METALIZADO ELECTROQUIMICO

METALIZADO ELECTROQUIMICO“SISTEMAS BRUSH”

Ing. MSc OSCAR J SUAREZ

INTRODUCCION

• Contac plating

• Touch up plating

• Spot plating

• Selective plating

• Brush plating

Metalizado electroquímico

http://pinoymetalock.com/yahoo_site_admin/assets/docs/LDC_repair.252195335.pdf

• Inicialmente desarrollado como una herramienta deretoque para corregir los defectos de recubrimientosobtenidos por inmersion (Paris, Francia en 1938 porGeorges Icxi)

• Ahora una parte integral del proceso de fabricaciónde muchas industrias.

INTRODUCCION

• Los primeros usuarios de este procesos fueronlas industrias aeroespacial, aeronautica ygeneradores de energia nuclear.

• El mercado se amplio rápidamente amaquinaria de papel, impresiones, marina,transporte, alimentos entre otros.

INTRODUCCION

APLICACIONES• Transporte (aviación, Marina, tren, automotriz)

• Electricidad (generación, electrónica, motores)

• Industria (Moldes y dados, hidráulica, cilindros)

• Explotación (minería, pulpa y papel, petroleo, refinación)

• Impresión(cilindros, cojinetes)

• Alimentos(farmaceutico, mezcladores, protección contra la corrosión)

NORMAS (ESPECIFICACIONES GUBERNAMENTALES)

Mil Std 865 D (USAF) Selective ElectrodepositMil-Std-z197(sH) Brush plate/Marine MachineryMil-A-A-59460 Plating Units/selective/Portable

USN BremertonPl0360-149E Selective Electrochem. PlatingNavair O1-lA-s09 Section 10 Restoration of Cadmium plated Surfaces

DOT-FAA-EA-AC43.13-1A&2A Acceptable Methods, Techniques and Practices, Paragraph 104 Selective Plating in Aircraft Maintenance.

Mil-P-4718 (mi) Plating Nickel-Tungsten, Electra Deposit on AluminumAlloys by Selective (Brush) Plating

QQ-N-190A. Nickel Plating ElectrodepositedQQ-P-416E Cadmium Plating Electrodeposited

Mil-T-10727B Tin Plating (Electrodeposited)Mil-C-14550B Copper Plating (Electrodeposited)

Mll-Y-G54Ub Tin-Cadmium Plating (Electro)Mil-G-45204C Gold Plating (Electrodeposited)

Mil-P-45209 Palladium Plating (Electrodeposited)Mil-R-46085A Rhodium Plating (Electrodeposited)

Mil--8625E Anodize Coating

RAZONES PARA IMPLEMENTAR UN PROCESO DE METALIZADO ELECTROQUIMICO

• Reparar un recubrimiento obtenido por electroplateadopor inmersión.

• Partes muy grandes que no caben en una cuba electrolítica.• Partes que requieren desarmarse.• Cuando se requiere enmascarar grandes áreas.• Cuando se requiere recubrir aluminio, grafito o metales

refractarios.• Cadmio sobre aceros ultra resistentes.• Reparaciones en el sitio.• Obtener materiales con propiedades mecánicas

particulares.

FUNDAMENTOS

Interrelación de variables sobre la distribución de metal obtenido en un proceso electrolítico [Dinni].

FUNDAMENTOS

EFECTO DE LAS CONDICIONES DE OPERACION

Efecto de las condiciones de operación sobre la estructura demateriales obtenidos electrolíticamente [DINNI].

Variación de las características del crecimiento de cristales enfunción de la densidad de corriente. Adaptación [33].

Fragilidad por hidrogeno

EFECTO DE LA VELOCIDAD DE DEPOSICION

1

COMPARACION CON OTROS PROCESOS

CriteriaBrush Plating Welding

SprayMetallizing

Electroplating

Precise Build-up Capability Excellent Poor Poor Fair to Good

Bond Quality Excellent Excellent Fair to Good GoodThermal

Distortion or Internal Stresses None Frequently Sometimes None

Density of Deposit

(Porosity) Very Dense*Very Dense but

with blow holes

70-90% theoretical

density Dense

Portable Yes Yes Sometimes No

Need for Post Repair

Machining or Grinding

Not required on deposits up to

0.010in on smooth surface Always required

Most always required Usually required

Hydorgen Embritement No* No No Yes

CLASES DE RECUBRIMIENTOS

MATERIAL DUREZA APLICACION

Cobalto Mecanizable 40RcRecubrimientos gruesos en particular en la reparación de piezas mecanizadas.

