El cromado (menos comúnmente llamado cromado ) es una técnica de galvanoplastia de una fina capa de cromo sobre un objeto metálico . Una pieza cromada se denomina cromo o se dice que ha sido cromada . La capa de cromo puede ser decorativa, proporcionar resistencia a la corrosión , facilitar la limpieza y aumentar la dureza de la superficie. A veces, se puede utilizar un sustituto menos costoso del cromo, como el níquel, con fines estéticos.
Los compuestos de cromo que se utilizan en la galvanoplastia son tóxicos . En la mayoría de los países, su eliminación está estrictamente regulada. Algunos supresores de humos que se utilizan para controlar la emisión de cromo en suspensión en el aire de los baños de galvanoplastia también son tóxicos, lo que dificulta aún más su eliminación.
La preparación y el cromado de una pieza normalmente incluye algunos o todos estos pasos:
Existen muchas variaciones de este proceso, según el tipo de sustrato que se esté recubriendo. Diferentes sustratos necesitan diferentes soluciones de grabado, como el ácido clorhídrico , el fluorhídrico y el sulfúrico . El cloruro férrico también es popular para el grabado de aleaciones nimónicas . A veces, el componente ingresa al tanque de cromado mientras está bajo tensión eléctrica. A veces, el componente tiene un ánodo conforme hecho de plomo/estaño o titanio platinizado. Un tanque típico de cromo duro recubre a aproximadamente 0,001 pulgadas (25 μm) por hora.
Algunas especificaciones industriales comunes que rigen el proceso de cromado son AMS 2460, AMS 2406 y MIL-STD-1501.
El cromado hexavalente , también conocido como cromado hexadecimal , Cr 6+ y cromado (VI) , utiliza trióxido de cromo (CrO 3 , también conocido como anhídrido crómico) como ingrediente principal. La solución de cromado hexavalente se utiliza tanto para el cromado decorativo como para el cromado duro, así como para la inmersión brillante de aleaciones de cobre, el anodizado con ácido crómico y el recubrimiento por conversión de cromato . [3]
Un proceso típico de cromado hexavalente es:
El baño de activación es típicamente un tanque de ácido crómico con una corriente inversa que lo atraviesa. Esto graba la superficie de la pieza de trabajo y elimina cualquier cascarilla . En algunos casos, el paso de activación se realiza en el baño de cromo. El baño de cromo es una mezcla de trióxido de cromo y ácido sulfúrico , cuya proporción varía mucho entre 75:1 y 250:1 en peso. Esto da como resultado un baño extremadamente ácido (pH 0). La temperatura y la densidad de corriente en el baño afectan el brillo y la cobertura final. Para el recubrimiento decorativo, la temperatura varía de 35 a 45 °C (100 a 110 °F), pero para el recubrimiento duro varía de 50 a 65 °C (120 a 150 °F). La temperatura también depende de la densidad de corriente, porque una densidad de corriente más alta requiere una temperatura más alta. Finalmente, se agita todo el baño para mantener la temperatura estable y lograr una deposición uniforme. [3]
Una desventaja funcional del cromado hexavalente es la baja eficiencia del cátodo, lo que da como resultado un poder de penetración deficiente . Esto significa que deja un revestimiento no uniforme, con más en los bordes y menos en las esquinas interiores y los agujeros. Para superar este problema, la pieza puede recubrirse y rectificarse a medida, o pueden usarse ánodos auxiliares alrededor de las áreas difíciles de recubrir. [3] El cromo hexavalente también es considerablemente más tóxico que el cromo trivalente, lo que lo convierte en un importante riesgo para la salud tanto en la fabricación como en la eliminación si no se maneja con cuidado. [4]
El cromado trivalente , también conocido como tricromía , Cr 3+ y cromo(III) , utiliza sulfato de cromo o cloruro de cromo como ingrediente principal. El cromado trivalente es una alternativa al cromo hexavalente en ciertas aplicaciones y espesores (por ejemplo, cromado decorativo). [3]
El proceso de cromado trivalente es similar al proceso de cromado hexavalente, excepto por la composición química del baño y del ánodo. Existen tres tipos principales de configuraciones de baño de cromo trivalente: [3]
El proceso de cromado trivalente permite recubrir las piezas a una temperatura, velocidad y dureza similares a las del cromo hexavalente. El espesor del cromado varía de 5 a 50 μin (0,13 a 1,27 μm). [3]
Las ventajas funcionales del cromo trivalente son una mayor eficiencia del cátodo y un mejor poder de penetración. Un mejor poder de penetración significa mejores tasas de producción. Se requiere menos energía debido a las menores densidades de corriente requeridas. El proceso es más robusto que el cromo hexavalente porque puede soportar interrupciones de corriente. [3]
