Metalización de Plásticos e Implantación Iónica Alumnos: Chuquimango Yépez , Cristian Palomino Vera, Frank Quispe Luján, Kevin Sevillano Cueva, Cristhian
Metalizado de Plásticos Es el proceso mas apropiado cuando se requiere un buen comportamiento de las piezas metalizadas en condiciones de trabajo continuo. Esto se logra con plásticos que presenten buena capacidad de metalizado.
Reflector de plástico metalizado
Metalizado de Plásticos Es el proceso mas apropiado cuando se requiere un buen comportamiento de las piezas metalizadas en condiciones de trabajo continuo. Esto se logra con plásticos que presenten buena capacidad de metalizado.
Reflector de plástico metalizado
Metalizado Químico de Plásticos Para poder galvanizar los plásticos es preciso crear un contacto eléctrico con el baño galvánico
Sólo es posible mediante una superficie metálica sobre el plástico.
La película metálica puede aplicarse sin corriente a partir de una solución de sales metálicas
El metalizado de plásticos por vía química, comprende dos fases: Tratamiento químico (sin corriente) Metalizado electrolítico.
1.
El tratamiento químico comprende una serie de etapas, que tienen por finalidad hacer conductora la superficie plástica. Estas etapas son las siguientes
ACONDICIONAMI ENTO DEL POLÍMERO
SENSIBILIZACIÓN
ACTIVACIÓN
METALIZADO QUÍMICO AUTOCATALÍTICO
2.
Sin embargo el metalizado electrolítico tiene por objeto aumentar el espesor de la capa metálica que se obtiene en la fase anterior, hasta un valor final que depende del uso para el cual se destine la pieza. Capa del tratamiento. Químico
Capa del Metalizado
ETAPAS DEL TRATAMIENTO QUÍMICO (SIN CORRIENTE): A) Acondicionamiento del polímero El objetivo del acondicionamiento, es modificar la superficie de los plásticos, con el fin de lograr la adherencia de un depósito metálico. La adherencia del metal a la superficie plástica se explica por fenómenos moleculares y de anclaje mecánico. El primero involucra energías libres, enlaces moleculares tipo Van der Waals, puentes interatómicos y enlaces covalentes
El segundo involucra una unión mecánica tipo botón de presión. Estos fenómenos ocurren debido al ataque químico directo de un baño mordiente; cuyos objetivos son los siguientes:
Formar microcavidades ramificadas hacia el interior de la pieza, las que constituirán puntos de anclaje para el recubrimiento metálico. Formar en el interior de dichas cavidades una serie de grupos polares, capaces de originar enlaces entre el sustrato plástico y el metal.
Los factores que aseguran el éxito del mordentazo son: el tipo de plástico, condiciones del mismo y la composición del baño mordiente.
B) Sensibilización Para llevar a cabo el primer paso o sensibilización, se usa generalmente una solución de cloruro estañoso cuya composición típica es: Cloruro estañoso 10-30 g/l Acido clorhídrico 60g/l Se coloca un ánodo remanente de estaño metálico dentro del baño. Cuando los objetos se sensibilizan los compuestos de estaño se hidrolizan y forman un gel adherente sobre la superficie plástica, según la reacción SnCl2 + H2O SnCl2 + 2H2O
Sn(OH)Cl + HCl o Sn(OH)2 + 2 HCl
Los productos gelificados son los responsables de la nucleación superficial que sirven como etapa previa de activación y representa con ella la base de partida para el metalizado sin corriente
Los activadores tienen por misión catalizar la formación del depósito metálico en los puntos de la superficie que han sido sensibilizados. Las piezas de plástico sensibilizadas se sumergen en una solución de plata amoniacal obtenida de modo que este exenta de turbiedad. Al contacto con esta solución de plata, los iones plata se reducen a plata metálica; los gérmenes de plata se distribuyen finamente sobre la pieza de plástico. Durante el proceso se desarrollan en las microcavidades. Sn+2 + 2Ag+
Sn+4 + Ag0
Sobre esos núcleos de plata metálica donde posteriormente se depositara catalíticamente el cobre. Puede anotarse como característica favorable de la plata como material catalítico. La habilidad de formar; en algunos casos, sobre la superficie del polímero una delgada y uniforme película de color pardo claro que puede servir de control visual. Este efecto es muy visible, por ejemplo, en los tipos completamente blancos de ABS. La uniformidad de tal película es iniciativa de una sensibilización y activado adecuados. Este control visual es una ventaja, pues permite retirar las piezas defectuosas en las primeras fases de la elaboración
D) Cobreado químico Es la deposición de una película de cobre sobre la superficie plástica previamente sensibilizada y activada. Esta etapa consiste en la reducción mediante formaldehido de una solución de feheling. Las reacciones químicas producidas en la deposición del cobre sin corriente, se basa en el poder reductor del formaldehido así como de la sal de Rochelle.
