IM-0451

Procesos de Manufactura

Estudiantes:

Manuel Peña Torres A64360

Tema Especial #8:

Acabados Superficiales 1.

Profesor:

Ing. Roy Marín.

II Semestre 20012

ACABADOS SUPERFICIALES 1

LIMPIEZA INDUSTRIAL______________________________________________

Muchos productos manufacturados se recubren con capas diseñadas para impartir resistencia

a la corrosión o al calor, o para satisfacer requisitos estéticos, entre ellos:

o Remoción de películas superficiales no deseadas. o Conversión de capas superficiales mediante reacción química. o Deposición de capas metálicas a partir de la fusión o de la solución. o Creación de recubrimientos metálicos, cerámicos u orgánicos por deposición de vapor. o Deposición de recubrimientos por medio de reacción química a alta temperatura. o El cambio de la composición de la superficie por implantación iónica. o Aplicación de recubrimientos orgánicos.

Los tratamientos superficiales tienen como objetivo crear una estructura compuesta al

cambiar sólo las propiedades de la superficie. No cambian la geometría de la pieza a tratar.

Limpieza Química

Limpieza Alcalina

Emplea un álcali (compuestos básicos), para remover aceites, grasa, cera y diversos tipos de partículas. Las soluciones de limpieza alcalina constan de sales solubles en agua de bajo costo como por ejemplo, hidróxido de sodio (NaOH), hidróxido de potasio (KOH), el carbonato de sodio (Na2Co3), el bórax (Na2B4O7), fosfatos y silicatos de sodio y potasio. Combinados con dispersantes y alisadores en agua.

o Se aplican mediante aspersión o inmersión. o A temperaturas entre los 120-200 °F.

Luego de la aplicación se aplica un enjuague de agua para eliminar los residuos de álcalis.

Limpieza Electrolítica

Llamada electro limpieza es un proceso en el cual se aplica una corriente directa de 3-12 V a una solución de limpieza alcalina. La acción electrolítica provoca la generación de burbujas de gas en la superficie de la pieza, lo que produce una acción de frotación de ayuda a la remoción de las partículas de suciedad. Tipos:

o Electrolítica anódica: La pieza se carga positiva y la acción de frotación se produce por la liberación de oxígeno en la superficie de la pieza.

o Electrolítica catódica: La pieza se carga negativamente y se libera hidrógeno en la superficie de la pieza.

o Electrolítica periódica inversa: Se invierte la polaridad varias veces durante el proceso.

Limpieza con Disolventes

La suciedad orgánica como aceites y grasas se remueve de la superficie metálica mediante productos químicos que la disuelven. Las técnicas de aplicación comunes incluyen limpieza manual, inmersión, aspersión y el desengrasado por vapor. Este último proceso es muy importante en la industria, el diagrama de la Ilustración 1 muestra sus componentes.

Ilustración 1 Tanque Desengrasado con Vapor

Los gases con solvente, al entrar en contacto con la pieza se condensan y limpian la superficie de la pieza, este proceso ocurre hasta que la pieza se calienta y no ocurre condensación del gas con solvente, luego se saca del tanque y se deja secar.

Los gases que se utilizan son potencialmente peligrosos, con temperaturas de ebullición bajas que van desde los 104-250 °F, entre ellos tricloroetileno (C2HCl3), cloruro de metileno (CH2Cl2), percloroetileno (C2Cl4).

Limpieza con Emulsión

Utiliza solventes orgánicos (aceites) dispersos en una solución acuosa. El uso de emulsificantes produce un fluido de limpieza de dos fases (aceite en agua), que funciona mediante la disolución o emulsificación de la suciedad en la superficie. El proceso se usa sobre partes metálicas o no metálicas. Luego de la limpieza con emulsión debe realizarse una limpieza alcalina para eliminar el solvente orgánico.

Limpieza y Baño Químico con Ácido

La limpieza con ácido remueve grasas y óxidos ligeros de las superficies de metal mediante remojo, aspersión, aplicación con brocha o limpieza manual. El proceso se realiza a temperatura ambiente o elevada. Los fluidos de limpieza comunes son soluciones de ácidos combinadas, con solventes mezclables en agua, agentes humecedores y emulsificantes. La selección del tipo de ácido depende del acabado y del material base, se pueden utilizar ácido clorhídrico (HCL), ácido nítrico (HNO3), ácido fosfórico (H3PO4), ácido sulfúrico (H2SO4).

