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Artículo basado en la ponencia impartida por Vicenç Moreno en una jornada de AIAS en la feria BCN Rail

Nuevas tecnologías en cromo duro, níquel químico y níquel PTFE

Redacción Interempresas15/12/2009
Vicenç Moreno, administrador de Electro-Durocrom, S.L participó en la jornada técnica de recubrimientos y tratamientos de superficies organizada por la Asociación de Industrias de Acabados de Superficies (AIAS) el pasado 1 de diciembre en el marco de la feria BCN Rail en Fira de Barcelona. Moreno impartió la ponencia 'Introducción a las nuevas tecnologías en cromo duro, níquel químico y níquel PTFE' en la que desgranó cada una de estas tecnologías aplicadas al acabado de los metales.
Tal y como señaló, el acabado de los metales puede definirse como el proceso para modificar propiedades superficiales de un metal mediante la aplicación de otros metales o la formación de una película de óxido. Se trata de una técnica basada antiguamente en el aumento del valor del metal durante la mejora de su apariencia aunque la tendencia actual se basa en la aportación de resistencia a la corrosión o al aumento de propiedades físicas o mecánicas.
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Vicenç Moreno.
Los procesos de deposición química se basan en níquel químico, cobre químico, oro químico, plata química o estaño químico. Por otro lado, los procesos de deposición electrolítica pueden ser de antimonio, arsénico, bismuto, cadmio, cobalto, cobre, cromo, estaño, hierro, indio, níquel, oro, paladio, plata, platino, plomo, renio, zinc, wolframio, latón, bronce, estaño-cobalto, estaño-plomo, estaño-plomo-cobre, estaño-níquel, estaño-zinc, níquel-wolframio, níquel-hierro, níquel-cobre, paladio-níquel, paladio-cobalto, zinc-níquel, zinc-cobalto, zinc-hierro, zinc-cobalto-hierro.

En cuanto a los procesos de conversión química, estos pueden ser el cromatizado (zinc, aluminio, zamac), el pavonado (hierro, cobre, latón, plata, estaño, etc), el fosfatado (hierro, aluminio, zinc) y el pulido químico (cobre, latón, aluminio). Por el contrario, aquellos procesos de conversión electrolítica son el anodinado (aluminio) y el electropulido (acero, acero inoxidable, latón, oro, plata, aluminio).

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La sala de prensa de Fira de Barcelona durante su intervención.

Aplicaciones industriales del cromo duro

El cromado duro se caracteriza por su dureza y por su resistencia al rayado, al desgaste y a la corrosión, además de por un excelente coeficiente de rozamiento.

El cromado presenta diversas particularidades. Por un lado, la adherencia es molecular; está ligada al sistema cristalino de la base y no a su macrogeometría. Además es selectivo y existe la operación de descromado que no altera el material base. Es también mecanizable por medio de rectificado, de electroerosión, de pulido mecánico, de rodado o de lapilado.

El representante de Electro Durocrom durante su intervención también habló sobre el comportamiento del cromo ante la corrosión. Destacó que existen dos formas de corrosión, la que se inicia en el substrato y la corrosión por ataque de la película de cromo. “El cromo, a pesar de ocupar una mala posición en al escala de tensiones, forma una delgada capa de óxido que da un potencial de 1.3V que corresponde al potencial de un metal noble”, señaló.

“El comportamiento electroquímico del cromo frente a un substrato de hierro, es catódico. Cuando el cromo se deposita sobre una superficie oxidada, con cavernas y en mal estado, suele formarse una pila galvánica, en la cual el substrato férrico se disuelve anódicamente, formando compuestos que desde el interior provocan ampollas en la película de cromo. Se da la misma reacción si la película de cromo es porosa y la pieza está en un ambiente altamente corrosivo. Si el cromo es atacado superficialmente, lo que sucede es una degradación del cromo, que será más o menos rápida en función de la naturaleza del agente corrosivo. Hasta que no desaparezca el cromo, localmente la acción de la pila galvánica no actuará”.

