Galvanoplastia

Máquina electroplatadora de cobre para capas PCB

La galvanoplastia, también conocida como deposición electroquímica o electrodeposición, es un proceso para producir un revestimiento metálico sobre un sustrato sólido mediante la reducción de cationes de ese metal por medio de una corriente eléctrica continua. La pieza a recubrir actúa como cátodo (electrodo negativo) de una celda electrolítica; el electrolito es una solución de una sal del metal a recubrir; y el ánodo (electrodo positivo) suele ser un bloque de ese metal o de algún material conductor inerte. La corriente es proporcionada por una fuente de alimentación externa.

La galvanoplastia se usa ampliamente en la industria y las artes decorativas para mejorar las cualidades superficiales de los objetos, como la resistencia a la abrasión y la corrosión, la lubricidad, la reflectividad, la conductividad eléctrica o la apariencia. Se utiliza para acumular espesor en piezas desgastadas o de tamaño insuficiente, o para fabricar placas de metal con formas complejas, un proceso llamado electroformado. Se utiliza para depositar cobre y otros conductores en la formación de placas de circuito impreso e interconexiones de cobre en circuitos integrados. También se utiliza para purificar metales como el cobre.

El término "galvanoplastia" también se puede usar ocasionalmente para procesos que usan una corriente eléctrica para lograr la oxidación de aniones sobre un sustrato sólido, como en la formación de cloruro de plata en alambre de plata para hacer electrodos de plata/cloruro de plata (AgCl).

El electropulido, un proceso que utiliza una corriente eléctrica para eliminar los cationes metálicos de la superficie de un objeto metálico, se puede considerar como lo opuesto a la galvanoplastia.

Proceso

Esquema simplificada para el cobre electroplating (orange) en un objeto conductivo (el cathode, "Yo", gris). El electrolito es una solución de sulfato de cobre, CuSO
₄. Un ánodo de cobre se utiliza para reponer el electrolito con caciones de cobre Cu²⁺
como están empapados en la cátodo.

El electrolito debe contener iones positivos (cationes) del metal a depositar. Estos cationes se reducen en el cátodo al metal en el estado de valencia cero. Por ejemplo, el electrolito para el revestimiento de cobre puede ser una solución de sulfato de cobre (II), que se disocia en cationes Cu²⁺ y SO²⁻
₄ aniones. En el cátodo, el Cu²⁺ se reduce a cobre metálico al ganar dos electrones.

Cuando el ánodo está hecho del metal de recubrimiento, allí puede ocurrir la reacción opuesta, convirtiéndolo en cationes disueltos. Por ejemplo, el cobre se oxidaría en el ánodo a Cu²⁺ al perder dos electrones. En este caso, la velocidad a la que se disuelve el ánodo será igual a la velocidad a la que se deposita el cátodo y, por lo tanto, el ánodo repone continuamente los iones del baño de electrolito. El resultado neto es la transferencia efectiva de metal del ánodo al cátodo.

En cambio, el ánodo puede estar hecho de un material que resista la oxidación electroquímica, como el plomo o el carbono. En su lugar, se produce oxígeno, peróxido de hidrógeno o algunos otros subproductos en el ánodo. En este caso, los iones del metal a recubrir deben reponerse periódicamente en el baño a medida que se extraen de la solución.

El revestimiento suele ser un solo elemento metálico, no una aleación. Sin embargo, algunas aleaciones se pueden electrodepositar, en particular el latón y la soldadura. "aleaciones" no son "aleaciones verdaderas" (soluciones sólidas), sino que son pequeños cristales de los metales elementales que se recubren. En el caso de la soldadura chapada, a veces se considera necesario tener una aleación verdadera, y la soldadura chapada se funde para permitir que el estaño y el plomo se combinen en una aleación verdadera. La verdadera aleación es más resistente a la corrosión que la mezcla enchapada.

Muchos baños de galvanoplastia incluyen cianuros de otros metales (como el cianuro de potasio) además de los cianuros del metal que se va a depositar. Estos cianuros libres facilitan la corrosión del ánodo, ayudan a mantener constante el nivel de iones metálicos y contribuyen a la conductividad. Además, se pueden agregar productos químicos no metálicos como carbonatos y fosfatos para aumentar la conductividad.

