El enchapado es un proceso de acabado en el que se deposita un metal sobre una superficie. El enchapado se ha realizado durante cientos de años y también es fundamental para la tecnología moderna. El enchapado se utiliza para decorar objetos, para inhibir la corrosión, para mejorar la soldabilidad, para endurecer, para mejorar la resistencia al desgaste, para reducir la fricción, para mejorar la adhesión de la pintura, para alterar la conductividad, para mejorar la reflectividad de infrarrojos, para proteger contra la radiación y para otros fines. En las joyas, normalmente se utiliza el enchapado para dar un acabado plateado o dorado .
La deposición de película delgada ha permitido recubrir objetos tan pequeños como un átomo, [1] por lo que el recubrimien- to encuentra aplicaciones en la nanotecnología .
Existen varios métodos de enchapado y muchas variaciones. En un método, se cubre una superficie sólida con una lámina de metal y luego se aplica calor y presión para fundirlas (una versión de esto es la placa Sheffield ). Otras técnicas de enchapado incluyen la galvanoplastia , la deposición en fase de vapor al vacío y la deposición catódica . Recientemente, el enchapado se refiere a menudo al uso de líquidos. La metalización se refiere al recubrimiento de metal sobre objetos no metálicos.
En la galvanoplastia, se suministran electrones a un metal iónico para formar un revestimiento no iónico sobre un sustrato. Un sistema común implica una solución química con la forma iónica del metal, un ánodo (con carga positiva) que puede estar formado por el metal que se está recubriendo (un ánodo soluble ) o un ánodo insoluble (normalmente carbono, platino, titanio, plomo o acero) y, por último, un cátodo (con carga negativa) donde se suministran electrones para producir una película de metal no iónico.
La deposición electrolítica , también conocida como recubrimiento químico o autocatalítico , es un método de recubrimiento no galvánico que implica varias reacciones simultáneas en una solución acuosa , que ocurren sin el uso de energía eléctrica externa. La reacción se logra cuando el hidrógeno es liberado por un agente reductor, normalmente hipofosfito de sodio (Nota: el hidrógeno sale como un ion hidruro) o tiourea , y oxidado, produciendo así una carga negativa en la superficie de la pieza. El método de deposición electrolítica más común es el niquelado electrolítico , aunque también se pueden aplicar capas de plata, oro y cobre de esta manera, como en la técnica del dorado ángel .
El baño de oro es un método que consiste en depositar una fina capa de oro sobre la superficie del vidrio o del metal, generalmente cobre o plata.
El enchapado en oro se utiliza a menudo en electrónica para proporcionar una capa conductora de electricidad resistente a la corrosión sobre el cobre, normalmente en conectores eléctricos y placas de circuitos impresos . Con el enchapado directo de oro sobre cobre, los átomos de cobre tienen tendencia a difundirse a través de la capa de oro, lo que provoca el deslustre de su superficie y la formación de una capa de óxido/sulfuro. Por lo tanto, se debe depositar una capa de un metal de barrera adecuado , normalmente níquel, sobre el sustrato de cobre, formando un sándwich de cobre-níquel-oro.
Los metales y el vidrio también pueden recubrirse con oro con fines ornamentales, utilizando varios procesos diferentes generalmente conocidos como dorado .
Los zafiros, los plásticos y la fibra de carbono son otros materiales que se pueden recubrir con técnicas de recubrimiento avanzadas. Los sustratos que se pueden utilizar son casi ilimitados. [2]
El baño de plata se ha utilizado desde el siglo XVIII para proporcionar versiones más económicas de artículos domésticos que de otro modo estarían hechos de plata maciza, incluidos cubiertos , vasijas de varios tipos y candelabros. En el Reino Unido, las oficinas de ensaye y los comerciantes y coleccionistas de plata, utilizan el término "plata plateada" para los artículos hechos de plata maciza, derivado mucho antes de que se inventara el baño de plata de la palabra española para plata "plata", las incautaciones de plata de los barcos españoles que transportaban plata desde América eran una gran fuente de plata en ese momento. Esto puede causar confusión cuando se habla de artículos de plata; chapado o bañado. En el Reino Unido es ilegal describir los artículos bañados en plata como "plata". No es ilegal describir los artículos bañados en plata como "plata plateada", aunque esto es gramaticalmente incorrecto.