Cobre (alta velocidad alcalino) 13Rc

Rellenar orificios y para reparaciones que no están sujetos a temperaturas extremas o desgaste

Níquel ácido 46RcReparación de piezas mecanizadas sujetas a desgaste y/o calor.

Níquel de alta velocidad 56RcReparación de piezas desgastadas o partesmecanizadas

Níquel Tugsteno 68RcResistentes a alto desgaste , se depositasobre otros recubrimientos

Níquel Cobalto 47RcConstrucción y reparación de partes sujetasa desgaste y calentamiento

Cadmio LHE** -- (22 vickers)

Protección contra la corrrosión de partes de aeronaves sobre aceros ultra resistentes

EQUIPO MATERIALES Y SOLUCIONES


Fuente de poder : 8-30 V

• Regulación de voltaje (operación manual)

• Regulación de corriente (operación automática)

• Amperímetros o contador de A-h

• Debe incluir función de reversa para operaciones auxiliares (desplacado y activación)

• Interruptor de seguridad (1/120 Hz) para corto circuito.

EQUIPO MATERIALES Y SOLUCIONESAnodos

• Herramientas de trabajo (stylus)

• Deben ser materiales puros y resistentes al calor.

• Generalmente se usa grafito ultra puro de altadensidad.

• Deben contar con conectores rápidos, paracambiar de herramienta.

• Aletas disipadoras de calor.

• Se puede usar acero inoxidable (316L ocarpenter 20) en soluciones neutras y alcalinas.



Elementomáximo

ppmrecomen

dadoB 15 10Fe 1000 60Si 200 40Mg 10 5V 30 10Al 50 5Ti 20 10Cu 10 -Ca 100 20Na 200Cr 10Ni 20

Propiedades mecánicas sugeridasDensidad (g/cm3) 1.76resistencia a la flexion (psi) 8000resistencia a la compresion (psi) 18000resistencia a la tension (psi) 1800resistencia especifica (ohm/in)8,00E-04maximo cenizas (%) 1porosidad (%) 16

Composición de ánodos de grafito

• No se deben emplear ánodos del material delrecubrimiento, debido a la alta densidad decorriente y voltaje se polariza el materialprovocando caída en la densidad de corriente.

• Anodos de platino – iridio cuando son depequeño diámetro (1mm – 6mm)

• Los ánodos se deben usar con unrecubrimiento polimérico, Dacrón o algodón(60-100%).


Electrolitos

• Para operaciones simples se pueden usarsoluciones estándar de recubrimientos porinmersión (son de baja eficiencia en trabajopesado).

• Para lograr las altas velocidades de deposiciónnecesarias en estos procesos es necesarioemplear soluciones de composición especial.

• Deben ofrecer buenas propiedades de adhesióny metalúrgicas a las condiciones de trabajoextremas.

• NO contienen aditivos o abrillantadores


Electrolitos

• NO contienen sales simples, se empleancompuestos orgánicos que formancomplejos.

• Los sulfamatos se cristalizan al producir acidosulfámico libre (solido)

• Los fluoroboratos son muy corrosivos parapartes adyacentes a la zona de trabajo.

• Los cianuros son altamente tóxicos.

• Los abrillantadores no causan ningún efectodadas las condiciones de operación.


solución

g/L

formulación por

inmersión

Brushestándar

(handbook)soluciones patentadas

Cadmio 20-35 18-34 90

Zinc 26-45 19-41 90

Cobre alcalino 15-30 20 90

Oro 4-11 11-15 90

Plata 26-86 60-71 202


PREPARACION DE SUPERFICIES

ACTIVACION (OPCIONAL)

ELECTROLIMPIEZAPRELIMPIEZA

ACOPLAMIENTO (OPCIONAL)

PRE PLATEADO METALIZADO


Operación Función Característica

Pre limpieza Remoción de oxido, grasa

Solventes orgánicos, abrasión, lijas

Electro limpiezaRemoción de huellas y grasa fuertemente adheridas

Soluciones patentadas, no depende del material base.