Cuando no se desea enchapar en ciertas áreas del sustrato, se aplican stop-offs para evitar que el baño entre en contacto con el sustrato. Las paradas típicas incluyen cinta, papel de aluminio, lacas y ceras.

La capacidad de un revestimiento para cubrir uniformemente se denomina poder de proyección; cuanto mejor sea el poder de lanzamiento, más uniforme será el recubrimiento.

Huelga

Inicialmente, se puede usar un depósito de recubrimiento especial llamado strike o flash para formar un recubrimiento muy delgado (normalmente menos de 0,1 μm de espesor) con alta calidad y buena adherencia al sustrato. Esto sirve como base para los procesos de recubrimiento posteriores. Un golpe utiliza una alta densidad de corriente y un baño con una baja concentración de iones. El proceso es lento, por lo que se utilizan procesos de chapado más eficientes una vez que se obtiene el espesor de golpe deseado.

El método de golpeo también se utiliza en combinación con el chapado de diferentes metales. Si es deseable recubrir un tipo de depósito sobre un metal para mejorar la resistencia a la corrosión pero este metal tiene inherentemente una mala adhesión al sustrato, primero se puede depositar un golpe que sea compatible con ambos. Un ejemplo de esta situación es la mala adherencia del níquel electrolítico sobre aleaciones de zinc, en cuyo caso se utiliza un golpe de cobre que tiene buena adherencia a ambos.

Galvanizado por pulsos

El proceso de galvanoplastia por pulsos o electrodeposición por pulsos (PED) implica la alternancia rápida del potencial eléctrico o la corriente entre dos valores diferentes que dan como resultado una serie de pulsos de igual amplitud, duración y polaridad, separados por corriente cero. Al cambiar la amplitud y el ancho del pulso, es posible cambiar la composición y el espesor de la película depositada.

Los parámetros experimentales de la galvanoplastia de pulso generalmente consisten en corriente/potencial pico, ciclo de trabajo, frecuencia y corriente/potencial efectivo. El pico de corriente/potencial es el valor máximo de corriente o potencial de galvanoplastia. El ciclo de trabajo es la porción efectiva de tiempo en un determinado período de galvanoplastia con la corriente o el potencial aplicado. La corriente/potencial efectiva se calcula multiplicando el ciclo de trabajo y el valor máximo de la corriente o potencial. La galvanoplastia por pulsos podría ayudar a mejorar la calidad de la película galvanizada y liberar la tensión interna acumulada durante la deposición rápida. Una combinación del ciclo de trabajo corto y la alta frecuencia podría disminuir las grietas en la superficie. Sin embargo, para mantener la corriente o el potencial efectivos constantes, es posible que se requiera una fuente de alimentación de alto rendimiento para proporcionar una corriente/potencial alta y una conmutación rápida. Otro problema común de la galvanoplastia por pulsos es que el material del ánodo podría enchaparse y contaminarse durante la galvanoplastia inversa, especialmente para el electrodo inerte de alto costo, como el platino.

Otros factores que podrían afectar la galvanoplastia de pulso incluyen la temperatura, la brecha entre el ánodo y el cátodo y la agitación. A veces, la galvanoplastia por pulsos se puede realizar en un baño de galvanoplastia calentado para aumentar la tasa de depósito, ya que la tasa de casi todas las reacciones químicas aumenta exponencialmente con la temperatura según la ley de Arrhenius. La brecha de ánodo a cátodo está relacionada con la distribución actual entre el ánodo y el cátodo. La pequeña relación entre el espacio y el área de la muestra puede causar una distribución desigual de la corriente y afectar la topología de la superficie de la muestra enchapada. La agitación puede aumentar la velocidad de transferencia/difusión de los iones metálicos desde la solución a granel hasta la superficie del electrodo. El ajuste de agitación varía para los diferentes procesos de galvanoplastia de metales.

Cepillo galvánico

Un proceso estrechamente relacionado es la galvanoplastia con cepillo, en la que se recubren áreas localizadas o elementos completos con un cepillo saturado con una solución de recubrimiento. El cepillo, generalmente un cuerpo de acero inoxidable envuelto con un material de tela absorbente que retiene la solución de recubrimiento y evita el contacto directo con el artículo que se está recubriendo, se conecta al ánodo de una fuente de alimentación de corriente continua de bajo voltaje y el artículo que se va a recubrir. conectado al cátodo. El operador sumerge el cepillo en la solución de recubrimiento y luego la aplica al artículo, moviendo el cepillo continuamente para obtener una distribución uniforme del material de recubrimiento.

