UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS
PARA CROMADO DE PIEZAS PLÁSTICAS, APLICADA A LA
INDUSTRIA AUTOMOTRIZ.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
JUAN FRANCISCO FONSECA PALACIOS
DIRECTOR: ING. EDWIN TAMAYO
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2017
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1718023912
APELLIDO Y NOMBRES: Juan Francisco Fonseca Palacios DIRECCIÓN: Carapungo, Otto Arosemena y pasaje N17A EMAIL: [email protected] TELÉFONO FIJO: 022424491
TELÉFONO MOVIL: 0999554080
DATOS DE LA OBRA
TITULO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA CROMADO DE PIEZAS PLÁSTICAS, APLICADA A LA
INDUSTRIA AUTOMOTRIZ. AUTOR O AUTORES: Juan Francisco Fonseca Palacios FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN:
18-05-2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Ing. Edwin Tamayo
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras El presente trabajo de titulación, cuenta con información de vital importancia para la elaboración de una cabina de cromado por medio de procesos químicos que no se relacionan con la galvanoplastia, para esto se determinaron dos partes fundamentales, la catálisis de metales en estado líquido puede llegar a solucionar el problema técnico de cromar superficies no metálicas y la construcción de un banco de pruebas. Se planteó llegar a construir una máquina que
permita realizar dichas actividades de manera práctica y se analizó en el documento la información de manera teórica, eso ayudo a comprender el proceso químico involucrado en el cromado de polímeros. Se comenzó estudiando los compuestos químicos que se encuentran involucrados en el procedimiento, posteriormente se diseñó un banco de pruebas para realizar el procedimiento de catalizado, se analizó los materiales necesarios para la elaboración del prototipo y comprobado que la resistencia de los mismos podría ser útil en el presente trabajo, se construyó el banco de pruebas, el que tenía una capacidad máxima de trabajo de 1.2 metros de ancho por 1 metro de profundidad y 75 centímetros de altura, el sistema de cromado contaba con una pistola diferente para cada parte en el proceso de cromado, como se pudo determinar, cada parte utilizo un químico distinto que no podía ser utilizado debido a las reacciones que genera cada uno. Por último, se realizó el cromado de distintas partes plásticas, se cromo de igual manera una rueda de vehículo, la misma que fue probada en un vehículo y se probó la resistencia del material en distintas condiciones de conducción y se determinó que el procedimiento realizado de manera correcta, permite obtener resultados óptimos de la mejor calidad y acabado.
PALABRAS CLAVES: Palabras Claves: Polímero, cromado, plásticos, acabado superficial
determined that the realized procedure of a correct way, allows to obtain ideal results of the best quality and finished.
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, Juan Francisco Fonseca Palacios, CI 1718023912 autor/a del proyecto titulado: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA CROMADO DE PIEZAS PLÁSTICAS, APLICADA A LA INDUSTRIA AUTOMOTRIZ en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.
Quito, 18 de mayo del 2017
f:__________________________________________ Juan Francisco Fonseca Palacios
DECLARACIÓN
Yo, Juan Francisco Fonseca Palacios, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su reglamento y por la normativa institucional vigente.
_______________________
Juan Francisco Fonseca Palacios
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “DISEÑO E
IMPLEMENTACIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA CROMADO DE PIEZAS PLÁSTICAS, APLICADA A LA INDUSTRIA AUTOMOTRIZ.”, que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz, fue desarrollado por Juan Francisco Fonseca Palacios bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19, 27 y 28.
_________________________
Ing. Edwin Tamayo
DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a mis padres Giomar y Fidel, en especial a mi amada madre por brindarme su apoyo en los buenos y sobre todo en los malos momentos.
Agradezco a mi director de tesis Ing. Edwin Tamayo, por haber brindado todo su apoyo en la elaboración de mi proyecto de titulación.
ÍNDICE DE CONTENIDOS
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RESUMEN ... 1
ABSTRACT ... 2
INTRODUCCIÓN ... 3
METODOLOGÍA ... 10
ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 12
3.1 DISEÑO ... 12
3.1.1 PROCEDIMIENTO DE METALIZADO DE PLASTICOS ... 12
3.1.1.1 Niquelado autocatalítico ... 13
3.1.1.2 Sensibilización y Activación ... 14
3.1.1.3 Reacción REDOX ... 15
3.1.1.4 Metalizado autocatalítico ... 16
3.1.2 PARÁMETROS DEL DISEÑO DE CABINA DE CROMADO .... 18
3.1.3 DISEÑO SISTEMA NEUMÁTICO ... 21
3.1.3.1 PARÁMETROS DEL SISTEMA NEUMATICO ... 21
3.1.4 ANÁLISIS DE ESTRUCTURA DE LA CABINA DE CROMADO22 3.1.4.1 BASTIDOR ... 24
3.1.5 DISEÑO DIGITAL DE LA CABINA DE CROMADO ... 30
3.2 CONSTRUCCIÓN DE LA CABINA DE CROMADO ... 32
3.3 ENSAYOS ... 35
3.3.1 PROCEDIMIENTO DE PREPARACION ... 35
3.3.2 PRUEBAS REALIZADAS ... 40
3.3.3 PRUEBAS DE LABORATORIO ... 43
3.4 ANÁLISIS DEL PRODUCTO ... 47
3.4.1 ANÁLISIS DE ACABADO SUPERFICIAL ... 47
3.4.2 ANÁLISIS DE RESISTENCIA ... 48
3.4.3 ANÁLISIS DE ADHERENCIA ... 49
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 51
4.1 CONCLUSIONES ... 51
GLOSARIO ... 53
BIBLIOGRAFÍA ... 54
ÍNDICE DE TABLAS
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Tabla 1. Elementos sistema neumático ... 22
Tabla 2. Características del acero ASTM-A36 ... 23
Tabla 3. Propiedades mecánicas - acero norma ASTM A-36 ... 23
Tabla 4. Propiedades mecánicas –tubo de acero norma ASTM A-36 ... 24
Tabla 5. Composición química – acero ASTM A-36 ... 24
Tabla 6. Especificaciones mecánicas ASTM A-36 ... 27
ÍNDICE DE FIGURAS
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Figura 1. Influencia del pH ... 9
Figura 2. Procedimiento de cromado. ... 19
Figura 3. Esquema de aplicación. ... 21
Figura 4. Esquema neumático. ... 21
Figura 5. Dimensiones de aro. ... 23
Figura 6. Distribución de cargas – viga frontal superior ... 25
Figura 7. Diagrama esfuerzo cortante - viga frontal ... 26
Figura 8. Diagrama del momento flector - viga frontal superior ... 27
Figura 9. Diseño de bastidor. ... 30
Figura 10. Diseño de bastidor, soldadura de elementos. ... 30
Figura 11. Diseño de bastidor prueba de resistencia. ... 31
Figura 12. Diseño de la estructura, esquema total. ... 31
Figura 13. Soldadura ... 32
Figura 14. Soldadura de soportes. ... 32
Figura 15. Soldadura de refuerzos. ... 33
Figura 16. Soldadura definitiva. ... 33
Figura 17. Doblado de láminas de acero... 34
Figura 18. Construcción tolva de recepción de desperdicios. ... 34
Figura 19. Vista de la cabina final. ... 34
Figura 20. Parte en estado original. ... 35
Figura 21. Parte lijada. ... 35
Figura 22. Parte lista para cromar. ... 36
Figura 23. Preparación de los químicos a aplicar. ... 36
Figura 24. Suministro de agua desionizada en los vasos graduados. ... 37
Figura 25. Mezclado de compuestos químicos. ... 37
Figura 26. Calibración pistola de doble boca. ... 38
Figura 27. Lavado previo al procedimiento de cromado... 38
Figura 28. Enjuagado de partes lavadas. ... 39
Figura 29. Flameado con gas GLP. ... 39
Figura 30. Parte cromada (tapacubos). ... 40
Figura 31. Lavado con jabón. ... 40
Figura 32. Activado. ... 41
Figura 33. Lavado. ... 41
Figura 35. Cromado final. ... 42
Figura 36. Blanqueado. ... 42
Figura 37. Secado. ... 43
Figura 38. Producto Final. ... 43
Figura 39. Probeta de medición de adherencia mecánica. ... 44
Figura 40. Primera prueba de adherencia mecánica. ... 45
Figura 41. Segunda prueba de adherencia mecánica. ... 45
Figura 42. Pieza cromada final. ... 47
Figura 43. Tapacubos cromados. ... 48
Figura 44. Prueba de resistencia. ... 48
ÍNDICE DE ANEXOS
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Anexo 1. Estructura del ABS. ... 57
Anexo 2. Plano de bastidor ... 58
Anexo 3. Plano de tolva de desechos ... 60
Anexo 4. Plano de carcaza ... 61
RESUMEN
El presente trabajo de titulación, conto con información de vital importancia para la elaboración de una cabina de cromado por medio de procesos químicos que no relacionados con la galvanoplastia, para esto se determinó dos partes fundamentales, la catálisis de metales en estado líquido pudo llegar a solucionar el problema técnico de cromar superficies no metálicas y la construcción de un banco de pruebas. Se planteó llegar a construir una máquina que permita realizar dichas actividades de manera práctica y se analizó en el documento la información de manera teórica, eso ayudo a comprender el proceso químico involucrado en el cromado de polímeros. Se estudió los compuestos químicos que involucrados en el procedimiento, posteriormente se diseñó un banco de pruebas para realizar el procedimiento de catalizado, se analizó los materiales necesarios para la elaboración del prototipo y se comprobó que la resistencia de los mismos podría ser útil en el presente trabajo, se construyó el banco de pruebas, el que tuvo una capacidad máxima de trabajo de 1.2 metros de ancho por 1 metro de profundidad y 75 centímetros de altura, el sistema de cromado conto con una pistola diferente para cada parte en el proceso de cromado, como determino, cada parte utilizo un químico distinto, los cuales no se mezcló manualmente debido a las reacciones entre cada uno. Por último, se realizó el cromado de distintas partes plásticas, se cromo de igual manera un tapa cubo de un vehículo, la misma parte se probó en un vehículo y se ensayó la resistencia del material en distintas condiciones de conducción y se determinó que el procedimiento se realizó de manera correcta, esto permitió obtener resultados óptimos de la mejor calidad y acabado.
