El cromado (menos comúnmente cromado ) es una técnica de galvanoplastia de una fina capa de cromo sobre un objeto metálico . Una pieza cromada se llama cromada , o se dice que fue cromada . La capa de cromo puede ser decorativa, proporcionar resistencia a la corrosión , facilitar la limpieza o 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 utilizados en la galvanoplastia son tóxicos . En la mayoría de los países, su eliminación está estrictamente regulada. Algunos supresores de humos utilizados para controlar la emisión de cromo en el aire procedente de los baños de enchapado también son tóxicos, lo que dificulta aún más su eliminación.
La preparación y 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 ácidos clorhídrico , fluorhídrico y sulfúrico . El cloruro férrico también es popular para el grabado de aleaciones nimónicas . A veces, el componente ingresa a la tina de cromado mientras está eléctricamente activo. A veces, el componente tiene un ánodo conformado hecho de plomo/estaño o titanio platinado. Una tina típica de cromo duro se calienta 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 cromo hexagonal , 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 para revestimiento decorativo y duro, así como para inmersión brillante de aleaciones de cobre, anodizado con ácido crómico y revestimiento de conversión de cromato . [2]
Un proceso típico de cromado hexavalente es:
El baño de activación suele ser un tanque de ácido crómico por el que pasa una corriente inversa. Esto graba la superficie de la pieza de trabajo y elimina cualquier incrustación . 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 revestimientos decorativos la temperatura oscila entre 35 y 45 °C (100 a 110 °F), pero para revestimientos duros oscila entre 50 y 65 °C (120 a 150 °F). La temperatura también depende de la densidad de corriente, porque una mayor densidad de corriente requiere una temperatura más alta. Finalmente, se agita todo el baño para mantener la temperatura estable y lograr una deposición uniforme. [2]
Una desventaja funcional del cromado hexavalente es la baja eficiencia del cátodo, lo que da como resultado un mal poder de proyección . Esto significa que deja una capa no uniforme, con más en los bordes y menos en las esquinas interiores y los agujeros. Para superar este problema, la pieza se puede recubrir y rectificar a medida, o se pueden usar ánodos auxiliares alrededor de las áreas difíciles de recubrir. [2] El cromo hexavalente también es considerablemente más tóxico que el cromo trivalente, lo que lo convierte en un riesgo importante para la salud tanto en la fabricación como en la eliminación si no se maneja con cuidado. [3]
El cromado trivalente , también conocido como tricrómico , 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 determinadas aplicaciones y espesores (por ejemplo, revestimiento decorativo). [2]
Un proceso de cromado trivalente es similar al proceso de cromado hexavalente, excepto por la química del baño y la composición del ánodo. Hay tres tipos principales de configuraciones de baños de cromo trivalente: [2]
El proceso de cromado trivalente puede platear las piezas de trabajo a una temperatura, velocidad y dureza similares, en comparación con el cromo hexavalente. El espesor del revestimiento varía de 5 a 50 μin (0,13 a 1,27 μm). [2]
Las ventajas funcionales del cromo trivalente son una mayor eficiencia del cátodo y un mejor poder de lanzamiento. Un mejor poder de lanzamiento 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. [2]
Una de las desventajas cuando se introdujo el proceso por primera vez fue que los clientes de decoración desaprobaban las diferencias de color. Las empresas ahora utilizan aditivos para ajustar el color. En aplicaciones de recubrimientos duros, la resistencia a la corrosión de los recubrimientos más gruesos no es tan buena como la del cromo hexavalente. El costo de los productos químicos es mayor, pero esto generalmente se compensa con mayores tasas de producción y menores costos generales. En general, el proceso debe controlarse más estrechamente que en el cromado hexavalente, especialmente con respecto a las impurezas metálicas. Esto significa que los procesos que son difíciles de controlar, como el enchapado en barril, son mucho más difíciles usando un baño de cromo trivalente. [2]