El electrochapado con brocha tiene varias ventajas sobre el enchapado en tanque, incluida la portabilidad, la capacidad de enchapar elementos que por alguna razón no se pueden enchapar en tanque (una aplicación fue el enchapado de porciones de columnas de soporte decorativas muy grandes en la restauración de un edificio), poca o ninguna requisitos de enmascaramiento y requisitos de volumen de solución de recubrimiento comparativamente bajos. Las desventajas en comparación con el enchapado en tanque pueden incluir una mayor participación del operador (el enchapado en tanque con frecuencia se puede realizar con una atención mínima) y la incapacidad de lograr un espesor de placa tan grande.

Revestimiento de barril

Esta técnica de galvanoplastia es una de las más utilizadas en la industria para grandes cantidades de objetos pequeños. Los objetos se colocan en una jaula no conductora en forma de barril y luego se sumergen en el baño químico que contiene átomos suspendidos del metal que se va a colocar sobre ellos. Luego se gira el barril y se hacen pasar corrientes eléctricas a través de las diversas piezas del barril que completan los circuitos cuando se tocan entre sí. El resultado es un proceso de recubrimiento muy uniforme y eficiente, aunque el acabado de los productos finales probablemente sufra abrasión durante el proceso de recubrimiento. No es adecuado para artículos muy ornamentales o diseñados con precisión.

Limpieza

La limpieza es esencial para el éxito de la galvanoplastia, ya que las capas moleculares de aceite pueden evitar la adhesión del recubrimiento. ASTM B322 es una guía estándar para la limpieza de metales antes de la galvanoplastia. La limpieza incluye limpieza con solvente, limpieza con detergente alcalino caliente, electrolimpieza y tratamiento con ácido, etc. La prueba industrial más común para la limpieza es la prueba de rotura de agua, en la que la superficie se enjuaga completamente y se mantiene vertical. Los contaminantes hidrófobos, como los aceites, hacen que el agua forme gotas y se rompa, lo que permite que el agua se drene rápidamente. Las superficies de metal perfectamente limpias son hidrófilas y retendrán una lámina de agua intacta que no se acumula ni se escurre. ASTM F22 describe una versión de esta prueba. Esta prueba no detecta contaminantes hidrofílicos, pero la galvanoplastia puede desplazarlos fácilmente ya que las soluciones son a base de agua. Los tensioactivos como el jabón reducen la sensibilidad de la prueba y deben enjuagarse bien.

Efectos

La galvanoplastia cambia las propiedades químicas, físicas y mecánicas de la pieza de trabajo. Un ejemplo de un cambio químico es cuando el niquelado mejora la resistencia a la corrosión. Un ejemplo de un cambio físico es un cambio en la apariencia externa. Un ejemplo de un cambio mecánico es un cambio en la resistencia a la tracción o la dureza de la superficie, que es un atributo requerido en la industria de herramientas. La galvanoplastia de oro ácido sobre circuitos subyacentes de cobre o niquelado reduce la resistencia de contacto y la dureza de la superficie. Las áreas recubiertas de cobre de acero dulce actúan como una máscara si no se desea el endurecimiento superficial de dichas áreas. El acero estañado está cromado para evitar el desgaste de la superficie debido a la oxidación del estaño.

La galvanoplastia o la galvanoplastia sin electricidad se pueden usar como una forma de hacer que una pieza de metal sea radiactiva, mediante el uso de una solución acuosa preparada a partir de concentrados de níquel-fósforo que contienen iones de hipofosfito 32P radiactivos.

Metales específicos

Alternativas a la galvanoplastia

Existen una serie de procesos alternativos para producir recubrimientos metálicos sobre sustratos sólidos que no implican reducción electrolítica:

