Medir la dureza y el desgaste en recubrimientos de níquel autocatalítico

Pregunta: ¿Cuál es la mejor forma de medir la dureza y la resistencia al desgaste en recubrimientos en níquel autocatalíticos?

Respuesta: Consultar con un proveedor experto es su mejor opción para seleccionar el tratamiento de superficie adecuado para una aplicación específica. Moldes complejos, materiales corrosivos, resinas y los avances en la ciencia de los recubrimientos han conducido al desarrollo de múltiples opciones para acabados de superficies de moldes, más allá del cromo duro y la galvanoplastia en níquel autocatalítica (EN, en inglés). Siempre es aconsejable tener una comprensión básica de los pros y los contras de varios recubrimientos. Por ejemplo, en términos de resistencia al desgaste, un recubrimiento en níquel autocatalítico con nanopartículas de diamante puede ser una mejor alternativa a las opciones más “clásicas”. ¿Cómo se mide su resistencia a la abrasión?

El indicador más común de dureza es la prueba de dureza Rockwell, como se define en ASTM E-18 (Métodos de prueba estándar para la dureza Rockwell de materiales metálicos). Este método consiste en aplicar fuerza a un indentador, para luego medir la profundidad que el indentador alcanza cuando impacta el material. Sin embargo, la resistencia a la indentación no es la medida más apropiada para la resistencia a la abrasión. Esta distinción pertenece al índice de desgaste Taber, el cual muestra la cantidad de material removido por un Taber Abraser (un instrumento para la prueba de desgaste acelerado) durante una operación. Esta es una prueba estándar que un profesional de acabados de superficies puede realizar internamente como parte de los procesos de control de calidad y de desarrollo de productos de una empresa.

La prueba Taber calcula la pérdida de peso de un material sobre un número específico de ciclos de abrasión —ya sea la pérdida de peso por ciclo o la pérdida de peso sobre el número de ciclos requeridos para remover una cantidad unitaria de espesor de recubrimiento.

La siguiente tabla muestra los resultados de una prueba Taber realizada de acuerdo con la norma ASTM D4060 (Método de prueba estándar para la resistencia a la abrasión de recubrimientos orgánicos con el Taber Abraser), la cual ofrece tres tipos de cálculos para la resistencia a la abrasión:

1. Índice de desgaste: pérdida de peso por número específico de revoluciones (usualmente 1,000) a una carga específica (500 o 1,000 gramos).

2. Ciclos de desgaste por mil: número de ciclos necesarios para desgastar hasta 0.001 pulgadas de espesor de recubrimiento.

3. Ciclos hasta la falla: número de ciclos de prueba para desgastar el recubrimiento o exponer el sustrato.

La fórmula Taber es la siguiente: I = [(A - B) x 1,000]/C, donde I = índice de desgaste, A = peso (masa) de la muestra antes de la abrasión, B = peso (masa) de la muestra después de la abrasión y C = número de ciclos de prueba.

Resultados (números de índice de desgaste/dureza Rockwell)

• EN de fósforo medio – 28/50

• EN de fósforo con nitruro de boro – 9/54 (67 después del horno)

• Codepósito de EN y PTFE (politetrafluoroetileno) – 32/45

• Cromo duro – 1.5/72

• EN de níquel con nanopartículas de diamante – 3/57 (70)

Para esta prueba en particular, el índice de desgaste fue usado para comparar cinco recubrimientos: níquel autocatalítico, matriz en níquel-fósforo autocatalítica que contiene partículas de nitrato de boro, un codepósito de níquel autocatalítico y PTFE, cromo duro y un recubrimiento en níquel autocatalítico con nanopartículas de diamante.

Paso 1: Como lo indican los estándares de pruebas de ASTM, se colocó un peso de 1,000 gramos en una rueda abrasiva que giraba a una velocidad constante. Los paneles de prueba que miden 4x4 pulgadas y están hechos de acero laminado en frío S-16, de acero calibre 20, fueron preparados y revestidos con cada uno de los recubrimientos. Se aplicó un mínimo de 0.0010 pulgadas de revestimiento.