La resistencia del cromo duro ante la corrosión va en función del perfecto estado superficial de la pieza a recubrir y de las características del depósito (estructura, espesor, etc.) sumadas a una perfecta adherencia.

Las técnicas de cromado duro son las siguientes:

  • Doble capa: Cromado con capas de cromo de estructuras diferentes, muy utilizado en ambientes altamente corrosivos.
  • Cromado microporoso: Cromado con capa de cromo microporosa que mejora el coeficiente de rozamiento al retener los aceites lubrificantes.
  • Cromado microfisurado: Depósito de cromo duro con una red microscópica de fisuras que mejoran la lubricación, la resistencia a la corrosión y disminuyen las tensiones internas.
  • Flash Crom: Deposición de cromo uniforme, con pocas fisuras, dureza de 750 Vickers y acabado espejo.
  • Cromado sutil: Cromado a bajo espesor, 1-5 μm, dureza 850 Vickers, uniforme y con pocas fisuras.
  • Cromado a espesor: Cromado a una medida superior a la de trabajo, para su posterior rectificado.
  • Cromado a la cota: Deposición de cromo controlada, tanto sea en superficies exteriores como en interiores o cavidades.
  • Cromado gris: Cromado exento de fisuras que proporciona una excelente resistencia a la corrosión con espesores no superiores a las 30 μm con no muy alta dureza.
  • Cromado Dúplex: Cromado con capa previa de níquel electrolítico o bien níquel químico. Alta resistencia a la corrosión.

Nomenclatura de las aplicaciones industriales

Útiles de control

Calibres: tampón, herradura, rosca, calas patrón.

Propiedades del cromo duro que aconsejan el recubrimiento:

  • Resistencia al desgaste
  • Recuperación de calibres usados

 Deformación metálica

Extrusión, forja, embutición, laminación, hileras, matrices, punzones.

Propiedades del cromo duro que aconsejan el recubrimiento:

  • Dureza
  • Conductibilidad térmica
  • Rozamiento
  • Corrosión
  • Lubrificación
  • Capacidad de carga

Características del recubrimiento:

La conductibilidad térmica del cromo es de un 40% más elevada que la del acero o la fundición. El calor se disipa más rápidamente a través del cromo, existiendo una mejora del comportamiento entre pistón y segmento El cromado microporoso o bien microfisurado mejora la lubrificación bajando el coeficiente de rozamiento.

Si se utiliza cromo poroso, la porosidad reduce el aire de contacto lo que genera una disminución de la cantidad de calor engrendrada.

Cilindros rodillos y placas

Cilindros rodillos y placas para las industrias textiles, papel, gráfica, fotográfica, madera, caucho, cuero, química, etc.

Propiedades del cromo duro que aconsejan el recubrimiento:

  • Acabado superficial (mate, rugoso, brillante, espejo)
  • Anti-adherencia
  • Resistencia a la corrosión y ausencia de toxicidad
  • Resistencia al desgaste

Características del recubrimiento:

Espesor 15-100μ, dureza 850-1200 Vickers, acabado variable según especificaciones,estructura variable, acabado a la cota.

Pistones, cigüeñales, correderas

Propiedades del cromo duro que aconsejan el recubrimiento:

  • Bajo coeficiente de rozamiento
  • Resistencia al desgaste
  • Resistencia a la corrosión

Características del recubrimiento:

Espesor 5-25μ, dureza 850-1200 Vickers, acabado pulido, resistencia a la corrosión mínimo 40 horas en Niebla Salina Acética s/norma ASTM-B-287

Recuperación de piezas usadas o bajo cota por error de mecanizado

Todas las piezas mecánicas citadas anteriormente

Propiedades del cromo duro que aconsejan el recubrimiento:

  • Dureza, bajo coeficiente de rozamiento y resistencia al desgaste.
  • Adherencia al substrato
  • Deposición de cromo selectivo, de 1μ a 1 mm de espesor
  • Mecanizable

Los substratos más comunes que pueden cromarse son los siguientes: aceros aleados, aceros al carbono, aceros cementados, aceros templados, aceros nitrurados, acero inoxidable, aluminio, cobre, bronce, fundición, hierro, latón, níquel, zinc.