• El encofrado sin electrodos utiliza un baño que contiene iones de metal y químicos que los reducirá al metal por reacciones de redox. La reacción debe ser autocatalítica, por lo que el nuevo metal se depositará sobre el recubrimiento creciente, en lugar de precipitarse como polvo a través de todo el baño a la vez. Los procesos sin electros se utilizan ampliamente para depositar aleaciones de níquel-fosforo o níquel-borón para el desgaste y la resistencia a la corrosión, plata para la fabricación de espejos, cobre para tableros de circuito impreso, y muchos más. Una gran ventaja de estos procesos sobre el electroplating es que pueden producir recubrimientos de espesor uniforme sobre superficies de forma arbitraria, incluso dentro de agujeros, y el sustrato no necesita ser eléctrico. Otro beneficio importante es que no necesitan fuentes de energía ni anódos especialmente moldeados. Las desventajas incluyen una menor velocidad de deposición, un consumo de productos químicos relativamente caros y una elección limitada de metales de recubrimiento.
• Los procesos de recubrimiento de inmersión explotan reacciones de desplazamiento en las que el metal subtrate se oxida a iones solubles mientras que los iones del metal de recubrimiento se reducen y depositan en su lugar. Este proceso se limita a revestimientos muy delgados, ya que la reacción se detiene después de que el subtrato haya sido completamente cubierto. Sin embargo, tiene algunas aplicaciones importantes, como el proceso de inmersión de níquel sin electrones (ENIG) utilizado para obtener contactos eléctricos dorados en tableros de circuito impresos.
• Sputtering utiliza un haz de electrones o un plasma para expulsar partículas microscópicas del metal sobre el sustrato en un vacío.
• La deposición de vapor físico transfiere el metal al sustrato evaporandolo.
• Deposición de vapor químico utiliza un gas que contiene un compuesto volátil del metal, que se deposita en el sustrato como resultado de una reacción química.
• Gilding es una forma tradicional de colocar una capa de oro sobre metales mediante la aplicación de una hoja de oro muy fina sostenida por un adhesivo

Luigi Valentino Brugnatelli

Historia

Boris Jacobi desarrolló electroplating, electrotipado y escultura galvanoplastica en Rusia

Se ha teorizado que la primera galvanoplastia se realizó en la era del Imperio Parto. Wilhelm König, asistente en el Museo Nacional de Irak en la década de 1930, había observado varios objetos de plata muy finos del antiguo Irak, chapados con capas muy finas de oro, y especuló que estaban electrochapados. Corroboró su idea refiriéndose a una posible batería parta descubierta en 1938 cerca de la metrópoli de Ctesifonte, la capital de los imperios parto (150 a. C. - 223 d. C.) y sasánida (224-650 d. C.) de Persia. Sin embargo, esto ha sido ampliamente desacreditado por los investigadores. Sin embargo, los arqueólogos modernos ahora generalmente están de acuerdo en que los objetos vistos por König no estaban, de hecho, galvanizados en absoluto, sino dorados al fuego con mercurio. Por lo tanto, no hay ejemplos conocidos de objetos de la antigua Mesopotamia que puedan describirse de manera confiable como mostrando signos de galvanoplastia.

La galvanoplastia fue inventada por el químico italiano Luigi Valentino Brugnatelli en 1805. Brugnatelli usó el invento de su colega Alessandro Volta cinco años antes, la pila voltaica, para facilitar la primera electrodeposición. Los inventos de Brugnatelli fueron suprimidos por la Academia de Ciencias de Francia y no se utilizaron en la industria general durante los siguientes treinta años. En 1839, científicos de Gran Bretaña y Rusia habían ideado de forma independiente procesos de deposición de metales similares a los de Brugnatelli para la galvanoplastia de cobre de las planchas de imprenta.

Escultura galvanoplásica en la Catedral de San Isaac en San Petersburgo

Boris Jacobi en Rusia no solo redescubrió los galvanoplásticos, sino que también desarrolló la electrotipificación y la escultura galvanoplástica. Los galvanoplásticos se pusieron de moda rápidamente en Rusia, con personas como el inventor Peter Bagration, el científico Heinrich Lenz y el autor de ciencia ficción Vladimir Odoyevsky, todos contribuyendo a un mayor desarrollo de la tecnología. Entre los casos más notorios de uso de galvanoplastia a mediados del siglo XIX en Rusia se encuentran las gigantescas esculturas galvanoplásticas de la Catedral de San Isaac en San Petersburgo y la cúpula galvanizada en oro de la Catedral de Cristo Salvador en Moscú, la iglesia ortodoxa más alta de el mundo.