La primera forma de enchapado de plata fue la placa de Sheffield , en la que se fundían láminas delgadas de plata sobre una capa o núcleo de metal base, pero en el siglo XIX se introdujeron nuevos métodos de producción (incluida la galvanoplastia). El metal Britannia es una aleación de estaño, antimonio y cobre desarrollada como metal base para el enchapado con plata.
Otro método que se puede utilizar para aplicar una fina capa de plata a objetos como el vidrio es colocar el reactivo de Tollens en un vaso, agregar glucosa/dextrosa y agitar la botella para promover la reacción.
En aplicaciones de electrónica, a veces se utiliza plata para recubrir el cobre, ya que su resistencia eléctrica es menor (véase Resistividad de diversos materiales ); más aún a frecuencias más altas debido al efecto pelicular . Los condensadores variables se consideran de la más alta calidad cuando tienen placas plateadas. De manera similar, los cables plateados, o incluso de plata maciza, son apreciados en aplicaciones audiófilas ; sin embargo, algunos expertos consideran que, en la práctica, el recubrimiento suele implementarse de manera deficiente, lo que hace que el resultado sea inferior al de los cables de cobre de precio similar. [3]
Se debe tener cuidado con las piezas expuestas a ambientes con alta humedad porque en dichos ambientes, cuando la capa de plata es porosa o contiene grietas, el cobre subyacente sufre una rápida corrosión galvánica , descascarando el enchapado y exponiendo el propio cobre; un proceso conocido como plaga roja . El cobre enchapado en plata mantenido en un ambiente libre de humedad no sufrirá este tipo de corrosión.
El recubrimiento de cobre es el proceso de formación electrolítica de una capa de cobre sobre la superficie de un artículo. Se utiliza comúnmente como una alternativa aún más económica que el recubrimiento de plata, ya que es mucho más económico que esta última.
El baño de rodio se utiliza ocasionalmente sobre oro blanco, plata o cobre y sus aleaciones. Generalmente, primero se deposita una capa de níquel sobre la plata, aunque en este caso no es para evitar la migración de plata a través del rodio, sino para evitar la contaminación del baño de rodio con plata y cobre, que se disuelven ligeramente en el ácido sulfúrico que suele estar presente en la composición del baño. [4]
El cromado es un tratamiento de acabado que utiliza la deposición electrolítica de cromo . La forma más común de cromado es el cromo brillante fino y decorativo , que normalmente es una capa de 10 μm sobre una placa de níquel subyacente . Al revestir hierro o acero, un revestimiento subyacente de cobre permite que el níquel se adhiera. Los poros (pequeños orificios) en las capas de níquel y cromo funcionan para aliviar la tensión causada por el desajuste de expansión térmica , pero también dañan la resistencia a la corrosión del recubrimiento. La resistencia a la corrosión depende de lo que se llama la capa de pasivación , que está determinada por la composición química y el procesamiento, y se daña por grietas y poros. En un caso especial, los microporos pueden ayudar a distribuir el potencial electroquímico que acelera la corrosión galvánica entre las capas de níquel y cromo. Dependiendo de la aplicación, los recubrimientos de diferentes espesores requerirán diferentes equilibrios de las propiedades mencionadas anteriormente. El cromo fino y brillante imparte un acabado similar a un espejo a elementos como marcos de muebles de metal y molduras de automóviles. Los depósitos más gruesos, de hasta 1000 μm, se denominan cromo duro y se utilizan en equipos industriales para reducir la fricción y el desgaste.