El cromado divalente se realiza a partir de líquidos que comprenden especies de Cr 2+ . Estas soluciones se evitaban antes de ca. 2020, debido a la sensibilidad al aire y la evolución de hidrógeno a partir de soluciones acuosas de Cr 2+ . En la década de 2020, se descubrió que CrCl 2 tiene ca. Solubilidad de 4,0 M en agua a temperatura ambiente (es decir, con una relación molar de H2O:Cr de alrededor de 14:1), y dichos líquidos se comportan como electrolitos sobresaturados con una propensión reducida a la evolución de hidrógeno. Los depósitos brillantes de mejor calidad se producen con una densidad de corriente relativamente alta de 20 mA/cm 2 . [4]
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, suelen estar entre 5 y 10 μin (0,13 y 0,25 μm). El cromado se suele aplicar sobreniquelado. Los materiales base típicos incluyenacero,aluminio,plástico,de cobrey aleaciones de zinc. [2]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 necesaria ]
Cromo duro , también conocido comocromo industrial oEl cromo diseñado 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 desgasteo el gripado 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 de las piezas desgastadas. para restaurar sus dimensiones originales. [5]Es muy duro, mide entre 65 y 69HRC(también basado en 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,[6]pero puede ser un orden de magnitud más grueso para requisitos extremos de resistencia al desgaste, en tales casos 100 μm o más. proporciona resultados óptimos. Desafortunadamente, tales espesores enfatizan las limitaciones del proceso, que se superan recubriendo un espesor adicional y luego esmerilando y lapeando para cumplir con los requisitos o mejorar la estética general de la pieza cromada. [2]El aumento del espesor del revestimiento amplifica los defectos superficiales y la rugosidad en proporción proporcional, porque el cromo duro no tiene un efecto nivelador. [7]Las piezas que no tienen la forma ideal en referencia a las geometrías del campo eléctrico (casi todas las piezas enviadas para enchapar, 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 se desperdicia cuando rectificar la pieza hasta obtener las dimensiones deseadas. [ cita necesaria ]
Los recubrimientos de ingeniería modernos no sufren tales inconvenientes, que a menudo hacen que el cromo duro pierda precio 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 más pulido o mecanizado. Estos recubrimientos suelen ser compuestos de polímeros , metales y polvos o fibras cerámicos como fórmulas patentadas protegidas por patentes o como secretos comerciales y, por lo tanto, generalmente se conocen por nombres de marca. [8]
El cromado duro está sujeto a diferentes tipos de requisitos de calidad según la aplicación; por ejemplo, el revestimiento de los vástagos de los pistones hidráulicos se prueba para determinar su resistencia a la corrosión con una prueba de niebla salina . [ cita necesaria ]
La mayoría de los elementos decorativos brillantes colocados en los automóviles se conocen como "cromo", es decir, acero que se ha sometido a varios procesos de enchapado para soportar los cambios de temperatura y el clima al que está sujeto un automóvil en el exterior. Sin embargo, el término pasó a cubrir cualquier pieza de automóvil decorativa brillante de aspecto similar, incluidas las piezas de adorno de plástico plateado en terminología informal. El triple revestimiento es el proceso más caro y duradero, que implica revestir 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 el corto período de producción anterior a la entrada de Estados Unidos 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 , Estados Unidos contempló prohibir el cromo en favor de varios procesos más baratos (como recubrir con zinc y luego recubrir con plástico brillante).
En 2007, se emitió una Directiva de Restricción de Sustancias Peligrosas (RoHS) que prohíbe 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 metálico y no contiene cromo hexavalente después de enjuagarse, por lo que el cromado no está prohibido.