“Es importante tener en cuenta tres consideraciones sobre la elección del recubrimiento: el acabado, las características químicas y físicas y el coste”

Tres requisitos básicos por los que atraviesa toda pieza durante su fase de acabado superficial

El cromo duro resiste a los productos y reactivos siguientes:

  • Sales: alumbre, cloruro de bario, cloruro de calcio, sulfato de cobre, cloruro de magnesio, cloruro de potasio, cloruro de sodio, cloruro de zinc, sulfato de sosa, cloruro de estroncio.
  • Gases: ácido carbónico, hidrógeno sulfuroso, monocluro de azufre, óxido de carbono, cloro seco hasta 300 °C, oxígeno (oxida a partir de 1.200 °C)
  • Ácidos orgánicos: cítrico, monocoroacético, oxálico, bezóico, M-nitrobenzóico, fenil-acético, butírico, úrico, tricloro acético, glucómico, oléico a 100%, esteárico, esteárico a 100% a 340 °C, 3-5 dinitro-benzóico, salicílico, cloruro de bencilo, cloroformo, benzosulfonato sódico, tetraclorobenzol, tetraclorurobenzol, tetracloruro de carbono, clorobenzol, Formiato de sodio, M-aminofenol, O-clorofenol, fenol, P-nitrofenol, ácido pícrico, pirogolol, clorohidroquinona.
  • Otros: aire atmosférico, aire caliente y oxidante, aire caliente y reductor, agua salada neutra, agua de mar, amoníaco, alquitrán, azúcar, cerveza, mosto, aceites especiales y minerales calientes, ácidos procedentes de frutas, ácidos vegetales (en la mayoría de los casos), azufre hasta 300 °C, baquelita caliente, bronce de aluminio fundido, caucho durante la vulcanización, carbono de sosa, ebonita durante la fusión, líquidos sulfuroso, latón en fusión, productos de combustión de diésel, tintas de imprimir, resinas de tio-urea, resinas vinílicas, vapor, vidrio fundido, sosa cáustica, tanino, pastas de papel, sulfúrico y nítrico mezclados.

El cromo duro es atacado por los siguientes productos y reactivos: es fuertemente atacados por el ácido clorhídrico y ácido sulfúrico.

Es moderadamente atacado y en ciertas condiciones por: arsénico, clórico, crómico, bromhídrico, fluorhídrico, nítrico, perclórico, fosfórico, cloruro de aluminio, sulfato de aluminio, cloruro de cal, hipoclorito de cal, cloruro de cromo, cloruro cuproso, nitrato cuproso, cloruro de magnesio, cloruro de zinc, cloro húmedo, acético, butírico, fórmico, láctico, tartárico, tricloroacético, tetracloruro de carbono húmedo, zinc fundido.

Tal y como apuntó Moreno durante su ponencia, es importante tener en cuenta varias consideraciones sobre la elección del recubrimiento:

  • Acabado: que aspecto final presenta la pieza, grado de satisfacción visual.
  • Características químicas y físicas: uniformidad, dureza, protección anticorrosión, coeficiente de rozamiento, ausencia de toxicidad, adherencia con el substrato, resistencia al desgaste, espesor mínimo y máximo, conductibilidad térmica, conductibilidad eléctrica, lubrificación, resistencia química a determinados agentes, magnetismo, facilidad en eliminar el recubrimiento sin alteración del substrato.
  • Coste: Repercusión del recubrimiento en el precio final del producto.

Además también son fundamentales varios aspectos en el diseño y fabricación de productos sujetos a un recubrimiento superficial. El reconocimiento de la calidad total como meta de todo proceso productivo, nos lleva a analizar, pormenorizadamente, las diversas fases que integran la fabricación de un producto o artículo.

Cada fase determina la metodología de la siguiente, es más, la interrelación entre los factores de competencia: diseño, fabricación, productividad, calidad final y coste.