La solución tradicional utilizada para el cromado duro industrial se compone de unos 250 g/L de CrO 3 y unos 2,5 g/L de SO 4 − . En solución, el cromo existe como ácido crómico, conocido como cromo hexavalente . Se utiliza una corriente alta, en parte para estabilizar una capa fina de cromo (+2) en la superficie del trabajo cromado. El cromo ácido tiene un poder de penetración bajo, los detalles finos o los agujeros están más alejados y reciben menos corriente, lo que da como resultado un cromado deficiente.
Los recubrimientos de zinc evitan la oxidación del metal protegido formando una barrera y actuando como un ánodo de sacrificio si esta barrera se daña. El óxido de zinc es un polvo blanco fino que (a diferencia del óxido de hierro ) no causa una ruptura de la integridad de la superficie del sustrato a medida que se forma. De hecho, el óxido de zinc, si no se altera, puede actuar como una barrera para una mayor oxidación, de una manera similar a la protección que brindan sus capas de óxido al aluminio y los aceros inoxidables . La mayoría de las piezas de hardware están galvanizadas, en lugar de cadmio. [5]
El enchapado de zinc-níquel es uno de los acabados más resistentes a la corrosión disponibles, ya que ofrece más de 5 veces la protección del enchapado de zinc convencional y hasta 1500 horas de rendimiento en la prueba de niebla salina neutra. Este enchapado es una combinación de una aleación de zinc-níquel con alto contenido de níquel (10-15 % de níquel) y alguna variación de cromato. Los cromatos mixtos más comunes incluyen el cromato hexavalente iridiscente, el trivalente o el trivalente negro. Este enchapado ácido se utiliza para proteger acero, hierro fundido, latón, cobre y otros materiales y es una opción segura para el medio ambiente. [6] La EPA y la OSHA han clasificado al cromato hexavalente como carcinógeno humano. [7] [8]
El proceso de estañado se utiliza ampliamente para proteger superficies tanto ferrosas como no ferrosas . El estaño es un metal útil para la industria de procesamiento de alimentos , ya que no es tóxico, es dúctil y resistente a la corrosión. La excelente ductilidad del estaño permite que una lámina de metal base revestida de estaño se pueda moldear en una variedad de formas sin dañar la capa de estaño de la superficie. Proporciona protección de sacrificio para el cobre, el níquel y otros metales no ferrosos, pero no para el acero .
El estaño también se utiliza ampliamente en la industria electrónica debido a su capacidad para proteger el metal base de la oxidación, preservando así su soldabilidad. En aplicaciones electrónicas, se puede añadir entre un 3% y un 7% de plomo para mejorar la soldabilidad y evitar el crecimiento de "hilos" metálicos en depósitos sometidos a tensión de compresión, que de otro modo causarían cortocircuitos eléctricos. Sin embargo, las normas RoHS (Restricción de sustancias peligrosas) promulgadas a partir de 2006 exigen que no se añada plomo de forma intencionada y que el porcentaje máximo no supere el 1%. Se han emitido algunas exenciones a los requisitos RoHS en aplicaciones electrónicas críticas debido a fallos que se sabe que han ocurrido como resultado de la formación de hilos de estaño.
En algunos casos, es deseable depositar conjuntamente dos o más metales para obtener un depósito de aleación galvanizada. Según el sistema de aleación, una aleación galvanizada puede ser reforzada con una solución sólida o endurecida por precipitación mediante un tratamiento térmico para mejorar las propiedades físicas y químicas del recubrimiento. La aleación de níquel-cobalto es una aleación galvanizada común.
El recubrimiento compuesto con matriz metálica se puede fabricar recubriendo un sustrato con un baño que contiene una suspensión de partículas cerámicas. Una selección cuidadosa del tamaño y la composición de las partículas puede ajustar el depósito para lograr resistencia al desgaste, rendimiento a altas temperaturas o resistencia mecánica. El carburo de tungsteno , el carburo de silicio , el carburo de cromo y el óxido de aluminio (alúmina) se utilizan comúnmente en el recubrimiento electrolítico compuesto.