La diferencia entre la limpieza con ácido y el baño con ácido es una cuestión de grado. EL baño con ácido implica un tratamiento más severo para remover óxidos, herrumbre y capas ligeras de óxidos, generalmente produce algún ataque químico de la superficie metálica para mejorar adhesión de pintura orgánica.

Limpieza con Sales Fundidas

Es utilizado en materiales metálicos, especialmente aleaciones, para la remoción de incrustaciones duras y complicadas generadas en el proceso de laminación en caliente, tratamiento térmico y recocido. Esta técnica es utilizada cuando la limpieza con ácidos no es efectiva.

Limpieza Mecánica

Limpieza con Chorro Abrasivo

La limpieza con chorro abrasivo es utilizada para eliminar la arena de las piezas de fundición, incrustaciones de las piezas con tratamiento térmico, herrumbre y corrosión, pintura vieja y otros cuerpos extraños. Se utiliza además para dejar superficies ásperas para aplicar pintura o material protector, también para eliminar irregularidades en la superficie y para producir acabados mates.

Esta técnica consiste en lanzar a presión el abrasivo contra la superficie, sea para limpiarla o darle el acabado. Se utiliza abrasivo seco o suspendido en un líquido, lanzado ya sea por fuerza centrífuga o con aire comprimido. La fuerza centrífuga puede producirse con una rueda de aspas motorizadas mientras que la limpieza con aire comprimido utiliza un compresor. La limpieza con aire comprimido es manual o semiautomático y es ideal para piezas pequeñas y medianas con formas complejas.

La limpieza con chorro de abrasivo húmedo utiliza una mezcla de abrasivo fino, agua y otros productos químicos. Este proceso es más preciso que el de chorro seco y es utilizado cuando las tolerancias dimensionales son importantes y al trabajar con componentes frágiles.

Los tipos de abrasivos más comunes son los perdigones de acero, granalla angular, escoria, oxido de aluminio, carburo de silicio, vidrio y arena. El proceso de limpieza con chorro de abrasivo es un proceso económico, de inversión baja y por lo general con recuperación del abrasivo.

En ocasiones este método puede generar daños en las superficies de las piezas, debido a que no se utiliza el equipo adecuado o la velocidad y dirección de chorro incorrectas. No siempre este método es el adecuado y debe evitarse su uso en engranajes o piezas roscadas o con rebajos profundos, cavidades, ni en secciones tubulares o delgadas.

Acabado en Masa o Frotación en Tambor

Es el proceso de limpieza o acabado más utilizado para grandes volúmenes de piezas pequeñas. Se basa en la frotación o fricción del abrasivo con las piezas al ser colocadas en un tambor junto con el abrasivo, agua y otros componentes. La máquina produce movimiento rotatorio, vibratorio o la combinación de ambos, produciendo una acción de frotación y de impacto que limpia la superficie de las piezas.

Este proceso es utilizado para eliminar rebabas por fundición, bordes agudos, marcas de herramienta y costras en piezas sometidas a tratamientos térmicos. Se utiliza para limpiar piezas metálicas, cerámicas, de caucho y de plástico, generalmente son piezas pequeñas pero puede ser utilizado en piezas grandes.

Los abrasivos utilizados para el método de frotación son abrasivos sintéticos, productos metálicos, piedra, arena natural y cascaras de nuez. Los abrasivos sintéticos más comunes son oxido de aluminio y carburo de silicio, se fabrican en variedad de formas y tamaño, siendo las más comunes triángulos, cilindros, estrellas, conos, rombos y esferas.

Lijadora de Banda

En la lijadora de banda motorizada se oprime el material contra una banda cubierta con abrasivo, utilizada para limpiar o darle acabado a piezas de metal, madera, cerámica, plásticos, caucho o vidrio. Se utilizan las lijadoras en superficies planas y es un proceso poco costoso. Hay muchos tamaños de bandas, hechas de diferente material y con distintos tipos de abrasivos, su selección depende directamente de la aplicación y el material con que se va a trabajar.

