquel brillante. Para una condición de servicio 3, se debe electrodepositar una doble o
triple capa con espesor mínimo de 20 µm de níquel. Para una condición de servicio 4, debe
ser como mínimo de 30 µm de níquel de doble o triple capa. Para una condición de servicio
5, el espesor de la doble o triple capa de níquel debe ser de 35 µm.
Por lo tanto, para cumplir con la normativa de una condición de servicio de 2,
especificada como moderada, se debe operar el equipo durante 942 s (15,7 min) bajo las
condiciones y formulación establecidos.
CAPITULO 11
CROMADO
Inteligencia militar: dos términos contradictorios.
Groucho Marx
11.1. Metodología
En esta etapa final del proceso, el objetivo fundamental es electrodepositar una capa
de cromo sobre la capa de níquel, para cada placa por aparte, utilizando un baño de cromo
decorativo. Este baño fue elegido porque es utilizado casi universalmente en todas las
industrias que se dedican al cromado. Es muy sencillo de preparar, operar y controlar, sin
embargo, se debe trabajar muy cuidadosamente porque expele gases muy tóxicos y
corrosivos.
Para esta etapa, la metodología consiste en preparar una solución electrolítica de
cromo según las condiciones especificadas para baños de cromo decorativo. Las placas,
previamente niqueladas, pesadas y medidas se sumergen primero en una solución muy
diluida de trióxido de cromo en agua destilada y posteriormente en la solución electrolítica
de ácido crómico a las condiciones de operación establecidas durante dos minutos. Al cabo
de este tiempo, las piezas se enjuagan, secan y se vuelven a pesar y a medir su espesor.
Aquí finaliza el proceso completo.
Con los datos medidos más el tiempo de electrodeposición y la corriente aplicada,
se calcula el espesor de la capa de cromo y la eficiencia catódica del baño. En esta etapa no
es posible calcular la eficiencia de los ánodos ya que éstos no son solubles, además de ser
de un metal distinto al electrodepositado.
11.2. Formulación del baño
La formulación adoptada se presenta en el cuadro 11.1. Como criterio de selección
está en mantenerse dentro de los intervalos de la mayoría de los autores con el fin de
obtener una capa de cromo brillante sin características especiales de dureza o tensión.
74
Capítulo 11: Cromado
75
Cuadro 11.1. Formulación elegida para el baño de cromo
Reactivo
CrO3
H2SO4
Concentración
(g/L)
250
2,5
Las características de los reactivos utilizados se muestran en el cuadro 7.1. El
trióxido de cromo se encuentra en estado sólido, tiene una pureza del 99,8% y es de grado
industrial, mientras que el ácido sulfúrico es una solución al 98% con una densidad de 1,84
g/mL, de grado industrial. Debe tomarse en cuenta que las concentraciones presentadas en
el cuadro 11.1 corresponden al reactivo con una pureza del 100%, así, la cantidad de
reactivos adicionados debe calcularse adecuadamente para no alterar la composición del
baño.
11.3. Equipo
Para esta etapa el equipo está conformado por un tanque para la celda electrolítica,
la fuente de corriente directa con sus conexiones, las barras de los electrodos, los cátodos o
placas a recubrir y los ánodos de plomo.
El tanque fue construido con PVC laminado de 2,2 cm de espesor, tiene 10 cm de
ancho, 7 cm de largo y 10 cm de altura, su capacidad es de 700 cm3, mientras que el
volumen del líquido se mantiene a 455 cm3.
La fuente de corriente directa es un rectificador, con una salida de 22 ACD y una
alimentación de 120 VCD / 60 Hz. Las conexiones son cables de cobre forrados y las
uniones son sujetadores metálicos de prensa.
Las barras de los electrodos son de bronce, de 2,4 mm (3/32 pulg) de diámetro y una
longitud de 10 cm. Los ánodos son placas de plomo.
11.4. Preparación del baño
La preparación del baño es muy simple ya que el trióxido de cromo es muy soluble
en agua. Una vez éste se haya disuelto y se le agregue la cantidad requerida de ácido
sulfúrico, el baño está listo para su uso. No se requieren aditivos.
Capítulo 11: Cromado
76
Para su preparación se sigue con el procedimiento descrito a continuación: con una
probeta se miden 350 mL de agua destilada y se depositan en un beaker de plástico de un
litro. En un vidrio de reloj, con una balanza, se pesan 114 g de CrO3 y se agregan al beaker
de plástico, se agita la mezcla hasta disolver. Luego, se agregan 0,6 mL de H2SO4 (12
gotas) a la mezcla de ácido crómico. Seguidamente, se agrega agua destilada hasta un
volumen total de 455 mL y se mezcla con un agitador de vidrio hasta que la disolución se
observe homogénea.
Es importante considerar los siguientes aspectos a la hora de preparar la mezcla:
•
Asegurarse que el ácido sea adicionado a suficiente agua para evitar la generación
de calor excesivo o salpicaduras.
•
El electrolito se debe mezclar en un recipiente o tanque de plástico o cerámica.
11.5. Ánodos
Los ánodos fueron construidos fundiendo trozos de plomo y convirtiéndolos en
láminas de 3,0 mm de espesor, 5,9 cm de largo y 5,7 cm de ancho utilzando un molde de
madera. En la figura 11.1 se presentan los ánodos de plomo utilizados.
Figura 11.1.
Ánodos de plomo utilizados en la
etapa de cromado.
Cada ánodo tiene en promedio una masa de plomo de 96,5 g y un área de 41,1 cm2.
Como el área total de las placas de metal base es de 40,35 cm2, el baño tiene una relación
ánodo/cátodo de 2,04.
Capítulo 11: Cromado
77
Los ánodos son del tipo insolubles y se distribuyen a ambos lados del cátodo y a
distancias iguales para favorecer la uniformidad del electrodepósito. Se unen a las barras
anódicas mediante sujetadores metálicos tipo de prensa.
11.6. Preparación del metal base
La preparación del metal base después de la etapa de niquelado la conforma las
siguientes dos etapas: enjuague en agua destilada y prebaño de cromo.
En caso de utilizar objetos niquelados con mucha anterioridad, debe de asegurarse
su limpieza siguiendo el procedimiento de preparación descrito en el capítulo 8, antes del
prebaño de cromo.
11.6.1. Enjuague
En esta etapa la pieza debe lavarse totalmente con agua destilada después del
proceso de electrodeposicón de níquel. Se efectúa como una inmersión de la placa durante
unos pocos segundos, dicha inmersión se repite dos veces. Se trabaja a temperatura
ambiente.
Se utiliza un tanque para baño simple construido con PVC laminado de 2,2 mm de
espesor. El tanque tiene una capacidad de 360 mL, con dimensiones de 6 cm de ancho, 6
cm de largo y 10 cm de altura. El volumen del líquido utilizado es de 235 mL.
11.6.2. Prebaño de cromo
El objetivo de esta etapa es aumentar la eficiencia de la electrodeposición de cromo
mediante la activación de la superficie de la placa. Consiste en una rápida inmersión en una
solución de CrO3 en agua con una concentración de 20 g/L, a temperatura ambiente.
Esta etapa se lleva a cabo en un tanque simple, construido con PVC laminado de 2,2
mm de espesor. El tanque tiene 6 cm de ancho, 6 cm de largo y 10 cm de altura. Tiene una
capacidad de 360 mL, sin embargo el volumen del líquido es de 235 mL.
Para la preparación del baño se prosigue de la siguiente forma: con una probeta se
miden 235 mL de agua destilada y se depositan en un beaker. En un vidrio de reloj, con una
Capítulo 11: Cromado
78
balanza, se pesan 4,7 g de CrO3 y se agregan al beaker, se agita la mezcla hasta disolver,
finalmente se trasvasa esta mezcla al tanque de PVC.
11.7. Operación del baño
Las condiciones de operación seleccionadas se presentan en el cuadro 11.2. El
criterio de selección es el de mantenerse dentro de los intervalos de la mayoría de los
autores y obtener una capa de cromo brillante. La densidad de corriente se definió con base
en los resultados de las pruebas con la celda de Hull.
Cuadro 11.2. Condiciones de operación elegidas para el baño de cromo
Condición de operación
Valor
Temperatura
45 ºC
Densidad de corriente catódica
22,3 A/dm2
Voltaje
3,75 V
Agitación
No hay
Rendimiento
21 %
Relación ánodo/cátodo
2,04
Velocidad de deposición
0,35 µm/min
Composición de los ánodos
Plomo
La temperatura de operación de los baños de cromo decorativo es entre 35 y 60 ºC,
pero debido a que el PVC no es apto para temperaturas mayores de 60 ºC, se decide operar
el baño a 45 ºC para tener un margen por posibles aumentos de temperatura debido a la
corriente aplicada. En todo momento se mide la temperatura con un termómetro de vidrio
para prevenir mal funcionamiento del tanque.
Con ayuda de las resistencias acopladas al circuito, se suministra corriente a 9 A y
un voltaje de 3,75 V, los cuales no se ven afectados durante el proceso ni presentan
cambios significativos. Se utiliza como cátodo una de las placas provenientes de la etapa de
niquelado, la cual tiene 40,35 cm2 de área, de esta forma la densidad de corriente es de
22,30 A/dm2. En caso de querer variar la densidad de corriente, y por lo tanto la velocidad
de deposición, se pueden cambiar las resistencias utilizadas o el tamaño de las placas.
La velocidad de electrodeposición para las condiciones de trabajo establecidas es de
0,35 µm por minuto, mientras que el rendimiento del baño es de 21%.
Capítulo 11: Cromado
79
Para trabajar con este baño se procede a preparar la disolución, los ánodos y el
cátodo. La disolución se debe calentar en una plantilla eléctrica hasta alcanzar una
temperatura de 45 ºC, luego se trasvasa al tanque de PVC y se colocan las barras de bronce
con los ánodos a los extremos y el cátodo en medio, conectados con sujetadores metálicos
de prensa. Con la fuente de corriente apagada, se conecta la terminal positiva a las barras
anódicas y la terminal negativa a la barra catódica. También, se conecta el amperímetro al
cable de la terminal negativa y el voltímetro a los cables entre ambas terminales.
Finalmente, se enciende la fuente de corriente y se inicia la medición del tiempo de
electrodeposición con el cronómetro. Luego de dos minutos de operación del equipo, se
apaga el equipo eléctrico. El proceso de cromado en operación se muestra en la figura 11.2.
Figura 11.2.
Proceso de electrodeposición de cromo en operación.
Durante el proceso de cromado, los ánodos se cubren de una capa protectora de
óxido de color negro, la cual evita la formación de depósitos rugosos. El baño posee un
color café característico del ácido crómico y produce una gran cantidad de gases ácidos
corrosivos. El electrodepósito de cromo tiene un color blanco azulado brillante de una alta
dureza.
Al finalizar esta etapa, la placa pasa a un último enjuague doble, el cual consiste de
dos tanques simples, ambos con agua destilada a temperatura ambiente. El primer enjuague
actúa como tanque recuperador, mientras que el segundo es un tanque específicamente de
Capítulo 11: Cromado
80
limpieza. Se efectúa como una inmersión muy rápida de unos segundos de la placa en cada
baño, dicha inmersión se repite dos veces. Se trabaja a temperatura ambiente.