ABSTRACT
The present thesis work, it was provided with information of vital importance for the making of a cabin of chromed by means of chemical processes that not related to the electroplating, for this one determined two fundamental parts, the metal catalysis in the liquid state could go so far as to solve the technical problem of chroming not metallic surfaces and the construction of a test bench. He considered to go so far as to construct a machine that allows to realize the above mentioned activities of a practical way and the information of a theoretical way was analyzed in the document, I help that to understand the chemical process involved in chromed of polymers. The chemical compounds were studied that involved in the procedure, later a test bench was designed to realize the catalitic procedure, there were analyzed the materials necessary for the making of the prototype and there was proved that the resistance of the same ones might be useful in the present work, was constructed the test bench, which took a maximum capacity of work 1.2 meters wide as a 1 meter deep and 75 centimeters high, the system of chrome was provided with a different gun for every part in the process of chromed, as I determine, a different chemist used every part, which it was not mixed manually due to the reactions between each one. Finally, there was realized chromed of different plastic parts, was chromed of equal way a lid bucket of a vehicle, the same part was proved in a vehicle and the resistance of the material practised in different conduction conditions and one determined that the procedure was realized in a correct way, this allowed to obtain ideal results of the best quality and finished.
INTRODUCCIÓN
Para empezar con este proyecto, se determina que la poca información sobre las técnicas empleadas en el proceso de cromado de piezas que no sean sujetas de un procedimiento de galvanoplastia.
Se ha identificado que el problema existente reside en La inexistencia de un procedimiento para el cromado de piezas plásticas, conlleva a desconocer sus propiedades, las mismas que pueden ser físicas y mecánicas. Por esta razón es extremadamente difícil llegar a conocer su principio de funcionamiento y su posible aplicación en materiales plásticos de distintos tipos.
Para justificar el presente trabajo se deberá delimitar tres grandes variables, la justificación metodológica, la justificación teórica y la justificación práctica. Para esto se ha determinado que primeramente se realizara de manera metodológica un documento que se justifique en un desarrollo tecnológico en base de las técnicas y métodos seleccionados. Por otro lado, la información teórica, permitirá determinar de manera crítica si el procedimiento es correcto, ecológico y económico; Por último, se realizará de manera práctica un dispositivo capaz de cumplir con los requisitos en lo que se refiere al cromado de plásticos.
Para la elaboración del presente trabajo de titulación se deberá alcanzar con el objetivo general el mismo que se planteó como: Diseño e implementación de un banco de pruebas para cromado de piezas plásticas, aplicada a la industria automotriz; Para lograrlo será necesario conseguir una serie de objetivos específicos, los cuales fueron planteados primeramente fue determinar el principio de funcionamiento de la pintura de cromo y sus propiedades, posteriormente se planteó construir una cabina de cromado de piezas plásticas que cumpla con los requisitos necesarios en el cromado de superficies plásticas y por último se determinó que era necesario Analizar los distintos ensayos de dureza, resistencia física y resistencia mecánica en plásticos.
Las técnicas empleadas en el proceso de cromado de piezas, las cuales no sean sujetas de un procedimiento de galvanoplastia ha sido una pieza fundamental en el desarrollo de un trabajo de titulación que permita responder a las inquietudes relacionadas al tema propuesto para el trabajo.
El problema identificado para la elaboración del trabajo de titulación es la inexistencia de un procedimiento para el cromado de piezas plásticas, conlleva a desconocer sus propiedades, las mismas que pueden ser físicas y mecánicas. Por esta razón es extremadamente difícil llegar a conocer su principio de funcionamiento y su posible aplicación en materiales plásticos de distintos tipos (Almacen del pintor, 2015).
implementación de un banco de pruebas para cromado de piezas plásticas, aplicada a la industria automotriz, específicamente se determinó que la meta seria llegar a estudiar el principio de funcionamiento de la pintura de cromo y sus propiedades, construir una cabina de cromado de piezas plásticas que cumpla con los requisitos necesarios en el cromado de superficies plásticas y por último analizar los distintos ensayos de dureza, resistencia física y resistencia mecánica en plásticos.
Los plásticos que comúnmente se croman son el PC-ABS y ABS. Si es que se busca una correcta deposición de cromo y se obtenga el color y brillo deseado, se pueden aplicar previamente sobre el artículo plástico capas sucesivas de níquel semibrillante y níquel brillante (APQUA, 1995). En donde, será necesario aplicar una capa que promueve la adherencia de cobre. En donde, las capas metálicas intermedias llegan aumentar las posibilidades de la corrosión de la pieza con el mínimo defecto de la capa final de cromo (Scheweigger, 2005).
Los plásticos ABS debido a que sus componentes son el acrilonitrilo butadieno estireno, tienen una estructura química que proporcionan rigidez y cada uno de sus componentes brinda propiedades muy distinguidas apreciadas en la industria automotriz, como la resistencia térmica, química, al impacto, a la fusión, dureza y brillo utilizadas en el interior y exterior de los autos. Se puede nombrar el panel de instrumentos, consolas, cobertores de puertas, manubrios y el exterior del automóvil pueden ser la parrilla del radiador (calandra), cuna de faros y alojamiento de retrovisores.
Los procesos de cromado han sido utilizados a lo largo de la vida de los automóviles, principalmente con el objeto de prevenir la corrosión de los metales. Pero con el crecimiento de la industria automotriz hoy en día existen otros materiales que previenen la corrosión de metales y principalmente se ha reemplazado su uso con fines más estéticos (Gómez, 2012).
Los recubrimientos de cromo en plásticos por lo general, son realizados con el método de baños químicos, mismos que previamente son formulados con cromo hexavalente. Este proceso permite pulverizar el material de manera homogénea y permite brindar acabados óptimos (Dietsche, 2005).