El CuSO4 con el Na(OH) forma Cu(OH)2, que queda disuelto, con color azul intenso, en el complejo orgánico que se forma con el tartrato doble de sodio y potasio KNaC4H4O6. Cu2+ + 2 OHCu(OH)2 + C4H4O62-
Cu(OH)2 Cu(C4H4O6)22- +2OH-
En esta solución el cobre se encuentra en su mayor parte, como anión complejo. La constante de disociación para los iones libres de cobre, es muy pequeña y, por tanto, la concentración absoluta de los iones muy baja. Cu(C4H4O6)22- + HCHO
Cu(S) + HCOOH + O2(g)
El rol de la sal de rochelle en estas reacciones es muy importante porque cumple una doble función: 1.- Regula la concentración de iones libres de cobre dando lugar a la deposición de películas de cobre fuertemente adheridas. 2.- Por ser agente reductor ayuda a la reducción completa del ión Cu 2+ hasta Cu metálico con desprendimiento de oxigeno.
Existen varias teorías respecto al mecanismo de estas reacciones, pero en la actualidad es difícil de pronunciarse por una de ellas, en virtud de que desconocemos los mecanismos reales. La velocidad de reducción producida tanto por el formaldehído como por la sal de rochelle es muy dependiente del pH, de forma que para ajustar una velocidad de deposición deseada es preciso mantener un valor de pH lo más constante posible. Las deposiciones de fina cristalinidad indispensables para el posterior engrosamiento de las capas metálicas se consiguen a valores de pH de 11 a 13. A valores de pH inferiores a 7, la reducción del ión cobre desciende muy fuertemente haciéndose nula. Una cuestión importante es el ajuste de temperatura. Si se sobrepasa la temperatura de 30ºC, se descompone el baño como consecuencia de la descomposición del complejo tartrato cúprico.
Depende Velocidad de formación y crecimiento de cristales
Influencia de factores externos en la formación del metalizado químico
Influencia del pH del baño en la formación del metalizado químico Influencia de la composición de la solución en la formación del metalizado químico Influencia de la temperatura en la formación del metalizado químico
Influencia de las impurezas del baño en la formación del metalizado químico
Metalizado Electrolítico Los plásticos metalizados por vía química se manejan, como piezas metálicas y se pueden depositar sobre ellos diversos recubrimientos electrolíticos como por ejemplo la serie cobre-níquel brillantecromo y aleaciones diversas.
Cobreado ácido o Brillante El cobreado ácido se efectúa a partir de una solución que consiste fundamentalmente en sulfato de cobre y ácido sulfúrico. La presencia del ácido sulfúrico es esencial, pues evita la formación de precipitados de sales básicas de cobre y también aumenta la ionización. Comúnmente, se utilizan densidades de corriente de 2 a 6,5 amperios por dm2. Las soluciones de cobre trabajan usualmente a temperatura ambiente, aunque a veces se utilizan temperaturas hasta de 50 °C.
Los contaminantes más comunes en los baños al sulfato provienen de la descomposición de los abrillantadores (orgánicos), o por impurezas metálicas (sales con impurezas, cubas metálicas con recubrimiento defectuoso, etc.)