  • Sujeción: La pieza debe estar firmemente sujeta con la sección suficiente para el adecuado contacto eléctrico. Esta sujeción debe efectuarse con facilidad y prontitud.El sistema de sujeción y distribución de las piezas en los bastidores, corresponde en exclusiva al técnico en acabados de superficies, pero no podemos olvidar el decisivo papel que juega la forma, el tamaño y la existencia de ensamblajes que faciliten esta sujeción. Determinar las zonas principales de las secundarias, ayuda a diseñar un utillaje operativo que es la herramienta principal para el logro de las especificaciones solicitadas.
  • Libre circulación de líquidos: Durante el recubrimiento y en operaciones tales como el desengrase, activado, neutralizado, enjuagues, barnizado, etc., no deben existir bolsas de aire o gas, ni retención de líquidos que ser irían arrastrando en las secuencias posteriores, contaminando todo el proceso y deteriorando la calidad final.Atención especial merecen las piezas que presentan uniones por soldadura discontinua, el continuo goteo que aparece a través de los poros, es causa de manchas, impurificación de electrolitos y corrosión acelerada. En otros casos el llenado de alguna cavidad interior por la no estanqueidad de la soldadura, obliga a practicar taladros para su vaciado, rehacer la soldadura y volver a repetir todo el proceso.
  • Uniformidad. La configuración de la pieza condiciona el tratamiento superficial, ya sea este un recubrimiento o un acabado. Además un estudio riguroso tendería a extenderse a toda la escala de producción, con la elección del recubrimiento en función del fin perseguido y del material base propuesto.

Todas las fases de producción deberán evitar en lo posible las causas que dificulten el normal desarrollo de cualquier acabado superficial y adoptar medidas que lo favorezcan.

Se han realizado numerosos estudios sobre la influencia de las formas en el resultado de un proceso de acabado de superficies dado. Todas ellas coinciden en evitar aristas vivas, ángulos iguales o menores de 90º y agujeros ciegos.

“En la elección del acabado superficial, del espesor y de su aspecto final, el papel del técnico galvánico es determinante. El conocimiento que este tiene de sus propios procesos de fabricación y por tanto de sus propiedades y limitaciones, será la mejor garantía para conseguir el fin propuesto”

Acabado elegido

Según Moreno, el acabado que se elija, lo será tras un exhaustivo estudio que contemple:

  • Material base: Naturaleza, composición, estructura, proceso de fabricación, calidad física y tratamiento térmico.
  • Condiciones de trabajo: Función de la pieza, esfuerzo, materiales con los cuales está en contacto, temperatura de trabajo y ambiente a que estará sometida.
  • Fin propuesto. Durabilidad, características, mercado a donde se orienta, exigencias y coste previo.

“En la elección del acabado superficial, del espesor y de su aspecto final, el papel del técnico galvánico es determinante. El conocimiento que este tiene de sus propios procesos de fabricación y por tanto de sus propiedades y limitaciones, será la mejor garantía para conseguir el fin propuesto”, apuntaba Moreno.

Además, habló sobre nuevas tecnologías dentro el cromado duro: aportación de cromo en espesores progresivos (longitud y diámetro), en la aportación cromo gris antiadherente y la aportación de películas de cromo de estructura diferente en dos tres o más capas.

Aplicaciones industriales del níquel químico y níquel PTFE

Es la aportación de Ni-P, Ni-B y Ni-PTFE mediante la reducción catalítica de iones de níquel. Para la deposición autocatalítica no es necesario el paso de corriente eléctrica.

El níquel químico se caracteriza por su resistencia a la corrosión, porque permite el control preciso de la capa, por su uniformidad, su alta dureza, por su resistencia a la abrasión, tensiones a compresión, buenas propiedades de fatiga, protección contra el desgaste y el gripado, depósito magnético/no magnético, su conductividad, soldabilidad, barrera difusión, brillo, buena lubrificación y bajo coeficiente de rozamiento.