Una de las desventajas cuando se introdujo por primera vez el proceso fue que los clientes de la industria decorativa desaprobaban las diferencias de color. Ahora las empresas utilizan aditivos para ajustar el color. En aplicaciones de recubrimiento duro, la resistencia a la corrosión de los recubrimientos más gruesos no es tan buena como con cromo hexavalente. El costo de los productos químicos es mayor, pero esto suele compensarse con mayores tasas de producción y menores costos generales. En general, el proceso debe controlarse más de cerca que en el cromado hexavalente, especialmente con respecto a las impurezas metálicas. Esto significa que los procesos que son difíciles de controlar, como el cromado en barril, son mucho más difíciles utilizando un baño de cromo trivalente. [3]
El cromado divalente se realiza a partir de líquidos que comprenden especies de Cr 2+ . Antes de 2020 se evitaban estas soluciones debido a la sensibilidad al aire y al desprendimiento de hidrógeno a partir de soluciones acuosas de Cr 2+ . En la década de 2020, se descubrió que el cloruro de cromo tiene una solubilidad de aproximadamente 4,0 M en agua a temperatura ambiente (es decir, con una relación molar de H 2 O: Cr de alrededor de 14:1), y estos líquidos se comportan como electrolitos sobresaturados con una propensión reducida al desprendimiento de hidrógeno. Los depósitos brillantes de mejor calidad se producen a una densidad de corriente relativamente alta de 20 mA/cm 2 . [5]
El cromo decorativo está diseñado para ser estéticamente agradable y duradero. Los espesores varían de 2 a 20 μin (0,05 a 0,5 μm), sin embargo, normalmente están entre 5 y 10 μin (0,13 y 0,25 μm). El cromado se aplica normalmente sobreun niquelado. Los materiales de base típicos incluyenacero,aluminio,plástico,de cobrey aleaciones de zinc.[3]El cromado decorativo también es muy resistente a la corrosión y se utiliza a menudo en piezas de automóviles, herramientas y utensilios de cocina.[ cita requerida ]
El cromo denso fino (TDC) se diferencia del cromo decorativo. [6] Mientras que el cromo decorativo se aplica principalmente con fines estéticos con capas delgadas que proporcionan un acabado brillante, el TDC, como Armoloy , se centra en mejorar el rendimiento de la superficie. Ofrece resistencia al desgaste, protección contra la corrosión y dureza sin agregar espesor significativo. El TDC también evita el microagrietamiento asociado con el cromo decorativo, lo que lo hace ideal para aplicaciones industriales donde la durabilidad y la reducción de la fricción son necesarias. El cromo denso fino se usa comúnmente en herramientas de precisión, equipos aeroespaciales, médicos y de procesamiento de alimentos.
Cromo duro , también conocido comocromo industrial oEl cromo de ingeniería se utiliza para reducir la fricción, mejorar la durabilidad a través de la tolerancia a la abrasión y la resistencia al desgaste en general, minimizarel desgaste por rozamientoo agarrotamiento de las piezas, ampliar la inercia química para incluir un conjunto más amplio de condiciones (como la resistencia a la oxidación) y aumentar el volumen del material para que las piezas desgastadas recuperen sus dimensiones originales.[7]Es muy duro, midiendo entre 65 y 69HRC(también según la dureza del metal base). El cromo duro tiende a ser más grueso que el cromo decorativo, con espesores estándar en aplicaciones que no son de rescate que van de 20 a 40 μm,[8]pero puede ser un orden de magnitud más grueso para requisitos extremos de resistencia al desgaste, en tales casos 100 μm o más grueso proporciona resultados óptimos. Desafortunadamente, tales espesores enfatizan las limitaciones del proceso, que se superan al enchapar un espesor adicional y luego pulirlo y lapearlo para cumplir con los requisitos o para mejorar la estética general de la pieza cromada.[3]Aumentar el espesor del enchapado amplifica los defectos de la superficie y la rugosidad en una severidad proporcional, porque el cromo duro no tiene un efecto nivelador.[9]Las piezas que no tienen una forma ideal en referencia a las geometrías del campo eléctrico (casi todas las piezas enviadas para enchapado, excepto las esferas y los objetos con forma de huevo) requieren un enchapado aún más grueso para compensar la deposición no uniforme, y gran parte de este se desperdicia al pulir la pieza hasta las dimensiones deseadas.[ cita requerida ]