Pulido y Abrillantado

El pulimiento sirve para alisar la superficie con cierto grado de abrasión para acabarla o mejorar su aspecto. El proceso de abrillantamiento es similar al de pulimiento, pero puede no usar abrasivo y elimina muy poco o nada de material. Son considerados procesos de limpieza y de acabado, basadas en el principio de corte cuando se oprime la pieza contra una rueda cubierta con abrasivo. Las ruedas pulidoras se hacen con muselina, lona, fieltro o cuero. Los abrasivos más comunes para el pulimento son oxido de aluminio, carburo de silicio y esmeril

Limpieza Procesos Varios

Limpieza Ultrasónica

Combina la limpieza química con la limpieza mecánica, por lo general el fluido de limpieza es una solución acuosa que contiene detergentes alcalinos. La agitación mecánica produce vibraciones de alta frecuencia y amplitud suficientes para provocar la formación de cavidades, originadas por burbujas de vapor a baja presión. Conforme las ondas vibratorias pasan un punto determinado en el líquido, después de la región de baja presión se forma un frente de alta presión que impresiona la cavidad, con lo cual se produce una onda de choque capaz de penetrar las partículas contaminantes que se adhieren a la superficie de trabajo. Este proceso permite una limpieza hasta en las geometrías más intrincadas.

o El proceso se realiza a frecuencias entre los 20-458 kHz. o La solución de limpieza está a una temperatura elevada, entre los 150-190 °F.

Lavado de Vapor

Es utilizado para limpiar principalmente piezas que sería difícil de aplicar otro método ya mencionado. La solución limpiadora es convertida en vapor a alta presión y mediante una manquera y boquilla se hace impactar con la superficie de la pieza a limpiar. La combinación de calor e impacto es muy eficaz para eliminar capas gruesas de aceite, grasas, tierra acumulada y otros.

RECUBRIMIENTOS___________________________________________________

Recubrimientos por Conversión Cuando el acero no tiene suficiente carbono, la superficie se enriquece difundiendo en ella

la especie atómica necesaria (C o N).

Oxidación

Muchos metales se oxidan en servicio; además, la oxidación incontrolada puede producir cambios indeseables en la apariencia superficial, y en corrosión localizada o global. Sin embargo, los tratamientos químicos o a temperatura elevada pueden propiciar formas deseables de oxidación resistentes a la corrosión. Así, la superficie ennegrecida producida por químicos sobre el acero resiste la oxidación; asimismo, el cobre y el latón se tratan para obtener varios tonos de color negro, café, azul y verde. Un óxido duro de espesor y color controlados se acumula en el aluminio (y también en el Mg y el Ti) por medio del anodizado. Después de remover el óxido natural, la pieza se sumerge en un electrolito acuoso y se conecta a la terminal positiva de una fuente de energía de CD (y de esta manera se convierte en el ánodo). Se genera una película deóxido, enlazada estructuralmente al sustrato. Es factible infiltrar un óxido poroso con los tintes adecuados para obtener un color decorativo, o éste se produce durante la deposición. La inmersión en agua hirviendo convierte a la alúmina en monohidróxido y sella la superficie. Los recubrimientos más gruesos (de 25 a 100 µm) y más densos producidos en el anodizado duro son resistentes al desgaste.

Recubrimiento de Fosfato

Las superficies de acero se recubren con fosfato para retener el lubricante en la deformación pesada. La inmersión en un baño de fosfato de Zn y ácido fosfórico diluido causa el crecimiento de una capa de fosfato de zinc cristalino en la que los canales interconectados ayudan a atrapar al lubricante; si se aplica en una capa más delgada, el recubrimiento sirve como base para pintura. Se dispone de tratamientos similares para otros metales, incluyendo el aluminio y el acero galvanizado.

Recubrimiento de Cromato

Un recubrimiento muy delgado (menor de 2.5µm) claro coloreado se forma por inmersión en un baño de ácido crómico diluido y otros químicos. Algunas latas para alimentos tienen, por ejemplo, un recubrimiento de este tipo como capa base en la superficie de acero.

Recubrimiento por Inmersión Caliente Las piezas terminadas de acero, así como la lámina de acero para trabajo posterior se

recubren por medio de estas técnicas.

Galvanizado por Inmersión Caliente

Las piezas se sumergen en un baño de zinc fundido que puede estar protegido con un fundente. La tira de acero, soldada para producir un rollo de longitud infinita, se guía a través de un baño fundido con la ayuda de rodillos. El tiempo de residencia y la composición del baño se controlan para minimizar la formación de un inter metálico frágil en la interfase Fe-Zn y para desarrollar o suprimir lentejuelas (formación visible de cristales). El espesor de la capa del recubrimiento se controla soplando el exceso de zinc con la ayuda de aire o nitrógeno. Muchos

productos de lámina (sobre todo en carrocerías automotrices) se sueldan por puntos y la aleación del zinc con los electrodos de cobre reduce la vida del electrodo.