Hay que considerar que los plásticos deben estar previamente sometidos a procesos que son aún más complejos de pretratamiento, esto con el fin de que puedan recibir recubrimientos más técnicos mismos que son dados por las propiedades. No obstante, dicha preparación es altamente complicada por el simple hecho de que se necesita la utilización de productos de alta toxicidad y un manejo difícil (Valencia, 2006).
con el objeto estético y por eso se sustentará un estudio de resistencias como el planteado (Aguilar Schafer, 2013).
Excepto en películas delgadas, en donde el color es opaco y llega hacer de color marfil u oscuro, por lo que, se puede llegar a pigmentar en la mayor parte de los casos de varios los colores, resultando ciertas partes lustrosas con un acabado fino. La mayor parte de los plásticos ABS son incoloros y no son tóxicos (BUDYNAS, 2008). Pueden ser extruidos, moldeados por inyección, soplado y prensado (Berna, 2000).
Por otra parte, los grados denominados de bajo impacto son aquellos que más fácil logran ser procesados. Mientras que aquellos que son de alto impacto son más dificultosos porque al tener un mayor contenido en caucho los hace más viscosos (Burkert, 2014). A pesar de no son sumamente inflamables, mantienen la combustión. Hay algunos tipos autoextinguible para cuando se requiere algún producto incombustible, otra solución consiste en aplicar algún retardante de llama (Acermet, 2014).
Dentro del conjunto de variedades existentes de termoplásticos el ABS es el más relevante por sus balanceadas y excelentes propiedades. El ABS se destaca por combinar dos propiedades muy importantes como: resistencia a la tensión y al impacto en un mismo material caracterizado por ser un material liviano (Askeland, 2004).
La estructura del ABS es una mezcla básicamente de copolímero vítreo (estireno-acrilonitrilo) y un compuesto elástico que es el polímero de butadieno. La estructura con la fase elastómera del polibutadieno (forma de burbujas) inmersa en una dura y rígida matriz SAN, como se aprecia en el anexo 1 (Askeland, 2004).
Los plásticos ABS y PC-ABS se croman por sus excelentes propiedades y resultados ya que tienen excelentes propiedades químicas que se pueden mantener conservando la pieza cuidadosamente limpia, removiendo todas las impurezas con los apropiados neutralizadores y acondicionadores (JARAMILLO, 2012).
El cromado se efectúa mediante una solución de ácido crómico, misma que contiene una escasa proporción de sulfato, ácido sulfúrico generalmente, al que se añade a veces cierta cantidad de sulfato sódico (Ashrae, 2011). En el cromado las concentraciones absolutas de ácido crómico y sulfato a la hora del baño, tienen una importancia secundaria en relación al factor inicial, que es la relación de ácido crómico a sulfato. Esta relación es mejor mantenerla alrededor de 100:1, y dentro de los límites de 200:1 y 50:1, relaciones de concentraciones límites entre las cuales se efectúa el depósito (KALPAKJIAN, 2002).
debido a que es muy resistente a las manchas, a la corrosión, a la abrasión y a las ralladuras (Armas, 2012).
Se pueden cromar todo tipo de piezas plásticas, con un proceso especial siempre y cuando estén con una capa de níquel brillante como base, para el cromado decorativo (Aula Tecnología, 2012).
El níquel tiene esta preferencia ya que protege al sustrato de la corrosión y ayuda al depósito de cromo a tener un color blanco. El acero inoxidable es el único sustrato que es directamente recubierto con cromo (Aula Tecnología, 2012).
El cromado de partes plásticas ha estado presente desde la inserción de polímeros en los acabados automotrices, esta técnica es muy común a nivel mundial y en el Ecuador está poco a poco entrando a un mercado de materiales alternativos enfocados en el acabado automotriz (Valencia, 2005). Hay que resaltar que existe la falsa creencia que el cromado involucra procesos altamente contaminantes, pues como se debe entender antiguamente se empleaba la galvanoplastia para realizar el recubrimiento de los metales con capas más resistentes a la corrosión (mundo, 2008).
Las principales propiedades del recubrimiento de cromo son las siguientes: La dureza que tiene a la fricción y a la inalterabilidad que tiene a la atmósfera de opacarse y producir una oxidación superficial en el cromo para evitar el estado de pasividad (Mecalux, 2014).
Cuando una pieza es cromada, primero pasa por un proceso de niquelado, se la lava en agua normal, y la misma debe cromarse casi inmediatamente, no puede dejarse esa pieza en el agua por más de una hora, porque en el níquel se produce una pequeña oxidación en el material y posteriormente el cromo no tiene la suficiente adherencia y se puede descascarar y pelar, para activar estos depósitos de níquel, para darle un baño de cromo se puede utilizar una solución de ácido clorhídrico al 10% previo al cromado, lo cual va activar la superficie metálica de níquel, la va a eliminar la capa de óxido que tiene y la va a dejar lista para recibir el cromo y evitar el descascaramiento.
Existen dos ciclos de recubrimientos con acabado metálico, el cromado y el metalizado. El propósito del metalizado es depositar una capa de metal sobre la superficie del plástico ABS. El metalizado o también llamado pre-plateado o plateado sin corriente consta de cinco pasos que son:
1. Acondicionamiento del polímero 2. Precipitador
3. Catalizador 4. Acelerador
5. Niquelado sin corriente
La adherencia del metal a la superficie del plástico se explica por fenómenos moleculares y de anclaje mecánico. El primero involucra energías libres, enlaces moleculares tipo Van Der Walls, puentes interatómicos y enlaces covalentes. El segundo involucra un vínculo mecánico tipo botón para la presión, este fenómeno ocurre debido al ataque químico directo de una aspersión uniforme lo cual forma microcavidades ramificadas hacia el interior de la pieza, mismas constituirán puntos de anclaje para el recubrimiento metálico, dentro del interior de dichas cavidades se forman una serie de grupos polares, que tienen la capacidad de originar enlaces entre el metal y el sustrato de plástico. 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.
El ABS se hace conductor por pintura, recubrimiento sin corriente, metalizado al vacío y recubrimiento por arco/llama, son resistentes al calor, acabado de gran brillo y se lo puede usar como espuma. Los materiales ABS poseen propiedades de aislamiento eléctrico, también pueden ser procesados por todas las técnicas comunes para termoplásticos y es ligeramente higroscópico. Existen distintas formulaciones químicas para poder llegar al producto final como, por ejemplo:
Recubrimiento por reducción química autocatalítica: este es un depósito el cual mediante la ayuda de una reducción química de sal del metal mismo que es depositado por acción por un agente reductor adecuado. En donde, la superficie exterior del tubo de acero, es utilizado como cátodo, será recubierto con Níquel y se elevará demasiado la corriente, dando resultados interpretados en términos de reducción química que toma lugar en el electrodepósito. Este descubrimiento comenzó las bases para las industrias de recubrimientos químicos.
el Niquelado Simple.No existe una tecnología que pueda lograr efectos cromados sobre cualquier tipo de material ya sea plástico, vidrio, madera, porcelanato, cerámica, etc., es por ello que al existir la necesidad de obtener acabados con efectos cromados, los usuarios buscan alternativas para obtener piezas que tengan estos acabados (PRO Ecuador, 2013).
Si el usuario final tiene la necesidad de cromar una pieza, tendrá dos alternativas:
Importar o comprar localmente las piezas que tengan el mismo acabado. Pintar las piezas con otro material como el poliéster.
En el caso que el usuario decida importar las piezas debe considerar el tiempo en que la pieza se encontrará en el país siendo de 15 a 21 días aproximadamente, y si la adquiere localmente deberá considerarla disponibilidad de la pieza y su costo elevado. Si el usuario escoge la opción de pintar las piezas con otro producto, el costo será más económico que comprar una pieza nueva sin embargo no se obtendrá el mismo acabado original.