Nickel plating

Poco después, John Wright de Birmingham, Inglaterra, descubrió que el cianuro de potasio era un electrolito adecuado para la galvanoplastia de oro y plata. Los socios de Wright, George Elkington y Henry Elkington, obtuvieron las primeras patentes para la galvanoplastia en 1840. Estos dos fundaron la industria de la galvanoplastia en Birmingham, desde donde se extendió por todo el mundo. El generador eléctrico Woolrich de 1844, ahora en Thinktank, Museo de Ciencias de Birmingham, es el primer generador eléctrico utilizado en la industria. Fue utilizado por Elkingtons.

La Norddeutsche Affinerie en Hamburgo fue la primera planta de galvanoplastia moderna que comenzó su producción en 1876.

A medida que creció la ciencia de la electroquímica, se entendió su relación con la galvanoplastia y se desarrollaron otros tipos de galvanoplastia de metales no decorativos. La galvanoplastia comercial de níquel, latón, estaño y zinc se desarrolló en la década de 1850. Los baños y equipos de galvanoplastia basados en las patentes de los Elkington se ampliaron para acomodar el revestimiento de numerosos objetos a gran escala y para aplicaciones específicas de fabricación e ingeniería.

La industria del revestimiento recibió un gran impulso con la llegada del desarrollo de los generadores eléctricos a fines del siglo XIX. Con las corrientes más altas disponibles, los componentes metálicos de las máquinas, el hardware y las piezas de automóviles que requieren protección contra la corrosión y propiedades de desgaste mejoradas, junto con una mejor apariencia, podrían procesarse a granel.

Las dos guerras mundiales y la creciente industria de la aviación impulsaron nuevos desarrollos y mejoras, incluidos procesos como el cromado duro, el cromado con aleaciones de bronce, el cromado con sulfamato de níquel, junto con muchos otros procesos de cromado. El equipo de chapado evolucionó desde tanques de madera revestidos de alquitrán operados manualmente hasta equipos automatizados, capaces de procesar miles de kilogramos por hora de piezas.

Uno de los primeros proyectos del físico estadounidense Richard Feynman fue desarrollar tecnología para galvanizar metal sobre plástico. Feynman convirtió la idea original de su amigo en un invento exitoso, lo que permitió a su empleador (y amigo) cumplir las promesas comerciales que había hecho pero que de otro modo no podría haber cumplido.

Una solución de zinc probada en una célula hull

Célula de casco

Codificación de células blusas

La celda de casco es un tipo de celda de prueba que se utiliza para verificar semicuantitativamente el estado de un baño de galvanoplastia. Mide el rango de densidad de corriente utilizable, la optimización de la concentración de aditivos, el reconocimiento de los efectos de las impurezas y la indicación de la capacidad de potencia de macrolanzamiento. La celda de Hull replica el baño de placas a escala de laboratorio. Se llena con una muestra de la solución de recubrimiento, un ánodo apropiado que se conecta a un rectificador. El "trabajo" se reemplaza con un panel de prueba de celdas de casco que se enchapará para mostrar la "salud" del baño

La celda Hull es un recipiente trapezoidal que contiene 267 mililitros de una solución de baño de recubrimiento. Esta forma permite colocar el panel de prueba en ángulo con respecto al ánodo. Como resultado, el depósito se platea en un rango de densidades de corriente a lo largo de su longitud, que se puede medir con una regla de celdas de casco. El volumen de la solución permite una medición semicuantitativa de la concentración de aditivos: la adición de 1 gramo a 267 mL equivale a 0,5 oz/gal en el tanque de recubrimiento. La ecuación para calcular la medición cuantitativa de los aditivos líquidos es:

• mililitros añadidos a la célula de casco dividida por 267 multiplicados por volumen de baño de producción (gallones) equivale a añadir aditivo necesario en galones para el baño de producción que podría romperlo más y multiplicar los galones necesarios por 3785 para convertir a mililitros

• mililitros añadidos a la célula de casco/267 • (hortones de volumen de baño de producción) = adición al baño de producción en galones

• mililitros añadidos a la célula de casco/267 • (hortones de volumen de baño de producción) • 3785 = adición al baño de producción en mililitros

Célula de Haring-Blum

La celda de Haring-Blum se usa para determinar el poder de proyección macro de un baño de galvanoplastia. La celda consta de dos cátodos paralelos con un ánodo fijo en el medio. Los cátodos están a distancias del ánodo en una proporción de 1:5. El poder de proyección macro se calcula a partir del espesor del revestimiento en los dos cátodos cuando pasa una corriente continua durante un período de tiempo específico. La celda está fabricada de perspex o vidrio.