Paso 2: El espesor inicial y el peso de cada panel fueron registrados antes de iniciar la prueba. Luego, los paneles se detuvieron cada 1,000 ciclos para recolectar más datos. El proceso se repitió 10 veces durante un total de 10,000 ciclos. A lo largo de este paso, los requerimientos de limpieza de la ASTM se siguieron para asegurar que los datos fueran precisos.

Paso 3: El peso después de la prueba de abrasión se restó del peso del panel de prueba antes de que la prueba de abrasión iniciara. Ese número fue luego multiplicado por 1,000 y dividido por el número de ciclos que se realizaron (también 1,000). El resultado es la tasa de desgaste específico para ese acabado. Un mayor número significa que el recubrimiento es menos resistente a la abrasión (más revestimiento eliminado) y un menor número indica que el recubrimiento puede soportar mejor el desgaste (menos revestimiento eliminado).

El resultado de este caso de prueba indicó que el cromo duro tiene en general la mejor tasa de desgaste, pero el recubrimiento en níquel autocatalítico con nanopartículas de diamante superó ampliamente a los otros productos de níquel probados y estaba muy cerca del cromo duro en términos de dureza.

Encontrar el recubrimiento adecuado para una aplicación es, por supuesto, muy importante. Cada atributo de un recubrimiento aborda un problema específico. Lo mejor es entender completamente el punto débil que necesita ser eliminado, para entonces aplicar el recubrimiento apropiado que resuelva el problema.

Por ejemplo, el cromo duro es muy adecuado para aplicaciones de alto desgaste debido a la alta dureza y resistencia a la abrasión. Por lo tanto, es usualmente ideal para moldes de interruptores eléctricos, los cuales usan materiales que contienen hasta el 40% en vidrio. Por otra parte, el níquel autocatalítico es ideal para moldear el cloruro de polivinilo (PVC). El PVC ataca el cromo y deteriora el recubrimiento, mientras que la galvanoplastia de níquel autocatalítica reviste uniformemente, logrando un cubrimiento completo y protegiendo contra la corrosión.  

Una limitación del revestimiento de cromo es su ineficiencia en áreas no accesibles por un ánodo. El cromo duro no proporciona una cobertura completa, si los ánodos no pueden alcanzar cada detalle de la superficie. Los moldes con detalles complejos pueden beneficiarse de ánodos de conformación adicionales que transmiten corriente. Sin embargo, esto agrega tiempo y gastos a los proyectos. En tales casos, un recubrimiento de níquel autocatalítico con nanopartículas de diamante es la opción más apropiada. Este tiene un resultado de prueba Taber de 3 (ver tabla), el cual indica alta durabilidad y resistencia a la abrasión. Los recubrimientos de níquel autocatalítico con nanopartículas de diamante tienen un coeficiente de fricción de 0.10, lo que significa que la liberación es mejor que la del cromo (0.2), igual al PTFE (0.1) y mucho mejor que el níquel autocatalítico (0.45). Tenga en cuenta que cuanto menor sea el número, hay menos fricción.

En una aplicación de la vida real, un recubrimiento de níquel autocatalítico con nanopartículas de diamante fue la respuesta para un fabricante de dispositivos médicos que hacía piezas con insertos de acero patentados. Debido a que los insertos tenían una punta afilada, eran propensos a pegarse, lo cual causaba problemas de liberación que desaceleraban la producción y comprometían la calidad. El recubrimiento de níquel autocatalítico con nanopartículas de diamante proporcionó la resistencia al desgaste y la lubricidad requeridas.

Establecer un programa de conteo de piezas es una solución efectiva para hacer seguimiento al desgaste, especialmente en proyectos de moldeo de alto volumen. Desde la primera vez que ponga en operación un molde, mantenga un conteo preciso de piezas hasta que el molde esté listo para su primer control de mantenimiento. Luego, use esa cuenta para predecir cuándo se realizará el próximo mantenimiento. Incluso entonces, es una buena idea retirar su molde de forma rutinaria para ver si el recubrimiento se está desgastando. El no identificar señales de desgaste importantes significará reparaciones más costosas y gastos adicionales de pulido. Su proveedor de recubrimientos puede ser un recurso valioso para formar al personal sobre cómo ciertos recubrimientos se desgastarán con el tiempo, así como para conocer maneras de reducir tiempos muertos y costos.

 

Rich es Gerente de Servicios Técnicos, en Bales Metal Surface Solutions. Visite balesusa.com