Ambos tanques simples fueron construidos con PVC laminado de 2,2 mm de
espesor. Tienen una capacidad de 360 mL, con dimensiones de 6 cm de ancho, 6 cm de
largo y 10 cm de altura. El volumen del líquido utilizado es de 235 mL
11.8. Mantenimiento y control del baño
En los baños de cromo, los contaminantes más comunes son lodos formados en muy
pequeñas cantidades. Para eliminar estas impurezas no se requiere filtración, se puede
realizar por decantación. Otros contaminantes frecuentemente encontrados en este tipo de
baños, son sólidos suspendidos, los cuales se eliminan por filtración con diatomita, algodón
o filtro de vidrio. Las impurezas orgánicas se eliminan mediante tratamiento con carbón
activado especificado para medio ácido fuerte. Para la corrección de otros problemas se
puede consultar el apéndice G.
El mantenimiento del equipo para esta etapa corresponde a la limpieza de los
tanques, los ánodos y barras de bronce. Para el almacenamiento de las soluciones se
dispone de recipientes de vidrio específicos para cada baño. Los tanques y la cristalería
deben ser lavados muy bien con agua y jabón antes y después de su utilización. Cuando el
equipo no se utiliza, debe ser guardado en un lugar seco, sin humedad y lejos de mecheros
u otras fuentes de calor.
Durante su operación, el baño es controlado mediante la medición de la
temperatura, la corriente y el voltaje. Además, mediante la observación del proceso se debe
controlar el buen funcionamiento de los ánodos.
El control de la concentración de los constituyentes del baño se efectúa mediante
pruebas con la celda de Hull o por análisis químico.
11.9. Espesor del electrodepósito
En el cuadro 11.3 y figura 11.3 se muestran los espesores electrodepositados de
cromo en varias placas, mediante la utilización del equipo a las condiciones de operación
especificadas durante dos minutos.
Capítulo 11: Cromado
81
Cuadro 11.3. Espesores de cromo electrodepositado en varias placas, calculados mediante
distintos métodos
Espesor mediante
Espesor mediante
Espesor mediante
Corrida
método coulométrico
método gravimétrico
método micrométrico
#
Tc
Tg
Tm
(µm)
(µm)
(µm)
1
3,31
0,78
0,0
2
3,31
0,68
0,0
3
3,31
0,69
0,0
4
3,28
0,61
0,0
5
3,34
0,72
0,0
6
3,32
0,82
5,0
7
3,36
0,66
0,0
8
3,32
0,68
0,0
9
3,35
0,66
0,0
10
3,35
0,73
5,0
Promedio
3,33
0,70
1,0
6,0
Coulométrico
Gravimétrico
Micrométrico
Espesor ( µ m )
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
1
2
3
4
5
6
Corrida
7
8
9
10
Figura 11.3. Espesores de cromo electrodepositado en varias placas,
calculados mediante distintos métodos.
De los datos obtenidos se observa que, en promedio, para la operación del equipo a
las condiciones especificadas durante dos minutos se esperaba un espesor de cromo de 3,33
µm. En la práctica, sin embargo, se obtiene un espesor promedio de 0,70 µm, calculado
Capítulo 11: Cromado
82
mediante el método gravimétrico y un espesor promedio de 1,0 µm, calculado mediante el
método micrométrico.
En la figura 11.4, se muestra la placa antes y después del proceso de
elctrodeposición de cromo. Se puede apreciar el color plateado de la capa de níquel antes
del proceso de cromado y el color blanco azulado de la capa de cromo debido a la
formulación y las condiciones de operación establecidas.
Antes
Figura 11.4.
Después
Cátodo durante la etapa de cromado.
11.10. Rendimiento del baño
En el cuadro 11.4 y figura 11.5 se muestra la eficiencia del baño de cromo bajo la
formulación y condiciones de operación especificadas, durante dos minutos de proceso.
Tal como se observa, la eficiencia promedio según el método gravimétrico es de
21,1%, mientras que según el método micrométrico es de 30,0%. Estos valores tan bajos se
pueden explicar debido a la formación de una gran cantidad de reacciones secundarias en la
celda electrolítica y principalmente en la superficie de los ánodos. Estos resultados
concuerdan con las eficiencias reportadas en la literatura, lo que evidencia el adecuado
funcionamiento del equipo durante la etapa de cromado.
Capítulo 11: Cromado
83
Cuadro 11.4. Eficiencias del baño de cromo para varias placas, calculados mediante
distintos métodos
Eficiencia mediante método
Eficiencia mediante método
Corrida
gravimétrico
micrométrico
#
efg
efm
(%)
(%)
1
23,6
0,0
2
20,5
0,0
3
20,8
0,0
4
18,6
0,0
5
21,6
0,0
6
24,7
150,6
7
19,6
0,0
8
20,5
0,0
9
19,7
0,0
10
21,8
149,3
Promedio
21,1
30,0
200
Gravimétrica
Micrométrica
175
Eficiencia (% )
150
125
100
75
50
25
0
1
2
3
4
5
6
Corrida
7
8
9
10
Figura 11.5. Eficiencias del baño de cromo para varias placas,
calculados mediante distintos métodos.
11.11. Normalización
Según la American Society for Testing and Materials, en la especificación estándar
para capas electrodepositadas de cobre más níquel más cromo y níquel más cromo, ASTM
Capítulo 11: Cromado
84
B 456; para superficies de cinc y sus aleaciones debe depositarse como mínimo 0,13 µm de
cromo.
Para una condición de servicio 1, se debe electrodepositar una capa regular
(convencional) de cromo con un espesor mínimo de 0,13 µm Para las condiciones de
servicio del 2 al 5, el espesor debe ser como mínimo de 0,25 µm. Sin embargo, para las
condiciones de servicio del 3 al 5, esta capa de cromo debe ser del tipo microagrietado o
microporoso, mientras que para la condición de servicio 2, esta capa puede ser tanto del
tipo regular como del tipo microagrietado o microporoso.
Por lo tanto, para cumplir con cualquier condición de servicio se debe operar el
equipo durante 22 s bajo las condiciones y formulación establecidas.
CAPITULO 12
DISEÑO DE LA GUÍA DE PRÁCTICA DE LABORATORIO
Dime y lo olvido, enséñame y lo recuerdo, involúcrame y lo
aprendo.
Benjamin Franklin
El equipo fue diseñado y construido con el objetivo de ser utilizado para que
cualquier estudiante o docente de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica
tenga la oportunidad de profundizar e investigar el proceso de electrodeposición. Por tal
motivo, una guía de práctica de laboratorio complementa el proyecto.
Su implementación como práctica de laboratorio para el curso de Ingeniería de los
Materiales pretende que los estudiantes de Ingeniería Química se familiaricen con uno de
los procesos de recubrimiento de metales más importante de la industria, la
electrodeposición, además de los factores que involucran la medición de espesores y el
control del proceso.
El criterio para el diseño de esta guía es el de simular a escala de laboratorio, de una
manera sencilla y de corta duración, el proceso completo de electrodeposición de cromo
que se sigue normalmente en las industrias.
Para una utilización óptima del equipo construido se citan las siguientes
recomendaciones:
•
Incluir la guía de práctica de laboratorio propuesta en el curso Ingeniería de los
Materiales.
•
Antes de la utilización del equipo es necesario realizar una investigación del
proceso que incluya como mínimo los principios fundamentales, conceptos de
celdas electrolíticas y la función de cada etapa del proceso y el equipo de medición.
Además de las normas de salud y seguridad pertinentes.
•
Efectuar una buena limpieza de los cátodos antes de operar el equipo en cualquier
etapa de electrodeposición.
•
Bajo ninguna circunstancia trabajar en los tanques de PVC con soluciones que
excedan una temperatura de 55 ºC.
85
•
Al finalizar la utilización del equipo, dejar enfriar los baños y almacenarlos en su
recipiente respectivo.
•
Lavar muy bien los tanques y los ánodos antes y después de su utilización.
•
Realizar una visita planeada a una industria especializada en electrodeposición,
preferiblemente de cromado, como complemento a la práctica de laboratorio y
realizar un informe apropiado.
•
Eliminar las impurezas de las disoluciones electrolíticas periódicamente para evitar
inconvenientes de operación.
•
Controlar la composición de cada baño electrolítico mediante análisis químico y
preferiblemente mediante la utilización de la celda de Hull.
•
Utilizar la celda de Hull para realizar pruebas con cada baño electrolítico y así
elaborar una base de datos con los cátodos utilizados para realizar comparaciones y
otros estudios relacionados.
•
Investigar e implementar la utilización de distintas concentraciones de diferentes
aditivos en los baños de cobre y principalmente de níquel y de esta forma formular
mezclas de abrillantadores con la posibilidad de incluirlas en el mercado nacional.
•
Estudiar la manera más amigable con el medio ambiente de disponer de los
desechos producidos en este proceso y aplicarla cada vez que se utilice el equipo.
•
Darle el mantenimiento adecuado a todos los tanques y a largo plazo, reforzar
aquellos que se utilizan para contener soluciones ácidas. Si es posible, cambiar los
tanques que contienen las soluciones electrolíticas por tanques de fibra de vidrio, el
cual es un material más resistente que el PVC.
12.1. Metodología
La metodología consiste en preparar las soluciones electrolíticas para los baños de
cobre, níquel y cromo siguiendo los pasos detallados en capítulos anteriores. Luego, se
arma el equipo, cuidando que cada tanque esté dispuesto según el orden establecido y se
conecta el equipo eléctrico y de agitación.
Ambas placas a recubrir deben ser preparadas, pesadas y medidas, seguidamente
sumergidas en el baño de cobre durante un minuto, luego son enjuagadas, tratadas en el
86
Capítulo 12: Diseño de la Guía de Práctica de Laboratorio
87
baño de níquel por un minuto, enjuagadas nuevamente y finalmente se bañan, primero una
pieza y luego la otra, en el tanque de cromado durante dos minutos. Antes y después de
cada baño electrolítico, a las piezas, completamente secas, se les mide su masa y su
espesor, los cuales deben ir en aumento con cada medición. Cada baño electrolítico debe
ser operado bajo las condiciones establecidas para asegurar launiformidad de los resultados.
Finalmente, con los datos medidos, se calculan los espesores de metal electrodepositado en
cada etapa y se determina el rendimiento de cada baño electrolítico.
12.2. Procedimiento experimental
12.2.1. Preparación de los baños de limpieza y prebaños
a.
Baño alcalino: en un beaker, disolver 2,41 g de NaOH en 235 mL de agua destilada,
agitar hasta disolver y trasvasar a un tanque para baño simple.
b.
Baño ácido: agregar 5,21 mL de HCl a un beaker con 235 mL de agua destilada,
agitar y trasvasar a un tanque para baño simple.
c.
Enjuagues: agregar 235 mL de agua destilada a 4 tanques para baño simple y a cada
compartimiento de dos tanques para baño doble.
d.