Los recubrimientos de ingeniería modernos no sufren estos inconvenientes, que a menudo hacen que el cromo duro sea un producto desvalorizado debido únicamente a los costos de mano de obra. Las tecnologías de reemplazo de cromo duro superan al cromo duro en resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión y costo. Una dureza de hasta 80 HRC no es extraordinaria para estos materiales. Los recubrimientos de ingeniería modernos aplicados mediante deposición por aspersión pueden formar capas de espesor uniforme que a menudo no requieren pulido o mecanizado adicional. Estos recubrimientos a menudo son compuestos de polímeros , metales y polvos o fibras de cerámica como fórmulas patentadas protegidas por patentes o como secretos comerciales y, por lo tanto, generalmente se conocen por sus nombres de marca. [10]
El cromado duro está sujeto a diferentes tipos de requisitos de calidad según la aplicación; por ejemplo, el cromado de los vástagos de los pistones hidráulicos se prueba para comprobar su resistencia a la corrosión con una prueba de niebla salina . [ cita requerida ]
La mayoría de los elementos decorativos brillantes que se colocan en los automóviles se denominan "cromados", es decir, acero que ha sido sometido a varios procesos de enchapado para protegerlo de la intemperie y la humedad, pero el término pasó a cubrir cualquier pieza decorativa brillante de aspecto similar, incluidas las piezas de plástico plateado en la terminología informal. El triple enchapado es el proceso más caro y duradero, que implica enchapar el acero primero con cobre y luego con níquel antes de aplicar el cromado.
Antes de la aplicación del cromo en la década de 1920, se utilizaba la galvanoplastia de níquel . En la corta producción anterior a la entrada de EE. UU. en la Segunda Guerra Mundial , el gobierno prohibió el enchapado para ahorrar cromo y los fabricantes de automóviles pintaron las piezas decorativas en un color complementario. En los últimos años de la Guerra de Corea , EE. UU. contempló prohibir el cromo en favor de varios procesos más económicos (como el enchapado con zinc y luego el recubrimiento con plástico brillante).
En 2007 se promulgó una Directiva de restricción de sustancias peligrosas (RoHS) que prohibía el uso de varias sustancias tóxicas en la industria automotriz en Europa, incluido el cromo hexavalente , que se utiliza en el cromado. Sin embargo, el cromado es un metal y no contiene cromo hexavalente después de enjuagarse, por lo que el cromado no está prohibido. [11]
El revestimiento cromado protege el cañón o la recámara de las armas de la corrosión y hace que estas partes también sean más fáciles de limpiar, pero este no es el propósito principal del revestimiento de un cañón o recámara. El revestimiento cromado se introdujo en las ametralladoras para aumentar la resistencia al desgaste y la vida útil de las partes de las armas que sufren mucho estrés, como los cañones y las recámaras, lo que permite disparar más balas antes de que un cañón se desgaste y necesite ser reemplazado. El extremo de la recámara, el ánima libre y el plomo (la parte no estriada del cañón justo delante de la recámara), así como los primeros centímetros o pulgadas del estriado, en los rifles están sujetos a temperaturas muy altas, ya que el contenido de energía de los propulsores de los rifles puede superar los 3500 kJ/kg, y presiones que pueden superar los 380 MPa (55,114 psi). Los gases propulsores actúan de manera similar a la llama de un soplete de corte, los gases calientan el metal hasta el estado rojo intenso y la velocidad desgarra el metal. En condiciones de fuego lento, las áreas afectadas pueden enfriarse lo suficiente entre disparos. En situaciones de fuego rápido sostenido o fuego automático/cíclico, no hay tiempo para que el calor se disipe. Los efectos de calor y presión ejercidos por los gases propulsores calientes y la fricción del proyectil pueden causar daños rápidamente al arrastrar el metal del extremo de la recámara, el cañón libre, el cañón de plomo y el estriado. El revestimiento de cromo duro protege la recámara, el cañón libre, el cañón de plomo y el estriado con una fina capa de cromo resistente al desgaste. Esto extiende significativamente la vida útil del cañón en armas que se disparan durante períodos prolongados en modos de fuego rápido sostenido o totalmente automático. Algunos fabricantes de armas utilizan una aleación de revestimiento de estelita como alternativa al revestimiento de cromo duro para aumentar aún más la resistencia al desgaste y la vida útil de las piezas de armas sometidas a grandes esfuerzos. [12] [13]