En caso de que una pieza cromada tenga algún daño, el cliente tendrá la opción de importar la pieza o comprarla localmente, en cualquiera de los dos casos es necesario comprar una nueva pieza; pero al contar con un banco de pruebas de cromado, podrá repararla y darle el mismo acabado original con efectos cromados a un menor valor.
El servicio de metalizado de partes de vehículos ha ido en decrecimiento en los últimos años hasta el punto de casi desaparecer completamente, esta reducción se genera debido al alto costo de materia prima que se utilizaba para el proceso, al tipo de operación artesanal que solo se podía aplicar a las piezas metálicas y porque la mayoría de partes de vehículos que actualmente se comercializan en el mercado son de otro tipo de material como fibra de vidrio o plástico (COMERCIAL, 2011).
En los últimos años la mayoría de los vehículos nuevos que se comercializan en el mercado ecuatoriano tienen alguna pieza o accesorio cromado por lo que al momento de sufrir un accidente que involucre el daño de estas piezas, los talleres de enderezada y repintado automotriz donde llegan estos vehículos, se van a encontrar con la falta de oferta local del servicio de metalizado en piezas automotrices es por ello que optan por buscar otras alternativas como la compra local o importación de estas piezas con apariencia cromada (metalizada), como última opción la de reparar estas piezas pero sin la apariencia original (AEADE, 2013).
apariencia cromada que se ofertan en el mercado ecuatoriano (ECUADOR EN CIFRAS, 2012).
El sector de repintado automotriz en el mercado ecuatoriano se divide en tres tipos de talleres: concesionarias, autorizados y artesanales (informales) aun cuando los dos últimos tipos de talleres realizan un volumen considerable del servicio de enderezada y pintada de vehículos, no cuenta con estadísticas nacionales que sustente la cantidad de establecimientos que existen en el mercado, crecimiento o contracción en los últimos años, volumen de venta del servicio, por esta razón no se puede medir el peso que tienen en la economía del país (Almacen del pintor, 2015).
Los baños de hipofosfito están formados por una sal de níquel, sodio hipofosfito y un buffer que es un ácido orgánico, generan una reacción de reducción, la misma que se aprecia en la fórmula 1.
H2PO2 + H2O ⇆ HPO23 + 2H + H [1]
2H + Ni2 ⇆ Ni + H
2 [2] Un factor importante es que el pH más utilizado es el 4-7, pero algunas veces se utiliza también el 8-11. Los depósitos no son de níquel puro, tienen de un 3 a un 15% de fósforo. La velocidad de deposición disminuye con el pH (Lluis Bilurbina Alter, 2003).
Como estabilizadores del pH se usa: hidroxiacetato, acetato, citrato, succinato y lactato, finalmente se añade un 10% de 𝑁𝑎𝑂𝐻 o 𝑁𝑎2𝐶𝑂3 para neutralizar el ácido que se produce, como se aprecia la relación en la figura 1.
El contenido del fósforo de los depósitos varía con el pH del baño, a pH bajos se ha de aumentar el contenido de fósforo. La mayor parte de los baños ácidos producen depósitos con un 7-10% de P y los alcalinos con un 5-7% (Lluis Bilurbina Alter, 2003).
METODOLOGÍA
Para alcanzar el primer objetivo se investigó de todos los elementos que constituyen el proceso de cromado, se determinó cuáles eran los reactivos necesarios, como se podría aplicar de la mejor forma y así obtener el mejor resultado posible, de esta manera se realizó una lista detallada de los insumos y se procedió en la adquisición de los mismos. Para esto comprendió la aplicación de una capa base polimérica, el curado de la misma a temperaturas bajas y un posterior recubrimiento metálico monocapa. De este modo, se obtuvo una capa decorativa brillante con acabado de cromo hidrometalizado sobre partes plásticas de vehículos, generando mejoras en las propiedades superficiales, tanto frente a la corrosión química (oxidación) como en agresiones mecánicas (rayones mecánicos), asegurando en todo momento la ausencia de cromo hexavalente y de cromo trivalente tanto en el proceso de recubrimiento como en el producto final.
Se valoró los materiales para la elaboración del banco de pruebas, el mismo que se basó en la información de diferente bibliografía recopilada, la cual permitió analizar las mejores alternativas para el caso.
En base a una serie de cálculos se diseñó los elementos necesarios para colocar el procedimiento de cromado, así se diseñó una cabina de gran dimensión, la que gracias a una serie de cálculos se pudo corroborar que sería capaz de resistir las respectivas cargas a aplicar en un futuro. Se diseñó de manera virtual la cabina de cromado con las dimensiones y materiales adecuados, realizando una estructura adecuada para la aplicación de cromo en plásticos ABS. En los métodos convencionales de recubrimientos por baños electrolíticos, los plásticos no son conductores por lo que requieren ser sometidos a procesos más complicados de pre-tratamiento, con el fin de que puedan recibir recubrimientos técnicos conferidos de las propiedades. Esta preparación es complicada con la utilización de productos de altamente tóxicos y de difícil manejo.
que la deposición de cromo sea la correcta y obtenga el color y brillo deseado, debe ser aplicado capas sucesivas de níquel semi-brillante y brillante.
Para alcanzar el objetivo final se procedió a caracterizar las superficies metálicas recubiertas con moléculas autoensambladas para evaluar la resistencia a la corrosión. Se comparó las características de superficies metálicas cromadas con aquellas recubiertas con una capa de SAM, en cuanto al comportamiento electroquímico, se valor posibilidades reales de sustitución del método conocido como clásico por uno nuevo.
ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 DISEÑO
Para el diseño de un elemento que involucre una serie de elementos tanto mecánicos como neumáticos será necesario realizar una serie de mediciones, para lo cual se ha dispuesto primero realizar el diseño del sistema neumático, posteriormente a lo mismo se analizara la construcción del bastidor y se finalizara con el diseño digital del producto, esto dará inicio a la construcción de la máquina, la misma que será capaz de cromar todo tipo de superficie plástica.
3.1.1 PROCEDIMIENTO DE METALIZADO DE PLASTICOS
Para el proceso de cromar una parte plástica de un vehículo se lo realiza mediante un recubrimiento auto catalítico, en estos recubrimientos el metal, que está en forma iónica en la disolución, se reduce con un procedimiento químico sin utilizar corriente (Lluis Bilurbina Alter, 2003).
No todos los metales pueden utilizarse. Los agentes reductores que se utilizan acostumbran a ser una fuente de electrones más cara que la corriente eléctrica.
Como se mencionó anteriormente, se pueden cromar todo tipo de piezas plásticas, con un proceso especial siempre y cuando estén con una capa de níquel brillante como base, para el cromado. La deposición de Níquel se utiliza baños con hipofosfito e hidruros de boro.
Se pueden utilizar agentes activantes, aunque no se conoce la forma en que actúan. Entre estos se utilizan los hidroxiacetatos y succionatos (Lluis Bilurbina Alter, 2003).
Para evitar posibles descomposiciones como tiosulfatos y etilxantato se utilizan estabilizadores en proporciones de 1 a 5 mg/l, procurando no utilizar en exceso ya que disminuyen la actividad autocatalítica.
Es de mencionar también que se siguieron las recomendaciones de Gutzeit y Krieg (1956) los mismos que indicaron que se debe cumplir con una solución autocatalítica, éstas son:
a) Los grados de concentración de hipofosfito será entre 0.15 y 0.35 mol/l, debido a que una concentración mayor ocasiona una descomposición repentina de la solución y;
reacción del níquel (Ni2+) con el hipofosfito, en el proceso decae con el incremento de la relación molar.
La velocidad de deposición, en el caso de las soluciones que son altamente ácidas y alcalinas a base de hipofosfito son sumamente sensibles al pH, debido que al producirse las reacciones químicas, la concentración del ion hidrógeno (H+) se incrementa, cuando los cationes del níquel se reducen forman el metal. Para contrarrestar ese efecto, es de gran necesidad añadir agentes retenedores (se usó el hidróxido de potasio KOH-) a la solución, compensando así la formación de los cationes de H+, que resultan en las reacciones, donde el agente retenedor es - OH, para producir la reacción que se aprecia en la fórmula 3:
2H+ + 2OH− ⟶ 2H
2 O [3] Según las observaciones realizadas durante las deposiciones, cuando el proceso de catálisis inicia, habrá un cambio o descenso en el pH y también cuando en el proceso de una descomposición espontánea de la solución (formación de capas sólidas de níquel fósforo, dentro de la solución y en las paredes en contacto con la solución), habrá inestabilidad en el pH.