Baño de H2O2: agregar 78 mL de H2O2 comercial (3% en peso) a un beaker con 157
mL de agua destilada, agitar y trasvasar a un tanque para baño simple.
e.
Prebaño de cromo: agregar 4,7 g de CrO3 a un beaker con 235 mL de agua
destilada, agitar hasta disolver y trasvasar a un tanque para baño simple.
12.2.2. Preparación de los aditivos
a.
Aditivos para baño de cobre: en un beaker con 150 mL de agua destilada caliente,
disolver 9,5 g de melaza y 1,27 g de gelatina blanca, agitar hasta disolver y
almacenar en su recipiente correspondiente.
b.
Aditivos para baño de níquel: agregar 60 mL de sacarina sódica comercial
(concentración de 300 mg/mL) a un beaker con 20 mL de agua destilada, agitar y
almacenar en su recipiente correspondiente.
Capítulo 12: Diseño de la Guía de Práctica de Laboratorio
88
12.2.3. Preparación de la solución electrolítica de cobre
a.
A un beaker plástico de un litro, con 300 mL de agua destilada, agregar lentamente
y con agitación 23 mL de H2SO4.
b.
Agregar 186 g de CuSO4·5H2O y agitar.
c.
Agregar 4 gotas de HCl y agitar.
d.
Agregar 10 mL de mezcla de aditivos para baño de cobre y agua destilada hasta
obtener 845 mL en total, agitar vigorosamente.
12.2.4. Preparación de la solución electrolítica de níquel
a.
A un beaker plástico de un litro, con 400 mL de agua destilada, agregar 222 g de
NiSO4·6H2O y 39 g de NiCl2·6H2O, agitar.
b.
A un beaker pequeño con 100 mL de agua destilada, agregar 30 g de H3BO3 y
agitar.
c.
Agregar la mezcla anterior al beaker plástico y agitar.
d.
Agregar 10 mL de mezcla de aditivos para baño de níquel y agua destilada hasta
obtener 845 mL en total, agitar vigorosamente.
e.
Calentar la mezcla en una plantilla eléctrica, mantener a 50 ºC de temperatura.
12.2.5. Preparación de la solución electrolítica de cromo
a.
A un beaker con 300 mL de agua destilada, agregar 114 g de CrO3 y agitar.
b.
Agregar 0,65 mL de H2SO4 (13 gotas) y agua destilada hasta obtener 455 mL en
total, agitar vigorosamente.
c.
Calentar la mezcla en una plantilla eléctrica, mantener a 45 ºC de temperatura.
12.2.6. Preparación de los ánodos
a.
Para el baño de cobre, utilizar dos láminas de cobre enrollado. Sujetar cada lámina
con dos sujetadores de prensa a sus extremos.
b.
Para el baño de níquel, utilizar dos bolsas de polímero con once ánodos de níquel
dentro.
Capítulo 12: Diseño de la Guía de Práctica de Laboratorio
c.
89
Para el baño de cromo, utilizar dos láminas de plomo. Sujetar cada lámina con dos
sujetadores metálicos de prensa a sus extremos.
d.
Lavar muy bien cada ánodo con abundante agua antes de colocarlos en los baños.
12.2.7. Preparación del equipo
a.
Acomodar los tanques en el orden establecido según el capítulo 6, como se muestra
en la figura 6.1.
b.
Colocar la solución electrolítica de cobre y las barras de soporte de los electrodos en
el tanque para baño de cobre.
c.
Con los sujetadores de prensa, colgar los ánodos de cobre a las barras de los
extremos de tal manera que queden apenas sumergidos en la solución electrolítica.
d.
Colocar la solución electrolítica de níquel (previamente calentada a una temperatura
de 50 ºC) y las barras de soporte de los electrodos en el tanque para baño de níquel.
e.
Colgar los ánodos de níquel a las barras de los extremos de tal manera que queden
apenas sumergidos en la solución electrolítica.
f.
Colocar la solución electrolítica de cromo (previamente calentada a una temperatura
de 45 ºC) y las barras de soporte de los electrodos en el tanque para baño de cromo.
g.
Con los sujetadores de prensa, colgar los ánodos de plomo a las barras de los
extremos de tal manera que queden apenas sumergidos en la solución electrolítica.
h.
Conectar el amperímetro a la terminal negativa de la fuente de corriente y el
voltímetro entre ambas terminales.
12.2.8. Preparación de los cátodos
a.
Utilizar dos láminas de latón con dimensiones aproximadas de 5 x 4 x 0,02 cm.
b.
Limpiar cada pieza con el pulidor de metales y limpiar con papel absorbente.
c.
Sujetar cada pieza con sujetadores de prensa a los extremos.
d.
Lavar las piezas en el baño alcalino de NaOH.
e.
Enjuagar cada pieza en un baño doble de agua destilada.
f.
Lavar las piezas en el baño ácido de HCl.
g.
Enjuagar cada pieza en un baño doble de agua destilada.
Capítulo 12: Diseño de la Guía de Práctica de Laboratorio
h.
90
Secar completamente las piezas, pesar en la balanza analítica, medir sus
dimensiones con el vernier y su espesor con el micrómetro.
12.2.9. Cobreado
a.
Con los sujetadores de prensa, colgar ambos cátodos a la barra central de tal manera
que queden completamente sumergidos en la solución electrolítica y cubiertos por el
área de proyección de los ánodos.
b.
Con el equipo eléctrico apagado, conectar, con cables de cobre forrado, con
sujetadores de prensa, la terminal negativa de la fuente de corriente a la barra
catódica y la terminal positiva a las barras anódicas.
c.
Conectar la manguera de aire al tanque de cobre y el cable de alimentación de la
bomba de aire a la toma de corriente para iniciar la agitación del baño.
d.
Colocar resistencias y prender la fuente de corriente de tal manera que el
amperímetro indique 6 A. Iniciar la toma de tiempo con el cronómetro y registrar la
corriente aplicada.
e.
Apagar la fuente de corriente al cabo de un minuto de proceso, registrar el tiempo
en segundos.
f.
Desconectar las conexiones de la fuente de corriente de las barras de soporte.
g.
Desconectar la manguera de aire del tanque y el cable de alimentación de la bomba
de aire de la toma de corriente.
h.
Enjuagar y secar los cátodos.
i.
Nuevamente, medir la masa de cada cátodo en la balanza analítica y el espesor con
el micrómetro, registrar los datos.
12.2.10. Niquelado
a.
Enjuagar cada cátodo en el baño de H2O2.
b.
Enjuagar cada cátodo en el baño de agua destilada.
c.
Conectar la manguera de aire al tanque de níquel y el cable de alimentación de la
bomba de aire a la toma de corriente para iniciar la agitación del baño.
Capítulo 12: Diseño de la Guía de Práctica de Laboratorio
d.
91
Con el equipo eléctrico apagado, conectar, con cables de cobre forrado, con
sujetadores de prensa, la terminal negativa de la fuente de corriente a la barra
catódica y la terminal positiva a las barras anódicas.
e.
Colocar resistencias y prender la fuente de corriente de tal manera que el
amperímetro indique 4 A.
f.
Con los sujetadores de prensa, colgar los cátodos a la barra central de tal manera
que queden completamente sumergidos en la solución electrolítica y cubiertos por el
área de proyección de los ánodos. Iniciar la toma de tiempo con el cronómetro y
registrar la corriente aplicada.
g.
Apagar la fuente de corriente al cabo de un minuto de proceso, registrar el tiempo
en segundos.
h.
Desconectar las conexiones de la fuente de corriente de las barras de soporte.
i.
Desconectar la manguera de aire del tanque y el cable de alimentación de la bomba
de aire de la toma de corriente.
j.
Enjuagar y secar los cátodos.
k.
Medir la masa de cada cátodo en la balanza analítica y el espesor con el micrómetro,
registrar los datos.
12.2.11. Cromado
a.
Durante esta etapa se trabaja con un cátodo a la vez en lugar de dos.
b.
Enjuagar el cátodo en el baño de agua destilada
c.
Enjuagar el cátodo en el prebaño de CrO3.
d.
Con los sujetadores de prensa, colgar el cátodo a la barra central de tal manera que
quede completamente sumergido en la solución electrolítica y cubierto por el área
de proyección de los ánodos.
e.
Con el equipo eléctrico apagado, conectar, con cables de cobre forrado, con
sujetadores de prensa, la terminal negativa de la fuente de corriente a la barra
catódica y la terminal positiva a las barras anódicas.
Capítulo 12: Diseño de la Guía de Práctica de Laboratorio
f.
92
Colocar resistencias y prender la fuente de corriente de tal manera que el
amperímetro indique 9 A. Iniciar la toma de tiempo con el cronómetro y registrar la
corriente aplicada.
g.
Apagar la fuente de corriente al cabo de dos minutos de proceso, registrar el tiempo
en segundos.
h.
Desconectar las conexiones de la fuente de corriente de las barras de soporte.
i.
Enjuagar el cátodo en los dos tanques simples de agua destilada y secar.
j.
Medir la masa del cátodo en la balanza analítica, registrar los datos.
k.
Repetir para la segunda placa.
12.3. Cálculos
12.3.1. Espesor del electrodepósito
El espesor se calcula con la masa y la densidad del metal depositado y el área total
del cátodo de la siguiente forma:
T=
m ∗ 10
A∗ ρ
14.1
La otra forma de determinar el espesor es mediante la diferencia de los espesores
medidos antes y después del proceso de electrodeposición:
T=
T f − Ti
2
14.2
12.3.2. Masa del electrodepósito
La masa de la capa de metal depositada se calcula aplicando la ley de Faraday:
m = e∗i ∗t ∗ A
14.3
Capítulo 12: Diseño de la Guía de Práctica de Laboratorio
93
De igual forma, la masa del depósito se puede calcular mediante la diferencia de las
masas del cátodo medidos antes y después del proceso de electrodeposición:
m = m f − mi
14.4
12.3.3. Eficiencia catódica del baño
Se calcula relacionando el espesor experimental con el espesor teórico, de la
siguiente forma:
ef =
Tteórico − Texp erimental
Tteórico
14.5
CAPITULO 13
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
La duda es la madre del descubrimiento.
Ambrose Bierce
La investigación desarrollada en este proyecto alcanzó con éxito el objetivo general
de diseñar, construir y poner en marcha un equipo para electrodeposición de cromo para el
Laboratorio de Ingeniería Química. Además, se pueden numerar las siguientes
conclusiones:
1.
Con la formulación elegida para el baño de sulfato de cobre y operando el equipo de
electrodeposición bajo las condiciones establecidas durante un minuto, se
electrodepositó una capa de cobre con un espesor promedio de 1,75 µm sobre una
placa de latón con un área de 40,35 cm2. La eficiencia catódica fue del 105,8%, debido
a que al iniciar el proceso se presentó electrodeposición por inmersión.
2.
Con la formulación elegida para el baño de níquel y operando el equipo de
electrodeposición bajo las condiciones establecidas durante un minuto, se
electrodepositó una capa de níquel con un espesor promedio de 0,96 µm sobre una
placa de latón con un revestimiento de cobre y un área de 40,35 cm2. La eficiencia
catódica fue de un 94,2%.