El cromo hexavalente es la forma más tóxica de cromo. En los EE. UU., la Agencia de Protección Ambiental lo regula estrictamente. La EPA clasifica el cromo hexavalente como un contaminante atmosférico peligroso porque es un carcinógeno humano , un "contaminante prioritario" según la Ley de Agua Limpia y un "componente peligroso" según la Ley de Conservación y Recuperación de Recursos . Debido a su baja eficiencia catódica y alta viscosidad de la solución , se libera una niebla tóxica de agua y cromo hexavalente del baño. Se utilizan depuradores húmedos para controlar estas emisiones. El líquido de los depuradores húmedos se trata para precipitar el cromo y eliminarlo de las aguas residuales antes de que se descargue. [3]
Entre los desechos tóxicos adicionales que se generan a partir de los baños de cromo hexavalente se encuentran los cromatos de plomo , que se forman en el baño porque se utilizan ánodos de plomo . El bario también se utiliza para controlar la concentración de sulfato, lo que conduce a la formación de sulfato de bario (BaSO 4 ). [3]
El cromo trivalente es intrínsecamente menos tóxico que el cromo hexavalente. Debido a su menor toxicidad, no está regulado tan estrictamente, lo que reduce los costos generales . Otras ventajas para la salud incluyen una mayor eficiencia del cátodo, que conduce a menores emisiones de cromo al aire; niveles de concentración más bajos, lo que da como resultado menos desechos de cromo y ánodos que no se descomponen. [3]
Es necesario mantener una tensión superficial del baño inferior a 35 dinas/cm para evitar que la solución de enchapado se disperse en el aire cuando las burbujas suben a la superficie y estallan. Esto requiere un ciclo frecuente de tratamiento del baño con un agente humectante supresor de humos y la confirmación del efecto sobre la tensión superficial. [14] Por lo general, la tensión superficial se mide con un estalagmómetro o un tensiómetro . Sin embargo, este método es tedioso y adolece de imprecisiones (se han informado errores de hasta 22 dinas/cm) y depende de la experiencia y las capacidades del usuario. [15]
Si bien son eficaces para el control del cromo tóxico en el aire, muchos supresores de humos de agentes humectantes ampliamente utilizados son tóxicos en sí mismos porque contienen sustancias perfluoroalquiladas (PFAS), que son sustancias químicas peligrosas que pueden causar efectos a largo plazo en la salud. [16] Esto hace que la galvanoplastia sea uno de los trabajos con mayor riesgo de exposición ocupacional a PFAS, pero no tan alto como el de los bomberos que utilizan espumas formadoras de película acuosas fluoradas . [17] Además de sus efectos perjudiciales para la salud humana, los PFAS son contaminantes persistentes que causan una bioacumulación y biomagnificación significativas, lo que pone a los animales en el nivel trófico más alto en el mayor riesgo de efectos tóxicos. [18] [19]
Se sabe desde hace más de un siglo que la galvanoplastia de cromo es relativamente fácil a partir de soluciones de (di)cromato, pero difícil a partir de soluciones de Cr 3+ . Se han propuesto varias teorías para explicar este hallazgo.
Una visión anterior sugería que una especie activa de Cr 3+ (quizás, con un ligando en lugar de agua) se forma inicialmente a partir de Cr 6+ electrorreducido . [20] [21] Esta especie activa de Cr 3+ se puede reducir a cromo metálico con relativa facilidad. Sin embargo, el "Cr 3+ activo " también experimenta en menos de 1 segundo una transición a "Cr 3+ inactivo ", que se cree que es un complejo polimérico hexa-agua. [22] Algunos complejos de Cr 3+ con ligando distinto del agua pueden experimentar una electrorreducción relativamente rápida a cromo metálico, y se utilizan en métodos de cromado sin cromato. [23] [24]
Una escuela de pensamiento diferente sugiere que el principal problema con el cromado a partir de una solución de Cr 3+ es la reacción de evolución del hidrógeno (HER), y que el papel del cromato es eliminar los iones H + en una reacción que compite con la evolución del H 2 :
El brillo del cromo revestido depende de si las grietas microscópicas en el revestimiento son visibles en la superficie. El aspecto opaco de algunas capas de cromo se debe a grietas continuas que se propagan a través de toda la capa de metal revestida, mientras que los depósitos brillantes aparecen en el caso de pequeñas microgrietas que se limitan a la profundidad interna del depósito. Este mecanismo de reacción secundaria HER parece más aceptable por la comunidad electroquímica en la actualidad. Se han comercializado métodos de revestimiento de cromo a partir de soluciones de Cr 3+ que se basan en pulsos de corriente inversa (supuestamente, para reoxidar el H 2 ). [25] [26] [27]