Celda electrolítica de cobreado ácido
En el baño electrolítico, se encuentra: CuSO4 Cu2+ + SO4 2H2SO4 2H+ + SO4 2- + H2O En el cátodo: Cu2+ + 2e2H+ + 2eEn el ánodo (cobre): Cu 2H2O
Cu0 H2 Cu2+ + 2e4H+ +O2+ 4e-
Niquelado Electrolítico Brillante Los niquelados decorativos se logran de un electrolito conteniendo agentes de adición orgánicos de diversos tipos. Este proceso se lleva a cabo mediante una corriente continua aplicada a los electrodos, lo cual disocia en iones las sales contenidas en la solución. Es necesario, no obstante, tener presentes en la solución ciertos agentes reductores y compuestos químicos para favorecer la disolución de los ánodos y para hacer la solución más conductora.
Celda electrolítica de Níquel
En la solución: NiSO4(ac) NiCl2(ac) H2SO4(ac) H2BO4(ac)
Ni2+ + SO42+ Ni2+ + 2Cl 2H+ + SO423H+ + BO43 -
Reacciones en el cátodo: Ni 2+ +2eNi0 2H+ + 2eH2 Reacciones en el ánodo: Ni Ni2+ + 2e2H2O 4H+ +O2+ 4e-
Cromado electrolítico El cromado se efectúa, mediante una solución de ácido crómico que contiene una pequeña pero bien determinada proporción de sulfato, ácido sulfúrico generalmente, al que se añade a veces cierta cantidad de sulfato sódico.
Celda electrolítica de cromo. E: electrolito, B: cátodo, A: ánodo
Baño: CrO3 + 2H2O H2CrO4 + H2O H2SO4 + H2O SO42- + 2H+ + H2O 1. Reacciones en el cátodo 4H+ + 4e2H2 Cr 6+ + 6eCr 0 ------------------------------------------------------Cr 6+ +4H+ +10 eCr 0 + 2H2 2. Reacciones en el ánodo Como los ánodos son (inertes) de plomo estañoso, entonces ocurre: 2H2O 4H+ + O2 + 4e3. En la solución CrO42Cr 6+ + 4O2-
El acido crómico (H2CrO4 ) se disocia considerablemente formando cationes cargados positivamente (Cr 6+ ), que se encuentra en la solución. Al aplicar un potencial a los electrodos en la solución, los cationes cargados positivamente ( Cr 6+) emigran hacia al cátodo y se depositan como (Cr 0), y los iones negativos ( OH-,SO42-) se mueven hacia el ánodo. En consecuencia se lleva menos cromo al cátodo, la capa de solución en la superficie del cátodo, conocida como película catódica la cual se hace mas débil en iones cromo
IMPLANTACIÓN IÓNICA Introducción:
Superficies Región mas sensible a agresiones del entorno - Desgaste - Fricción - Corrosión - Oxidación
Superficie fotografiada con HREM
Desgaste: Abrasivo Adhesivo
Desgaste Adhesivo
Modificación Superficial Las soluciones de la ingeniería avanzada de superficies pasa por modificar la composición y estructura superficial de los materiales tratados ya sea por medio de un recubrimiento o mediante la introducción de nuevos elementos dentro de la superficie.
Implantación Iónica Si la energía es muy baja (10 Voltios de aceleración) los átomos se depositan en superficie, creándose un recubrimiento. Si la aceleración es mayor (500 Voltios) predomina un proceso de pulverización de la superficie conocido como Sputtering. Puede ser útil para limpieza superficial o para evaporar materiales para recubrimientos. Finalmente, a energías mucho mayores (100.000 Voltios), los átomos penetran dentro de la superficie incrustándose a una profundidad de muchas capas atómicas.
Implantación Iónica Por ejemplo, los iones de Nitrógeno acelerados con 100.000 Voltios se mueven en el vacío a una velocidad de 1.170 Km/s y al chocar contra una superficie de Acero se incrustan alcanzando profundidades de hasta 0,2 micras. Este es el proceso que conocemos como implantación iónica.