3.
Con la formulación elegida para el baño de cromo y operando el equipo de
electrodeposición bajo las condiciones establecidas durante dos minutos, se
electrodepositó una capa de cromo con un espesor promedio de 0,70 µm sobre una
placa de latón con un revestimiento de níquel sobre otro de cobre y un área de 40,35
cm2. La eficiencia catódica fue de un 21,1%.
4.
Operando el equipo de electrodeposición bajo las condiciones establecidas y las
formulaciones elegidas de las soluciones electrolíticas, para cumplir con la normativa
impuesta por la ASTM para electrodepósitos de cobre-níquel-cromo, es necesario un
tiempo de electrodeposición de 2,9 minutos durante la etapa de cobreado, 15,7 minutos
durante la etapa de niquelado y 22 segundos durante la etapa de cromado.
94
Capítulo 13: Conclusiones y Recomendaciones
5.
95
.El área de trabajo es pequeño, de no más de 2 m2, con la única restricción de tener que
estar dispuesto en un lugar con ventilación y cerca de las tomas de corriente eléctrica.
6.
Operando el equipo construido a las condiciones establecidas durante un tiempo
inferior a los 15 minutos, es posible reproducir a pequeña escala el proceso completo
de cromado tal y como se realiza industrialmente.
7.
La guía de práctica de laboratorio ilustra el proceso de cromado efectuado en las
industrias y es posible de realizar sin contratiempos en una sesión de laboratorio.
Para una utilización óptima del equipo construido se citan las siguientes
recomendaciones:
1.
Utilizar el equipo construido para estudiar formulaciones alternativas de cobre, níquel
y cromo como el baño de citrato de níquel propuesto por Tadashi Doi, o el baño de
cromo trivalente estudiado por varios investigadores como Donald Snyder.
2.
Cambiar la fuente de corriente y las resistencias por un rectificador de laboratorio con
un regulador tanto de corriente como de voltaje para tener una fuente de poder más
versátil.
3.
Investigar otros tipos de baños electrolíticos y utilizar el equipo construido para
estudiarlos adecuándolo según las formulaciones y las condiciones de operación
necesarias.
4.
Introducir en la práctica de laboratorio algún método normalizado para la medición de
dureza o de corrosión de la capa de metal electrodepositada como el ASTM B578 o el
ASTM B380.
5.
En la medida de lo posible, mantener en el laboratorio una cantidad razonable de los
reactivos utilizados en este proyecto para fomentar el uso del equipo y el proceso
como tal en investigación.
CAPÍTULO 14
BIBLIOGRAFÍA
Una librería es una de las únicas pistas que evidencian que la
gente todavía piensa.
Jerry Seinfeld
1. American Society for Testing and Materials. (2001). B177 Guide for Engineering
Chromium Electroplating. U.S.A.
2. American Society for Testing and Materials. (2006). B374 Terminology Relating to
Electroplating. U.S.A.
3. American Society for Testing and Materials. (2003). B456 Specification for
Electrodeposited Coatings of Copper plus Nickel plus Chromium and Nickel
plus Chromium. U.S.A.
4. American Society for Testing and Materials. (2006). D3034 Specification for Type PSM
Poly (Vinyl Chloride) (PVC) Sewer Pipe and Fittings. U.S.A.
5. Barauskas, Romualdas. (2001, Enero). Copper Plating. Metal Finishing, 99(1), 234-247.
6. Blum, W. & Hogaboom, G. (1958). Principles of Electroplating and Electroforming 3th
ed. U.S.A.: McGraw-Hill Book Company, Inc.
7. Bockris, John. O´M. y Reddy, Amulya K. N. (2003). Electroquímica Moderna. Vol. 2.
Barcelona: Reverté.
8. Căluşaru, Aurelian. (1979). Electrodeposition of Metal Powders. New York: Elsevier
Scientific Publishing Company.
9. Doi, Tadashi et al. (2004, Abril). Bright Nickel Plating from Nickel Citrate
Electroplating Baths. Metal Finishing. 102(4), 26-35.
10. E. I. du Pont de Nemours & Company. Acid Nickel Electroplating Additive Therefor
and Method of Making Said Additive. Inventor: Rushmere, John Derek. Appl.
No.: 690,315. Filed: May 26, 1976. U. S. Patent 4,062,738. 1977-12-13.
11. E. I. du Pont de Nemours & Company. Apparatus and Process for the Study of Plating
Solutions. Inventor: Hull, Richard O. Appl. No.: 12,416. Filed: Mar. 22, 1935.
U. S. Patent 2,149,344. 1939-03-07.
12. Gabe, D. R. (1972). Principles of Metal Surface Treatment and Protection. Great
Britain: A. Wheaton & Co.
96
Capítulo 14: Bibliografía
97
13. Glayman, J. y Faros, G. (1969). Galvanotecnia. Técnica y Procedimientos. España:
Técnicos Asociados S.A.
14. Gray, Allen G. (1953). Modern Electroplating. New York: John Wiley & Sons, Inc.
15. Graham, A. Kenneth. (Ed.). (1962). Electroplating Engineering Handbook. (2nd ed.).
New York: Chapman & Hall, Ltd.
16. Jones, Myrna. (1998). Diseño de una Práctica de Laboratorio Sobre Cromado y
Niquelado de Piezas Ferrosas. Tesis de Licenciatura no publicada. Facultad
de Ingeniería, Universidad de Costa Rica.
17. Kanto Kasei Co., Ltd. Nickel Plating Solution, Nickel-Chromium Electroplating Method
and Nickel-Chromium Plating Film. Inventor: Yokoi, Hiroshi. Appl. No.:
606,024. Filed: Oct. 30, 1990. U.S. Patent 5,160,423. 1992-11-03.
18. Kuhn, A. T. (1971). Industrial Electrochemical Processes. Amsterdam: Elsevier
Publishing Company.
19. M&T Chemicals Inc. Acid Copper Electroplating Baths Containing Brightening and
Leveling Additives. Inventor: Watson, Angus. Appl. No.: 277,057. Filed: Jun.
24, 1981. U. S. Patent 4,376,685. 1983-03-15.
20. M&T Chemicals Inc. Electroplating Bath and Process for Depositing Functional, at
High Efficiencies, Chromium which is Bright and Smooth. Inventor: Martyak,
Nicholas M. Appl. No.: 209,679. Filed: Jun. 21, 1988. U.S. Patent 4,810,336.
1989-03-07.
21. Mandich, N. V. & Geduld. Herb. (2002, Octubre). Understanding and Troubleshooting
Decorative Nickel Electroplating Systems – Part III: Roughness, Pitting, and
Burnt Deposits. Metal Finishing. 100(10), 38-46.
22. McDermott, John. (1974). Plating of Plastics with Metals. U.S.A.: Noyes Data
Corporation.
23. Milad, George. (2005, Febrero). Acid Copper Plating Evolve From Early Days of
Double- and Single-Sided Printed Wiring Boards. Metal Finishing. 103(2), 2933.
24. Mohler, J. B. & Sedusky, H. J. (1951). Electroplating for Metallurgist, Engineer and
Chemist. New York: Chemical Publishing Co., Inc.
25. Newby, Kenneth R. (1999, Enero). Functional Chromium Plating. Metal Finishing.
97(1), 223-233.
Capítulo 14: Bibliografía
98
26. Newman, Lee Scott & Newman, Jay. Hartley (1979). Electroplating and
Electroforming for Artist and Craftsmen. New York: Crown Publishers, Inc.
27. Pletcher, Derek. (1984). Industrial Electrochemistry. New York: Chapman and Hall
Ltd.
28. Sajdera, Norbert. (2001, Enero). Thickness Testing. Metal Finishing. 99(1), 560-575.
29. Snyder, Donald L. (2000, Enero). Decorative Chromium Plating. Metal Finishing.
98(1), 215-222.
30. Tamez Esparza, Elías. (2001). Dibujo Técnico. México: Limusa S.A.
31. Taskem, Inc. High Speed Acid Copper Plating. Inventor: Bokisa, George. Appl. No.:
10/100,708. Filed: Mar. 18, 2002. U. S. Patent 6,676,823B1. 2004-01-13.
32. Untracht, Oppi. (1975). Metal Techniques for Craftsmen. New York: Doubleday &
Company, Inc.
CAPÍTULO 15
NOMENCLATURA
Estudiando lo pasado se aprende lo nuevo.