Los depósitos son más duros y resistentes a la abrasión que los obtenidos por electrodeposición.
3.1.1.1 Niquelado autocatalítico
La deposición química de un metal partiendo de una solución acuosa de sales metálicas se lleva a cabo a través de un mecanismo electro químico de reacciones de reducción y oxidación (REDOX), como ya se ha mencionado en párrafos anteriores.
La oxidación de una sustancia se caracteriza por la pérdida de electrones mientras que la reducción se distingue por la ganancia de electrones. La oxidación describe un proceso anódico mientras que la reducción implica un proceso catódico la primera etapa (limpieza) consiste en remover todas las impurezas debidas a la inyección, almacenaje y transporte de la pieza a recubrir.
Dichas impurezas se remueven pues su presencia evitaría la interacción entra la pieza a metalizar y las soluciones; además que en algunos casos pudiera hacer reacción con alguno de los componentes de la solución.
3.1.1.2 Sensibilización y Activación
Cuando el ataque de los plásticos con una solución de trióxido de cromo de composición correcta, con temperatura y tiempos adecuados, proporciona el aspecto deseado en la superficie, puede procederse al siguiente paso para la obtención de una capa metálica, la sensibilización.
Se necesitan núcleos metálicos finamente distribuidos sobre la superficie, que sirvan como etapa previa de activación y representen con ello la base de partida para la deposición química autocatalítica.
La sensibilización se efectúa mediante una solución de cloruro de estaño con ácido clorhídrico. Las piezas se sumergen en esta solución, se enjuagan tras el tiempo de tratamiento y se introducen después en la solución subsecuente, activación.
Se utiliza una solución de cloruro de paladio o sulfato de paladio, que proporciona una fina distribución de núcleos sobre la superficie del plástico. La velocidad de la activación con paladio depende del valor de pH y del anión de paladio, aunque en menor medida, también de la temperatura y el tiempo de inmersión.
El sulfato de paladio es más reactivo que el cloruro, y por ello tiene también un tiempo de vida más corto. La solución de paladio necesita filtración al final del día de trabajo para evitar o bien, eliminar precipitaciones exageradas. En general, puede considerarse que el valor del pH de la solución puede ser tanto más bajo cuanto más elevado sea el contenido en paladio.
El límite superior se sitúa aproximadamente en un pH de 2.5, ya que la sal de paladio empieza a oxidarse a hidróxido de paladio y con ello se crea el peligro de metalizar también los bastidores.
Finalmente, se realiza la deposición autocatalítica que ya se ha mencionado, para esto se tiene que determinar que el crecimiento de capas de Ni en superficies no conductoras procede, principalmente, a causa de la nucleación exitosa de partículas finas de paladio y su crecimiento tridimensional.
No hay que olvidar que los baños de níquel presentan problemas en cuanto a estabilidad de la solución en trabajo continuo, pero como ya se mencionó en párrafos anteriores, para asegurar la estabilidad de la solución, hay que tener en cuenta diversas relaciones entre los parámetros de trabajo.
Por ejemplo, se debe ajustar el valor de pH a un nivel determinado pues la velocidad del depósito puede ser tan grande con valores de pH 12 a 13, que la solución se descompone; aunque, por otra parte, con un pH inferior a 3.5 se frena la deposición.
puede evitar enfriando a temperatura ambiente y filtrando la solución. La activación de la superficie se lleva a cabo por núcleos de metal noble que actúan como catalizadores (un catalizador permite que una reacción química tenga lugar bajo circunstancias ordinarias donde no lo haría) al desestabilizar el equilibrio metaestable en la solución; hay que recordar que con este proceso los núcleos pueden anclarse en la superficie, como se está trabajando con plásticos, la deposición no puede llevarse a cabo hasta no tener una superficie catalítica atacada.
3.1.1.3 Reacción REDOX
Inicia con la presencia de un catalizador que usualmente es el paladio. El paladio, en su estado de oxidación cero, es un catalizador ―universal‖ usado para iniciar muchas de las reacciones durante la deposición autocatalítica de varios metales; por lo tanto, juega un papel fundamental en este proceso. Para metalizar un sustrato aislado por medio de esta técnica, es suficiente depositar semillas de Paladio en la superficie para iniciar la reacción REDOX. Ahora bien, como se mencionó anteriormente, se ha visto que el eje de partida para un metalizado es sobre el ABS, por lo que a continuación se daran las características principales de metalizar un ABS, de acuerdo a las referencias encontradas:
El primer paso para todo buen metalizado es la limpieza, la cual se puede realizar con detergentes acuosos, y algunas veces ultrasonido, luego, el sustrato debe acondicionarse para facilitar la adhesión del recubrimiento metálico, el ABS y las aleaciones PC/ABS, se acondicionan por medio de ataques químicos de mezclas de ácido sulfúrico con crómico, luego la superficie atacada se activa con depósitos de capas de metal noble para la catálisis, estas capas contienen núcleos altamente activos de paladio, platino o plata, y en algunos casos se llega a emplear oro o cobre; esta capa inicia y acelera la deposición reductiva del metal proveniente de la solución química (de oro, plata, níquel, cobalto estaño, etc.). En este sentido, el paladio es el que ha presentado mejores características de activación que el resto de los elementos nobles mencionados, cabe aclarar que el uso de los metales nobles es necesario para evitar capas de óxidos que pudieran provenir de cualquiera de los otros metales.
han realizado para su mejora y que se han descrito en párrafos anteriores. En cuanto a la activación, esta se ha realizado por dos caminos, ya sea por reducción química de una reducción salina, o por precipitación de una solución coloidal. Para el primer caso, la reducción se lleva a cabo por la reacción de compuestos bivalentes de estaño, mientras que la precipitación de las soluciones coloidales se debe a la destrucción del coloide de un oxi-hidrato de estaño.
3.1.1.4 Metalizado autocatalítico
La deposición química de un metal, partiendo de una solución salina acuosa lleva consigo un mecanismo electroquímico del tipo REDOX, se muestra que el proceso autocatalítico ocurre debido a la oxidación parcial del electrodo mientras el metal se reduce; es decir, existe una transferencia de electrones entre los elementos químicos.
La fuerza impulsora para esas reacciones crece debido a una diferencia de potencial que existe entre la solución metálica en contacto con la interfase y el potencial de equilibrio correspondiente a la mitad de las reacciones para el ánodo y la otra para el cátodo.
La forma más simple de un recubrimiento químico es la llamada reacción por desplazamiento del metal. Por ejemplo, cuando el zinc se sumerge en una solución de sulfato de cobre, los átomos del zinc, que es menos noble, se disuelven y son reemplazados espontáneamente por los átomos de cobre que vienen de la solución. Las dos reacciones que en este momento se presentan son:
𝑂𝑥𝑖𝑑𝑎𝑐𝑖ó𝑛: 𝑍𝑛0 𝑍𝑛 + 2 + 2𝑒−, 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑎𝑛ó𝑑𝑖𝑐𝑎 [4] 𝑅𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛: 𝐶𝑢 + 2 + 2𝑒 − 𝐶𝑢0, 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑐𝑎𝑡ó𝑑𝑖𝑐𝑎 [5] 𝑅𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙: 𝑍𝑛0 + 𝐶𝑢 + 2 𝑍𝑛 + 2 + 𝐶𝑢0, 𝐸0 [6] Visto de otra manera, los recubrimientos autocatalíticos se basan en la inmersión de una pieza en una solución acuosa, donde la separación del metal se efectúa por un agente reductor.
La acción reductora ocurre solo en la superficie catalítica y una vez que la deposición se inicia, el metal que se deposita de manera subsecuente, se hace autocatalítico para que el depósito continúe.