ActivaciónElectroactivación para mejorar la adherencia Acido

Acoplamiento y Pre plateado Mejorar la adherencia Baños strikeMetalizado electroquímico Recubrimiento final

Metal base Electrolimpieza Activación Pre plateado

Cobre y aleaciones 8-12 V

no necesario, acido DC invertida 8-12 V para depositos resistentes al desgaste

Níquel si el recubrimiento es oro

Aluminio 8-12 V acido DC invertida 8-12 V Níquel 1micra 6-14V

Aluminio alto silicio 8-12 V

acido DC invertida 8-14 V, electrolimpioeza DC invertido 8-12 Níquel 1micra 6-14V

Níquel 10-15V acido 10-12 V sin enjuague Niquel especial 8-14VAcero de alto carbono 10-20V

acido DC invertida 10-15 V, activador neutro DC invertido 10-12, sin enjuague Níquel 1micra 6-14V

Aceros ultra resistentes

Al2O3 abracion sin enjuague

Inmediatamente Cadmio LHE

Carbón solo limpieza

Metalizar con soluciones alcalinas o neutras

Metales refractarios

Al2O3 abracion sin enjuague con propulsion de argon Níquel especial 8-14V

Plomo, Estaño 5-8V

Níquel si se va a depositar un metal duro


TECNICAS PARA OBTENER BUENOS RECUBRIMIENTOS

Las operaciones de metalizado electroquímico requieren ciertos procedimientos especiales para obtener resultados efectivos.

• Enmascarado• Selección del ánodo• Control de voltaje y amperaje• Patrón de movimiento ánodo-cátodo• Reposición de solución• Control de espesor• Secado

ENMASCARADO (MASKING)

• Es requerido en algunos casos, aunque no estan critico como para el plateado porinmersión

• Debido a que no hay presión hidrostática sefacilita la operación de enmascarado.

• Cortos tiempos de proceso, el electrolito nopenetra los poros de la cinta.

ANODOS

• Selección del ánodo:

• Debe tener al menos 1/3 del perímetro a serrecubierto para operaciones manuales y mínimo½ para operaciones automáticas.

• Debe tener una forma similar a la de la superficiedel cátodo para obtener recubrimientosuniformes.

• Se pueden fabricar formas especiales en el tallerpero se debe tener en cuenta la calidad delmaterial.

CORRIENTE Y VOLTAJE

• Control de voltaje y corriente:

• En operación manual el amperaje varia decero a un máximo dependiendo del áreahúmeda y el porcentaje de contacto en uninstante de tiempo determinado.

• El control se realiza por voltaje (8-30V)

• En operación automática es necesariocontrolar cuidadosamente la densidad decorriente.

CORRIENTE Y VOLTAJE

Baño I anódica (A/dm2)

Níquel 40-80

Paladio 90-100

Babbit 16-20

Bronce 40-50

Cadmio acido 90-100

Cadmio LHE 90-100

Cromo 100-200

Cobalto 120-140

Cobre 70-150

Oro 25-30

Indio 90-100

MOVIMIENTO ANODO-CATODO

• Patrón de movimiento entre ánodo y cátodo:

• No mover de ida y vuelta en superficiesplanas, es mejor realizar un movimientoorbital alternado.

• Nunca se debe detener el movimiento porperiodos prolongados de tiempo

• Se debe mover el ánodo lo mas rápidoposible, excepto para el cromo y rodio querequieren velocidades mas bajas.

• Para superficies circulares, la pieza debe sermontada sobre un torno con velocidades de 0-600rpm.

• Las velocidades de rotación se deben calcularsegún el tamaño de la pieza.


Solución de metalizadomovimiento ánodo/cátodo

(m/min)

Cadmio acido 4.5-33

Cadmio LHE 12-25

Cromo 1.2-1.8

Cobre acido de alta velocidad 12-30

Cobre alcalino, duro 9-25

Oro 9-18

Plomo 9-15

Níquel acido 6-15

Níquel alta velocidad 12-25

Rodio 1.5-3

Plata 6-25

Estaño alcalino 6-25

Zinc 9-37


• Ejemplo:

• Que velocidad (rpm) se debe aplicar a una pieza cilíndrica de10 cm de diámetro para dar un recubrimiento de cadmio pormetalizado electroquímico.