Antiguo proverbio japonés
Mayúsculas:
A
Área
E
Potencial eléctrico
R
Resistencia eléctrica
T
Espesor del electrodepósito
cm2
V
Ω
µm
Minúsculas:
A
Ancho
E
Equivalente electroquímico
Ef
Eficiencia
I
Intensidad de corriente eléctrica
L
Largo
M
Masa
T
Tiempo
cm
mg/C
%
A
cm
mg
s
Griegas:
∆
Ρ
cm
kg/m3
Espesor
Densidad
Subíndices:
C
Se refiere al método coulométrico
Cr
Se refiere a la etapa de cromado
Crf
Se refiere al estado después del cromado
Cri
Se refiere al estado antes del cromado
Cu
Se refiere a la etapa de cobreado
Cuf
Se refiere al estado después del cobreado
Cui
Se refiere al estado antes del cobreado
Dcr
Se refiere al electrodepósito de cromo
Dcu
Se refiere al electrodepósito de cobre
Dni
Se refiere al electrodepósito de níquel
F
G
I
J
K
M
Ni
Se refiere al estado final
Se refiere al método gravimétrico
Se refiere al estado inicial
Se refiere a la j-ésima placa
Se refiere a la k-ésima placa
Se refiere al método micrométrico
Se refiere a la etapa de niquelado
99
Capítulo 15: Nomenclatura
Subíndices:
Nif
Se refiere al estado después del niquelado
Nii
Se refiere al estado antes del niquelado
P
Se refiere a la placa
Superíndices:
0
Se refiere al estado de referencia
100
APÉNDICE A
DATOS EXPERIMENTALES
Apéndice A: Datos Experimentales
102
Cuadro A.1. Masa de las placas durante la etapa de cobreado para diferentes corridas
Masa después del cobreado
Masa antes del cobreado
Corrida
mcuf
mcui
#
(mg)
(mg)
1
3103
3163
2
3099
3160
3
3064
3129
4
3097
3159
5
3071
3133
6
3061
3125
7
3051
3114
8
3117
3183
9
3065
3129
10
3057
3124
Cuadro A.2. Masa de las placas durante la etapa de niquelado para diferentes corridas
Masa después del niquelado
Masa antes del niquelado
Corrida
mnif
mnii
#
(mg)
(mg)
1
3163
3196
2
3160
3195
3
3129
3164
4
3159
3195
5
3133
3168
6
3125
3160
7
3114
3147
8
3183
3219
9
3129
3163
10
3124
3160
Cuadro A.3. Masa de las placas durante la etapa de cromado para diferentes corridas
Masa después del cromado
Masa antes del cromado
Corrida
mcrf
mcri
#
(mg)
(mg)
1
3196
3219
2
3195
3215
3
3164
3184
4
3195
3213
5
3168
3189
6
3160
3184
7
3147
3166
8
3219
3239
Apéndice A: Datos Experimentales
103
Cuadro A.3. (Continuación) Masa de las placas durante la etapa de cromado para
diferentes corridas
Masa antes del cromado
Masa después del cromado
Corrida
mcri
mcrf
#
(mg)
(mg)
9
3163
3182
10
3160
3181
Cuadro A.4. Espesor de las placas (medido con micrómetro) durante la etapa de cobreado
para diferentes corridas
Espesor antes del cobreado
Espesor después del cobreado
Corrida
Tcui
Tcuf
#
(µm)
(µg)
1
200
210
2
200
210
3
200
210
4
200
210
5
200
210
6
200
210
7
200
210
8
200
210
9
200
210
10
200
210
Cuadro A.5. Espesor de las placas (medido con micrómetro) durante la etapa de
niquelado para diferentes corridas
Espesor después del niquelado
Espesor antes del niquelado
Corrida
Tnif
Tnii
#
(µm)
(µm)
1
210
220
2
210
220
3
210
210
4
210
220
5
210
220
6
210
210
7
210
210
8
210
210
9
210
210
10
210
220
Apéndice A: Datos Experimentales
104
Cuadro A.6. Espesor de las placas (medido con micrómetro) durante la etapa de cromado
para diferentes corridas
Espesor antes del cromado
Espesor después del cromado
Corrida
Tcri
Tcrf
#
(µm)
(µm)
1
220
220
2
220
220
3
210
210
4
220
220
5
220
220
6
210
220
7
210
210
8
210
210
9
210
210
10
220
230
Cuadro A.7. Dimensiones iniciales de las placas
Ancho
Corrida
a
#
(cm)
1
5,050
2
5,055
3
5,000
4
5,010
5
5,035
6
5,030
7
4,990
8
5,040
9
5,010
10
4,995
Largo
l
(cm)
4,000
4,000
4,005
4,030
3,980
4,010
3,990
4,000
3,985
3,995
Espesor
δ
(cm)
0,020
0,020
0,020
0,020
0,020
0,020
0,020
0,020
0,020
0,020
Cuadro A.8. Corriente aplicada en las etapas de electrodeposición para diferentes corridas
Corriente durante la Corriente durante la Corriente durante la
Corrida
etapa de cobreado
etapa de niquelado
etapa de cromado
#
icobreado
iniquelado
icromado
(A)
(A)
(A)
1
6,00
4,00
9,00
2
6,00
4,00
9,00
3
6,00
4,00
9,00
4
6,00
4,00
9,00
5
6,00
4,00
9,00
6
6,00
4,00
9,00
7
6,00
4,00
9,00
Apéndice A: Datos Experimentales
105
Cuadro A.8. (Continuación) Corriente aplicada en las etapas de electrodeposición para
diferentes corridas
Corriente durante la Corriente durante la Corriente durante la
Corrida
etapa de cobreado
etapa de niquelado
etapa de cromado
#
icobreado
iniquelado
icromado
(A)
(A)
(A)
8
6,00
4,00
9,00
9
6,00
4,00
9,00
10
6,00
4,00
9,00
Cuadro A.9. Tiempo de electrodeposición para diferentes corridas
Tiempo durante la
Tiempo durante la
Tiempo durante la
Corrida
etapa de cobreado
etapa de niquelado
etapa de cromado
#
tcobreado
tniquelado
tcromado
(s)
(s)
(s)
1
60
61
120
2
60
61
120
3
61
61
119
4
61
61
119
5
60
60
120
6
60
60
120
7
60
61
120
8
60
61
120
9
62
60
120
10
62
60
120
APÉNDICE B
RESULTADOS INTERMEDIOS
Apéndice B: Resultados Intermedios
107
Cuadro B.1. Masa del electrodepósito de cobre para diferentes corridas
Masa según método coulométrico Masa según método gravimétrico
Corrida
mg dcu
mc dcu
#
(mg)
(mg)
1
59
60
2
59
61
3
60
65
4
61
62
5
59
62
6
59
64
7
59
63
8
60
66
9
61
64
10
61
67
Cuadro B.2. Masa del electrodepósito de níquel para diferentes corridas
Masa según método coulométrico Masa según método gravimétrico
Corrida
mg dni
mc dni
#
(mg)
(mg)
1
37
33
2
37
35
3
37
35
4
37
36
5
36
35
6
37
35
7
37
33
8
37
36
9
37
34
10
36
36
Cuadro B.3. Masa del electrodepósito de cromo para diferentes corridas
Masa según método coulométrico Masa según método gravimétrico
Corrida
mg dcr
mc dcr
#
(mg)
(mg)
1
97
23
2
97
20
3
96
20
4
96
18
5
97
21
6
97
24
7
97
19
8
97
20
Apéndice B: Resultados Intermedios
108
Cuadro B.3. (Continuación) Masa del electrodepósito de cromo para diferentes corridas
Masa según método coulométrico Masa según método gravimétrico
Corrida
mg dcr
mc dcr
#
(mg)
(mg)
9
97
19
10
97
21
Cuadro B.4. Área total de las placas
Corrida
#
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Área total
A
(cm2)
40,76
40,80
40,41
40,74
40,44
40,70
40,18
40,68
40,29
40,27
APÉNDICE C
MUESTRA DE CÁLCULO
Apéndice C: Muestra de Cálculo
110
C.1. Masa del electrodepósito según método coulométrico
La masa de un electrodepósito utilizando el método coulométrico se calcula con la
ley de Faraday mediante la siguiente ecuación:
mc = e ∗ i ∗ t ∗
AP j
AP j + AP k
C.1
Para el caso del electrodepósito de cobre, el cual tiene un equivalente
electroquímico con un valor de 0,3294 mg/C y tomando el dato de la columna 2, fila 2 del
cuadro A.8, el dato de la columna 2, fila 2 del cuadro A.9 y los datos del cuadro B.4,
columna 2, filas 2 y 3, se obtiene:
40,76 cm 2
mc = 0,3294 mg / C ∗ 6,00 A ∗ 60 s ∗
= 59 mg
40,76 cm 2 + 40,80 cm 2
Este dato corresponde al electrodepósito de cobre de la corrida #1 para una corriente
aplicada de 6,00 A durante 60 s y se reporta en la columna 2, fila 2 del cuadro B.1.
Para ensayos similares y electrodepósitos de otros metales se procede de la misma
forma. En el caso de los electrodepósitos de cromo no se utilizan los términos de las áreas
de las placas ya que se opera con una placa a la vez en lugar de dos. Los valores de
equivalentes electroquímicos para diferentes metales se presentan en el cuadro 2.1.
C.2. Masa del electrodepósito según método gravimétrico
La masa de un electrodepósito utilizando el método gravimétrico es la forma directa
de medir esta propiedad y se calcula mediante la siguiente ecuación:
m g = m f − mi
Tomando los datos de las columnas 2 y 3, fila 2 del cuadro A.1, se obtiene:
C.2
Apéndice C: Muestra de Cálculo
111
m g = 3163 mg − 3103 mg = 60 mg
Este dato corresponde al electrodepósito de cobre de la corrida #1 y se reporta en la
columna 3, fila 2 del cuadro B.1.
Para ensayos similares y electrodepósitos de otros metales se procede de la misma
forma.
C.3. Área total de la placa
El área total de la placa corresponde a la suma de las áreas de todas las caras de la
placa y se calcula mediante la siguiente ecuación:
A = 2 ∗ [(l ∗ a ) + (l ∗ δ ) + (a ∗ δ )]
C.3
Tomando los datos de las columnas 2, 3 y 4, fila 2 del cuadro A.7, se obtiene:
A = 2 ∗ [(4,00 cm ∗ 5,05 cm ) + (4,00 cm ∗ 0,02 cm ) + (5,05 cm ∗ 0,02 cm )] = 40,76 cm 2
Este dato corresponde al área total de la placa de la corrida #1 y se reporta en la
columna 2, fila 2 del cuadro B.4.
Para ensayos similares se procede de la misma forma.
C.4. Espesor teórico del electrodepósito
El espesor teórico del electrodepósito es aquel en que la masa es calculada
utilizando el método coulométrico y se calcula mediante la siguiente ecuación:
Tc =
mc ∗ 10
A∗ ρ
C.4
Para el caso del electrodepósito de cobre y suponiendo temperatura constante, el
valor de la densidad a 20 ºC es de 8,96 g/cm3, además, tomando el dato de la columna 2,
fila 2 del cuadro B.1 y el dato de la columna 2, fila 2 del cuadro B.4, se obtiene:
Apéndice C: Muestra de Cálculo
Tc =
112
59 mg ∗ 10
= 1,62 µm
40,76 cm 2 ∗ 8,96 g / cm 3
Este dato corresponde al espesor teórico del electrodepósito de cobre de la corrida
#1 y se reporta en la columna 2, fila 2 del cuadro 9.3.
Para ensayos similares y espesores de electrodepósitos de otros metales se procede
de la misma forma. Los valores de densidades para diferentes metales se presentan en el
anexo C.
C.5. Espesor experimental (según método gravimétrico) del electrodepósito
El espesor experimental siguiendo el método gravimétrico se calcula mediante la
siguiente ecuación:
Tg =
m g ∗ 10
A∗ ρ
C.5
Para el caso del electrodepósito de cobre y suponiendo temperatura constante, el
valor de la densidad a 20 ºC es de 8,96 g/cm3, además, tomando el dato de la columna 3,
fila 2 del cuadro B.1 y el dato de la columna 2, fila 2 del cuadro B.4, se obtiene:
Tg =
60 mg ∗ 10
= 1,64 µm
40,76 cm 2 ∗ 8,96 g / cm 3
Este dato corresponde al espesor experimental del electrodepósito de cobre de la
corrida #1 siguiendo el método gravimétrico y se reporta en la columna 3, fila 2 del cuadro
9.3.
Para ensayos similares y espesores de electrodepósitos de otros metales se procede
de la misma forma. Los valores de densidades para diferentes metales se presentan en el
anexo C.
Apéndice C: Muestra de Cálculo
113
C.6. Espesor experimental (según método micrométrico) del electrodepósito
El espesor experimental siguiendo el método micrométrico es el método directo
para medir esta propiedad y se calcula mediante la siguiente ecuación:
Tm =
T f − Ti
2
C.6
Para el caso del electrodepósito de cobre y suponiendo temperatura constante,
tomando los datos de las columnas 2 y 3, fila 2 del cuadro A.4, se obtiene:
Tm =
210 µ m − 200 µ m
= 5µm
2
Este dato corresponde al espesor experimental del electrodepósito de cobre de la
corrida #1 siguiendo el método micrométrico y se reporta en la columna 4, fila 2 del cuadro
9.3.
Para ensayos similares y espesores de electrodepósitos de otros metales se procede
de la misma forma.