Sin embargo, se asegura que un recubrimiento autocatalítico es un proceso lento, no tan controlable como en la deposición electrolítica y más costoso debido a los reactivos químicos que se utilizan; si se requiere de espesores de entre 10-25 𝜇m, el mejor camino será la aplicación de un proceso electrolítico.
con hipofosfito, donde el REDOX se hace presente sin cambiar la masa del sustrato, como a veces sucede en los metales. Las reacciones son las siguientes:
𝑅𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛: 𝑁𝑖 + 2 + 2𝑒− → 𝑁𝑖° [7] 𝑂𝑥𝑖𝑑𝑎𝑐𝑖ó𝑛: 𝐻2𝑃𝑂 − 2 + 𝐻2𝑂 → 𝐻2𝑃𝑂 − 3 + 2𝐻 + 2𝑒 − [8] 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙: 𝑁𝑖 + 2 + 𝐻2𝑃𝑂 − 2 + 𝐻2𝑂 → 𝑁𝑖° + 𝐻2𝑃𝑂 − 3 + 2𝐻 + [9] Para preparar un baño autocatalítico, se necesita de la presencia de una fuente que proporcione los iones de níquel, un agente reductor, agentes complejantes disponibles, inhibidores y estabilizadores y una fuente de energía.
La fuente que proporciona los iones de níquel, por lo general es el sulfato de níquel, aunque para aplicaciones específicas también se han empleado sales de níquel como el cloruro de níquel o el acetato de níquel, su uso y propiedades son limitados.
Los agentes reductores normalmente son cuatro, el hipofosfito de sodio, el borohidruro de sodio, el dimetilamina borano y la hidracina, en la tabla 2.1 se presenta una relación con sus respectivas composiciones y valores de pH de los cuatro agentes reductores según Mallory Glenn2.19. Estructuralmente hablando, los cuatro agentes son similares, la diferencia principal radica en la cantidad de hidrógenos reactivos que puedan ayudar a la reducción del níquel. En general, la reducción del níquel siempre va acompañada de la evolución del hidrógeno, además de que la deposición siempre va acompañada de fósforo, boro o nitrógeno dependiendo del agente reductor utilizado.
Desarrollo del niquelado con hipofosfito La deposición del níquel cuando se usa como reductor del hipofosfito puede verse a través de las siguientes ecuaciones:
𝑁𝑖 + 2 + 𝐻2𝑃𝑂 − 2 + 𝐻2𝑂 → 𝑁𝑖° + 𝐻2𝑃𝑂 − 3 + 2𝐻 + [10] 𝐻2𝑃𝑂 − 2 + 𝐻2𝑂 → 𝐻3𝑃𝑂 − 3 + 𝐻2 − [11] 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙: 𝑁𝑖 + 2 + 𝐻2𝑃𝑂 − 2 + 𝐻2𝑂 → 𝑁𝑖° + 𝐻3𝑃𝑂 − 3 + 2𝐻 + + 𝐻2 [12] Como puede observarse en la ecuación total, el resultado es la generación de una aleación de níquel con fósforo presente y la velocidad de deposición del niquelado dependerá de la concentración de los reactivos, principalmente del hipofosfito.
Los agentes complejantes sirven como amortiguadores en la solución metalizadora pues evitan que el pH disminuya rápidamente, previenen la precipitación de sales de níquel, tales como sales básicas o fosfitos y reducen la concentración de iones de níquel libres.
En presencia de los agentes complejantes, los iones de níquel interactúan y se unen con un número específico de moléculas de agua.
simples, por ejemplo si se emplea el NiSO46H20, éste contendrá al ión [Ni(H2O)6]+2, que proporciona un color verde a la solución.
Si las moléculas de aguas coordinadas al ión de níquel se reemplazan por otros iones o moléculas la estructura de coordinación cambia y la solución se torna azul; es decir, verde para el NiSO46H20 + 6NH3 y azul para [Ni(H2O)6]+2 + 6H2O y ambos son equivalentes. De esta manera las propiedades químicas de los iones de níquel en las soluciones acuosas, el color, el potencial de reducción y la solubilidad se alteran cuando se combinan con los agentes complejos.
La siguiente ecuación es un ejemplo típico de la separación del níquel de las soluciones acuosas:
[𝑁𝑖(𝐻2𝑂)6] + 2 𝐶4𝐻8𝑁2𝑂2 = [𝑁𝑖(𝐶4𝐻7𝑁2𝑂7)2]0 + 6𝐻2𝑂 + 2𝐻 + [13] En presencia de los agentes complejantes, los iones de níquel interactúan y se unen con un número específico de moléculas de agua. Las moléculas de agua se orientan a través del dipolo negativo del oxígeno con el ión positivo del níquel.
Como el níquel tiene dos números de coordinación, 4 y 6, se forman soluciones acuosas de sales inorgánicas simples, por ejemplo si se emplea el NiSO46H20, éste contendrá al ión [Ni(H2O)6]+2, que proporciona un color verde a la solución. Si las moléculas de aguas coordinadas al ión de níquel se reemplazan por otros iones o moléculas la estructura de coordinación cambia y la solución se torna azul; es decir, verde para el NiSO46H20 + 6NH3 y azul para [Ni(H2O)6]+2 + 6H2O y ambos son equivalentes.
De esta manera las propiedades químicas de los iones de níquel en las soluciones acuosas, el color, el potencial de reducción y la solubilidad se alteran cuando se combinan con los agentes complejos.
La siguiente ecuación es un ejemplo típico de la separación del níquel de las soluciones acuosas:
[𝑁𝑖(𝐻2𝑂)6] + 2 𝐶4𝐻8𝑁2𝑂2 = [𝑁𝑖(𝐶4𝐻7𝑁2𝑂7)2]0 + 6𝐻2𝑂 + 2𝐻 + [14]
3.1.2 PARÁMETROS DEL DISEÑO DE CABINA DE CROMADO
Los parámetros de diseño de la cabina de cromado se han determinado de la siguiente forma:
Estructura resistente. Estructura ligera.
Estructura sin problemas de oxidación. Portátil
De esta manera se estudió el procedimiento a realizar, el mismo que se aprecia en la figura 2 se aprecia el procedimiento y posteriormente se analiza cada uno de los mismos.
Figura 2. Procedimiento de cromado.
De esta manera se ha desarrollado al procedimiento en varias fases, la primera fase es la del lavado de las partes, este proceso tiene como objetivo eliminar todo tipo de substancia que no permita un cromado adecuado, en esta parte será necesario eliminar la tensión superficial, para que la superficie sea receptiva, para esto una vez removidos los químicos con ácido, será necesario aplicar calor (flameado), esto en conjunto con un humectante tensión activo permite que la superficie se adhesiva.
1. Mordentado: se emplea una composición de mordentado con ciertas bases de ácido crómico (ácido crómico y ácido sulfúrico para el caso del ABS), el mismo sirve para preparar la superficie para que sea susceptible debido a la mala adherencia.
2. Lavado, todos los procesos de lavado son necesarios para eliminar los restos de líquido del último concentrado de las piezas, fundamentalmente para que no contaminen los concentrados posteriores ya que los agotarían.
Limpieza inicial Mordentado Lavado Neutralizado
Lavado Activado Catalizado Lavado
Acelerador Lavado
Deposicion Quimica del
cromo
Lavado
3. Neutralizado, elimina residuos de ácido crómico de Ia pieza que va hacer metalizada. Este paso es de suma importancia ya que elimina cualquier traza de cromo considerado hexavalente de Ia superficie de las piezas ya que es un veneno para el posterior tratamiento con catalizador. En este paso se emplean sales que son a base de sulfito, encargadas de reducir el cromo hexavalente a trivalente.
4. Lavado
Una vez que las superficies se encuentren lavadas, las mismas serán preparadas con una capa de activado, esta será la segunda fase del procedimiento, en esta parte y como se analizara al detalle a continuación, será necesario disolver una capa importante sobre la pieza, para posteriormente lavar la misma con agua desionizada.