Galvanor Recocido

Cuando la tira que emerge del baño de zinc se recalienta hasta alrededor de 500°C, el recubrimiento se transforma en fases inter metálicas de Fe-Zn con alrededor de 9 a 12% Fe. Esto es más favorable para la soldadura de puntos porque se aminora el aleado con el electrodo de cobre. Sin embargo, el recubrimiento frágil es propenso a agrietarse y pulverizarse durante el formado.

Recubrimientos de Zn-Al

Virtualmente no hay interfase frágil en los recubrimientos de la aleación casi eutéctica Zn-5AI y se minimizan las lentejuelas. Un recubrimiento de Zn-55AI provee mejor resistencia a la corrosión, pero la superficie presenta el acabado tipo lentejuela.

Recubrimientos de Aluminio

No hay capa inter metálica significativa con recubrimientos delgados (de 20 a 25µm) de una aleación de Al-Si (entre 5 y 11 % de Si), así que las láminas se forman fácilmente y son adecuadas para aplicaciones de alta temperatura como los sistemas de escape para automóviles. Un recubrimiento de Al puro forma un inter metálico frágil y se usa sobre todo para estructuras exteriores ligeramente formadas.

Recubrimiento Metálico Los recubrimientos metálicos superficiales se pueden aplicar mediante varias técnicas.

Electrodeposición

La electrodeposición (recubrimiento) de una pieza producida por medio de otra técnica, pero ahora el depósito se queda en su lugar por razones estéticas o técnicas, sobre todo para dar resistencia al desgaste y a la corrosión. Por lo tanto, se dirigirán a elevar la fuerza del enlace entre el recubrimiento y el sustrato. La deposición de metal es lenta (por lo general hasta 75µm/h), pero el espesor del recubrimiento (a menudo de 10 a 500 µm) se puede controlar con precisión. Las piezas con configuraciones superficiales irregulares pueden recubrirse uniformemente de manera razonable, en especial si el ánodo está bien colocado y si es necesario, tiene forma. Se acumula una capa gruesa en los bordes y si esto es inaceptable, el exceso se remueve con un maquinado abrasivo, o se cambia la forma de la pieza para compensar la acumulación diferencial. El zinc y el cadmio se depositan sobre piezas que requieren resistencia a la corrosión, pero el cadmio no se puede usar para aplicaciones de alimentos debido a su toxicidad. El cobre se deposita para protección contra la corrosión y para producir circuitos eléctricos. El níquel se emplea extensamente para proveer resistencia a la corrosión. El cromo se aplica en una capa delgada (cerca de 1.3 µm) sobre recubrimientos de níquel por razones estéticas. Las capas más gruesas (de 2.5 a 500 µm), colocadas directamente sobre el metal base, pueden necesitar pulido con diamante, pero entonces imparten resistencia al desgaste a las matrices y reducen su adhesión a muchos materiales de las piezas de trabajo, incluyendo el aluminio y el zinc.

Recubrimiento sin electricidad

La pieza, sumergida en un baño acuoso de sales metálicas, un agente reductor y varios aditivos, actúa como catalizador para la reducción de iones metálicos con el objeto de formar el

recubrimiento. La deposición progresa a una rapidez uniforme sobre toda la superficie, incluso en piezas de configuración compleja y en cavidades. El recubrimiento se adelgaza en los bordes agudos y por tanto se les deben dar radios de 0.4 mm. La aplicación más amplia es para el níquel con hipofosfito como agente reductor. El recubrimiento incorpora de 2 a 10% P; la dureza disminuye pero la resistencia a la corrosión se incrementa al elevar el contenido de P. La dureza de los recubrimientos de bajo P aumenta aún más (hasta HV 1 000) con un tratamiento térmico. La deposición sin emplear electricidad de cobre y oro se usa en placas de circuitos impresos.

Metalización de Plásticos y Cerámicos

Este proceso consiste en revestir un material metálico o no metálico, con una delgada capa de metal, con el propósito de generar una superficie más resistente a la corrosión y al desgaste. Los revestimientos metálicos son considerados como duros, al contrario de los recubrimientos con material orgánico, que son más blandos.