1. calcular el perímetro de la pieza: P = x D

D= 10 cm

P = 30.14 cm = 0,3014m

2. Según la tabla el cadmio se deposita a velocidades de 12-25m/min

3. Definimos trabajar a 17 m/min

4. Cuantas revoluciones debe dar el eje para recorrer unadistancia de 17 m teniendo en cuenta el diametro del cilindro:

rev = 17 m/ 0,3014m = 56 rev

5. la velocidad de rotación del eje debe ser 56 rpm


REPOSICION DE SOLUCIONES (REPLENISH)

• El ánodo se debe mantener húmedo.• Sumergirlo periódicamente en la solución.• Mientras mas seco este el ánodo se presenta mayor

resistencia y se obtiene menor densidad de corrientesobre el cátodo.

• Para recubrimientos duros y de gran espesor esnecesario emplear una bomba peristaltica (1-2000mL/min) que mantenga un flujo continuo deelectrolito.

• El electrolito debe fluir desde la parte superior delánodo para que valla escurriendo por gravedad através del recubrimiento de dacrón.

REPOSICION DE SOLUCIONES (REPLENISH)

ESPESOR

• Se puede estimar por Ley de Faraday:

– el tiempo de proceso y la corriente aplicada

– Preferiblemente emplear un contador de amperios, A-h.

• Del calculo se obtiene un valor promedio del espesor, la distribución real depende de la técnica empelada por el operario.

ESPESOR• Ejemplo:

• Cuanto tiempo de proceso se debe aplicar a un cilindro de 10 cm de diámetro y 30 cm de longitud para lograr 10 de espesor de cadmio LHE. Tenga en cuenta que el ánodo cubre un área efectiva de 1dm2.

1. Calcular el área del cilindro (cátodo):

A = x D2 /4 = x (10)2 /4 = 78,54 cm2 = 7,854dm2

2. definir densidad de corriente: 100A/dm2=1A/cm2

3.calcular la velocidad de deposito según la ecuación de Faraday:

e/t = (i) x (PM/n) x (1/Fx)

unidades: i [A/cm2]

PM [g/eq]; n [eq]

F [C/eq]; [g/cm3]

ESPESOR

e/t = (1 A/cm2) x (112,4 / 2) x (1/96480 x 8,65)

e/t = 6,73 x 10-5 cm/s

1 micra = 1x10-4 cm

e/t = [6,73 x 10-5 cm/s ] x [1 / 1x10-4 cm] = 0,673 /s

4. el tiempo para depositar 10 será: 10 /0,673 = 14 s

5. corregir por el factor de Area:

el ánodo tiene 1 dm2, el cátodo tiene 7,8dm2

es decir que el tiempo total de proceso debe ser: 14 s x [7,8/1] = 109 s

OPERACIONES FINALES

• Secado:

• Toallas de papel o tela suave.

• Preferiblemente aire de baja presión.

CARACTERISTICAS DEL METAL DEPOSITADO

Se deben examinar con las siguientes características:

• Adhesión

• Apariencia

• Resistencia a la corrosión

• Resistencia al desgaste

• Porosidad

• Fatiga

• Fragilidad por hidrogeno


• La estructura obtenida varia de metal a metal, sinembargo la tendencia es a obtener estructurasamorfas.

• La dureza es mayor a la que se obtiene en procesospor inmersión, debido al tamaño de grano obtenido.

Metal Brinell Rockwell C

Cromo 555 55

Cobalto 430 45

cobalto - tungsteno x745 66

cobre acido 145 1

Oro x 120 132 Knoop

Niquel - tungsteno x 725 65

rodio x 625 60

plata x 105


• La porosidad es por lo general un 75% menor ala obtenida por electro plateado en inmersión y95% menor que lo obtenido por spray pirolisis.

• La resistencia a la corrosión es por lo generalsimilar a la que se obtiene en recubrimientos porinmersión.

• La adherencia de estos recubrimientos es muchomayor a la obtenida en el proceso por inmersióndebido al proceso de limpieza y activaciónprevios.

• Fragilidad por hidrogeno: de importancia claveen los recubrimientos de cadmio sobre acerosultra resistentes (180-305 Kpsi). Debido a que nose emplean soluciones alcalinas a base decianuro no se produce hidrogeno que pueda serabsorbido por el metal por lo cual no esnecesario realizar el proceso de calentamiento a200°C posterior al metalizado.

• Resistencia al desgaste: se pueden obteneraleaciones de una alta resistencia (Ni-W) por esteprocedimiento.


REFERENCIAS

• Marvin Rubinstein, ElectrochemicalMetallizing. Van Nostrand Reinhold Company,Nw York, 1987.

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