Galvanoplastia de níquel decorativa

La galvanoplastia de níquel decorativa puede producir una de las superficies más hermosas posibles por gal­­vanoplastia. Además de la apariencia suave y brillante, produce un acabado que es multiusos y resistente a la corrosión, además de que puede ser utilizado como metal base para un depósito final de cromo decorativo.

Desafortunadamente, muchos recubrimientos metálicos electrodepositados colocan más en los picos de superficie que en los valles, debido a que la potencia del campo eléctrico (densidad de corriente) es más alta en esas áreas. Mientras que el control de las propiedades de los depósitos de níquel ha sido ampliamente documen­tado, una característica importante denominada “nivelación” hace la galvanoplastia en níquel atractiva y es diferente en su capacidad para cubrir imperfecciones sobre la superficie revestida.

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La nivelación es deseable en la galvanoplastia en níquel porque reduce la cantidad de preparación de la superficie que debe realizarse antes del acabado y, en casos donde el depósito superior sea cromo, esta podría eliminar un paso adicional de brillado sobre el níquel. Nosotros investigamos el papel de la rugosidad superficial y su medida en la determinación de la salud de un baño de níquel.

Definiendo la rugosidad

Existen tres irregularidades que se consideran para construir el término general “textura de superficie”. El primero, el cual tiene la mayor longitud de onda, es definido como lay. El lay es el patrón dominante de la textura sobre la superficie. La segunda irregularidad es la ondulación, la cual incluye una desviación más ampliamente espaciada (longitud de onda más corta) de la forma ideal, usualmente considerada como una superficie plana. Finalmente, el tercer componente es la rugosidad, el cual representa la irregularidad más fina (la longitud de onda más corta) de una superficie. Nosotros restringiremos la discusión estrictamente a la rugosidad.

Hay muchos parámetros descritos en la literatura que abordan componentes específicos de la rugosidad y su cálculo. La forma más común de medida unidimensional de la rugosidad en Estados Unidos es la rugosidad promedio (Ra), la cual se define –según ASME B46.1– como “el promedio aritmético de los valores absolutos de las desviaciones en la altura del perfil con respecto a la línea media, registrada dentro de la longitud de evaluación”. De acuerdo con algunas fuentes, existen más de 100 métodos para expresar la rugosidad.

Técnicas para medir la rugosidad

La perfilometría es la ciencia de medir la rugosi­­dad y se encuentra dividida en dos categorías: perfilo­metría óptica y perfilometría de contacto. Los instrumentos ópticos son herramientas interferométricas que suministran imágenes tridimensionales de una superficie, así como sus datos sobre rugosidad. Una ventaja importante de una herramienta interferométrica consiste en que utiliza la reflexión de luz blanca de la superficie para construir la imagen. Esto ofrece un método no destructivo para examinar la superficie. Esta característica es importante cuando se examinan materiales suaves como el latón, en el cual, por ejemplo, una aguja podría trazar un surco.

La perfilometría de contacto es una técnica común para muestras revestidas o con superficies pulidas. Un taller de acabados de superficies podría, por ejemplo, querer determinar cuál es la mejora en la textura de la superficie de rugosa a suave, tras un tratamiento o proceso de galvanoplastia. Los perfilómetros de contacto emplean una aguja para examinar la superficie, muy parecido a la forma como la aguja de un fonógrafo se desplaza sobre un vinilo. A medida que la aguja se desplaza hacia arriba y hacia abajo sobre la superficie, su deflexión es medida y registrada.

En un taller la condición de un baño decorativo de níquel podría ser evaluada por un análisis químico periódico de los componentes del baño, pero si hay “un canario en la mina de carbón” para los baños de níquel, este es la cantidad de nive­lación que se consigue sobre la superficie de la parte revestida. Cuando expertos técnicos en el campo son llamados para resolver problemas de los baños de níquel, es muy valioso investigar, en primer lugar, el grado al cual el baño puede nivelar un panel de celda Hull. El proceso analítico incluye: paneles en acero de celdas Hull que hayan sido mecánicamente rayados en un taller metalmecánico para alcanzar
un Ra de aproximadamente 0.30 micrones; una plantilla que posicione con precisión antes y después de las mediciones, y un perfilómetro portátil, operado por baterías. En primer lugar, los paneles de celdas Hull sin revestir son probados en su rugosidad superficial, y las mediciones son registradas para 20, 40 y 80 amperios/ft2. Los paneles son entonces revestidos en níquel y medidos nuevamente. Las disminuciones en la rugosidad de la superficie son registrados y reportados como un porcentaje de mejora.

La perfilometría en el desarrollo de producto

Para demostrar el efecto de la capa de níquel en la nivelación de la superficie, preparamos un panel de celda Hull estándar de la siguiente manera:

El tercio inferior del panel fue rayado con un disco de esme­rilado a una profundidad de aproximadamente 0.30 micrones. El panel fue instalado en la plantilla de montaje y se tomó una medición de rugosidad. El panel fue, entonces, revestido en un baño de níquel brillante a 5 amperios, durante 150 segundos para obtener un espesor de níquel de 6.34 micrones, medido por fluorescencia de rayos X. Esto estuvo muy cerca de coincidir con los valores teóricos anticipados (basados en la Ley de Faraday y considerando el 100% de eficiencia catódica) de 6.402 micrones. La muestra fue devuelta a la plantilla de montaje, al punto de la medición original de rugosidad, y se tomó una segunda medición de rugosidad.

