La electrogalvanización es un proceso en el que se une una capa de zinc al acero para protegerlo contra la corrosión . El proceso implica galvanoplastia , haciendo pasar una corriente eléctrica a través de una solución salina/zinc con un ánodo de zinc y un conductor de acero. Dicha galvanoplastia de zinc o galvanoplastia de aleación de zinc mantiene una posición dominante entre otras opciones de proceso de galvanoplastia, en función del tonelaje de galvanoplastia por año. Según la Asociación Internacional de Zinc, se utilizan más de 5 millones de toneladas al año tanto para la galvanoplastia por inmersión en caliente como para la galvanoplastia. [1] El enchapado de zinc se desarrolló a principios del siglo XX. En ese momento, el electrolito estaba basado en cianuro . Una innovación significativa ocurrió en la década de 1960, con la introducción del primer electrolito basado en cloruro de ácido. [2] La década de 1980 vio un regreso a los electrolitos alcalinos, solo que esta vez, sin el uso de cianuro. El acero laminado en frío electrogalvanizado más utilizado es el SECC , acrónimo de "Steel, Electrogalvanized, Cold-rolled, Commercial quality" (Acero, Electrogalvanizado, Laminado en frío, Calidad comercial). En comparación con la galvanización por inmersión en caliente, el zinc electrochapado ofrece estas importantes ventajas:
El enchapado de zinc se desarrolló y continúa evolucionando para cumplir con los requisitos más exigentes de protección contra la corrosión, temperatura y resistencia al desgaste. La galvanoplastia de zinc se inventó en 1800, pero los primeros depósitos brillantes no se obtuvieron hasta principios de la década de 1930 con el electrolito de cianuro alcalino. Mucho más tarde, en 1966, el uso de baños de cloruro ácido mejoró aún más el brillo. El último desarrollo moderno se produjo en la década de 1980, con la nueva generación de zinc alcalino sin cianuro. Las recientes directivas de la Unión Europea ( ELV / RoHS / WEEE ) [3] prohíben a los fabricantes de automóviles, otros fabricantes de equipos originales (OEM) y fabricantes de equipos eléctricos y electrónicos utilizar cromo hexavalente (CrVI). Estas directivas, combinadas con mayores requisitos de rendimiento por parte del OEM, han llevado a un aumento en el uso de zinc alcalino, aleaciones de zinc y recubrimientos de conversión pasivantes trivalentes de alto rendimiento .
Durante la década de 1980, se utilizaron los primeros depósitos alcalinos de Zn/Fe (99,5%/0,5%) y de Zn/Ni (94%/6%). Recientemente, [ ¿cuándo? ] el refuerzo de las especificaciones de corrosión de los principales fabricantes de automóviles europeos y la Directiva de vehículos al final de su vida útil (que prohibía el uso de revestimiento de conversión de cromo hexavalente ) exigieron un mayor uso de Zn/Ni alcalino que contenía entre un 12 y un 15% de Ni (Zn/Ni 86/14). [4] Solo Zn/Ni (86%/14%) es una aleación, mientras que un menor contenido de hierro, cobalto y níquel conduce a co-depósitos. Zn/Ni (12–15%) en electrolitos ácidos y alcalinos se platea como la fase cristalina gamma del diagrama de fase binario Zn-Ni .
La protección contra la corrosión que ofrece la capa de zinc electrodepositada se debe principalmente a la disolución del potencial anódico del zinc frente al hierro (el sustrato en la mayoría de los casos). El zinc actúa como un ánodo de sacrificio para proteger el hierro (acero). Mientras que el acero está cerca de E SCE = -400 mV (el potencial se refiere al electrodo de calomelanos saturado (SCE) estándar), dependiendo de la composición de la aleación, el zinc electrodepositado es mucho más anódico con E SCE = -980 mV. El acero se preserva de la corrosión mediante la protección catódica. Se aplican recubrimientos de conversión (cromo hexavalente (CrVI) o cromo trivalente (CrIII) según los requisitos del OEM) para mejorar drásticamente la protección contra la corrosión mediante la creación de una capa inhibidora adicional de hidróxidos de cromo y zinc. Estas películas de óxido varían en espesor desde 10 nm para los pasivados azules/transparentes más delgados hasta 4 μm para los cromatos negros más gruesos.
Además, los artículos de zinc galvanizado pueden recibir una capa superior para mejorar aún más la protección contra la corrosión y el rendimiento de fricción. [5]
Los electrolitos modernos son tanto alcalinos como ácidos:
Contienen sulfato de sodio e hidróxido de sodio (NaOH). Todos ellos utilizan agentes abrillantadores patentados. El zinc es soluble como un complejo de cianuro Na2Zn ( CN) 4 y como un cincato Na2Zn ( OH ) 4 . El control de calidad de dichos electrolitos requiere el análisis regular de Zn, NaOH y NaCN. La relación de NaCN:Zn puede variar entre 2 y 3 dependiendo de la temperatura del baño y el nivel de brillo del depósito deseado. El siguiente cuadro ilustra las opciones típicas de electrolito de cianuro utilizadas para el recubrimiento a temperatura ambiente:
Contienen zinc e hidróxido de sodio. La mayoría de ellos se abrillantan con agentes de adición patentados similares a los que se utilizan en los baños de cianuro. La adición de aditivos de amina cuaternaria contribuye a mejorar la distribución del metal entre las áreas de alta y baja densidad de corriente. Dependiendo del rendimiento deseado, el electrochapador puede seleccionar el contenido de zinc más alto para una mayor productividad o un contenido de zinc más bajo para un mejor poder de penetración (en áreas de baja densidad de corriente). Para una distribución ideal del metal, el metal Zn evoluciona entre 6 y 14 g/L (0,8 y 1,9 oz/gal) y el NaOH a 120 g/L (16 oz/gal). Pero para la mayor productividad, el metal Zn está entre 14 y 25 g/L (1,9 y 3,4 oz/gal) y el NaOH permanece a 120 g/L (16 oz/gal). El proceso de zinc alcalino sin cianuro contiene una concentración más baja de metal de zinc de 6-14 g/L (0,8-1,9 oz/gal) o una concentración más alta de metal de zinc de 14-25 g/L (1,9-3,4 oz/gal) y proporciona una distribución de placa superior desde una alta densidad de corriente hasta una baja densidad de corriente o poder de penetración en comparación con cualquier baño ácido, como los baños a base de cloruro (cloruro de amonio bajo, cloruro de potasio/cloruro de amonio) o (cloruro sin amonio, cloruro de potasio/ácido bórico) o baños de sulfato.