C.7. Eficiencia del baño de electrodeposición según método gravimétrico
La eficiencia de un baño de electrodeposición siguiendo el método gravimétrico se
calcula mediante la siguiente ecuación:
 Tc − Tg
ef g = 1 −
Tc


 ∗ 100%

C.7
Para el caso de la eficiencia del baño de cobre y tomando los datos de las columnas
2 y 3, fila 2 del cuadro 9.3, se obtiene:
 1,62 µ m − 1,64 µ m 
 ∗ 100% = 101,2%
ef g = 1 −
1,62 µ m


Apéndice C: Muestra de Cálculo
114
Este dato corresponde a la eficiencia del baño de cobre de la corrida #1 siguiendo el
método gravimétrico y se reporta en la columna 2, fila 2 del cuadro 9.4.
Para ensayos similares y eficiencias de otros baños se procede de la misma forma.
C.8. Eficiencia del baño de electrodeposición según método micrométrico
La eficiencia de un baño de electrodeposición siguiendo el método micrométrico se
calcula mediante la siguiente ecuación:
 T − Tm
ef m = 1 − c
Tc


 ∗ 100%

C.8
Para el caso de la eficiencia del baño de cobre y tomando los datos de las columnas
2 y 4, fila 2 del cuadro 9.3, se obtiene:
 1,62 µ m − 5,0 µ m 
 ∗ 100% = 308,6%
ef g = 1 −
1,62 µ m


Este dato corresponde a la eficiencia del baño de cobre de la corrida #1 siguiendo el
método micrométrico y se reporta en la columna 3, fila 2 del cuadro 9.4.
Para ensayos similares y eficiencias de otros baños se procede de la misma forma.
APÉNDICE D
FORMULACIONES TÍPICAS DE BAÑOS DE ELECTRODEPOSICIÓN
Scott
Glayman
Căluşaru
Gabe
Kuhn
Graham
Barauskas
Bokisa
Concentración de CuSO4·5H2O
(g/L)
150-250
210
15-45
200
200-250
195-247
195-248
210
Concentración de H2SO4
(g/L)
45-75
50
150
25-70
25-50
30-75
30-75
75
Aditivos
-
-
-
-
-
-
Cloruro =
50-120 ppm
HCl = 50 ppm
H2FlBO3 = 70 g/L
Temperatura
ºC
15-60
15-20
20-40
20-50
20-50
20-50
20-50
20-45
Densidad de corriente catódica
(A/dm2)
1-1,5
2-10
5-50
2-10
2-5
2-10
2-11
5-12
Voltaje
(V)
-
1-2
1,2-2,0
<6
-
<6
-
6-10
Agitación
Media
Catódica
o por aire
-
-
-
Catódica
o por aire
Por aire
-
Rendimiento
(%)
-
95-100
-
95
95-99
-
95-100
-
Relación ánodo/cátodo
2/1
1/1
1/1
-
-
1/1
-
-
Velocidad de deposición
(µ
µ m/min)
0,25
0,4-2,2
-
-
-
-
-
-
Composición de los ánodos
Cu
enrollado
Placas de
Cu
Cu
Cu
Cu
enrollado
Cu
Cu
Cu
116
Autor
Apéndice D: Formulaciones Típicas de Baños de Electrodeposición
Cuadro D.1. Formulaciones típicas para baños de electrodeposición de cobre ácido al sulfato mate según varios autores
Gray
Glayman
Pletcher
Gabe
Scott
Barauskas
Blue
Yokoi
Concentración de CuSO4·5H2O
(g/L)
188
200
200-250
200
150-250
199
250
150-200
Concentración de H2SO4
(g/L)
74
30
25-50
25-70
45-75
30
10-30
40-90
Aditivos
Gelatina =
1 g/L
Tioúrea =
0,04 g/L
Melaza =
0,75 g/L
Dextrina,
gelatina
Tioúrea
Tioúrea =
0,05 g/L
Melaza =
0,8 g/L
Cloruro =
50-120 ppm
Tioúrea =
0,0375 g/L
Melaza =
0,75 g/L
Tioúrea =
0,01 g/L
Melaza =
0,8 g/L
HCl =
40-100 ppm
Tioúrea =
3-7 mL/L
Dextrina =
0,5-1 mL/L
Temperatura
ºC
35
15-50
20-40
20-50
15-60
20-50
22
15-25
Densidad de corriente catódica
(A/dm2)
1-1,516-22
2-10
2-5
2-10
1-1,5
2-11
5-8
1-5
Voltaje
(V)
-
1-2
-
<6
-
-
-
-
Agitación
Por aire
Catódica
-
-
Media
Por aire
Por aire
Por aire
Rendimiento
(%)
-
95-100
95-99
95
-
95-100
95-100
-
Relación ánodo/cátodo
-
1/1
-
-
2/1
-
-
-
Velocidad de deposición
(µ
µ m/min)
-
0,4-2,2
-
-
0,25
-
-
-
Composición de los ánodos
Cu
Placas de
Cu
P con Cu
enrollado
Cu
Cu
enrollado
Cu
Cu
enrollado
Cu
117
Autor
Apéndice D: Formulaciones Típicas de Baños de Electrodeposición
Cuadro D.2. Formulaciones típicas para baños de electrodeposición de cobre ácido al sulfato brillante según varios autores
Gray
Glayman
Scott
Kuhn
Mohler
Graham
Blum
Concentración de NiSO4·6H2O
(g/L)
300
300
250-300
250
240
300
240
Concentración de NiCl2·6H2O
(g/L)
60
45
50
45
45
45
45
Concentración de H3BO3
(g/L)
38
30-40
35
30
30
30-38
30
Aditivos
-
Humectante
0,2-0,5 g/L
-
-
-
Peróxido =
5-10 ppm
-
Temperatura
ºC
-
55
40-70
60
45
55
43
Densidad de corriente catódica
(A/dm2)
-
1-6
1-8,5
4
4
1-6,5
2-7
Voltaje
(V)
-
3-5
-
-
-
6-12
-
Agitación
Por aire
Por aire
Catódica
-
Por aire
Catódica
Por aire
Rendimiento
(%)
-
95-100
-
-
-
95-100
-
Relación ánodo/cátodo
-
1/1
-
-
-
1/1
-
Velocidad de deposición
(µ
µ m/min)
-
0,2-1,2
0,21-1,7
-
-
-
-
Composición de los ánodos
Ni
Placas de Ni
Ni (99,5%)
NI
Ni
Ni
Ni enrollado
118
Autor
Apéndice D: Formulaciones Típicas de Baños de Electrodeposición
Cuadro D.3. Formulaciones típicas para baños Watts de electrodeposición de níquel mate según varios autores
Glayman
Pletcher
Gabe
Scott
Kuhn
Doi
Yokoi
Concentración de NiSO4·6H2O
(g/L)
270-450
250
270
250-300
250
280
250-360
Concentración de NiCl2·6H2O
(g/L)
38-90
45
40
50
45
45
35-60
Concentración de H3BO3
(g/L)
30-50
30
27-33
35
30
Ácido cítrico
17 g/L
30-50
Aditivos
Humectante =
0,2-0,5 g/L
Derivado aromático
sulfon. = 15-25 g/L
Imida = 0,2 g/L
Cumarina,
sacarina,
bencinsulfonamida
Varios
Glucosa =
7 g/L
Temperatura
ºC
45-70
40-70
55
40-70
60
50
40-60
Densidad de corriente catódica
(A/dm2)
1-10
2-5
1-6
1-8,5
4
1-10
1-5
Voltaje
(V)
3-5
-
-
-
-
-
-
Agitación
Por aire
-
-
Catódica
-
Por aire
Por aire
Rendimiento
(%)
90-100
95
95
-
-
95-100
-
Relación ánodo/cátodo
1/1
-
-
-
-
-
-
Velocidad de deposición
(µ
µ m/min)
0,2-2
-
-
0,21-1,7
-
-
-
Composición de los ánodos
Placas de Ni
Ni en
pellets
Ni
Ni
(99,5%)
Ni
Ni
Ni
Sodio-1,5-nafta
Cumarina,
Sacarina = 2 g/L lendisulfonato = 5-40
sacarina,
g/L
2-Butin-1,4bencinsuldiol = 0,2 g/L 2-Butin-1,4-diol =
fonamida
0,1-10 g/L
119
Autor
Apéndice D: Formulaciones Típicas de Baños de Electrodeposición
Cuadro D.4. Formulaciones típicas para baños Watts de electrodeposición de níquel brillante según varios autores
Autor
Gray
Glayman
Pletcher
Gabe
Newby
Graham
ASTM B177
Concentración de CrO3
(g/L)
250
250
200
225
250
250
250
Concentración de H2SO4
(g/L)
2,5
2,5
2
2,25
2,5
2,5
2,5-3,1
Temperatura
ºC
40
32-50
40-55
45-55
50-60
43-50
55 (40-65)
Densidad de corriente catódica
(A/dm2)
23
10-15
10-20
5-20
4-40
10-23
31 (25-124)
Voltaje
(V)
-
3,5-5
-
6-12
-
6-12
-
Rendimiento
(%)
20
15
10-15
10-20
10-20
13
-
Relación ánodo/cátodo
-
0,7/1
-
-
1-3/1
1-2/1
-
Velocidad de deposición
(µ
µ m/min)
0,35
-
-
-
0,04-0,47
-
-
Pb/Sn
Aleación de
Pb
Pb/Sn(4%)/
Sb(3%)
Pb/Sb,Sn,
Te(6%)
Pb/Sb(4-6%)
Pb/Sn(7%)
Pb/Ag(1%)
Composición de los ánodos
Pb/Sn
Pb/Sn(7%)
Apéndice D: Formulaciones Típicas de Baños de Electrodeposición
Cuadro D.5. Formulaciones típicas para baños de electrodeposición de cromo duro según varios autores
120
Autor
Gray
Glayman
Pletcher
Gabe
Zinder
Graham
Martyak
Yokoi
Concentración de CrO3
(g/L)
400
400
450
450
250-400
400
200-350
15-400
4
Ácido
sulfoacético =
80-120 g/L
KIO4 =
1-3 g/L
0,5-4
Silicofluoruro
0,5-10 g/L
Concentración de H2SO4
(g/L)
4
4
4
4,5
2,5-4
-
-
-
Glicina =
3-15 g/L
NaSO4 =
2-3 g/L
-
-
Temperatura
ºC
35
50-55
45-60
50-60
0-50
43-50
50-60
35-55
Densidad de corriente
catódica
(A/dm2)
23
20-50
10-20
8-12
1-32
10-23
16-62
5-25
Voltaje
(V)
-
3,5-5
-
-
4-12
6-12
6-12
-
Rendimiento
(%)
19,4
18
8-12
10-20
10-20
13
21
-
Relación ánodo/cátodo
-
0,7/1
-
-
1-3/1
1-2/1
-
-
Velocidad de deposición
(µ
µ m/min)
0,35
-
-
-
0,10-0,18
-
-
-
Composición de los ánodos
Pb/Sn
Pb/Sn(7%)
Pb/Sn
Aleación
de Pb
Pb/Sn(7%)
Pb/Sb,Sn,
Te(6%)
Pb/Sn(7%)
-
121
Aditivos
Fluoruros
complejos
Apéndice D: Formulaciones Típicas de Baños de Electrodeposición
Cuadro D.6. Formulaciones típicas para baños de electrodeposición de cromo decorativo según varios autores
APÉNDICE E
ANÁLISIS QUÍMICO
Apéndice E: Análisis Químico
123
E.1. Baño de Cobre
E.1.1. Determinación de CuSO4·5H2O
1.