Entre los procesos más comunes para revestimiento metálico están la electrodeposición, la inmersión en caliente, anodizados.

Recubrimiento por Difusión

Cuando el acero no tiene suficiente carbono, la superficie se enriquece difundiendo en ella la especie atómica necesaria (C o N).

Carburización

El carbono se difunde en el acero mantenido en el intervalo de temperatura austenítica (por lo general, de 850 a 950°C) por medio de diversas técnicas. La carburación con gas, la técnica más usada, se lleva a cabo en un horno con gases ricos en carbono (gas natural, propano o metano) y uno portador (normalmente una mezcla de N2, CO y H2). Para la carburación al vado, la pieza se calienta en un vacío moderado y entonces se admite el gas hidrocarburo. La carburación en un compuesto sólido (carburación por empaque) o en un baño de sal actualmente se utiliza menos. Es más efectiva la carburación con plasma. La pieza es entonces templada y revendida.

Nitruración

El nitrógeno se puede difundir en aceros de aleación a temperaturas de 500 a 560°C para crear una capa superficial delgada y dura al formar nitruros con Cr, V, W y Mo. Los nitruros con Al proporcionan un revestimiento muy duro pero frágil. El proceso se puede realizar con un gas o un líquido; la nitruración con plasma (Secc. 19-6-4) está ganando popularidad. No hay necesidad de revenir y si el acero se puede tratar térmicamente, se debe templar y revenir antes de nitrurarlo. La carbonitruración es una variante de la carburación con gas, con amoniaco mezclado en la atmósfera del horno. El revestimiento resultante es delgado y duro.

Difusión de metal

En el cromizado, el cromo se difunde en la superficie de los aceros y súper aleaciones para incrementar la resistencia a la corrosión, pero el carburo que se forma con los aceros al carbono descarburiza la superficie. La codifusión de silicio con cromo elimina el problema. El aluminizado se aplica para elevar la resistencia a la corrosión a alta temperatura de aceros y súper aleaciones.

Implantación de Iones

El proceso se basa en la observación de que si los iones se aceleran suficientemente, se alojarán en el objetivo, así las especies de átomos extraños contaminan la superficie. Para que el proceso sea viable industrialmente, se debe encontrar una fuente iónica económica.

o En el proceso original la fuente iónica consiste en un gas alimentado y en un horno

caliente. El vapor o compuesto volátil generado en el horno entra a una descarga de plasma de gas noble, donde se ioniza. Así pues, se generan los iones del elemento contaminante y del gas. Después de la aceleración, los iones se someten a un imán fuerte (imán analizador o separador de masa), que desvía los iones de manera que solamente las especies deseadas pasan a través de una rendija (apertura de resolución). Los iones se aceleran hasta un nivel de energía elevado (30 a 200 keV), por lo que en el impacto penetran unos 10 a 1 000 nm por debajo de la superficie del sustrato, aun si está presente una película de óxido (en efecto, frecuentemente se genera intencionalmente tal película para proteger la superficie de reacciones no deseadas). Los voltajes que se aplican a las placas desviadoras provocan que el haz barra el área objetivo (o bien puede dejarse fijo el haz y el objetivo se mueve mecánicamente).

o En un proceso más reciente, un arco de plasma es la fuente iónica, reduciendo en gran medida el costo de la implantación. Los iones pierden su energía en choques con los núcleos y electrones del objetivo y llegan al reposo a una distancia por debajo de la superficie. Así, la composición superficial se modifica sin cambio dimensional y con calentamiento mínimo (normalmente por debajo de los 200°C). Los recubrimientos resistentes al desgaste se producen en herramientas e implantes como las prótesis para reemplazo de la cadera, pero la aplicación más importante es para dispositivos de estado sólido. Si el ion entra con una alineación perfecta con una dirección cristalográfica principal, penetra profundamente. Para evitar ese efecto de canalizado, el haz de iones tiene una dirección un poco oblicua al eje del cristal, y así se obtiene una distribución de la profundidad a partir de la superficie.

Bibliografía___________________________________________________________

o Kazanas, H., Baker, G., & Gregor, T. (1996). Procesos básicos de manufactura. México:

McGraw-Hill.

o Schey, J. (2000). Procesos de manufactura. México: McGraw-Hill.

o Mikkel P. Groover . Prentice Hall. Fundamentos de Manufactura Moderna, Materiales

Procesos y Sistemas.