La diferencia en los perfiles superficiales se muestra en la Figura 2. Note que mientras que algún grado de ondulación permaneció en el gráfico de galvanoplastia en níquel, la rugosidad, indicada por el recorrido de la aguja antes del acabado de superficie, casi desapareció en su totalidad. Obsérvese también que un grado muy bajo de lay estaba expuesto en la medición del revestimiento.

La micrografía de escaneo de electrón ofrece una confirmación visual de los resultados determinados por el perfilómetro. La Figura 3 ilustra el impacto de la galvanoplastia en níquel descrita arriba. El micrográfico a la izquierda representa el panel después de haber sido rayado para hacerlo rugoso. El valor de Ra determinado por el perfilómetro fue de 0.377 micrones. La muestra en el lado derecho es la muestra revestida en níquel medida a una rugosidad superficial de 0.12 micrones.

Durante el desarrollo de un paquete óptimo de nivelación, hacemos dos preguntas: ¿cuál es el aditivo correcto, o la mezcla de aditivos, y cuál es la concentración adecuada? El uso de un perfilómetro ayuda a cuantificar este proceso.

En el sistema de níquel dúplex se agregan abrillantadores a la capa semibrillante, para obtener un depósito uniforme. Para la capa de níquel brillante, se agregan portantes con contenido de azufre, para dar una estructura granular fina y uniforme. En algunas ocasiones se adiciona un segundo abrillantador y un nivelador. Una lista excelente “pero incompleta” de abrillantadores se puede encontrar en el libro de Jack W. Dini, denominado “La Ciencia de Materiales de Electrodeposición de Recubrimientos y Sustratos”. Una investigación realizada sobre una familia de reactivos, los acetilénicos, reveló que mientras algunos componentes son muy efectivos en los rangos superiores de densidad de corriente, ofrecen una mejora pequeña a bajas densidades de corrien­te y, en algunos casos, pueden incluso causar rugosidad adicio­­nal (ver Figura 4).

Algunos aditivos incorporan buen desempeño solamente a altas densidades de corriente, mientras que algunos brindan una nivelación mejorada a bajas densidades de corriente a expensas del desempeño de alta densidad de corriente. Con esta información, el ingeniero puede determinar si el remedio adecuado para el problema es un componente sencillo o una combinación de materiales que toman ventaja de las capacida­­des de nivelación de múltiples aditivos a alta y baja densidad de corriente.

La nivelación, típicamente corregida por esos aditivos, mejora la rugosidad, pero no es eficiente en la corrección de la ondulación y en ninguna medida contribuye a la mejora del lay. Una vez se escoge el mejor paquete de nivelación, uno puede dirigir la atención hacia la mejor concentración del paquete de nivelación en el baño. 

Para determinar la concentración adecuada del abrillanta­­dor, el material con el mejor desempeño a una sola densidad de corriente fue medido a diferentes cargas de concentración. Los resultados de ese trabajo se encuentran en la Figura 4. Tal y como se esperaba, el mejor desempeño (mayor grado de nivelación) ocurrió nuevamente a la mayor densidad de corriente. Nótese, sin embargo, que este trabajo muestra que más allá de una cierta carga (aproximadamente 0.2 g/L), el beneficio de incrementar las dosis de abrillantador es muy pequeño. Por otra parte, la cosa se pone mal muy rápidamente, si la carga cae por debajo de 0.1 g/L. Agregar una cantidad insuficiente de abrillantador puede conducir a partes opacas o a un producto acabado que requiere brillado adicional. Adicionar una cantidad excesiva de abrillantador puede significar muy poca mejoría en el desempeño y crear un aumento en los costos.

Oniciu y Muresan han reportado resultados similares al estudiar el papel de la tiourea como aditivo para soluciones de níquel. Ellos relacionaron la nivelación y el brillo con las dimensiones de los granos formados. Los depósitos con una estructura de granos más fina fueron resultado de altas densidades de corriente y los aditivos absorbidos, preferentemente a micropicos, dieron como resultado una resistencia local al incrementar la densidad de corriente en las áreas deprimidas o en los surcos, contribuyendo así a la nivelación. 

Reparación del baño

No hay nada mejor que un análisis químico total para en­tender completamente los componentes balanceados en un baño, pero una prueba de cinco minutos con un panel de celda Hull y un perfilómetro, puede indicar si la calidad de las partes revestidas se está deteriorando. La adición de un abri­llantador secundario antes de que las partes caigan por debajo de los límites de control de calidad ayuda a reducir costos y tiempo perdido.

Los baños de níquel tipo Watts, en combinación con paquetes de aditivos orgánicos, tienen la capacidad de nivelar las imperfecciones de alta frecuencia debajo de una superficie revestida en níquel, reduciendo la rugosidad y mejorando el brillo. La rugosidad puede ser cuantificada rápida, económica y fácilmente mediante un perfilóme­tro portátil, el cual es útil tanto en el laboratorio como en campo. La compilación de los datos de Perfilometría les permiten a los investigadores desa­rrollar y preparar paquetes de aditivos que sean diseñados para mejorar la rugosidad superficial en regiones de alta o baja densidad de corriente, o conducir a una región de densidad de corrien­te más amplia mediante la combinación de materiales especí­ficos. Los baños de níquel que sufren de baja carga de abri­llantador, contaminación orgánica, consumo orgánico o desbalance del aditivo, pueden ser corregidos siguiendo el deterioro en el desempeño de la nivelación.

Para obtener una lista de referencias de este artículo, vea la versión en línea en short.pfonline.com/leveling.