Utilizando una pipeta, tomar una muestra de 5 mL del baño y colocarla en un
erlenmeyer de 250 mL.
2.
En una probeta de 50 mL colocar 5 mL de HNO3 concentrado y agregar poco a poco 5
mL de H2SO4 concentrado.
3.
En una capilla ventilada agregar la mezcla anterior al erlenmeyer con la muestra del
baño, agitar y evaporar hasta obtener vapor blanco denso.
4.
Enfriar y agregar 100 mL de agua destilada, calentar hasta disolver.
5.
Enfriar y agregar agitando NH4OH concentrado hasta que se presente un color azul
oscuro, hervir durante 15 minutos para eliminar el exceso de amonio.
6.
Agregar 10 mL de ácido acético glacial y una punta de espátula de fluoruro de sodio,
suficiente para reaccionar con el hierro presente.
7.
Hervir para disolver cualquier compuesto de cobre. En este punto la solución debe ser
clara y azul.
8.
Enfriar hasta temperatura ambiente, agregar 15 mL de solución de yoduro de potasio al
20% y agitar.
9.
Valorar inmediatamente con una solución 0,1 N de tiosulfato de sodio (24,8 g/L de
Na2S2O3·5H2O) hasta que el color café empiece a desvanecerse.
10. Agregar 2 mL de solución de almidón al 1% (1 g de almidón hecha pasta con agua fría
y luego disuelta hasta 100 mL con agua hirviendo, enfriar y decantar)
11. Continuar la valoración hasta que el color azul desaparezca por completo.
Cálculos:
•
Conc. de CuSO4·5H2O (g/L) = 50,0 x Normalidad de tiosulfato de sodio
E.1.2. Determinación de normalidad de tiosulfato de sodio
1.
Pesar 0,20 g de alambre de cobre puro y colocarlo en un erlenmeyer de 250 mL.
2.
Disolver el cobre con 10 mL de HNO3.
Apéndice E: Análisis Químico
3.
124
Agregar 5 mL de H2SO4 concentrado y calentar hasta que se desprenda vapor blanco
y denso.
4.
Enfriar y seguir el procedimiento anterior desde el punto 4 hasta el 11.
Cálculos:
•
Normalidad. de tiosulfato de sodio = g de cobre x 15,73 / mL de tiosulfato de sodio
E.1.3. Determinación de H2SO4
1.
Utilizando una pipeta, tomar una muestra de 10 mL del baño y colocarla en un
erlenmeyer de 250 mL.
2.
Agregar 150 mL de agua destilada y 10 gotas de solución de naranja de metilo al
0,1%.
3.
Valorar con una solución 1,0 N de NaOH hasta obtener un color verde pálido.
Cálculos:
•
Conc. de H2SO4 (g/L) = 4,9 x mL de NaOH 1,0 N
E.2. Baño de Níquel
E.2.1. Determinación del níquel total
1.
Utilizando una pipeta, tomar una muestra de 5 mL del baño y colocarla en un
erlenmeyer de 250 mL.
2.
Agregar 70 mL de solución de cloruro de amonio-pirofosfato de sodio-yodato de
potasio, la cual se prepara disolviendo 54 g de NH4Cl, 57 g de Na4P2O7 y 1,6 g de KI
en agua caliente y diluyendo hasta 1 litro.
3.
Agregar gota a gota solución de NH4OH concentrado (aproximadamente 3 gotas)
hasta obtener un olor característico de amonio. Si se agrega un exceso de amonio
neutralizar con HCl concentrado.
4.
Valorar con solución estándar de cianuro de sodio hasta que la turbidez, formada al
inicio de la valoración, desaparezca con una gota final de solución estándar.
Apéndice E: Análisis Químico
125
Cálculos:
•
Cantidad de Ni (g/L) = factor de NaCN x mL de solución de cianuro de sodio
estándar
E.2.2. Determinación del factor de NaCN
1.
Disolver 25 g de cianuro de sodio, NaCN y 1,7 g de nitrato de plata, AgNO3 en agua
destilada y diluir hasta 1 litro.
2.
Pesar 0,2 g de níquel puro y colocarlo en un erlenmeyer de 250 mL.
3.
Disolver el níquel con una mezcla de 5 mL de H2SO4, 5 mL de HNO3 y 5 mL de agua
destilada.
4.
Evaporar hasta obtener un denso humo blanco.
5.
Enfriar, diluir con 10 mL de agua destilada y agregar un exceso de amonio.
6.
Calentar hasta obtener un olor característico de amonio.
7.
Enfriar a temperatura ambiente y agregar 75 mL de solución de cloruro-pirofosfato
(punto 2 del procedimiento anterior).
8.
Valorar con la solución de cianuro de sodio hasta disolver el precipitado formado al
iniciar la valoración.
Cálculos:
•
Factor de NaCN = g de níquel x 200 / mL de solución de cianuro de sodio estándar
E.2.3. Determinación del factor de NiCl2·6H2O
1.
Utilizando una pipeta, tomar una muestra de 5 mL del baño y colocarla en un
erlenmeyer de 250 mL.
2.
Agregar 50 mL de agua destilada.
3.
Con un gotero agregar 1 mL de solución de cromato de sodio al 2%.
4.
Valorar con solución de nitrato de plata 0,1 N hasta obtener una coloración marrón.
Cálculos:
•
Conc. de NiCl2·6H2O (g/L) = 118 x mL de AgNO3 x 0,1 / 5
Apéndice E: Análisis Químico
126
E.2.4. Determinación de H3BO3
1.
Utilizando una pipeta, tomar una muestra de 2 mL del baño y colocarla en un
erlenmeyer de 250 mL.
2.
Agregar 5 gotas de solución indicadora de azul de bromotimol y morado de
bromocresol. Esta solución se hace disolviendo 1 g de azul de bromotimol y 5 g de
morado de bromocresol en 500 mL de etanol.
3.
Agregar gota a gota solución de NaOH 0,5 N hasta que el color cambie de verde a
azul.
4.
Agregar aproximadamente 5 g de mannitol en polvo hasta formar una pasta espesa. El
color cambia a verde.
5.
Valorar con solución de NaOH 0,5 N hasta obtener un color azul.
Cálculos:
•
Conc. de H3BO3 (g/L) = mL de NaOH x 0,5 x 62 / 2
E.3. Baño de Cromo
E.3.1. Determinación de CrO3
1.
Utilizando una pipeta, tomar una muestra de 10 mL del baño.
2.
Colocar la muestra en un matraz aforado de 500 mL y diluir hasta la marca, agitar
bien.
3.
Utilizando una pipeta, tomar una muestra de 10 mL y colocarla en un erlenmeyer de
250 mL.
4.
Diluir con 100 mL de agua destilada.
5.
Agregar 2 g de bifluoruro de amonio, NH4HF2, para eliminar el hierro presente.
6.
Agregar 15 mL de HCl concentrado, agitar.
7.
Agregar 10 mL de solución de KI al 10% y agitar.
8.
Valorar con solución de tiosulfato de sodio 0,1 N (Na2S2O3·5H2O, 0,1 N) hasta que
desaparezca el color café.
Apéndice E: Análisis Químico
127
9.
Agregar 5 mL de solución de almidón al 1%.
10.
Continuar la valoración hasta que desaparezca el color azul por al menos 1 minuto.
Cálculos:
•
Conc. de CrO3 (g/L) = factor de Na2S2O3 x mL Na2S2O3
(para Na2S2O3 0,1 N el factor tiene un valor de 16,67)
E.3.2. Determinación del factor de Na2S2O3
1.
Disolver 24,82 g de Na2S2O3·5H2O puro en agua destilada.
2.
Agregar 0,1 g de carbonato de sodio y diluir hasta 1 litro con agua destilada.
3.
Pesar 0,1 g de dicromato de potasio, K2Cr2O7 previamente secado y colocarlo en un
erlenmeyer de 250 mL.
4.
Diluir con 100 mL de agua destilada y agregar 2 g de bifluoruro de amonio.
5.
Agregar 15 mL de HCl concentrado y 10 mL de solución de KI al 10%.
6.
Valorar con la solución de tiosulfato de sodio 0,1 N (del punto 2) hasta que
desaparezca el color café.
7.
Agregar 5 mL de solución de almidón al 1%.
8.
Continuar la valoración hasta que desaparezca el color azul durante al menos 1
minuto.
Cálculos:
•
Factor de Na2S2O3 = g de K2Cr2O7 x 0,679 x 5000 / mL Na2S2O3·5H2O
E.3.3. Determinación de cromo trivalente
1.
Utilizando una pipeta, tomar una muestra de 10 mL del baño.
2.
Colocar la muestra en un matraz aforado de 500 mL y diluir hasta la marca, agitar
bien.
3.
Utilizando una pipeta, tomar una muestra de 10 mL y colocarla en un erlenmeyer de
250 mL.
4.
Diluir con 100 mL de agua destilada y agregar 0,2 g de peróxido de sodio, Na2O2.
Apéndice E: Análisis Químico
128
5.
Hervir durante 20 a 30 minutos.
6.
Diluir con 100 mL de agua destilada y enfriar a temperatura ambiente.
7.
Agregar 2 g de bifluoruro de amonio, NH4HF2.
8.
Agregar 15 mL de HCl concentrado y dejar enfriar.
9.
Agregar 10 mL de solución de KI (100 g/L de KI + 1 g/L de KOH).
10.
Valorar con solución de tiosulfato de sodio 0,1 N (Na2S2O3·5H2O, 0,1 N) hasta que
desaparezca el color café.
11.
Agregar 3 mL de solución de almidón (10 g/L de almidón soluble).
12.
Continuar la valoración hasta que desaparezca el color azul.
Cálculos:
•
Conc. de Cr+3 (g/L) = (mL Na2S2O en sección B.3.1.) - factor de Na2S2O3 x (mL
Na2S2O en sección B.3.3.) x 0,52
E.3.4. Determinación de sulfatos
1.
Utilizando una pipeta, tomar una muestra de 10 mL del baño y colocarla en un beaker
de 250 mL.
2.
Agregar 75 mL de mezcla reductora (15 mL isopropanol + 7 mL HCL concentrado +
25 mL ácido acético glacial + 53 mL agua destilada).
3.
Hervir la solución durante 10 a 15 minutos.
4.
Diluir con agua destilada caliente hasta 150 mL y dejar reposar durante 1 hora a una
temperatura entre 60º y 70ºC (en calentador eléctrico).
5.
Filtrar en un beaker de 250 mL para remover impurezas suspendidas. Realizar de 6 a
7 lavados con 5 mL de agua destilada caliente para remover el color verde del papel
de filtro.