Dedicado al enchapado a alta velocidad en plantas donde el tiempo de enchapado más corto es crítico (es decir, bobinas de acero o tuberías que funcionan a hasta 200 m/min. Los baños contienen sulfato de zinc y cloruro hasta el nivel máximo de solubilidad. El ácido bórico se puede utilizar como tampón de pH y para reducir el efecto de quemado a altas densidades de corriente. Estos baños contienen muy pocos refinadores de grano . Si se utiliza alguno, puede ser sacarina sódica.
Inicialmente, se basaba en cloruro de amonio , pero hoy en día las opciones incluyen electrolitos de amonio, potasio o una mezcla de amonio y potasio. El contenido de zinc elegido depende de la productividad requerida y de la configuración de la pieza. Un alto contenido de zinc mejora la eficiencia del baño (velocidad de deposición), mientras que niveles más bajos mejoran la capacidad del baño para alcanzar densidades de corriente bajas. Normalmente, el nivel de metal de Zn varía entre 20 y 50 g/L (2,7-6,7 oz/gal). El pH varía entre 4,8 y 5,8 unidades. El siguiente gráfico ilustra una composición típica de un baño de cloruro de potasio:
Los refinadores de grano típicos incluyen cetonas y aldehídos poco solubles . Estos agentes abrillantadores deben disolverse en alcohol o en hidrótropo . Las moléculas resultantes se depositan junto con el zinc para producir un depósito ligeramente nivelado y muy brillante. Sin embargo, también se ha demostrado que el depósito brillante disminuye la receptividad del cromato/pasivado. El resultado es una reducción de la protección contra la corrosión proporcionada.
La protección contra la corrosión se debe principalmente a la disolución del potencial anódico del zinc frente al hierro. El zinc actúa como un ánodo de sacrificio para proteger el hierro (acero). Mientras que el acero está cerca de -400 mV, dependiendo de la composición de la aleación, el zinc galvanizado es mucho más anódico con -980 mV. El acero se preserva de la corrosión mediante la protección catódica. La aleación de zinc con cobalto o níquel en niveles inferiores al 1% tiene un efecto mínimo en el potencial; pero ambas aleaciones mejoran la capacidad de la capa de zinc para desarrollar una película de cromato mediante recubrimiento de conversión. Esto mejora aún más la protección contra la corrosión.
Por otro lado, el Zn/Ni entre 12% y 15% Ni (Zn/Ni 86/14) tiene un potencial en torno a -680 mV, que se acerca más al del cadmio -640 mV. Durante la corrosión, el ataque del zinc es preferente y la descincificación conduce a un aumento constante del potencial hacia el acero. Gracias a este mecanismo de corrosión, esta aleación ofrece una protección mucho mayor que otras aleaciones.
Por razones de coste, el mercado actual se divide entre Zn/Fe alcalino (99,5%/0,5%) y Zn/Ni alcalino (86%/14%). El uso del antiguo Zn/Co alcalino y ácido (99,5%/0,5%) está desapareciendo de las especificaciones porque el Fe da resultados similares con menos preocupación medioambiental. El antiguo Zn/Ni (94%/6%), que era una mezcla entre zinc puro y la fase gamma cristalográfica de Zn/Ni (86%/14%), fue retirado de las especificaciones europeas. Una ventaja específica del Zn/Ni alcalino (86%/14%) es la falta de fragilización por hidrógeno mediante el recubrimiento. Se ha demostrado [¿ por quién? ] que la primera nucleación del acero comienza con níquel puro, y que esta capa se recubre con un espesor de 2 nm antes que la de Zn-Ni. [6] Esta capa inicial evita que el hidrógeno penetre profundamente en el sustrato de acero , evitando así los graves problemas asociados con la fragilización por hidrógeno. El valor de este proceso y el mecanismo de iniciación son bastante útiles para aceros de alta resistencia, aceros para herramientas y otros sustratos susceptibles a la fragilización por hidrógeno.
Se ha desarrollado un nuevo sistema ácido de Zn/Ni (86%/14%) que produce un depósito más brillante pero ofrece una distribución de metal menor que el sistema alcalino y, sin la capa de níquel mencionada anteriormente, no ofrece el mismo rendimiento en términos de fragilización por hidrógeno. Además, todas las aleaciones de zinc reciben las nuevas películas de recubrimiento de conversión sin Cr VI , que con frecuencia van seguidas de una capa superior para mejorar la protección contra la corrosión, la resistencia al desgaste y para controlar el coeficiente de fricción .
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