5. Activado, es empleado de una disolución de ácido clorhídrico en agua. Su función es hacer básicamente una barrera de posibles contaminaciones de arrastres anteriores del proceso, así como acidifica Ia superficie de Ia pieza con el mismo ácido del compuesto del catalizador.
6. Tratamiento, con el catalizador compuesto de sales de estaño y paladio, es el más empleado y constituido por una disolución coloidal de cloruro de paladio y cloruro de estaño (II) en ácido clorhídrico.
7. Lavado
En la tercera fase del procedimiento se aplicará el cromado de las partes, este procedimiento constara de dos pasos simultáneos, los mismos que serán un acelerador y la deposición química del níquel, para esto será necesario enfocar en que los dos compuestos serán aplicados de manera homogénea y pareja sobre la superficie, los mismos pasos que se aprecian a continuación. 8. Tratamiento con un acelerador, Ia deposición química inicia sobre el
paladio eliminando el cloruro de estaño (IV) que rodea, en el coloide, al núcleo de paladio. Llevándose a cabo en el tratamiento con un acelerador. Las soluciones se encuentran compuestas por productos químicos que disuelvan y acomplejen a los compuestos de estaño (II) y (IV). Las más comunes son el ácido fluobórico mezclado con ácido clorhídrico.
9. Lavados adicionales para quitar excesos del acelerador.
10. Deposición química de níquel (del ABS) o cobre (del poliéster) efectuándose una deposición electrolítica de cobre a partir de un electrolito de carácter ácido, finalmente, se procede a aplicar el acabado deseado. 11. Lavado final.
13. Acabado superficial, el mismo que puede ser realizado en base a lacas que cubran el cromo de la corrosión.
En la figura 3 se aprecia el esquema del producto final.
Figura 3. Esquema de aplicación. 3.1.3 DISEÑO SISTEMA NEUMÁTICO
Para esto fue necesario implementar al circuito con un sistema neumático, el mismo que permita realizar el procedimiento de cromado de manera continua, como se aprecia en la figura 4, el mismo cuenta de un compresor, mangueras, racores y cuatro pistolas, una de las mismas será doble para suministrar el líquido con catalizador.
Figura 4. Esquema neumático. 3.1.3.1 PARÁMETROS DEL SISTEMA NEUMATICO
En la construcción del sistema neumático, se identificó que sería necesario un compresor y una serie de sopletes para imprimar de las distintas substancias a la cabina de cromado, para lo cual se determinó que era fundamental suministrar una presión constante a las pistolas de cromado, como se puede afirmar en el primer paso se necesitara lavar la superficie con agua y jabón,
Laca Cromo
Base y mordentado
Parte plástica
Compresor
Pistola doble boquilla
Pistola
de aire Pistola de
activador
para esto no será necesario una pistola neumática, para el resto del procedimiento de cromado se necesitaran los siguientes parámetros:
Un sistema neumático a 100psi constante.
Un sistema que no tenga pérdidas de presión (hermético). Un sistema de fácil acceso (ordenado).
Determinados los parámetros del sistema neumático, se ha determinado los elementos que lo conforman en la tabla 1 se aprecian los mismos, las cantidades y la descripción.
Tabla 1. Elementos sistema neumático
Elemento Descripción Cantidad
Racor con anillos en T T 1/8” 3 Neplo angulado Neplo cachimba ángulo 90º por 1/8” 2 Racores rápidos Racor de 1/8” 6 Manguera de compresor con
racores rápidos 250psi máximos 10 metros. Pistola de pintura doble Aerógrafo/Pistola de gravedad de 1.5
mm, dos vasos de 400 cc 1 Pistola de pintura Aerógrafo/Pistola de gravedad de 1.5
mm, vaso de 400 cc 3 Sopladora de aire pequeña Presión nominal: 150PSI
Entrada de aire: 1/4" 1
3.1.4 ANÁLISIS DE ESTRUCTURA DE LA CABINA DE CROMADO
Antes de iniciar con algún tipo de construcción es necesario poseer un conocimiento previo sobre diseño de elementos de máquina y diseños mecánicos. Con el fin de realizar una serie de cálculos, mismos que permitirán establecer ciertos parámetros adecuados de metrología, para la construcción de una máquina que tenga un buen rendimiento. Por lo que, a continuación, se expondrán los parámetros que deben ser tomados en cuenta antes de realizar la construcciones mecánicas.
Propiedades mecánicas. Momentos de inercia. Cargas móviles y muertas.
estructura, el mismo que deberá ser de perfil cuadrado en acero ASTM A-36, el mismo que posee las características de la tabla 2.
Tabla 2. Características del acero ASTM-A36
Carbono Mn P S Cu Tensión Elongación
max % max %
max
% max % min % MPa (ksi) % 0.26 1.35 0.035 0.035 0.20 310 (45) 25
(National Instruments, 2015)
Como medida de seguridad deberá ser siempre realizado el cálculo de resistencia de materiales, para esto se determina que un aro de vehículo posee una dimensión de 450mm x 450mm x 200mm aproximadamente, eso quiere decir que el aro requiere un espacio de al menos de 15 cm por cada lado que sea cromado, si la parte mide como se aprecia en la figura 5.
Figura 5. Dimensiones de aro. (Quiñones, 2013)
La misma estructura que será diseñada con tubo cuadrado de Acero ASTM A-36, cuenta con norma INEN NTE 2415 un espesor de entre 2mm y 3mm, un peso: 3.13 kg/m y una longitud: 6m
En la tabla 3 se presentan las propiedades mecánicas más comunes del acero ASTM A-36.
Tabla 3. Propiedades mecánicas - acero norma ASTM A-36 Grado Límite de fluencia
(Mpa)
Resistencia a la tracción
(Mpa)
Elongación %
230 230 310 20
Tabla 4. Propiedades mecánicas –tubo de acero norma ASTM A-36
Grado Descripción
Límite de fluencia mínima (Mpa) Resistencia a la tracción
mínima (Mpa)
Elongación % mínimo
< a 1.6 mm de espesor
≥ a 1.6 mm ≤ a 2.5
mm de espesor
> a 2.5 mm de espesor
A Estructural y
general 170 270 25 25 25
La tabla 5, se presenta la composición de elementos químicos generales presentes en el acero ASTM A-36.
Tabla 5. Composición química – acero ASTM A-36
Designación Composición máxima %
GRADO A
C Mn P S
0.12 0.50 0.040 0.045
3.1.4.1 BASTIDOR
De esta manera se ha de calcular primeramente el bastidor, el mismo que soportara dos cargas:
Pandeo Flexión
Por lo que, los elementos que se encuentran sometidos a las cargas son los siguientes:
Columna o refuerzo vertical
Travesaño lateral izquierdo superior Refuerzo lateral derecho inferior Refuerzo posterior inferior Viga posterior superior
Refuerzo lateral izquierdo inferior Viga frontal superior
Travesaño lateral derecho superior Refuerzo frontal inferior
Tipo de anclaje: Empotramiento fijo Tipo de ensamble: Unión por soldadura
Dentro del cálculo será tomado en consideración lo siguiente: Columna.
Se ha escogido el presente elemento puesto que se debe al sometimiento de la carga, por ende, es manifestado con más frecuencia. Por otro lado, las dimensiones de las demás estructuras del bastidor en relación a su metrología son casi parecidas; por lo que, cumplirán con la misma función e igual comportamiento.
W: Peso aproximado ( estimación de carga) [15]
m = 36 kg ~ masa de 1 aro grande
Mediante la ecuación 16 se obtiene:
W = m × g [16]
W = 36 kg × 9.8 Sm2
W = 352.8 [N]
El primer cálculo de resistencia será realizado en la viga frontal superior, la misma que como se aprecia en la figura 6, se presenta la distribución de cargas o DCL de la viga frontal superior, se ha determinado que la misma sea de 1 metro.