6.
Agitar el filtrado y calentar hasta hervir.
7.
Agregar gota a gota y con agitación 10 mL de solución de cloruro de bario (100 g/L
de BaCl2·2H2O).
8.
Mantener la solución entre 60º y 70ºC (en calentador eléctrico) durante 2 a 4 horas.
9.
Filtrar y lavar el precipitado con agua destilada caliente.
Apéndice E: Análisis Químico
10.
Depositar el papel con el precipitado en un crisol y quemar en un horno durante 15 a
25 minutos.
11.
Enfriar en un desecador y pesar el precipitado de BaSO4.
Cálculos:
•
129
Conc. de SO4 (g/L) = g de precipitado x 41,15
APÉNDICE F
PLANOS CONSTRUCTIVOS DEL EQUIPO DE ELECTRODEPOSICIÓN
Apéndice F: Planos Constructivos del Equipo de Electrodeposición
131
Apéndice F: Planos Constructivos del Equipo de Electrodeposición
132
Apéndice F: Planos Constructivos del Equipo de Electrodeposición
133
Apéndice F: Planos Constructivos del Equipo de Electrodeposición
134
Apéndice F: Planos Constructivos del Equipo de Electrodeposición
135
APÉNDICE G
SOLUCIÓN A PROBLEMAS FRECUENTES EN ELECTRODEPOSICIÓN
Apéndice G: Solución a Problemas Frecuentes en Electrodeposición
137
G.1. Baño de Cobre
G.1.1. Depósito quemado
•
Baja concentración de cobre o alta de ácido. Analizar y ajustar.
•
Baja temperatura. Calentar el baño.
•
Agitación insuficiente. Disminuir la corriente aplicada, a menos que la agitación
pueda ser aumentada.
•
Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.
G.1.2. Depósito rugoso
•
Presencia de sólidos suspendidos. Filtrar el baño.
•
Ánodos inapropiados. Usar ánodos de cobre fosforoso.
G.1.3. Pérdida de brillo
•
Insuficiencia de agente aditivo. Determinar adición con celda de Hull.
•
Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.
•
Alta temperatura. Enfriar el baño.
•
Baja concentración de cobre. Analizar y ajustar.
G.1.4. Depósito picado
•
Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.
•
Presencia de lodos en los ánodos. Cubrir los ánodos con bolsas.
G.1.5. Corriente baja
•
Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.
•
Baja concentración de ácido sulfúrico. Analizar y ajustar.
•
Insuficiencia de agente aditivo. Determinar adición con celda de Hull.
•
Baja densidad de corriente. Incrementar corriente aplicada.
•
Alta temperatura. Enfriar el baño.
Apéndice G: Solución a Problemas Frecuentes en Electrodeposición
138
G.1.6. Depósito duro
•
Baja concentración de cobre o alta de ácido. Analizar y ajustar.
•
Alta densidad de corriente. Disminuir corriente aplicada.
•
Baja temperatura. Calentar el baño.
G.1.7. Depósito no uniforme
•
Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.
•
Insuficiencia de agente aditivo. Determinar adición con celda de Hull.
G.1.8. Distribución pobre
•
Baja agitación o no uniforme. Mejorar y ajustar.
•
Excesiva área de ánodos. Ajustar.
•
Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.
G.2. Baño de Níquel
G.2.1. Distribución pobre
•
Baja concentración de níquel metálico. Analizar y ajustar.
•
Baja densidad de corriente. Incrementar corriente aplicada.
•
Presencia de impurezas metálicas. Analizar y ajustar.
•
Contactos eléctricos flojos o sueltos. Revisar conexiones eléctricas a los tanques y
ánodos.
G.2.2. Depósito quemado
•
Excesiva densidad de corriente. Disminuir corriente aplicada.
•
Baja concentración de los componentes del baño. Analizar y ajustar.
•
Sales de amonio presentes. Eliminar en caso de ser introducidas al baño.
•
Exceso de abrillantadores. Tratar con carbón activado seguido de filtración.
•
Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.
Apéndice G: Solución a Problemas Frecuentes en Electrodeposición
139
G.2.3. Depósito rayado
•
Concentración anormal de los componentes del baño. Analizar y ajustar.
•
Presencia de contaminantes. Mejorar los enjuagues de limpieza previos a la
electrodeposición.
•
Exceso de abrillantador. Agitar muy bien luego de adicionar abrillantador.
G.2.4. Adhesión pobre
•
Débil limpieza en inmersión ácida. Mejorar la limpieza en inmersión ácida previo a la
electrodeposición.
•
Presencia de impurezas metálicas. Analizar y ajustar.
•
Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.
G.2.5. Depósito negro
•
Presencia de impurezas metálicas. Analizar y ajustar.
•
Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.
•
Baja densidad de corriente. Incrementar corriente aplicada.
G.2.6. Depósito opaco
•
Insuficiencia de abrillantador secundario. Determinar adición con celda de Hull.
•
Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.
G.2.7. Depósito rugoso
•
Alta densidad de corriente. Disminuir corriente aplicada.
•
Baja concentración de níquel, cloruro o ácido bórico. Analizar y ajustar.
•
Baja temperatura. Calentar el baño.
•
Presencia de sólidos suspendidos. Filtrar el baño.
G.2.8. Depósito picado
•
Contaminación orgánica. Tratar con carbón activado seguido de filtración.
Apéndice G: Solución a Problemas Frecuentes en Electrodeposición
140
•
Agujeros de aire. Disminuir la cantidad de aire de agitación.
•
Baja temperatura. Calentar el baño.
•
Baja concentración de ácido bórico. Analizar y ajustar.
•
Alta corriente aplicada. Disminuir corriente aplicada o aumentar agitación y
temperatura.
G.3. Baño de Cromo
G.3.1. Limitado intervalo de electrodeposición
•
Relación CrO3 a SO4 muy alta o muy baja. Ajustar lo más cercano posible a una
relación de 100.
G.3.2. Baja eficiencia
•
Alta temperatura. Enfriar el baño.
•
Relación CrO3 a SO4 muy alta o muy baja. Ajustar lo más cercano posible a una
relación de 100.
G.3.3. Depósito lechoso
•
Baja densidad de corriente. Incrementar corriente aplicada.
G.3.4. Depósito opaco
•
Baja temperatura. Calentar el baño.
G.3.5. Depósito quemado
•
Alta densidad de corriente. Disminuir corriente aplicada.
•
Exceso de ácido sulfúrico. Analizar y ajustar.
G.3.6. Pobre conductividad del baño
•
Presencia de impurezas metálicas. Analizar y ajustar.
Apéndice G: Solución a Problemas Frecuentes en Electrodeposición
G.3.7. Formación de cromo trivalente
•
Área de ánodos muy pequeña. Corregir.
•
Uso de ánodos de acero. Cambiar por ánodos de plomo o aleación de plomo.
G.3.8. Depósito rugoso
•
Alta densidad de corriente. Disminuir corriente aplicada.
•
Baja temperatura. Calentar el baño.
•
Presencia de sólidos suspendidos. Filtrar el baño.
141
ANEXO A
ESPECIFICACIÓN ESTÁNDAR PARA CAPAS ELECTRODEPOSITADAS DE COBRE
MÁS NÍQUEL MÁS CROMO Y NÍQUEL MÁS CROMO (ASTM B456)
Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456
143
Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456
144
Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456
145
Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456
146
Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456
147
Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456
148
Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456
149
Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456
150
Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456
151
Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456
152
Anexo A: Especificación Estándar ASTM B456
153
ANEXO B
REGLA DE HULL
Anexo B: Regla de Hull
155
ANEXO C
ALGUNAS PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS METALES
Aluminio
Antimonio
Cadmio
Cinc
Cobalto
Cobre
Cromo
Estaño
Hierro
Iridio
Magnesio
Manganeso
Mercurio
Molibdeno
Níquel
Oro
Paladio
Plata
Platino
Plomo
Rodio
Rutenio
Talio
Tántalo
Telurio
Titanio
Tungsteno
Zirconio
Al
Sb
Cd
Zn
Co
Cu
Cr
Sn
Fe
In
Mg
Mn
Hg
Mo
Ni
Au
Pd
Ag
Pt
Pb
Rh
Ru
Tl
Ta
Te
Ti
W
Zr
13
51
48
30
27
29
24
50
26
77
12
25
80
42
28
79
46
47
78
82
45
44
81
73
52
22
74
40
Densidad
a 20ºC
(kg/dm3)
Punto de
Fusión
(ºC)
Punto de
Ebullición
(ºC)
Calor
Específico
(kJ/g ºC)
Coeficiente de
Expansión Lineal
Térmica a 20ºC
(µm/ºC)
Resistividad
Eléctrica
(mΩ-cm)
Módulo de
Elasticidad en
Tensión
(10-6 kPa)
26,97
121,76
112,41
65,38
58,94
63,54
52,01
118,70
55,85
193,1
24,32
54,93
200,61
95,95
58,69
197,2
106,7
107,88
195,23
207,21
102,91
101,7
204,39
180,88
127,61
47,90
183,92
91,22
2,699
6,62
8,65
7,133
8,9
8,96
7,19
7,298
7,87
22,5
1,74
7,43
13,55
10,2
8,90
19,32
12,0
10,49
21,45
11,34
12,44
12,2
11,85
16,6
6,24
4,54
19,3
6,5
660,2
630,5
320,9
419,46
1495
1083
1890
231,9
1539
2454
650
1245
-38,87
2625
1455
1063
1554
960,5
1773,5
327,4
1966
2500
300
2996
450
1820
3410
1750
2060
1440
765
906
2900
2600
2500
2270
2740
5300
1110
2150
357
4800
2730
2970
4000
2210
4410
1740
4500
4900
1460
--1390
3300
5930
---
900
205
230
283
414
385
460
226
460
130
1046
481
138
255
439
130
243
234
134
130
247
238
130
151
197
527
134
276
607
216 a 274
757
1008
312
419
158
584
297
173
660
559
--124
338
361
300
500
226
744
211
231
711
165
427
216
109
127
2,655(20ºC)
39,0 (0ºC)
6,83 (0ºC)
5,916 (20ºC)
6,24 (20ºC)
1,673 (20ºC)
13 (28ºC)
11,5 (20ºC)
9,71 (20ºC)
5,3 (20ºC)
4,46 (20ºC)
185 (20ºC)
94,1 (20ºC)
5,17 (0ºC)
6,84 (20ºC)
2,19 (0ºC)
10,8 (20ºC)
1,59 (20ºC)
9,83 (0ºC)
20,65 (20ºC)
4,5 (20ºC)
7,6 (0ºC)
18 (0ºC)
12,4 (18ºC)
2X105 (20ºC)
80 (0ºC)
5,5 (20ºC)
41,0 (0ºC)
69
77,9
55
--207
110
248
41
196,5
517
44,8
159
--345
207
83
117
76
145
17,9
289
414
--186
41
115,8
345
76
157
Símbolo
Peso
Atómico
(g/mol)
Anexo C: Algunas Propiedades Físicas de los Metales
Elemento
Número
Atómico