El recubrimiento con cadmio está bajo escrutinio debido a la toxicidad ambiental del metal cadmio. El recubrimiento con cadmio se usa ampliamente en algunas aplicaciones en los campos aeroespacial, militar y de aviación. Sin embargo, se está eliminando gradualmente debido a su toxicidad. [9] Los fabricantes de componentes militares y aeroespaciales, como Amphenol Aerospace , han estado explorando recientemente reemplazos de galvanoplastia para usar con equipos que se encuentran actualmente en uso con el fin de apoyar la eliminación gradual del acabado peligroso. [10]
El recubrimiento de cadmio (o recubrimiento cad. ) ofrece una larga lista de ventajas técnicas, como una excelente resistencia a la corrosión incluso con espesores relativamente bajos y en atmósferas salinas, suavidad y maleabilidad , ausencia de productos de corrosión pegajosos y/o voluminosos, compatibilidad galvánica con el aluminio, ausencia de stick-slip, lo que permite un torque confiable de las roscas recubiertas, se puede teñir en muchos colores y transparente, tiene buena lubricidad y soldabilidad, y funciona bien como acabado final o como base de pintura. [5] [11]
Si las preocupaciones medioambientales son importantes, en la mayoría de los aspectos el revestimiento de cadmio se puede sustituir directamente por el revestimiento de oro, ya que comparte la mayoría de las propiedades del material, pero el oro es más caro y no puede servir como base de pintura.
El níquel se galvaniza mediante un baño de Watts , una celda electrolítica que tiene un ánodo de níquel y un electrolito que contiene sulfato de níquel , cloruro de níquel y ácido bórico . [12] A veces se utilizan otras sales de níquel, como el sulfato de níquel y amonio, en lugar del sulfato de níquel.
El niquelado electrolítico, también conocido como enickel y NiP , ofrece muchas ventajas: espesor de capa uniforme sobre las superficies más complicadas, recubrimiento directo de metales ferrosos (acero), resistencia superior al desgaste y a la corrosión en comparación con el níquel o cromo electrolíticos. Gran parte del cromado que se realiza en la industria aeroespacial se puede reemplazar con niquelado electrolítico, nuevamente los costos ambientales, los costos de eliminación de desechos de cromo hexavalente y la notoria tendencia a la distribución desigual de la corriente favorecen el niquelado electrolítico. [13]
El niquelado electrolítico es un proceso autocatalizador, la capa de níquel resultante es un compuesto de NiP, con un contenido de fósforo de entre el 7 y el 11 %. Las propiedades de la dureza y la resistencia al desgaste de la capa resultante se modifican en gran medida con la composición del baño y la temperatura de deposición, que debe regularse con una precisión de 1 °C, normalmente a 91 °C.
Durante la circulación del baño, las partículas que se encuentren en él también se niquelarán; este efecto se aprovecha en procesos que depositan el recubrimiento con partículas como carburo de silicio (SiC) o politetrafluoroetileno (PTFE). Si bien es superior en comparación con muchos otros procesos de recubrimiento, es caro porque el proceso es complejo. Además, el proceso es largo incluso para capas delgadas. Cuando solo se trata de resistencia a la corrosión o tratamiento de la superficie, no se requiere una composición del baño muy estricta ni un control de temperatura y el proceso se utiliza para recubrir muchas toneladas en un baño a la vez.
Se sabe que las capas de niquelado electrolítico proporcionan una adhesión superficial extrema cuando se recubren correctamente. El niquelado electrolítico no es magnético y es amorfo. Las capas de niquelado electrolítico no se sueldan fácilmente ni se agarran con otros metales u otras piezas de trabajo niqueladas electrolíticamente bajo presión. Este efecto beneficia a los tornillos niquelados electrolíticos hechos de materiales maleables como el titanio. La resistencia eléctrica es mayor en comparación con el recubrimiento de metal puro.
El término "recubrimiento de aluminio" puede referirse tanto al recubrimiento sobre aluminio [14] como al recubrimiento de aluminio sobre otros materiales. [15]
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