Si bien el níquel químico resiste a los productos y reactivos siguientes: álcalis, ácidos con pH>5, compuestos neutros, compuestos orgánicos e inorgánicos no y oxidantes, éste es atacado por varios productos y reactivos: ácido nítrico, ácido crómico, ácido clorhídrico, ácido monocloroacético, ácido fosfórico, cloruro de sodio, cloruro de bario, clorhidrato de anilina, sulfato amónico, hipoclorito y sosa al 72% + mercurio.

Sus campos de aplicación son bien diversos: piezas que por su complejidad haría costoso otro tipo de recubrimiento, las industrias de alimentación, electrónica, petroquímica, para instrumental médico-quirúrgico, circuitos impresos, aeronáutica, ferrocarriles, energía nuclear, determinados moldes de plástico, industria militar, automóvil y química, entre otros. Asimismo se emplea en la aplicación en capas dúplex (níquel químico-cromo duro, níquel químico-níquel composite) y en la aplicación sobre casi cualquier sustrato.

Los sustratos más comunes que pueden niquelarse son los aceros, aceros al carbono, aceros cementados, aceros templados, aceros nitrurados, acero inoxidable aluminio, cobre, bronce, fundición de hierro, hierro, latón y níquel.

Cuenta también con una serie de particularidades: el niquelado se efectúa a 90 °C +/-, es preferible el niquelado de toda la pieza antes que hacer un niquelado selectivo. Además, la capa de deposición puede ir de 1 a 500 μ, con el tratamiento térmico se aumenta la dureza de deposición de 500 Hv hasta los 950 Hv y se mejora la adherencia, la deposición totalmente uniforme y la absorción de hidrógeno es baja.

En función del campo de aplicación podemos encontrar distintos baños de níquel: baño de bajo contenido en fósforo (1-4%P), medio contenido en fósforo (4-10%P), alto contenido en fósforo (10-14%P)y con composite.

En cuanto a bajo contenido en fósforo, se caracteriza por una buena resistencia a la abrasión y la erosión, una menor adherencia a espesores superiores a 10μ, una resistencia a la corrosión moderada, una soldabilidad perfecta a espesores 3-4 μ con electrodo de plata o plomo estaño magnético.

En caso de medio contenido en fósforo, destaca por una resistencia a la corrosión moderada, buena resistencia a la abrasión, buen comportamiento de elongación y depósito poco tensionado (buena adherencia sustrato-película) y depósito con contenido >8% no son magnéticos mientras no se sometan a tratamiento térmico.

En casos de alto contenido en fósforo, destacan los depósitos de alta resistencia a la corrosión, una buena resistencia a la elongación, poco tensionado, depósitos no magnéticos incluso a temperaturas de 275 °C, se puede obtener espesores de 300 μ que expuestos a tratamiento térmico de 385 °C presentan buena adherencia con el sustrato.

En el caso de níquel químico con composite incorpora partículas ocluidas en una proporción del 20-25% en volumen en sus depósitos uniformemente distribuidas en toda la matriz de níquel. Las partículas confieren al depósito propiedades especificas en función del composite elegido.

Tipos de composite: PTFE, carburo de silicio, diamante y nitruro de boro.

El níquel PTFE es el más utilizado por sus propiedades lubricantes y antiadherentes mientras que el composite de carburo de silicio y diamante se utiliza para mejorar la resistencia al desgaste.

En composite de nitruro de boro codepositado en una matriz de níquel de bajo a medio contenido en fósforo, las partículas de nitruro de boro puede soportar hasta 3.000 °C (teniendo en cuenta que el punto de fusión de la matriz de níquel es de 890 °C).

“La versatilidad de este tipo de recubrimientos ofrecen un abanico de posibilidades a problemas técnicos específicos, la deposición uniforme de espesores 0,15-300 μ sobre cualquier sustrato y geometría aseguran que este recubrimiento tenga una demanda creciente”, concluyó.

Este texto se basa en una ponencia presentada en las Jornada de recubrimientos y tratamientos de superficies de AIAS, celebrada el pasado 1 de diciembre en el marco de la feria BCN Rail de Barcelona.

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