El revestimiento de cromo protege el cañón o la recámara de la corrosión y hace que estas piezas también sean más fáciles de limpiar, pero este no es el propósito principal del revestimiento de un cañón o una recámara. El revestimiento de cromo se introdujo en las ametralladoras para aumentar la resistencia al desgaste y la vida útil de las piezas de las armas altamente sometidas a tensión, como los cañones y las recámaras, lo que permite disparar más balas antes de que el cañón se desgaste y sea necesario reemplazarlo. El extremo de la recámara, el ánima libre y el plomo (la parte sin estriar del cañón justo delante de la recámara), así como los primeros centímetros o pocas pulgadas del estriado, en los rifles están sujetos a temperaturas muy altas, ya que el contenido de energía de los propulsores de rifle pueden exceder los 3500 kJ/kg y las presiones pueden exceder los 380 MPa (55 114 psi). Los gases propulsores actúan de manera similar a la llama de un soplete: los gases calientan el metal hasta un estado al rojo vivo y la velocidad lo arranca. En condiciones de fuego lento, las áreas afectadas pueden enfriarse lo suficiente entre disparos. Bajo fuego rápido sostenido o fuego automático/cíclico no hay tiempo para que el calor se disipe. Los efectos del calor y la presión ejercidos por los gases propulsores calientes y la fricción del proyectil pueden causar daños rápidamente al arrastrar el metal al final de la recámara, el ánima libre, el plomo y el estriado. El revestimiento de cromo duro protege la recámara, el ánima libre, el plomo y el estriado con una fina capa de cromo resistente al desgaste. Esto prolonga significativamente la vida útil del cañón en armas que se disparan durante períodos prolongados en modo totalmente automático o en modo de disparo rápido sostenido. Algunos fabricantes de armas utilizan una aleación con 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 los brazos sometidas a grandes esfuerzos. [9] [10]
El cromo hexavalente es la forma más tóxica de cromo. En Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental lo regula fuertemente. La EPA enumera el cromo hexavalente como un contaminante peligroso del aire porque es un carcinógeno humano , un "contaminante prioritario" según la Ley de Agua Limpia y un "componente peligroso" según la Ley de Recuperación y Conservación de Recursos . Debido a su baja eficiencia catódica y alta viscosidad de la solución , se libera del baño una niebla tóxica de agua y cromo hexavalente. Se utilizan depuradores húmedos para controlar estas emisiones. El líquido de los depuradores húmedos se trata para precipitar el cromo y eliminarlo del agua residual antes de su descarga. [2]
Otros desechos tóxicos creados a partir de baños de cromo hexavalente incluyen 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 ). [2]
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 gastos generales . Otras ventajas para la salud incluyen una mayor eficiencia de los cátodos, que conducen a menos emisiones de cromo al aire; niveles de concentración más bajos, lo que resulta en menos desechos de cromo y ánodos que no se descomponen. [2]
Es necesario mantener una tensión superficial del baño inferior a 35 dyn/cm para evitar que la solución de revestimiento se eleve en el aire cuando las burbujas suben a la superficie y explotan. Esto requiere un ciclo frecuente de tratamiento del baño con un agente humectante supresor de humos y confirmar el efecto sobre la tensión superficial. [11] Generalmente, la tensión superficial se mide con un estalagmómetro o tensiómetro . Sin embargo, este método es tedioso y adolece de inexactitud (se han informado errores de hasta 22 dyn/cm) y depende de la experiencia y las capacidades del usuario. [12]
Si bien son eficaces para el control del cromo tóxico en el aire, muchos supresores de vapores de agentes humectantes ampliamente utilizados son tóxicos en sí mismos porque contienen sustancias perfluoroalquilas (PFAS), que son sustancias químicas peligrosas que pueden causar efectos a largo plazo en la salud. [13] 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 películas acuosas fluoradas . [14] Además de sus efectos perjudiciales para la salud humana, las PFAS son contaminantes persistentes que causan una bioacumulación y biomagnificación significativas , lo que coloca a los animales en el nivel trófico más alto en mayor riesgo de sufrir efectos tóxicos. [15]
Se sabe desde hace más de un siglo que la galvanoplastia con cromo es relativamente fácil con soluciones de (di)cromato, pero difícil con 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 . [16] [17] Esta especie activa de Cr 3+ se puede reducir a cromo metálico con relativa facilidad. Sin embargo, el "Cr 3+ activo " también sufre en menos de 1 segundo una transición a "Cr 3+ inactivo ", que se cree que es un complejo polimérico hexa-aqua. [18] Algunos complejos de Cr 3+ con ligando distinto del agua pueden sufrir una electrorreducción relativamente rápida a cromo metálico y se utilizan en métodos de cromado sin cromato. [19] [20]
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 desprendimiento de hidrógeno (HER), y la función del cromato es eliminar los iones H + en una reacción que compite con el desprendimiento de H 2 :
El brillo del cromado depende de si en la superficie se ven grietas microscópicas en el cromado. La apariencia opaca de algunas capas de cromo se debe a grietas continuas que se propagan a través de toda la capa de metal chapado, mientras que aparecen depósitos brillantes en el caso de pequeñas microfisuras que se limitan a la profundidad interna del depósito. Este mecanismo de reacción secundaria de HER parece más aceptable para la comunidad electroquímica en la actualidad. Se han comercializado métodos de recubrimiento de cromo a partir de soluciones de Cr 3+ que se basan en pulsos de corriente inversa (supuestamente, para reoxidar el H 2 ). [21]