Figura 6. Distribución de cargas – viga frontal superior
Con los datos conocidos: d1 = 0.50 (m)
d2 = 0.50 (m) d3 = 1.00 (m)
En la ecuación número 17 se obtiene lo siguiente:
∑ Fx = 0 [17] R1 + R2 − (W) = 0
R1 ∶ reacción en A R2: reacción en B
∑ MA = 0 [18] −W ∗ (d1) + R2 ∗ (d2) = 0
− 352.8 [N] ∗ 0.5(m) + R2 ∗ 1(m) = 0 −176.4 (N. m) + R2 (m) = 0
R2 =176.4 (N. m)
1(m) R2 = 176.4 [N]
Mediante la ecuación número 19 se obtiene lo siguiente:
∑ Fx = 0 [19] R1 + R2 − W = 0
R1 = W − R2
R1 = 352.8 [N] − 176.4 [N] R1 = 176.4 [N]
Después de calcular las reacciones R1 y R2, que se generan en los apoyos laterales tanto de la viga frontal como de la viga posterior; se procede a encontrar la magnitud especifica de las fuerzas F1 y F2 que generan la carga en la viga, después de la distribución normal de la misma.
R1 = R2 en magnitud y sentido ∴ F1 = −176.4 [N]
R1 = 176.4 [N] ∴ F2 = −176.4 [N]
R2 = 176.4 [N]
En la figura 7, se presenta el diagrama de esfuerzo cortante de la viga frontal superior.
Figura 7. Diagrama esfuerzo cortante - viga frontal
Después de calcular el valor de las reacciones y fuerzas, de la viga frontal, se procederá a determinar el momento flector dado para cada reacción. Por lo que, serán establecidos 2 momentos flectores, 1 para cada lado extremo de viga. Se concluye que con los datos conocidos:
LT = Longitud total de la viga frontal = d3 LT = d3 = 1 (m)
Haciendo uso de la ecuación 20, se tiene lo siguiente:
Mf1 = 176.4 [N] ∗ 1(m) Mf1 = 176.4 [N. m]
Mf2 = R2 ∗ d3 Mf2 = 176.4 [N] ∗ 1(m)
Mf2 = 176.4 [N. m]
En la figura 8, se presenta el diagrama del momento flector de la viga frontal superior.
Figura 8. Diagrama del momento flector - viga frontal superior
Ya establecidos los valores del flector, se procederá a determinar las magnitudes del esfuerzo normal máximo, en donde la sección del tubo cuadrado es sometido.
Por lo tanto, se usarán los valores siguientes que son referenciales al material, así como se presenta en la tabla 6.
Tabla 6. Especificaciones mecánicas ASTM A-36
Material Tipo
Esfuerzo último 𝐒𝐮 (MPa)
Esfuerzo de cedencia
𝐒𝐲 (MPa)
Factor de seguridad
𝐧
Acero ASTM A-36 448 MPa 331 MPa Entre 1.5 y 2.5
Para una evaluación más fiable, se toma en cuenta que es crítico el comportamiento mismo que puede ser sometido el material, con ayuda de los valores de rendimiento calificado como extremo. Es decir, se calcula el esfuerzo normal máximo juntamente con el esfuerzo, esto con el fin que antes de que el material se rompa, teniendo un elemento de seguridad muy alto. Este factor es para prevenir el comportamiento crítico y que resista el material. Por consiguiente, se calculará la ecuación 21, obteniendo como resultado:
σmax =448 Mpa 2.5 σmax = 179.2 Mpa
El valor encontrado es un valor referencial de esfuerzo normal máximo, que demuestran grados de resistencia.
Ahora para el caso del tubo cuadrado de acero ASTM A-36, que se está usando en el diseño preliminar del bastidor de la cabina de cromado, se procede a encontrar el esfuerzo que debe presentar ante una determinada carga.
Por lo tanto, el valor de la carga, se encuentra dada por la magnitud de la fuerza ejercida en cada apoyo ubicado en el área de sección transversal del tubo cuadrado. Por lo que, la fuerza aplicada sobre el área, muestra el esfuerzo del tubo.
Por consiguiente, se calculará el área de la sección del tubo: Área sección cuadrada = área externa − área interna Área exterma = lxl
Área externa = 50 (mm) ∗ 50 (mm)
Área externa = 2500 mm2
Área interna = lxl
Área interna = 44(mm) ∗ 44 (mm)
Área interna = 1936mm2
Posteriormente a los valores calculados, se procederá a determinar el área de sección transversal
Área sección cuadrada = 2500 mm2− 1936 mm2
Área sección cuadrada = 564 mm2
Área sección cuadrada = 564 mm2∗ (1 m)2
(1000 mm)2
Área sección cuadrada = 0.000564 m2
De la misma forma se calculará el valor del esfuerzo del tubo, mediante la siguiente ecuación número 22, se establece a partir de la carga que es sometida por F1 o F2.
σ tubo =A sección cuadradaF [22]
σ tubo = F1 o F2
A sección cuadrada
σ tubo = −176.4 [N]
0.000564 m2
σ tubo = 312765.95 Pa σ tubo = 312.765 KPa
y final. Por lo tanto, se concluye que la misma es competente para resistir cargas muy elevadas, siendo permisivo el rendimiento mecánico.
Finalmente se procedió a encontrar el valor del factor de seguridad real, se utilizaron los siguientes parámetros:
Constante de la sección transversal – C Inercia
Esfuerzo real permisible Momento flector
En la siguiente ecuación 23, se demostrará el esfuerzo real permisible, necesario para establecer el factor de seguridad real.
σ real =Mf1 o Mf2∗CI [23] Asimismo, en la ecuación 24, se obtendrá el valor de inercia generado en la viga frontal superior.
I =121 ∗ (bxh)4 tubo cara externa − 1
12∗ (bxh)4 tubo cara interna [24]
I = 1
12∗ (50 ∗ 50)4−
1
12∗ (44 ∗ 44)4
I = 1
12∗ 2500 mm4−
1
12∗ 1936 mm4
I = 208.33 mm4− 161.33 mm4
I = 47 mm4
I = 47 mm4∗ (1 m)4
(1000 mm)4
I = 47 mm4∗ (1 m)4
(1000 mm)4
I = 4.7 × 10−11 m4
El valor de inercia que fue calculado anteriormente del tubo cuadrado ASTM A-36, en la ecuación 25 se procede a encontrar el esfuerzo real de la sección transversal.
σ real =Mf1 o Mf2∗CI [25]
σ real =176.4 [N. m] ∗ lado del tubo2
I
σ real =176.4 [N. m] ∗ 0.05 m2
4.7 × 10−11 m4
σ real = 176.4 [N. m] ∗ 0.025 m
4.7 × 10−11 m4
σ real = 4.41 [N. m
2]
4.7 × 10−11 m4
σ reaL = 9.38 × 1010 [N]
Finalmente se procedió a calcular el factor de seguridad con el objetivo de determinar si el diseño es confiable, con ayuda de la ecuación 26, para iniciar con la construcción. Sy también conocido como el esfuerzo de fluencia es considerado como el esfuerzo máximo real.
𝐧 =𝛔 𝐫𝐞𝐚𝐥𝐒𝐲 [26]
n =179.2 Mpa
93.8 Mpa n = 1.91 ∴ El diseño es confiable porque n > 1
3.1.5 DISEÑO DIGITAL DE LA CABINA DE CROMADO
Una vez realizado el diseño en el papel, fue necesario realizar el mismo en digital para poder realizar el proceso de cromado en una cabina segura. El diseño virtual consto de una serie de pasos, en la primera parte se diseñó el bastidor con las medidas, materiales y especificaciones relacionadas a los cálculos previos, por otra parte, se realizaron cada parte por separado con el objetivo de obtener una apreciación más real del conjunto definitivo a realizar, en la figura 9, se aprecia el bastidor y la malla para soportar las piezas a cromar, la misma estructura fue probada para determinar fallos en el diseño.
Figura 9. Diseño de bastidor.
Una vez realizado el diseño en Solid Works, se realizó la soldadura de los elementos para poder realizar de mejor manera el estudio de la estructura. Como se aprecia en la figura 10.