Proceso de Ionización Un equipo de implantación iónica consta de: a) Una fuente de iones (un dispositivo capaz de producir cantidades suficientes de determinados tipos de iones). b) Una o dos etapas de aceleración y focalización (diferencias de potencial del orden de 100.000V). c) Un imán separador de masas (potente electroimán capaz de separar unos elementos de otros según su masa atómica). d) Una cámara de tratamiento (Cámara de alto vacío donde se colocan las piezas cuya superficie hay que tratar, normalmente provista de algún sistema de manipulación para orientar y mover las piezas durante el tratamiento
Proceso de Ionización
Superficies Implantadas La implantación iónica produce cambios de composición y estructura que tienen como consecuencia aumento de la resistencia al desgaste adhesivo, desgaste abrasivo no muy severo, fricción y corrosión.
Aplicaciones de Implantación Iónica -
Moldes de inyección de plástico: aumento de la vida de hasta 4 veces mediante la implantación de cromo. Útiles para la fabricación de envases metálicos: Aumento de hasta 5 veces mediante la implantación de nitrógeno en troqueles, pinzones y matrices. Prótesis de cadera o rodilla: Aumenta la vida de mas de 10 veces en prótesis de aleación Ti6A14V.
Molde de inyección de plástico
Troqueles para envases metálicos.
Implantación iónica de nitrógeno La mayoría de los problemas de desgaste de las herramientas tratadas por implantación iónica se solucionan mediante la implantación de iones de Nitrógeno (14N+ ó 14N +). La implantación de Nitrógeno en estos materiales 2 produce: Creación de esfuerzos compresivos en las primeras capas superficiales. Formación de precipitados de Nitruros duros. Inhibición del movimiento de dislocaciones. Estabilización de las capas finas superficiales de óxido metálico. Estos mecanismos se combinan para incrementar la dureza superficial (hasta un rango de media micra de profundidad) y limitar los mecanismos de desgaste adhesivo.
Implantación iónica de cromo La resistencia a la corrosión de los aceros de herramientas puede aumentar considerablemente mediante la implantación de iones de Cromo (52Cr+). El efecto principal de este tratamiento es la re-aleación de las primeras décimas de micra del acero, aumentando su contenido en Cromo hasta el 30%. Se crea así una superficie pasivada de óxido de Cromo que aumenta la resistencia a la corrosión.
Ventajas -
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- Aumenta la vida útil de 5 a 10 veces, según la aplicación. - No produce cambio alguno en el acabado superficial respetando los pulidos o texturas iniciales. - Baja temperatura,150°C, no produce deformaciones, revenidos, etc. - Extremadamente controlable. - Puede limitarse selectivamente. - Muy versátil. - Medioambientalmente limpio.
Limitaciones Es una técnica de línea recta, lo que quiere decir que no se pueden tratar dos componentes a la vez, sino que hay que hacerlo secuencialmente. Además, las partes de la superficie ocultas a la incidencia del haz de iones no pueden ser tratadas, y los interiores de cavidades donde el haz entra rasante tampoco se benefician de la implantación. Es una técnica de alto vacío lo que significa altas inversiones en equipos y mantenimiento, tiempos muertos de carga y descarga y limitaciones de volumen dependiendo del tamaño de la cámara de tratamientos. Es una técnica para problemas de temperatura media o baja: si la superficie tratada sobrepasa los 400O 500O C, el tratamiento deja de ser eficaz. No es adecuada para problemas severos de desgaste o corrosión, ni, por supuesto, para problemas de rotura.
Limitaciones No admite rectificados posteriores a la implantación: destruirían el tratamiento La implantación debe ser siempre el tratamiento final. Poca penetración de los iones (normalmente inferior a 1 pm). Posee relativamente un alto coste de inversión del equipo. Proceso de alta tecnología, precisa de una operación y mantenimiento especializado. Algunos parámetros del proceso se encuentran aún en desarrollo. Es un proceso aun no conocido totalmente por la industria.
